非线性效应（主要是受激拉曼散射（SRS））抑制和模式控制是目前高功率掺镱光纤激光器（YDFL）功率提升面临的技术难题^[1]。增大YDF纤芯直径有利于提高SRS阈值，但导致高阶模控制更为困难，难以实现高光束质量^[2-7]。与均匀双包层光纤相比，锥形光纤（TYDF）在兼顾SRS抑制和模式控制方面具有一定的优势^[8-9]。根据纤芯直径大小，锥形光纤通常可分为小芯径区、锥区和大芯径区三部分。锥形光纤的小芯径部分可减少纤芯导模数量以实现有效的模式控制，大芯径部分则有利于降低纤芯功率密度以提高SRS阈值。2022年，国防科技大学基于均匀双包层掺镱光纤已实现了20 kW激光输出，光束质量M²因子为3.3^[4]。为进一步提高光束质量，团队开展了锥形掺镱光纤（TYDF）激光器理论和实验研究，近期实现了最高功率20.2 kW，光束质量β因子平均值优于2的激光输出。

激光器结构如图1所示。为提高SRS阈值，激光器采用后向泵浦的主振荡功率放大（MOPA）结构。1080 nm种子光依次经模场适配器（MFA）、倾斜光栅（CTFBG）和包层光滤除器（CPS 1）后从TYDF的小芯径端注入。1018 nm泵浦光经后向(6+1)×1合束器（PSC）泵浦臂注入TYDF大芯径端。放大后的信号光经包层光滤除器（CPS 2）和光纤端帽（QBH）后输出。CPS 1的尾纤为30/250 μm双包层传能光纤。PSC、CPS2和QBH尾纤均为48/400 μm双包层传能光纤。TYDF为国防科技大学自主设计研制，其小芯径区的纤芯/内包层直径为30/250 μm，大芯径区的纤芯/内包层直径为48/400 μm。TYDF的纤芯数值孔径为0.066。TYDF的包层吸收系数约为0.36 dB/m@1018 nm，光纤的小芯径区、锥区、大芯径区长度分别为15 m、30 m、15 m。TYDF采用螺旋型盘绕方式固定于光纤水冷板上，最小盘绕直径大于25 cm。

图 1. 20 kW光纤激光器结构示意图

Fig. 1. Schematic diagram of the 20 kW fiber laser

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激光器输出功率变化如图2（a）所示。200 W的1080 nm种子激光经放大器后的输出功率为160 W。当注入TYDF的最高泵浦功率为24.8 kW时，输出激光功率为20.2 kW，对应的整体斜率效率为80.8%。最高输出功率时的光谱如图2（b）所示，此时SRS抑制比为33 dB且未观察到明显的拉曼光成份。输出激光功率为13.5 kW时光束质量M²因子为2.18（如图2（c）所示，使用Primes LQM 200测量，准直器焦距为120 mm）相比团队2022年基于48/400 μm均匀光纤时同等功率下的测量结果（M²=2.8），光束质量得到了明显提升。由于激光光斑较小（LQM 200入射光斑直径需小于15 mm），随着输出功率的增加，准直器镜片的热效应加剧，导致了明显的离焦相差和光斑畸变，因此暂未能完成20 kW输出功率时M²的准确测量。实验中还使用中国科学院合肥物质科学研究院研制的光束质量测量仪（GYM-100），依据《GJB 7367-2011高能激光光束质量因子β测量方法》，对光束质量β因子进行了测试。由于使用了长焦距（190 mm）的大光斑准直器，一定程度上缓解了准直器的热效应对测量结果的影响。13.5 kW时的β因子为1.92，20 kW时的β测试结果如图2（d）所示。150 s内测得β因子最小值为1.93，最大值为2.05，平均值为1.99。因目前尚无β因子与M²因子的精确换算方法，暂无法由β因子测试结果得出20 kW时的M²因子真实值。但对比团队2022年基于48/400 μm均匀YDF实现的20 kW激光器（基于相同测试系统测得β因子平均值为2.94），光束质量得到了明显提升。实验结果验证了基于锥形光纤实现高功率高光束质量激光的可行性。在后续工作中，团队将继续优化TYDF和光纤器件结构参数，实现功率和光束质量的进一步提升。

图 2. 激光输出功率及测试结果

Fig. 2. Laser output power and measurement results

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