高功率大模场掺铥光纤激光器中嵌套环掺杂结构的热建模与性能优化研究

针对高功率掺铥光纤激光器（TDFLs）中热负载与放大自发辐射（ASE）的瓶颈问题，研究人员通过建立温度依赖性热模型，优化嵌套环掺杂（nested-ring doping）的LMA-TDF（大模场掺铥光纤）结构，将局部热负荷降至26 W/m，同时实现千瓦级输出功率，为2 μm波段激光器的功率扩展提供了新思路。

　　

在激光技术领域，2 μm波段的掺铥光纤激光器（Tm-doped fiber lasers, TDFLs）因其在医疗手术、聚合物加工和气体检测等领域的独特优势备受关注。然而，随着功率向千瓦级迈进，热效应成为制约性能的关键瓶颈。传统掺铥光纤（TDF）在793 nm泵浦下局部热负荷可达170 W/m，引发横向模式不稳定性（TMI）、热透镜效应甚至光纤损伤。尽管近年来通过大模场光纤（LMA-TDF）和共振泵浦（1570 nm/1910 nm）取得进展，但短波长（<1950 nm）输出仍面临热管理与放大自发辐射（ASE）的双重挑战。

为解决这一问题，研究人员开发了一套创新的热模型，聚焦于嵌套环掺杂结构的LMA-TDF。该模型首次整合了温度依赖的交叉截面、折射率及重叠因子，并量化了Tm³⁺离子空间分布对热耗散的影响。通过数值模拟对比传统平坦掺杂与嵌套环构型，研究发现优化后的嵌套环结构可将热负荷峰值降至26 W/m，降幅达85%，同时保持千瓦级输出性能。这一成果发表于《Optical Fiber Technology》，为高功率TDFLs的设计提供了理论基石。

关键技术方法
研究采用多层法（M=100层）模拟LP₀₁/LP₁₁模式竞争，结合双向793 nm泵浦和弯曲半径4 cm的TDF-25/400光纤（NA=0.09）。通过有限元分析计算温度场，并引入实测的温度依赖性Tm³⁺交叉截面数据，验证了嵌套环掺杂对ASE抑制和热分布优化的双重作用。

研究结果

理论模型
模型基于25 μm芯径/400 μm包层LMA-TDF，通过分层计算揭示嵌套环构型能有效降低核心区Tm³⁺浓度梯度，减少量子缺陷热积累。

结果与讨论
仿真显示，嵌套环结构使热负荷分布更均匀，局部峰值温度较传统构型降低60%，且LP₀₁模式占比提升至98%，显著抑制TMI。此外，该设计通过调控离子分布将ASE功率损耗控制在<1%。

结论
嵌套环掺杂LMA-TDF实现了热-光性能的协同优化，为3 kW级TDFLs的功率扩展开辟了新路径。Mohamed Zaki等作者强调，该结构可推广至其他稀土掺杂光纤系统，推动高功率激光器在工业与医疗领域的应用。

意义
此项研究不仅解决了TDFLs在1900 nm波段的功率限制，其热管理策略对Yb³⁺/Ho³⁺掺杂激光器亦有借鉴价值，标志着光纤激光器向高效、高稳定性迈出关键一步。