光纤构型的激光介质具有大的体面积，有利于介质散热，具有近衍射极限的光束质量，可实现全光纤化设计，系统结构简单，转换效率高，具有小型化、轻量化优势，易于满足工业加工、医疗应用需求。随着双包层掺镱光纤和半导体激光器(LD)的发展，光纤激光器的输出功率得到了迅速的提高。对于1070 nm 波段的掺镱光纤激光器，目前通用的抽运源为915 nm 或976 nm 波段的半导体激光器(LD)。然而LD 的亮度不高，且915 nm或976 nm激光抽运掺镱光纤时具有较高的量子亏损，导致其热效应非常严重。相对于LD，1018 nm光纤激光具有极高的亮度，作为掺镱光纤抽运源可极大提升注入抽运功率水平以及改善增益光纤的热效应。2009 年，IPG 公司采用多路1018 nm 光纤激光抽运掺镱光纤实现了单纤单模万瓦输出。掺镱光纤在1018 nm 波段的发射截面很小，在1018 nm 实现激光输出时自发辐射(ASE)会比较严重，且容易出现其他波段的自激现象，因此，这方面报道的文章并不是很多。虽然在2009 年IPG 公司就实现了270W 的1018nm 激光输出，但未进行公开报道。在国内，2011 年，Li 等报道了7.5 W 的1018 nm 光纤激光器， 斜率效率约为16%。2013 年，王一礡等采用15/130 μm 的双包层掺镱光纤获得了22.8 W 的1018 nm 光纤激光，光光转换效率为62.8%。2013年，Xiao等采用30/250 μm 的双包层掺镱光纤实现了309 W 的1018 nm 激光输出。

　　本文实验研究了增益光纤长度、光纤布拉格光栅的反射率以及增益光纤的芯包比等参数对1018 nm 激光性能的影响，并基于15/130 μm 的国产双包层掺镱光纤，获得了155 W 的1018 nm 激光输出，光光转换效率为71%。

　　2 实验原理及装置

　　1018 nm 激光实验系统结构如图1 所示，整个系统采用全光纤结构，采用一对光纤布拉格光栅作为谐振腔振荡，抽运源采用976 nm 的LD，采用光纤合束器将抽运光耦合至增益光纤。光纤布拉格光栅中心波长位于1018 nm，高反光栅(HR)反射率大于99%，低反光栅(OC)反射率为10%或16%。增益光纤采用Nufern 公司10/130 μm 和国产15/130 μm 双包层掺镱光纤(YDF)，纤芯/包层数值孔径均为0.07/0.46。包层模剥离器(CPS)用来剥离剩余的抽运光。输出端切8°角用来防止端面的回光。

　　3 实验结果与讨论

　　3.1 增益光纤长度对1018 nm 激光性能的影响

　　实验中，采用纤芯/包层直径大小为10/130 μm 的双包层掺镱光纤(YDF1)作为增益介质，利用一对中心波长位于1018 nm，反射率分别为99%和10%的光纤布拉格光栅作为谐振腔，将抽运光注入增益光纤后测试了YDF1在不同长度下的光谱特性，1018 nm 光纤激光器在不同YDF1长度下的输出光谱如图2所示。从图2(a)中可以看出，当YDF1长度为8 m 时，掺镱光纤未实现1018 nm 激光输出，且在1050~1070 nm 存在两个自激振荡峰。将YDF1 长度减短至3 m 后，从图2(b)中可以明显的看出，在1018 nm 激光输出的同时，1033 nm 波段也有自激振荡产生。从图2(c)中可以看出，当YDF1长度为2 m 时，在获得1018 nm 激光的同时自激振荡也得到了有效的抑制。

　　以上现象可以这样解释：对于石英基掺镱光纤，一般来说，Yb3+的发射峰值位于1030 nm 左右，而Yb3+在1018 nm 波段的吸收截面要远远高于1030~1070 nm。因此，1018 nm 波段的小信号增益要远远低于1030~1070 nm 波段，虽然在实验中采用了一对中心波长位于1018 nm 的光纤布拉格光栅作为谐振腔，即使光纤布拉格光栅在1030~1070 nm 波段没有反射，但是由于光纤端面或熔接点处会存在菲涅耳反射和瑞利散射，如果光纤长度过长，自发辐射增益增强，1018 nm 激光与自发辐射在增益竞争中会处于不利的地位。所以在实验中当YDF1 长度过长时只有自激振荡输出而没有1018 nm 激光输出，当YDF1 光纤长度缩短后获得了1018 nm 激光输出。实验结果表明，对于双包层掺镱光纤，可通过减小光纤长度使短波长激光获得更大增益，进而获得1018 nm 激光输出。3.2 OC 的反射率对1018 nm 激光性能的影响

　　从之前实验结果可知，HR 和OC 反射率分别为99%和10%，当YDF1 长度优化至2 m 时可获得高信噪比的1018 nm 激光，其激光功率随抽运功率的变化关系如图3所示，在注入抽运功率为17.68 W 时获得了5.1 W的1018 nm 激光，光光转换效率为29%，但由于光纤长度过短，其抽运光吸收较少，导致其激光功率不高且效率偏低。

　　采用中心波长位于1018 nm，反射率分别为99%和16%的HR 和OC 作为谐振腔，使用YDF1 作为增益介质进行了进一步的实验研究，将YDF1 长度为优化至3 m 时获得了高信噪比的1018 nm 激光输出，没有明显的自发辐射产生。其激光输出功率随抽运功率的变化关系如图3所示，当注入抽运功率为17.68 W 时获得了11 W 的1018 nm 激光，光光转换效率达到了62%。从图3中可以看出，相对于反射率为10%的OC，采用反射率为16%的OC 后其激光器功率和效率提升了一倍多。

　　激光起振需满足增益大于等于损耗，对于全光纤激光振荡系统，腔内损耗主要来自于OC 的透射率，增加OC 反射率可降低1018 nm 激光的损耗和阈值，有利于1018 nm 激光起振以及其他波段ASE 的抑制，进而可以提升激光器的转换效率。但OC 的反射率也不能太高，当激光在腔内形成稳定振荡时，增益等于损耗，较低的损耗会导致其激光增益过低，进而降低激光器效率。因此，在搭建1018 nm 全光纤激光振荡系统时，需要对OC 反射率进行优化，从而在获得高信噪比激光的同时也获得较高的转换效率。

　　3.3 增益光纤芯包比对1018 nm 激光性能的影响

　　掺镱光纤的自发辐射峰值位于1030 nm 波段，根据理论计算，掺镱光纤在1030 nm 增益可表示为式中G1030 和G977 分别为掺镱光纤在1030 nm 和977 nm 波段的增益，β 为掺镱光纤的包层和纤芯的直径比，α为抽运吸收系数。从式中可以看出，采用较高芯包比的掺镱光纤可以更好地抑制自发辐射增益，而且芯包比的增加会还会提高增益光纤对抽运光的吸收效率。

　　实验中，增加了增益光纤的芯包比，采用纤芯/包层直径大小为15/130 μm 的双包层掺镱光纤(YDF2)作为增益介质，利用一对中心波长位于1018 nm，反射率分别为99%和10%的HR 和OC 作为谐振腔，在注入抽运光后测试了其激光性能。优化了增益光纤长度，当YDF2 长度为5 m 时获得了高信噪比的1018 nm 激光，其光谱图如图4 所示，从图中可以看出，有明显的1018 nm 激光输出，未观察到ASE 和自激振荡现象。激光输出功率随抽运功率的变化关系如图5所示，从图中可以看出其光光转换效率随抽运光的增加而增加，这是因为随着抽运功率的增加，抽运光的中心波长逐渐向976 nm 波段移动，使得掺镱光纤的吸收效率提升，从而使激光器光光转换效率提升。当抽运功率为217 W 时，其激光输出功率达到了154.8 W，光光转换效率为71%。可以看出，对于相同的实验系统，相对于10/130 μm 的双包层掺镱光纤，采用15/130 μm 的双包层掺镱光纤后激光器的效率得到了较大的提升。理论和实验结果表明，增加增益光纤的芯包比可以更好地抑制自发辐射以及提升激光器的效率。由于较大的纤芯会带来更多的激光模式并降低激光亮度，所以增益光纤芯包比也不易过大。4 结论

　　搭建了1018 nm 全光纤激光振荡系统，实验研究了增益光纤长度、光纤布拉格光栅的反射率、增益光纤芯包比等参数对1018 nm 激光性能的影响。研究表明，短的增益光纤长度有利于短波长激光输出，通过优化增益光纤长度可获得1018 nm 激光输出，但是较短的光纤长度会导致激光器转换效率过低。对于10/130 μm的双包层掺镱光纤，将低反布拉格光栅反射率由10%增加至16%后激光器输出功率和效率提升了约一倍，实验研究表明，对于1018 nm 光纤激光振荡系统，可通过优化低反光纤光栅反射率来提升激光器的效率。理论和实验结果表明，通过增加增益光纤的芯包比可以提升抽运光吸收效率以及更好的抑制自发辐射，进而可提高1018 nm 光纤激光器的效率。利用一对中心波长位于1018 nm，反射率分别为99%和10%的光纤光栅作为谐振腔，采用芯包比为15/130 μm 的国产双包层掺镱光纤作为增益介质，在抽运功率为217 W 时，获得了大于150 W 的激光输出，光光转换效率为71%，自发辐射和自激振荡得到了有效的抑制