超快光纤激光技术：基于多芯光纤的激光系统

基于单芯光纤的激光放大器受限于自聚焦等非线性效应,在功率提升方面遭遇瓶颈。使用大模场面积光纤可以提升放大功率,但较大的模面积会引入高阶模式,在高泵浦功率下出现横模不稳定影响光斑质量。多路激光的相干合成是一种提升光纤单纤芯放大功率上限的方案,可以显著增加输出激光的平均功率,但不足之处在于需要相位反馈系统补偿各路激光间的相位差,装置更加复杂。结构简单且更高功率的光纤激光器与放大器亟待发掘。

近几年,研究者对纤芯间距较近、激光会在纤芯之间发生相互作用的耦合多芯光纤产生了兴趣。如图1 所示,多根纤芯安置在同一根光纤中,可以简化多路激光系统的实验光路;各纤芯激光的相互作用会产生超模式,让各路纤芯内的激光保持相位同步,避免使用复杂的反馈系统;理论分析表明某些超模式有望突破单纤芯放大的功率上限,突破光纤激光器的功率瓶颈。2018年,JUNHUA JI等人制作了单根纤芯芯径19 um、数值孔径0．067的大模面积全固态多芯光纤,其截面图如图1所示,并用其搭建了一台平均功率达115W的连续波激光器。

 

图1 掺镱多芯光纤的横截面 [1]

基于该多芯光纤的各项参数,研究者首先模拟了同相、异相和多模三种模式的近场强度、近场相位以及远场强度,结果如图2所示。其中同相模式的远场分布有较强的中心光斑,研究者指出该光斑与衍射极限光束的光斑比较接近。异相模式的远场和近场分布几乎保持不变。

 

图2同相模式(a)、异相模式(b)以及高阶模式(c)的近场强度(第一行)、相位分布(第二行)和远场强度 [1]

图3左图为作者搭建的线型腔结构多芯光纤激光器,左侧用多芯光纤的直切端面,右侧用高反镜作为腔壁,实现激光振荡,在高反镜右侧约50mm处测量远场光斑强度分布。在泵浦功率为198．6 W时,这台激光器有115 W的输出平均功率,通过改变泵浦功率测量输出功率得到的激光器斜效率约为61．4%。远场光斑滤除底座后,其M2因子约为1．43,此时高反镜和光纤端面的距离约为2 mm。研究者发现调节高反镜和多芯光纤右侧端面的距离,远场光斑会发生变化。减小光纤端面和高反镜的距离至小于1 mm,远场光斑(图3d)和间距为2mm时的远场光斑(图3b)差距很大,这表明激光器内有同相模式之外的其他超模式在振荡。

 

图3实验装置图(左图)和输出光斑(右图);同相模式远场强度的计算结果(a)和实验结果(b);异相模式远场强度的计算结果(c);高反镜与光纤端面距离小于1 mm时的输出光斑 [1]

作者模拟各个超模式在高反镜与光纤端面处于不同间距的耦合效率,结果如图4所示。当光纤和高反镜距离小于0．3 mm时,光束发散较小,耦合系数都较高,大部分超模式都能将大部分能量耦合回光纤;当距离大于0．7 mm时,因为同相模式的衍射角最小,其耦合系数显著高于其他模式。

 

图4不同模式的强度耦合系数随高反镜距离的关系 [1]

基于多芯光纤的同相模放大可以在一定程度上提高光纤放大器的输出功率,然而,当功率到达一定值时,超模变得不稳定,仍无法突破自聚焦带来的输出功率限制。已经有研究指出,在非线性过程中,异相超模式比同相超模式稳定得多,可以将脉冲峰值功率提升至超过自聚焦阈值的强度;但异相超模式的相位分布并不平坦,需要对种子脉冲进行调制才能在多芯光纤中激发。

2020年,Alexey V． Andrianov等人首次实现了异相模式在耦合多芯光纤放大器中的选择激发。研究者利用液晶空间光调制器将种子源输出的高斯光束进行转化,用参考光干涉法测量各超模式在输出光中占据的比例,经过优化成功实现了大于80%的耦合效率。实验装置如图5所示,中心波长1030 nm的种子脉冲被分成两部分,一部分作为信号光经过空间光调制器整形后进入多芯光纤,另一部分经过扩束器作为参考光,利用分束器将两束光耦合入CCD中。参考光用于测量超模式的相位,关闭参考光时,CCD测量超模强度分布。由于各超模式的群速度不同,对参考光施加不同的延迟线就能在不知道超模式具体分布的情况下测量各个模式。

 

图5异相模式放大器实验装置图 [2]

研究者首先在无泵浦的情况下测量了优化前各个超模的比例,结果如图6所示,在未优化的情况下,异相模式占比仅为70%,而利用算法补偿了非理想的器件引入的相位扭曲后,可以将异相模式占比提高到90%。实验中只有当参考臂增加260fs的时间延迟时才出现另一个超模式的干涉图样,略大于种子脉冲的变换极限脉宽(220fs),说明各个超模式之间相距较远,没有连续的能量转移。

 

图6优化前以及优化后模式能量占比(左图);各模式横模分布(右图)[2]

研究者还对无泵浦时不同模式的强度分布以及相位分布进行测量,结果如图7所示,在考虑到光纤的非均匀结构和不平滑的端面等因素的情况下,可以测量到相位几乎平坦的同相模式和相邻纤芯相差π相位的异相模式。

 

图7同相模式(SM1)和异相模式(SM6)实际测量和模拟的强度分布与相位分布 [2]

开启泵浦后,放大器输出结果如图8所示,在泵浦功率12 W的情况下得到平均功率0．9 W的最大脉冲输出,对其输出光斑的近场成像表明,异相模式占据着主导地位。从有无泵浦时的输出光谱则可以看出,光谱不存在明显的增益窄化效应,因此研究者认为多芯光纤非常适合用于啁啾脉冲放大技术。

 

图8(a)输出功率最大时横向强度分布;(b)有无泵浦时的输出脉冲光谱;(c)(d)异相模式的强度分布和相位分布重构图[2]

研究者最后对多芯光纤中的超模式放大进行模拟。模式成分的演化表明,在存在增益和非线性效应的情况下,超模之间没有明显的能量交换。另一项模拟表明,在总增益增加到一定程度时,同相模式在放大光纤后程退化为单芯传输,伴随着峰值功率的剧烈提升,导致光纤损坏。而相反,异相模式在能量增加时,如理论预测的一样保持稳定,峰值功率保持在击穿阈值之内。

 

图9 同相模式SM1和异相模式SM6在增益光纤不同位置处的横向强度分布 [2]

关于存在弱耦合的多芯光纤的研究还处于襁褓阶段,理论工作者和实验工作者在这一领域大有可为。随着研究的不断深入,这种多芯光纤技术有望为高功率光纤激光的现存挑战提供新的解决思路。

审核编辑：符乾江