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0431-81702023
光學工程
多芯光纖激光器選模特性及其研究進展

摘要 纖芯激光功率密度過高,易引起非線性效應,導致激光損傷,限制光纖激光器輸出功率的提高,采用多芯光纖是解決這一問題的有效方案之一.同相位超模的選擇和多芯光纖的制作是影響多芯光纖激光器發展的主要因素,因此實現同相位超模運轉的大模場面積多芯光纖研究成為近年來國內外研究人員關注的熱點.詳細介紹了當前多芯光纖選模及制造技術的研究進展,通過對比幾種技術方案的可行性,展望了高功率多芯光纖激光器單模運轉的發展前景.

關鍵詞 光纖光學;光纖激光器;多芯光纖;超模選擇

1 引 言

      光纖激光器因其高光束質量、高斜率效率、良好的散熱性能和易于集成等優點得到迅速發展,廣泛應用于光通信、生物醫療、工業加工和國防應用[1G6]等領域,成為激光行業的發展潮流.近年來,隨著激光技術的迅猛發展,激光輸出功率得到了很大提高,已達到萬瓦量級平均功率[7]和兆瓦量級峰值功率[8],但是高功率激光的輸出會導致光纖功率密度過高,易引起嚴重的非線性效應并產生光纖損傷.1996年,Scifres [9]提出的多芯光纖(MCF)可以很好地解決上述問題.多芯光纖在同一個包層下可以同時具有多個纖芯,所以使用多芯光纖能達到非常大的有效模場面積,提高非線性閾值,利于散熱,從而提高輸出功率.

      由于多芯光纖獨到的優勢特點,近年來已經有大量多芯光纖激光器的報道.本文從多芯光纖選模特性的角度出發,綜述了多芯光纖激光器的發展現狀,介紹了目前多芯光纖可實現的制備工藝問題,為高功率激光器的發展提供了新的有效途徑.

2 多芯光纖激光器的選模方法

      多芯光纖由于芯間的強耦合作用會產生超模,不同的纖芯大小及芯間距離都會產生不同類型的超模. N 個纖芯具有N 類超模,但只有同相位超模具有衍射極限特性,所以如何選出同相位超模來實現高功率單模運轉是一個很關鍵的問題。

2.1 泰伯(Talbot)腔選模法

      1836年,Talbot [10]發現當一束相干光束照射周期性排列的物體時,在傳輸方向上存在周期性自映像,這種現象被稱為 Talbot效應.2000年,Wrage等[11]用數值孔徑為0.16、纖芯直徑為8μm、包層厚度為131μm 的18芯環形摻釹光纖尾端搭建了 Talbot腔,如圖1所示,通過移動后腔鏡的位置選擇不同的超模,實現了1060nm 波段的相位穩定輸出,其中ZM 為泰伯距離.2001年,該團隊在 Talbot腔的基礎上用微結構反射鏡代替普通的平面反射鏡,獲得斜率效率為16%的5.5W 激光輸出,使超模的選擇效率得到進一步提高[12]. 2002年,該團隊用數值孔徑為0.16、長為1.45mm 的環形波導光纖替代 Talbot腔,30 W 的抽運功率最高可得到6 W 的激光輸出[13].2014年,Chen等[14]分析了 Talbot模式的競爭機制,得出了7芯和19芯多芯光纖的最佳 Talbot距離,研究了不同芯子大小和纖芯距離對輸出光束質量的影響,為實驗的深入研究提供了理論方法.

2.2 非線性選模法

        2001年,Cheo等[15]用長為15m、纖芯直徑為7μm、芯距為10.5μm、數值孔徑為0.085的六角形等距式7芯光纖搭建激光系統,發現當抽運光功率超過一定閾值時,同相位超模出現,而其他相位模式被抑制,且測得激光斜率效率為65.2%.2003年,Bochove等[16]從理論上分析了這種非線性效應存在的原因,發現摻鐿光纖在抽運光波長為915nm 的條件下,當抽運強度變化時,摻鐿纖芯的非線性折射率也會發生改變,導致光纖內部發生非線性光學效應,從而選出同相位超模,并且測試得到輸出光束質量因子M2為1.5.

2.3 主振蕩光纖放大(MOFA)選模法

      2004年,PC公司 Huo等[17]用Q 調制光纖激光器產生的M2 接近1的激光作為種子源,對 Nufern公司制造的長為5.8m 的19芯光纖進行放大,光纖截面如圖2(a)、(b)所示,圖2(c)為系統結構,其中 AOQS為聲光調Q,M 為反射鏡,P 為功率,SM 為單模.實驗得到 M2 為1.5的近衍射極限的脈沖輸出,重復頻率為5kHz處的增益放大為20dB,輸出脈沖能量為0.65mJ,平均功率為3.5W,沒有發生受激布里淵散射現象. 2009年,Shalaby等[18]用單模反饋光纖與長為75cm、纖芯直徑為6.3μm、芯距為9μm 的7芯光纖搭建了一個反饋腔系統,獲得3dB帶寬為0.13nm.2010年,該團隊又以一段長為3m、纖芯直徑為7μm、芯距為10.5μm 的19芯光纖為增益介質,搭建了反饋腔系統,在抽運功率為17.5 W 時獲得最大功率為2.3 W 的激光輸出,且 M2 達到1.21 [19].2011年,該團隊為探究同相位超模的干涉場分布,將種子源分束輸出為相同比例的兩束種子光,一束光耦合進入長度為65cm 的7芯光纖中,另一束光耦合進入長度為35cm 的相同光纖中,實驗裝置如圖3所示[20],其中ISO 為光隔離器,SMFF為單模反饋光纖,YDFA 為摻鐿光纖放大器,PC 為偏振控制器,IS為成像系統,OC為輸出耦合器,L為透鏡,d 和D 分別表示兩 MCF中心距離和其輸出光束中心距離,P為偏光器.調整種子光輸入到高斯光束束腰位置,使光束經過多芯光纖后同相位超模占最大的比例,束腰半徑為12μm 時同相位超模占97%,最后得到的遠場干涉圖與模擬干涉圖基本一致.同年, Kochanowicz等[21]將纖芯直徑為11μm、芯距為18μm,歸一化頻率為1.7的19芯摻鐿光纖作為放大光纖, 以 Nufern公司制造的纖芯直徑為20μm,包層直徑為400μm 的摻鐿光纖作為種子源,并用同向抽運的方式進行抽運光輸入,最終得到 BQF(另一種光束質量因子測量方法)為0.91的激光輸出.2014年,Otto等[22] 設計了一字型排列的4芯光纖,以此來研究多芯光纖模式的不穩定(MIs)問題.研究結果發現,單芯時輸出功率為147 W 時模式輸出不穩定;4芯時,輸出功率為536 W 時,MIs與纖芯數成一定比例.

2.4 自傅里葉腔選模法

        2005年,Corcoran等[23]用7根獨立輸出的光纖激光構成自傅里葉腔,得到穩定的相位鎖模激光,輸出光束的遠場邊緣可見度達到0.87,激光耦合率為0.73,最大輸出功率達到0.4 W.2007年,Bochove等[24]對自傅里葉腔進行了理論和實驗驗證,發現通過設置搭建的自傅里葉腔參數,可以改變每種超模所占的比例, 而且得到的基模增益比高階模增益高30dB,驗證了該選模方式的有效性.

 2.5 光纖結構選模法

      2005年,Cooper等[25]設計了一種帶狀結構10芯光纖,如圖4(a)所示,摻鐿纖芯x 方向大小為20μm, y 方向為23μm,用976nm 激光二級管進行抽運,長度為2.1m 的光纖最大輸出功率可達到320W,單個芯在x 方向上獲得的M2 為1.8,y 方向M2 為2.3,斜率效率為62%.2007年,Zhu等[26]報道了一種具有雙折射且輸出同相位超模的相位鎖模多芯光纖激光器,該多芯光纖由12芯矩形排列纖芯組成,光纖端面如圖4 (b)所示,纖芯直徑為8.5μm、芯距為8μm,最大輸出功率為2.6 W,斜率效率達到10%,在744MHz輸出脈沖兩邊有對稱的624MHz和864 MHz脈沖,測出雙折射率系數 Δγ 約為4×10-6 μm-1.2009年,Vogel 等[27]報道了一種大模場單模運轉多芯光纖,該光纖纖芯直徑為2μm、芯距為5.5μm、數值孔徑為0.108,是包層直徑為250μm 的19芯光纖,有效模場面積為465μm2,測得x 方向和y 方向的M2 都為1.02.2011年, Wang等[28]設計了一種可以直接得到同相位超模的多芯光纖結構,如圖4(c)所示,其中ds 為橢圓芯短軸長度,dL 為橢圓芯軸長度,2d 為有源芯直徑,2b 為無源芯直徑,rclad為包層半徑,Λ1 為有源芯芯間距,Λz 為有源芯與無源芯芯間距,利用對稱的兩個無源芯中的橢圓空氣孔產生雙折射,對多芯光纖產生的超模進行選擇,可以得到 M2 接近于1的x 方向偏振的同相位超模輸出.2013年,Prudenzano等[29]設計了纖芯直徑為2μm 的19芯單模光纖,數值孔徑為0.04、有效模場面積為703μm2、腔長為15m 時得到斜率效率為81%、輸出 M2 為1.05、最高輸出亮度為32GW??cm2??sr的激光.

2.6 光波導選模法

       2006年,Yuan等[30]將單芯單模光纖與多芯單模光纖熔接后拉錐,拉錐長度為 18 mm,錐腰直徑為5μm,纖芯直徑從3.7μm 減小至0.15μm,拉錐前后多芯光纖的輸出功率由0.04 W 上升至0.48 W,增大了11倍.同年,Li等[31]報道了一種全光纖選模結構,如圖5所示,在長為10cm 的19芯光纖兩端分別熔接1.7mm、0.5mm 的無源光纖,得到功率為6 W、近衍射極限遠場發散角為0.04rad的激光輸出,在光譜峰值50%處的輸出光譜為3dB,線寬為0.2nm.2007年,該團隊對37芯多芯光纖進行同樣的實驗,發現在熔接同樣長度的無源光纖時也可得到近衍射極限的光場[32].同年,該團隊通過優化實驗結構獲得斜率效率為14%、最高輸出功率達11 W的實驗結果[33].2008年,Wang等[34]設計了一種單模微結構光纖,由兩種不同尺寸的空氣孔構成,通過改變空氣孔的尺寸和間距,可以選出摻鐿多芯光纖中的同相位超模,通過模擬獲得在抽運光功率為600 W 的條件下功率為460 W 的激光輸出,其中同相位超模的比例占95.6%.2011年, Zhang等[35]用圓環3芯、6芯、同心4芯、7芯分布的多芯光纖探究不同多芯光纖與單模光纖的 Talbot距離 (即可以選出同相位超模的光纖出射端面與反射面的距離)的同相位超模選擇問題,發現與 Talbot選模法相比,單模光纖選模法能更好地選出同相位超模.

2.7 光器件選模法

       2006年,Kurkov等[36]用纖芯直徑為50μm 的多模光纖,波長為1054nm 的布拉格光柵作為反射鏡來構建光纖激光器,增益纖芯是用研磨法制成的直徑為6μm、纖芯距為28μm 的4芯光纖,得到斜率效率為55%的激光輸出.2008年,Kurkov等[37]在之前實驗的基礎上通過在多模光纖和多芯光纖之間涂膠的方式發現光柵對4個芯子的模式皆可調制,在長度為10cm、彎曲半徑為5m 的光纖中發現有很明顯的彎曲選模效應,70%的功率從一個芯傳輸到另一個芯.2010年,Paurisse等[38]用數字全息波前技術控制19芯摻鐿光纖放大器,對重復頻率為40kHz、波長為1064nm、脈寬為800ps的激光進行放大,獲得23dB 的增益. 2011年,Schulze等[39]用計算全息技術將纖芯直徑為2μm、芯距為5.5μm 的19芯無源多芯光纖產生的超模模式進行分解,當抽運光波長為633nm 時分解出10個模式,波長為1064nm 時可探測到3個模式,其中一個模式占90%以上功率,即為單模傳輸.同年,Zhang等[40]將兩個雙色片置于多芯光纖兩端構成光學諧振腔,如圖6所示,其中 OL為物鏡,前雙色片為高反射率(HR)(適用光波長為1045~1065nm)和高透射率 (適用光波長為808nm)材質,后雙色片為部分反射(適用光波長為1055nm)材質,纖芯采用摻釹磷酸鹽作為增益介質,3芯光纖在長度為8.5cm、發射波長為1055nm 時實現穩定的相位鎖模,最大輸出功率達到20mW.2014年,Jollivet等[41]用一個可被溫度調節的標準光纖布拉格光柵與長度為0.9m 的7芯光纖進行熔接,得到兩個波長的激光輸出,通過計算全息技術將這兩個波長模式進行分解,發現這兩個波長對同相位超模的貢獻基本一致.之后,該團隊又在該結構多芯光纖尾端熔接另一個標準光纖布拉格光柵,實驗裝置如圖7所示,其中 MMLD為多模激光二極管,MMF為多模光纖,PC為抽運合束器,SMF為單模光纖,LR為低反射率,FBG為光纖布拉格光柵,其傳輸的同相位超模SM1和SM6發生周期性超模干涉,超模干涉周期為1.1nm,輸出的激光波長為1031.28nm,脈寬為52ps [42].2014年,Jollivet等[43]用纖芯直徑為5.9μm、芯距為9.3μm,長度為0.9m 的7芯光纖搭建相同激光器平臺,對多芯光纖施加壓力和彎曲光纖,發現這兩種方法都會造成模式的重新分布.

 

 

3 多芯光纖制備工藝

       目前多芯光纖制作技術主要有研磨法[44]、打孔G套管法[45]、拉G排G拉堆疊法等.研磨法主要是對已有的光纖預制棒包層進行研磨,然后將多個研磨好的預制棒拼接起來進行拉絲.該方法比較適合4芯及2芯光纖預制棒的制作,不太適合其他芯特別是中心有芯的預制棒,且對研磨的精度要求比較高.打孔G套管法是用鑄造或打孔的方法制作出芯子的卡槽,然后將稀土摻雜芯子填充進去,該方法費用較高且工藝精度要求高.拉G排G拉堆疊法是仿照光子晶體光纖的制作方法,應用比較廣泛,先將芯包比(光纖纖芯直徑與光纖包層直徑的比值)大的光纖預制棒拉成較細的實心預制棒,然后將這些細棒按設計要求排列好,最后套管拉絲.

      以上制備方法的一個關鍵共同點在于都需要制作大芯包比的光纖預制棒,對此問題有相關的報道,主要是應用改進的化學氣相沉積(MCVD)在線摻雜方法[46]、粉末燒結壓制法[47]、多孔玻璃法[48]和 MCVD 摻雜法[49]制作大芯包比的光纖預制棒.其中后三者比較容易制作大芯徑的摻雜芯子,但是粉末燒結壓制法對設備要求比較高,用多孔玻璃法制作的光纖背景損耗比較大,而 MCVD 摻雜法制作的預制棒前后均勻性有待提高.MCVD在線摻雜法雖然不能制作直徑較大的芯棒,但是該方法具有均勻性好且簡單易行的優點.多芯光纖制備前的仿真以及制備后與普通光纖的熔接也是一個需要考慮的問題[50G51].

4 結束語

      對比以上幾種選模方法可以看出,Talbot選模法、非線性選模法提出較早,但是對腔的控制精度要求較高,難以單模輸出.自傅里葉腔選模法雖然可以改變各超模所占比例,但不能獲得高質量光束.光器件選模法由于在光纖上熔接各種光柵、雙色片等光器件,可以選出超模中的強勢模,但是也不能從根本上選出同相位超模.MOFA 種子放大法可以得到高質量光束輸出且輸出模式穩定,但是其空間結構不利于未來高功率激光器的集成與應用.光波導選模法易于選出同相位超模且耦合效率及輸出光束質量可達到比較高的程度,選擇的方式也比較多,譬如單模光纖、白光纖和微結構光纖等,唯一的不足之處是其最佳長度不易確定. 光纖結構選模法需要復雜的光纖制備過程,但是由于其良好的模式選擇特性,可以得到近衍射極限的光場輸出,是目前發展多芯光纖激光器最具前景的方法之一.此外,通過研究多芯光纖中的模式增益和損耗機制, 將各種選模方式有效結合起來,同時提升多芯光纖制備工藝,相信能有更好的實驗效果,為高功率多芯光纖激光器的發展提供新的有效途徑.


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