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浅析多芯光纤激光器
新特光电集团 2017-05-08 943

光纤激光器的研究是光电子领域的热点,但由于单模光纤激光器的纤芯截面积、非线性效应等因素的限制,通常其输出功率有限。多芯光纤激光器通过将若干个中等功率的光纤激光器进行耦合可以提高输出功率。多芯光纤在较大的内包层中有多个完全相同的单模掺杂纤芯,纤芯间的距离很小。多芯光纤激光器比单芯光纤增加了纤芯有效面积,从而有效地提高了诸如受激拉曼散射和受激布里渊散射等非线性效应的阈值功率,这对进一步提升大功率光纤激光器的输出功率非常有效。

由于振荡激光的耦合,使得各纤芯受激发射的激光相互作用,达到同相位模式(in2phase mode)的激光输出。由于多芯光纤激光器的独特优势,以美国PCPhotonics公司为代表的国外研究机构已经开展了大量的理论和实验研究。根据耦合模理论,多芯光纤的输出光束模式是由光纤结构决定的超模。目前对同相位模式的选模有三种方式,分别是通过塔尔伯特腔(Talbot cavity)、高反射准直透镜和自傅里叶转换谐振腔来实现。

多芯光纤中每一个纤芯都是单模光纤,均工作在单模状态,通过相互耦合形成多个模式,根据耦合模理论可以得到与纤芯数量相同的模式总数,如7芯和19芯光纤中分别存在7个和19个模式,其中传输常数最大的模式在每个纤芯中的复振幅具有相同的相位,所以称为同相位模式,与其他几个模式相比具有最好的光束质量。所以,应尽量提高多芯光纤激光器和放大器输出功率中同相位模式的比例,从而确保更好的光束质量。

1、多芯光纤的构造和基本原理

1.1、多芯光纤的结构

目前研究较多的多芯光纤有等距式和圆环式两种。等距式多芯光纤的纤芯均匀分布在包层之内,而圆环式多芯光纤的纤芯只呈环状分布在包层内侧。此外还有7、37、61芯乃至更多芯数的多芯光纤。虽然芯数的增多可以增大总的输出功率,但可以确定的是芯数越多,同相位模式的耦合效率越低。

1.2、多芯光纤激光器的激光耦合和选模

在多芯光纤中,不同纤芯的激光发生能量耦合,各纤芯中光场的复振幅将发生变化。但纤芯支持的模式是由材料和几何结构决定的,各单模光纤不会因为与其他纤芯的耦合而支持其他模式,在多芯光纤中每个纤芯仍然只支持单模光纤的本征模。根据耦合模理论可推导出7芯光纤出射光束的复振幅分布为这7种超模的线性组合,即混合模。并可得到多芯光纤出射光束的模场分布

1.3、模式选择

对于等距式多芯光纤,P. K. Cheo提出用非线性光学的方法进行模式选择,并给出了相应的数学模型。当泵浦光功率达到一定阈值时,在光纤内部发生非线性效应,使得等距式多芯光纤选择光束质量最好的同相位模式输出。M. Wrage等人提出利用塔尔伯特腔进行模式选择。

具有一定周期性的相干光的光强分布在传输一定距离后会出现自身的像,这个距离zm称为塔尔伯特距离。对于多芯光纤,不同的超模具有不同的塔尔伯特距离。如在某一模式的zm处放置一个平面镜,超模自身的像经反射后耦合进激光器,从而达到了模式选择的目的。

激光经平面镜反射后,超模被反射的部分称为反射系数,如果在特定的距离zm上某一模式的反射系数很大而其他模式的反射系数很小,该模式就被选择出来,作为多芯光纤激光器的主要输出模式。

2、多芯光纤激光器的机械特性优势

Yan2mingHuo和Peter K. Cheo等人证实了在连续波作用下的最大机械压力和温度扩散方面,多芯光纤激光器比单芯光纤激光器有着显著的机械性能优势。

实验表明,7芯光纤在中心的温度扩散斜率比单芯光纤大。这是因为热辐射在7芯光纤内扩散不是像在同样总直径的单芯光纤的扩散那么集中,所以多芯光纤的能量释放比单芯光纤更快。热扩散是一个缓慢的过程,热在光纤中扩散时,7芯光纤的物理结构决定了它的热扩散更快。在机械压力释放方面,多芯光纤由于独特的构造,有着比单芯光纤更大的优势,在相同压力下,7芯光纤中的单根纤芯受到的平均压力比单芯光纤减少13%。7芯光纤的温度和压力的释放比单芯光纤快5倍。因此,多芯光纤可以传输更大能量的激光并且可以承受更大的机械压力,多芯光纤将促进高功率光纤激光器的发展。

3、多芯光纤激光器的研究进展

3.1、使用级联系统增强同相位模

为了进一步提高同相位模式功率占总输出功率中的比例,可使用级联系统来增强同相位模式,抑制低阶模式。该级联系统右半部分为光纤激光器,掺镱7芯光纤的右端至反射镜面的距离为ZR/ 2,通过调整ZR 可以改变各个模式功率的反射系数,掺镱7芯光纤左端面抛光后可以获得4%的功率反射系数。左半部分是光纤放大器,激光器的输出光作为种子光注入放大器中进行功率放大。有两点需要注意:首先,光纤激光器的输出端和放大器的信号输入端之间距离为ZL ,根据塔尔伯特效应可以通过调整ZL 来加强种子信号光中同相位模式对放大器输入端的耦合,同时抑制低阶模式的耦合;另外,光纤激光器和光纤放大器中掺镱7芯双包层光纤的结构尺寸和数值孔径必须保持一致,并且激光器的输出端和放大器的输入端的轴向应正对准。

这个系统是将低功率泵浦的7芯光纤激光器作为种子光源,其输出的信号光再通过ZL 距离的调整利用塔尔伯特效应进一步增加共相位模式对放大器的输入耦合,同时抑制低阶模式的耦合。激光器采用后向泵浦方式,泵浦功率为6W,掺镱7芯光纤长为10m;光纤放大器采用前向泵浦方式。种子激光源中P7(第七模式功率)和P2(第二模式功率)形成的同相位模式功率远大于第二模式的初始功率,同相位模式更容易达到饱和,从而抽取大部分上能级粒子能量。该系统比传统的7芯光纤激光器更有效地降低了低阶模式功率占总输出功率的比例。

3.2、利用无芯光纤全光纤法进行模式选择

自由空间的塔尔伯特腔和无掺杂带涂层反射镜的全光纤谐振腔都可以进行超模选择,但自由空间的塔尔伯特腔的结构中反射镜体积较大并且间缝中存在空气。

无掺杂带涂层反射镜的全光纤谐振腔是把一个多模的无掺杂光纤与掺杂的多芯光纤结合在一起。在这个结构作用下,受限的超模光进入带涂层的无掺杂光纤部分,并被反馈耦合到多模光纤中。

以前的全光纤法对多芯光纤激光器进行锁相时,不同相的超模用环形波导或光纤反射镜来选择,而同相位超模作为一个脉冲的高斯激光输出。最近,L. Li 和A. Schülzgen等人提出了一种新型紧凑的只震荡在同相位模的全光纤多芯光纤激光器。整个光纤器件的长度大约只有10cm。在这个集成的光纤器件中,多模无芯光纤与掺杂的多芯光纤结合,同相位模由这个结构选择出来。这个模型不仅显著简化了谐振腔的几何结构,还使激光的输出更稳定更强。

以此结构19芯光纤为例,长约10cm的19芯光纤作为增益介质,其纤芯是重掺杂了Er3+和Yb3+离子,确保足够的泵浦激励。19芯光纤的一端接一段多模无芯光纤,19芯光纤的另一端接975nm的LD泵源。泵源通过一段表面涂有一个带宽1.5μm反射膜的多模无芯光纤耦合到19芯光纤里。

利用自由空间塔尔伯特谐振腔锁模的多芯光纤激光器斜效率(输出光功率与泵浦电流的比值)只有不到5%,而采用全光纤谐振腔的斜效率最高可以达到20%。

同时,无芯光纤的长度对全光纤谐振腔选模有影响。实验表明,当无芯光纤的长度小于临界长度(1660μm左右)时,全光纤谐振腔选模特性和自由空间塔尔伯特谐振腔选模特型相同,而当无芯光纤的长度超过临界长度时,光纤的多模干涉效应就会占主导地位,选模特性会大为改变。

3.3、单芯光纤和多芯光纤的耦合

单芯光纤和多芯光纤的耦合是确保以多芯光纤为基础的光学设备能够更容易地融入标准的单模光纤系统当中。

以2芯光纤为例,耦合过程如下:首先,把单芯光纤和2芯光纤用光纤熔接机融合,此时在CCD只能监测到微弱的激光从2芯光纤中输出;然后把熔接点加热并拉拔成锥形,在这个过程中,激光逐渐从单芯光纤转到熔接点锥形的腰部,经过这里耦合到2芯光纤中;最后,锥形熔接点被拉长到18mm,腰部直径拉到5μm左右,这时大部分的入射激光就会耦合到2芯光纤中了。

3.4、高能量调Q多芯光纤激光器倍频器

泵源为976nm的二极管激光器,反射镜M1 对泵浦光全透,12m长的7芯光纤激光器有一个中心芯和六个等距式分布的旁芯。每个芯直径7μm,数值孔径0. 15。使用格兰—汤普森起偏器达到线性偏振,镀金的衍射光栅用于调谐和稳定光谱,并起反馈镜的作用。

KTP(硫酸钛氧钾)晶体由于它的高非线性效应,在激光器倍频中广泛使用。我们使用KTP晶体并使它在可调谐激光器输出波长1083nm相位处匹配。Q开关脉冲首先聚焦为直径300μm的光斑,KTP晶体放在焦点处并可以旋转光轴。调整KTP晶体和光栅以达到相位匹配和得到倍频绿激光输出。实验结果表明倍频光的频谱宽度比基频光要窄,带有瞬时高能的基频光比瞬时低能的基频光有更高的转换效率。

基频光波长变化时,倍频光的能量也相应变化。当基频光波长在1083nm附近时,基频光能量250μJ ,最大的倍频光能量约为17μJ。当波长偏离1083nm,倍频光能量迅速衰减,最高的转换效率约为7%。

这个系统实现了高能且可调谐的多芯光纤激光器。可调波长范围40 nm,输出光功率在0. 26~0. 34mJ。对于可调性,因为使用KTP晶体,因此就不需要温度控制灶了。达到转换效率7%是一个不错的结果。如果使用棒状的KTP晶体而不是普通的KTP晶体,可以期望达到更高的转换效率( >50%) 。需要注意的是,当能量较高时,经常会发生光纤损坏。因此损坏阈值在限制倍频转换效率上是一个重要因素。当光纤芯数增加到19,甚至37时,尽管激光的质量会轻微降低,但可以期望得到更高的脉冲能量、峰值能量、转换效率和倍频光能量。

4、多芯光纤激光器的耦合效率

根据耦合模理论,N芯光纤激光器将会有N个超模。所有芯都有的同相位模式具有最好的光束质量,也是我们想要得到的模式。但因为所有的超模互相竞争并共享粒子数,如果没有模式选择,出射光束显示出光束质量降低的混合模的特性。在许多实验的观测中,同相位模呈钟形。并且大量的统计表明,处于外侧的纤芯的泵浦能量没有完全被同相位模吸收;同相位模式中在中心纤芯处亮度最高,并且由内向外逐层变暗,这说明模场振幅在中心纤芯处最大且由内向外逐层递减;中心芯的输出光功率大于外部芯的输出光功率,并且外部纤芯包含的能量随着离多芯光纤几何中心的距离增大而减小。以7芯光纤为例,中心纤芯的光与其他6个外部光纤耦合,而外部的纤芯的光只能和3个相邻的纤芯耦合。越靠近多芯光纤的几何中心,耦合越强烈。这样,同相模就呈现出不均匀的图像。芯数越多,耦合效率越低,如4芯光纤激光器的耦合效率可达95%,假设多芯光纤激光器中心纤芯的激光能量是3kW,则61芯光纤激光器的总输出功率也只有35kW,仅仅是中心纤芯激光能量的12倍左右,耦合效率仅仅为19%。

5、结束语

综上所述,多芯光纤激光器可以获得高功率、高质量激光光束的输出,近年来已经成为光纤激光器领域研究的热点之一。但多芯光纤的芯数越多,其同相位模式输出的耦合效率也随之下降,单芯单模光纤与多芯单模光纤的耦合效率的提高也是需要解决的问题。虽然目前多芯光纤激光器还有一些不足和亟待解决的问题,但可以预见它必将得到更大的发展并在国民经济和国防中发挥重要的作用。

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