高能量、高峰值功率光纖激光器件的新焦點(diǎn)—3C手性耦合纖芯光纖

  前言：

  近兩年，3C手性耦合芯光纖被越來(lái)越多的提及，頻繁地出現(xiàn)在各類期刊文章當(dāng)中，成為光纖激光器件家族中被重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。為什么與雙包層、三包層光纖相比，3C光纖會(huì)同樣備受關(guān)注?是什么樣的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)賦予之怎樣的光學(xué)特性?今天咱們就一起來(lái)認(rèn)識(shí)和了解一下3C手性耦合芯光纖。

  手性介質(zhì)與手性波導(dǎo)

  小編的胖手比劃的，湊合看，嘿嘿~

  手性(Chirality or Handedness)是一個(gè)幾何概念，它是指物體所具有的經(jīng)由平移、旋轉(zhuǎn)等任何實(shí)的空間操作都無(wú)法與其鏡像相重合的性質(zhì)，這種性質(zhì)與物體本身的對(duì)稱性缺失有關(guān)系?？梢孕蜗蠖?jiǎn)單的說(shuō)，手性即是物體可以用手來(lái)表征的性質(zhì)，因此也被稱為手征性。手性體是具有手性的物體，典型的代表是螺旋和扭結(jié)狀物體，手性體可以是三維的也可以是二維的。手性體的尺度可大可小，它可以是宏觀物體如星系、星云等，也可以是DNA、氨基酸等微觀分子。圖1-1給出了兩個(gè)手性體的例子，分別是法國(guó)蝸牛和具有雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA分子[1]。

  圖1. 法國(guó)蝸牛和具有雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA分子

  根據(jù)手性體尺度與所研究電磁波波長(zhǎng)之間的大小關(guān)系，待研究問(wèn)題所涉及的手性被劃分為介質(zhì)手性與結(jié)構(gòu)手性。介質(zhì)手性是指構(gòu)成手性物質(zhì)的手性體(如手性分子)的尺寸遠(yuǎn)小于電磁波波長(zhǎng)，而二者可以相比擬的情況則稱為結(jié)構(gòu)手性。由介質(zhì)手性體構(gòu)成或者填充的材料稱為手性介質(zhì)，由手性介質(zhì)完全或者部分地替代常規(guī)介質(zhì)，可以構(gòu)成手性波導(dǎo)、手性光纖、手性光子晶體和手性光柵等新型器件。相應(yīng)的，在與電磁波波長(zhǎng)可以比擬的尺度量級(jí)上，由介質(zhì)構(gòu)成手性結(jié)構(gòu)體，進(jìn)而形成的器件就屬于結(jié)構(gòu)手性的范疇。典型的結(jié)構(gòu)手性器件有手性光纖光柵[3,4]，平面手性結(jié)構(gòu)陣列等。圖2給出了一些介質(zhì)手性和結(jié)構(gòu)手性器件的例子，圖2(a)為介質(zhì)手性光纖(可以是包層或者芯層為手性介質(zhì)，也可以是二者都為手性介質(zhì));圖2(b)為手性光纖光柵(亦被稱為結(jié)構(gòu)手性光纖)，其纖芯是雙螺旋的;圖2(c)為一種平面手性結(jié)構(gòu)陣列，其手性體為二維萬(wàn)字狀的微體[1]。

  圖2介質(zhì)手性光纖(a)、手性光纖光柵(b)和平面手性結(jié)構(gòu)陣列(c)

  手性波導(dǎo)的概念，即包含手性介質(zhì)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，是由N. Engheta和P. Pelet在1989年首先提出的[3]，它是由在一般的柱形波導(dǎo)中填充各向同性的手性介質(zhì)構(gòu)成，即芯層是手性的而包層是由常規(guī)材料構(gòu)成。該文中提到手性光波導(dǎo)不能獨(dú)立支持TEM、TE和TM模式，其模式是以TE和TM的耦合孿生形式存在的。這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的光波導(dǎo)是不同的，因而引起了中外學(xué)者的廣泛關(guān)注并且產(chǎn)生了濃厚的興趣，他們同時(shí)也研究了手性波導(dǎo)的理論問(wèn)題[4-5]。

  手性光纖

  近年來(lái)，光纖激光器及其相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅猛，輸出功率得到極大的提高，可以達(dá)到千瓦量級(jí)以上平均功率和兆瓦量級(jí)的峰值功率，因此受到人們的廣泛關(guān)注。然而，隨著功率的提高，光纖中的光功率密度增大，受激拉曼散射(SRS)等非線性效應(yīng)變得比較嚴(yán)重，這限制了光纖激光器輸出功率的進(jìn)一步提升。為解決該問(wèn)題，通常采用大模場(chǎng)面積(LMA)光纖或光子晶體光纖(PCF)來(lái)實(shí)現(xiàn)激光器的高功率輸出。然而，前者會(huì)導(dǎo)致高階模傳輸，只有采用正確的激勵(lì)或彎曲盤繞等模式控制方法才能實(shí)現(xiàn)單模傳輸，且對(duì)于纖芯直徑超過(guò)25μm的LMA光纖來(lái)說(shuō)，模式控制的方法很不穩(wěn)定;后者雖然能實(shí)現(xiàn)單模輸出，但在彎曲時(shí)會(huì)引起極大的模式損耗，不利于系統(tǒng)的集成化[1]。

  針對(duì)上述問(wèn)題，2007年，美國(guó)Michigan大學(xué)超快光學(xué)研究中心提出了手性耦合纖芯3C光纖[6]的新型光纖結(jié)構(gòu)，它能夠突破傳統(tǒng)單模光纖V=2.405歸一化截止頻率的限制，在大纖芯尺寸(大于30μm)的情況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單模輸出，且無(wú)需任何模式控制技術(shù)。這樣既可達(dá)到提升光纖激光器輸出功率的目的，又可以很方便地將光纖置于復(fù)雜系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)光纖激光系統(tǒng)的集成化。實(shí)驗(yàn)如圖所示，獲得了1066nm，37W基模光輸出。此外，3C光纖還具有模式無(wú)失真熔接和緊湊盤繞(盤繞半徑小于15cm)的優(yōu)點(diǎn)[7]，與采用標(biāo)準(zhǔn)光纖熔接與處理技術(shù)制備出的光學(xué)元件相匹配。3C光纖為實(shí)現(xiàn)高峰值功率與高能量的光纖激光器系統(tǒng)提供了一種新的途徑，逐漸成為國(guó)內(nèi)外研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。

  圖3. 3C光纖的制備

  普通光纖通常由包層和沿軸向分布的纖芯構(gòu)成，而3C (Chirally-coupled-core)手性耦合纖芯光纖的結(jié)構(gòu)，石英包層內(nèi)有兩條纖芯，一條是沿軸向分布的中央纖芯，芯徑較大，一般在30um以上，用于信號(hào)光的傳輸;另一條是偏離中心軸、圍繞中央纖芯螺旋分布的側(cè)芯，芯徑比中央纖芯小得多，只有十幾微米，主要作用是控制中央纖芯的模式，將高階模耦合進(jìn)側(cè)芯并對(duì)其產(chǎn)生高損耗(大于100dB/m)，使得中央纖芯中的基模可以極低損耗地傳輸(小于0.1dB/m)。3C光纖的主要參數(shù)包含兩芯尺寸、側(cè)芯偏移量R和螺旋周期Λ，合理的R和Λ值能使側(cè)芯對(duì)中央纖芯的模式進(jìn)行控制與選擇[1]。

  圖4. 3C光纖的結(jié)構(gòu)

  3C光纖之所以能夠在大芯徑情況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單模傳輸，是因?yàn)槠鋫?cè)芯特殊的螺旋結(jié)構(gòu)。這種新型光纖中側(cè)芯圍繞中央纖芯螺旋的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)以下三方面功能。

  1) 實(shí)現(xiàn)中央纖芯基模和側(cè)芯中模式的相速度匹配，使兩模式能夠進(jìn)行耦合。通常兩個(gè)波導(dǎo)之間的模式耦合要滿足精確的相速度匹配條件(β(1)=β(2))[7]，但在3C結(jié)構(gòu)中，由于螺旋因素的存在，兩芯中模式的傳輸常數(shù)不再相等，會(huì)導(dǎo)致額外的相位差，因此其匹配條件變?yōu)閇8]βside mode+ Δβhelix= β(central mode) , 式中 β(central mode) 和 βside mode分別為中央纖芯和側(cè)芯中模式的傳播常數(shù)。

  上為側(cè)芯因螺旋產(chǎn)生的額外相速度，可通過(guò)R和Λ來(lái)控制，從而達(dá)到匹配條件。

  2) 通過(guò)滿足準(zhǔn)相位匹配條件，可提供中央纖芯和側(cè)芯之間有效的高階模式的對(duì)稱選擇性耦合。該QPM條件為[9]

  3) 合理選擇側(cè)芯尺寸、偏移量R及螺旋周期Λ，實(shí)現(xiàn)側(cè)芯中高階模式的高損耗特性。通過(guò)滿足QPM條件和側(cè)芯高損耗特性，可以將中央纖芯的高階模式耦合到側(cè)芯從而被損耗掉，只留下基模穩(wěn)定傳輸。而利用特性1，使中央纖芯基模與側(cè)芯模式發(fā)生部分耦合，可方便地控制基模的相速度與色散特性[1]。

  手性光纖激光器的發(fā)展

  Michigan大學(xué)超快光學(xué)研究中心為了驗(yàn)證3C光纖的單模傳輸特性，他們以芯徑30μm的單模光纖(SMF)和中央纖芯芯徑34μm的3C光纖做對(duì)比模擬，均用只有12.5%的光功率與基模匹配的光源進(jìn)行激勵(lì)，經(jīng)過(guò)20cm左右距離的傳播，兩根光纖都只剩下12.5%的功率，說(shuō)明纖芯中只剩下基模傳輸，其余模式均損耗掉[9]。這一結(jié)果從理論上證實(shí)了3C光纖等效于標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，具有單模傳輸特性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證模擬結(jié)果，Liu等[8]根據(jù)相關(guān)參數(shù)制備出中央纖芯芯徑35μm 、側(cè)芯芯徑12μm的3C光纖，這也是第一根無(wú)源3C光纖，同時(shí)參照模擬方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，得到該光纖在1550nm處輸出光斑為基模，光斑光束質(zhì)量因子M2=1.03，且該光纖的基模損耗為0.095dB/m，近乎無(wú)損耗地在纖芯中傳輸。這是世界上首次證明3C光纖具有穩(wěn)定單模傳輸特性的實(shí)驗(yàn)，具有重大意義。此外，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)該光纖具有很好的保偏特性，消光比達(dá)到了34dB。

  2008年，該實(shí)驗(yàn)室制備出摻鐿雙包層3C光纖，其中，中央纖芯直徑為33μm ，數(shù)值孔徑(NA)為0.06;側(cè)芯直徑為16μm，NA為0.1;側(cè)芯螺旋周期Λ為7.4mm，兩芯邊到邊距離為4μm[6]。利用該有源光纖搭建激光器系統(tǒng)，得到了很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)裝置采用法布里-珀羅(F-P)諧振腔，尾端的高反鏡對(duì)反射光沒(méi)有任何模式選擇功能，光纖寬松盤繞，不會(huì)起到模式選擇作用。用915nm激光二極管(LD)抽運(yùn)有源光纖，在1066nm處得到了37W激光輸出，斜率效率達(dá)75%，激光閾值功率為6W，輸出光斑證實(shí)為基模[6]。該實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了3C光纖的優(yōu)越性，說(shuō)明該光纖可以像普通光纖一樣作為激光器的增益介質(zhì)使用，所構(gòu)成的光纖激光器具有高斜率效率和低閾值功率的優(yōu)點(diǎn)，且輸出的光束質(zhì)量相比LMA光纖得到了極大的改善[1]。

  圖5. 33um 3C光纖實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

  2009年，以雙包層摻鐿3C光纖搭建放大系統(tǒng)來(lái)探究其放大特性[10]。該實(shí)驗(yàn)得到了250W的連續(xù)功率輸出和150W輸出脈沖10ns，脈沖能量達(dá)到0.6mJ，峰值功率60kW，放大斜率效率達(dá)到74%。同樣，在所有功率水平下，系統(tǒng)輸出光斑均為單模。

  2010年，該團(tuán)隊(duì)將3C光纖應(yīng)用于主振蕩功率放大(MOPA)結(jié)構(gòu)中來(lái)提升系統(tǒng)輸出功率[11]。實(shí)驗(yàn)以2.7m長(zhǎng)空氣包層摻鐿 3C光纖為功率放大器的增益介質(zhì)，用2.2W信號(hào)光激勵(lì)該光纖，實(shí)現(xiàn)了511W 的MOPA結(jié)構(gòu)功率輸出，放大器斜率效率為70%，同時(shí)觀測(cè)到輸出光束為單頻單橫模的線偏振光，具有大于15dB 的消光比[1]。

  2012年，Michigan大學(xué)超快光學(xué)研究中心Thomas Sosnowski等人[12]通過(guò)33/250um 3C光纖實(shí)現(xiàn)了257W，200kHz，8.5ns，1.2mJ脈沖;86.5uJ，575kW峰值功率脈沖，以及利用55um 3C光纖實(shí)現(xiàn)了41W，8.3mJ，640kW的高能量脈沖輸出。

  圖6. 33/250um 3C光纖輸出257W，200kHz，8.5ns，1.2mJ脈沖

  圖7. 33/250um 3C光纖輸出86.5uJ，575kW峰值功率脈沖

  圖8. 55um 3C光纖實(shí)現(xiàn)了41W，8.3mJ，640kW的高能量脈沖輸出

  2013年，立陶宛物理科學(xué)與技術(shù)中心的?eludevicius[13]通過(guò)搭建飛秒光纖啁啾脈沖放大(CPA)系統(tǒng)來(lái)提升輸出功率，該系統(tǒng)中的功率放大裝置采用3C光纖為增益介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)得到了 50μJ的脈沖能量，400fs的脈沖，輸出光斑為近似衍射極限，光束質(zhì)量因子1.1。

圖9. 3C光纖實(shí)現(xiàn)飛秒脈沖放大

  2018年，Carnegie Mellon 大學(xué)的Jinxu Bai等人[14]用15mW，25ns，150nJ，100kHz，1064nm種子源通過(guò)兩級(jí)2.5m和3m的3C光纖放大，獲得了121.2W，單脈沖能量12mJ，峰值功率50kW，M2<1.2脈沖輸出。

  圖10. 級(jí)聯(lián)3C光纖輸出高功率、高能量脈沖

  2019年，Sven Hochheim等人用nLight的Yb700-34/250的3C光纖，制作了用于引力波探測(cè)的100W單頻單模保偏光纖放大器。

  圖11. 百瓦單頻單模保偏光纖放大器

  以nLight Corporation出品的3C手性耦合芯光纖為例，中央芯33um，側(cè)芯3um，包層250um，1.8dB/m@920nm泵浦吸收率，可實(shí)現(xiàn)2mJ脈沖和300kW脈沖輸出，M2<1.15，系統(tǒng)運(yùn)行4500小時(shí)。[15]

  圖12. 33um nLight 3C光纖和數(shù)值模擬模式損耗

  圖13. 以nLight 3C增益光纖獲得的光纖激光的光束質(zhì)量

  3C光纖除了能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的單模傳輸外，根據(jù)其特殊結(jié)構(gòu)，我們預(yù)測(cè)該光纖還能夠抑制某些非線性效應(yīng)。例如，利用中央纖芯基模與側(cè)芯模式選擇性耦合的特點(diǎn)，使基模某一偏振態(tài)耦合進(jìn)側(cè)芯，這樣經(jīng)反射回來(lái)的偏振態(tài)便與原偏振態(tài)相反，從而有效抑制受激布里淵散射(SBS);經(jīng)過(guò)特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的3C光纖，其透射譜具有一定范圍的波長(zhǎng)抑制區(qū)域，將該抑制區(qū)與斯托克斯SRS增益譜的峰值區(qū)相重合，便能有效抑制SRS效應(yīng)[16];同時(shí)改變波長(zhǎng)抑制區(qū)的范圍，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)摻鐿光纖激光器和放大器的波長(zhǎng)選擇。3C光纖理論分析還表明其輸出光束攜帶有角動(dòng)量，因此可以預(yù)見(jiàn)3C光纖能夠?qū)崿F(xiàn)顆粒俘獲與操縱、量子通信、量子計(jì)算和多維量子空間中的信息編碼等新型應(yīng)用[17]。

  總結(jié)及展望

  3C光纖的特點(diǎn)可總結(jié)為：

  無(wú)需彎曲損耗保持良好的基模和偏振態(tài)輸出;

  有效抑制脈沖功率放大過(guò)程中的非線性效應(yīng);

  可實(shí)現(xiàn)高能量、高峰值功率的脈沖輸出。

  基于以上的特性，脈沖光纖激光器的諸多光學(xué)指標(biāo)可以得到極大的提升，進(jìn)而滿足現(xiàn)如今科研與工業(yè)對(duì)品質(zhì)光源提出的多方面要求。

  此外，3C光纖結(jié)構(gòu)還可以控制非線性效應(yīng)、實(shí)現(xiàn)量子通信等特殊功能。3C結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)的其他新型功能還有待我們的進(jìn)一步研究，可以肯定的是，3C光纖無(wú)論在科學(xué)研究還是實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，都具有非常重要的意義及廣闊的發(fā)展前景!

  我們也特別期望能夠與此領(lǐng)域的專家學(xué)者探討相關(guān)技術(shù)，如您感興趣，請(qǐng)撥打：010-5234 9599，詳聊~

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