3C手性耦合纖芯光纖技術(shù)(二)——在連續(xù)窄線寬光纖放大中的應(yīng)用

  ICC訊 傳統(tǒng)的雙包層光纖實(shí)現(xiàn)了工業(yè)用寬譜的若干千瓦的連續(xù)激光的輸出，SRS也通過(guò)拉曼抑制器件得到了有效的控制;窄線寬種子光的放大則因?yàn)門(mén)MI，SBS等效應(yīng)，在某些應(yīng)用領(lǐng)域受限。由此，更多的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)光纖應(yīng)運(yùn)而生，如錐形光纖、光子晶體光纖、手性耦合纖芯光纖(3C光纖)等。

  其中3C光纖以其單模穩(wěn)定、高峰值功率、高單脈沖能量輸出，問(wèn)世即被用于超短脈沖的應(yīng)用，同樣，單模保偏、提高TMI閾值的特性可以用于窄線寬光纖放大的應(yīng)用。

       手性波導(dǎo)與手性光纖的提出

  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[1]。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[2]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 30 μm )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。同時(shí)，3C光纖還具有模式無(wú)失真熔接和緊湊盤(pán)繞(盤(pán)繞半徑小于15 cm)的優(yōu)點(diǎn)[3]，與采用標(biāo)準(zhǔn)光纖熔接與處理技術(shù)制備出的光纖相匹配。

3C光纖的結(jié)構(gòu)

  3C光纖以其特有的性質(zhì)，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)外超短超快激光研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。

  3C光纖的發(fā)展

  2012年，Michigan大學(xué)超快光學(xué)研究中心Thomas Sosnowski等人[4]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。

  2018年，Carnegie Mellon大學(xué)的Jinxu Bai等人[5]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。

  近些年，更多的人將目光投向3C光纖用于窄線寬連續(xù)光的功率放大，利用其穩(wěn)定單模輸出以及對(duì)非線性效應(yīng)不敏感的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)單色性更好、光束質(zhì)量更好，高功率更高的連續(xù)光輸出，用于如引力波探測(cè)、多光束合成等方面的研究。

  2011年，Cheng Zhu等人利用線寬40MHz的單頻單模種子光源，通過(guò)37um芯徑的3C光纖進(jìn)行功率放大獲得511W的偏振輸出且未有明顯SBS出現(xiàn)[6]。

  2018年，密歇根大學(xué)聯(lián)合nLight公司，由M. Kanskar和A. Galvanauskas等人分別運(yùn)用Yb20/400/0.064 DC LMA光纖和Yb 21.9/400/0.059 DC3C光纖對(duì)單頻線偏振種子源進(jìn)行功率放大，泵浦源為鎖波長(zhǎng)976nm模塊，分別實(shí)現(xiàn)了2.4kW和2.6kW[8]。種子源為1064nmDFB通過(guò)相位調(diào)制器進(jìn)行偽隨機(jī)信號(hào)調(diào)制適當(dāng)展寬線寬。MFA實(shí)現(xiàn)全光線結(jié)構(gòu)。當(dāng)種子源20GHz時(shí)，實(shí)驗(yàn)中Yb20/400LMA光纖在2.2kW時(shí)出現(xiàn)了TMI，而3C光纖彎曲直徑30cm，在抑制高階模的同時(shí)在2.6kW時(shí)沒(méi)有TMI產(chǎn)生。

  3C光纖放大DFB窄線寬種子源結(jié)構(gòu)圖

  (左圖)Yb20/400 LMA光纖放大在2.2kW出現(xiàn)TMI

  (右圖)Yb21.9/400 3C光纖放大在2.6kW輸出且未出現(xiàn)TMI

  2019年，Sven Hochheim等人用nLight的3C光纖(Yb700-34/250DC-3C)，制作了用于引力波探測(cè)的，100W單頻單模保偏光纖放大器。其中種子源為2W的kHz線寬保偏連續(xù)光，通過(guò)模場(chǎng)匹配器MFA的實(shí)驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)103W，光光轉(zhuǎn)換效率71%，偏振消光比17.6dB[7]。

  Yb34/250 3C光纖放大實(shí)現(xiàn)單頻100W結(jié)構(gòu)圖

  (左圖)3C光纖百瓦單頻功率輸出曲線

  (右圖)3C光纖放大基模及消光比隨功率變化曲線

  總結(jié)及展望

  總之，對(duì)于脈沖激光：

  3C光纖無(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。

  而對(duì)于連續(xù)窄線寬功率放大而言：

  相較于傳統(tǒng)雙包層光纖，3C光纖可以提高TMI的閾值，并且有效抑制高階模的產(chǎn)生，相信隨著相關(guān)技術(shù)的普及和工藝的進(jìn)步，可以實(shí)現(xiàn)若干千瓦甚至更高功率的窄線寬激光輸出，被應(yīng)用于引力波探測(cè)、高功率光束合成等更多的研究領(lǐng)域。

  參考文獻(xiàn)

  [1] N. Engheta. Modes in Chirowaveguides. Opt. Lett. 1989, 14(11): 593～596.

  [2] Swan M C, Liu C H, Guertin D, et al.. 33 μm core effectively single-mode chirally-coupled-core fiber laser at 1064-nm[C]. OFC, 2008. OWU2.

  [3] Galvanauskas A, Swan M C, Liu C H. Effectively- single- mode large core passive and active fibers with chirally-coupled-core structures[C]. CLEO/QELS 2008, 2008.

  [4] Thomas Sosnowski, Andrey Kuznetsov, 3C Yb-doped Fiber Based High Energy and Power Pulsed Fiber Lasers. 2012.

  [5] A Unified Approach to Achieving High Power and High Energy in Chirally Coupled-Core Ytterbium-Doped Fiber Amplifier Systems. IEEE Photonics Journal，Vol. 10, No. 1，1501208.

  [6] C. Zhu, I. Hu, X. Ma, and A. Galvanauskas, "Single-frequency and single-transverse mode Yb-doped CCC fiber MOPA with robust polarization SBS-free 511W output," in Advances in Optical Materials, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2011), paper AMC5.

  [7] Sven Hochheim，Michael Steinke，etc. Single-frequency chirally-coupled-core all-fiber amplifier with 100 W in a linearly-polarized TEM-mode. Vol. 45, No. 4 / 15 February 2020 / Optics Letters.

  [8] M. Kanskar, etc. Narrowband Transverse-modal-instability (TMI)-free Yb-doped Fiber Amplifiers for Directed Energy ApplicationProc. of SPIE Vol. 10512.