ICC訊 傳統(tǒng)的雙包層光纖實現(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為TMI,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 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 )的情況下實現(xiàn)穩(wěn)定的單模輸出,且無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,實現(xiàn)光纖激光系統(tǒng)的集成化。同時,3C光纖還具有模式無失真熔接和緊湊盤繞(盤繞半徑小于15 cm)的優(yōu)點[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,逐漸成為國內(nèi)外超短超快激光研究人員關(guān)注的熱點。
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33/250um 3C光纖實現(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種子源通過兩級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)定單模輸出以及對非線性效應(yīng)不敏感的特點,實現(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、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等人分別運用Yb20/400/0.064 DC LMA光纖和Yb 21.9/400/0.059 DC3C光纖對單頻線偏振種子源進(jìn)行功率放大,泵浦源為鎖波長976nm模塊,分別實現(xiàn)了2.4kW和2.6kW[8]。種子源為1064nmDFB通過相位調(diào)制器進(jìn)行偽隨機信號調(diào)制適當(dāng)展寬線寬。MFA實現(xiàn)全光線結(jié)構(gòu)。當(dāng)種子源20GHz時,實驗中Yb20/400LMA光纖在2.2kW時出現(xiàn)了TMI,而3C光纖彎曲直徑30cm,在抑制高階模的同時在2.6kW時沒有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,通過模場匹配器MFA的實驗,最終實現(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,對于脈沖激光:
3C光纖無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程中的非線性效應(yīng);
可實現(xiàn)高能量、高峰值功率的脈沖輸出。
而對于連續(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、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.
新聞來源:凌云光電子