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技術(shù)文章

高能量、高峰值功率光纖激光器件的新焦點(diǎn)

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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

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)*或者部分地替代常規(guī)介質(zhì),可以構(gòu)成手性、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)

手性的概念,即包含手性介質(zhì)的結(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)也研究了手性的理論問(wèn)題[4-5]

 

 

二、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,輸出功率得到較的提高,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) 25 μm 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)引起較的模式損耗,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 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。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 15 cm)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 100 dB/m),使得中央纖芯中的基??梢詷O低損耗地傳輸(小于 0.1 dB/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)之間的模式耦合要滿足相速度匹配條件( β(1)= β(2))[7],但在 CCC 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]β side mode + Δβhelix = β(central mode) , 式中 β(central mode) 和 β side mode 分別為中央纖芯和側(cè)芯中模式的傳播常數(shù),Δβhelix = 2πn/λ[ -1]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] ,

 

式中 為主芯中  模的傳播常數(shù), 為主芯中  模的傳播常數(shù) 為側(cè)芯的螺旋修正因子,由于 QPM 條件要求側(cè)芯傳輸常數(shù)為投射到中心軸的值,因此對(duì) 作出修正;K= 2π/Λ ,表示側(cè)芯螺旋率;Δm = Δl + Δs ,其中 Δl 由四種可能的組合構(gòu)成 Δl = ±l1 ± l2 ,而 Δs 的可能取值為-2,-1,0,+1,+2。 該公式表明,兩模式之間由于螺旋因素所產(chǎn)生的相位差被螺旋率 K 所彌補(bǔ)時(shí),便可相互作用。只有滿足該 QPM 條件的兩芯中的模式才能發(fā)生耦合,使中央纖芯的高階模耦合進(jìn)側(cè)芯。

 

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]。

三、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30 μm 的單模光纖(SMF)和中央纖芯芯徑 34 μm 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 35 μm 、側(cè)芯芯徑 12 μm 的3C光纖,這也是根無(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 1550 nm 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 0.095 dB/m,近乎無(wú)損耗地在纖芯中傳輸。這是世界上*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 34 dB。

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 33 μm ,數(shù)值孔徑(NA)為 0.06;側(cè)芯直徑為 16 μm ,NA為0.1;側(cè)芯螺旋周期 Λ 為 7.4 mm,兩芯邊到邊距離為 4 μm [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 915 nm 激光二極管(LD)抽運(yùn)有源光纖,在 1066 nm 處得到了 37 W激光輸出,斜率效率達(dá) 75%,激光閾值功率為 6 W,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*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 光纖得到了較的改善[1]

 

圖5. 33um 3C光纖實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

在 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 250 W 的連續(xù)功率輸出和150W輸出脈沖 10 ns,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2.7 m 長(zhǎng)空氣包層摻鐿 3C光纖為功率放大器的增益介質(zhì),用 2.2 W 信號(hào)光激勵(lì)該光纖,實(shí)現(xiàn)了 511 W 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 15 dB 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 50 μJ 的脈沖能量,400 fs 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 nLight3C光纖和數(shù)值模擬模式損耗

 

圖13. 以nLight3C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 CCC 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。CCC 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 CCC 光纖能夠?qū)崿F(xiàn)顆粒俘獲與操縱、通信、計(jì)算和多維空間中的信息編碼等新型應(yīng)用[17]

四、總結(jié)及展望

總之,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)可以得到較的提升,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)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。

 

 

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