作者：Hyun Su Kim and Seongwoo Yoo

抽象的

我們提出了一種具有反向折射率分布的新型增益光纖結(jié)構(gòu)，用于高斯單模光束的高功率放大。通過在凹陷核心中實現(xiàn)漸變索引，可以使用反索引輪廓來實現(xiàn)大模式區(qū)域（LMA）設(shè)計。我們用數(shù)值方法表明，提出的增益光纖可以引導(dǎo)具有大光束面積的單模高斯光束，并將其放大到kW級輸出功率。

1.簡介

高功率，高光束質(zhì)量的光纖激光器系統(tǒng)與其他高功率固態(tài)激光器系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)更緊湊，功率可擴展，因此對科學(xué)家和工業(yè)界具有吸引力。但是，單模光纖激光器的輸出功率受到強大的非線性現(xiàn)象的限制，再加上在有限的光纖纖芯尺寸內(nèi)發(fā)生的熱效應(yīng)［ 1 ］。為了克服單模光纖激光器的功率限制，纖芯面積縮放已成為一種標(biāo)準(zhǔn)方法。許多科學(xué)家一直在設(shè)計新的光纖結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)允許較大的模面積，并通過高階模（HOM）抑制機制保持良好的光束質(zhì)量［ 2-6 ］。其中，Siegman提出了一種增益導(dǎo)引和折射率反導(dǎo)（GG + IAG）光纖［ 7］。該結(jié)構(gòu)允許單模式操作。但是，GG + IAG光纖會遭受固有的泄漏損耗，導(dǎo)致激光發(fā)射效率較低［ 8 ］。EAJ Marcatili和RA Schmeltzer ［ 9 ］分析了類似纖維結(jié)構(gòu)的固有泄漏損耗。結(jié)論是，固有的泄漏損耗會很快使輸出功率飽和，從而限??制了功率可擴展性［ 9，10］。這意味著很難從GG + IAG光纖獲得高功率。但是，GG + IAG光纖是一種有前途的設(shè)計，因為它提供了模式選擇性衰減，可在大纖芯尺寸下促進單模工作。為了對GG + IAG光纖中的單基模（FM）光束進行功率縮放，應(yīng)將FM的固有泄漏損耗降至最低。我們提出了一種漸變指標(biāo)配置文件，以取代階躍指標(biāo)核心，并減少FM損耗。GG + IAG光纖的FM具有近似高斯形狀。因此，提供高斯光束良好導(dǎo)引的纖維結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足要求。眾所周知，漸變折射率光纖可以很好地引導(dǎo)高斯光束，而不會產(chǎn)生明顯的泄漏損耗［ 11］。因此，可以通過漸變折射率結(jié)構(gòu)來降低GG + IAG光纖的FM固有的泄漏損耗。當(dāng)然，取決于信號種子束耦合條件，漸變折射率光纖也可以引導(dǎo)HOM。此外，即使在良好控制的發(fā)射條件下，HOM也會在放大過程中被激發(fā)［ 12，13 ］，這會降低輸出光束的質(zhì)量。但是，如果漸變折射率纖芯被凸起的包層包圍以形成GG + IAG光纖結(jié)構(gòu)，則可以通過GG + IAG光纖的模式相關(guān)損耗特性來選擇性抑制HOM。因此，將與模式有關(guān)的GG + IAG光纖損耗與漸變折射率纖芯的出色FM導(dǎo)引性能結(jié)合起來，可以用作實現(xiàn)kW級單模運行的替代LMA設(shè)計路線。

因此，在本文中，我們提出了一種具有混合折射率分布的LMA增益光纖，該光纖由具有漸變折射率纖芯的GG + IAG折射率分布構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)允許LMA將高斯光束放大到kW級別。整個漸變折射率磁芯從包殼中壓下，形成了與模式有關(guān)的損耗，用作低通濾波器。我們用數(shù)值方法研究了所提出的增益光纖在幾個大纖芯直徑和各種漸變折射率參數(shù)下的放大特性。而且我們證明，磁芯尺寸可以達到100μm，適合kW級輸出功率。我們的論文為實現(xiàn)單模高功率光纖激光器的替代LMA光纖路徑做出了貢獻。還討論了光纖設(shè)計的制造可行性。

2.提出的增益光纖的數(shù)值模型，該光纖由漸變折射率和GG + IAG光纖折射率組成

所提出的增益光纖具有漸變折射率和逆步進指數(shù)分布構(gòu)成的索引結(jié)構(gòu)，如圖圖1中.The漸變折射率纖芯圖1的折射率分布如下。

其中n 1是峰值折射率，γ是比例因子，r 0是纖芯半徑，值α在2的附近區(qū)域。在α = 2的情況下，漸變折射率光纖的FM具有高斯形狀［ 11 ］。FM光束的大小取決于γ和歸一化的頻率參數(shù)V ［ 11］。沿漸變折射率光纖傳播時，與FM光束尺寸不匹配的高斯光束會周期性發(fā)散和會聚。HOM的會聚或聚焦不利于高功率操作，因為它可能導(dǎo)致內(nèi)核內(nèi)部的光學(xué)損壞。為避免聚焦效果，應(yīng)準(zhǔn)直漸變折射率芯內(nèi)部的光束。通過使高斯光束的衍射角與漸變折射率的全內(nèi)反射的臨界角匹配［ 14 ］，可以實現(xiàn)這種準(zhǔn)直。使用上述條件和近軸近似，我們可以得出漸變折射率光纖芯內(nèi)部準(zhǔn)直高斯光束的比例因子γ，如下所示：

其中［R大號是輸入光束半徑和λ 0在真空的入射光束的波長。此結(jié)果與漸變折射率光纖在FM附近的FM光束尺寸的數(shù)值近似值相符。