基于單芯光纖的激光放大器受限于自聚焦等非線性效應,在功率提升方面遭遇瓶頸。使用大模場面積光纖可以提升放大功率,但較大的模面積會引入高階模式,在高泵浦功率下出現橫模不穩定影響光斑質量。多路激光的相干合成是一種提升光纖單纖芯放大功率上限的方案,可以顯著增加輸出激光的平均功率,但不足之處在于需要相位反饋系統補償各路激光間的相位差,裝置更加復雜。結構簡單且更高功率的光纖激光器與放大器亟待發掘。

近幾年,研究者對纖芯間距較近、激光會在纖芯之間發生相互作用的耦合多芯光纖產生了興趣。如圖1 所示,多根纖芯安置在同一根光纖中,可以簡化多路激光系統的實驗光路;各纖芯激光的相互作用會產生超模式,讓各路纖芯內的激光保持相位同步,避免使用復雜的反饋系統;理論分析表明某些超模式有望突破單纖芯放大的功率上限,突破光纖激光器的功率瓶頸。2018年,JUNHUA JI等人制作了單根纖芯芯徑19 um、數值孔徑0．067的大模面積全固態多芯光纖,其截面圖如圖1所示,并用其搭建了一臺平均功率達115W的連續波激光器。

圖1 摻鐿多芯光纖的橫截面 [1]

基于該多芯光纖的各項參數,研究者首先模擬了同相、異相和多模三種模式的近場強度、近場相位以及遠場強度,結果如圖2所示。其中同相模式的遠場分布有較強的中心光斑,研究者指出該光斑與衍射極限光束的光斑比較接近。異相模式的遠場和近場分布幾乎保持不變。

圖2同相模式(a)、異相模式(b)以及高階模式(c)的近場強度(第一行)、相位分布(第二行)和遠場強度 [1]

圖3左圖為作者搭建的線型腔結構多芯光纖激光器,左側用多芯光纖的直切端面,右側用高反鏡作為腔壁,實現激光振蕩,在高反鏡右側約50mm處測量遠場光斑強度分布。在泵浦功率為198．6 W時,這臺激光器有115 W的輸出平均功率,通過改變泵浦功率測量輸出功率得到的激光器斜效率約為61．4%。遠場光斑濾除底座后,其M2因子約為1．43,此時高反鏡和光纖端面的距離約為2 mm。研究者發現調節高反鏡和多芯光纖右側端面的距離,遠場光斑會發生變化。減小光纖端面和高反鏡的距離至小于1 mm,遠場光斑(圖3d)和間距為2mm時的遠場光斑(圖3b)差距很大,這表明激光器內有同相模式之外的其他超模式在振蕩。

圖3實驗裝置圖(左圖)和輸出光斑(右圖);同相模式遠場強度的計算結果(a)和實驗結果(b);異相模式遠場強度的計算結果(c);高反鏡與光纖端面距離小于1 mm時的輸出光斑 [1]

作者模擬各個超模式在高反鏡與光纖端面處于不同間距的耦合效率,結果如圖4所示。當光纖和高反鏡距離小于0．3 mm時,光束發散較小,耦合系數都較高,大部分超模式都能將大部分能量耦合回光纖;當距離大于0．7 mm時,因為同相模式的衍射角最小,其耦合系數顯著高于其他模式。

圖4不同模式的強度耦合系數隨高反鏡距離的關系 [1]

基于多芯光纖的同相模放大可以在一定程度上提高光纖放大器的輸出功率,然而,當功率到達一定值時,超模變得不穩定,仍無法突破自聚焦帶來的輸出功率限制。已經有研究指出,在非線性過程中,異相超模式比同相超模式穩定得多,可以將脈沖峰值功率提升至超過自聚焦閾值的強度;但異相超模式的相位分布并不平坦,需要對種子脈沖進行調制才能在多芯光纖中激發。

2020年,Alexey V． Andrianov等人首次實現了異相模式在耦合多芯光纖放大器中的選擇激發。研究者利用液晶空間光調制器將種子源輸出的高斯光束進行轉化,用參考光干涉法測量各超模式在輸出光中占據的比例,經過優化成功實現了大于80%的耦合效率。實驗裝置如圖5所示,中心波長1030 nm的種子脈沖被分成兩部分,一部分作為信號光經過空間光調制器整形后進入多芯光纖,另一部分經過擴束器作為參考光,利用分束器將兩束光耦合入CCD中。參考光用于測量超模式的相位,關閉參考光時,CCD測量超模強度分布。由于各超模式的群速度不同,對參考光施加不同的延遲線就能在不知道超模式具體分布的情況下測量各個模式。

圖5異相模式放大器實驗裝置圖 [2]

研究者首先在無泵浦的情況下測量了優化前各個超模的比例,結果如圖6所示,在未優化的情況下,異相模式占比僅為70%,而利用算法補償了非理想的器件引入的相位扭曲后,可以將異相模式占比提高到90%。實驗中只有當參考臂增加260fs的時間延遲時才出現另一個超模式的干涉圖樣,略大于種子脈沖的變換極限脈寬(220fs),說明各個超模式之間相距較遠,沒有連續的能量轉移。

圖6優化前以及優化后模式能量占比(左圖);各模式橫模分布(右圖)[2]

研究者還對無泵浦時不同模式的強度分布以及相位分布進行測量,結果如圖7所示,在考慮到光纖的非均勻結構和不平滑的端面等因素的情況下,可以測量到相位幾乎平坦的同相模式和相鄰纖芯相差π相位的異相模式。

圖7同相模式(SM1)和異相模式(SM6)實際測量和模擬的強度分布與相位分布 [2]

開啟泵浦后,放大器輸出結果如圖8所示,在泵浦功率12 W的情況下得到平均功率0．9 W的最大脈沖輸出,對其輸出光斑的近場成像表明,異相模式占據著主導地位。從有無泵浦時的輸出光譜則可以看出,光譜不存在明顯的增益窄化效應,因此研究者認為多芯光纖非常適合用于啁啾脈沖放大技術。

圖8(a)輸出功率最大時橫向強度分布;(b)有無泵浦時的輸出脈沖光譜;(c)(d)異相模式的強度分布和相位分布重構圖[2]

研究者最后對多芯光纖中的超模式放大進行模擬。模式成分的演化表明,在存在增益和非線性效應的情況下,超模之間沒有明顯的能量交換。另一項模擬表明,在總增益增加到一定程度時,同相模式在放大光纖后程退化為單芯傳輸,伴隨著峰值功率的劇烈提升,導致光纖損壞。而相反,異相模式在能量增加時,如理論預測的一樣保持穩定,峰值功率保持在擊穿閾值之內。

圖9 同相模式SM1和異相模式SM6在增益光纖不同位置處的橫向強度分布 [2]

關于存在弱耦合的多芯光纖的研究還處于襁褓階段,理論工作者和實驗工作者在這一領域大有可為。隨著研究的不斷深入,這種多芯光纖技術有望為高功率光纖激光的現存挑戰提供新的解決思路。