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大模场渐变折射率光纤设计提升光纤激光器功率
录入时间:2018/3/9 10:32:59

 

/LFW         

随着市场对高功率光纤激光器的兴趣越来越浓、其应用越来越广,进一步提升光纤激光器功率的驱使,已经激发了许多将大模场(LMA)光纤用作增益光纤的研究。在LMA光纤中,纤芯的物理尺寸足够大以支持多种模式,但光纤的物理特性被设计成抑制高阶模式。因此,所需的激光基横模可以分布在大的横截面上,从而降低对光纤的潜在的与光相关的损伤(以及光学非线性)。

制造实用型LMA光纤的努力,通常集中在使用阶跃折射率或微结构设计。实现单模工作的一个例子是:在增益导引和折射率反导引(GG + IAG)光纤中,通过阶跃折射率设计中的模式选择性衰减来实现。但是,这种光纤具有固有的泄漏损耗,降低了激光效率。

 最近,韩国朝鲜大学光电子工程系的Hyun Su Kim和新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院的Seongwoo Yoo两位研究人员,已经采用不同的方法,通过改变常规阶跃折射率的GG + IAG光纤设计,使其具有渐变折射率纤芯;该变化降低了泄漏损耗,同时保持了GG + IAG设计的高阶模式抑制(由于其凸起折射率的包层)。没有GG + IAG设计的渐变折射率纤芯光纤自身,在放大下不能维持单模输出(见图1)。

1:在没有(a)和有(b)激光增益的情况下,对通过传统渐变折射率纤芯光纤传播的高斯光束的模拟显示高阶模(HOM)出现。然而,如果渐变折射率纤芯在增益引导和折射率反导引(GG + IAG)光纤设计中(图中未给出),则即使在放大下也能保持基模传播。

 

折射率凹陷的渐变折射率纤芯

 

“我们研究了一种可以固有抑制高阶模(HOM)的替代LMA设计,从而提升了横模不稳定性的阈值。”Yoo解释说,“曾经提出了一种增益导引机制的反波导结构,作为选择性提高基模功率的新途径。然而,人们已经认识到,这种类型结构的光学增益不仅要求放大,而且要克服反导引损耗,这是很难做到的。”

 

在新的理论设计中克服了此基本限制,其中凹陷的渐变折射率大大降低了基模的反导引损耗,而凸起的包层折射率同时提供了抑制HOM的机制。Yoo补充说:“该设计通过固有的HOM抑制实现高斯光束输出的功率提升。”

 

两位研究人员模拟了阶跃折射率GG + IAG光纤和新光纤设计(无增益)的泄漏损耗,芯径分别为50μm100μm;结果发现与阶跃折射率纤芯相比,采用梯度折射率纤芯的新设计,将泄漏损耗降低了超过1000倍。他们还发现,虽然阶跃折射率GG + IAG的泄漏损耗与光束半径的大小无关,但对于新设计则存在相关性。因此他们确定,例如对于25μm纤芯半径的最佳光束尺寸,泄漏损耗<0.003/cm,这比GG + IAG光纤的泄漏损耗再小三个数量级。

 

对没有颠倒折射率的纯渐变折射率光纤进行的模拟表明,在放大情况下,光束不能保持高斯分布,并且实际上可能通过光束畸变和自聚焦损伤纤芯。

 

Yoo指出:“我们注意到,模拟建议了实际的工作范围,我们的下一个目标是在实验室中展示此概念。这将包括制造凹陷的渐变折射率掺镱(Yb)纤芯、验证高斯模放大,以及在光纤弯曲下的性能。尽管弯曲畸变,例如压缩模场和模式分布的偏移,看起来在渐变折射率分布图上并不显著(在模拟中也得到支持),但实验演示在确认各种放大器配置的稳健性和适应性方面,将更有说服力。”

 

参考文献:

1. H. S. Kim and S. Yoo, Opt. Express (2017); https://doi.org/10.1364/oe.25.021935.

 


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