技术分享| 3C手性耦合纤芯光纤技术(二)——在连续窄线宽光纤放大中的应用

光纤在线编辑部  2021-12-22 09:59:58  文章来源:本站消息  版权所有,未经许可严禁转载.

导读:传统的双包层光纤实现了工业用宽谱的若干千瓦的连续激光的输出,SRS也通过拉曼抑制器件得到了有效的控制;窄线宽种子光的放大则因为TMI,SBS等效应,在某些应用领域受限。由此,更多的波导结构光纤应运而生,如锥形光纤、光子晶体光纤、手性耦合纤芯光纤(3C光纤)等。

12/22/2021,光纤在线讯,传统的双包层光纤实现了工业用宽谱的若干千瓦的连续激光的输出,SRS也通过拉曼抑制器件得到了有效的控制;窄线宽种子光的放大则因为TMI,SBS等效应,在某些应用领域受限。由此,更多的波导结构光纤应运而生,如锥形光纤、光子晶体光纤、手性耦合纤芯光纤(3C光纤)等。

其中3C光纤以其单模稳定、高峰值功率、高单脉冲能量输出,问世即被用于超短脉冲的应用,同样,单模保偏、提高TMI阈值的特性可以用于窄线宽光纤放大的应用。

手性波导与手性光纤的提出


手性波导的概念,即包含手性介质的波导结构,是由N. Engheta和P. Pelet在1989 年首先提出的[1]。2007年,美国 Michigan 大学超快光学研究中心提出了手性耦合纤芯3C光纤[2]的新型光纤结构,它能够突破传统单模光纤 V=2.405归一化截止频率的限制,在大纤芯尺寸(大于 30 μm )的情况下实现稳定的单模输出,且无需任何模式控制技术。这样既可达到提升光纤激光器输出功率的目的,又可以很方便地将光纤置于复杂系统中,实现光纤激光系统的集成化。同时,3C光纤还具有模式无失真熔接和紧凑盘绕(盘绕半径小于15 cm)的优点[3],与采用标准光纤熔接与处理技术制备出的光纤相匹配。





3C光纤的结构


3C光纤以其特有的性质,为实现高峰值功率与高能量的光纤激光器系统提供了一种新的途径,逐渐成为国内外超短超快激光研究人员关注的热点。

3C光纤的发展


2012年,Michigan大学超快光学研究中心Thomas Sosnowski等人[4]通过33/250um 3C光纤实现了257W,200kHz,8.5ns,1.2mJ脉冲;86.5uJ,575kW峰值功率脉冲,以及利用55um 3C光纤实现了41W,8.3mJ,640kW的高能量脉冲输出。

2018年,Carnegie Mellon大学的Jinxu Bai等人[5]用15mW,25ns,150nJ,100kHz,1064nm种子源通过两级2.5m和3m的3C光纤放大,获得了121.2W,单脉冲能量12mJ,峰值功率50kW,M2<1.2脉冲输出。

近些年,更多的人将目光投向3C光纤用于窄线宽连续光的功率放大,利用其稳定单模输出以及对非线性效应不敏感的特点,实现单色性更好、光束质量更好,高功率更高的连续光输出,用于如引力波探测、多光束合成等方面的研究。

2011年,Cheng Zhu等人利用线宽40MHz的单频单模种子光源,通过37um芯径的3C光纤进行功率放大获得511W的偏振输出且未有明显SBS出现[6]。

2018年,密歇根大学联合nLight公司,由M. Kanskar和A. Galvanauskas等人分别运用Yb20/400/0.064 DC LMA光纤和Yb 21.9/400/0.059 DC3C光纤对单频线偏振种子源进行功率放大,泵浦源为锁波长976nm模块,分别实现了2.4kW和2.6kW[8]。种子源为1064nmDFB通过相位调制器进行伪随机信号调制适当展宽线宽。MFA实现全光线结构。当种子源20GHz时,实验中Yb20/400LMA光纤在2.2kW时出现了TMI,而3C光纤弯曲直径30cm,在抑制高阶模的同时在2.6kW时没有TMI产生。



3C光纤放大DFB窄线宽种子源结构图




(左图)Yb20/400 LMA光纤放大在2.2kW出现TMI


(右图)Yb21.9/400 3C光纤放大在2.6kW输出且未出现TMI


2019年,Sven Hochheim等人用nLight的3C光纤(Yb700-34/250DC-3C),制作了用于引力波探测的,100W单频单模保偏光纤放大器。其中种子源为2W的kHz线宽保偏连续光,通过模场匹配器MFA的实验,最终实现103W,光光转换效率71%,偏振消光比17.6dB[7]。



Yb34/250 3C光纤放大实现单频100W结构图




(左图)3C光纤百瓦单频功率输出曲线/center]

[center](右图)3C光纤放大基模及消光比随功率变化曲线


总结及展望


总之,对于脉冲激光

3C光纤无需弯曲损耗保持良好的基模和偏振态输出;

有效抑制脉冲功率放大过程中的非线性效应;

可实现高能量、高峰值功率的脉冲输出。

而对于连续窄线宽功率放大而言

相较于传统双包层光纤,3C光纤可以提高TMI的阈值,并且有效抑制高阶模的产生,相信随着相关技术的普及和工艺的进步,可以实现若干千瓦甚至更高功率的窄线宽激光输出,被应用于引力波探测、高功率光束合成等更多的研究领域。

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参考文献


[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.

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