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

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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