大模場光纖

大模場光纖被認為是解決光纖雷射器功率提升面臨的非線性效應及光纖損傷等功率增長限制的一種最直接有效的途徑。光纖雷射器輸出功率的迅速增長正是得益於大模場光纖的實現，大模場光纖的研究因此成為高功率光纖雷射研究領域的熱點問題。

基本介紹

• 中文名：大模場光纖
• 外文名：large mode area fiber

1概述

大模場光纖被認為是解決光纖雷射器功率提升面臨的非線性效應及光纖損傷等功率增長限制的一種最直接有效的途徑。光纖雷射器輸出功率的迅速增長正是得益於大模場光纖的實現，大模場光纖的研究因此成為高功率光纖雷射研究領域的熱點問題。許多國家的相關研究機構都紛紛開展了大模場光纖的研究，取得了可喜的結果。多種新型結構的大模場光纖相繼被提出並套用於實踐，使得光纖雷射的模場不斷擴大，推動著高功率光纖雷射的快速發展。

2技術途徑

綜觀大模場光纖雷射的研究情況，歸納起來，實現高光束質量雷射輸出的大模場光纖主要通過3 種技術途徑：光纖結構設計、模式選擇控制和模式轉換法。

基於光纖結構設計的單模輸出光纖

這一類大模場光纖主要通過改變纖芯或包層的折射率分布來實現直接的單模輸出。通常採用的辦法是增加光纖芯徑大小同時又降低纖芯數值孔徑以滿足單模傳輸的歸一化頻率要求，但受光纖的蒸汽沉積法加工工藝的限制，普通階躍光纖的數值孔徑很難做到0.05 以下， 相應的單模光纖芯徑大小在17 μm 左右(對應波長1.1 μm)。為了獲得更大芯徑的單模光纖， 有人提出將纖芯的折射率分布改用平坦模形、漸變形、複合形等分布的辦法，或者在包層中設定周期性結構、泄漏結構等折射率分布，通過泄漏或耦合等方式使光纖等效地實現基模輸出；也有人提出利用光纖加工過程中，殘餘熱應力的彈光效應形成極低的折射率差來實現較大直徑的基模輸出。

短棒型光子晶體光纖

光子晶體光纖的典型結構是在石英光纖中沿光纖軸向有規律地排列一些空氣孔。光纖的核心可以是一個破壞折射率調製周期性的空氣孔缺陷，也可用石英或摻雜的石英代替， 構成光子晶體光纖的纖芯；周圍分布的空氣孔和石英構成光子晶體光纖的空氣包層結構。根據導光原理，光子晶體光纖可分為帶隙光子晶體光纖和全內反射光子晶體光纖。由於帶隙光子晶體光纖的纖芯是空氣孔，很難進行增益摻雜，所以現在用在光纖雷射器上的主要是全內反射光子晶體光纖。這種光子晶體光纖的導光機制與傳統光纖一樣，不同的是：它可以在很寬的頻率範圍內支持單模運行，並且通過調整包層空氣孔的大小、間距及分布等使纖芯的數值孔徑做得很小（最低報導達0.01），而內包層的數值孔徑做得很大(NA>0.9)，從而使模場面積大、泵浦光也更容易耦合進光纖中，因此光子晶體光纖被認為是實現大模場光纖最具潛力的方法。

2005 年底，德國IPHT 的Limpert 等設計了一種50 cm 長的直棒形光子晶體光纖雷射器， 纖芯由移除19 個空氣孔的缺陷構成，空氣孔呈三角形排列，孔徑與孔間距的比值為0.19，芯徑為60 μm，模場面積約2 000 μm2，Limpert 等用這種光纖獲得了320W的連續雷射輸出。2007 年，Fabio 等把類似結構的光纖芯徑增加到100 μm、模場面積4 500 μm2，套用92 cm 長的光纖短棒，通過MOPA 結構的三級放大器系統實現了單脈衝能量4.3 mJ、峰值功率4.5 MW 的脈衝放大輸出， 光束質量M2=1.3， 近似單456模輸出，在芯徑70 μm 以下的光纖實驗中， 始終得到了單模輸出。套用這種短棒型光子晶體光纖，該課題組還進一步開展了倍頻、偏振方面的實驗，均獲得了很好的結果。但這種光纖對彎曲非常敏感，彎曲損耗和傳輸損耗都很大，而且不能像傳統光纖那樣很方便地進行熔接，所以還很難推廣套用。

應力型大模場光纖

應力型大模場光纖由美國的Libi Fu等人提出並從實驗上驗證。這種光纖外形上與光子晶體光纖相似，製作方法也類似，即都是採用標準的堆疊拉製法。只是在製作過程中，把包層中的空心矽玻璃管換成摻氟的矽玻璃實心棒，使拉製成的光纖包層由規則排列的摻氟玻璃棒構成，而不是空氣孔。在拉制過程中，嚴格控制光纖從熔爐出來後的退火冷卻速度。由於摻氟的矽玻璃棒折射率略低於矽玻璃的折射率，熱擴散係數大於矽玻璃的擴散速度，所以冷卻後形成純矽玻璃收縮而相鄰的摻氟矽玻璃棒呈拉伸的應力分布狀態，這種應力分布引起的彈光效應導致纖芯與包層之間形成極小的折射率差( 最低折射率差6×10 -5，NA=0.013)，從而能夠保證光纖嚴格的單模傳輸， 模場直徑高達3 600μm2(對波長1μm 光波)，甚至17 400 μm2(對波長1.03 μm 光波)，是目前報導的最大模場面積，對高功率光纖雷射的實現意義重大。1.1.3 3C（Chirally-Coupled Core Fibers）螺旋形光纖這種光纖簡稱為3C 光纖， 是美國密執安大學Craig Swan 研究小組提出的大模場光纖結構。這種光纖的內部包含兩個纖芯，主體纖芯為通常結構的摻雜纖芯、輔助纖芯纏繞在主芯外，形成螺旋狀的結構。其實現單模輸出的基本原理是：通過調節輔助纖芯的螺距、纖芯偏移量、芯徑、折射率分布等，使輔助纖芯中的基模與主芯中的高階模達到相位匹配、或準相位匹配而相互耦合， 主芯中的高階模因此損耗較多的能量而被抑制， 最終只有基模傳播。2009 年5月，他們用這種結構的摻Yb3+光纖，在纖芯歸一化頻率遠大於2.405 的情況下， 實現了250W 單模輸出的光纖雷射器運轉，纖芯直徑達到35 μm，並且還從理論上證明， 這種結構的大模場光纖能在90μm以上芯徑的光纖中實現單模輸出。

基於模式控制和選擇的多模光纖

雖然通過光纖的結構設計可以實現直接的單模輸出，但這種情況下的大模場光纖數值孔徑通常比較低，抗彎特性差。比如前面的100μm 棒狀光子晶體光纖，數值孔徑NA=0.03，只能在保持平直的狀態下使用，稍微的彎曲會給它帶來致命性的破壞，這對實際光纖雷射器的套用非常不利。而且由於受材料和光纖摻雜工藝的限制，普通摻雜石英光纖纖芯的數值孔徑的最小值約為0.05，要求更大芯徑的話必然需要多模輸出，在很多套用中不易滿足。為了實現基模的輸出，通常需要採用模式控制和選擇的方法來儘可能地抑制高階模輸出。一般採用的控制方法有：彎曲選模、光錐選模、增益控制選模、腔鏡選模等。

3彎曲選模

當光纖彎曲時，光纖中的導波模能量會有部分沿彎曲半徑的方向以輻射形成損耗，這種彎曲損耗隨著模式階數的增大而增加，因此通過光纖彎曲的辦法可以使高階模損耗更多的能量而最終消失。在光纖芯徑不大時，這是比較簡單、有效的一種選模方式。例如，Kliner 等人將長度為6 m、芯徑為25 μm、數值孔徑為0.1(V=7.4@1 064 nm)的多模光纖纏繞在兩個直徑為1.67 cm 的正交金屬棒上， 獲得了光束質量因子的輸出光束。中國科學院上海光學精密機械研究所的李立波等也將芯徑16μm、數值孔徑0.1 的Yb 光纖雷射器彎曲成半徑2cm 的光纖環後，獲得了M2=1.03±0.05 的近似單模雷射的輸出。當光纖的芯徑較大或數值孔徑較低時，彎曲引起的高、低階模的損耗差異縮小，加上模場畸變的存在，彎曲選模的作用往往受到限制。比如，Gavanauskas等儘管將80μm 芯徑的增益光纖纏繞到直徑4.25 cm 時獲得了單模的雷射輸出，但此時模場面積已大大壓縮。

光錐選模

光錐選模是通過在光纖雷射器的輸出端或全反鏡端插入光錐， 造成模式的插入損耗不同而實現選模。英國南安普敦大學光電研究中心的Alvarez -Charvez 等在參考文獻中最先報導了採用光錐進行選模的方案，如圖4 所示。在多模光纖雷射器的諧振腔中，插入了一個長度為2z、束腰為2T、發散角為2Ω的光錐。為了實現選模，光錐需滿足兩個條件：(1) 對基模LP01模的插入損耗很小，(2) 對高階模的插入損耗較大。滿足條件1 只要保證光錐的半發散角Ω 比纖芯的數值孔徑小即可。為了滿足條件2，光纖的高階模在通過光錐的時候必須成為泄漏模，甚至截止。通過光錐選模，他們最後獲得了光光效率為67%、光束質量M2=1.4 的雷射輸出， 與不採用光錐選模的光光效率85%、光束質量M2=2.6 的結果相比，儘管功率下降了約20%，但亮度提高為原來的3.5 倍。2009 年1月，芬蘭報導了拉錐形光纖放大器，也採用了光錐選模。將24m 長的光纖包層和纖芯均拉成大小漸變的錐形結構，纖芯從65μm 遞減到11 μm，高階模在纖芯減小的過程中逐漸向包層輻射，這種結構既不需要高亮度的泵浦耦合光源， 又能確保單模輸出，最終輸出光束質量M2=1.08，輸出功率達600W。

4增益控制選模

前兩種選模方式都是通過增加高階模的損耗進行選模，增益控制選模則是通過降低高階模的增益能力從而抑制高階模的傳播達到選模目的。一般通過控制纖芯內的摻雜分布或者摻雜區域的大小，使得基模的增益與高階模的增益差儘可能大，從而抑制高階模起振。Limpert 等人用這種方法對直徑為50 μm、數值孔徑為0.093 的光纖進行了計算，得出當摻雜半徑為16.9 μm 的時候，可以獲得最佳的選模效果。廖素英等也從理論上計算得出：階躍光纖採用60%左右的部分摻雜方法可以有利於提取基模，Marciante 等進一步通過實驗驗證：階躍光纖的一部分纖芯摻雜增益粒子比纖芯全部區域摻雜增益粒子具有更好的高階模抑制作用。史丹福大學的A.E.Siegman 教授套用復參數理論對增益光纖中的模式行為進行了詳細分析，認為增益光纖波導中的模式由折射率差和增益分布共同決定，傳統雷射光纖忽略增益對模式的約束作用，是因為增益差與折射率差相比，作用微乎其微；但在考慮大模場光纖時，光纖內的增益導引與折射率導引將共同約束模式的傳輸，即使在纖芯與包層的折射率差為0 甚至為負值時， 芯內增益的作用也仍能保證光纖內形成穩定的模式傳輸，即所謂的反折射率導引(IAG)，此時光波能繼續導行在於： 纖芯/內包層分界面上的掠入射反射波獲得的增益補償了透射波的損耗，因此能在光纖內繼續向前傳輸。

2006 年底，弗羅里達中央大學的YingChen研究小組設計了一種反折射率分布的光纖雷射器， 這種光纖的纖芯折射率低於內包層折射率， 芯徑100μm，採用平平腔的諧振腔結構，用燈泵方式側面泵浦13 cm 長的光纖， 依靠增益導引的方式實現了單模雷射輸出，此後他們改進了雷射器的設計，改用LD 泵浦方式，又將光纖的芯徑提高到200 μm、300 μm，仍然得到基模輸出， 從實驗上驗證了Siegman 教授的增益導引理論，具有里程碑的重要意義，為大模場光纖發展指明新的方向。

5腔鏡選模

除了上面介紹的選模方法外，Griebner 等還研究了通過外加凹面腔鏡進行選模的方法。在Yb:YAG 光纖的兩個端面外增加了兩個凹面鏡M1、M2，此時，光纖雷射的輸出模式不僅由光纖波導決定， 還取決於兩個凹面鏡形成的準共焦腔結構。準共焦腔內的自由空間傳播模式經過光纖時，受波導結構約束，會轉變為光纖的基模和高階模。通過設計兩面腔鏡的曲率大小，使腔內自由空間的高斯模式與光纖的基模儘量匹配， 可以抑制高階模的振盪。Griebner利用這種方法對截面尺寸為100 μm×80 μm 的矩形光纖進行選模，獲得了M2<1.5 的光束質量。此外，中國科學院上海光學精密機械研究所的樓祺洪研究小組通過在腔鏡上開小孔的方式，以及清華大學光子與電子研究中心把光纖端面加工成凸形的方法，增加了不同模式的損耗差，獲得了一定的選模效果。

6模式轉換法

S. Ramachandran 等提出的模式轉換機制，利用長周期光纖光柵和高階模光纖（HOF）來實現高階模與低階模之間的轉換，使光場主要以模場面積較大的高階模形式存在， 獲得了較大的模場面積( 達到2 100μm2 甚至3200μm2)，避免了非線性效應的影響。輸入尾纖與高階模增益光纖直接熔接在一起，高階模光纖的輸出端焊接有端帽，在兩端分別用紫外寫入的方式刻蝕了長周期光纖光柵（LPG1、LPG2）。高階模光纖的纖芯由內芯和外芯兩部分構成。為了能夠傳輸較高階的模式，內芯的芯徑一般與輸入尾芯的基模大小相當，以達到較好地模式匹配，減少損耗；相反，數值孔徑一般取較大值，這樣可以保證高階模的出現並且高階模儘可能地分布在纖芯的整個區域， 與增益粒子充分作用。在信號放大過程中，種子源基模信號由尾纖輸入， 經長周期光纖光柵LPG1 轉換成高階模光纖的高階模（LP08模），LP08模在高階模光纖中增益放大後，再由光纖光柵LPG2 轉換回基模。整個過程中，光場主要以高階模的形式存在， 由於高階模固有的較大模場分布（LP08模場面積為3 200 μm2）和較穩定的折射率間隔，能夠進行高功率的雷射放大，而不容易受到非線性效應和光纖損傷的影響。這種模式轉換方式為大模場光纖提供了一種新的設計思路，拓展了高功率光纖雷射的發展方向。