基本介紹
簡介,技術途徑,基於光纖結構設計的單模輸出光纖,基於模式控制和選擇的多模光纖,模式轉換法,其他新型大模場光纖,技術難點,光傳輸放大特性,
簡介
LMA光纖的概念早在20世紀90年代就已經得到發展，受到了高峰值功率和單頻光纖雷射器以及放大器領域研究人員的高度認可。對於這些套用，在許多情況下研究人員渴望所有使用的較大芯面積的光纖，但還要保留其單一空間模式傳播特性。由於芯中傳輸的光強度較小，LMA光纖的這些特性使得它們在某些套用中變得不可或缺，例如增益光纖中的高峰值功率脈衝的放大或者單頻雷射輻射的振盪與放大。
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。
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迫壞, 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目前摻雜工藝的限制, 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。
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 100μm^2 甚至3200μm^2)，避免了非線性效應的影響。
其他新型大模場光纖
泄漏通道光纖 (見圖(a) ) 、多芯光纖(見圖(b) ) 、諧振耦合光纖 (見圖(c) ) 等新型大模場光纖。
Liang Dong等設計了泄漏通道光纖, 早期的結構特徵是光纖的內包層僅由一圈直徑較大的空氣孔組成, 中心部分一個缺損的空氣孔元胞等效為光纖的纖芯。光纖橫截面的折射率分布呈“W”形狀。光纖的纖芯和包層區域由空氣孔之間的通道間隔連線在一起, 所以光纖中傳播的實質是泄漏模。空氣孔對不同階次模式產生的泄露損耗不相同。通過調整空氣孔的大小、間距和排列方式等, 使高階模的損耗遠大於基模的損耗, 則基模可以等效地在纖芯中穩定地傳播, 保證光纖雷射輸出的光束質量。
其他新型大模場光纖
多芯光纖結構由Cheo等提出, 其特點是:光纖的包層內設有多個相同且規則排列的摻雜纖芯。各纖芯的大小、間距及折射率分布經過精心設計, 當滿足一定相位條件時, 各纖芯的基模以倏逝場的形式相互耦合, 形成超模態輸出, 這種超模態的場分布類似於高斯基模的分布, 是多芯光纖輸出模場的理想分布。
諧振耦合型光纖則是通過在包層中設定一部分高折射率分布的介質區域, 使纖芯高階模和包層高折射率介質區的等效局域模形成諧振而向包層輻射泄漏, 從而使纖芯中光波場的高階模成份下降, 保證更多的低階模成分的光波場輸出。原理上並不複雜, 但諧振的結構難以獲得, 所以目前這種結構的光纖模場面積做得還不大, 出現500μm^2模場面積的光纖報導。
技術難點
光纖彎曲後的模場畸變問題；高階模抑制問題；高功率光纖雷射系統的綜合設計及輸出能力預測；大模場光纖的加工。
