光纖CPA放大利器丨NKT ROD3.2助力超快激光技術(shù)革新

  隨著超快激光技術(shù)在精密加工與科研領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，飛秒光纖激光器憑借高能量、短脈沖特性成為核心工具。本文聚焦其核心器件——高品質(zhì)光子晶體光纖(PCF ROD)，分析其技術(shù)演進(jìn)與工業(yè)應(yīng)用。NKT Photonics最新推出的ROD3.2專(zhuān)為工業(yè)級(jí)飛秒光源設(shè)計(jì)，通過(guò)提升橫模不穩(wěn)定性(TMI)閾值，支持150W平均功率(實(shí)際可高達(dá)175W以上)、357fs脈沖輸出，同時(shí)體積縮小30%，結(jié)構(gòu)更緊湊，滿(mǎn)足工業(yè)場(chǎng)景對(duì)高穩(wěn)定性與集成化的需求。

  超快光纖激光器市場(chǎng)

      2023年中國(guó)激光設(shè)備市場(chǎng)總體穩(wěn)中向好，預(yù)計(jì)2024年增速平穩(wěn)，將達(dá)到960億元。2023年我國(guó)光纖激光器市場(chǎng)整體銷(xiāo)量穩(wěn)中有升，企業(yè)通過(guò)調(diào)整策略，開(kāi)始更加注重毛利率與品控。2023年整個(gè)市場(chǎng)恢復(fù)正增長(zhǎng)，達(dá)到135.9億元，預(yù)計(jì)2024年銷(xiāo)售收入為145.3億元。在半導(dǎo)體、顯示器制造和玻璃加工需求推動(dòng)下，中國(guó)超快激光市場(chǎng)正在增長(zhǎng)，2023年國(guó)內(nèi)超快激光市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到40.2億元，預(yù)計(jì)2024年將達(dá)到46.1億元。

圖1. 2019年-2024E年中國(guó)超快激光市場(chǎng)(單位：億元 《2024中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》)

      1985年的啁啾脈沖放大技術(shù)，1988年的雙包層光纖技術(shù)，1997年的大模場(chǎng)光纖概念的提出，以及分脈沖放大、預(yù)啁啾管理放大、相干脈沖堆積等技術(shù)，都對(duì)超快光纖激光的發(fā)展有著重要的影響。隨著超快光纖激光技術(shù)的發(fā)展，超快光纖激光器已成為超快激光市場(chǎng)的主力軍，廣泛應(yīng)用于科研、生產(chǎn)、醫(yī)療等領(lǐng)域，尤其在精密/微納加工、高脈沖能量源、微觀動(dòng)力研究及天文科學(xué)中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

圖2. 高功率超快激光發(fā)展【1】

飛秒超快光源的應(yīng)用

  光纖超快激光放大的核心器件

  光子晶體光纖棒(PCF ROD)

  飛秒光源在啁啾脈沖放大過(guò)程中，時(shí)域上經(jīng)過(guò)展寬的脈沖，在功率上進(jìn)行放大(圖3)。為了保證獲得高平均功率、高光束質(zhì)量的脈沖，需要在保持種子源單模、偏振態(tài)等光學(xué)參數(shù)的同時(shí)，有較高的TMI(橫模不穩(wěn)定性，Transverse Mode Instability)閾值，這對(duì)放大級(jí)光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)提出了非常高的要求，大模場(chǎng)光子晶體光纖應(yīng)運(yùn)而生。

圖3. 啁啾脈沖放大系統(tǒng)

      光子晶體光纖具有大模場(chǎng)，支持單模傳輸和保偏的特點(diǎn)。PCF又被稱(chēng)作微結(jié)構(gòu)光纖，橫截面上有較復(fù)雜的折射率分布，通常含有不同排列形式的氣孔，這些氣孔的尺度與光波波長(zhǎng)大致在同一量級(jí)且貫穿器件的整個(gè)長(zhǎng)度，光波可以被限制在低折射率的光纖芯區(qū)傳播。目前PCF和普通石英光纖的熔接已經(jīng)比較成熟(圖4)，利用標(biāo)準(zhǔn)商用的特種熔接機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)良好的模場(chǎng)匹配及低損耗傳輸，這也滿(mǎn)足了全光纖結(jié)構(gòu)的工業(yè)產(chǎn)品需求。目前的商業(yè)40um芯徑PCF已經(jīng)以O(shè)EM的形式模塊化，更便于集成和產(chǎn)品化(圖5)。

圖4. 單模雙包層光子晶體光纖，PCF與石英光纖的低損耗熔接

      隨著光子晶體光纖技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了商用化的更大模場(chǎng)的棒狀PCF(ROD type PCF)，最早由Limpert在2005年首次提出【2】，之后被應(yīng)用到各個(gè)實(shí)驗(yàn)中獲得了非常好的效果【3】。NKT Photonics公司是全球最大的商業(yè)化微結(jié)構(gòu)特種光纖供應(yīng)商，多年來(lái)為國(guó)內(nèi)外眾多超快科研項(xiàng)目和產(chǎn)品生產(chǎn)。具有代表性的ROD系列產(chǎn)品為大家所熟悉，近期更是推出了ROD3.2版，專(zhuān)門(mén)用于工業(yè)級(jí)飛秒光源產(chǎn)品的光放大，輸出功率更高，體積更小，結(jié)構(gòu)更緊湊。NKT ROD系列產(chǎn)品，高品質(zhì)光子晶體光纖，專(zhuān)門(mén)用于飛秒激光的功率放大，ROD2.1和ROD3.1適用于科研類(lèi)的項(xiàng)目，單路飛秒功率放大和多路飛秒相干合成中的各路功率放大，其中ROD3.1具有更高的TMI閾值，可以獲得更高的功率輸出。ROD3.2適用于工業(yè)飛秒光源的制作，輸出功率更高、體積更小、結(jié)構(gòu)更緊湊。

NKT Photonics aeroGAIN-ROD 系列產(chǎn)品

NKT Photonics aeroGAIN-ROD 系列光學(xué)指標(biāo)

  棒狀光子晶體光纖的應(yīng)用

  2022年NKT Photonics用PCF-ROD放大，實(shí)現(xiàn)了175W，357fs，233uJ輸出【4】。

       飛秒激光放大技術(shù)，國(guó)內(nèi)中科院物理所，華中科技大學(xué)等科研團(tuán)隊(duì)多年來(lái)取得了矚目的成就。2020年ZHANG Y等利用PCF-ROD以圓偏振脈沖預(yù)啁啾管理光纖放大系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了啁啾鏡片組壓縮后47fs，平均功率101W脈沖輸出【5】。2021年他們提出基于高增益雙通放大的預(yù)啁啾管理放大技術(shù)，該技術(shù)弱化了PCMA技術(shù)中對(duì)信號(hào)功率的依賴(lài)程度，使得振蕩器級(jí)別的數(shù)十毫瓦弱小信號(hào)僅通過(guò)結(jié)構(gòu)緊湊的一級(jí)放大器即可獲得百瓦量級(jí)的超短脈沖輸出，100W，40fs【6】。

圓偏振脈沖預(yù)啁啾管理光纖放大系統(tǒng)

雙通放大的預(yù)啁啾管理放大系統(tǒng)

2024年物理所研究團(tuán)隊(duì)，利用PCF-ROD和CPA結(jié)構(gòu)，研究注入功率對(duì)放大脈沖補(bǔ)償效果，并以圓偏振來(lái)弱化非線性相移積累，實(shí)現(xiàn)了壓縮后1MHz，264fs，273W的脈沖輸出【10】。

2023年物理所研究團(tuán)隊(duì)利用兩支PCF-ROD棒，基于被動(dòng)合成摻鐿超快光纖激光系統(tǒng)，進(jìn)一步獲得了最高平均功率可達(dá)200W的結(jié)果，且在100kHz的重復(fù)頻率下，單脈沖能量達(dá)到1.07mJ，系統(tǒng)合成效率超過(guò)了85%【7】。

之后該團(tuán)隊(duì)基于SPGD算法四路相干合成系統(tǒng)，在重復(fù)頻率微1MHz和500kHz時(shí)，分別輸出了672W，0.67mJ和534W，1.07mJ的飛秒脈沖輸出。2024年華中科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)以?xún)芍CF-ROD棒搭建兩路飛秒相干合成，實(shí)現(xiàn)了403W，260fs脈沖輸出【8】。

之后該團(tuán)隊(duì)基于四通道光纖放大器相干光束合成的高功率飛秒激光系統(tǒng)。每個(gè)通道均采用大模場(chǎng)棒狀光子晶體光纖，平均功率達(dá)到220W。通過(guò)穩(wěn)定的主動(dòng)相位鎖定技術(shù)，壓縮后的激光系統(tǒng)在800kHz的重復(fù)頻率下實(shí)現(xiàn)了724W的平均功率和0.9mJ的單脈沖能量，壓縮效率89%【9】。

參考文獻(xiàn)

  1. Limpert J, Deguil-Robin N, Manek H?nninger I, et al. High power rod type photonic crystal fiber laser. Optics Express, 2005, 13 (4)

  2. Otto H J, Stutzki F, Modsching N, et al. 2kW average power from a pulsed Yb-doped rod type fiber amplifier. Optics Letters, 2014, 39 (22).

  3. Florian Jansen，et al. The influence of index-depressions in core pumped Yb-doped large pitch fibers. Optics Express, 2010, 18 (26)

  4. Martin E. V. Pedersen et al. 175 W average power from a single-core rod fiber-based chirped-pulse-amplification system. Vol. 47, No. 19, 1 Oct. 2022 , Optics Letters.

  5. ZHANG Y，CHEN R，HUANG H，et al. High-power pre-chirp managed amplification of circularly polarized pulses using high-dispersion chirped mirrors as a compressor[J]. OSA Continuum，2020，3(7)：1988-1998.

  6. ZHANG Y，WANG J，TENG H，et al. Double-pass pre-chirp managed amplification with high gain and high average power [J]. Optics Letters，2021，46(13)：3115-3118.

  7. Zhuo Shi, Jingshang Wang, et al. Generation of 107W, 1.07mJ femtosecond pulses from chirped- and divided-pulse Sagnac Yb-fiber amplifiers by suppression of static mode degradation. Vol. 40, Issue 9, pp. 2429-2433 (2023)

  8. Shuangxi Peng et al. 260 fs, 403 W coherently combined fiber laser with precise high?order dispersion management. Frontiers of Optoelectronics (2024) 17:3

  9. 王志浩，等。724 W，0.9 mJ，227 fs 四通道相干合成超快光纖激光系統(tǒng)。中國(guó)激光，44卷17期，202410. 王棟梁等，1 MHz, 273 W 摻鐿棒狀光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)。物理學(xué)報(bào)，Vol. 73, No. 13 (2024)