高能量、高峰值功率光纖激光器件的新焦點—3C手性耦合纖芯光纖

  前言：

  近兩年，3C手性耦合芯光纖被越來越多的提及，頻繁地出現(xiàn)在各類期刊文章當中，成為光纖激光器件家族中被重點關注的對象。為什么與雙包層、三包層光纖相比，3C光纖會同樣備受關注?是什么樣的波導結構賦予之怎樣的光學特性?今天咱們就一起來認識和了解一下3C手性耦合芯光纖。

  手性介質與手性波導

  小編的胖手比劃的，湊合看，嘿嘿~

  手性(Chirality or Handedness)是一個幾何概念，它是指物體所具有的經由平移、旋轉等任何實的空間操作都無法與其鏡像相重合的性質，這種性質與物體本身的對稱性缺失有關系。可以形象而簡單的說，手性即是物體可以用手來表征的性質，因此也被稱為手征性。手性體是具有手性的物體，典型的代表是螺旋和扭結狀物體，手性體可以是三維的也可以是二維的。手性體的尺度可大可小，它可以是宏觀物體如星系、星云等，也可以是DNA、氨基酸等微觀分子。圖1-1給出了兩個手性體的例子，分別是法國蝸牛和具有雙螺旋結構的DNA分子[1]。

  圖1. 法國蝸牛和具有雙螺旋結構的DNA分子

  根據手性體尺度與所研究電磁波波長之間的大小關系，待研究問題所涉及的手性被劃分為介質手性與結構手性。介質手性是指構成手性物質的手性體(如手性分子)的尺寸遠小于電磁波波長，而二者可以相比擬的情況則稱為結構手性。由介質手性體構成或者填充的材料稱為手性介質，由手性介質完全或者部分地替代常規(guī)介質，可以構成手性波導、手性光纖、手性光子晶體和手性光柵等新型器件。相應的，在與電磁波波長可以比擬的尺度量級上，由介質構成手性結構體，進而形成的器件就屬于結構手性的范疇。典型的結構手性器件有手性光纖光柵[3,4]，平面手性結構陣列等。圖2給出了一些介質手性和結構手性器件的例子，圖2(a)為介質手性光纖(可以是包層或者芯層為手性介質，也可以是二者都為手性介質);圖2(b)為手性光纖光柵(亦被稱為結構手性光纖)，其纖芯是雙螺旋的;圖2(c)為一種平面手性結構陣列，其手性體為二維萬字狀的微體[1]。

  圖2介質手性光纖(a)、手性光纖光柵(b)和平面手性結構陣列(c)

  手性波導的概念，即包含手性介質的波導結構，是由N. Engheta和P. Pelet在1989年首先提出的[3]，它是由在一般的柱形波導中填充各向同性的手性介質構成，即芯層是手性的而包層是由常規(guī)材料構成。該文中提到手性光波導不能獨立支持TEM、TE和TM模式，其模式是以TE和TM的耦合孿生形式存在的。這一點與傳統(tǒng)的光波導是不同的，因而引起了中外學者的廣泛關注并且產生了濃厚的興趣，他們同時也研究了手性波導的理論問題[4-5]。

  手性光纖

  近年來，光纖激光器及其相關技術發(fā)展迅猛，輸出功率得到極大的提高，可以達到千瓦量級以上平均功率和兆瓦量級的峰值功率，因此受到人們的廣泛關注。然而，隨著功率的提高，光纖中的光功率密度增大，受激拉曼散射(SRS)等非線性效應變得比較嚴重，這限制了光纖激光器輸出功率的進一步提升。為解決該問題，通常采用大模場面積(LMA)光纖或光子晶體光纖(PCF)來實現(xiàn)激光器的高功率輸出。然而，前者會導致高階模傳輸，只有采用正確的激勵或彎曲盤繞等模式控制方法才能實現(xiàn)單模傳輸，且對于纖芯直徑超過25μm的LMA光纖來說，模式控制的方法很不穩(wěn)定;后者雖然能實現(xiàn)單模輸出，但在彎曲時會引起極大的模式損耗，不利于系統(tǒng)的集成化[1]。

  針對上述問題，2007年，美國Michigan大學超快光學研究中心提出了手性耦合纖芯3C光纖[6]的新型光纖結構，它能夠突破傳統(tǒng)單模光纖V=2.405歸一化截止頻率的限制，在大纖芯尺寸(大于30μm)的情況下實現(xiàn)穩(wěn)定的單模輸出，且無需任何模式控制技術。這樣既可達到提升光纖激光器輸出功率的目的，又可以很方便地將光纖置于復雜系統(tǒng)中，實現(xiàn)光纖激光系統(tǒng)的集成化。實驗如圖所示，獲得了1066nm，37W基模光輸出。此外，3C光纖還具有模式無失真熔接和緊湊盤繞(盤繞半徑小于15cm)的優(yōu)點[7]，與采用標準光纖熔接與處理技術制備出的光學元件相匹配。3C光纖為實現(xiàn)高峰值功率與高能量的光纖激光器系統(tǒng)提供了一種新的途徑，逐漸成為國內外研究人員關注的熱點[1]。

  圖3. 3C光纖的制備

  普通光纖通常由包層和沿軸向分布的纖芯構成，而3C (Chirally-coupled-core)手性耦合纖芯光纖的結構，石英包層內有兩條纖芯，一條是沿軸向分布的中央纖芯，芯徑較大，一般在30um以上，用于信號光的傳輸;另一條是偏離中心軸、圍繞中央纖芯螺旋分布的側芯，芯徑比中央纖芯小得多，只有十幾微米，主要作用是控制中央纖芯的模式，將高階模耦合進側芯并對其產生高損耗(大于100dB/m)，使得中央纖芯中的基?？梢詷O低損耗地傳輸(小于0.1dB/m)。3C光纖的主要參數包含兩芯尺寸、側芯偏移量R和螺旋周期Λ，合理的R和Λ值能使側芯對中央纖芯的模式進行控制與選擇[1]。

  圖4. 3C光纖的結構

  3C光纖之所以能夠在大芯徑情況下實現(xiàn)穩(wěn)定的單模傳輸，是因為其側芯特殊的螺旋結構。這種新型光纖中側芯圍繞中央纖芯螺旋的復合結構可以實現(xiàn)以下三方面功能。

  1) 實現(xiàn)中央纖芯基模和側芯中模式的相速度匹配，使兩模式能夠進行耦合。通常兩個波導之間的模式耦合要滿足精確的相速度匹配條件(β(1)=β(2))[7]，但在3C結構中，由于螺旋因素的存在，兩芯中模式的傳輸常數不再相等，會導致額外的相位差，因此其匹配條件變?yōu)閇8]βside mode+ Δβhelix= β(central mode) , 式中 β(central mode) 和 βside mode分別為中央纖芯和側芯中模式的傳播常數。

  上為側芯因螺旋產生的額外相速度，可通過R和Λ來控制，從而達到匹配條件。

  2) 通過滿足準相位匹配條件，可提供中央纖芯和側芯之間有效的高階模式的對稱選擇性耦合。該QPM條件為[9]

  3) 合理選擇側芯尺寸、偏移量R及螺旋周期Λ，實現(xiàn)側芯中高階模式的高損耗特性。通過滿足QPM條件和側芯高損耗特性，可以將中央纖芯的高階模式耦合到側芯從而被損耗掉，只留下基模穩(wěn)定傳輸。而利用特性1，使中央纖芯基模與側芯模式發(fā)生部分耦合，可方便地控制基模的相速度與色散特性[1]。

  手性光纖激光器的發(fā)展

  Michigan大學超快光學研究中心為了驗證3C光纖的單模傳輸特性，他們以芯徑30μm的單模光纖(SMF)和中央纖芯芯徑34μm的3C光纖做對比模擬，均用只有12.5%的光功率與基模匹配的光源進行激勵，經過20cm左右距離的傳播，兩根光纖都只剩下12.5%的功率，說明纖芯中只剩下基模傳輸，其余模式均損耗掉[9]。這一結果從理論上證實了3C光纖等效于標準單模光纖，具有單模傳輸特性。為了進一步驗證模擬結果，Liu等[8]根據相關參數制備出中央纖芯芯徑35μm 、側芯芯徑12μm的3C光纖，這也是第一根無源3C光纖，同時參照模擬方法對其進行測試，得到該光纖在1550nm處輸出光斑為基模，光斑光束質量因子M2=1.03，且該光纖的基模損耗為0.095dB/m，近乎無損耗地在纖芯中傳輸。這是世界上首次證明3C光纖具有穩(wěn)定單模傳輸特性的實驗，具有重大意義。此外，實驗還發(fā)現(xiàn)該光纖具有很好的保偏特性，消光比達到了34dB。

  2008年，該實驗室制備出摻鐿雙包層3C光纖，其中，中央纖芯直徑為33μm ，數值孔徑(NA)為0.06;側芯直徑為16μm，NA為0.1;側芯螺旋周期Λ為7.4mm，兩芯邊到邊距離為4μm[6]。利用該有源光纖搭建激光器系統(tǒng)，得到了很好的實驗結果。實驗裝置采用法布里-珀羅(F-P)諧振腔，尾端的高反鏡對反射光沒有任何模式選擇功能，光纖寬松盤繞，不會起到模式選擇作用。用915nm激光二極管(LD)抽運有源光纖，在1066nm處得到了37W激光輸出，斜率效率達75%，激光閾值功率為6W，輸出光斑證實為基模[6]。該實驗進一步驗證了3C光纖的優(yōu)越性，說明該光纖可以像普通光纖一樣作為激光器的增益介質使用，所構成的光纖激光器具有高斜率效率和低閾值功率的優(yōu)點，且輸出的光束質量相比LMA光纖得到了極大的改善[1]。

  圖5. 33um 3C光纖實驗及結果

  2009年，以雙包層摻鐿3C光纖搭建放大系統(tǒng)來探究其放大特性[10]。該實驗得到了250W的連續(xù)功率輸出和150W輸出脈沖10ns，脈沖能量達到0.6mJ，峰值功率60kW，放大斜率效率達到74%。同樣，在所有功率水平下，系統(tǒng)輸出光斑均為單模。

  2010年，該團隊將3C光纖應用于主振蕩功率放大(MOPA)結構中來提升系統(tǒng)輸出功率[11]。實驗以2.7m長空氣包層摻鐿 3C光纖為功率放大器的增益介質，用2.2W信號光激勵該光纖，實現(xiàn)了511W 的MOPA結構功率輸出，放大器斜率效率為70%，同時觀測到輸出光束為單頻單橫模的線偏振光，具有大于15dB 的消光比[1]。

  2012年，Michigan大學超快光學研究中心Thomas Sosnowski等人[12]通過33/250um 3C光纖實現(xiàn)了257W，200kHz，8.5ns，1.2mJ脈沖;86.5uJ，575kW峰值功率脈沖，以及利用55um 3C光纖實現(xiàn)了41W，8.3mJ，640kW的高能量脈沖輸出。

  圖6. 33/250um 3C光纖輸出257W，200kHz，8.5ns，1.2mJ脈沖

  圖7. 33/250um 3C光纖輸出86.5uJ，575kW峰值功率脈沖

  圖8. 55um 3C光纖實現(xiàn)了41W，8.3mJ，640kW的高能量脈沖輸出

  2013年，立陶宛物理科學與技術中心的?eludevicius[13]通過搭建飛秒光纖啁啾脈沖放大(CPA)系統(tǒng)來提升輸出功率，該系統(tǒng)中的功率放大裝置采用3C光纖為增益介質。實驗得到了 50μJ的脈沖能量，400fs的脈沖，輸出光斑為近似衍射極限，光束質量因子1.1。

圖9. 3C光纖實現(xiàn)飛秒脈沖放大

  2018年，Carnegie Mellon 大學的Jinxu Bai等人[14]用15mW，25ns，150nJ，100kHz，1064nm種子源通過兩級2.5m和3m的3C光纖放大，獲得了121.2W，單脈沖能量12mJ，峰值功率50kW，M2<1.2脈沖輸出。

  圖10. 級聯(lián)3C光纖輸出高功率、高能量脈沖

  2019年，Sven Hochheim等人用nLight的Yb700-34/250的3C光纖，制作了用于引力波探測的100W單頻單模保偏光纖放大器。

  圖11. 百瓦單頻單模保偏光纖放大器

  以nLight Corporation出品的3C手性耦合芯光纖為例，中央芯33um，側芯3um，包層250um，1.8dB/m@920nm泵浦吸收率，可實現(xiàn)2mJ脈沖和300kW脈沖輸出，M2<1.15，系統(tǒng)運行4500小時。[15]

  圖12. 33um nLight 3C光纖和數值模擬模式損耗

  圖13. 以nLight 3C增益光纖獲得的光纖激光的光束質量

  3C光纖除了能夠實現(xiàn)穩(wěn)定的單模傳輸外，根據其特殊結構，我們預測該光纖還能夠抑制某些非線性效應。例如，利用中央纖芯基模與側芯模式選擇性耦合的特點，使基模某一偏振態(tài)耦合進側芯，這樣經反射回來的偏振態(tài)便與原偏振態(tài)相反，從而有效抑制受激布里淵散射(SBS);經過特殊結構設計的3C光纖，其透射譜具有一定范圍的波長抑制區(qū)域，將該抑制區(qū)與斯托克斯SRS增益譜的峰值區(qū)相重合，便能有效抑制SRS效應[16];同時改變波長抑制區(qū)的范圍，還能實現(xiàn)對摻鐿光纖激光器和放大器的波長選擇。3C光纖理論分析還表明其輸出光束攜帶有角動量，因此可以預見3C光纖能夠實現(xiàn)顆粒俘獲與操縱、量子通信、量子計算和多維量子空間中的信息編碼等新型應用[17]。

  總結及展望

  3C光纖的特點可總結為：

  無需彎曲損耗保持良好的基模和偏振態(tài)輸出;

  有效抑制脈沖功率放大過程中的非線性效應;

  可實現(xiàn)高能量、高峰值功率的脈沖輸出。

  基于以上的特性，脈沖光纖激光器的諸多光學指標可以得到極大的提升，進而滿足現(xiàn)如今科研與工業(yè)對品質光源提出的多方面要求。

  此外，3C光纖結構還可以控制非線性效應、實現(xiàn)量子通信等特殊功能。3C結構能夠實現(xiàn)的其他新型功能還有待我們的進一步研究，可以肯定的是，3C光纖無論在科學研究還是實際應用領域，都具有非常重要的意義及廣闊的發(fā)展前景!

  我們也特別期望能夠與此領域的專家學者探討相關技術，如您感興趣，請撥打：010-5234 9599，詳聊~

  參考文獻

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