高功率能量飛秒激光中多芯光纖熱效應(yīng)對合成效果的影響

作者：Huaray 更新時間：2024-03-26 點擊數(shù)：

相干合成技術(shù)能夠克服光纖激光器中峰值功率和平均功率的限制，隨著通道數(shù)量的增加，相干合成的成本與空間也會急劇上升，比如N個獨立放大器的合成需要N倍的空間、元件和成本。基于多芯光纖（MCF）的相干合成技術(shù)有望突破該瓶頸，然而當功率增加時多芯光纖中會形成沿直徑方向的溫度梯度，從而導(dǎo)致多芯光纖纖芯非均勻模場收縮，因此深入理解多芯光纖中熱效應(yīng)對合成效果的影響成為亟待研究的問題 。德國耶拿Limpert教授課題組最近針對該問題進行了詳盡的理論研究。

圖1：1 m長的摻鐿 MCF 中的有效模式面積和強度分布

圖1左圖顯示了纖芯直徑 80 μm 、3 × 3 多芯光纖有效模場面積隨光纖長度的演化。功率隨著光纖長度而增加，導(dǎo)致光纖末端熱負載更高，從而加劇模場的不均勻收縮，因此每個纖芯的模場面積都在逐漸縮小。右圖顯示的光纖末端的強度分布表明不同纖芯之間存在很大差異，非均勻模場收縮不僅會降低系統(tǒng)的合成效率，還會影響放大效率和非線性。

圖2：MCF中同向泵浦的熱負載

作者提出采用同向泵浦能夠降低光纖末端的熱負載，從而減輕多芯光纖的非均勻模場收縮。因為同向泵浦的主要放大部分靠近泵浦輸入端的地方，所以可以有效降低光纖末端的熱負載。圖2展示了同向泵浦時光纖內(nèi)的熱分布，主要的熱負載出現(xiàn)在光纖前部，光纖末端熱負載較低。

圖3：纖芯 80 μm、3 × 3 MCF 在同向泵浦時的有效模場面積的演變

圖3展示了在同向泵浦條件下有效模場面積沿著光纖的變化，可見模場面積減少發(fā)生在增益光纖前半段，而且縮小比例比反向泵浦小的多；在光纖末端，幾個纖芯的有效模場面積基本一樣。然而同向泵浦積累的非線性更高，盡管可以提高合成效率和輸出功率，但是單脈沖能量卻更低，

圖4：用于反向泵浦的MCF的新設(shè)計

為了解決同向泵浦輸出單脈沖能量較低的問題，該課題組提出如圖4所示的棒狀光纖結(jié)構(gòu)。去除棒狀光纖末端的空氣包層后，即使在反向泵浦情況下，光纖末端泵浦強度依舊較低，從而降低光纖末端的熱負載。從圖上可見，熱負載最大的部分出現(xiàn)在空氣包層斷開之處，而光纖末端熱負載大大降低。

圖5：3 × 3 MCF有效模場面積隨光纖長度的變化，此時為1 kW反向泵浦

有效模場面積在新型結(jié)構(gòu)中的演化情況如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)，在有空氣包層的部分，模場面積和光束質(zhì)量與之前的反向泵浦情況基本一致，如圖5（c）。但是在沒有空氣包層的部分，熱負載快速降低，有效模場面積快速增加，有效模場面積基本沒有區(qū)別，輸出光斑質(zhì)量大大升高，如圖5（d）所示。