基于多芯光纤的激光系统系统设计及相关技术

图3实验装置图(左图)和输出光斑(右图);同相模式远场强度的计算结果(a)和实验结果(b);异相模式远场强度的计算结果(c);高反镜与光纤端面距离小于1 mm时的输出光斑 [1]

作者模拟各个超模式在高反镜与光纤端面处于不同间距的耦合效率,结果如图4所示。当光纤和高反镜距离小于0.3 mm时,光束发散较小,耦合系数都较高,大部分超模式都能将大部分能量耦合回光纤;当距离大于0.7 mm时,因为同相模式的衍射角最小,其耦合系数显著高于其他模式。

基于多芯光纤的激光系统系统设计及相关技术

图4不同模式的强度耦合系数随高反镜距离的关系 [1]

基于多芯光纤的同相模放大可以在一定程度上提高光纤放大器的输出功率,然而,当功率到达一定值时,超模变得不稳定,仍无法突破自聚焦带来的输出功率限制。已经有研究指出,在非线性过程中,异相超模式比同相超模式稳定得多,可以将脉冲峰值功率提升至超过自聚焦阈值的强度;但异相超模式的相位分布并不平坦,需要对种子脉冲进行调制才能在多芯光纤中激发。

2020年,Alexey V. Andrianov等人首次实现了异相模式在耦合多芯光纤放大器中的选择激发。研究者利用液晶空间光调制器将种子源输出的高斯光束进行转化,用参考光干涉法测量各超模式在输出光中占据的比例,经过优化成功实现了大于80%的耦合效率。实验装置如图5所示,中心波长1030 nm的种子脉冲被分成两部分,一部分作为信号光经过空间光调制器整形后进入多芯光纤,另一部分经过扩束器作为参考光,利用分束器将两束光耦合入CCD中。参考光用于测量超模式的相位,关闭参考光时,CCD测量超模强度分布。由于各超模式的群速度不同,对参考光施加不同的延迟线就能在不知道超模式具体分布的情况下测量各个模式。

基于多芯光纤的激光系统系统设计及相关技术

图5异相模式放大器实验装置图 [2]

研究者首先在无泵浦的情况下测量了优化前各个超模的比例,结果如图6所示,在未优化的情况下,异相模式占比仅为70%,而利用算法补偿了非理想的器件引入的相位扭曲后,可以将异相模式占比提高到90%。实验中只有当参考臂增加260fs的时间延迟时才出现另一个超模式的干涉图样,略大于种子脉冲的变换极限脉宽(220fs),说明各个超模式之间相距较远,没有连续的能量转移。