高能量、高峰值功率光纖激光器件的新焦點

近兩(liang) 年，3C手性耦合芯光纖被越來越多的提及，頻繁地出現在各類期刊文章當中，成為(wei) 光纖激光器件家族中被重點關(guan) 注的對象。為(wei) 什麽(me) 與(yu) 雙包層、三包層光纖相比，3C光纖會(hui) 同樣備受關(guan) 注？是什麽(me) 樣的結構賦予之怎樣的光學特性？今天咱們(men) 就一起來認識和了解一下3C手性耦合芯光纖。

• 手性介質與(yu) 手性

手性(Chirality or Handedness)是一個(ge) 幾何概念，它是指物體(ti) 所具有的經由平移、旋轉等任何實的空間操作都無法與(yu) 其鏡像相重合的性質，這種性質與(yu) 物體(ti) 本身的對稱性缺失有關(guan) 係。可以形象而簡單的說，手性即是物體(ti) 可以用手來表征的性質，因此也被稱為(wei) 手征性。手性體(ti) 是具有手性的物體(ti) ，典型的代表是螺旋和扭結狀物體(ti) ，手性體(ti) 可以是三維的也可以是二維的。手性體(ti) 的尺度可大可小，它可以是宏觀物體(ti) 如星係、星雲(yun) 等，也可以是 DNA、氨基酸等微觀分子。圖 1-1 給出了兩(liang) 個(ge) 手性體(ti) 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(ti) 尺度與(yu) 所研究電磁波波長之間的大小關(guan) 係，待研究問題所涉及的手性被劃分為(wei) 介質手性與(yu) 結構手性。介質手性是指構成手性物質的手性體(ti) (如手性分子)的尺寸遠小於(yu) 電磁波波長，而二者可以相比擬的情況則稱為(wei) 結構手性。由介質手性體(ti) 構成或者填充的材料稱為(wei) 手性介質，由手性介質*或者部分地替代常規介質，可以構成手性、手性光纖、手性光子晶體(ti) 和手性光柵等新型器件。相應的，在與(yu) 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(ti) ，進而形成的器件就屬於(yu) 結構手性的範疇。典型的結構手性器件有手性光纖光柵[3,4]，平麵手性結構陣列等。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(wei) 介質手性光纖(可以是包層或者芯層為(wei) 手性介質，也可以是二者都為(wei) 手性介質)；圖2(b)為(wei) 手性光纖光柵(亦被稱為(wei) 結構手性光纖)，其纖芯是雙螺旋的；圖2(c)為(wei) 一種平麵手性結構陣列，其手性體(ti) 為(wei) 二維萬(wan) 字狀的微體(ti) ^[1]。

圖2介質手性光纖(a)、手性光纖光柵(b)和平麵手性結構陣列(c)

手性的概念，即包含手性介質的結構，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材料構成。該文中提到手性光不能獨立支持 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(yu) 傳(chuan) 統的光是不同的，因而引起了中外學者的廣泛關(guan) 注並且產(chan) 生了濃厚的興(xing) 趣，他們(men) 同時也研究了手性的理論問題^[4-5]。

二、手性光纖

近年來，光纖激光器及其相關(guan) 技術發展迅猛，輸出功率得到較大的提高，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(men) 的廣泛關(guan) 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(yan) 重，這限製了光纖激光器輸出功率的進一步提升。為(wei) 解決(jue) 該問題，通常采用大模場麵積(LMA)光纖或光子晶體(ti) 光纖(PCF)來實現激光器的高功率輸出。然而，前者會(hui) 導致高階模傳(chuan) 輸，隻有采用正確的激勵或彎曲盤繞等模式控製方法才能實現單模傳(chuan) 輸，且對於(yu) 纖芯直徑超過 25 μm 的 LMA 光纖來說，模式控製的方法很不穩定；後者雖然能實現單模輸出，但在彎曲時會(hui) 引起較大的模式損耗，不利於(yu) 係統的集成化^[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(chuan) 統單模光纖 V=2.405歸一化截止頻率的限製，在大纖芯尺寸(大於(yu)  30 μm )的情況下實現穩定的單模輸出，且無需任何模式控製技術。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於(yu) 複雜係統中，實現光纖激光係統的集成化。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(盤繞半徑小於(yu)  15 cm)的優(you) 點^[7]，與(yu) 采用標準光纖熔接與(yu) 處理技術製備出的光學元件相匹配。3C光纖為(wei) 實現高峰值功率與(yu) 高能量的光纖激光器係統提供了一種新的途徑，逐漸成為(wei) 國內(nei) 外研究人員關(guan) 注的熱點^[1]。

圖3. 3C光纖的製備

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(nei) 有兩(liang) 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，用於(yu) 信號光的傳(chuan) 輸；另一條是偏離中心軸、圍繞中央纖芯螺旋分布的側(ce) 芯，芯徑比中央纖芯小得多，隻有十幾微米，主要作用是控製中央纖芯的模式，將高階模耦合進側(ce) 芯並對其產(chan) 生高損耗(大於(yu)  100 dB/m)，使得中央纖芯中的基模可以極低損耗地傳(chuan) 輸(小於(yu)  0.1 dB/m)。3C光纖的主要參數包含兩(liang) 芯尺寸、側(ce) 芯偏移量 R 和螺旋周期 Λ ，合理的 R 和 Λ 值能使側(ce) 芯對中央纖芯的模式進行控製與(yu) 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穩定的單模傳(chuan) 輸，是因為(wei) 其側(ce) 芯特殊的螺旋結構。這種新型光纖中側(ce) 芯圍繞中央纖芯螺旋的複合結構可以實現以下三方麵功能。

1) 實現中央纖芯基模和側(ce) 芯中模式的相速度匹配，使兩(liang) 模式能夠進行耦合。通常兩(liang) 個(ge) 之間的模式耦合要滿足相速度匹配條件( β^（1）= β^（2）)[7]，但在 CCC 結構中，由於(yu) 螺旋因素的存在，兩(liang) 芯中模式的傳(chuan) 輸常數不再相等，會(hui) 導致額外的相位差，因此其匹配條件變為(wei) [8]β ^{side mode} + Δβ_helix = β^{(central mode)} , 式中 β^{(central mode)} 和 β ^{side mode} 分別為(wei) 中央纖芯和側(ce) 芯中模式的傳(chuan) 播常數，Δβ_helix = 2πn/λ[ -1]為(wei) 側(ce) 芯因螺旋產(chan) 生的額外相速度，可通過 R 和 Λ 來控製，從(cong) 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(ce) 芯之間有效的高階模式的對稱選擇性耦合。該QPM 條件為(wei) [9] ，

式中 為(wei) 主芯中  模的傳(chuan) 播常數， 為(wei) 主芯中  模的傳(chuan) 播常數 為(wei) 側(ce) 芯的螺旋修正因子，由於(yu)  QPM 條件要求側(ce) 芯傳(chuan) 輸常數為(wei) 投射到中心軸的值，因此對 作出修正；K= 2π/Λ ，表示側(ce) 芯螺旋率；Δm = Δl + Δs ，其中 Δl 由四種可能的組合構成 Δl = ±l₁ ± l₂ ，而 Δs 的可能取值為(wei) -2，-1，0，+1，+2。 該公式表明，兩(liang) 模式之間由於(yu) 螺旋因素所產(chan) 生的相位差被螺旋率 K 所彌補時，便可相互作用。隻有滿足該 QPM 條件的兩(liang) 芯中的模式才能發生耦合，使中央纖芯的高階模耦合進側(ce) 芯。

3) 合理選擇側(ce) 芯尺寸、偏移量 R 及螺旋周期 Λ ，實現側(ce) 芯中高階模式的高損耗特性。

通過滿足 QPM 條件和側(ce) 芯高損耗特性，可以將中央纖芯的高階模式耦合到側(ce) 芯從(cong) 而被損耗掉，隻留下基模穩定傳(chuan) 輸。而利用特性 1)，使中央纖芯基模與(yu) 側(ce) 芯模式發生部分耦合，可方便地控製基模的相速度與(yu) 色散特性^[1]。

三、手性光纖激光器的發展

Michigan 大學超快光學研究中心為(wei) 了驗證3C光纖的單模傳(chuan) 輸特性，他們(men) 以芯徑30 μm 的單模光纖(SMF)和中央纖芯芯徑 34 μm 的3C光纖做對比模擬，均用隻有 12.5%的光功率與(yu) 基模匹配的光源進行激勵，經過 20cm 左右距離的傳(chuan) 播，兩(liang) 根光纖都隻剩下 12.5%的功率，說明纖芯中隻剩下基模傳(chuan) 輸，其餘(yu) 模式均損耗掉^[9]。這一結果從(cong) 理論上證實了3C 光纖等效於(yu) 標準單模光纖，具有單模傳(chuan) 輸特性。為(wei) 了進一步驗證模擬結果，Liu 等^[8]根據相關(guan) 參數製備出中央纖芯芯徑 35 μm 、側(ce) 芯芯徑 12 μm 的3C光纖，這也是一根無源 3C光纖，同時參照模擬方法對其進行測試，得到該光纖在 1550 nm 處輸出光斑為(wei) 基模，光斑光束質量因子 M²=1.03，且該光纖的基模損耗為(wei)  0.095 dB/m，近乎無損耗地在纖芯中傳(chuan) 輸。這是世界上*證明3C光纖具有穩定單模傳(chuan) 輸特性的實驗，具有重大意義(yi) 。此外，實驗還發現該光纖具有很好的保偏特性，消光比達到了 34 dB。

2008 年，該實驗室製備出摻鐿雙包層3C光纖，其中，中央纖芯直徑為(wei)  33 μm ，數值孔徑(NA)為(wei)  0.06；側(ce) 芯直徑為(wei)  16 μm ，NA為(wei) 0.1；側(ce) 芯螺旋周期 Λ 為(wei)  7.4 mm，兩(liang) 芯邊到邊距離為(wei)  4 μm ^[6]。利用該有源光纖搭建激光器係統，得到了很好的實驗結果。實驗裝置采用法布裏-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，光纖寬鬆盤繞，不會(hui) 起到模式選擇作用。用 915 nm 激光二極管(LD)抽運有源光纖，在 1066 nm 處得到了 37 W激光輸出，斜率效率達 75%，激光閾值功率為(wei)  6 W，輸出光斑證實為(wei) 基模^[6]。該實驗進一步驗證了3C光纖的*性，說明該光纖可以像普通光纖一樣作為(wei) 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(you) 點，且輸出的光束質量相比 LMA 光纖得到了較大的改善^[1]。

圖5. 33um 3C光纖實驗及結果

在 2009 年以雙包層摻鐿3C光纖搭建放大係統來探究其放大特性^[10]。該實驗得到了 250 W 的連續功率輸出和150W輸出脈衝(chong)  10 ns，脈衝(chong) 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，係統輸出光斑均為(wei) 單模。

2010 年，該團隊將3C光纖應用於(yu) 主振蕩功率放大(MOPA)結構中來提升係統輸出功率^[11]。實驗以2.7 m 長空氣包層摻鐿 3C光纖為(wei) 功率放大器的增益介質，用 2.2 W 信號光激勵該光纖，實現了 511 W 的MOPA 結構功率輸出，放大器斜率效率為(wei)  70%，同時觀測到輸出光束為(wei) 單頻單橫模的線偏振光，具有大於(yu)  15 dB 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光纖實現了257W，200kHz，8.5ns，1.2mJ脈衝(chong) ；86.5uJ，575kW峰值功率脈衝(chong) ，以及利用55um 3C光纖實現了41W，8.3mJ，640kW的高能量脈衝(chong) 輸出。

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

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

圖8. 55um 3C光纖實現了41W，8.3mJ，640kW的高能量脈衝(chong) 輸出

2013 年，立陶宛物理科學與(yu) 技術中心的 Želudevicius^[13]通過搭建飛秒光纖啁啾脈衝(chong) 放大(CPA)係統來提升輸出功率，該係統中的功率放大裝置采用3C光纖為(wei) 增益介質。實驗得到了 50 μJ 的脈衝(chong) 能量，400 fs 的脈衝(chong) ，輸出光斑為(wei) 近似衍射極限，光束質量因子1.1。

圖9. 3C光纖實現飛秒脈衝(chong) 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(liang) 級2.5m和3m的3C光纖放大，獲得了121.2W，單脈衝(chong) 能量12mJ，峰值功率50kW，M²<1.2脈衝(chong) 輸出。

圖10. 級聯3C光纖輸出高功率、高能量脈衝(chong)

2019年，Sven Hochheim等人用nLight的Yb700-34/250的3C光纖，製作了用於(yu) 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(wei) 例，中央芯33um，側(ce) 芯3um，包層250um，1.8dB/m@920nm泵浦吸收率，可實現2mJ脈衝(chong) 和300kW脈衝(chong) 輸出，M2<1.15，係統運行4500小時。^[15]

圖12. 33um nLight3C光纖和數值模擬模式損耗

圖13. 以nLight3C增益光纖獲得的光纖激光的光束質量

3C光纖除了能夠實現穩定的單模傳(chuan) 輸外，根據其特殊結構，我們(men) 預測該光纖還能夠抑製某些非線性效應。例如，利用中央纖芯基模與(yu) 側(ce) 芯模式選擇性耦合的特點，使基模某一偏振態耦合進側(ce) 芯，這樣經反射回來的偏振態便與(yu) 原偏振態相反，從(cong) 而有效抑製受激布裏淵散射(SBS)；經過特殊結構設計的 CCC 光纖，其透射譜具有一定範圍的波長抑製區域，將該抑製區與(yu) 斯托克斯 SRS 增益譜的峰值區相重合，便能有效抑製SRS 效應^[16]；同時改變波長抑製區的範圍，還能實現對摻鐿光纖激光器和放大器的波長選擇。CCC 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 CCC 光纖能夠實現顆粒俘獲與(yu) 操縱、通信、計算和多維空間中的信息編碼等新型應用^[17]。

四、總結及展望

總之，3C光纖的特點可總結為(wei) ：

無需彎曲損耗保持良好的基模和偏振態輸出；

有效抑製脈衝(chong) 功率放大過程中的非線性效應；

可實現高能量、高峰值功率的脈衝(chong) 輸出。

基於(yu) 以上的特性，脈衝(chong) 光纖激光器的諸多光學指標可以得到較大的提升，進而滿足現如今科研與(yu) 工業(ye) 對品質光源提出的多方麵要求。此外，3C光纖結構還可以控製非線性效應、實現通信等特殊功能。3C結構能夠實現的其他新型功能還有待我們(men) 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(yi) 及廣闊的發展前景。

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