摘要 纤芯激光功率密度过高,易引起非线性效应,导致激光损伤,限制光纤激光器输出功率的提高,采用多芯光纤是解决这一问题的有效方案之一.同相位超模的选择和多芯光纤的制作是影响多芯光纤激光器发展的主要因素,因此实现同相位超模运转的大模场面积多芯光纤研究成为近年来国内外研究人员关注的热点.详细介绍了当前多芯光纤选模及制造技术的研究进展,通过对比几种技术方案的可行性,展望了高功率多芯光纤激光器单模运转的发展前景.

关键词 光纤光学;光纤激光器;多芯光纤;超模选择

１ 引 言

      光纤激光器因其高光束质量、高斜率效率、良好的散热性能和易于集成等优点得到迅速发展,广泛应用于光通信、生物医疗、工业加工和国防应用[１Ｇ６]等领域,成为激光行业的发展潮流.近年来,随着激光技术的迅猛发展,激光输出功率得到了很大提高,已达到万瓦量级平均功率[７]和兆瓦量级峰值功率[８],但是高功率激光的输出会导致光纤功率密度过高,易引起严重的非线性效应并产生光纤损伤.１９９６年,Scifres [９]提出的多芯光纤(MCF)可以很好地解决上述问题.多芯光纤在同一个包层下可以同时具有多个纤芯,所以使用多芯光纤能达到非常大的有效模场面积,提高非线性阈值,利于散热,从而提高输出功率.

      由于多芯光纤独到的优势特点,近年来已经有大量多芯光纤激光器的报道.本文从多芯光纤选模特性的角度出发,综述了多芯光纤激光器的发展现状,介绍了目前多芯光纤可实现的制备工艺问题,为高功率激光器的发展提供了新的有效途径.

      多芯光纤由于芯间的强耦合作用会产生超模,不同的纤芯大小及芯间距离都会产生不同类型的超模. N 个纤芯具有N 类超模,但只有同相位超模具有衍射极限特性,所以如何选出同相位超模来实现高功率单模运转是一个很关键的问题。

２．１ 泰伯(Talbot)腔选模法

      １８３６年,Talbot [１０]发现当一束相干光束照射周期性排列的物体时,在传输方向上存在周期性自映像,这种现象被称为 Talbot效应.２０００年,Wrage等[１１]用数值孔径为０．１６、纤芯直径为８μm、包层厚度为１３１μm 的１８芯环形掺钕光纤尾端搭建了 Talbot腔,如图１所示,通过移动后腔镜的位置选择不同的超模,实现了１０６０nm 波段的相位稳定输出,其中ZM 为泰伯距离.２００１年,该团队在 Talbot腔的基础上用微结构反射镜代替普通的平面反射镜,获得斜率效率为１６％的５．５W 激光输出,使超模的选择效率得到进一步提高[１２]. ２００２年,该团队用数值孔径为０．１６、长为１．４５mm 的环形波导光纤替代 Talbot腔,３０ W 的抽运功率最高可得到６ W 的激光输出[１３].２０１４年,Chen等[１４]分析了 Talbot模式的竞争机制,得出了７芯和１９芯多芯光纤的最佳 Talbot距离,研究了不同芯子大小和纤芯距离对输出光束质量的影响,为实验的深入研究提供了理论方法.

２．２ 非线性选模法

        ２００１年,Cheo等[１５]用长为１５m、纤芯直径为７μm、芯距为１０．５μm、数值孔径为０．０８５的六角形等距式７芯光纤搭建激光系统,发现当抽运光功率超过一定阈值时,同相位超模出现,而其他相位模式被抑制,且测得激光斜率效率为６５．２％.２００３年,Bochove等[１６]从理论上分析了这种非线性效应存在的原因,发现掺镱光纤在抽运光波长为９１５nm 的条件下,当抽运强度变化时,掺镱纤芯的非线性折射率也会发生改变,导致光纤内部发生非线性光学效应,从而选出同相位超模,并且测试得到输出光束质量因子M２为１．５.

２．３ 主振荡光纤放大(MOFA)选模法

      ２００４年,PC公司 Huo等[１７]用Q 调制光纤激光器产生的M２ 接近１的激光作为种子源,对 Nufern公司制造的长为５．８m 的１９芯光纤进行放大,光纤截面如图２(a)、(b)所示,图２(c)为系统结构,其中 AOQS为声光调Q,M 为反射镜,P 为功率,SM 为单模.实验得到 M２ 为１．５的近衍射极限的脉冲输出,重复频率为５kHz处的增益放大为２０dB,输出脉冲能量为０．６５mJ,平均功率为３．５W,没有发生受激布里渊散射现象. ２００９年,Shalaby等[１８]用单模反馈光纤与长为７５cm、纤芯直径为６．３μm、芯距为９μm 的７芯光纤搭建了一个反馈腔系统,获得３dB带宽为０．１３nm.２０１０年,该团队又以一段长为３m、纤芯直径为７μm、芯距为１０．５μm 的１９芯光纤为增益介质,搭建了反馈腔系统,在抽运功率为１７．５ W 时获得最大功率为２．３ W 的激光输出,且 M２ 达到１．２１ [１９].２０１１年,该团队为探究同相位超模的干涉场分布,将种子源分束输出为相同比例的两束种子光,一束光耦合进入长度为６５cm 的７芯光纤中,另一束光耦合进入长度为３５cm 的相同光纤中,实验装置如图３所示[２０],其中ISO 为光隔离器,SMFF为单模反馈光纤,YDFA 为掺镱光纤放大器,PC 为偏振控制器,IS为成像系统,OC为输出耦合器,L为透镜,d 和D 分别表示两 MCF中心距离和其输出光束中心距离,P为偏光器.调整种子光输入到高斯光束束腰位置,使光束经过多芯光纤后同相位超模占最大的比例,束腰半径为１２μm 时同相位超模占９７％,最后得到的远场干涉图与模拟干涉图基本一致.同年, Kochanowicz等[２１]将纤芯直径为１１μm、芯距为１８μm,归一化频率为１．７的１９芯掺镱光纤作为放大光纤, 以 Nufern公司制造的纤芯直径为２０μm,包层直径为４００μm 的掺镱光纤作为种子源,并用同向抽运的方式进行抽运光输入,最终得到 BQF(另一种光束质量因子测量方法)为０．９１的激光输出.２０１４年,Otto等[２２] 设计了一字型排列的４芯光纤,以此来研究多芯光纤模式的不稳定(MIs)问题.研究结果发现,单芯时输出功率为１４７ W 时模式输出不稳定;４芯时,输出功率为５３６ W 时,MIs与纤芯数成一定比例.

２．４ 自傅里叶腔选模法

        ２００５年,Corcoran等[２３]用７根独立输出的光纤激光构成自傅里叶腔,得到稳定的相位锁模激光,输出光束的远场边缘可见度达到０．８７,激光耦合率为０．７３,最大输出功率达到０．４ W.２００７年,Bochove等[２４]对自傅里叶腔进行了理论和实验验证,发现通过设置搭建的自傅里叶腔参数,可以改变每种超模所占的比例, 而且得到的基模增益比高阶模增益高３０dB,验证了该选模方式的有效性.

 ２．５ 光纤结构选模法

      ２００５年,Cooper等[２５]设计了一种带状结构１０芯光纤,如图４(a)所示,掺镱纤芯x 方向大小为２０μm, y 方向为２３μm,用９７６nm 激光二级管进行抽运,长度为２．１m 的光纤最大输出功率可达到３２０W,单个芯在x 方向上获得的M２ 为１．８,y 方向M２ 为２．３,斜率效率为６２％.２００７年,Zhu等[２６]报道了一种具有双折射且输出同相位超模的相位锁模多芯光纤激光器,该多芯光纤由１２芯矩形排列纤芯组成,光纤端面如图４ (b)所示,纤芯直径为８．５μm、芯距为８μm,最大输出功率为２．６ W,斜率效率达到１０％,在７４４MHz输出脉冲两边有对称的６２４MHz和８６４ MHz脉冲,测出双折射率系数 Δγ 约为４×１０－６ μm－１.２００９年,Vogel 等[２７]报道了一种大模场单模运转多芯光纤,该光纤纤芯直径为２μm、芯距为５．５μm、数值孔径为０．１０８,是包层直径为２５０μm 的１９芯光纤,有效模场面积为４６５μm２,测得x 方向和y 方向的M２ 都为１．０２.２０１１年, Wang等[２８]设计了一种可以直接得到同相位超模的多芯光纤结构,如图４(c)所示,其中ds 为椭圆芯短轴长度,dL 为椭圆芯轴长度,２d 为有源芯直径,２b 为无源芯直径,rclad为包层半径,Λ１ 为有源芯芯间距,Λz 为有源芯与无源芯芯间距,利用对称的两个无源芯中的椭圆空气孔产生双折射,对多芯光纤产生的超模进行选择,可以得到 M２ 接近于１的x 方向偏振的同相位超模输出.２０１３年,Prudenzano等[２９]设计了纤芯直径为２μm 的１９芯单模光纤,数值孔径为０．０４、有效模场面积为７０３μm２、腔长为１５m 时得到斜率效率为８１％、输出 M２ 为１．０５、最高输出亮度为３２GW??cm２??sr的激光.

２．６ 光波导选模法

       ２００６年,Yuan等[３０]将单芯单模光纤与多芯单模光纤熔接后拉锥,拉锥长度为 １８ mm,锥腰直径为５μm,纤芯直径从３．７μm 减小至０．１５μm,拉锥前后多芯光纤的输出功率由０．０４ W 上升至０．４８ W,增大了１１倍.同年,Li等[３１]报道了一种全光纤选模结构,如图５所示,在长为１０cm 的１９芯光纤两端分别熔接１．７mm、０．５mm 的无源光纤,得到功率为６ W、近衍射极限远场发散角为０．０４rad的激光输出,在光谱峰值５０％处的输出光谱为３dB,线宽为０．２nm.２００７年,该团队对３７芯多芯光纤进行同样的实验,发现在熔接同样长度的无源光纤时也可得到近衍射极限的光场[３２].同年,该团队通过优化实验结构获得斜率效率为１４％、最高输出功率达１１ W的实验结果[３３].２００８年,Wang等[３４]设计了一种单模微结构光纤,由两种不同尺寸的空气孔构成,通过改变空气孔的尺寸和间距,可以选出掺镱多芯光纤中的同相位超模,通过模拟获得在抽运光功率为６００ W 的条件下功率为４６０ W 的激光输出,其中同相位超模的比例占９５．６％.２０１１年, Zhang等[３５]用圆环３芯、６芯、同心４芯、７芯分布的多芯光纤探究不同多芯光纤与单模光纤的 Talbot距离 (即可以选出同相位超模的光纤出射端面与反射面的距离)的同相位超模选择问题,发现与 Talbot选模法相比,单模光纤选模法能更好地选出同相位超模.

２．７ 光器件选模法

       ２００６年,Kurkov等[３６]用纤芯直径为５０μm 的多模光纤,波长为１０５４nm 的布拉格光栅作为反射镜来构建光纤激光器,增益纤芯是用研磨法制成的直径为６μm、纤芯距为２８μm 的４芯光纤,得到斜率效率为５５％的激光输出.２００８年,Kurkov等[３７]在之前实验的基础上通过在多模光纤和多芯光纤之间涂胶的方式发现光栅对４个芯子的模式皆可调制,在长度为１０cm、弯曲半径为５m 的光纤中发现有很明显的弯曲选模效应,７０％的功率从一个芯传输到另一个芯.２０１０年,Paurisse等[３８]用数字全息波前技术控制１９芯掺镱光纤放大器,对重复频率为４０kHz、波长为１０６４nm、脉宽为８００ps的激光进行放大,获得２３dB 的增益. ２０１１年,Schulze等[３９]用计算全息技术将纤芯直径为２μm、芯距为５．５μm 的１９芯无源多芯光纤产生的超模模式进行分解,当抽运光波长为６３３nm 时分解出１０个模式,波长为１０６４nm 时可探测到３个模式,其中一个模式占９０％以上功率,即为单模传输.同年,Zhang等[４０]将两个双色片置于多芯光纤两端构成光学谐振腔,如图６所示,其中 OL为物镜,前双色片为高反射率(HR)(适用光波长为１０４５~１０６５nm)和高透射率 (适用光波长为８０８nm)材质,后双色片为部分反射(适用光波长为１０５５nm)材质,纤芯采用掺钕磷酸盐作为增益介质,３芯光纤在长度为８．５cm、发射波长为１０５５nm 时实现稳定的相位锁模,最大输出功率达到２０mW.２０１４年,Jollivet等[４１]用一个可被温度调节的标准光纤布拉格光栅与长度为０．９m 的７芯光纤进行熔接,得到两个波长的激光输出,通过计算全息技术将这两个波长模式进行分解,发现这两个波长对同相位超模的贡献基本一致.之后,该团队又在该结构多芯光纤尾端熔接另一个标准光纤布拉格光栅,实验装置如图７所示,其中 MMLD为多模激光二极管,MMF为多模光纤,PC为抽运合束器,SMF为单模光纤,LR为低反射率,FBG为光纤布拉格光栅,其传输的同相位超模SM１和SM６发生周期性超模干涉,超模干涉周期为１．１nm,输出的激光波长为１０３１．２８nm,脉宽为５２ps [４２].２０１４年,Jollivet等[４３]用纤芯直径为５．９μm、芯距为９．３μm,长度为０．９m 的７芯光纤搭建相同激光器平台,对多芯光纤施加压力和弯曲光纤,发现这两种方法都会造成模式的重新分布.

       目前多芯光纤制作技术主要有研磨法[４４]、打孔Ｇ套管法[４５]、拉Ｇ排Ｇ拉堆叠法等.研磨法主要是对已有的光纤预制棒包层进行研磨,然后将多个研磨好的预制棒拼接起来进行拉丝.该方法比较适合４芯及２芯光纤预制棒的制作,不太适合其他芯特别是中心有芯的预制棒,且对研磨的精度要求比较高.打孔Ｇ套管法是用铸造或打孔的方法制作出芯子的卡槽,然后将稀土掺杂芯子填充进去,该方法费用较高且工艺精度要求高.拉Ｇ排Ｇ拉堆叠法是仿照光子晶体光纤的制作方法,应用比较广泛,先将芯包比(光纤纤芯直径与光纤包层直径的比值)大的光纤预制棒拉成较细的实心预制棒,然后将这些细棒按设计要求排列好,最后套管拉丝.

      以上制备方法的一个关键共同点在于都需要制作大芯包比的光纤预制棒,对此问题有相关的报道,主要是应用改进的化学气相沉积(MCVD)在线掺杂方法[４６]、粉末烧结压制法[４７]、多孔玻璃法[４８]和 MCVD 掺杂法[４９]制作大芯包比的光纤预制棒.其中后三者比较容易制作大芯径的掺杂芯子,但是粉末烧结压制法对设备要求比较高,用多孔玻璃法制作的光纤背景损耗比较大,而 MCVD 掺杂法制作的预制棒前后均匀性有待提高.MCVD在线掺杂法虽然不能制作直径较大的芯棒,但是该方法具有均匀性好且简单易行的优点.多芯光纤制备前的仿真以及制备后与普通光纤的熔接也是一个需要考虑的问题[５０Ｇ５１].

      对比以上几种选模方法可以看出,Talbot选模法、非线性选模法提出较早,但是对腔的控制精度要求较高,难以单模输出.自傅里叶腔选模法虽然可以改变各超模所占比例,但不能获得高质量光束.光器件选模法由于在光纤上熔接各种光栅、双色片等光器件,可以选出超模中的强势模,但是也不能从根本上选出同相位超模.MOFA 种子放大法可以得到高质量光束输出且输出模式稳定,但是其空间结构不利于未来高功率激光器的集成与应用.光波导选模法易于选出同相位超模且耦合效率及输出光束质量可达到比较高的程度,选择的方式也比较多,譬如单模光纤、白光纤和微结构光纤等,唯一的不足之处是其最佳长度不易确定. 光纤结构选模法需要复杂的光纤制备过程,但是由于其良好的模式选择特性,可以得到近衍射极限的光场输出,是目前发展多芯光纤激光器最具前景的方法之一.此外,通过研究多芯光纤中的模式增益和损耗机制, 将各种选模方式有效结合起来,同时提升多芯光纤制备工艺,相信能有更好的实验效果,为高功率多芯光纤激光器的发展提供新的有效途径.