文/LFW         

隨著市場(chǎng)對(duì)高功率光纖激光器的興趣越來(lái)越濃、其應(yīng)用越來(lái)越廣，進(jìn)一步提升光纖激光器功率的驅(qū)使，已經(jīng)激發(fā)了許多將大模場(chǎng)（LMA）光纖用作增益光纖的研究。在LMA光纖中，纖芯的物理尺寸足夠大以支持多種模式，但光纖的物理特性被設(shè)計(jì)成抑制高階模式。因此，所需的激光基橫�？梢苑植荚诖蟮臋M截面上，從而降低對(duì)光纖的潛在的與光相關(guān)的損傷（以及光學(xué)非線性）。

制造實(shí)用型LMA光纖的努力，通常集中在使用階躍折射率或微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)單模工作的一個(gè)例子是：在增益導(dǎo)引和折射率反導(dǎo)引（GG + IAG）光纖中，通過(guò)階躍折射率設(shè)計(jì)中的模式選擇性衰減來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，這種光纖具有固有的泄漏損耗，降低了激光效率。

 最近，韓國(guó)朝鮮大學(xué)光電子工程系的Hyun Su Kim和新加坡南洋理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的Seongwoo Yoo兩位研究人員，已經(jīng)采用不同的方法，通過(guò)改變常規(guī)階躍折射率的GG + IAG光纖設(shè)計(jì)，使其具有漸變折射率纖芯；該變化降低了泄漏損耗，同時(shí)保持了GG + IAG設(shè)計(jì)的高階模式抑制（由于其凸起折射率的包層）。沒(méi)有GG + IAG設(shè)計(jì)的漸變折射率纖芯光纖自身，在放大下不能維持單模輸出（見(jiàn)圖1）。

圖1：在沒(méi)有（a）和有（b）激光增益的情況下，對(duì)通過(guò)傳統(tǒng)漸變折射率纖芯光纖傳播的高斯光束的模擬顯示高階模（HOM）出現(xiàn)。然而，如果漸變折射率纖芯在增益引導(dǎo)和折射率反導(dǎo)引（GG + IAG）光纖設(shè)計(jì)中（圖中未給出），則即使在放大下也能保持基模傳播。

折射率凹陷的漸變折射率纖芯

“我們研究了一種可以固有抑制高階模（HOM）的替代LMA設(shè)計(jì)，從而提升了橫模不穩(wěn)定性的閾值。”Yoo解釋說(shuō)，“曾經(jīng)提出了一種增益導(dǎo)引機(jī)制的反波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，作為選擇性提高基模功率的新途徑。然而，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，這種類型結(jié)構(gòu)的光學(xué)增益不僅要求放大，而且要克服反導(dǎo)引損耗，這是很難做到的。”

在新的理論設(shè)計(jì)中克服了此基本限制，其中凹陷的漸變折射率大大降低了基模的反導(dǎo)引損耗，而凸起的包層折射率同時(shí)提供了抑制HOM的機(jī)制。Yoo補(bǔ)充說(shuō)：“該設(shè)計(jì)通過(guò)固有的HOM抑制實(shí)現(xiàn)高斯光束輸出的功率提升。”

兩位研究人員模擬了階躍折射率GG + IAG光纖和新光纖設(shè)計(jì)（無(wú)增益）的泄漏損耗，芯徑分別為50μm和100μm；結(jié)果發(fā)現(xiàn)與階躍折射率纖芯相比，采用梯度折射率纖芯的新設(shè)計(jì)，將泄漏損耗降低了超過(guò)1000倍。他們還發(fā)現(xiàn)，雖然階躍折射率GG + IAG的泄漏損耗與光束半徑的大小無(wú)關(guān)，但對(duì)于新設(shè)計(jì)則存在相關(guān)性。因此他們確定，例如對(duì)于25μm纖芯半徑的最佳光束尺寸，泄漏損耗<0.003/cm，這比GG + IAG光纖的泄漏損耗再小三個(gè)數(shù)量級(jí)。

對(duì)沒(méi)有顛倒折射率的純漸變折射率光纖進(jìn)行的模擬表明，在放大情況下，光束不能保持高斯分布，并且實(shí)際上可能通過(guò)光束畸變和自聚焦損傷纖芯。

Yoo指出：“我們注意到，模擬建議了實(shí)際的工作范圍，我們的下一個(gè)目標(biāo)是在實(shí)驗(yàn)室中展示此概念。這將包括制造凹陷的漸變折射率摻鐿（Yb）纖芯、驗(yàn)證高斯模放大，以及在光纖彎曲下的性能。盡管彎曲畸變，例如壓縮模場(chǎng)和模式分布的偏移，看起來(lái)在漸變折射率分布圖上并不顯著（在模擬中也得到支持），但實(shí)驗(yàn)演示在確認(rèn)各種放大器配置的穩(wěn)健性和適應(yīng)性方面，將更有說(shuō)服力。”

參考文獻(xiàn)：

1. H. S. Kim and S. Yoo, Opt. Express (2017); https://doi.org/10.1364/oe.25.021935.