超快光纤激光技术之三十九 基于多芯棒状光纤的相干合成

主要受横模不稳定（Transverse mode instability）的限制，目前单根大模场掺镱光纤输出的平均能量极限在kW量级；其峰值功率主要受自聚焦、展宽和压缩量以及能量抽运极限的限制，极限则在GW量级。进一步提升光纤激光器参数主要依靠相干合成技术(Coherent beam combination)，利用时空分脉冲和相干合成，可以获得10 kW左右的平均功率[1]和数十mJ的脉冲能量[2]。相干合成技术的主要问题在于系统的体积和复杂度随着合成路数的增加而线性提升，将合成路数提升几个数量级较为困难。解决这一问题的思路是将多路放大集成到单个器件中，也就是使用多芯光纤(multicore fiber)作为放大器，在一根光纤中实现多路放大。2018年，德国耶拿课题组采用4×4排列共计16路的柔性多芯光纤，在单个纤芯直径为19 μm、光纤总长度为5 m、盘绕直径为30 cm的情况下，获得了重复频率为20 MHz、平均功率为70 W、脉宽为40 ps的合成后输出，合成效率为80%[3]。2022年，耶拿课题组在上述实验的基础上，将柔性光纤更换为棒状光纤，获得了接近现有主流相干合成系统的功率和脉冲能量[4]。

整套系统的原理如图1所示，由掺镱光纤振荡器、啁啾光纤布拉格光栅展宽器、声光调制选单器和几级预放大器构成的前端输出平均功率为3 W、展宽至1 ns的种子光脉冲，经由两级正交排列的分段反射镜(segmented-mirror splitter)分为4×4排列的共计16路空间光束，光束间距4 mm，入射光束经偏振分束器进入相位调制器并原路返回，再进入多芯棒状光纤中进行主放大。相位调制部分由四分之一波片、玻璃片阵列、扩束镜组，透镜阵列和贴有反射镜的压电陶瓷阵列组成。四分之一波片用于改变光束偏振，使得脉冲在原路返回时透射偏振分束器；玻璃片阵列中的每块玻璃都具有不同的厚度，用于补偿每路放大的光程差；扩束镜用于将光束间距增加到9 mm，从而抑制光束发散；适配压电陶瓷阵列透镜阵列中的透镜焦距均为90 mm，可以补偿陶瓷前反射镜的倾斜。在偏振分束器和多芯光纤之间还存在两级波片阵列和4f成像系统，两级波片阵列分别由16块四分之一波片和二分之一波片组成，用来弥补放大过程中的非线性偏振旋转，4f系统用于将信号光阵列耦合到多芯光纤中。在多芯光纤的两侧分别有800 W和600 W的LD连续光泵浦源，中心波长锁定在976 nm，其中800 W泵浦源采用反向泵浦，满功率后再开启 600 W同向泵浦，对信号光进行进一步放大。由于放大后的剩余泵浦光进入对侧LD时会干扰其运行，故只有在斜效率高，泵浦光吸收充分时才可以同时打开两个泵浦源。

图1 系统示意图 [4]

【资料图】

实验中使用的多芯棒状光纤的单个纤芯直径为21 μm，包层直径为310 μm，外层直径为1 mm，光纤总长度为1.1 m，采用水冷散热，满功率开启两个泵浦源，在1400 W泵浦功率时可输出1000 W信号光，斜效率为70%。经放大后的信号光先经过一块薄膜偏振片滤除退偏光，再经过正交放置的两组分段反射镜进行相干合束，部分未合成光经光电探测器变为反馈信号提供给相位调制器。在16路光束中，左上角光束作为参考光束，在同一行的三个光束施加6 kHz的相位调制，其余12路则加有4 kHz调制信号，分别对应合成部分两组分段反射镜的漏出光，经由解调获得每路的相对相位信息。

图2 压缩与合成效率 [4]

图2主要展示了合成效率随压缩后脉冲功率的变化情况，蓝色和红色曲线分别代表重复频率在10 MHz和687 kHz时的合成效率，绿色曲线则为10 MHz下的压缩效率。重复频率为10 MHz时，压缩后的平均功率最高可达507 W，合成效率约85%，受回光影响，此时600 W泵浦并未满功率开启。687 kHz时的平均功率最高为412 W，单脉冲能量可达600 μJ，合成效率为83%，此时非线性偏振旋转现象较明显，可通过提升多芯光纤的保偏性能加以改善。

图3 光束质量 [1]

图3为10 MHz、507 W时的光束质量因子()，右下为压缩后光束的光强分布，左下则为合成时第一组分段反射镜的漏光光斑，压缩后的小于1.1×1.1，而合成前各路光束的在1.2到1.4之间，相干合成过程滤除了部分高阶模式，以合成效率降低为代价提升了光束质量。

图4 自相关曲线 [1]图4展示了不同重复频率下功率最高时的自相关曲线和光谱。在10 MHz、507 W条件下的脉冲宽度为400 fs，对应变换极限脉宽为375 fs；在687 kHz、412 W条件下的脉冲宽度为420 fs，对应变换极限脉宽为385 fs。不同重复频率下的脉冲宽度均接近变换极限，证明了脉冲压缩质量很高。在20 s内使用光电探测器得到的功率稳定性RMS为0.32%，噪声主要出现在450 kHz左右，由前端引入，主放大器本身具有较高的稳定性。总之，德国耶拿课题组采用多芯棒状光纤进行了16路空间相干合成，在10 MHz时获得了507 W的平均功率，在687 kHz时获得了最高600 μJ的脉冲能量，系统具有较高的时空稳定性，推动了相干合成系统的集成化。

参考文献：

[1] M. Müller, C. Aleshire, A. Klenke, E. Haddad, F. Légaré, A. Tünnermann, and J. Limpert, "10.4 kW coherently combined ultrafast fiber laser," Opt. Lett. 45(11), 3083-3084 (2020).

[2] H. Stark, M. Benner, J. Buldt, A. Klenke, and J. Limpert, "Pulses of 32 mJ and 158 fs at 20-kHz repetition rate from a spatiotemporally combined fiber laser system," Opt. Lett. 48(11), 3007-3010 (2023).

[3] A. Klenke, M. Müller, H. Stark, F. Stutzki, C. Hupel, T. Schreiber, A. Tünnermann, and J. Limpert, "Coherently combined 16-channel multicore fiber laser system," Opt. Lett. 43(7), 1519 (2018).

[4] A. Klenke, A. Steinkopff, C. Aleshire, C. Jauregui, S. Kuhn, J. Nold, C. Hupel, S. Hein, S. Schulze, N. Haarlammert, T. Schreiber, A. Tünnermann, and J. Limpert, "500 W rod-type 4 × 4 multicore ultrafast fiber laser," Opt. Lett. 47, 345-348 (2022).

原文标题:超快光纤激光技术之三十九 基于多芯棒状光纤的相干合成

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