用于光纤激光放大的全固态反谐振光纤结构

近年来，光纤激光以优良的光束质量、紧凑的结构系统以及易于维护的特性成为现今吸引力和发展潜力的激光技术。随着光纤激光器的不断发展，高达万瓦平均功率、数十吉瓦峰值功率的光纤激光逐步实现。进一步提升激光输出功率因非线性以及模式不稳等问题变得十分困难。采用大模场面积的有源光纤降低纤芯功率密度，同时保持光纤单模传输仍是提高光纤激光输出功率的策略之一。目前，空芯光子晶体光纤类型之一的空芯反谐振光纤因其超低的传输损耗，宽传输光谱范围和高的模式纯度成为光纤领域的一大研究热点。北京工业大学设计了一款用于高功率光纤激光放大的全固态反谐振光纤结构。它利用反谐振反射原理低损耗传输信号光，利用谐振耦合效应滤除纤芯中的高阶模。在预制棒制作过程中，由于稀土离子掺杂浓度难以精确调控，导致纤芯折射率将出现一定程度的浮动。因此，团队分析了纤芯增益区折射率变化对于光纤模式特性的影响。仿真结果表明全固态反谐振光纤结构对纤芯折射率变化有着良好的包容性。该结构设计可实现纤芯从 40 - 100 μm，纤芯折射率从1.4499 - 1.45区间内，基模损耗低于 1 db/m，高阶模损耗高于 10 db/m，且高阶模抑制比高于 20 db 的优良模式特性，其中当光纤纤芯直径为 100 μm时，光纤模场面积超过 5000 μm2。研究成果发表在high power laser science and engineering2021 年第 2 期。设计的全固态反谐振光纤结构以及折射率分布如图 1 所示，包括掺杂稀土离子的有源纤芯、由一圈围绕纤芯的圆环形毛细管组成的高折射率反谐振层以及除上述两部分之外的背景石英区域。当纤芯中的基模向包层泄漏时，如其波长满足反谐振反射条件，则将被反谐振层反射回纤芯，实现低损耗导光。团队通过设计有源纤芯与毛细管的大小与比例，实现纤芯高阶模与毛细管包围的石英部分所传导的基模的相位匹配，产生谐振耦合效应，从而实现对高阶模的滤除。团队阐明了谐振耦合效应的工作原理与实现谐振耦合效应所需纤芯与毛细管比例的推导公式，通过这一效应能将设计光纤结构的高阶模抑制比提升超过 10 db。

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