热光效应对多芯光纤放大及合成的影响

由于光纤本身的特性,单根光纤输出飞秒脉冲的平均功率与单脉冲能量受到诸如自聚焦效应、横模不稳定性(TMI)、非线性效应过强等限制,时间与空间上的相干合成技术是突破光纤激光器平均功率与脉冲能量的有效手段。随着输出功率的不断提高,空间相干合成装置所占用空间、所包括的元件数量以及系统复杂度都会急剧增加。为了克服该问题,德国耶拿Limpert课题组使用多芯光纤(MCF)合成光束。在取得一定实验结果的基础上,该课题组在2020年进一步分析了多芯光纤合成过程中热光效应对放大以及合成效率的影响。

由于光纤的细长结构,一般增益光纤中的热量会沿着径向向外层逐渐降低。图1(左)是一个5×5MCF横截面的模拟温度曲线,从中可以看出,温度在光纤中心达到最大值,沿径向方向形成温度梯度,所产生的热致折射率分布会导致模场面积减小与模式变形。如图1(右)所示,模场面积收缩并向着光纤中心移动。

图1 热负载下5×5增益MCF中的温度曲线(左)和相应的横向强度曲线(右)[1]

该课题组还发现,当光纤温度超过500°C时,掺镱光纤的光学特性比如吸收和发射截面等将发生剧烈变化。所以MCF的模拟实验中也将500°C作为MCF可以安全工作的温度上限。另一个必须考虑的是在高功率下出现的横向模式不稳定性(TMI)。先前的单芯和多芯光纤实验表明,约1m长光纤的TMI阈值可以估计为300 W/芯。从图2可以看出,最高温度几乎与每个纤芯的提取功率呈线性关系;固定每个纤芯的提取功率,温度也会随着纤芯数量的增加(2×2到10×10)而升高。大多数情况下,当每个纤芯提取的功率达到300W时,光纤系统稳定运行状态受到TMI阈值的限制。

图2 不同功率下掺Yb MCF的温度范围。绿色、红色和黄色区域分别代表稳定运行、热限制和TMI开始的状态[1]

然而,在少数情况下,尤其是对于纤芯直径较小和纤芯数量多的MCF,热极限阈值可以在TMI极限之前达到。与80μm纤芯相比,30μm纤芯的MCF在相同的提取功率下会达到更高的最高温度。因此,当使用30μm芯径的7×7、8×8、9×9和10×10MCF时,每个纤芯的平均输出功率仅为 220 W、200 W、170 W 和 150 W,而不是 300 W。

图3 合成效率与提取功率的关系[1]

从图3可以看出,在两种纤芯直径中,合成效率随着提取功率的增加而降低,这是由于非均匀模场收缩/畸变造成的。此外,对于较大的纤芯,合成效率的下降更严重,因为它们的传播模式对热引起的变化更敏感。此外,在每个纤芯提取功率相同的情况下,拥有更多纤芯也会导致合成效率降低,这是由于更多的纤芯在光纤中产生更多的总热量,这将导致光纤末端的模式失真更大。可以看出,对于30μm的6×6MCF在每个纤芯的提取功率为300W时,合成效率可达约93%,这对应于10 kW的总输出功率。将图3与图2相结合,可以看出,具有较小纤芯尺寸和多纤芯的MCF的平均功率主要受到温度的限制。

理论计算预测使用单根1米长的MCF可以输出总功率10kW,合成后单脉冲能量也有望获得400mJ。进一步提高合成的平均功率与脉冲能量需要减轻系统中热效应的影响,该工作向着紧凑型超短脉冲焦耳量级多芯光纤迈出了重要一步。

参考文献:

[1] Steinkopff, Albrecht, et al． "Impact of thermo-optical effects in coherently combined multicore fiber amplifiers．" Optics Express 28．25 (2020): 38093-38105．