文/LFW         

随着市场对高功率光纤激光器的兴趣越来越浓、其应用越来越广，进一步提升光纤激光器功率的驱使，已经激发了许多将大模场（LMA）光纤用作增益光纤的研究。在LMA光纤中，纤芯的物理尺寸足够大以支持多种模式，但光纤的物理特性被设计成抑制高阶模式。因此，所需的激光基横模可以分布在大的横截面上，从而降低对光纤的潜在的与光相关的损伤（以及光学非线性）。

制造实用型LMA光纤的努力，通常集中在使用阶跃折射率或微结构设计。实现单模工作的一个例子是：在增益导引和折射率反导引（GG + IAG）光纤中，通过阶跃折射率设计中的模式选择性衰减来实现。但是，这种光纤具有固有的泄漏损耗，降低了激光效率。

 最近，韩国朝鲜大学光电子工程系的Hyun Su Kim和新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院的Seongwoo Yoo两位研究人员，已经采用不同的方法，通过改变常规阶跃折射率的GG + IAG光纤设计，使其具有渐变折射率纤芯；该变化降低了泄漏损耗，同时保持了GG + IAG设计的高阶模式抑制（由于其凸起折射率的包层）。没有GG + IAG设计的渐变折射率纤芯光纤自身，在放大下不能维持单模输出（见图1）。

图1：在没有（a）和有（b）激光增益的情况下，对通过传统渐变折射率纤芯光纤传播的高斯光束的模拟显示高阶模（HOM）出现。然而，如果渐变折射率纤芯在增益引导和折射率反导引（GG + IAG）光纤设计中（图中未给出），则即使在放大下也能保持基模传播。

折射率凹陷的渐变折射率纤芯

“我们研究了一种可以固有抑制高阶模（HOM）的替代LMA设计，从而提升了横模不稳定性的阈值。”Yoo解释说，“曾经提出了一种增益导引机制的反波导结构，作为选择性提高基模功率的新途径。然而，人们已经认识到，这种类型结构的光学增益不仅要求放大，而且要克服反导引损耗，这是很难做到的。”

在新的理论设计中克服了此基本限制，其中凹陷的渐变折射率大大降低了基模的反导引损耗，而凸起的包层折射率同时提供了抑制HOM的机制。Yoo补充说：“该设计通过固有的HOM抑制实现高斯光束输出的功率提升。”

两位研究人员模拟了阶跃折射率GG + IAG光纤和新光纤设计（无增益）的泄漏损耗，芯径分别为50μm和100μm；结果发现与阶跃折射率纤芯相比，采用梯度折射率纤芯的新设计，将泄漏损耗降低了超过1000倍。他们还发现，虽然阶跃折射率GG + IAG的泄漏损耗与光束半径的大小无关，但对于新设计则存在相关性。因此他们确定，例如对于25μm纤芯半径的最佳光束尺寸，泄漏损耗<0.003/cm，这比GG + IAG光纤的泄漏损耗再小三个数量级。

对没有颠倒折射率的纯渐变折射率光纤进行的模拟表明，在放大情况下，光束不能保持高斯分布，并且实际上可能通过光束畸变和自聚焦损伤纤芯。

Yoo指出：“我们注意到，模拟建议了实际的工作范围，我们的下一个目标是在实验室中展示此概念。这将包括制造凹陷的渐变折射率掺镱（Yb）纤芯、验证高斯模放大，以及在光纤弯曲下的性能。尽管弯曲畸变，例如压缩模场和模式分布的偏移，看起来在渐变折射率分布图上并不显著（在模拟中也得到支持），但实验演示在确认各种放大器配置的稳健性和适应性方面，将更有说服力。”

参考文献：

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