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光纤设计

大模场渐变折射率光纤设计提升光纤激光器功率

文/LFW

随 着市场对高功率光纤激光 折射率凹陷的渐变折射率纤芯 倍。他们还发现，虽然阶跃折射率
器的兴趣越来越浓、其应
“我们研究了一种可以固有抑
GG + IAG 的泄漏损耗与光束半径的
用越来越广，进一步提升 制高阶模（HOM）的替代 LMA 设 大小无关，但对于新设计则存在相关
光纤激光器功率的驱使，已经激发了 计，从而提升了横模不稳定性的阈 性。因此他们确定，例如对于 25μm
许多将大模场（LMA）光纤用作增益 值。”Yoo 解释说，“曾经提出了一种 纤芯半径的最佳光束尺寸，泄漏损耗
光纤的研究。在 LMA 光纤中，纤芯 增益导引机制的反波导结构，作为选 <0.003/cm，这比 GG + IAG 光纤的泄
的物理尺寸足够大以支持多种模式， 择性提高基模功率的新途径。然而， 漏损耗再小三个数量级。
但光纤的物理特性被设计成抑制高阶 人们已经认识到，这种类型结构的光 对没有颠倒折射率的纯渐变折射
模式。因此，所需的激光基横模可以 学增益不仅要求放大，而且要克服反 率光纤进行的模拟表明，在放大情况
分布在大的横截面上，从而降低对光 a) Fiber longitudinal length b) Fiber longitudinal length
纤的潜在的与光相关的损伤（以及光 (mm) (mm)
300 300
学非线性）。 1.0 1.0
240 0.8 0.8 240
制造实用型 LMA 光纤的努力， 0.6 0.6
180 180
通常集中在使用阶跃折射率或微结构 0.4 0.4
120 0.2 0.2 120
设计。实现单模工作的一个例子是 ： 60 0.005 0.001 60
在增益导引和折射率反导引（GG + 0 Fiber transverse 0
0 20 40 60 80 100 position (µm) 0 20 40 60 80 100
IAG）光纤中，通过阶跃折射率设计
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
中的模式选择性衰减来实现。但是， 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。
这种光纤具有固有的泄漏损耗，降低
了激光效率。 导引损耗，这是很难做到的。” 下，光束不能保持高斯分布，并且实
最近，韩国朝鲜大学光电子工 在新的理论设计中克服了此基本 际上可能通过光束畸变和自聚焦损伤
程 系 的 Hyun Su Kim 和 新 加 坡 南 限制，其中凹陷的渐变折射率大大降 纤芯。
洋理工大学电气与电子工程学院的 低了基模的反导引损耗，而凸起的包 Yoo 指出 ：“我们注意到，模拟
Seongwoo Yoo 两位研究人员，已 层折射率同时提供了抑制 HOM 的机 建议了实际的工作范围，我们的下一
经采用不同的方法，通过改变常规 制。Yoo 补充说 ：“该设计通过固有 个目标是在实验室中展示此概念。这
阶跃折射率的 GG + IAG 光纤设计， 的 HOM 抑制实现高斯光束输出的功 将包括制造凹陷的渐变折射率掺镱
使其具有渐变折射率纤芯 ；该变化 率提升。” （Yb）纤芯、验证高斯模放大，以及
降低了泄漏损耗，同时保持了 GG 两位研究人员模拟了阶跃折射率 在光纤弯曲下的性能。尽管弯曲畸变，
+ IAG 设计的高阶模式抑制（由于 GG + IAG 光纤和新光纤设计（无增 例如压缩模场和模式分布的偏移，看
其凸起折射率的包层）。没有 GG + 益）的泄漏损耗，芯径分别为 50μm 起来在渐变折射率分布图上并不显著
IAG 设计的渐变折射率纤芯光纤自 和 100μm ；结果发现与阶跃折射率 （在模拟中也得到支持），但实验演示
身，在放大下不能维持单模输出（见 纤芯相比，采用梯度折射率纤芯的新 在确认各种放大器配置的稳健性和适
图 1）。 设计，将泄漏损耗降低了超过 1000 应性方面，将更有说服力。”

30 Mar/ Apr 2018 www.laserfocusworld.com.cn Laser Focus World China 激光世界