高功率激光系统（3）

长三角G60激光联盟导读

据悉，本文综述了利用功能光纤实现高能固态圆盘和平板系统以及高功率光纤系统的非线性抑制策略。本文为第三部分。

3.3.2 TMI的缓解策略

一般来说，影响TMI阈值的参数可分为热效应和非热因素，其中最重要的是热效应。光纤中的热负荷主要来自量子缺陷（QD）和光子变暗（PD）。根据TMI的发电条件，降低热负荷是抑制热负荷的主要出发点。研究表明，热负荷不仅来自量子点，而且局部放电热负荷的贡献比想象的更明显。量子点仅将少量泵浦光转换为热，而光电二极管将泵浦光和信号光的几乎所有吸收转换为热。

然而，进一步的研究表明，使用更高吸收截面的单泵减少量子点通常具有相反的效果。这是因为高效吸收泵注入将显著减少放大器的有效放大长度，这是减少系统非线性累积的有力方法，但它加强了光纤的热梯度分布。因此，考虑到总热负荷，也有必要降低热梯度。

当今两种最广泛的核心构象：同质构象（左侧）和纳米结构构象（右侧）。通过纳米结构核中的面积填充因子（AFF）给出了体离子浓度（Nbulk）和有效离子浓度（N）之间的关系。

除了与热效应相关的因素外，泵浦和信号的调制（或噪声）、量子噪声、自加热瑞利散射和信号光带宽也会影响TMI阈值。Stiler等人发现，接近TMI波动频率（通常<10 kHz）的泵噪声分量可以将TMI阈值降低约三倍。Smith等人在模拟中分别假设了量子噪声、泵浦光调制和信号光调制。让这些影响因素使HOMs种子成分的注入失谐至1kHz频带中的基本模式频率，HOMs种子可以显著降低TMI阈值。他们还研究了自热瑞利散射引起的高阶模式种子成分的影响。研究发现，自加热瑞利散射种子比量子噪声具有更大的影响，量子噪声可能会影响放大器的TMI阈值。

虽然已经研究了许多主动和被动抑制方法，但TMI的起源最终植根于光纤中高阶模式的存在。外部控制模式的最常见方法是光纤局部锥形和卷绕。在双向泵浦MOPA配置下，YDF 20/400卷绕有源光纤通过976nm泵浦，在1071nm下实现了窄线宽4.92kW输出。通过981nm泵浦，使用较大尺寸的YDF 25/400光纤将SM功率放大至6kW。然而，通过锥形端锥将大量芯激光注入熔覆层，很容易导致局部过热。过小的卷绕将减小基本模的模场面积并引入FM损耗。在不改变光纤基本特性的情况下同时抑制TMI和SRS是一项挑战。

由PD诱导的泵浦光子吸收引起的对热负荷的归一化贡献。

目前，考虑到大模场低钠钐光纤的发展局限性，人们设计了许多具有可变结构增益的光纤。一种方法是改进具有受限掺杂的SIF光纤，以优先考虑增益基模，同时确保光纤芯具有平坦的折射率。使用单个沟槽光纤，可以同时增加模式场并实现高阶模式的损耗。多沟槽光纤和各种结构变体可用于实现高阶模式离域和漏沟道效应。

3.4 CCCF和TDCF

3.4.1 CCCF的单模维护

CCCF包含一个中央主直纤芯，带有一个或多芯螺旋侧纤芯。与传统的弱耦合平行波导系统不同，中心和侧芯之间的有效选择性HOM耦合满足准相位匹配条件，可通过特定螺旋间距和侧芯偏移半径R实现，如图10a所示。中心芯中的HOM将耦合到侧芯中，因此耗尽，只留下基本模式LP01，以便在大型中心体中稳定传输。

图10 a）三维结构以及CCCF的横截面和三维结构。经许可复制。[380]版权所有2018，美国光学学会。b）传统LMA 25/250µm光纤的横截面和S2结果。c） 55/400µm CCCF。

用该方法测试了CCCF的优良SM输出特性。NLIGHT公司进行的实验比较了LMA 25/250µm光纤和55/400µm掺镱CCCF之间的光纤模式含量。LMA 25/250的测量结果（图10b）清楚地表明，在不同的群延迟曲线中存在多个额外的峰值，这意味着即使在高斯分布轮廓下，输出光束仍包含HOM成分。然而，即使芯径更大，55/400µm CCCF仍能保持图10c中几乎纯的SM含量。

因此，CCCF非常适合单模维护放大。与传统的大模场光纤相比，它具有更稳定的长期基本模维持能力和更高的TMI阈值。还有一些新的侧芯设计概念，以降低经典薄侧芯的制造难度，或实现用于多路通信的稳定轨道角动量。

3.4.2 CCCF的非线性抑制

由于CCCF的特殊手性耦合结构，中心芯中的每个模式具有不同的准相位匹配，具有不同的波长位置和耦合强度。通过参数设计，由中心芯模的有损谐振引起的波长选择性损耗可以引入斯托克斯波抑制。理论研究和数值模拟表明，拉曼阈值对光纤长度的依赖性得到了有效消除。CCCFs可以实现分布式和>10 dB m–1斯托克斯波损耗。Hu等人通过将峰值功率为30 kW的纳秒脉冲导入6 m长的CCCF中，对SRS抑制进行了实验测试，该CCCF具有33µm的核心尺寸，信噪比超过50 dB。NLIGHT还使用55/400µm CCC光纤构建激光放大器。

此外，正在研究使用（GWD）CCCF放大的超低相对功率噪声SM光纤激光器用于重力波探测器，CCCF放大系统的相对功率噪声可低两个数量级。CCCF在脉冲相干脉冲叠加放大和相干光束合成方面也显示出巨大潜力。Pei等人使用基于85µm芯CCC光纤的系统放大81 ns啁啾突发脉冲，然后相干地组合脉冲并压缩成具有多mJ的单个<540 fs脉冲。最近，Rainville等人将来自三个CCCF的脉冲相干地组合成单个22 mJ脉冲。组合脉冲串匹配单个脉冲上相等非线性相位的适当形状，因此与相干脉冲叠加和超短脉冲生成兼容。

3.4.3 TDCF功率级连续激光器

虽然特别设计的纵向均匀光纤可以通过引入HOMs损耗来抑制TMI，但增益饱和和低吸收斜模仍残留在光纤尾部。一方面，反泵浦可以抑制增益饱和，但需要相应的组合器和补充反向剥离器。[另一方面，采用了各种包层设计方案来破坏光纤包层的轴对称性，以消除弱吸收泵浦模式。此外，还设计了分段放大器。然而，局部阶梯锥形焊接将通过非绝热模式转换引入显著的插入损耗和光束质量恶化。

侧面泵浦双包层光纤的示意性侧视图，包括重要的光线路径。

人们根据上述经验发明了一种满足绝热锥形条件的长锥形纤维。这种纵向非均匀锥形波导不仅可以实现信号FM的稳定放大，还可以显著降低反向注入泵的光束质量要求（>300mm mrad）。这种几何不对称波导产生的非互易性表现出自然的ASE和SBS抑制。

锥形光纤为高功率光纤放大器开辟了一条新路。目前，它已被用于千瓦级全光纤谐振器、MOPA放大器、兆瓦级无CPA放大和高功率单频（SF）激光输出。

对于传统的长锥形光纤，有效的泵浦转换通常需要通过分色镜进行空间反泵浦。然而，Shi等人基于共泵浦掺镱的TDCF构建了全纤维化MOPA系统。当启动100 W种子功率和1970 W泵时，1080 nm处的输出功率达到1.47 kW，斜率效率为≈72%. 尽管转换效率相对较低，但这一结果表明了共泵浦方案的适应性。Yang等人还采用了基于20/400–30/600µm线性锥形光纤的相同共泵浦MOPA配置。此外，Ye等人将TMI自由功率扩展至2.17 kW。他们得出结论，与具有相同有效纤芯直径的传统均匀光纤相比，TDCF具有更有效的TMI抑制能力。

除了经典的单调锥形光纤外，还为所有光纤功率级MOPA和振荡器制造了不同的光纤纵向轮廓（如图11所示）。

图11不同类型TDF的示意图a）在整个长度上呈线性锥形。b）线性锥形，两端具有光滑端口。c）纺锤形芯。d）马鞍形芯。

3.4.4 TDCF的非线性抑制

短脉冲放大是TDCF最有潜力的应用之一。为了获得高峰值功率输出，锥形光纤必须与反泵浦策略配合，使主增益发生在厚部分，以确保整体弱非线性放大。通过这种方式，可以构建一个无CPA的ps激光系统，该系统能够提供MW级峰值功率，几十µJ脉冲能量，并且由于低功率信号的直接放大，能够提供超过100 W的功率处理[。锥形策略还使ns激光器具有mJ级脉冲能量的亚兆瓦峰值功率成为可能。Roy等人获得了能量为1.1mJ、平均功率为500W的2.2ns脉冲，这证实了TDCF的功率缩放能力。

PCF结构扫描电子显微照片的选择。

具有梯度纤芯直径的连续放大器链模型有利于高效放大。它对SBS增益峰值的频移具有天然、有效的SBS抑制能力。对T-YDF用于高功率SF光纤激光器的潜力进行了实验论证和理论分析。Patokoski等人实现了创纪录的4kW峰值功率和130ns的524µJ脉冲能量；输出SF激光线宽小于10 MHz，M2=1.08。Huang等人报告了300 W稳定的线偏振SF输出，线宽为9.3 MHz。PM T-YDF的两端具有均匀的芯尺寸，并且彻底研究了这种SF放大器中的TMI效应。此外，他们还展示了线宽为≈283.8 MHz，脉冲持续时间3.8 ns，最大功率8.8 W，创纪录的峰值功率30 kW，这标志着TDCF的出色非线性性能。

3.5 PCF

PCF是一种微结构纤维，通常由单一材料制成，其特征在于沿纤维全长的周期性气孔阵列。与传统的SIF相比，光子晶体光纤的抑制特性是“无限单模”（ESM）行为，即在所有波长下都保留单模，这可以通过模态筛概念理解，如图12a，b所示。由于其过大的有效横向波长分量，基本模式不能通过气孔之间的间隙泄漏。高阶模式则相反。图12c中的数值结果表明，适当的几何操作，通常d/λ<0.4，保证仅支持基本模式。具有低非线性和严格SM特性的扩展模式面积光纤成为可能，可用于修改高功率光纤系统的性能。

图12筛模型示意图。a）基本模式被俘获。b） HOM通过气孔之间的间隙泄漏。经许可复制。[428]版权所有2006，IEEE。c）单孔缺失PCF的模态特性。

3.5.1大模场

随着光纤制造技术的发展，如堆叠毛细管拉伸、改性化学气相沉积、直接纳米颗粒沉积、粉末烧结和溶胶-凝胶技术，各种PCF结构相继出现。如图13和14所示，早期研究集中于增加纤维的有效MFD和有效场面积(EFA)， EFA从176µm2显著提高到10 000以上。不过，MFD>50µm的超大模式面积光子晶体光纤（VLMA光子晶体光纤）几乎都是棒状光纤，经历了致命的弯曲损耗，这减缓了紧凑型光纤激光系统的发展。因此，在过去十年中，已经提出了许多新的柔性设计，包括双气孔直径、双晶格常数、三角形芯、混合包层、圆形梯度直径等。模拟结果证明，这些光纤在基本模式和EFA超过2000µm2时，在弯曲半径接近10 cm时，可以保持小于10–2 dB m–1的弯曲损耗。然而，由于非圆形光纤对称性和额外的共掺杂以消除折射率失配而导致的制造难度和复杂性的增加延迟了它们的实际应用。用于高功率激光器的经典光纤主要是棒状光子晶体光纤、泄漏通道光子晶体光纤（LC-PCF）和大间距光子晶体光纤。

图13 LMA-PCF领先开发的时序概述。

图14近20年来PCF模场直径（MFD）和有效场面积（EFA）的变化。

具有低d/A的小气孔可以容易地实现鲁棒SM传播。然而，由于NA必须随着芯尺寸的增加而减小，PCF的缩放通常受到模式混合引起的宏观弯曲损耗和微观变形损耗的限制。杆式设计外径为几毫米，纵向长度为几十厘米，是获得大芯和可忽略弯曲损失的有效方法。双包层结构中的两个特殊波导使低亮度泵浦成为可能，更大的外径保证了光子晶体光纤的高机械稳定性和散热能力，这使得光纤激光系统的性能得到了极大的提高，尤其是对于脉冲放大器。纳秒光纤激光器具有数百千瓦的平均功率和多毫焦耳的脉冲能量，由芯尺寸在60至100µm范围内的棒状光子晶体光纤产生。此外，这些光纤也是100 MW级至GW级峰值功率fs光纤放大器的基础，这些放大器通常在最先进的光纤CPA系统中运行。然而，具有挑战性的微小气孔阵列制造降低了这些VLMA光纤的再现性。

通过使用提供不同模式传播损耗或激励和放大条件的适用光纤设计，也可以在少数模式光纤中实现有效的基本模式传播。包括一个或多个非常大的气孔环的LC PCF为HOM提供了更高的泄漏损耗，同时通过高对比度空气-玻璃边界将FM限制在芯部。已经报道了一种掺镱双包层SM-LCF，其模直径为63.4µm，模面积为3160µm2。

此外，更长的发射波长也有利于模式面积缩放，因此，在相同的NA和截止频率值下，工作在约2µm的掺Tm光子晶体光纤允许的MFD是掺Yb光子晶体光纤的两倍。此外，掺Tm光纤放大器具有更强的热承载能力和更高的自聚焦阈值。它们具有极好的功率缩放前景，并且已经产生了峰值功率为6.9GW和平均功率为1kW的fs脉冲。

3.5.2 PCFs的CBC

虽然VLMA光子晶体光纤在激光系统的功率缩放中显示出重要意义，但基于单片光子晶体光纤的放大器的性能通常受到材料损伤的限制。避免此问题的一种方法是相干组合光纤放大器，以提供比单个放大器高出许多倍的峰值/平均功率。Klenke等人报道了一种超快激光系统，包括四个并联的掺镱LPF放大器，产生5.7mJ的压缩脉冲能量。总组合脉冲峰值功率为22GW，在完全平坦相位的情况下可提升至30GW。2021年他们更新了系统，以提供120 fs衍射限制脉冲，脉冲能量为10 mJ。峰值功率提升至68GW，同时获得1kW的平均功率。请注意，使用双折射晶体或延迟线分割和重新组合脉冲的分割脉冲放大（DPA）是加速PCF放大器改进的一项有前途的技术。

除了大的模面积和无穷无尽的SM特性外，有目的地操纵光纤结构使光子晶体光纤具有增强的非线性、修正的色散、高双折射和其他独特的光学特性，这有助于它们不仅应用于高功率激光，还应用于许多其他不同的领域，如非线性光学、干涉测量、光束传输、传感、显微镜等。最近，基于充氢kagomé型HC-PCF和充氩反共振HC-PCF，超连续谱的产生已分别扩展到创纪录的124 nm和4µm。由于比传统毛细管具有更低的传输损耗和更好的色散控制，充气HC光子晶体光纤也是光谱展宽和脉冲压缩的最佳选择，可以产生峰值功率高于0.6 GW的3.8 fs脉冲。此外，充氢HC光子晶体光纤具有窄线宽、高效率和可调谐性的优点，为1.7µm拉曼激光器提供了一种新方法。不幸的是，独特的结构带来了如此多的竞争优势以及光纤的切割和拼接问题，以至于光几乎通过空间耦合进入光子晶体光纤。随着激光技术的不断发展和光纤制造技术的进步，基于紧凑型全光纤光子晶体光纤的激光系统将具有更大的应用前景。

4.总结和展望

与传统的棒状板、锯齿形板或主动反射镜板相比，由于气体冷却，多板结构可以扩大板的允许尺寸，将≈10 ns脉冲的峰值功率从亚GW扩大到约10 GW。据报道，创纪录的脉冲能量为250 J，进一步突破受到脉冲泵功率和晶体孔径的限制。同时，由于多通盘式放大器具有良好的散热性能，可以获得平均功率数kW、峰值功率≈GW的无cpa ps脉冲。进一步实现10000瓦的功率输出受到零声子线泵浦功率的限制。

目前，基于钛蓝宝石的CPA技术已经实现了大于10pW的峰值输出。由于晶体直径已超过200 mm，因此需要先进的脉冲泵浦方法和寄生振荡抑制方法。峰值功率的进一步增加受到脉冲泵强度、压缩光栅损坏和更大晶体孔径增长的限制。在未来，在相对论阿秒科学的驱动下，具有高时间对比度的几个周期fs脉冲的峰值功率需要超过PW。TW场景中的小尺寸晶体对于PW将是不够的，并且由大孔径晶体引起的对比度劣化将成为新的挑战。

FM和HOM之间能量传递方向依赖于热诱导折射率光栅（蓝色矩形）和干涉强度图案（红色正弦虚线）之间相移符号的示意图。

在未来，通过fs激光直接蚀刻技术制造更大芯径的突破将是实现更高强度滤光光栅的有力途径。可以想象，这种无需高压氢处理的直接多光子蚀刻工艺有望在增益光纤上直接蚀刻多个集成滤波器光栅，不仅可以滤除残余拉曼光，还可以实现ASE抑制。这将促进设计和实现更灵活、紧凑和稳定的光纤激光系统。当然，随着功率的进一步增加，漏光对光纤涂层的损坏将是未来面临的问题。可能更迫切地需要更高的抗损伤涂层材料。另一方面，通过相位调制适当延长线宽，可以有效消除限制窄线宽光纤激光器功率的非弹性SBS。但这是以牺牲激光器的相干性为代价的，如何补偿展宽的带宽将是一个值得关注的问题。此外，开发一种新型光纤以实现光场和声场的增益分离将是一种更为合理的解决方案。这对光纤波导材料的设计提出了新的挑战。

使用较大纤芯直径的光纤是抑制非线性的直接手段，但这将引入HOMs并触发TMI效应。这种热致不稳定现象的机理和抑制方法已被广泛研究，但没有特别突出的抑制效果。一项名为“光束清洗”的激动人心的过程为提高光束质量打开了大门，并将引起广泛的研究。

安装示意图。为清楚起见，仅示出了主放大器级的较低电平。然而，上层看起来很相似。啁啾光纤布拉格光栅；傅立叶域脉冲整形器；声光调制器；大间距光纤；QWP，四分之一波片；半波片；偏振分束器；TFP，薄膜偏振器。

为了平衡非线性抑制和TMI之间的矛盾，设计了一些LMA功能光纤。SM纯度已得到严格验证，在实际应用中也表现出出色的非线性抑制。广泛使用的CCCFs和TDCFs已实现了几千瓦无TMI连续波输出和MW级无CPA峰值功率输出。这些性能几乎与PCF相当。然而，PCF仍然保持光纤的当前峰值记录。此外，PCF放大器的电流相干光束组合系统实现了68 GW的峰值输出。

如上所述，显然增益介质实现高峰值和平均功率的要求是矛盾的。虽然受超大直径晶体的热透镜和应力双折射效应的限制，固态激光器的峰值功率已达到PW水平，但平均功率低于100W。然而，除了PW峰值外，对于实际的基于激光的粒子加速器，平均功率MW也是必要的。得益于单光纤激光通道的高效率和紧凑性，这一雄心勃勃的目标将通过空间相干组合和时间叠加来实现。

来源：High-Power Laser Systems, Laser & Photonics Reviews, doi.org/10.1002/lpor.202100741

参考文献：O. H. Heckl, J. Kleinbauer, D. Bauer, S. Weiler, T. Metzger, D. H. Sutter, in Ultrashort Pulse Laser Technology (Eds: S. Nolte, F. Schrempel, F. Dausinge), Springer, Switzerland 2016, Ch. 5.