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多芯光纤激光器的研究

导读: 本文阐述了多芯光纤的优点和结构,介绍了多芯光纤激光器达到大的输出功率的机理和同相位模式的选模和耦合原理,最后介绍了近年多芯光纤激光器的研究进展。

  本文阐述了多芯光纤的优点和结构,介绍了多芯光纤激光器达到大的输出功率的机理和同相位模式的选模和耦合原理,最后介绍了近年多芯光纤激光器的研究进展。

  光纤激光器的研究是光电子领域的热点,但由于单模光纤激光器的纤芯截面积、非线性效应等因素的限制,通常其输出功率有限。多芯光纤激光器通过将若干个中等功率的光纤激光器进行耦合可以提高输出功率。多芯光纤在较大的内包层中有多个完全相同的单模掺杂纤芯,纤芯间的距离很小。多芯光纤激光器比单芯光纤增加了纤芯有效面积,从而有效地提高了诸如受激拉曼散射和受激布里渊散射等非线性效应的阈值功率,这对进一步提升大功率光纤激光器的输出功率非常有效。

  由于振荡激光的耦合,使得各纤芯受激发射的激光相互作用,达到同相位模式(in2phase mode)的激光输出。由于多芯光纤激光器的独特优势,以美国PCPhotonics公司为代表的国外研究机构已经开展了大量的理论和实验研究。根据耦合模理论,多芯光纤的输出光束模式是由光纤结构决定的超模。目前对同相位模式的选模有三种方式,分别是通过塔尔伯特腔(Talbot cavity)、高反射准直透镜和自傅里叶转换谐振腔来实现。

  多芯光纤中每一个纤芯都是单模光纤,均工作在单模状态,通过相互耦合形成多个模式,根据耦合模理论可以得到与纤芯数量相同的模式总数,如7芯和19芯光纤中分别存在7个和19个模式,其中传输常数最大的模式在每个纤芯中的复振幅具有相同的相位,所以称为同相位模式,与其他几个模式相比具有最好的光束质量。所以,应尽量提高多芯光纤激光器和放大器输出功率中同相位模式的比例,从而确保更好的光束质量。

  1、多芯光纤的构造和基本原理

  1.1、多芯光纤的结构

  目前研究较多的多芯光纤有等距式和圆环式两种。图1是19芯等距式多芯光纤的结构和同相位模式。等距式多芯光纤的纤芯均匀分布在包层之内,而圆环式多芯光纤的纤芯只呈环状分布在包层内侧。此外还有7、37、61芯乃至更多芯数的多芯光纤。虽然芯数的增多可以增大总的输出功率,但可以确定的是芯数越多,同相位模式的耦合效率越低。

  图1 19芯光纤结构及其激光器的同相位模式

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