芯源（深圳）光纖激光技術(shù)有限責(zé)任公司

與單芯光纖激光器相比多芯光纖激光器有著更大的有效模場(chǎng)面積,有利于提高光束的輸出功率。多芯光纖激光器因各個(gè)纖芯之間互相稱合直接形成超模傳導(dǎo)因?yàn)楦鱾€(gè)纖芯之間的距離已定,所以纖芯之間的相位差已經(jīng)鎖定,同時(shí)纖芯之間的離散分布有利于` 響I。多芯光纖的出現(xiàn)為高功率激光輸出光纖激光器的實(shí)現(xiàn)提供又一種可能。因?yàn)槎嘈竟饫w激光器具備其它光纖難以比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),國外很多知名研究機(jī)構(gòu)展開了大量的理論和試驗(yàn)研究,例如美國Arizona大學(xué)、PC Photonics、英國QinctiQ和俄羅斯Troitsk新技術(shù)研究中心等。已有大量關(guān)于7芯、19芯、37芯等不同纖芯數(shù)目和不同結(jié)構(gòu)的多芯光纖激光器研究報(bào)道。

2001年,P.K.Cheo等人報(bào)道了七芯光纖激光鎖相輸出的詳細(xì)情況。整個(gè)光纖的光束質(zhì)量較好,其中輸出總功率超過5 同相超模數(shù)值孔徑NA為0.15,光束質(zhì)量因子M2<1.2,斜效率為65.2%,遠(yuǎn)場(chǎng)中央主瓣功率超過總功率的80%[31]。2004年,Cheo等人對(duì)19芯光纖進(jìn)行試驗(yàn),輸出功率超過100 W,遠(yuǎn)場(chǎng)光束質(zhì)量因子為M2為1.5,這個(gè)值接近同相超模光束質(zhì)量理論值。

2005年,L.MichaiUe等人對(duì)六芯光子晶體光纖進(jìn)行試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)激光的鎖相輸出,其斜效率為649^,合成光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角小于衍射極限的1.1倍左右。2006年,Michaille等人又對(duì)18芯光子晶體光纖進(jìn)行試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)激光的鎖相輸出,具體數(shù)值為平均功率65 W,斜效率為46%,合成光束場(chǎng)發(fā)散角是衍射極限的1.2倍左右。并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了激光器效率隨纖芯數(shù)目增多而降低。

Y.HUO等人主要對(duì)多芯光纖激光器理論知識(shí)方面進(jìn)行研究,給出了人們研究多芯光纖激光器方面的理論指導(dǎo),并對(duì)其激光輸出建立了完整的理論模型。通過大量試驗(yàn)及仿真證明激光器的光光轉(zhuǎn)換效率將隨著纖芯數(shù)目的增多而降低,比如說7芯光纖的轉(zhuǎn)換效率為70%,而19芯光纖的光光轉(zhuǎn)換效率則只有50%。Cheo等建立的稱合模理論還表明合成光束質(zhì)量將隨纖芯的增多、輸出功率的提高而下降。國內(nèi)的光纖激光器技術(shù)有著很快的發(fā)展,如北京交通大學(xué)、天津大學(xué)、國防科技大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)已經(jīng) 展了關(guān)于多芯光纖激光器的研究,并取得一定成果,但總體來說還處于探索階段。

典型的光纖激光器是單芯光纖激光器,其光纖結(jié)構(gòu)由外包層、內(nèi)包層和纖芯構(gòu)成。而多芯光纖則是在同一包層內(nèi)含有多個(gè)纖芯,每個(gè)纖芯均工作在單模狀態(tài),一條光波導(dǎo)中集成了多個(gè)單芯光纖。多芯光纖的概念早在上世紀(jì)七十年代末就被提出,但是 發(fā)多芯光纖面臨著光纖光纜的制造成本高和難以 發(fā)高密集度大芯數(shù)光纜兩大難題。隨著光纖制造技術(shù)的快速發(fā)展和不斷完善,使得多芯光纖在制造過程中成本逐漸降低、機(jī)械強(qiáng)度和可靠性不斷提高,開發(fā)多芯光纖所面臨的難題得以解決,到上個(gè)世紀(jì)九十年代,多芯光纖才慢慢走向?qū)嵱没A段。多芯光纖除用于制作高密度光纜外,還應(yīng)用于光纖濾波器、光纖傳感器、光開關(guān)、光波分復(fù)用器、等光纖通信和光纖傳感領(lǐng)。

D.R.Scifres在1996年因正式提出多芯光纖激光器的概念獲得專利。相比較其他相千組束方法,多芯光纖激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,輸出功率高,纖芯間距離很近,通過減小纖芯間距等方式得到有效的調(diào)節(jié)和控制各纖芯之間的波耦合。

光纖結(jié)構(gòu)的不同決定了多芯光纖輸出不同的超模,多芯光纖超模模場(chǎng)分布和傳輸特性是多芯光纖研究和應(yīng)用中最重要的問題。關(guān)于多芯光纖的超模模場(chǎng)分布的研究及理論分析已經(jīng)有大量文獻(xiàn)分析過,分析結(jié)果表明多芯光纖的輸出模式是含有多個(gè)超級(jí)模式的混合模。

最常釆用的分析多芯光纖激光器的不同模式的理論是耦合模理論(Coupled, mode theory, CMT) 親合模理論可以對(duì)纖芯之間的親合過程進(jìn)行解析的模擬仿真。如果多芯光纖各纖芯之間的親合較強(qiáng)的話,可以用多模干涉法(Multimode Interference,對(duì)其進(jìn)行分析。另外常用的有限元分析法(Finite element method, FEM)求解多芯光纖中傳導(dǎo)的超模可以獲得很髙的精確度,。此外還有基于有限差分光束傳輸法(Beam propagationmetllod, 的數(shù)譚方法吾模理論具有可行性和精確性等優(yōu)點(diǎn),適用于分析多芯的光纖結(jié)構(gòu),前面已經(jīng)提到過它一般只適用于弱稱合的情形,如果配合使用矢量親合模理論(VCMT)可以獲得更高精度的求解結(jié)果。已有可以模擬多芯光纖模場(chǎng)分布的軟件Cortisol、Rsoft、BeamPROP等,這些軟件可直接用來進(jìn)行多芯光纖中模式傳導(dǎo)的模擬。.