浅析多芯光纤激光器

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1、光纤激光器http://www.518168.cn浅析多芯光纤激光器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(in2pha

2、semode)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(Talbotcavity)、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

3、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。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。1.2、多芯光纤激光器的激光耦合和选模在多芯光纤中，不同纤芯的激光发生能量耦合，各纤芯中光场的复振幅将发生变化。但纤芯支

4、持的模式是由材料和几何结构决定的，各单模光纤不会因为与其他纤芯的耦合而支持其他模式，在多芯光纤中每个纤芯仍然只支持单模光纤的本征模。根据耦合模理论可推导出7芯光纤出射光束的复振幅分布为这7种超模的线性组合，即混合模。并可得到多芯光纤出射光束的模场分布　1.3、模式选择对于等距式多芯光纤，P.K.Cheo提出用非线性光学的方法进行模式选择，并给出了相应的数学模型。当泵浦光功率达到一定阈值时，在光纤内部发生非线性效应，使得等距式多芯光纤选择光束质量最好的同相位模式输出。M.Wrage等人提出利用塔尔伯特腔进行模式选择。具有一定周期性的相干光的光强分布在传输一定距离后会出现

5、自身的像，这个距离zm称为塔尔伯特距离。对于多芯光纤，不同的超模具有不同的塔尔伯特距离。如在某一模式的zm处放置一个平面镜，超模自身的像经反射后耦合进激光器，从而达到了模式选择的目的。光纤激光器http://www.518168.cn/Lasers.asp光纤激光器http://www.518168.cn　激光经平面镜反射后，超模被反射的部分称为反射系数，如果在特定的距离zm上某一模式的反射系数很大而其他模式的反射系数很小，该模式就被选择出来，作为多芯光纤激光器的主要输出模式。2、多芯光纤激光器的机械特性优势Yan2mingHuo和PeterK.Cheo等人证实了在连

6、续波作用下的最大机械压力和温度扩散方面，多芯光纤激光器比单芯光纤激光器有着显著的机械性能优势。实验表明，7芯光纤在中心的温度扩散斜率比单芯光纤大。这是因为热辐射在7芯光纤内扩散不是像在同样总直径的单芯光纤的扩散那么集中，所以多芯光纤的能量释放比单芯光纤更快。热扩散是一个缓慢的过程，热在光纤中扩散时，7芯光纤的物理结构决定了它的热扩散更快。在机械压力释放方面，多芯光纤由于独特的构造，有着比单芯光纤更大的优势，在相同压力下，7芯光纤中的单根纤芯受到的平均压力比单芯光纤减少13%。7芯光纤的温度和压力的释放比单芯光纤快5倍。因此，多芯光纤可以传输更大能量的激光并且可以承受更

7、大的机械压力，多芯光纤将促进高功率光纤激光器的发展。　　3、多芯光纤激光器的研究进展　　3.1、使用级联系统增强同相位模为了进一步提高同相位模式功率占总输出功率中的比例，可使用级联系统来增强同相位模式，抑制低阶模式。该级联系统右半部分为光纤激光器，掺镱7芯光纤的右端至反射镜面的距离为ZR/2，通过调整ZR可以改变各个模式功率的反射系数，掺镱7芯光纤左端面抛光后可以获得4%的功率反射系数。左半部分是光纤放大器，激光器的输出光作为种子光注入放大器中进行功率放大。有两点需要注意：首先，光纤激光器的输出端和放大器的信号输入端之间距离为ZL，根据塔尔伯特效应可