超快光纤激光技术 大模场锥形增益光纤最新进展

双包层大模场面积增益光纤作为超快光纤激光器的核心器件一直是该领域的研究热点。常用的光子晶体光纤利用空气孔微结构可有效降低包层／芯层折射率差以增大单模运转的纤芯区域面积。但是目前商用的大模场光子晶体光纤弯曲损耗很大，只能以棒状方式封装，导致激光器体积过大。相比之下，普通大模场面积光纤可灵活盘绕，体积要小巧很多，但是在模场直径上又很难跟与棒状光纤相提并论。

图1． 锥形双包层光纤（T－DCF）概念图

芬兰Tampere大学Valery Filippov教授课题组一直致力于如何进一步提升阶跃型双包层增益光纤模场面积。2008年，该课题组首次提出增益光纤芯层和包层直径沿纵向逐渐增大（或缩减）的光纤概念，如图1所示，这种光纤可通过光纤拉锥技术制作而成，因此也称作锥形双包层光纤（T－DCF）。相比于其他光纤，这种光纤具有增益更高、ASE／TMI／SBS抑制能力更强、泵浦光吸收系数更高和亮度转换能力更强的特点。

图2． 熊猫型与旋转型T－DCF光纤的横截面对比

这种锥形光纤可通过熊猫型截面设计实现保偏光纤的效果，也可通过边拉制边旋转的方式得到旋转型锥形光纤（sT－DCF）。sT－DCF不同于熊猫型保偏光纤，旋转拉制过程中光纤中的应力和缺陷等因素达到了各向均匀的效果，因此其非常低的双折射系数也可实现保偏效果。

图3． 实验测量装置图

本期介绍的两篇文献均是Valery Filippov教授课题组关于sT－DCF的最新进展。在第一篇文章中，作者详细对比了非保偏T－DCF、熊猫型保偏T－DCF以及旋转型保偏T－DCF三款光纤在放大过程中中的输出偏振态漂移问题。实验测量装置如图3所示，以100MHz、20mW、1064nm、96ps脉冲作为种子光，经隔离器后注入锥形双包层光纤中放大，种子光偏振消光比高达29．3dB。23W／976nm泵浦光经双色镜后从锥形光纤宽端口注入，通过详细测量放大后输出光的偏振性能，对不同类型锥形增益光纤的性能详细地做了比较。

图4． 实验中测量使用的三款锥形光纤

作者在相同的测量装置中更换不同类型光纤进行实验。通过控制变量分别对3．2m长、100?m芯径的非保偏T－DCF（图4（a））和2．2m长、40?m芯径的熊猫型保偏T－DCF（图4（b））以及2．75m长35?m芯径的旋转型保偏T－DCF（图4（c））做对比。分别测量偏振度（DOP）、偏振消光比（PER）、偏振角以及椭圆度等参数来表征输出光的偏振性能，结果显示旋转型保偏T－DCF的偏振度高于95％。PER接近18dB，证明了旋转型锥形增益光纤偏振保持能力最好，其本征双折射低至10?8。

第二篇文章系统研究了旋转型锥形光纤不同牙距对输出性能的影响。牙距指旋转型锥形光纤再拉制过程中旋转一周的长度（类似螺纹的牙距）。为了充分对比，作者准备了图5所示的四款不同牙距的旋转型锥形光纤，分别为7．5mm、15mm、30mm以及牙距为无穷大四种。

图5． 不同牙距的旋转型锥形光纤

随后，作者继续利用与图3相同的实验装置对皮秒脉冲进行了测试。通过更换上述不同牙距的旋转型锥形光纤，测量放大后输出的光斑轮廓、放大效率以及输出光谱等参数进行对比。

图6． 不同牙距光纤输出性能对比

图6（a）、（b）、（c）和（d）分别表示不同牙距光纤放大效率及输出光谱和远场光斑图样的比较。可以看出30mm牙距对应的斜效率最高，7．5mm牙距光纤对应的斜效率和1030nm ASE都比较强，并且其输出光斑出现明显畸变。作者分析原因是合适的牙距（扭曲）会促进泵浦吸提高放大效率，比如30mm牙距光纤的斜效率就比未旋转的光纤高。同时，牙距过小／扭曲越严重会使得泵浦光的“Vignetting”效应加重导致斜效率下降，并且也会致使芯径中的信号光模场畸变损耗变大，比如7．5mm牙距光纤表现出的斜效率低下、ASE增大以及M2劣化现象。此外，作者还对不同光纤的输出偏振性能做了对比测量，结果指出牙距30mm和15mm的光纤保持偏振能力要比7．5mm牙距光纤好很多。

sT－DCF是大模场面积增益光纤领域的最新研究成果，本期两篇文章中详细介绍了sT－DCF与普通锥形光纤的差异和优越性，也充分探究了sT－DCF中光纤牙距对激光输出性能的影响。sT－DCF作为大模场面积增益光纤中的重要一员，相信很快就会在超快激光领域发挥出色作用。

参考文献：

［1］ Andrei Fedotov， Vasilii Ustimchik， Joona Rissanen， Teppo Noronen， Regina Gumenyuk， Alexander Kolosovskii， Victor Voloshin， Igor Vorob’ev， Yuri Chamorovskii， and Valery Filippov， ＂Large mode area double－clad ytterbium－doped spun tapered fiber，＂ J． Opt． Soc． Am． B 38， F161－F169 （2021）

［2］ Andrei Fedotov， Vasilii Ustimchik， Joona Rissanen， Alexander Kolosovskii， Victor Voloshin， Igor Vorob’ev， Regina Gumenyuk， Yuri Chamorovskiy， and Valery Filippov， ＂Active tapered double－clad fiber with low birefringence，＂ Opt． Express 29， 16506－16519 （2021）

原文标题:超快光纤激光技术之二十一 大模场锥形增益光纤最新进展