如前文所论及,大模场面积(LMA)光纤领域的新近发展态势令人瞩目,其已成功助力连续波(CW)激光器达成千瓦级别的输出功率,而脉冲放大器(采用亚纳秒脉冲)亦实现了兆瓦级的峰值功率输出。
然而,现阶段 LMA 光纤的研发进程在很大程度上被限定于围绕 1.0μm 波长运用的掺镱光纤范畴。这主要归因于制造大模场面积的掺镱光纤在技术层面相对简易可行,且与之关联的激光系统能够呈现出较高的光转换效率,大致可达 80% 左右。
在技术实现路径上,达成相对高浓度的镱掺杂,同时维持较低水平的基质改性共掺杂剂含量,这一特性为低数值孔径(NA)、大芯径光纤的制造创造了有利条件。低数值孔径的纤芯结构仅允许少数特定模式的光信号传输,并且借助优先注入种子光或对光纤进行适当弯曲的手段,能够有效抑制高阶模式的光信号,进而达成衍射受限的理想运行状态。
尽管此类基于镱的光纤系统展现出诸多优势,但不可忽视的是其存在一项显著的短板,即人眼对于 1.0μm 波段的波长具备相对较高的敏感度。
相较而言,视网膜对于 1.5μm 和 2μm 波长区域的辐射吸收能力显著低于 1.0μm 波长的情况。鉴于此,在这些特定波长波段运行的高功率激光器和放大器,在军事及商业应用领域均引发了广泛的关注与研究兴趣,诸如在自由空间与卫星光通信以及激光雷达(LIDAR)等关键应用场景中。
于军事应用而言,这些特定波长具有重要价值,因其能够最大程度地降低附带损伤风险。同样地,在商业应用领域,人眼安全激光器备受青睐,这是由于其能够显著减轻与激光安全防护相关的各类难题与挑战。
除了具备人眼安全特性之外,2.0μm 激光器还具备潜在的应用拓展方向,例如可作为掺钬激光器的泵浦源,或者通过非线性转换过程产生更长的波长输出。
尽管人眼安全激光器已吸引了广泛的关注与研究投入,但在这些特定波长下开发高功率连续波和脉冲激光器的实际进展,却受到了大模场面积掺铒 / 掺镱以及掺铥光纤可获取性的严重制约。
这种制约状况的根源在于制造含有这些镧系元素掺杂剂且具备高光学效率的低数值孔径光纤时,面临着诸多技术难题与挑战。
尽管当前大模场面积光纤的供应存在短缺情况,但在利用多模光纤开发高功率掺铒 / 掺镱激光器方面,依然开展了一系列具有重要意义的研究工作。举例来说,科罗舍茨(Koroshetz)等人成功展示了一款适用于自由空间通信的 40W、10Gbps每秒的放大器;沈某等科学家则发布了运用芯径为 30μm、数值孔径为 0.22 的掺铒 / 掺镱共掺杂光纤,实现了 188 瓦的连续波输出,且其光束质量因子 M² 达到1.9。
此外,尤西姆(Yusim)等人针对芯径为 20μm、支持 30 个模式的掺铒 / 掺镱光纤展开研究,通过在谐振腔内巧妙采用基于单模光纤的部件,并在单模光纤与多模有源光纤之间进行精细的熔接操作,最终成功实现了 100 瓦的输出功率,并且输出光束接近衍射受限状态。
尽管通过上述方法达成了高功率衍射受限输出的目标,但这些方法在实际操作过程中较为繁琐复杂,这进一步凸显了对于大模场面积光纤的迫切需求。同样地,在开发高效掺铥光纤方面,也开展了一系列值得重点关注的研究工作。通过充分利用铥离子之间的二对一交叉弛豫过程,已成功展示出高达 85 瓦的输出功率,然而其输出形式为多模状态。
与掺镱光纤有所不同,掺铒 / 掺镱共掺杂以及掺铥光纤在成分构成方面的特殊要求,使得制造大模场面积的此类光纤面临着尤为严峻的挑战。
具体而言,业内众所周知,采用镱对掺铒光纤进行敏化处理,能够有效增强泵浦吸收效果,进而提升铒激光波长处的能量转换效率。
铒元素具有极为狭窄的吸收峰特性,并且如同其他镧系离子一般,在不发生团聚现象的前提下,无法以极高的浓度掺入到石英玻璃之中。敏化过程的实现主要是基于镱相较于铒所具备的更宽吸收带以及更高的吸收截面优势,最终致使掺铒 / 掺镱共掺杂光纤呈现出非常宽的吸收带,其峰值吸收能力相较于传统掺铒光纤提升了两个数量级以上。
为了确保从镱离子到铒离子的能量转移过程高效进行,通常会采用向基底玻璃中掺杂磷的方式来提高其拉曼频移。由于 P=O 键的存在,玻璃基质的声子能量得以显著提升,其拉曼光谱的峰值从纯二氧化硅的 1190cm⁻¹ 处迁移至 1330cm⁻¹ 处。
这一变化有助于铒离子的I₁₁/₂能级上的粒子数快速减少,从而有效限制了能量从铒离子向镱离子的反向转移过程(如图 1所示)。
图1:掺铒 / 掺镱光纤(左)和掺铥光纤(右)中的能量转移过程
综上所述,高效的掺铒 / 掺镱光纤在纤芯中需要含有一定量的磷,这不仅有助于提升能量转换效率,同时也能够在一定程度上减少镧系离子的团聚现象。然而,要想同时达成上述两个关键目标,往往需要在光纤纤芯中引入相当高含量的磷元素,这无疑又为光纤的制造工艺增添了新的挑战与难度。
然而,磷会使基底玻璃的折射率上升,这就使得纤芯的数值孔径处于较高水平,大致在 0.17 至 0.20 甚至更高的范围。
如此,制造大模场面积(LMA)光纤时所需的低数值孔径要求便难以达成,难题也就随之显现出来了。
掺铥光纤拥有多个潜在的泵浦波段(如图 2,图7所示)。但由于 800 纳米光谱区域能够获取高功率半导体二极管,所以 793 纳米的泵浦波长就成为了优先选择。在传统的掺铥光纤中,793 纳米泵浦激光的转换效率最高约为 40%。
图2:芯径为 25μm、包层直径为 250μm 的大模场面积掺铥双包层光纤的包层吸收情况
不过,经过精心成分设计的掺铥石英光纤,其效率能够大幅提升,可接近 80% 之高。当下,那些与掺铥石英光纤性能紧密关联的重要能量转移过程已经被明确。
图1所展示的,是在掺铥石英光纤中观测到的交叉弛豫机制。其中,存在两个交叉弛豫过程,分别是以及
。鉴于
发射谱与
吸收谱在光谱上有较大程度的重叠,
这一过程的效率表现得格外显著。
这种交叉弛豫过程的精妙之处在于,每个 793 纳米的泵浦光子能够催生出两个信号光子,而且通过提升铥离子的浓度,还能够推动这一过程更加高效地进行。
但是,能量转移上转换过程,也就是和
,必须进行严格把控,防止
能级发生猝灭现象。
要做到这一点,可以通过提高氧化铝与铥的浓度比例来实现,进而避免铥离子出现团聚情况。所以,若要让掺铥光纤的量子效率突破 100%,就一定要保证光纤中含有高浓度的铥以及高浓度的氧化铝。
事实上,经由精细的成分设计,能够实现与掺镱光纤不相上下的功率转换效率,这使得此类光纤在人眼安全激光系统领域极具价值与吸引力,备受瞩目。
然而,相较于纯二氧化硅基底而言,这些高掺杂浓度会显著抬升纤芯的折射率,其典型的数值孔径处于 0.18 至 0.24 这一区间范围之内。
故而,如同掺铒 / 掺镱共掺杂光纤之情形,高效掺铥光纤在成分构成方面的特定要求,亦对制造低数值孔径光纤的能力构成了一定的限制与约束。
在常规的阶跃型光纤当中,纤芯的数值孔径系由纤芯自身的折射率以及其周边包层的折射率共同界定。然而,倘若设计出适配的基座,那么纤芯便可能会具备一个基于纤芯折射率和基座折射率所确定的有效数值孔径,恰如图3所展示之情形。
图3:采用基座设计的大模场面积光纤示意图(上)以及用于确定最小基座直径的建模数据(下)
可对基座的折射率予以审慎甄选,以使有效纤芯数值孔径低于 0.1 之阈值。同理,亦能够对基座的尺寸进行精准抉择,如此一来,在进一步拓展基座直径时,将不会对纤芯模式,尤其是基模,引发显著的效应与影响。
当处于这一特定直径时,基座对于纤芯而言,仿若一个 “纯正的” 包层,而非纤芯的延展或衍生部分。如若基座的尺寸制作得更小一些,纤芯基模的模场直径便会开始缩减,而且纤芯光亦可能会耦合至基座模式之中,从而引发模式的不稳定与能量的分散。
与此同时,基座的制作亦不应过度超出实际所需的规格,这是因为此举不仅会导致制造成本的无端增加,还存在泵浦光被捕获在基座螺旋模式之中的潜在风险,进而影响激光的传输效率与质量。
近期,有相关报道宣称,首次针对大芯径(25μm)的共掺铒镱和掺铥双包层光纤成功实施了高效的演示与验证。
在这两种情形下,纤芯数值孔径均被设定于 0.1 左右的数值区间,并且这些光纤分别被拉制成包层直径为 300μm 和 250μm 的规格样式,其包层数值孔径为 0.46,从而构建起稳定且高效的光纤结构体系。
图4:大模场面积掺铒镱光纤(EYDF)-25/300 的吸收光谱(左图)和斜率效率(右图)
图 4 清晰地呈现了共掺铒镱 25/300 基座光纤的吸收状况以及大约 30% 的斜率效率,为后续的研究与应用提供了关键的数据支撑与参考依据。
基座光纤设计的核心优势显而易见,即光纤掺杂纤芯所支持的模式数量相对较少,这对于提升激光的传输性能与稳定性具有重要意义。
因而,相较于具有类似直径但数值孔径较高(约 0.17)纤芯的光纤,在这种光纤中激发并维持基模理应更加顺遂与高效,能够更好地满足实际应用中的高精度需求。
数值孔径为 0.17 的 25μm 芯径光纤,其模式数量为 8.616,而当数值孔径为 0.10 时,模式数量则为 5.067,这一鲜明的对比充分彰显了低数值孔径在模式控制方面的优势。
图5:数值孔径(NA)对芯径为 25μm 的光纤所支持的横模数量的影响
图 5 确切地表明,引入基座有望将纤芯模式从 11 个锐减至 4 个,进而为实现接近衍射极限的光束质量创造了有利条件,有力地推动了激光技术在高精度领域的发展与应用。
尤为重要的是,鉴于模式耦合有所降低与减少,与高度多模光纤相较而言,在少模光纤中激发基模(即便需以牺牲高阶模式为代价)并在整个光纤长度上维持该模式中的功率,应当会显著地更为便捷与高效,能够有效提升激光系统的整体性能与稳定性,为其在诸多前沿领域的应用奠定坚实的基础。
从实验维度审视,在输入光放大器的特定配置情境中,已经确凿地证实了基座光纤具备优良的光束质量。在该配置条件下,通过运用标准模式匹配技术,对掺杂纤芯的基模进行了精准且细致的激发与调控。实际上,经实践验证发现,即便纤芯尺寸明显更为小巧(18μm),与具有 0.17 高数值孔径纤芯的光纤相比,在这种光纤中维持光束质量亦会更加轻松自如,展现出卓越的性能优势与应用潜力。
图6:在光放大器作用下,大模场面积掺铒镱光纤(EYDF)-25/300 的近场和远场光束轮廓以及光束质量因子(M²)测量情况
适用于制造高效放大器的光纤长度下的单模光束轮廓以及一个光束质量因子(M²)测量示例展示于图 6 中,在实验室环境下开展的实验中,对于高数值孔径的大芯径光纤,确实已成功证实其能够达成良好的光束质量水准。然而,就开发适配的组件以及进行系统性的设计,从而确保能够满足特定的光束质量规格要求而言,这一过程将会面临极大的困难与挑战,其复杂程度不容小觑。
当前业界普遍认为,若采用基座光纤设计方案,那么在人眼安全波长范畴内实现理想的光束轮廓这一具有挑战性的任务,将会变得更具可控性与可操作性,从而有效降低任务难度。
与此同时,针对掺铥光纤的成分研究与开发工作也在稳步推进。此项研究旨在精细优化能够促进二对一交叉弛豫过程的铥元素与氧化铝浓度,进而提升光纤的性能表现。据相关报道,在这一研究过程中,已实现了高达 68% 的斜率效率(对应量子效率达到 170%),具体数据可参考 [52](如图 7 所示)。
图7:成分优化后的掺铥光纤的斜率效率测量结果(左图)以及一种基座型大模场面积(LMA)掺铥光纤的光纤折射率分布情况(右图)
进一步地,图 7 清晰地展示了大模场面积(LMA)掺铥光纤(LMA-TDF-25/250,明确其芯径为 25μm,包层直径为 250μm)的折射率分布详情,精准地呈现出纤芯以及基座相对于包层的折射率对比情况,为深入了解该光纤的光学特性提供了关键数据支持。
经精确测量,此款光纤在 790 纳米波长处的吸收系数约为 4.5 分贝每米,其完整的吸收光谱已展示于图2 中,可供专业人士进行详细的分析与研究。同时,经过严谨的实验验证,该光纤具备接近衍射极限的卓越光束质量,并且有确切的报道指出,其光束质量因子(M²)低于 1.3,这一系列数据充分证明了该光纤在光学性能方面的优异表现,有望在相关领域得到广泛的应用与推广。