高功率能量飞秒激光中多芯光纤热效应对合成效果的影响

相干合成技术能够克服光纤激光器中峰值功率和平均功率的限制，随着通道数量的增加，相干合成的成本与空间也会急剧上升，比如N个独立放大器的合成需要N倍的空间、元件和成本。基于多芯光纤（MCF）的相干合成技术有望突破该瓶颈，然而当功率增加时多芯光纤中会形成沿直径方向的温度梯度，从而导致多芯光纤纤芯非均匀模场收缩，因此深入理解多芯光纤中热效应对合成效果的影响成为亟待研究的问题 。德国耶拿Limpert教授课题组最近针对该问题进行了详尽的理论研究。

图1：1 m长的掺镱 MCF 中的有效模式面积和强度分布

图1左图显示了纤芯直径 80 μm 、3 × 3 多芯光纤有效模场面积随光纤长度的演化。功率随着光纤长度而增加，导致光纤末端热负载更高，从而加剧模场的不均匀收缩，因此每个纤芯的模场面积都在逐渐缩小。右图显示的光纤末端的强度分布表明不同纤芯之间存在很大差异，非均匀模场收缩不仅会降低系统的合成效率，还会影响放大效率和非线性。

图2：MCF中同向泵浦的热负载

作者提出采用同向泵浦能够降低光纤末端的热负载，从而减轻多芯光纤的非均匀模场收缩。因为同向泵浦的主要放大部分靠近泵浦输入端的地方，所以可以有效降低光纤末端的热负载。图2展示了同向泵浦时光纤内的热分布，主要的热负载出现在光纤前部，光纤末端热负载较低。

图3：纤芯 80 μm、3 × 3 MCF 在同向泵浦时的有效模场面积的演变

图3展示了在同向泵浦条件下有效模场面积沿着光纤的变化，可见模场面积减少发生在增益光纤前半段，而且缩小比例比反向泵浦小的多；在光纤末端，几个纤芯的有效模场面积基本一样。然而同向泵浦积累的非线性更高，尽管可以提高合成效率和输出功率，但是单脉冲能量却更低，

图4：用于反向泵浦的MCF的新设计

为了解决同向泵浦输出单脉冲能量较低的问题，该课题组提出如图4所示的棒状光纤结构。去除棒状光纤末端的空气包层后，即使在反向泵浦情况下，光纤末端泵浦强度依旧较低，从而降低光纤末端的热负载。从图上可见，热负载最大的部分出现在空气包层断开之处，而光纤末端热负载大大降低。

图5：3 × 3 MCF有效模场面积随光纤长度的变化，此时为1 kW反向泵浦

有效模场面积在新型结构中的演化情况如图5所示。可以发现，在有空气包层的部分，模场面积和光束质量与之前的反向泵浦情况基本一致，如图5（c）。但是在没有空气包层的部分，热负载快速降低，有效模场面积快速增加，有效模场面积基本没有区别，输出光斑质量大大升高，如图5（d）所示。

图6：最大合成功率（上）和最大合成单脉冲能量（下）与光纤芯数之间的关系

这种新型结构的多芯光纤也可以提升合成效率，从而大幅度提高合成之后的平均功率和脉冲能量。如图6上所示，利用10X10的多芯光纤，有望获得平均功率为20000W、能量超过600mJ的飞秒脉冲。

该课题组提出了两种方法以消除多芯光纤中的热效应对相干合成的有害影响，为多芯光纤在高功率高能量飞秒激光系统中的实用化铺平了道路。