在過去幾年中，由于受到熱致模式不穩(wěn)定性和非線性效應(yīng)的影響，單一光纖放大器所能產(chǎn)生的平均功率、脈沖能量和峰值功率等性能指標(biāo)，已經(jīng)遇到難以克服的瓶頸。解決該問題的有效途徑是利用多路光纖放大器分別放大超快脈沖，之后進(jìn)行多光束相干合成。該技術(shù)有望顯著提高超快光纖激光的性能參數(shù)(如高重復(fù)速率下的焦耳級脈沖能量)，進(jìn)一步拓展其更廣泛的應(yīng)用（比如應(yīng)用于強(qiáng)場物理、激光粒子加速等)。

德國Jena課題組是該技術(shù)的開拓者。他們在2017年報(bào)道了利用集成化程度比較高的16個(gè)分離的光纖放大通道對光束進(jìn)行放大再合束 [1]，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。在主放大器之前，通過脈沖展寬器將脈沖展寬并用空間光調(diào)制器調(diào)節(jié)其相位，隨后又經(jīng)過3個(gè)PM980光纖、兩個(gè)聲光耦合器、2級模場直徑分別為42 μm及56 μm的大軸距光纖進(jìn)行了預(yù)放大，得到了50 w左右的功率。在該工作中，主放大器增益光纖為大模場面積棒狀光纖?？臻g合成系統(tǒng)在分束時(shí)是用偏振分光器和半波片把光束先分為上下兩束再進(jìn)一步把上下的光束各分成并列的八束。為了提高合成效率和光束品質(zhì)，該系統(tǒng)利用半波片及四分之一波片對非線性偏振旋轉(zhuǎn)進(jìn)行補(bǔ)償；每個(gè)通道均有壓電驅(qū)動的反射鏡，用于穩(wěn)定每路的相位。最終通過集成的布儒斯特型薄膜偏振器完成合束后，再利用Treacy型光柵壓縮器對脈沖進(jìn)行壓縮。

圖1 基于16個(gè)單一光纖放大器的多路相干合成摻鐿超快光纖激光系統(tǒng)

在合束結(jié)果方面，空間合成系統(tǒng)最終的總功率為1830 w，合束效率為82％，光譜寬度10.2 nm（圖2左），脈沖寬度為234 fs（圖2右），其變換極限脈寬為200 fs。未進(jìn)行最終合束的上下兩層光束功率均為1 kw左右，上下兩層的合束效率分別為95％和91％，光束的質(zhì)量因子均為1.3。

圖2 合束后光譜（左）和自相關(guān)曲線（右）

光束為偏橢圓形的高斯光束（圖3左），光束的質(zhì)量因子大約為3，質(zhì)量較差，主要來源于用于合束的偏振器的熱效應(yīng)（圖3右）。將來可以通過將該偏振器換成具有低吸收鍍膜的薄膜偏振器，避免熱透鏡效應(yīng)；另一個(gè)可改進(jìn)之處是將最后的透鏡式telescope換成mirror telescope。通過這兩項(xiàng)改進(jìn)，可以提高光束質(zhì)量，有望獲得2 kw功率、合束效率90％且光束質(zhì)量因子小于1.3的高能量飛秒脈沖。

圖3 空間合成后的光束（左）和展示了熱透鏡效應(yīng)的TFP熱成像圖（右）

為了進(jìn)一步小型化該系統(tǒng)，Jena課題組對上述方案進(jìn)行了重大改進(jìn)，改進(jìn)后的系統(tǒng)如圖4所示 [2]。

圖4 基于集成器件的16通道相干合成摻鐿超快光纖激光系統(tǒng)

該系統(tǒng)放大的主體部分是多纖芯的摻鐿光纖(如圖5所示），集成化程度更高，顯著降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

圖5 16纖芯光纖端面示意圖

(a)光纖端面 (b)放大的自發(fā)輻射 (c)放大信號輸出

該系統(tǒng)使用兩組分段鏡面分束器將一束入射光在空間上分成16個(gè)光束。這種分束器由一塊高反鏡以及一個(gè)包含并排的四種不同反射率區(qū)域的鏡面組成，反射率分別為0、50％、66％、75％，把初始光束分為4×4的矩陣，再用偏振分光器或4焦距系統(tǒng)來調(diào)節(jié)光束矩陣的間距，送到多纖芯光纖的端面。

多纖芯光纖合成系統(tǒng)則將光束通過了一個(gè)4×4的壓電調(diào)控鏡面矩陣來維持相位穩(wěn)定（圖6），借由鏡面反射過程中發(fā)生的光束水平豎直方向翻轉(zhuǎn)減小了在最后telescope處的球差。鏡面矩陣之前放置了透鏡矩陣，把鏡面安裝時(shí)微小的傾斜轉(zhuǎn)化為橫向的光束偏移，從而減小光束矩陣的畸變。之后，利用四分之一波片調(diào)節(jié)光束的偏振。為避免各個(gè)通道之間存在熱耦合，該課題組優(yōu)化了纖芯直徑以及各纖芯之間的間距。整個(gè)系統(tǒng)為filled-aperture結(jié)構(gòu)，有利于提高合束效率。

圖6 用于相位調(diào)節(jié)反饋的信號光束（未良好干涉光束，多為高階模光束）

經(jīng)過多纖芯光纖放大后的光束又一次經(jīng)過兩級分段鏡面，從而把16束光合束，其光束質(zhì)量因子小于1.2（圖7左），可以獲得近衍射極限大小的光斑（圖7右）。

圖7 多纖芯光纖系統(tǒng)光束M2測量（左）和合成后光束（右）

目前基于多纖芯光纖的合成系統(tǒng)還處于發(fā)展初期，Jena課題組只是進(jìn)行了原理驗(yàn)證。在該實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)平均功率僅有70 w功率，脈寬為40 ps，合束效率為80％。多纖芯光纖合成系統(tǒng)的進(jìn)一步研究，依賴于提高多纖芯光纖的制造工藝，使得纖芯矩陣排列更均勻，同時(shí)減小高階模傳輸帶來的損耗，并避免不同纖芯間的模式耦合。增加多纖芯光纖的纖芯數(shù)量也有利于進(jìn)一步提高功率，但也要仔細(xì)研究如何對該種光纖進(jìn)行熱量管理。

參考文獻(xiàn)：

[1] M. Mueller, A. Klenke, H. Stark, J. Buldt, T. Gottschall, J. Limpert, and A. Tünnermann, "16 Channel Coherently-Combined Ultrafast Fiber Laser," in Laser Congress 2017 (ASSL, LAC), OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2017), paper AW4A.3.

[2] A. Klenke, M. Müller, H. Stark, F. Stutzki, C. Hupel, T. Schreiber, A. Tünnermann, and J. Limpert, "Coherently combined 16-channel multicore fiber laser system," Opt. Lett. 43, 1519-1522 (2018)

來源：光波常 ，作者賈雪琦