芯源（深圳）光纤激光技术有限责任公司

与单芯光纤激光器相比多芯光纤激光器有着更大的有效模场面积,有利于提高光束的输出功率。多芯光纤激光器因各个纤芯之间互相称合直接形成超模传导因为各个纤芯之间的距离已定,所以纤芯之间的相位差已经锁定,同时纤芯之间的离散分布有利于` 响I。多芯光纤的出现为高功率激光输出光纤激光器的实现提供又一种可能。因为多芯光纤激光器具备其它光纤难以比拟的独特优势,国外很多知名研究机构展开了大量的理论和试验研究,例如美国Arizona大学、PC Photonics、英国QinctiQ和俄罗斯Troitsk新技术研究中心等。已有大量关于7芯、19芯、37芯等不同纤芯数目和不同结构的多芯光纤激光器研究报道。

2001年,P.K.Cheo等人报道了七芯光纤激光锁相输出的详细情况。整个光纤的光束质量较好,其中输出总功率超过5 同相超模数值孔径NA为0.15,光束质量因子M2<1.2,斜效率为65.2%,远场中央主瓣功率超过总功率的80%[31]。2004年,Cheo等人对19芯光纤进行试验,输出功率超过100 W,远场光束质量因子为M2为1.5,这个值接近同相超模光束质量理论值。

2005年,L.MichaiUe等人对六芯光子晶体光纤进行试验,实现激光的锁相输出,其斜效率为649^,合成光束远场发散角小于衍射极限的1.1倍左右。2006年,Michaille等人又对18芯光子晶体光纤进行试验,实现激光的锁相输出,具体数值为平均功率65 W,斜效率为46%,合成光束场发散角是衍射极限的1.2倍左右。并且通过实验验证了激光器效率随纤芯数目增多而降低。

Y.HUO等人主要对多芯光纤激光器理论知识方面进行研究,给出了人们研究多芯光纤激光器方面的理论指导,并对其激光输出建立了完整的理论模型。通过大量试验及仿真证明激光器的光光转换效率将随着纤芯数目的增多而降低,比如说7芯光纤的转换效率为70%,而19芯光纤的光光转换效率则只有50%。Cheo等建立的称合模理论还表明合成光束质量将随纤芯的增多、输出功率的提高而下降。国内的光纤激光器技术有着很快的发展,如北京交通大学、天津大学、国防科技大学等科研机构和大学已经 展了关于多芯光纤激光器的研究,并取得一定成果,但总体来说还处于探索阶段。

典型的光纤激光器是单芯光纤激光器,其光纤结构由外包层、内包层和纤芯构成。而多芯光纤则是在同一包层内含有多个纤芯,每个纤芯均工作在单模状态,一条光波导中集成了多个单芯光纤。多芯光纤的概念早在上世纪七十年代末就被提出,但是 发多芯光纤面临着光纤光缆的制造成本高和难以 发高密集度大芯数光缆两大难题。随着光纤制造技术的快速发展和不断完善,使得多芯光纤在制造过程中成本逐渐降低、机械强度和可靠性不断提高,开发多芯光纤所面临的难题得以解决,到上个世纪九十年代,多芯光纤才慢慢走向实用化阶段。多芯光纤除用于制作高密度光缆外,还应用于光纤滤波器、光纤传感器、光开关、光波分复用器、等光纤通信和光纤传感领。

D.R.Scifres在1996年因正式提出多芯光纤激光器的概念获得专利。相比较其他相千组束方法,多芯光纤激光器结构简单,输出功率高,纤芯间距离很近,通过减小纤芯间距等方式得到有效的调节和控制各纤芯之间的波耦合。

光纤结构的不同决定了多芯光纤输出不同的超模,多芯光纤超模模场分布和传输特性是多芯光纤研究和应用中最重要的问题。关于多芯光纤的超模模场分布的研究及理论分析已经有大量文献分析过,分析结果表明多芯光纤的输出模式是含有多个超级模式的混合模。

最常釆用的分析多芯光纤激光器的不同模式的理论是耦合模理论(Coupled, mode theory, CMT) 亲合模理论可以对纤芯之间的亲合过程进行解析的模拟仿真。如果多芯光纤各纤芯之间的亲合较强的话,可以用多模干涉法(Multimode Interference,对其进行分析。另外常用的有限元分析法(Finite element method, FEM)求解多芯光纤中传导的超模可以获得很髙的精确度,。此外还有基于有限差分光束传输法(Beam propagationmetllod, 的数谭方法吾模理论具有可行性和精确性等优点,适用于分析多芯的光纤结构,前面已经提到过它一般只适用于弱称合的情形,如果配合使用矢量亲合模理论(VCMT)可以获得更高精度的求解结果。已有可以模拟多芯光纤模场分布的软件Cortisol、Rsoft、BeamPROP等,这些软件可直接用来进行多芯光纤中模式传导的模拟。.