作者：黃冠儒
隨著光纖激光器輸出性能的不斷攀升，單根光纖的放大會面臨著難以逾越的物理限制：橫模不穩(wěn)定性（TMI）和靜態(tài)模式退化（SMD）等限制了平均功率的進一步提升，同時脈沖能量的增長受制于非線性效應（如自聚焦等）。摻鐿多芯光纖激光放大技術通過將多個增益通道集成在同一根光纖中，使其兼具結構緊湊性與并行放大的可拓展性，有望突破以上限制。德國耶拿課題組詳細介紹了高功率摻鐿多芯光纖激光放大技術的原理、發(fā)展現狀、時空整形應用以及未來展望[1]。
圖1 多芯光纖不同纖芯直徑下芯對芯光耦合情況[2]為了實現高性能放大，設計多芯光纖必須平衡多個物理參數，主要涉及以下三個關鍵問題：1）確保纖芯之間光解耦（如圖1所示），避免功率在纖芯間發(fā)生串擾；2）控制纖芯間的偏振一致性，通過引入應力棒等方法可使各纖芯的雙折射特性趨于一致，有利于提高后續(xù)相干合束效率；3）熱效應管理（如圖2所示），高平均功率下光纖截面會產生溫度梯度，導致模式收縮和TMI效應加劇等現象。圖2 熱負荷下5x5有源MCF的溫度分布（左）和相應的橫模分布（右）情況[3]近年來，多芯光纖激光系統(tǒng)在平均功率和脈沖能量兩個維度上均取得了突破性進展。平均功率方面，2023年報道了一種6芯環(huán)形排列的光纖設計，以最大限度地減小熱抗阻，實現了1.2 kW的連續(xù)波輸出，且光束質量良好[4]；2024年報道的49芯光纖系統(tǒng)則展示了在納秒和飛秒脈沖下，平均功率能夠分別達到500 W[5]和260 W[6]。脈沖能量方面，2024年德國耶拿課題組展示了基于7x7階躍折射率纖芯的棒狀多芯光纖系統(tǒng)，平均功率高達500 W，總脈沖能量達到了創(chuàng)紀錄的110 mJ（如圖3所示），能量提取效率高達75%，且能量穩(wěn)定性極佳（0.2% RMS），這一結果標志著多芯光纖激光系統(tǒng)在能量指標上已能與薄片激光器等傳統(tǒng)固態(tài)激光器競爭[5]。值得注意的是，相比于由多個獨立單芯光纖組成的系統(tǒng)，多芯光纖系統(tǒng)將器件數量和大小減少了約6倍，極大地提升了系統(tǒng)的魯棒性和實用性。圖3 a)總脈沖能量與泵浦功率的關系，子圖顯示2 kHz頻率下的測量直方圖。除了功率和能量的提升，多芯光纖的多通道特性還賦予了激光器前所未有的動態(tài)控制能力。通過獨立控制各纖芯輸出光束的相位、振幅和偏振，不僅可以實現相干合束，還能整形時空光場。利用各通道間的延時控制和光譜合成技術，可以突破單根光纖的增益帶寬限制，合成出帶寬更寬、脈寬更短（如100 fs級）的脈沖[7]。此外，通過調節(jié)各子光束的相位分布，可以動態(tài)生成渦旋光束、矢量光束等結構光場[8]。多芯光纖技術正處于從實驗室走向實際應用的發(fā)展期。理論預測表明，10x10陣列的多芯光纖系統(tǒng)有望實現100 kW級的平均功率。此外，還可向2 μm波段（如摻銩、摻鈥光纖）拓展，以滿足硅加工和大氣傳輸等特殊需求。綜上，摻鐿多芯光纖放大技術通過集成化設計，成功突破了光纖激光器的功率擴展瓶頸，是高能量高功率激光領域未來發(fā)展技術路線之一。[1] Klenke A, Jauregui C, Bahri M, et al. High-power ytterbium-doped multicore fibers[J]. Optical Fiber Technology, 2026, 96: 104471.[2] Steinkopff A, Aleshire C, Klenke A, et al. Analysis of optical core-to-core coupling: challenges and opportunities in multicore fiber amplifiers[J]. Optics express, 2023, 31(17): 28564-28574.[3] Steinkopff A, Jauregui C, Aleshire C, et al. Impact of thermo-optical effects in coherently combined multicore fiber amplifiers[J]. Optics Express, 2020, 28(25): 38093-38105.[4] L.F. Ortega, T. Feigenson, Y.W. Tam, P. Reeves-Hall, T.Y. Fan, M. Messerly, C. X. Yu, K.-H. Hong, 1.2-kW all-fiber Yb-doped multicore fiber amplifier, Opt. Lett. 48 (2023) 712.[5] M. Bahri, A. Klenke, C. J′auregui-Misas, S. Kuhn, J. Nold, N. Haarlammert, T. Schreiber, and J. Limpert, “Extraction of 100-mJ level pulse energy at high repetition rates by a ns-class, 49-core fiber laser,” in Fiber Lasers XXI: Technology and Systems, C. Jollivet, ed. (SPIE, 2024), Vol. 12865, p. 5.[6] A. Klenke, M. Bahri, C. J′ auregui-Misas, J. Nold, N. Haarlammert, T. Schreiber, and J.Limpert, “Femtosecond CPA laser system emitting 261W average power, 1.75mJ pulse energy based on coherent combination of a 49-core fiber, https://doi.org/10.1117/12.3042785 13342, 82–84 (2025).[7] P. Rigaud, V. Kermene, G. Bouwmans, L. Bigot, A. Desfarges-Berthelemot, A. Barth′el′emy, Spectral division amplification of a 40 nm bandwidth in a multicore Yb doped fiber and femtosecond pulse synthesis with in-fiber delay line, Opt. Express 23 (2015) 27448.[8] D. Lin, J. Carpenter, Y. Feng, S. Jain, Y. Jung, Y. Feng, M.N. Zervas, D. J. Richardson, Reconfigurable structured light generation in a multicore fibre amplifier, Nat. Commun. 11 (2020) 1–9.
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