近兩年,，3C手性耦合芯光纖被越來越多的提及,，頻繁地出現(xiàn)在各類期刊文章當中，成為光纖激光器件家族中被重點關注的對象,。為什么與雙包層,、三包層光纖相比，3C光纖會同樣備受關注,？是什么樣的結構賦予之怎樣的光學特性,？今天咱們就一起來認識和了解一下3C手性耦合芯光纖。
手性(Chirality or Handedness)是一個幾何概念,，它是指物體所具有的經(jīng)由平移,、旋轉等任何實的空間操作都無法與其鏡像相重合的性質,，這種性質與物體本身的對稱性缺失有關系?？梢孕蜗蠖唵蔚恼f,，手性即是物體可以用手來表征的性質，因此也被稱為手征性,。手性體是具有手性的物體,，典型的代表是螺旋和扭結狀物體，手性體可以是三維的也可以是二維的,。手性體的尺度可大可小,，它可以是宏觀物體如星系、星云等,，也可以是 DNA,、氨基酸等微觀分子。圖 1-1 給出了兩個手性體的例子,，分別是法國蝸牛和具有雙螺旋結構的 DNA 分子[1],。
圖1. 法國蝸牛和具有雙螺旋結構的 DNA 分子
根據(jù)手性體尺度與所研究電磁波波長之間的大小關系，待研究問題所涉及的手性被劃分為介質手性與結構手性,。介質手性是指構成手性物質的手性體(如手性分子)的尺寸遠小于電磁波波長,，而二者可以相比擬的情況則稱為結構手性。由介質手性體構成或者填充的材料稱為手性介質,，由手性介質*或者部分地替代常規(guī)介質,，可以構成手性、手性光纖,、手性光子晶體和手性光柵等新型器件,。相應的，在與電磁波波長可以比擬的尺度量級上,，由介質構成手性結構體,，進而形成的器件就屬于結構手性的范疇。典型的結構手性器件有手性光纖光柵[3,4],，平面手性結構陣列等,。圖2給出了一些介質手性和結構手性器件的例子，圖2(a)為介質手性光纖(可以是包層或者芯層為手性介質,，也可以是二者都為手性介質),；圖2(b)為手性光纖光柵(亦被稱為結構手性光纖)，其纖芯是雙螺旋的,；圖2(c)為一種平面手性結構陣列,，其手性體為二維萬字狀的微體[1]。
圖2介質手性光纖(a),、手性光纖光柵(b)和平面手性結構陣列(c)
手性的概念,，即包含手性介質的結構,，是由N. Engheta和P. Pelet在1989 年首先提出的[3]，它是由在一般的柱形中填充各向同性的手性介質構成,，即芯層是手性的而包層是由常規(guī)材料構成,。該文中提到手性光不能獨立支持 TEM、TE 和 TM 模式,，其模式是以 TE 和 TM 的耦合孿生形式存在的,。這一點與傳統(tǒng)的光是不同的，因而引起了中外學者的廣泛關注并且產生了濃厚的興趣,，他們同時也研究了手性的理論問題[4-5],。
二、手性光纖
近年來,，光纖激光器及其相關技術發(fā)展迅猛,，輸出功率得到較大的提高，可以達到千瓦量級以上平均功率和兆瓦量級的峰值功率,，因此受到人們的廣泛關注,。然而，隨著功率的提高,，光纖中的光功率密度增大，受激拉曼散射(SRS)等非線性效應變得比較嚴重,，這限制了光纖激光器輸出功率的進一步提升,。為解決該問題，通常采用大模場面積(LMA)光纖或光子晶體光纖(PCF)來實現(xiàn)激光器的高功率輸出,。然而,，前者會導致高階模傳輸，只有采用正確的激勵或彎曲盤繞等模式控制方法才能實現(xiàn)單模傳輸,，且對于纖芯直徑超過 25 μm 的 LMA 光纖來說,，模式控制的方法很不穩(wěn)定；后者雖然能實現(xiàn)單模輸出,，但在彎曲時會引起較大的模式損耗,，不利于系統(tǒng)的集成化[1]。
針對上述問題,，2007 年,，美國 Michigan 大學超快光學研究中心提出了手性耦合纖芯3C光纖[6]的新型光纖結構，它能夠突破傳統(tǒng)單模光纖 V=2.405歸一化截止頻率的限制,，在大纖芯尺寸(大于 30 μm )的情況下實現(xiàn)穩(wěn)定的單模輸出,，且無需任何模式控制技術。這樣既可達到提升光纖激光器輸出功率的目的,，又可以很方便地將光纖置于復雜系統(tǒng)中,，實現(xiàn)光纖激光系統(tǒng)的集成化,。實驗如圖所示，獲得了1066nm,，37W基模光輸出,。此外，3C光纖還具有模式無失真熔接和緊湊盤繞(盤繞半徑小于 15 cm)的優(yōu)點[7],，與采用標準光纖熔接與處理技術制備出的光學元件相匹配,。3C光纖為實現(xiàn)高峰值功率與高能量的光纖激光器系統(tǒng)提供了一種新的途徑，逐漸成為國內外研究人員關注的熱點[1],。
圖3. 3C光纖的制備
普通光纖通常由包層和沿軸向分布的纖芯構成,，而 3C （Chirally-coupled-core）手性耦合纖芯光纖的結構，石英包層內有兩條纖芯,，一條是沿軸向分布的中央纖芯,，芯徑較大，一般在30um 以上,，用于信號光的傳輸,；另一條是偏離中心軸、圍繞中央纖芯螺旋分布的側芯,，芯徑比中央纖芯小得多,，只有十幾微米，主要作用是控制中央纖芯的模式,，將高階模耦合進側芯并對其產生高損耗(大于 100 dB/m),，使得中央纖芯中的基模可以極低損耗地傳輸(小于 0.1 dB/m),。3C光纖的主要參數(shù)包含兩芯尺寸,、側芯偏移量 R 和螺旋周期 Λ ，合理的 R 和 Λ 值能使側芯對中央纖芯的模式進行控制與選擇[1],。
圖4. 3C光纖的結構
3C光纖之所以能夠在大芯徑情況下實現(xiàn)穩(wěn)定的單模傳輸,，是因為其側芯特殊的螺旋結構。這種新型光纖中側芯圍繞中央纖芯螺旋的復合結構可以實現(xiàn)以下三方面功能,。
1) 實現(xiàn)中央纖芯基模和側芯中模式的相速度匹配,，使兩模式能夠進行耦合。通常兩個之間的模式耦合要滿足相速度匹配條件( β（1）= β（2）)[7],，但在 CCC 結構中,，由于螺旋因素的存在，兩芯中模式的傳輸常數(shù)不再相等,，會導致額外的相位差,，因此其匹配條件變?yōu)閇8]β side mode + Δβhelix = β(central mode) , 式中 β(central mode) 和 β side mode 分別為中央纖芯和側芯中模式的傳播常數(shù)，Δβhelix = 2πn/λ[ -1]為側芯因螺旋產生的額外相速度,，可通過 R 和 Λ 來控制,，從而達到匹配條件,。
2) 通過滿足準相位匹配條件，可提供中央纖芯和側芯之間有效的高階模式的對稱選擇性耦合,。該QPM 條件為[9] ,，
式中 為主芯中 模的傳播常數(shù)， 為主芯中 模的傳播常數(shù) 為側芯的螺旋修正因子,，由于 QPM 條件要求側芯傳輸常數(shù)為投射到中心軸的值,，因此對 作出修正；K= 2π/Λ ,，表示側芯螺旋率,；Δm = Δl + Δs ，其中 Δl 由四種可能的組合構成 Δl = ±l1 ± l2 ,，而 Δs 的可能取值為-2,，-1，0,，+1,，+2。 該公式表明,，兩模式之間由于螺旋因素所產生的相位差被螺旋率 K 所彌補時,，便可相互作用。只有滿足該 QPM 條件的兩芯中的模式才能發(fā)生耦合,，使中央纖芯的高階模耦合進側芯,。
3) 合理選擇側芯尺寸、偏移量 R 及螺旋周期 Λ ,，實現(xiàn)側芯中高階模式的高損耗特性。
通過滿足 QPM 條件和側芯高損耗特性,，可以將中央纖芯的高階模式耦合到側芯從而被損耗掉,，只留下基模穩(wěn)定傳輸。而利用特性 1),，使中央纖芯基模與側芯模式發(fā)生部分耦合,，可方便地控制基模的相速度與色散特性[1]。
三,、手性光纖激光器的發(fā)展
Michigan 大學超快光學研究中心為了驗證3C光纖的單模傳輸特性,，他們以芯徑30 μm 的單模光纖(SMF)和中央纖芯芯徑 34 μm 的3C光纖做對比模擬，均用只有 12.5%的光功率與基模匹配的光源進行激勵,，經(jīng)過 20cm 左右距離的傳播,，兩根光纖都只剩下 12.5%的功率，說明纖芯中只剩下基模傳輸,，其余模式均損耗掉[9],。這一結果從理論上證實了3C 光纖等效于標準單模光纖,，具有單模傳輸特性。為了進一步驗證模擬結果,，Liu 等[8]根據(jù)相關參數(shù)制備出中央纖芯芯徑 35 μm ,、側芯芯徑 12 μm 的3C光纖，這也是一根無源 3C光纖,，同時參照模擬方法對其進行測試,，得到該光纖在 1550 nm 處輸出光斑為基模，光斑光束質量因子 M2=1.03,，且該光纖的基模損耗為 0.095 dB/m,，近乎無損耗地在纖芯中傳輸。這是世界上*證明3C光纖具有穩(wěn)定單模傳輸特性的實驗,，具有重大意義,。此外，實驗還發(fā)現(xiàn)該光纖具有很好的保偏特性,，消光比達到了 34 dB,。
2008 年，該實驗室制備出摻鐿雙包層3C光纖,，其中,，中央纖芯直徑為 33 μm ，數(shù)值孔徑(NA)為 0.06,；側芯直徑為 16 μm ,，NA為0.1；側芯螺旋周期 Λ 為 7.4 mm,，兩芯邊到邊距離為 4 μm [6],。利用該有源光纖搭建激光器系統(tǒng)，得到了很好的實驗結果,。實驗裝置采用法布里-珀羅(F-P)諧振腔,，尾端的高反鏡對反射光沒有任何模式選擇功能，光纖寬松盤繞,，不會起到模式選擇作用,。用 915 nm 激光二極管(LD)抽運有源光纖，在 1066 nm 處得到了 37 W激光輸出,，斜率效率達 75%,，激光閾值功率為 6 W，輸出光斑證實為基模[6],。該實驗進一步驗證了3C光纖的*性,，說明該光纖可以像普通光纖一樣作為激光器的增益介質使用，所構成的光纖激光器具有高斜率效率和低閾值功率的優(yōu)點，且輸出的光束質量相比 LMA 光纖得到了較大的改善[1],。
圖5. 33um 3C光纖實驗及結果
在 2009 年以雙包層摻鐿3C光纖搭建放大系統(tǒng)來探究其放大特性[10],。該實驗得到了 250 W 的連續(xù)功率輸出和150W輸出脈沖 10 ns，脈沖能量達到0.6mJ,，峰值功率60kW,，放大斜率效率達到 74%。同樣,，在所有功率水平下,，系統(tǒng)輸出光斑均為單模。
2010 年,，該團隊將3C光纖應用于主振蕩功率放大(MOPA)結構中來提升系統(tǒng)輸出功率[11],。實驗以2.7 m 長空氣包層摻鐿 3C光纖為功率放大器的增益介質，用 2.2 W 信號光激勵該光纖,，實現(xiàn)了 511 W 的MOPA 結構功率輸出,，放大器斜率效率為 70%，同時觀測到輸出光束為單頻單橫模的線偏振光,，具有大于 15 dB 的消光比[1],。
2012年Michigan 大學超快光學研究中心Thomas Sosnowski等人[12]通過33/250um 3C光纖實現(xiàn)了257W，200kHz,，8.5ns,，1.2mJ脈沖；86.5uJ,，575kW峰值功率脈沖,，以及利用55um 3C光纖實現(xiàn)了41W，8.3mJ,，640kW的高能量脈沖輸出,。
圖6. 33/250um 3C光纖輸出257W，200kHz,，8.5ns,，1.2mJ脈沖
圖7. 33/250um 3C光纖輸出86.5uJ，575kW峰值功率脈沖
圖8. 55um 3C光纖實現(xiàn)了41W,，8.3mJ，640kW的高能量脈沖輸出
2013 年,，立陶宛物理科學與技術中心的 ?eludevicius[13]通過搭建飛秒光纖啁啾脈沖放大(CPA)系統(tǒng)來提升輸出功率,，該系統(tǒng)中的功率放大裝置采用3C光纖為增益介質。實驗得到了 50 μJ 的脈沖能量,，400 fs 的脈沖,，輸出光斑為近似衍射極限，光束質量因子1.1。
圖9. 3C光纖實現(xiàn)飛秒脈沖放大
2018年Carnegie Mellon 大學的Jinxu Bai等人[14]用15mW,，25ns,，150nJ，100kHz,，1064nm種子源通過兩級2.5m和3m的3C光纖放大,，獲得了121.2W，單脈沖能量12mJ,，峰值功率50kW,，M2<1.2脈沖輸出。
圖10. 級聯(lián)3C光纖輸出高功率,、高能量脈沖
2019年,，Sven Hochheim等人用nLight的Yb700-34/250的3C光纖，制作了用于引力波探測的,，100W單頻單模保偏光纖放大器,。
圖11. 百瓦單頻單模保偏光纖放大器
以nLight Corporation出品的3C手性耦合芯光纖為例，中央芯33um,，側芯3um,，包層250um，1.8dB/m@920nm泵浦吸收率,，可實現(xiàn)2mJ脈沖和300kW脈沖輸出,，M2<1.15，系統(tǒng)運行4500小時,。[15]
圖12. 33um nLight3C光纖和數(shù)值模擬模式損耗
圖13. 以nLight3C增益光纖獲得的光纖激光的光束質量
3C光纖除了能夠實現(xiàn)穩(wěn)定的單模傳輸外,，根據(jù)其特殊結構，我們預測該光纖還能夠抑制某些非線性效應,。例如,，利用中央纖芯基模與側芯模式選擇性耦合的特點，使基模某一偏振態(tài)耦合進側芯,，這樣經(jīng)反射回來的偏振態(tài)便與原偏振態(tài)相反,，從而有效抑制受激布里淵散射(SBS)；經(jīng)過特殊結構設計的 CCC 光纖,，其透射譜具有一定范圍的波長抑制區(qū)域,，將該抑制區(qū)與斯托克斯 SRS 增益譜的峰值區(qū)相重合，便能有效抑制SRS 效應[16],；同時改變波長抑制區(qū)的范圍,，還能實現(xiàn)對摻鐿光纖激光器和放大器的波長選擇。CCC 光纖理論分析還表明其輸出光束攜帶有角動量,，因此可以預見 CCC 光纖能夠實現(xiàn)顆粒俘獲與操縱,、通信、計算和多維空間中的信息編碼等新型應用[17]。
四,、總結及展望
總之,，3C光纖的特點可總結為：
無需彎曲損耗保持良好的基模和偏振態(tài)輸出；
有效抑制脈沖功率放大過程中的非線性效應,；
可實現(xiàn)高能量,、高峰值功率的脈沖輸出。
基于以上的特性,，脈沖光纖激光器的諸多光學指標可以得到較大的提升,，進而滿足現(xiàn)如今科研與工業(yè)對品質光源提出的多方面要求。此外,，3C光纖結構還可以控制非線性效應,、實現(xiàn)通信等特殊功能。3C結構能夠實現(xiàn)的其他新型功能還有待我們的進一步研究,，可以肯定的是,，3C光纖無論在科學研究還是實際應用領域，都具有非常重要的意義及廣闊的發(fā)展前景,。
參考文獻
7
立即詢價
您提交后,，專屬客服將第一時間為您服務