一种具有反向折射率分布的新型增益光纤技术

作者：Hyun Su Kim and Seongwoo Yoo

抽象的

我们提出了一种具有反向折射率分布的新型增益光纤结构，用于高斯单模光束的高功率放大。通过在凹陷核心中实现渐变索引，可以使用反索引轮廓来实现大模式区域（LMA）设计。我们用数值方法表明，提出的增益光纤可以引导具有大光束面积的单模高斯光束，并将其放大到kW级输出功率。

1.简介

高功率，高光束质量的光纤激光器系统与其他高功率固态激光器系统相比，结构更紧凑，功率可扩展，因此对科学家和工业界具有吸引力。但是，单模光纤激光器的输出功率受到强大的非线性现象的限制，再加上在有限的光纤纤芯尺寸内发生的热效应［ 1 ］。为了克服单模光纤激光器的功率限制，纤芯面积缩放已成为一种标准方法。许多科学家一直在设计新的光纤结构，该结构允许较大的模面积，并通过高阶模（HOM）抑制机制保持良好的光束质量［ 2-6 ］。其中，Siegman提出了一种增益导引和折射率反导（GG + IAG）光纤［ 7］。该结构允许单模式操作。但是，GG + IAG光纤会遭受固有的泄漏损耗，导致激光发射效率较低［ 8 ］。EAJ Marcatili和RA Schmeltzer ［ 9 ］分析了类似纤维结构的固有泄漏损耗。结论是，固有的泄漏损耗会很快使输出功率饱和，从而限制了功率可扩展性［ 9，10］。这意味着很难从GG + IAG光纤获得高功率。但是，GG + IAG光纤是一种有前途的设计，因为它提供了模式选择性衰减，可在大纤芯尺寸下促进单模工作。为了对GG + IAG光纤中的单基模（FM）光束进行功率缩放，应将FM的固有泄漏损耗降至最低。我们提出了一种渐变指标配置文件，以取代阶跃指标核心，并减少FM损耗。GG + IAG光纤的FM具有近似高斯形状。因此，提供高斯光束良好导引的纤维结构应满足要求。众所周知，渐变折射率光纤可以很好地引导高斯光束，而不会产生明显的泄漏损耗［ 11］。因此，可以通过渐变折射率结构来降低GG + IAG光纤的FM固有的泄漏损耗。当然，取决于信号种子束耦合条件，渐变折射率光纤也可以引导HOM。此外，即使在良好控制的发射条件下，HOM也会在放大过程中被激发［ 12，13 ］，这会降低输出光束的质量。但是，如果渐变折射率纤芯被凸起的包层包围以形成GG + IAG光纤结构，则可以通过GG + IAG光纤的模式相关损耗特性来选择性抑制HOM。因此，将与模式有关的GG + IAG光纤损耗与渐变折射率纤芯的出色FM导引性能结合起来，可以用作实现kW级单模运行的替代LMA设计路线。

因此，在本文中，我们提出了一种具有混合折射率分布的LMA增益光纤，该光纤由具有渐变折射率纤芯的GG + IAG折射率分布构成。该结构允许LMA将高斯光束放大到kW级别。整个渐变折射率磁芯从包壳中压下，形成了与模式有关的损耗，用作低通滤波器。我们用数值方法研究了所提出的增益光纤在几个大纤芯直径和各种渐变折射率参数下的放大特性。而且我们证明，磁芯尺寸可以达到100μm，适合kW级输出功率。我们的论文为实现单模高功率光纤激光器的替代LMA光纤路径做出了贡献。还讨论了光纤设计的制造可行性。

2.提出的增益光纤的数值模型，该光纤由渐变折射率和GG + IAG光纤折射率组成

所提出的增益光纤具有渐变折射率和逆步进指数分布构成的索引结构，如图图1中.The渐变折射率纤芯图1的折射率分布如下。

其中n 1是峰值折射率，γ是比例因子，r 0是纤芯半径，值α在2的附近区域。在α = 2的情况下，渐变折射率光纤的FM具有高斯形状［ 11 ］。FM光束的大小取决于γ和归一化的频率参数V ［ 11］。沿渐变折射率光纤传播时，与FM光束尺寸不匹配的高斯光束会周期性发散和会聚。HOM的会聚或聚焦不利于高功率操作，因为它可能导致内核内部的光学损坏。为避免聚焦效果，应准直渐变折射率芯内部的光束。通过使高斯光束的衍射角与渐变折射率的全内反射的临界角匹配［ 14 ］，可以实现这种准直。使用上述条件和近轴近似，我们可以得出渐变折射率光纤芯内部准直高斯光束的比例因子γ，如下所示：

其中［R大号是输入光束半径和λ 0在真空的入射光束的波长。此结果与渐变折射率光纤在FM附近的FM光束尺寸的数值近似值相符。