作者：Hyun Su Kim and Seongwoo Yoo

抽象的

我們提出了一種具有反向折射率分布的新型增益光纖結(jié)構(gòu)，用于高斯單模光束的高功率放大。通過在凹陷核心中實(shí)現(xiàn)漸變索引，可以使用反索引輪廓來實(shí)現(xiàn)大模式區(qū)域（LMA）設(shè)計(jì)。我們用數(shù)值方法表明，提出的增益光纖可以引導(dǎo)具有大光束面積的單模高斯光束，并將其放大到kW級(jí)輸出功率。

1.簡(jiǎn)介

高功率，高光束質(zhì)量的光纖激光器系統(tǒng)與其他高功率固態(tài)激光器系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)更緊湊，功率可擴(kuò)展，因此對(duì)科學(xué)家和工業(yè)界具有吸引力。但是，單模光纖激光器的輸出功率受到強(qiáng)大的非線性現(xiàn)象的限制，再加上在有限的光纖纖芯尺寸內(nèi)發(fā)生的熱效應(yīng)［ 1 ］。為了克服單模光纖激光器的功率限制，纖芯面積縮放已成為一種標(biāo)準(zhǔn)方法。許多科學(xué)家一直在設(shè)計(jì)新的光纖結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)允許較大的模面積，并通過高階模（HOM）抑制機(jī)制保持良好的光束質(zhì)量［ 2-6 ］。其中，Siegman提出了一種增益導(dǎo)引和折射率反導(dǎo)（GG + IAG）光纖［ 7］。該結(jié)構(gòu)允許單模式操作。但是，GG + IAG光纖會(huì)遭受固有的泄漏損耗，導(dǎo)致激光發(fā)射效率較低［ 8 ］。EAJ Marcatili和RA Schmeltzer ［ 9 ］分析了類似纖維結(jié)構(gòu)的固有泄漏損耗。結(jié)論是，固有的泄漏損耗會(huì)很快使輸出功率飽和，從而限??制了功率可擴(kuò)展性［ 9，10］。這意味著很難從GG + IAG光纖獲得高功率。但是，GG + IAG光纖是一種有前途的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗峁┝四Ｊ竭x擇性衰減，可在大纖芯尺寸下促進(jìn)單模工作。為了對(duì)GG + IAG光纖中的單基模（FM）光束進(jìn)行功率縮放，應(yīng)將FM的固有泄漏損耗降至最低。我們提出了一種漸變指標(biāo)配置文件，以取代階躍指標(biāo)核心，并減少FM損耗。GG + IAG光纖的FM具有近似高斯形狀。因此，提供高斯光束良好導(dǎo)引的纖維結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足要求。眾所周知，漸變折射率光纖可以很好地引導(dǎo)高斯光束，而不會(huì)產(chǎn)生明顯的泄漏損耗［ 11］。因此，可以通過漸變折射率結(jié)構(gòu)來降低GG + IAG光纖的FM固有的泄漏損耗。當(dāng)然，取決于信號(hào)種子束耦合條件，漸變折射率光纖也可以引導(dǎo)HOM。此外，即使在良好控制的發(fā)射條件下，HOM也會(huì)在放大過程中被激發(fā)［ 12，13 ］，這會(huì)降低輸出光束的質(zhì)量。但是，如果漸變折射率纖芯被凸起的包層包圍以形成GG + IAG光纖結(jié)構(gòu)，則可以通過GG + IAG光纖的模式相關(guān)損耗特性來選擇性抑制HOM。因此，將與模式有關(guān)的GG + IAG光纖損耗與漸變折射率纖芯的出色FM導(dǎo)引性能結(jié)合起來，可以用作實(shí)現(xiàn)kW級(jí)單模運(yùn)行的替代LMA設(shè)計(jì)路線。

因此，在本文中，我們提出了一種具有混合折射率分布的LMA增益光纖，該光纖由具有漸變折射率纖芯的GG + IAG折射率分布構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)允許LMA將高斯光束放大到kW級(jí)別。整個(gè)漸變折射率磁芯從包殼中壓下，形成了與模式有關(guān)的損耗，用作低通濾波器。我們用數(shù)值方法研究了所提出的增益光纖在幾個(gè)大纖芯直徑和各種漸變折射率參數(shù)下的放大特性。而且我們證明，磁芯尺寸可以達(dá)到100μm，適合kW級(jí)輸出功率。我們的論文為實(shí)現(xiàn)單模高功率光纖激光器的替代LMA光纖路徑做出了貢獻(xiàn)。還討論了光纖設(shè)計(jì)的制造可行性。

2.提出的增益光纖的數(shù)值模型，該光纖由漸變折射率和GG + IAG光纖折射率組成

所提出的增益光纖具有漸變折射率和逆步進(jìn)指數(shù)分布構(gòu)成的索引結(jié)構(gòu)，如圖圖1中.The漸變折射率纖芯圖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是纖芯半徑，值α在2的附近區(qū)域。在α = 2的情況下，漸變折射率光纖的FM具有高斯形狀［ 11 ］。FM光束的大小取決于γ和歸一化的頻率參數(shù)V ［ 11］。沿漸變折射率光纖傳播時(shí)，與FM光束尺寸不匹配的高斯光束會(huì)周期性發(fā)散和會(huì)聚。HOM的會(huì)聚或聚焦不利于高功率操作，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致內(nèi)核內(nèi)部的光學(xué)損壞。為避免聚焦效果，應(yīng)準(zhǔn)直漸變折射率芯內(nèi)部的光束。通過使高斯光束的衍射角與漸變折射率的全內(nèi)反射的臨界角匹配［ 14 ］，可以實(shí)現(xiàn)這種準(zhǔn)直。使用上述條件和近軸近似，我們可以得出漸變折射率光纖芯內(nèi)部準(zhǔn)直高斯光束的比例因子γ，如下所示：

其中［R大號(hào)是輸入光束半徑和λ 0在真空的入射光束的波長(zhǎng)。此結(jié)果與漸變折射率光纖在FM附近的FM光束尺寸的數(shù)值近似值相符。