光纖CPA放大利器丨NKT ROD3.2助力超快激光技術(shù)革新

  隨著(zhù)超快激光技術(shù)在精密加工與科研領(lǐng)域的廣泛應用，飛秒光纖激光器憑借高能量、短脈沖特性成為核心工具。本文聚焦其核心器件——高品質(zhì)光子晶體光纖(PCF ROD)，分析其技術(shù)演進(jìn)與工業(yè)應用。NKT Photonics最新推出的ROD3.2專(zhuān)為工業(yè)級飛秒光源設計，通過(guò)提升橫模不穩定性(TMI)閾值，支持150W平均功率(實(shí)際可高達175W以上)、357fs脈沖輸出，同時(shí)體積縮小30%，結構更緊湊，滿(mǎn)足工業(yè)場(chǎng)景對高穩定性與集成化的需求。

  超快光纖激光器市場(chǎng)

      2023年中國激光設備市場(chǎng)總體穩中向好，預計2024年增速平穩，將達到960億元。2023年我國光纖激光器市場(chǎng)整體銷(xiāo)量穩中有升，企業(yè)通過(guò)調整策略，開(kāi)始更加注重毛利率與品控。2023年整個(gè)市場(chǎng)恢復正增長(cháng)，達到135.9億元，預計2024年銷(xiāo)售收入為145.3億元。在半導體、顯示器制造和玻璃加工需求推動(dòng)下，中國超快激光市場(chǎng)正在增長(cháng)，2023年國內超快激光市場(chǎng)規模達到40.2億元，預計2024年將達到46.1億元。

圖1. 2019年-2024E年中國超快激光市場(chǎng)(單位：億元 《2024中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》)

      1985年的啁啾脈沖放大技術(shù)，1988年的雙包層光纖技術(shù)，1997年的大模場(chǎng)光纖概念的提出，以及分脈沖放大、預啁啾管理放大、相干脈沖堆積等技術(shù)，都對超快光纖激光的發(fā)展有著(zhù)重要的影響。隨著(zhù)超快光纖激光技術(shù)的發(fā)展，超快光纖激光器已成為超快激光市場(chǎng)的主力軍，廣泛應用于科研、生產(chǎn)、醫療等領(lǐng)域，尤其在精密/微納加工、高脈沖能量源、微觀(guān)動(dòng)力研究及天文科學(xué)中具有不可替代的優(yōu)勢。

圖2. 高功率超快激光發(fā)展【1】

飛秒超快光源的應用

  光纖超快激光放大的核心器件

  光子晶體光纖棒(PCF ROD)

  飛秒光源在啁啾脈沖放大過(guò)程中，時(shí)域上經(jīng)過(guò)展寬的脈沖，在功率上進(jìn)行放大(圖3)。為了保證獲得高平均功率、高光束質(zhì)量的脈沖，需要在保持種子源單模、偏振態(tài)等光學(xué)參數的同時(shí)，有較高的TMI(橫模不穩定性，Transverse Mode Instability)閾值，這對放大級光纖的波導結構提出了非常高的要求，大模場(chǎng)光子晶體光纖應運而生。

圖3. 啁啾脈沖放大系統

      光子晶體光纖具有大模場(chǎng)，支持單模傳輸和保偏的特點(diǎn)。PCF又被稱(chēng)作微結構光纖，橫截面上有較復雜的折射率分布，通常含有不同排列形式的氣孔，這些氣孔的尺度與光波波長(cháng)大致在同一量級且貫穿器件的整個(gè)長(cháng)度，光波可以被限制在低折射率的光纖芯區傳播。目前PCF和普通石英光纖的熔接已經(jīng)比較成熟(圖4)，利用標準商用的特種熔接機，可以實(shí)現良好的模場(chǎng)匹配及低損耗傳輸，這也滿(mǎn)足了全光纖結構的工業(yè)產(chǎn)品需求。目前的商業(yè)40um芯徑PCF已經(jīng)以OEM的形式模塊化，更便于集成和產(chǎn)品化(圖5)。

圖4. 單模雙包層光子晶體光纖，PCF與石英光纖的低損耗熔接

      隨著(zhù)光子晶體光纖技術(shù)的發(fā)展，出現了商用化的更大模場(chǎng)的棒狀PCF(ROD type PCF)，最早由Limpert在2005年首次提出【2】，之后被應用到各個(gè)實(shí)驗中獲得了非常好的效果【3】。NKT Photonics公司是全球最大的商業(yè)化微結構特種光纖供應商，多年來(lái)為國內外眾多超快科研項目和產(chǎn)品生產(chǎn)。具有代表性的ROD系列產(chǎn)品為大家所熟悉，近期更是推出了ROD3.2版，專(zhuān)門(mén)用于工業(yè)級飛秒光源產(chǎn)品的光放大，輸出功率更高，體積更小，結構更緊湊。NKT ROD系列產(chǎn)品，高品質(zhì)光子晶體光纖，專(zhuān)門(mén)用于飛秒激光的功率放大，ROD2.1和ROD3.1適用于科研類(lèi)的項目，單路飛秒功率放大和多路飛秒相干合成中的各路功率放大，其中ROD3.1具有更高的TMI閾值，可以獲得更高的功率輸出。ROD3.2適用于工業(yè)飛秒光源的制作，輸出功率更高、體積更小、結構更緊湊。

NKT Photonics aeroGAIN-ROD 系列產(chǎn)品

NKT Photonics aeroGAIN-ROD 系列光學(xué)指標

  棒狀光子晶體光纖的應用

  2022年NKT Photonics用PCF-ROD放大，實(shí)現了175W，357fs，233uJ輸出【4】。

       飛秒激光放大技術(shù)，國內中科院物理所，華中科技大學(xué)等科研團隊多年來(lái)取得了矚目的成就。2020年ZHANG Y等利用PCF-ROD以圓偏振脈沖預啁啾管理光纖放大系統，實(shí)現了啁啾鏡片組壓縮后47fs，平均功率101W脈沖輸出【5】。2021年他們提出基于高增益雙通放大的預啁啾管理放大技術(shù)，該技術(shù)弱化了PCMA技術(shù)中對信號功率的依賴(lài)程度，使得振蕩器級別的數十毫瓦弱小信號僅通過(guò)結構緊湊的一級放大器即可獲得百瓦量級的超短脈沖輸出，100W，40fs【6】。

圓偏振脈沖預啁啾管理光纖放大系統

雙通放大的預啁啾管理放大系統

2024年物理所研究團隊，利用PCF-ROD和CPA結構，研究注入功率對放大脈沖補償效果，并以圓偏振來(lái)弱化非線(xiàn)性相移積累，實(shí)現了壓縮后1MHz，264fs，273W的脈沖輸出【10】。

2023年物理所研究團隊利用兩支PCF-ROD棒，基于被動(dòng)合成摻鐿超快光纖激光系統，進(jìn)一步獲得了最高平均功率可達200W的結果，且在100kHz的重復頻率下，單脈沖能量達到1.07mJ，系統合成效率超過(guò)了85%【7】。

之后該團隊基于SPGD算法四路相干合成系統，在重復頻率微1MHz和500kHz時(shí)，分別輸出了672W，0.67mJ和534W，1.07mJ的飛秒脈沖輸出。2024年華中科技大學(xué)研究團隊以?xún)芍CF-ROD棒搭建兩路飛秒相干合成，實(shí)現了403W，260fs脈沖輸出【8】。

之后該團隊基于四通道光纖放大器相干光束合成的高功率飛秒激光系統。每個(gè)通道均采用大模場(chǎng)棒狀光子晶體光纖，平均功率達到220W。通過(guò)穩定的主動(dòng)相位鎖定技術(shù)，壓縮后的激光系統在800kHz的重復頻率下實(shí)現了724W的平均功率和0.9mJ的單脈沖能量，壓縮效率89%【9】。

參考文獻

  1. Limpert J, Deguil-Robin N, Manek H?nninger I, et al. High power rod type photonic crystal fiber laser. Optics Express, 2005, 13 (4)

  2. Otto H J, Stutzki F, Modsching N, et al. 2kW average power from a pulsed Yb-doped rod type fiber amplifier. Optics Letters, 2014, 39 (22).

  3. Florian Jansen，et al. The influence of index-depressions in core pumped Yb-doped large pitch fibers. Optics Express, 2010, 18 (26)

  4. Martin E. V. Pedersen et al. 175 W average power from a single-core rod fiber-based chirped-pulse-amplification system. Vol. 47, No. 19, 1 Oct. 2022 , Optics Letters.

  5. ZHANG Y，CHEN R，HUANG H，et al. High-power pre-chirp managed amplification of circularly polarized pulses using high-dispersion chirped mirrors as a compressor[J]. OSA Continuum，2020，3(7)：1988-1998.

  6. ZHANG Y，WANG J，TENG H，et al. Double-pass pre-chirp managed amplification with high gain and high average power [J]. Optics Letters，2021，46(13)：3115-3118.

  7. Zhuo Shi, Jingshang Wang, et al. Generation of 107W, 1.07mJ femtosecond pulses from chirped- and divided-pulse Sagnac Yb-fiber amplifiers by suppression of static mode degradation. Vol. 40, Issue 9, pp. 2429-2433 (2023)

  8. Shuangxi Peng et al. 260 fs, 403 W coherently combined fiber laser with precise high?order dispersion management. Frontiers of Optoelectronics (2024) 17:3

  9. 王志浩，等。724 W，0.9 mJ，227 fs 四通道相干合成超快光纖激光系統。中國激光，44卷17期，202410. 王棟梁等，1 MHz, 273 W 摻鐿棒狀光纖啁啾脈沖放大系統。物理學(xué)報，Vol. 73, No. 13 (2024)