助力工业化应用的超快光纤激光放大器件

2020年全球激光器市场销售额160.1亿美元，2021年预计约184亿美元，15%增长；2020年我国光纤激光器市场销售额94.2亿元，2021年预计108.6亿元。在我国从事超快研发生产的企业超过40家，2021年预计以ps/fs为主要产品的市场规模为32.6亿元。

图1. 2015年~2021E年中国超快激光市场（单位：亿元 《2021中国激光产业发展报告》）

1985年的啁啾脉冲放大技术，1988年的双包层光纤技术，1997年的大模场光纤概念的提出，以及分脉冲放大、预啁啾管理放大、相干脉冲堆积等技术，都对超快光纤激光的发展有着重要的影响。随着超快光纤激光技术的发展，超快光纤激光器已经成为超快激光市场的主力军，在科研、生产、医疗等诸多领域发挥着作用，尤其在精密/微纳加工、高脉冲能量源、微观动力研究、天文科学等方面更有着不可替代的优势。

图2. 高功率超快激光发展[1]

图3. 半导体可饱和吸收体SESAM线性腔种子源结构

工业上使用的器件主要是光纤色散管理器件，比如光纤的脉冲展宽器和脉冲压缩光栅，为了抑制非线性效应并有效地进行功率放大，在时域上对脉冲进行处理，最终实现满足要求的高峰值高能量输出。

展宽之后的脉冲进入超快光纤放大器，其增益主体是掺杂的双包层光纤，但是随着应用对高峰值高能量以及单模、保偏等方面的需求，传统的20/125DC，30/250DC双包层光纤在百uJ量级会出现模式跳变，阻碍功率进一步提高。因此具有更多波导结构不同特点的增益光纤，如大模场光子晶体光纤PCF，锥形光纤Tapered fiber，手性纤芯耦合光纤3C等，也逐步被应用到工业产品当中。

光子晶体光纤具有大模场，支持单模传输和保偏的特点。PCF又被称作微结构光纤，横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在低折射率的光纤芯区传播。目前PCF和普通石英光纤的熔接已经比较成熟（图4），利用标准商用的特种熔接机，可以实现良好的模场匹配及低损耗传输，这也满足了全光纤结构的工业产品需求。目前的商业40um芯径PCF已经以OEM的形式模块化，更便于集成和产品化（图5）。

图4. 单模双包层光子晶体光纤，PCF与石英光纤的低损耗熔接

图5. 商用光子晶体光纤模块

随着光子晶体光纤技术的发展，出现了商用化的更大模场的棒状PCF（Rod type PCF），最早由Limpert在2005年首次提出[2]，之后被应用到各个实验中获得了非常好的效果[3]。

2010年出现了大孔间距PCF（即large pitch fiber, LPF）,其孔间距远大于波长的十倍，可以实现更高功率[4]。

图6. Limpert实验中的PCF棒状光纤

图7. 135um芯径的LPF和普通7um芯径PCF对比[4]

图8. 商用光子晶体光纤棒

2021年中科院物理所利用大模场光子晶体光纤棒（rod-type PCF），以预啁啾管理放大和双通放大技术，实现了55fs，100W的超快激光输出【6】。

图9. 双通预啁啾放大实验及光谱/脉冲图

棒状PCF不仅成为工业超快光纤激光放大的重要选择之一，在科研项目中，也为多光路的光束合成，实现更高功率提供了很好的条件。

2016年，Tunnerman组利用8路空间相干合成和4个时间分脉冲放大的方案，将8束激光空间相干合成为一束光，再通过时间延迟，将之前分离的脉冲合并为一个脉冲。实验中预放大级用的芯径为72um的LFP光子晶体光纤棒，8路主放大级分别使用了8根1.1m长芯径为81um的LFP棒。最终实现了平均功率700W，脉冲能量12mJ，脉宽262fs的超短脉冲输出，合成效率78%[7]。

图10. 多路空间相干合成与分脉冲放大装置

图11. 商用锥形光纤及其OEM模块

2018年SPIE报道了利用锥形光纤将35ps，200kHz种子源放大到50uJ，经脉冲压缩至1ps后得到16MW峰值功率，M2<1.2[9]。

2020年报道的550W全光纤单频放大器，就是用输入芯径和包层分别为36.1um和249.3um，输出芯径57.8um和397.3um，增益光纤长度1.3m，锥区长度0.74m的锥形光纤获得。最终光光转换效率80%，线宽45MHz[8]。

图12. 550W全光纤单频放大器功率及线宽

2021年芬兰Tampere大学Valery Filippov教授课题组报道了旋转型锥形光纤（ST-DCF），讨论了其与保偏/非保偏锥形光纤的偏振特性，以及不同旋转螺距ST-DCF的输出光特性，也为未来更复杂波导结构锥形光纤的应用提供了重要的参考数据【10-11】。

图13. 三种不同锥形光纤以及不同螺距的旋转锥形光纤测试

2007年美国Michigan大学超快光学研究中心提出了手性耦合纤芯光纤（3C Chirally-coupled-core），以其能够实现高能量、高峰值功率、单模、保偏的特性逐渐受到人们关注。光纤的石英包层内有两条纤芯，一条是沿轴向分布的中央纤芯，芯径较大，一般在30um以上，用于信号光的传输;另一条是偏离中心轴、围绕中央纤芯螺旋分布的侧芯，芯径比中央纤芯小得多，只有十几微米，主要作用是控制中央纤芯的模式，将高阶模耦合进侧芯并对其产生高损耗(大于100dB/m)，使得中央纤芯中的基模可以极低损耗地传输(小于0.1dB/m)。

图14. 3C手性耦合纤芯光纤

Michigan大学超快光学研究中心多年在3C光纤的研究中获得了很多可观的数据。

2009年，以双包层掺镱3C光纤搭建放大系统来探究其放大特性[12]。该实验得到了250W的连续功率输出和150W输出脉冲10ns，脉冲能量达到0.6mJ，峰值功率60kW，放大斜率效率达到74%。同样，在所有功率水平下，系统输出光斑均为单模。

2010年，该团队将3C光纤应用于主振荡功率放大(MOPA)结构中来提升系统输出功率[13]。实验以2.7m长空气包层掺镱 3C光纤为功率放大器的增益介质，用2.2W信号光激励该光纤，实现了511W 的MOPA结构功率输出，放大器斜率效率为70%，同时观测到输出光束为单频单横模的线偏振光，具有大于15dB 的消光比。

2012年，该研究中心Thomas Sosnowski等人[14]通过33/250um 3C光纤实现了257W，200kHz，8.5ns，1.2mJ脉冲；86.5uJ，575kW峰值功率脉冲，以及利用55um 3C光纤实现了41W，8.3mJ，640kW的高能量脉冲输出。

图15. 33/250um 3C光纤输出257W，200kHz，8.5ns，1.2mJ脉冲

图16. 33/250um 3C光纤输出86.5uJ，575kW峰值功率脉冲

图17. 55um 3C光纤实现了41W，8.3mJ，640kW的高能量脉冲输出

2018年Carnegie Mellon大学的Jinxu Bai等人[15]用15mW，25ns，150nJ，100kHz，1064nm种子源通过两级2.5m和3m的3C光纤放大，获得了121.2W，单脉冲能量12mJ，峰值功率50kW，M2<1.2脉冲输出。

图18. 级联3C光纤输出高功率、高能量脉冲

3C光纤用于超短脉冲放大的同时，也可用于窄线宽连续光的功率放大，利用其稳定单模输出以及对非线性效应不敏感的特点，实现单色性更好、光束质量更好，高功率更高的连续光输出，用于如引力波探测、多光束合成等方面的研究。

2018年，密歇根大学联合nLight公司，由M. Kanskar和A. Galvanauskas等人分别运用Yb20/400/0.064 DC LMA光纤和Yb 21.9/400/0.059 DC3C光纤对单频线偏振种子源进行功率放大，泵浦源为锁波长976nm模块，分别实现了2.4kW和2.6kW[16]。种子源为1064nmDFB通过相位调制器进行伪随机信号调制适当展宽线宽。MFA实现全光线结构。当种子源20GHz时，实验中Yb20/400LMA光纤在2.2kW时出现了TMI，而3C光纤弯曲直径30cm，在抑制高阶模的同时在2.6kW时没有TMI产生。

图19. 3C光纤放大DFB窄线宽种子源结构图

图20. Yb20/400 LMA光纤放大在2.2kW出现TMI

 Yb21.9/400 3C光纤放大在2.6kW输出且未出现TMI

2019年，Sven Hochheim等人用nLight的3C光纤(Yb700-34/250DC-3C)，制作了用于引力波探测的，100W单频单模保偏光纤放大器。其中种子源为2W的kHz线宽保偏连续光，通过模场匹配器MFA的实验，最终实现103W，光光转换效率71%，偏振消光比17.6dB[17]。

图21. Yb34/250 3C光纤放大实现单频100W结构图

连续高功率光纤激光器已经发展了十几年，技术和产业化均已成熟，超快光纤激光器正在经历连续激光的发展过程，只不过速度更快，周期更短，在市场上已经出现第一批专业的生产商，工艺也日趋成熟化，加之超快光纤技术的发展，不断有新的材料和器件被推出，无论是大模场光子晶体光纤PCF，锥形光纤Tapered fiber，还是手性纤芯耦合光纤3C，不同波导结构的光纤都各有特点，对于工业或是科研领域，都直接有力地支撑了国内超快光纤市场的崛起。相信随着光纤技术的不断发展，我国的超快光纤激光也会一骑绝尘，走在世界前列。

1.高功率超快光纤激光技术发展研究，中国激光，48，11，2021.

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

3.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).

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

5.Hans-Jürgen Otto，et al. 2 kW average power from a pulsed Yb-doped rod-type fiber amplifier.

6.Yao Zhang, et al. Double-pass pre-chirp managed amplification with high gain and high average power. Optics Letters, 2021, 46 (13).

7.Macro Kienel, et al. 12 mJ kW-class ultrafast fiber laser system using multidimensional coherent pulse addition. Optics Express, 2016, 41(14).

8.全光纤单频光纤放大器实现550W近衍射极限输出. 中国激光，2020，47（4).

9.Roy V , Desbiens L , Boivin M , et al. Nonlinear compression for generation of high energy ultrashort pulses using an Yb-doped large mode area tapered fiber[C]// Fiber Lasers XV: Technology and Systems. 2018.

10.Andrei Fedotov, Vasilii Ustimchik, Joona Rissanen, Teppo Noronen, Regina Gumenyuk, Alexander Kolosovskii, Victor Voloshin, Igor Vorob’ev, Yuri Chamorovskii, and Valery Filippov, “Large mode area double-clad ytterbium-doped spun tapered fiber,” J. Opt. Soc. Am. B 38, F161-F169 (2021).

11.Andrei Fedotov, Vasilii Ustimchik, Joona Rissanen, Alexander Kolosovskii, Victor Voloshin, Igor Vorob’ev, Regina Gumenyuk, Yuri Chamorovskiy, and Valery Filippov, “Active tapered double-clad fiber with low birefringence,” Opt. Express 29, 16506-16519 (2021).

12.Huang S, Zhu C, Liu C H, et al.. Power scaling of CCC fiber based lasers[C]. CLEO 2009, 2009. CThGG1.

13.Zhu C, Hu I, Ma X, et al.. Single- frequency and single- transverse mode Yb- doped CCC fiber MOPA with robust.

14.Thomas Sosnowski, Andrey Kuznetsov, 3C Yb-doped Fiber Based High Energy and Power Pulsed Fiber Lasers. 2012.

15.A Unified Approach to Achieving High Power and High Energy in Chirally Coupled-Core Ytterbium-Doped Fiber Amplifier Systems. IEEE Photonics Journal，Vol. 10, No. 1，1501208.

16.M. Kanskar, etc. Narrowband Transverse-modal-instability (TMI)-free Yb-doped Fiber Amplifiers for Directed Energy ApplicationProc. of SPIE Vol. 10512.

17.Sven Hochheim，Michael Steinke，etc. Single-frequency chirally-coupled-core all-fiber amplifier with 100 W in a linearly-polarized TEM-mode. Vol. 45, No. 4 / 15 February 2020 / Optics Letters.