光纤激光器件的新焦点——3C手性耦合纤芯光纤（二）

在 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^[10]。该实验得到了 250 W 的连续功率输出和150W输出脉冲 10 ns，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^[11]。实验以2.7 m 长空气包层掺镱 3C光纤为功率放大器的增益介质，用 2.2 W 信号光激励该光纤，实现了 511 W 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 15 dB 的消光比^[1]。

2012年Michigan 大学超快光学研究中心Thomas Sosnowski等人^[12]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6. 33/250um 3C光纤输出257W，200kHz，8.5ns，1.2mJ脉冲

图7. 33/250um 3C光纤输出86.5uJ，575kW峰值功率脉冲

图8. 55um 3C光纤实现了41W，8.3mJ，640kW的高能量脉冲输出

2013 年，立陶宛物理科学与技术中心的 Želudevicius^[13]通过搭建飞秒光纤啁啾脉冲放大(CPA)系统来提升输出功率，该系统中的功率放大装置采用3C光纤为增益介质。实验得到了 50 μJ 的脉冲能量，400 fs 的脉冲，输出光斑为近似衍射极限，光束质量因子1.1。

图9. 3C光纤实现飞秒脉冲放大

2018年Carnegie Mellon 大学的Jinxu Bai等人^[14]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10. 级联3C光纤输出高功率、高能量脉冲

2019年，Sven Hochheim等人用nLight的Yb700-34/250的3C光纤，制作了用于引力波探测的，100W单频单模保偏光纤放大器。

图11. 百瓦单频单模保偏光纤放大器

以nLight Corporation出品的3C手性耦合芯光纤为例，中央芯33um，侧芯3um，包层250um，1.8dB/m@920nm泵浦吸收率，可实现2mJ脉冲和300kW脉冲输出，M2<1.15，系统运行4500小时。^[15]

图12. 33um nLight3C光纤和数值模拟模式损耗

图13. 以nLight3C增益光纤获得的光纤激光的光束质量

3C光纤除了能够实现稳定的单模传输外，根据其特殊结构，我们预测该光纤还能够抑制某些非线性效应。例如，利用中央纤芯基模与侧芯模式选择性耦合的特点，使基模某一偏振态耦合进侧芯，这样经反射回来的偏振态便与原偏振态相反，从而有效抑制受激布里渊散射(SBS)；经过特殊结构设计的 CCC 光纤，其透射谱具有一定范围的波长抑制区域，将该抑制区与斯托克斯 SRS 增益谱的峰值区相重合，便能有效抑制SRS 效应^[16]；同时改变波长抑制区的范围，还能实现对掺镱光纤激光器和放大器的波长选择。CCC 光纤理论分析还表明其输出光束携带有角动量，因此可以预见 CCC 光纤能够实现颗粒俘获与操纵、量子通信、量子计算和多维量子空间中的信息编码等新型应用^[17]。

四、总结及展望

总之，3C光纤的特点可总结为：

无需弯曲损耗保持良好的基模和偏振态输出；

有效抑制脉冲功率放大过程中的非线性效应；

可实现高能量、高峰值功率的脉冲输出。

基于以上的特性，脉冲光纤激光器的诸多光学指标可以得到较大的提升，进而满足现如今科研与工业对品质光源提出的多方面要求。此外，3C光纤结构还可以控制非线性效应、实现量子通信等特殊功能。3C结构能够实现的其他新型功能还有待我们的进一步研究，可以肯定的是，3C光纤无论在科学研究还是实际应用领域，都具有非常重要的意义及广阔的发展前景。

参考文献

1. 赵 楠 李进延, 手性耦合纤芯光纤简介及研究进展, 激光与光电子学进展, 51, 040003(2014)

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

13. J. Želudevičius, R. Danilevičius, Femtosecond fiber CPA system based on picosecond master oscillator and power amplifier with CCC fiber. 11 March 2013 / Vol. 21, No. 5 / OPTICS EXPRESS 5338

14. A Unified Approach to Achieving High Power and High Energy in Chirally Coupled-Core Ytterbium-Doped Fiber Amplifier Systems. IEEE Photonics Journal，Vol. 10, 1，1501208

15. Timothy S. McComb, Dennis McCal, Roger Farrow，etc，High Peak Power, Flexible Pulse Parameter, Chirally Coupled Core (3C®) Fiber Based Picosecond MOPA Systems. Proc. of SPIE Vol. 8961 896112-1

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