作者：黃冠儒
隨著光纖激光器輸出性能的不斷攀升，單根光纖的放大會面臨著難以逾越的物理限制：橫模不穩(wěn)定性（TMI）和靜態(tài)模式退化（SMD）等限制了平均功率的進一步提升，同時脈沖能量的增長受制于非線性效應（如自聚焦等）。摻鐿多芯光纖激光放大技術(shù)通過將多個增益通道集成在同一根光纖中，使其兼具結(jié)構(gòu)緊湊性與并行放大的可拓展性，有望突破以上限制。德國耶拿課題組詳細介紹了高功率摻鐿多芯光纖激光放大技術(shù)的原理、發(fā)展現(xiàn)狀、時空整形應用以及未來展望[1]。
圖1 多芯光纖不同纖芯直徑下芯對芯光耦合情況[2]為了實現(xiàn)高性能放大，設計多芯光纖必須平衡多個物理參數(shù)，主要涉及以下三個關(guān)鍵問題：1）確保纖芯之間光解耦（如圖1所示），避免功率在纖芯間發(fā)生串擾；2）控制纖芯間的偏振一致性，通過引入應力棒等方法可使各纖芯的雙折射特性趨于一致，有利于提高后續(xù)相干合束效率；3）熱效應管理（如圖2所示），高平均功率下光纖截面會產(chǎn)生溫度梯度，導致模式收縮和TMI效應加劇等現(xiàn)象。圖2 熱負荷下5x5有源MCF的溫度分布（左）和相應的橫模分布（右）情況[3]近年來，多芯光纖激光系統(tǒng)在平均功率和脈沖能量兩個維度上均取得了突破性進展。平均功率方面，2023年報道了一種6芯環(huán)形排列的光纖設計，以最大限度地減小熱抗阻，實現(xiàn)了1.2 kW的連續(xù)波輸出，且光束質(zhì)量良好[4]；2024年報道的49芯光纖系統(tǒng)則展示了在納秒和飛秒脈沖下，平均功率能夠分別達到500 W[5]和260 W[6]。脈沖能量方面，2024年德國耶拿課題組展示了基于7x7階躍折射率纖芯的棒狀多芯光纖系統(tǒng)，平均功率高達500 W，總脈沖能量達到了創(chuàng)紀錄的110 mJ（如圖3所示），能量提取效率高達75%，且能量穩(wěn)定性極佳（0.2% RMS），這一結(jié)果標志著多芯光纖激光系統(tǒng)在能量指標上已能與薄片激光器等傳統(tǒng)固態(tài)激光器競爭[5]。值得注意的是，相比于由多個獨立單芯光纖組成的系統(tǒng)，多芯光纖系統(tǒng)將器件數(shù)量和大小減少了約6倍，極大地提升了系統(tǒng)的魯棒性和實用性。圖3 a)總脈沖能量與泵浦功率的關(guān)系，子圖顯示2 kHz頻率下的測量直方圖。除了功率和能量的提升，多芯光纖的多通道特性還賦予了激光器前所未有的動態(tài)控制能力。通過獨立控制各纖芯輸出光束的相位、振幅和偏振，不僅可以實現(xiàn)相干合束，還能整形時空光場。利用各通道間的延時控制和光譜合成技術(shù)，可以突破單根光纖的增益帶寬限制，合成出帶寬更寬、脈寬更短（如100 fs級）的脈沖[7]。此外，通過調(diào)節(jié)各子光束的相位分布，可以動態(tài)生成渦旋光束、矢量光束等結(jié)構(gòu)光場[8]。多芯光纖技術(shù)正處于從實驗室走向?qū)嶋H應用的發(fā)展期。理論預測表明，10x10陣列的多芯光纖系統(tǒng)有望實現(xiàn)100 kW級的平均功率。此外，還可向2 μm波段（如摻銩、摻鈥光纖）拓展，以滿足硅加工和大氣傳輸?shù)忍厥庑枨?。綜上，摻鐿多芯光纖放大技術(shù)通過集成化設計，成功突破了光纖激光器的功率擴展瓶頸，是高能量高功率激光領(lǐng)域未來發(fā)展技術(shù)路線之一。[1] Klenke A, Jauregui C, Bahri M, et al. High-power ytterbium-doped multicore fibers[J]. Optical Fiber Technology, 2026, 96: 104471.[2] Steinkopff A, Aleshire C, Klenke A, et al. Analysis of optical core-to-core coupling: challenges and opportunities in multicore fiber amplifiers[J]. Optics express, 2023, 31(17): 28564-28574.[3] Steinkopff A, Jauregui C, Aleshire C, et al. Impact of thermo-optical effects in coherently combined multicore fiber amplifiers[J]. Optics Express, 2020, 28(25): 38093-38105.[4] L.F. Ortega, T. Feigenson, Y.W. Tam, P. Reeves-Hall, T.Y. Fan, M. Messerly, C. X. Yu, K.-H. Hong, 1.2-kW all-fiber Yb-doped multicore fiber amplifier, Opt. Lett. 48 (2023) 712.[5] M. Bahri, A. Klenke, C. J′auregui-Misas, S. Kuhn, J. Nold, N. Haarlammert, T. Schreiber, and J. Limpert, “Extraction of 100-mJ level pulse energy at high repetition rates by a ns-class, 49-core fiber laser,” in Fiber Lasers XXI: Technology and Systems, C. Jollivet, ed. (SPIE, 2024), Vol. 12865, p. 5.[6] A. Klenke, M. Bahri, C. J′ auregui-Misas, J. Nold, N. Haarlammert, T. Schreiber, and J.Limpert, “Femtosecond CPA laser system emitting 261W average power, 1.75mJ pulse energy based on coherent combination of a 49-core fiber, https://doi.org/10.1117/12.3042785 13342, 82–84 (2025).[7] P. Rigaud, V. Kermene, G. Bouwmans, L. Bigot, A. Desfarges-Berthelemot, A. Barth′el′emy, Spectral division amplification of a 40 nm bandwidth in a multicore Yb doped fiber and femtosecond pulse synthesis with in-fiber delay line, Opt. Express 23 (2015) 27448.[8] D. Lin, J. Carpenter, Y. Feng, S. Jain, Y. Jung, Y. Feng, M.N. Zervas, D. J. Richardson, Reconfigurable structured light generation in a multicore fibre amplifier, Nat. Commun. 11 (2020) 1–9.
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