基于选择性单模激发技术在新型大模面积空气孔辅助光纤中传输大功率红外光的基础研究

High power fiber lasers are playing an increasingly important role in industrial, medical, military and scientific applications. Commercially available high power fiber laser has reportedly already reached an output power of 100 kW. However, there still lacks an effective method for high power infrared light delivery. To solve this problem, we plan to use selected single-mode stimulation method to transmit high power infrared light over large-mode-area hole-assisted optical fiber. We set two goals for this project. First objective is to transmit 20 W light to a distance of 5 km at a wavelength of 1.5 micron; second objective is to transmit 5 kW light to a distance of 200 m at a wavelength of 1.0 micron. To realize objective 1, we plan to employ an effectively single LP01 mode for transmission in order to obtain lowest possible transmission loss; to realize objective 2, we plan to employ an effectively single LP0X high order mode to maximally suppress the mode interference and mode distortion at a curve. We plan to use a tapered fiber and long-period fiber grating as key devices for mode field diameter matching and mode conversion. Our proposal will pave a new way for high power infrared light delivery and are of great academic significance and application potentials.

大功率光纤激光器在工业加工、光纤通信、医疗保健、军事安全以及科学研究等领域发挥着越来越重要的作用，商用光纤激光器的最大输出功率已达到了惊人的100kW。与光纤激光器技术的飞速发展相比，大功率激光传输技术明显滞后，至今仍缺乏一种有效的方式传输大功率红外光。针对这一难题，本项目研究基于选择性单模激发，在新型大模面积空气孔辅助光纤中传输大功率红外光的关键科学问题。拟使用锥形光纤和长周期光纤光栅实现高效模场直径匹配与模式转换，针对1.5微米波长、20W、5公里传输的目标，选用LP01作为光传输的唯一模式，最大限度地降低光传输衰减；针对1微米波长、5kW、200米传输的目标，选用某一个高次LP0X模作为光传输的唯一模式，最大限度地抑制不同模式间的相互干扰，并缓解光纤在弯曲状态时模场面积减小的现象。本项目的成功实施将填补大功率红外光传输的空白，促进相关领域的技术革新，具有重要的科学意义和应用前景。

大功率光纤激光器在工业加工、光纤通信、医疗保健、军事安全以及科学研究等应用领域具有重要作用。与光纤激光器技术相比，大功率激光传输技术明显滞后。本项目以解决光纤中传输大功率红外光问题为核心，首先，研究了在光纤中传输高能量时产生的受激拉曼散射、受激布里渊散射等非线性效应与传输能量密度间的关系及其抑制方法。研究了使用标准单模光纤传输大功率红外光的限制因素。通过采用宽线宽高功率光源，有效抑制光纤中由受激布里渊引起的非线性效应，成功的将3.5 W的光能通过单模光纤传送了5 km。接下来，设计制备了适用于传能及传输用途的超低串扰大模场面积少模光纤。基于单一高阶模的光纤能量传输方案具有模场面积大、弯曲下模场面积退化小等优势。抑制传输过程中的模间串扰是光纤设计的重要目标之一。我们提出了新型的环辅助型少模光纤结构,完成了100 km环助型4模光纤的设计制备，其最小模间有效折射率差比传统设计提高了2.2倍，LP02与LP21模式间串扰降低了4.4 dB/km。最后，采用光频域反射计及外差探测技术研究了光纤中传输大功率红外光时的光致连续损伤现象。这是一种当光纤中的光功率密度超过某一阈值时，纤芯发生等离子化并形成连续气孔，给光纤带来不可逆转损伤的连续破坏现象。这一现象破坏范围大，对大功率能量传输及大容量光纤通信系统构成严重威胁，被认为是限制光纤传输容量及光纤激光输出功率进一步提高的重要制约因素。通过分析发生光致连续损伤效应时等离子体的位置变化而引起的多普勒频移及其导致的拍频信号变化，实现了光致连续损伤效应传播速度及其实时位置的精确测定。定位精度约5 cm，最小检出时间200 ms。这一方法具有响应时间短、信噪比高的特点，有望应用于光致连续损伤效应的在线监测。本项目的成功实施为大功率红外光传输领域的研究提供了技术储备，对促进相关领域的技术革新，具有重要的科学意义和应用前景。