光纤CPA放大利器丨NKT ROD3.2助力超快激光技术革新

  随着超快激光技术在精密加工与科研领域的广泛应用，飞秒光纤激光器凭借高能量、短脉冲特性成为核心工具。本文聚焦其核心器件——高品质光子晶体光纤(PCF ROD)，分析其技术演进与工业应用。NKT Photonics最新推出的ROD3.2专为工业级飞秒光源设计，通过提升横模不稳定性(TMI)阈值，支持150W平均功率(实际可高达175W以上)、357fs脉冲输出，同时体积缩小30%，结构更紧凑，满足工业场景对高稳定性与集成化的需求。

  超快光纤激光器市场

      2023年中国激光设备市场总体稳中向好，预计2024年增速平稳，将达到960亿元。2023年我国光纤激光器市场整体销量稳中有升，企业通过调整策略，开始更加注重毛利率与品控。2023年整个市场恢复正增长，达到135.9亿元，预计2024年销售收入为145.3亿元。在半导体、显示器制造和玻璃加工需求推动下，中国超快激光市场正在增长，2023年国内超快激光市场规模达到40.2亿元，预计2024年将达到46.1亿元。

图1. 2019年-2024E年中国超快激光市场(单位：亿元 《2024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，超快光纤激光器已成为超快激光市场的主力军，广泛应用于科研、生产、医疗等领域，尤其在精密/微纳加工、高脉冲能量源、微观动力研究及天文科学中具有不可替代的优势。

图2. 高功率超快激光发展【1】

飞秒超快光源的应用

  光纤超快激光放大的核心器件

  光子晶体光纤棒(PCF ROD)

  飞秒光源在啁啾脉冲放大过程中，时域上经过展宽的脉冲，在功率上进行放大(图3)。为了保证获得高平均功率、高光束质量的脉冲，需要在保持种子源单模、偏振态等光学参数的同时，有较高的TMI(横模不稳定性，Transverse Mode Instability)阈值，这对放大级光纤的波导结构提出了非常高的要求，大模场光子晶体光纤应运而生。

图3. 啁啾脉冲放大系统

      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

      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】。NKT Photonics公司是全球最大的商业化微结构特种光纤供应商，多年来为国内外众多超快科研项目和产品生产。具有代表性的ROD系列产品为大家所熟悉，近期更是推出了ROD3.2版，专门用于工业级飞秒光源产品的光放大，输出功率更高，体积更小，结构更紧凑。NKT ROD系列产品，高品质光子晶体光纤，专门用于飞秒激光的功率放大，ROD2.1和ROD3.1适用于科研类的项目，单路飞秒功率放大和多路飞秒相干合成中的各路功率放大，其中ROD3.1具有更高的TMI阈值，可以获得更高的功率输出。ROD3.2适用于工业飞秒光源的制作，输出功率更高、体积更小、结构更紧凑。

NKT Photonics aeroGAIN-ROD 系列产品

NKT Photonics aeroGAIN-ROD 系列光学指标

  棒状光子晶体光纤的应用

  2022年NKT Photonics用PCF-ROD放大，实现了175W，357fs，233uJ输出【4】。

       飞秒激光放大技术，国内中科院物理所，华中科技大学等科研团队多年来取得了瞩目的成就。2020年ZHANG Y等利用PCF-ROD以圆偏振脉冲预啁啾管理光纤放大系统，实现了啁啾镜片组压缩后47fs，平均功率101W脉冲输出【5】。2021年他们提出基于高增益双通放大的预啁啾管理放大技术，该技术弱化了PCMA技术中对信号功率的依赖程度，使得振荡器级别的数十毫瓦弱小信号仅通过结构紧凑的一级放大器即可获得百瓦量级的超短脉冲输出，100W，40fs【6】。

圆偏振脉冲预啁啾管理光纤放大系统

双通放大的预啁啾管理放大系统

2024年物理所研究团队，利用PCF-ROD和CPA结构，研究注入功率对放大脉冲补偿效果，并以圆偏振来弱化非线性相移积累，实现了压缩后1MHz，264fs，273W的脉冲输出【10】。

2023年物理所研究团队利用两支PCF-ROD棒，基于被动合成掺镱超快光纤激光系统，进一步获得了最高平均功率可达200W的结果，且在100kHz的重复频率下，单脉冲能量达到1.07mJ，系统合成效率超过了85%【7】。

之后该团队基于SPGD算法四路相干合成系统，在重复频率微1MHz和500kHz时，分别输出了672W，0.67mJ和534W，1.07mJ的飞秒脉冲输出。2024年华中科技大学研究团队以两支PCF-ROD棒搭建两路飞秒相干合成，实现了403W，260fs脉冲输出【8】。

之后该团队基于四通道光纤放大器相干光束合成的高功率飞秒激光系统。每个通道均采用大模场棒状光子晶体光纤，平均功率达到220W。通过稳定的主动相位锁定技术，压缩后的激光系统在800kHz的重复频率下实现了724W的平均功率和0.9mJ的单脉冲能量，压缩效率89%【9】。

参考文献

  1. Limpert J, Deguil-Robin N, Manek Hönninger 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纤激光系统。中国激光，44卷17期，202410. 王栋梁等，1 MHz, 273 W 掺镱棒状光纤啁啾脉冲放大系统。物理学报，Vol. 73, No. 13 (2024)