作者：黄冠儒
随着光纤激光器输出性能的不断攀升，单根光纤的放大会面临着难以逾越的物理限制：横模不稳定性（TMI）和静态模式退化（SMD）等限制了平均功率的进一步提升，同时脉冲能量的增长受制于非线性效应（如自聚焦等）。掺镱多芯光纤激光放大技术通过将多个增益通道集成在同一根光纤中，使其兼具结构紧凑性与并行放大的可拓展性，有望突破以上限制。德国耶拿课题组详细介绍了高功率掺镱多芯光纤激光放大技术的原理、发展现状、时空整形应用以及未来展望[1]。
图1 多芯光纤不同纤芯直径下芯对芯光耦合情况[2]为了实现高性能放大，设计多芯光纤必须平衡多个物理参数，主要涉及以下三个关键问题：1）确保纤芯之间光解耦（如图1所示），避免功率在纤芯间发生串扰；2）控制纤芯间的偏振一致性，通过引入应力棒等方法可使各纤芯的双折射特性趋于一致，有利于提高后续相干合束效率；3）热效应管理（如图2所示），高平均功率下光纤截面会产生温度梯度，导致模式收缩和TMI效应加剧等现象。图2 热负荷下5x5有源MCF的温度分布（左）和相应的横模分布（右）情况[3]近年来，多芯光纤激光系统在平均功率和脉冲能量两个维度上均取得了突破性进展。平均功率方面，2023年报道了一种6芯环形排列的光纤设计，以最大限度地减小热抗阻，实现了1.2 kW的连续波输出，且光束质量良好[4]；2024年报道的49芯光纤系统则展示了在纳秒和飞秒脉冲下，平均功率能够分别达到500 W[5]和260 W[6]。脉冲能量方面，2024年德国耶拿课题组展示了基于7x7阶跃折射率纤芯的棒状多芯光纤系统，平均功率高达500 W，总脉冲能量达到了创纪录的110 mJ（如图3所示），能量提取效率高达75%，且能量稳定性极佳（0.2% RMS），这一结果标志着多芯光纤激光系统在能量指标上已能与薄片激光器等传统固态激光器竞争[5]。值得注意的是，相比于由多个独立单芯光纤组成的系统，多芯光纤系统将器件数量和大小减少了约6倍，极大地提升了系统的鲁棒性和实用性。图3 a)总脉冲能量与泵浦功率的关系，子图显示2 kHz频率下的测量直方图。除了功率和能量的提升，多芯光纤的多通道特性还赋予了激光器前所未有的动态控制能力。通过独立控制各纤芯输出光束的相位、振幅和偏振，不仅可以实现相干合束，还能整形时空光场。利用各通道间的延时控制和光谱合成技术，可以突破单根光纤的增益带宽限制，合成出带宽更宽、脉宽更短（如100 fs级）的脉冲[7]。此外，通过调节各子光束的相位分布，可以动态生成涡旋光束、矢量光束等结构光场[8]。多芯光纤技术正处于从实验室走向实际应用的发展期。理论预测表明，10x10阵列的多芯光纤系统有望实现100 kW级的平均功率。此外，还可向2 µm波段（如掺铥、掺钬光纤）拓展，以满足硅加工和大气传输等特殊需求。综上，掺镱多芯光纤放大技术通过集成化设计，成功突破了光纤激光器的功率扩展瓶颈，是高能量高功率激光领域未来发展技术路线之一。[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.
