aeroGAIN-ROD 2.1,3.1&3.2

用戶指導(dǎo)說明書

高功率摻鐿棒狀光纖增益模塊 ?aeroGAIN-ROD? 指導(dǎo)說明涵蓋了aeroGAIN-ROD 2.1、3.1和3.2模塊， 這些模塊之間的主要區(qū)別如下：

aeroGAIN-ROD模塊是一款專為超快激光脈沖放大系統(tǒng)打造的高功率光纖放大模塊。其具備3300um2的大模場(chǎng)面積及很高的泵浦吸收效率，實(shí)現(xiàn)了此前僅固體激光系統(tǒng)才能達(dá)到的高功率放大能力。

該模塊可實(shí)現(xiàn)單模激光的放大及傳輸，確保衍射極限的輸出光束質(zhì)量和優(yōu)異的指向穩(wěn)定性，特別適用于1030nm附近波段的信號(hào)放大應(yīng)用。

模塊外殼采用高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)，便于搬運(yùn)與集成，適用于OEM應(yīng)用與科研實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)搭建。

指導(dǎo)說明面向在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)環(huán)境中參與該產(chǎn)品選型、規(guī)劃和設(shè)計(jì)的技術(shù)人員，默認(rèn)使用者具備一定的光學(xué)和激光原理知識(shí)。在進(jìn)行種子光與泵浦測(cè)試時(shí)，務(wù)必佩戴適配波長(zhǎng)的激光護(hù)目鏡，配置可靠的互鎖裝置，該裝置能夠監(jiān)測(cè)輸出激光實(shí)時(shí)功率，在監(jiān)測(cè)到任何異常情況時(shí)，在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉泵浦激光器和種子激光器。

請(qǐng)勿調(diào)整或移除2個(gè)水塞、2個(gè)端部配件或固定蓋子的8顆螺絲(否則將使保修失效)。
aeroGAIN-ROD端帽在交付時(shí)是潔凈的，但在拆卸或安裝過程中可能沾染顆?；蛭廴疚?，請(qǐng)一定先用光學(xué)顯微鏡檢查端帽，小的微塵可用無塵氣體(濾凈空氣或氮?dú)?吹掉，必要時(shí)用浸有異丙醇的鏡頭紙小心擦拭。

本說明包含有關(guān)如何安裝和使用aeroGAINROD模塊的重要信息。在使用aeroGAIN-ROD之前， 務(wù)必閱讀并理解說明書的內(nèi)容。同時(shí)也可以在NKT Photonics網(wǎng)站上找到更多資源， 那里可以下載包含規(guī)格尺寸的資料表以及模塊的3D模型(STEP文件) 。

aeroGAIN-ROD模塊交付形式為完整封裝，ROD棒狀光纖已集成于模塊內(nèi)部，確保在搬運(yùn)、安裝和光學(xué)耦合過程中無應(yīng)力加載，避免外部環(huán)境影響。模塊集成高效水冷系統(tǒng)，帶快速連接接口，確保優(yōu)良熱管理性能與長(zhǎng)期免維護(hù)運(yùn)行(可達(dá)數(shù)千小時(shí))。

該模塊已通過環(huán)境應(yīng)變測(cè)試、振動(dòng)與跌落測(cè)試，具備優(yōu)異的運(yùn)輸與儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

aeroGAIN-ROD為防止端面受損和反射，配備了兩個(gè)AR涂層端帽。圖4所示為端帽結(jié)構(gòu)，圖5展示了模塊中光纖端帽的角度安裝方式。

安裝及使用模塊時(shí)必須佩戴無塵手套，避免直接觸碰端面！建議在潔凈環(huán)境下作業(yè)，以防止端面污染。

模塊出廠時(shí)配有端帽保護(hù)蓋，如非運(yùn)行狀態(tài)請(qǐng)保持端帽封閉(見圖6)

模塊在系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)應(yīng)沿長(zhǎng)度方向固定，避免因彎曲或位移造成光纖性能下降。建議通過側(cè)邊預(yù)留的12個(gè)安裝孔位，使用M3內(nèi)六角螺釘進(jìn)行固定(見圖8)，安裝后確保模塊平整貼合，以利于散熱和穩(wěn)定性。

模塊底部也預(yù)留有4個(gè)M6螺紋孔(見圖9)，可作為備選安裝方式，但不建議作為首選。

aeroGAIN-ROD模塊專為水冷設(shè)計(jì)，請(qǐng)參照產(chǎn)品規(guī)格書配置水冷系統(tǒng)。

為保證放大性能，建議使用時(shí)檢測(cè)并優(yōu)化以下參數(shù)：

? 纖芯/包層功率比(CCR)
? 模場(chǎng)直徑(MFD)
? 偏振消光比(PER)
? 光束質(zhì)量(M2)
? 光-光轉(zhuǎn)換效率
? 光斑和偏振穩(wěn)定性

以下介紹涵蓋了aeroGAIN-ROD的耦合、 光束檢測(cè)，以及用于測(cè)試aeroGAIN-ROD的光路示例，見圖10。

aeroGAIN-ROD專為1030nm放大優(yōu)化設(shè)計(jì)，輸出光束質(zhì)量可達(dá)衍射極限。請(qǐng)一定確保種子激光具有很好的性能，例如優(yōu)異的脈沖形狀、很好的光束質(zhì)量及較高的PER。

aeroGAIN-ROD的泵浦包層直徑約為260um，NA≥0.50，可與大部分976nm泵浦系統(tǒng)直接匹配(如200um芯徑、NA 0.22的光纖輸出)。

aeroGAIN-ROD的放大性能將取決于整個(gè)激光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及其具體運(yùn)行方式，該增益模塊支持在較寬的激光參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行。

推薦運(yùn)行參數(shù)高度依賴于系統(tǒng)的具體配置、系統(tǒng)的光束質(zhì)量以及性能需求的滿足程度。下表(表1和表2)列出了在啁啾脈沖放大(CPA)和皮秒脈沖放大應(yīng)用中，aeroGAIN-ROD 3.1在反向泵浦條件下的典型推薦運(yùn)行參數(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)高可靠性。詳細(xì)信息請(qǐng)參考本文件“可靠性”章節(jié)。

建議aeroGAIN-ROD工作在中等增益條件下，增益范圍為13–15dB(3.1版本最高可達(dá)17dB)。例如：若aeroGAIN-ROD 3.1在推薦的最大平均功率250W下運(yùn)行，建議使用功率不低于5W的種子源，泵浦波長(zhǎng)建議中心為976nm，線寬在1–5nm之間，以獲得最佳效率。

為確保模塊的高可靠性和數(shù)千小時(shí)的使用壽命，推薦aeroGAIN-ROD的最大輸出信號(hào)峰值功率不超過250kW。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)棒狀光纖的高效耦合，需盡可能提升芯包比(CCR, Core/Clad Ratio)。CCR反映了光束耦合至單個(gè)纖芯的效率，其測(cè)量可在無增益狀態(tài)下進(jìn)行，但數(shù)值會(huì)隨種子源波長(zhǎng)的不同而有所變化，主要由于纖芯吸收特性不同所致。對(duì)于aeroGAIN-ROD，CCR定義為通過直徑為90um光闌的光強(qiáng)占總光強(qiáng)的比例。

最簡(jiǎn)便的CCR測(cè)量方法是通過在功率計(jì)前方放置針孔，但強(qiáng)烈建議采用近場(chǎng)成像系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，以獲得更高的精度?；谙鄼C(jī)的成像系統(tǒng)可精確限定纖芯區(qū)域(即90um口徑)，不僅提升測(cè)量準(zhǔn)確性，也有助于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的光束對(duì)準(zhǔn)。具體設(shè)置詳見“相機(jī)設(shè)置”章節(jié)。

在未開啟泵浦光的情況下通過最大化CCR值優(yōu)化種子光的耦合，是實(shí)現(xiàn)高性能和長(zhǎng)期可靠性的關(guān)鍵步驟。

操作建議：
? 使用兩片反射鏡(耦合鏡)調(diào)節(jié)種子光的入射角度；
? 使用望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，選配合適透鏡調(diào)整種子光的模場(chǎng)尺寸，使其與棒狀光纖端面匹配；
? 推薦初始模場(chǎng)直徑約為65um，相位面應(yīng)盡可能平坦；
? 實(shí)際MFD可根據(jù)耦合結(jié)果適度偏離，只要能最大化CCR即可。

典型表現(xiàn)：
以5W@1030nm的種子光為例，aeroGAIN-ROD 2.1、3.1、3.2在無增益狀態(tài)下的CCR通常可達(dá)到80~90%。圖11與圖12展示了兩種不同種子源下的近場(chǎng)圖像，分別為優(yōu)質(zhì)耦合(CCR≈90%)與較差耦合(CCR<70%)的對(duì)比。

在達(dá)到最佳CCR之前，不建議開啟泵浦光對(duì)aeroGAIN-ROD進(jìn)行主動(dòng)測(cè)試。

建議采用CCD成像系統(tǒng)監(jiān)控近場(chǎng)光斑，設(shè)置方法如下：
① 分光采樣器放置于功率計(jì)前，提取部分光束；
② CCD相機(jī)采集近場(chǎng)圖像，圖像區(qū)域應(yīng)≥300×300像素，覆蓋整個(gè)包層模式；
③ 透鏡系統(tǒng)選擇合理焦距與放大倍率，確保分辨率足以精確測(cè)量MFD；
④ 校準(zhǔn)工作：
     ? 對(duì)準(zhǔn)相機(jī)焦平面至光纖端面；
     ? 進(jìn)行背景校正(暗場(chǎng))，剔除噪聲；
     ? 標(biāo)定像素尺寸，以確保MFD計(jì)算準(zhǔn)確。

MFD在實(shí)際工作中高度依賴系統(tǒng)配置與熱負(fù)載，因此圖像清晰度和校準(zhǔn)精度極為關(guān)鍵。

建議實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)纖芯信號(hào)光的偏振消光比(PER)，可參考圖10的測(cè)量配置。

操作建議：
? 使用線偏振種子光(垂直或水平)；
? 在輸入端使用半波片來調(diào)整種子光的偏振方向，使其偏振方向與棒狀光纖偏振方向?qū)?zhǔn)；
? 在PER測(cè)量光路中添加光闌，屏蔽其他光，盡可能采集纖芯信號(hào)光。

aeroGAIN-ROD能夠較好地保持種子光的偏振態(tài)，最終的偏振穩(wěn)定性不僅取決于種子光的偏振質(zhì)量，還受整個(gè)光路中光學(xué)器件(如反射鏡、波片、透鏡等)偏振特性的影響。在典型配置下，觀察到的無源PER通?？蛇_(dá)到15dB以上。

在確保aeroGAIN-ROD模塊安裝穩(wěn)固、種子光耦合良好且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，即可開啟泵浦光，將模塊作為激光放大器運(yùn)行，進(jìn)入所謂的主動(dòng)放大模式(Active Operation)。

本章節(jié)展示了一組針對(duì)aeroGAIN-ROD 3.1的典型測(cè)試數(shù)據(jù)，反映了該型號(hào)產(chǎn)品的常規(guī)性能表現(xiàn)。所有測(cè)量均基于圖10所示的實(shí)驗(yàn)配置，涵蓋無源測(cè)量(未加泵浦光)與不同信號(hào)輸出功率下的主動(dòng)測(cè)量。

aeroGAIN-ROD 2.1和3.2在運(yùn)行表現(xiàn)上與3.1型號(hào)相似。圖13展示了不同信號(hào)輸出功率下的近場(chǎng)圖像，反映光束質(zhì)量隨功率的變化情況；圖14顯示了芯包比(CCR)隨信號(hào)輸出功率提升而改善的典型趨勢(shì)，實(shí)際使用中可實(shí)現(xiàn)接近100%的主動(dòng)CCR。

圖15：展示了模場(chǎng)直徑(MFD)隨信號(hào)輸出功率變化的趨勢(shì)。隨著熱負(fù)載的增加，MFD會(huì)逐漸減小，典型的變化率約為每瓦信號(hào)功率下降0.1%。

圖16：偏振消光比(PER)隨信號(hào)輸出功率提升而改善的典型示例。實(shí)際應(yīng)用中，主動(dòng)工作狀態(tài)下的PER通常可達(dá)到≥20dB。

棒狀光纖的光束質(zhì)量通過取部分輸出光導(dǎo)入M2測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的參數(shù)包括M2值、像散(Astigmatism)和光束不對(duì)稱性(Asymmetry)。M2值對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行條件高度敏感，通常隨著信號(hào)輸出功率的增加，M2值將逐漸減小。在推薦的最大輸出功率下運(yùn)行時(shí)，aeroGAIN-ROD的典型M2值約為1.05，表明其具備接近理想高斯光束的優(yōu)異質(zhì)量。

僅憑觀察M2值低于1.2–1.3并不足以確保系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性，高質(zhì)量的種子光耦合才是關(guān)鍵因素。若種子光耦合不良，不僅會(huì)降低系統(tǒng)壽命，還可能引發(fā)靜態(tài)模式畸變(Static Mode Deformation)，對(duì)ROD光纖造成不可逆損傷。

圖17和圖18展示了aeroGAIN-ROD 3.1在不同信號(hào)輸出功率下的M2平均值、像散與不對(duì)稱性的變化趨勢(shì)。這組數(shù)據(jù)反映了該型號(hào)產(chǎn)品的典型性能分布。

aeroGAIN-ROD采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，具備抗干擾能力強(qiáng)且光束質(zhì)量接近衍射極限的性能表現(xiàn)。為確保其運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，所有型號(hào)的aeroGAIN-ROD均在推薦的最大平均信號(hào)輸出功率下進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)試。

圖19展示了aeroGAIN-ROD 2.1、3.1和3.2型號(hào)在持續(xù)超過1000小時(shí)測(cè)試過程中的信號(hào)平均輸出功率表現(xiàn)。測(cè)試條件包括：種子光功率為5W，中心波長(zhǎng)約1030nm，脈寬約20ps，重復(fù)頻率分別為20MHz、80MHz和40MHz，確保峰值功率不超過250kW(@976nm泵浦)。
圖19：1000小時(shí)測(cè)試期間測(cè)量信號(hào)平均輸出功率

測(cè)試結(jié)果總結(jié)：
在系統(tǒng)運(yùn)行的前10至數(shù)百小時(shí)內(nèi)，通常會(huì)觀察到一定程度的功率下降，這一變化高度依賴于具體的運(yùn)行條件。隨后，功率衰減速率通常維持在每1000小時(shí)小于 1–3W的水平。

經(jīng)過數(shù)千小時(shí)的連續(xù)測(cè)試，aeroGAIN-ROD展現(xiàn)出極佳的穩(wěn)定性，整體性能退化極低。期間包括偏振消光比(PER)、芯包比(CCR)、模場(chǎng)直徑(MFD)、光束形貌和M2值等關(guān)鍵參數(shù)均保持穩(wěn)定。

關(guān)于aeroGAIN-ROD 3.1在CPA系統(tǒng)中應(yīng)用4000+小時(shí)的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)研究，可參考以下論文：

Pedersen, M.E.V., Johansen, M.M., Olesen, A.S.,Michieletto, M., Gaponenko, M., and Maack, M.D. (2022)'175 W average power from a single-core rod fiberbased chirped-pulse-amplification system', Optics Letters Vol. 47, Issue 19, pp. 5172-5175 (2022)

可訪問網(wǎng)址： https://doi.org/10.1364/OL.471631

該文展示了aeroGAIN-ROD在實(shí)際超快激光系統(tǒng)中的穩(wěn)定運(yùn)行表現(xiàn)，適合作為工業(yè)系統(tǒng)開發(fā)的參考依據(jù)。