aeroGAIN-ROD 2.1,3.1&3.2

用戶(hù)指導說(shuō)明書(shū)

高功率摻鐿棒狀光纖增益模塊 ?aeroGAIN-ROD? 指導說(shuō)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別如下：

aeroGAIN-ROD模塊是一款專(zhuān)為超快激光脈沖放大系統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)現了此前僅固體激光系統才能達到的高功率放大能力。

該模塊可實(shí)現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)異的指向穩定性，特別適用于1030nm附近波段的信號放大應用。

模塊外殼采用高強度鋁合金材質(zhì)，便于搬運與集成，適用于OEM應用與科研實(shí)驗室系統搭建。

指導說(shuō)明面向在實(shí)驗室和工業(yè)環(huán)境中參與該產(chǎn)品選型、規劃和設計的技術(shù)人員，默認使用者具備一定的光學(xué)和激光原理知識。在進(jìn)行種子光與泵浦測試時(shí)，務(wù)必佩戴適配波長(cháng)的激光護目鏡，配置可靠的互鎖裝置，該裝置能夠監測輸出激光實(shí)時(shí)功率，在監測到任何異常情況時(shí)，在毫秒級的時(shí)間內關(guān)閉泵浦激光器和種子激光器。

請勿調整或移除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(guò)程中可能沾染顆?；蛭廴疚?，請一定先用光學(xué)顯微鏡檢查端帽，小的微塵可用無(wú)塵氣體(濾凈空氣或氮氣)吹掉，必要時(shí)用浸有異丙醇的鏡頭紙小心擦拭。

本說(shuō)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(shuō)明書(shū)的內容。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部，確保在搬運、安裝和光學(xué)耦合過(guò)程中無(wú)應力加載，避免外部環(huán)境影響。模塊集成高效水冷系統，帶快速連接接口，確保優(yōu)良熱管理性能與長(cháng)期免維護運行(可達數千小時(shí))。

該模塊已通過(guò)環(huán)境應變測試、振動(dòng)與跌落測試，具備優(yōu)異的運輸與儲存穩定性。

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所示為端帽結構，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(wú)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(chǎng)時(shí)配有端帽保護蓋，如非運行狀態(tài)請保持端帽封閉(見(jiàn)圖6)

模塊在系統中運行時(shí)應沿長(cháng)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(guò)側邊預留的12個(gè)安裝孔位，使用M3內六角螺釘進(jìn)行固定(見(jiàn)圖8)，安裝后確保模塊平整貼合，以利于散熱和穩定性。

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

aeroGAIN-ROD模塊專(zhuān)為水冷設計，請參照產(chǎn)品規格書(shū)配置水冷系統。

為保證放大性能，建議使用時(shí)檢測并優(yōu)化以下參數：

? 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-光轉換效率
? 光斑和偏振穩定性

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

aeroGAIN-ROD專(zhuān)為1030nm放大優(yōu)化設計，輸出光束質(zhì)量可達衍射極限。請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)激光系統的設計以及其具體運行方式，該增益模塊支持在較寬的激光參數范圍內運行。

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

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17dB)。例如：若aeroGAIN-ROD 3.1在推薦的最大平均功率250W下運行，建議使用功率不低于5W的種子源，泵浦波長(cháng)建議中心為976nm，線(xiàn)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千小時(shí)的使用壽命，推薦aeroGAIN-ROD的最大輸出信號峰值功率不超過(guò)250kW。

為實(shí)現對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，其測量可在無(wú)增益狀態(tài)下進(jìn)行，但數值會(huì )隨種子源波長(cháng)的不同而有所變化，主要由于纖芯吸收特性不同所致。對于aeroGAIN-ROD，CCR定義為通過(guò)直徑為90um光闌的光強占總光強的比例。

最簡(jiǎn)便的CCR測量方法是通過(guò)在功率計前方放置針孔，但強烈建議采用近場(chǎng)成像系統進(jìn)行測量，以獲得更高的精度?；谙鄼C的成像系統可精確限定纖芯區域(即90um口徑)，不僅提升測量準確性，也有助于實(shí)現最優(yōu)的光束對準。具體設置詳見(jiàn)“相機設置”章節。

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

操作建議：
? 使用兩片反射鏡(耦合鏡)調節種子光的入射角度；
? 使用望遠鏡結構，選配合適透鏡調整種子光的模場(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，相位面應盡可能平坦；
? 實(shí)際MFD可根據耦合結果適度偏離，只要能最大化CCR即可。

典型表現：
以5W@1030nm的種子光為例，aeroGAIN-ROD 2.1、3.1、3.2在無(wú)增益狀態(tài)下的CCR通?？蛇_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%)的對比。

在達到最佳CCR之前，不建議開(kāi)啟泵浦光對aeroGAIN-ROD進(jìn)行主動(dòng)測試。

建議采用CCD成像系統監控近場(chǎng)光斑，設置方法如下：
① 分光采樣器放置于功率計前，提取部分光束；
② CCD相機采集近場(chǎng)圖像，圖像區域應≥300×300像素，覆蓋整個(gè)包層模式；
③ 透鏡系統選擇合理焦距與放大倍率，確保分辨率足以精確測量MFD；
④ 校準工作：
     ? 對準相機焦平面至光纖端面；
     ? 進(jìn)行背景校正(暗場(chǎng))，剔除噪聲；
     ? 標定像素尺寸，以確保MFD計算準確。

MFD在實(shí)際工作中高度依賴(lài)系統配置與熱負載，因此圖像清晰度和校準精度極為關(guān)鍵。

建議實(shí)時(shí)監測纖芯信號光的偏振消光比(PER)，可參考圖10的測量配置。

操作建議：
? 使用線(xiàn)偏振種子光(垂直或水平)；
? 在輸入端使用半波片來(lái)調整種子光的偏振方向，使其偏振方向與棒狀光纖偏振方向對準；
? 在PER測量光路中添加光闌，屏蔽其他光，盡可能采集纖芯信號光。

aeroGAIN-ROD能夠較好地保持種子光的偏振態(tài)，最終的偏振穩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(guān)察到的無(wú)源PER通?？蛇_到15dB以上。

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

本章節展示了一組針對aeroGAIN-ROD 3.1的典型測試數據，反映了該型號產(chǎn)品的常規性能表現。所有測量均基于圖10所示的實(shí)驗配置，涵蓋無(wú)源測量(未加泵浦光)與不同信號輸出功率下的主動(dòng)測量。

aeroGAIN-ROD 2.1和3.2在運行表現上與3.1型號相似。圖13展示了不同信號輸出功率下的近場(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)隨信號輸出功率提升而改善的典型趨勢，實(shí)際使用中可實(shí)現接近100%的主動(dòng)CCR。

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

圖16：偏振消光比(PER)隨信號輸出功率提升而改善的典型示例。實(shí)際應用中，主動(dòng)工作狀態(tài)下的PER通?？蛇_到≥20dB。

棒狀光纖的光束質(zhì)量通過(guò)取部分輸出光導入M2測量系統進(jìn)行評估。需重點(diǎn)監測的參數包括M2值、像散(Astigmatism)和光束不對稱(chēng)性(Asymmetry)。M2值對系統運行條件高度敏感，通常隨著(zhù)信號輸出功率的增加，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(guān)察M2值低于1.2–1.3并不足以確保系統的長(cháng)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 )降低系統壽命，還可能引發(fā)靜態(tài)模式畸變(Static Mode Deformation)，對ROD光纖造成不可逆損傷。

圖17和圖18展示了aeroGAIN-ROD 3.1在不同信號輸出功率下的M2平均值、像散與不對稱(chēng)性的變化趨勢。這組數據反映了該型號產(chǎn)品的典型性能分布。

aeroGAIN-ROD采用優(yōu)化設計，具備抗干擾能力強且光束質(zhì)量接近衍射極限的性能表現。為確保其運行的穩定性與可靠性，所有型號的aeroGAIN-ROD均在推薦的最大平均信號輸出功率下進(jìn)行長(cháng)期測試。

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

測試結果總結：
在系統運行的前10至數百小時(shí)內，通常會(huì )觀(guān)察到一定程度的功率下降，這一變化高度依賴(lài)于具體的運行條件。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(guò)數千小時(shí)的連續測試，aeroGAIN-ROD展現出極佳的穩定性，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)鍵參數均保持穩定。

關(guān)于aeroGAIN-ROD 3.1在CPA系統中應用4000+小時(shí)的詳細實(shí)驗研究，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(fǎng)問(wèn)網(wǎng)址： https://doi.org/10.1364/OL.471631

該文展示了aeroGAIN-ROD在實(shí)際超快激光系統中的穩定運行表現，適合作為工業(yè)系統開(kāi)發(fā)的參考依據。