首发！光纤CPA放大利器aeroGAIN-ROD中文版保姆级使用指导书

aeroGAIN-ROD 2.1,3.1&3.2

用户指导说明书

高功率掺镱棒状光纤增益模块  aeroGAIN-ROD  指导说明涵盖了aeroGAIN-ROD 2.1、3.1和3.2模块， 这些模块之间的主要区别如下：

aeroGAIN-ROD模块是一款专为超快激光脉冲放大系统打造的高功率光纤放大模块。其具备3300um²的大模场面积及很高的泵浦吸收效率，实现了此前仅固体激光系统才能达到的高功率放大能力。

该模块可实现单模激光的放大及传输，确保衍射极限的输出光束质量和优异的指向稳定性，特别适用于1030nm附近波段的信号放大应用。

模块外壳采用高强度铝合金材质，便于搬运与集成，适用于OEM应用与科研实验室系统搭建。

指导说明面向在实验室和工业环境中参与该产品选型、规划和设计的技术人员，默认使用者具备一定的光学和激光原理知识。在进行种子光与泵浦测试时，务必佩戴适配波长的激光护目镜，配置可靠的互锁装置，该装置能够监测输出激光实时功率，在监测到任何异常情况时，在毫秒级的时间内关闭泵浦激光器和种子激光器。

请勿调整或移除2个水塞、2个端部配件或固定盖子的8颗螺丝(否则将使保修失效)。
aeroGAIN-ROD端帽在交付时是洁净的，但在拆卸或安装过程中可能沾染颗粒或污染物，请一定先用光学显微镜检查端帽，小的微尘可用无尘气体(滤净空气或氮气)吹掉，必要时用浸有异丙醇的镜头纸小心擦拭。

本说明包含有关如何安装和使用aeroGAINROD模块的重要信息。在使用aeroGAIN-ROD之前， 务必阅读并理解说明书的内容。同时也可以在NKT Photonics网站上找到更多资源， 那里可以下载包含规格尺寸的资料表以及模块的3D模型(STEP文件) 。

aeroGAIN-ROD模块交付形式为完整封装，ROD棒状光纤已集成于模块内部，确保在搬运、安装和光学耦合过程中无应力加载，避免外部环境影响。模块集成高效水冷系统，带快速连接接口，确保优良热管理性能与长期免维护运行(可达数千小时)。

该模块已通过环境应变测试、振动与跌落测试，具备优异的运输与储存稳定性。

aeroGAIN-ROD为防止端面受损和反射，配备了两个AR涂层端帽。图4所示为端帽结构，图5展示了模块中光纤端帽的角度安装方式。

安装及使用模块时必须佩戴无尘手套，避免直接触碰端面！建议在洁净环境下作业，以防止端面污染。

模块出厂时配有端帽保护盖，如非运行状态请保持端帽封闭(见图6)

模块在系统中运行时应沿长度方向固定，避免因弯曲或位移造成光纤性能下降。建议通过侧边预留的12个安装孔位，使用M3内六角螺钉进行固定(见图8)，安装后确保模块平整贴合，以利于散热和稳定性。

模块底部也预留有4个M6螺纹孔(见图9)，可作为备选安装方式，但不建议作为首选。

aeroGAIN-ROD模块专为水冷设计，请参照产品规格书配置水冷系统。

为保证放大性能，建议使用时检测并优化以下参数：

• 纤芯/包层功率比(CCR)
• 模场直径(MFD)
• 偏振消光比(PER)
• 光束质量(M²)
• 光-光转换效率
• 光斑和偏振稳定性

以下介绍涵盖了aeroGAIN-ROD的耦合、 光束检测，以及用于测试aeroGAIN-ROD的光路示例，见图10。

aeroGAIN-ROD专为1030nm放大优化设计，输出光束质量可达衍射极限。请一定确保种子激光具有很好的性能，例如优异的脉冲形状、很好的光束质量及较高的PER。

aeroGAIN-ROD的泵浦包层直径约为260um，NA≥0.50，可与大部分976nm泵浦系统直接匹配(如200um芯径、NA 0.22的光纤输出)。

aeroGAIN-ROD的放大性能将取决于整个激光系统的设计以及其具体运行方式，该增益模块支持在较宽的激光参数范围内运行。

推荐运行参数高度依赖于系统的具体配置、系统的光束质量以及性能需求的满足程度。下表(表1和表2)列出了在啁啾脉冲放大(CPA)和皮秒脉冲放大应用中，aeroGAIN-ROD 3.1在反向泵浦条件下的典型推荐运行参数，旨在实现高可靠性。详细信息请参考本文件“可靠性”章节。

建议aeroGAIN-ROD工作在中等增益条件下，增益范围为13–15dB(3.1版本最高可达17dB)。例如：若aeroGAIN-ROD 3.1在推荐的最大平均功率250W下运行，建议使用功率不低于5W的种子源，泵浦波长建议中心为976nm，线宽在1–5nm之间，以获得最佳效率。

为确保模块的高可靠性和数千小时的使用寿命，推荐aeroGAIN-ROD的最大输出信号峰值功率不超过250kW。

为实现对棒状光纤的高效耦合，需尽可能提升芯包比(CCR, Core/Clad Ratio)。CCR反映了光束耦合至单个纤芯的效率，其测量可在无增益状态下进行，但数值会随种子源波长的不同而有所变化，主要由于纤芯吸收特性不同所致。对于aeroGAIN-ROD，CCR定义为通过直径为90um光阑的光强占总光强的比例。

最简便的CCR测量方法是通过在功率计前方放置针孔，但强烈建议采用近场成像系统进行测量，以获得更高的精度。基于相机的成像系统可精确限定纤芯区域(即90um口径)，不仅提升测量准确性，也有助于实现最优的光束对准。具体设置详见“相机设置”章节。

在未开启泵浦光的情况下通过最大化CCR值优化种子光的耦合，是实现高性能和长期可靠性的关键步骤。

操作建议：
• 使用两片反射镜(耦合镜)调节种子光的入射角度；
• 使用望远镜结构，选配合适透镜调整种子光的模场尺寸，使其与棒状光纤端面匹配；
• 推荐初始模场直径约为65um，相位面应尽可能平坦；
• 实际MFD可根据耦合结果适度偏离，只要能最大化CCR即可。

典型表现：
以5W@1030nm的种子光为例，aeroGAIN-ROD 2.1、3.1、3.2在无增益状态下的CCR通常可达到80~90%。图11与图12展示了两种不同种子源下的近场图像，分别为优质耦合(CCR≈90%)与较差耦合(CCR<70%)的对比。

在达到最佳CCR之前，不建议开启泵浦光对aeroGAIN-ROD进行主动测试。

建议采用CCD成像系统监控近场光斑，设置方法如下：
① 分光采样器放置于功率计前，提取部分光束；
② CCD相机采集近场图像，图像区域应≥300×300像素，覆盖整个包层模式；
③ 透镜系统选择合理焦距与放大倍率，确保分辨率足以精确测量MFD；
④ 校准工作：
     • 对准相机焦平面至光纤端面；
     • 进行背景校正(暗场)，剔除噪声；
     • 标定像素尺寸，以确保MFD计算准确。

MFD在实际工作中高度依赖系统配置与热负载，因此图像清晰度和校准精度极为关键。

建议实时监测纤芯信号光的偏振消光比(PER)，可参考图10的测量配置。

操作建议：
• 使用线偏振种子光(垂直或水平)；
• 在输入端使用半波片来调整种子光的偏振方向，使其偏振方向与棒状光纤偏振方向对准；
• 在PER测量光路中添加光阑，屏蔽其他光，尽可能采集纤芯信号光。

aeroGAIN-ROD能够较好地保持种子光的偏振态，最终的偏振稳定性不仅取决于种子光的偏振质量，还受整个光路中光学器件(如反射镜、波片、透镜等)偏振特性的影响。在典型配置下，观察到的无源PER通常可达到15dB以上。

在确保aeroGAIN-ROD模块安装稳固、种子光耦合良好且系统运行稳定后，即可开启泵浦光，将模块作为激光放大器运行，进入所谓的主动放大模式(Active Operation)。

本章节展示了一组针对aeroGAIN-ROD 3.1的典型测试数据，反映了该型号产品的常规性能表现。所有测量均基于图10所示的实验配置，涵盖无源测量(未加泵浦光)与不同信号输出功率下的主动测量。

aeroGAIN-ROD 2.1和3.2在运行表现上与3.1型号相似。图13展示了不同信号输出功率下的近场图像，反映光束质量随功率的变化情况；图14显示了芯包比(CCR)随信号输出功率提升而改善的典型趋势，实际使用中可实现接近100%的主动CCR。

图15：展示了模场直径(MFD)随信号输出功率变化的趋势。随着热负载的增加，MFD会逐渐减小，典型的变化率约为每瓦信号功率下降0.1%。

图16：偏振消光比(PER)随信号输出功率提升而改善的典型示例。实际应用中，主动工作状态下的PER通常可达到≥20dB。

棒状光纤的光束质量通过取部分输出光导入M²测量系统进行评估。需重点监测的参数包括M²值、像散(Astigmatism)和光束不对称性(Asymmetry)。M²值对系统运行条件高度敏感，通常随着信号输出功率的增加，M²值将逐渐减小。在推荐的最大输出功率下运行时，aeroGAIN-ROD的典型M²值约为1.05，表明其具备接近理想高斯光束的优异质量。

仅凭观察M²值低于1.2–1.3并不足以确保系统的长期可靠性，高质量的种子光耦合才是关键因素。若种子光耦合不良，不仅会降低系统寿命，还可能引发静态模式畸变(Static Mode Deformation)，对ROD光纤造成不可逆损伤。

图17和图18展示了aeroGAIN-ROD 3.1在不同信号输出功率下的M²平均值、像散与不对称性的变化趋势。这组数据反映了该型号产品的典型性能分布。

aeroGAIN-ROD采用优化设计，具备抗干扰能力强且光束质量接近衍射极限的性能表现。为确保其运行的稳定性与可靠性，所有型号的aeroGAIN-ROD均在推荐的最大平均信号输出功率下进行长期测试。

图19展示了aeroGAIN-ROD 2.1、3.1和3.2型号在持续超过1000小时测试过程中的信号平均输出功率表现。测试条件包括：种子光功率为5W，中心波长约1030nm，脉宽约20ps，重复频率分别为20MHz、80MHz和40MHz，确保峰值功率不超过250kW(@976nm泵浦)。
图19：1000小时测试期间测量信号平均输出功率

测试结果总结：
在系统运行的前10至数百小时内，通常会观察到一定程度的功率下降，这一变化高度依赖于具体的运行条件。随后，功率衰减速率通常维持在每1000小时小于 1–3W的水平。

经过数千小时的连续测试，aeroGAIN-ROD展现出极佳的稳定性，整体性能退化极低。期间包括偏振消光比(PER)、芯包比(CCR)、模场直径(MFD)、光束形貌和M²值等关键参数均保持稳定。

关于aeroGAIN-ROD 3.1在CPA系统中应用4000+小时的详细实验研究，可参考以下论文：

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)

可访问网址： https://doi.org/10.1364/OL.471631

该文展示了aeroGAIN-ROD在实际超快激光系统中的稳定运行表现，适合作为工业系统开发的参考依据。