我们在超快光纤激光技术之四中已经知道,TMI导致光束波动需要满足两个条件: (1)出现瞬态折射率光栅(RIG)和 (2) 模间干涉图样MIP与RIG之间存在相移。因此,可以通过削弱RIG或者控制MIP-RIG相移以提高TMI阈值,具体的实施方式分为被动和主动两种。在被动方法中,控制单横模传输是比较直接的提高TMI阈值的途径。

高功率光纤激光系统中光纤的纤芯尺寸一般较大,也更容易产生高阶模,因而想要获得单横模传输就需要进行特殊的光纤设计。现有的设计策略分为两类:一类是增大高阶模的损耗,另一类是将高阶模选择性地从纤芯掺杂区移除,包括将高阶模耦合进入临近纤芯和高阶模离域两种。图1所示的高阶模离域技术已被广泛证明可以提高TMI阈值2-3倍,这种策略不仅使得高阶模增益远小于基模,也使得高阶模不易被高斯光束激发。选择性增益是另一种与高阶模离域有相似效果的方法,可通过减小掺杂区实际尺寸来实现,但相应的光纤使用长度也将增加。

图1． 通过包层结构的非对称设计实现高阶模离域的效果(下半部分)[1]

此外,对纤芯结构或组分的优化也是有效提高TMI阈值的手段。纤芯结构的优化可以通过多芯光纤的方法实现,只要在设计上控制纤芯相互之间光热的隔离,就可以大幅提高单根光纤输出功率并规避TMI效应。如图2所示,(a)为四芯光纤的横截面剖面实物图,纤芯之间相互保持一定距离,(b)为单一纤芯输出的平均TMI阈值和四个纤芯合束后对应的总体TMI阈值。

图2． (a)多芯光纤横截面示意图,(b)单一纤芯(蓝色)与四个纤芯(红色)分别对应的TMI阈值 [1]

除优化纤芯结构外还可通过改善纤芯组分来增加TMI阈值,比如在传统的以二氧化硅中为基质的光纤中掺入磷等其他元素以降低光子暗化(PD)。甚至使用热导率高8倍、热光系数少20%的钇铝石榴石(YAG)晶体作为光纤基质材料。泵浦波长和泵浦方案对光纤激光器性能有决定性影响,同时也会决定系统的热负荷情况,这将直接影响TMI阈值。实验中发现TMI阈值随泵浦波长的改变主要是受到有效光纤长度的影响,这说明调节光纤长度是一种调节TMI阈值的方法。还有另一种利用同带泵浦减少量子损耗(QD)来提高TMI阈值的方法,但吸收截面较低导致使用的光纤很长,不适用于受非线性制约的系统。

TMI现象也可利用主动方法加以控制。相比于被动方法,主动方法在系统复杂度上虽然更高,但调制能力也更强,并且大多可与被动方法兼容,具有很高的可行性。主动方法主要有声光偏转器动态模式激发法、光子灯笼动态模式激发法、泵浦调制法、Burst模式相移操控法。

基于声光偏转器(AOD)动态模式激发的思路是监测输出光束的波动,然后反馈控制AOD来改变信号模式的激发位置以实现TMI阈值之上的稳定运转,系统装置如图3所示。基本原理是AOD在控制单元的作用下实现对输出光束的角度偏转,经过耦合透镜后即可实现在纤芯不同位置处的模式激发。

不同的纤芯激发位置可以在光纤中产生结构相同但相位不同的MIP,也即产生相位不同的RIG。通过控制AOD使得激发位置在光纤轴心上下位置的周期性变化会让产生的RIG有π相位的突变。如果调制的频率合适,即RIG开始改变但还没有足够的时间来完全适应新的MIP,这时RIG将沿着径向均匀地对称分布,呈现出RIG横向被清除的结果。这样一来将大大降低基模与高阶模之间的耦合,大幅提高TMI阈值并获得稳定的光束输出。

图3． 基于AOD的动态模式激发方法的实验装置图 [1]

作为上述方法的改进,利用光子灯笼来代替声光偏转器能够实现对激发模式更多自由度的操控。光子灯笼一般有三个输入端,可以通过调制器单独控制不同输入端传播光束的振幅、相位和偏振参数,因而可以灵活控制注入放大器中的传播光束以实现更高的TMI阈值。

AOD动态模式激发法和光子灯笼动态模式激发法虽然效果显著,但反馈控制回路的引入增加了系统的复杂程度。作为补充,泵浦调制法不需要反馈控制回路,只需对泵浦激光输出进行调制即可实现提高TMI阈值的目的,系统装置如图4所示。这种方法相对简单且容易与现有系统兼容。泵浦调制法的原理与AOD动态模式激发法类似,目的也是对RIG的清除,不过这种情况下的清除发生在纵向上。

泵浦功率的增加或减少会使得增益光纤的热负荷升高或降低,热负荷的变化会导致光纤横向折射率的变化,这种变化会使得光纤内传播的不同模式间的传播常数差异更大,并最终导致MIP在纵向压缩或拉伸。因此,如果对泵浦功率进行频率和振幅的调制,将会使MIP产生类似于 “手风琴运动”的拉伸和压缩,对应的RIG也将随之变化。

当调制频率合适时,RIG有足够的时间开始适应MIP的运动但不能完全跟随,处于一个恒定的过渡状态(不断移动,但从未达到其稳定状态的最大或最小值),表现出RIG横向的削弱和清除。最佳调制频率取决于整个系统,一般在百赫兹区间。这种方法虽然结果简单,但泵浦功率的调制会使输出功率也出现调制,理论指出采用参数合适的双向泵浦方案可以保持输出功率稳定。

图4． 基于泵浦调制方法的实验装置图 [1]

除此之外,操控MIP与RIG之间相移以控制模式间能量流动方向也是一种提高TMI阈值的方法,其中一种便是利用Burst模式的种子脉冲序列来实现正相移。Burst模式相移操控法的原理是在Burst脉冲入射过程中,温度的逐步升高会使得MIP被压缩并导致正的相移,随之产生高阶模到基模的能量转移,这种能量转移会让系统即使在TMI阈值以上也能实现近基模运转。这种方法的显著缺点是Burst脉冲序列的参数不能灵活调节,只有特定包络形状的序列才能最好地缓解TMI现象,因而对于某些应用可能不适用。

上述介绍的用于提高TMI阈值方法的大致思路都是通过外部手段达到弱化RIG的目的。被动方法的侧重点在于改变系统的参数或配置,包括优化设计光纤参数、调整泵浦或信号波长、改变增益饱和水平等。主动方法的侧重点在于对系统的动态控制,包括对信号耦合条件及泵浦功率等的动态调控。当然,技术发展过程中也出现了通过操控MIP和RIG间相移来调控能量流动方向的优化策略。总而言之,TMI阈值优化策略的发展与TMI背后物理机制的深入理解密切相关,技术的进步也将进一步推动高功率光纤激光器输出性能的提升。

上期精彩:

1．超快光纤激光技术之四:高功率光纤激光中横模不稳定性(TMI)的起源

参考文献:

[1] C． Jauregui, C． Stihler, and J． Limpert, “Transverse mode instability,” Advances in Optics and Photonics 12, 429 (2020)．