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高功率光纤激光中横模不稳定性(TMI)的起源

2020-10-25 11:41
光波常
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自1960年梅曼建成第一台激光器后,激光在医学、工业、科学等领域产生了广泛的影响。经过60年的发展,新的激光技术和应用依旧不断涌现,光纤激光可谓其中的典型代表。光纤的优势不仅源于其细长的几何形状,还因为它是唯一一种具有波导结构的高功率有源介质,因而能够产生衍射极限光束。有源光纤中,热量沿径向分散,使得光纤激光器可以在很高的热负荷下运转,产生极高的平均功率。

为了避免光纤中存在的非线性效应(如拉曼和布里渊散射,自相位调制和自聚焦效应)对激光性能的有害影响,大模场光纤应运而生,迅速成为搭建高功率光纤激光器的不二之选。随着平均功率的增加,有源光纤的热负荷急剧上升,热效应在减小模场面积的同时,更是引发了让人头疼的横模不稳定(Transverse mode instability, TMI)现象。具体而言,TMI是指平均功率超过某一阈值后,光纤激光的光束质量和稳定性会突然降低。TMI阈值通常在100 W到几千瓦(KW)之间。有别于光纤激光系统中已知的其他非线性效应,TMI成为制约进一步提升光纤激光平均功率的主0要瓶颈。2010年,Jena课题组首次报道了TMI现象,随后引起广泛关注,并在最近几年成为光纤激光研究的热点。

关于TMI现象,目前被普遍接受的结论包括:

TMI起源于热效应,与掺杂离子无关,任何激光系统(如掺铥光纤激光器)达到某一特定平均功率均会出现TMI。光束稳定运行状态(TMI阈值以下)和典型的不稳定阶段 (TMI阈值以上)之间存在过渡区,其特征是周期性的光束波动。光束在毫秒尺度上波动,光束在任何时候均为两个或两个以上横模的相干叠加。当平均功率远高于TMI阈值时,随着平均输出功率的增加,越来越多的横模参与到光束波动中,光束也总体接近超高斯分布(平顶形)。

图1. 光纤中热致RIG产生的四步模型 [1]

当光纤激光的输出平均功率超过TMI阈值时,光纤中不同横模之间便会能量转移,这种能量转移需要相位匹配。长周期光栅(LPG)是一种允许光纤中不同横模间进行能量交换的光学结构,其内部折射率呈周期性(准周期性)分布,周期明显长于激光波长。为了满足不同横模间的能量转移条件,LPG中折射率变化的周期性和对称性必须与这些横模所产生的模间干涉图样(MIP)相似。目前,广泛接受的观点认为光纤中LPG的产生是热积累导致的。热致LPG成因借助上图1解释为:当光耦合进大纤芯光纤后,能量大部分流入基模,少部分流入第一高阶模。不同横模在光纤中相速度的差异导致了MIP的产生,使得纤芯中的光场呈现强弱交替的准周期性分布。相对于弱的光场,强光场区域的反转粒子数耗尽更快,所以这种光场的准周期性分布会使得反转粒子数也呈现出横向不均匀的准周期性分布。反转粒子数的变化会影响功率放大和能量提取能力,随之便会产生横向不均匀的准周期性分布的温度场。温度分布的差异性会在热光效应的影响下生成准周期性分布的折射率光栅,这就是光纤中热致折射率光栅(RIG)的产生过程。

图2. TMI现象的基本物理图象 [1]

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