高功率單模光纖激光器最新進(jìn)展分析

　　橫模不穩(wěn)定性

　　摻鐿(Yb)光纖是高功率單模光纖激光器的典型主力介質(zhì)。但超過一定的閾值，它們將顯示出全新的效應(yīng)，即所謂的橫向模式不穩(wěn)定性(TMI)。在特定功率水平下，突然出現(xiàn)高階模式或甚至包層模式，能量在這些模式之間動(dòng)態(tài)傳遞，并且光束質(zhì)量降低。光束在輸出端開始波動(dòng)。

　　自從發(fā)現(xiàn) TMI 以來，已經(jīng)在從階躍折射率光纖到光子晶體光纖的各種光纖設(shè)計(jì)中觀察到 TMI。只有其閾值隨幾何形狀和摻雜而變化，但粗略估計(jì)，這種效應(yīng)在輸出功率超過 1kW后才顯現(xiàn)。與此同時(shí)，該效應(yīng)與光纖內(nèi)部的熱效應(yīng)相結(jié)合，與光致暗化效應(yīng)有很強(qiáng)的相關(guān)性。此外，光纖激光器對(duì) TMI 的敏感性似乎受到纖芯模態(tài)組成的影響。

　　階躍折射率光纖的幾何形狀產(chǎn)生了許多用于優(yōu)化的參數(shù)。纖芯直徑、泵浦包層的尺寸，以及纖芯和泵浦包層之間的折射率差異，都可以調(diào)整。這種調(diào)諧取決于摻雜濃度，也就是說，Yb 離子的濃度可用于控制激活光纖中泵浦輻射的吸收長(zhǎng)度。 可以添加其他摻雜劑以減少熱效應(yīng)，并控制折射率階躍。

　　但有一些相反的要求。為了減少非線性效應(yīng)，光纖應(yīng)該更短。然而，為了減少熱負(fù)荷，光纖應(yīng)該更長(zhǎng)。光致暗化隨著摻雜濃度的平方增加，因此具有較低摻雜的較長(zhǎng)光纖將更好。

　　有關(guān)這些參數(shù)的最初建議，可以在模擬中發(fā)現(xiàn)。一些參數(shù)，例如熱行為，可以模擬但難以預(yù)測(cè)，尤其是因?yàn)楣庵掳祷艿停⑶也荒芡ㄟ^加速測(cè)試來測(cè)量。因此，直接測(cè)量光纖中的熱行為，將有助于實(shí)驗(yàn)的規(guī)劃。

　　對(duì)于典型的有源光纖，圖 2 給出了從光纖放大器內(nèi)部同時(shí)分布式溫度測(cè)量提取的測(cè)量熱負(fù)荷與模擬熱負(fù)荷的比較。為了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)縱向溫度曲線，假定僅有 2dB/km 的額外損耗，這顯示了非常低的損耗。

　　光纖設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)重要參數(shù)是截止波長(zhǎng)，這是允許在激活纖芯內(nèi)有更多模式的最長(zhǎng)波長(zhǎng)。不支持大于該波長(zhǎng)的高階模式。

　　除了光纖本身的性質(zhì)之外，還有幾種方式來影響放大過程和損耗機(jī)制，例如光纖彎曲或種子光束的時(shí)間特性和光譜特性。

　　面向千瓦級(jí)功率的新光纖的測(cè)試

　　在深入模擬之后，在最近的實(shí)驗(yàn)中生產(chǎn)和檢查了兩種類型的摻 Yb 光纖。光 纖 1 的纖芯直徑為 30μm，并且共摻了磷和鋁。與光纖 1 相比，光纖 2 具有較小的 23μm 直徑，并且共摻水平較低，但含有更多的鐿，以實(shí)現(xiàn)略高的折射率分布(見表 1)。

　　光纖 1 和光纖 2 的計(jì)算截止波長(zhǎng)分別位于 1275nm 和 1100nm 附 近。與芯徑為 20μm、數(shù)值孔徑(NA)為0.06、截止波長(zhǎng)約 1450nm 的典型光纖相比，這要接近單模得多。放大的激光波長(zhǎng)中心為 1067nm。

　　兩種光纖都已經(jīng)在高功率泵浦方案中進(jìn)行了測(cè)試(見圖 3)。泵浦二極管激光和種子信號(hào)被自由空間耦合到光纖中，光纖制備有熔接的端帽和水沖洗接頭，在靜止水浴中用于冷卻。種子是相位調(diào)制的外腔二極管激光器(ECDL)，其被預(yù)放大，以實(shí)現(xiàn)1067nm 的 10W 種子功率和 180pm 的光譜線寬。

　　在光纖 1 的測(cè)試中，在 2.8kW 的閾值下，在毫秒級(jí)上觀察到突然的波動(dòng)，這可以歸因于 TMI。長(zhǎng)度為30m、種子線寬相同的光纖 2，被泵浦到 3.5kW 的輸出功率，受到 SBS而非 TMI 限制。

　　在第三個(gè)實(shí)驗(yàn)中，修改種子激光光譜，通過光譜展寬到比以前實(shí)驗(yàn)更高的程度，來提高光纖的 SBS 閾值。為此，將具有 300pm 移動(dòng)中心波長(zhǎng)的第二個(gè)二極管激光器與第一個(gè)二極管激光器組合。這種干擾導(dǎo)致時(shí)間跳動(dòng)，由于自相位調(diào)制，使得帶寬隨功率增加。在與之前相同的主放大器中，獲得非常相似的輸出功率值和 90%的斜率效率，但是輸出功率可以提升到4.3kW，而沒有任何 TMI 的跡象(見表 2)。

　　測(cè)量挑戰(zhàn)

　　測(cè)量高功率光纖激光器的所有方面是一項(xiàng)主要工作，需要專門的設(shè)備進(jìn)行多項(xiàng)不同的任務(wù)。對(duì)于光纖的完全表征，確定了摻雜濃度、折射率分布和光纖纖芯衰減。 例如，測(cè)量不同彎曲直徑的纖芯損耗，對(duì)于與 TMI閾值的相關(guān)性是有價(jià)值的。