光纖放大器中強(qiáng)度噪聲對(duì)橫向模式不穩(wěn)定的影響

  ICC訊 據(jù)PhotoniX報(bào)道，德國耶拿大學(xué)Jens Limpert教授團(tuán)隊(duì)長期從事高功率光纖激光以及非線性光纖光學(xué)研究，對(duì)于高功率光纖激光最主要的限制因素——橫向模式不穩(wěn)定的物理機(jī)制及抑制方案已經(jīng)從事了近10年的研究。該團(tuán)隊(duì)成員Christoph Stihler等人于2020年3月在《PhotoniX》期刊上發(fā)表了題為“Intensity noise as a driver for transverse mode instability in fiber amplifiers”的論文，證實(shí)摻鐿光纖放大器中的橫模模式不穩(wěn)定由激光強(qiáng)度噪聲驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生，同時(shí)發(fā)現(xiàn)泵浦源的強(qiáng)度噪聲對(duì)該過程具有顯著影響，該結(jié)論進(jìn)一步加深了對(duì)橫模模式不穩(wěn)定產(chǎn)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)，為提升光纖放大器的功率提供了新的思路。

  光纖激光具有轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、可柔性操作等突出優(yōu)勢(shì)，已在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來新發(fā)現(xiàn)的橫向模式不穩(wěn)定效應(yīng)是限制高光束質(zhì)量光纖激光輸出功率提升的重要因素。橫向模式不穩(wěn)定效應(yīng)是指光纖內(nèi)基模和高階模之間發(fā)生快速動(dòng)態(tài)耦合導(dǎo)致光束質(zhì)量退化的現(xiàn)象，有明顯的閾值特性，普遍認(rèn)為由高功率狀態(tài)下增益光纖中的模間干涉光場(chǎng)和熱致折射率光柵間發(fā)生相移引起。

  技術(shù)突破

  本文通過仿真和實(shí)驗(yàn)論證了摻鐿光纖放大器中泵浦和種子的強(qiáng)度噪聲對(duì)橫模模式不穩(wěn)定閾值的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中，2.9 %的泵浦強(qiáng)度噪聲會(huì)導(dǎo)致橫模模式不穩(wěn)定閾值下降63 %;而在強(qiáng)度噪聲相似的情況下，種子強(qiáng)度噪聲引起的橫模模式不穩(wěn)定閾值下降僅為13 %。論文對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了深入討論，提出該現(xiàn)象與飽和光纖放大器中的噪聲傳遞函數(shù)有關(guān)，并預(yù)測(cè)對(duì)頻率在20 kHz以下的泵浦噪聲進(jìn)行抑制能夠有效提升橫模模式不穩(wěn)定的閾值。

圖1 橫模模式不穩(wěn)定(TMI)閾值隨著泵浦和種子的相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)的變化曲線。泵浦強(qiáng)度噪聲(藍(lán)色點(diǎn)線)對(duì)橫模模式不穩(wěn)定閾值的影響明顯強(qiáng)于種子強(qiáng)度噪聲(紅色點(diǎn)線)

  觀點(diǎn)評(píng)述

  橫向模式不穩(wěn)定是高功率光纖激光功率提升最主要的限制因素之一，自2010年首次發(fā)現(xiàn)以來，多家單位對(duì)它的產(chǎn)生機(jī)制及抑制方法進(jìn)行了深入研究。目前普遍認(rèn)為是由于增益光纖中的模間干涉光場(chǎng)和熱致折射率光柵間發(fā)生相移引起的，因而多采用降低熱效應(yīng)、減少高階模成分等方案對(duì)其進(jìn)行抑制。本文明確指出泵浦和種子的強(qiáng)度噪聲對(duì)摻鐿光纖放大器中橫向模式不穩(wěn)定產(chǎn)生閾值的影響，加深了對(duì)橫向模式不穩(wěn)定物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為提升光纖激光的輸出功率水平提供了新方案。

圖2 論證激光強(qiáng)度噪聲對(duì)橫向模式不穩(wěn)定影響規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置圖

  該研究成果的文章題目為“Intensity noise as a driver for transverse mode instability in fiber amplifiers”，發(fā)表在PhotoniX期刊上，文章鏈接：https://doi.org/10.1186/s43074-020-00008-8

  撰稿 | 宋家鑫(國防科技大學(xué))

  論文作者| Christoph Stihler, Cesar Jauregui, Sobhy E. Kholaif and Jens Limpert

  完成單位 | 德國耶拿大學(xué)阿貝光子學(xué)中心應(yīng)用物理研究所、德國夫瑯禾費(fèi)應(yīng)用光學(xué)與精密工程研究所