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激光技術(shù)

高功率光纖激光中橫模不穩(wěn)定性(TMI)的起源

激光制造網(wǎng) 來源:光波常2020-10-31 我要評論(0 )   

自1960年梅曼建成第一臺激光器后,激光在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、科學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)生了廣泛的影響。經(jīng)過60年的發(fā)展,新的激光技術(shù)和應(yīng)用依舊不斷涌現(xiàn),光纖激光可謂其中的典型代表。光...

自1960年梅曼建成第一臺激光器后,激光在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、科學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)生了廣泛的影響。經(jīng)過60年的發(fā)展,新的激光技術(shù)和應(yīng)用依舊不斷涌現(xiàn),光纖激光可謂其中的典型代表。


光纖的優(yōu)勢不僅源于其細(xì)長的幾何形狀,還因為它是唯一一種具有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的高功率有源介質(zhì),因而能夠產(chǎn)生衍射極限光束。有源光纖中,熱量沿徑向分散,使得光纖激光器可以在很高的熱負(fù)荷下運轉(zhuǎn),產(chǎn)生極高的平均功率。


為了避免光纖中存在的非線性效應(yīng)(如拉曼和布里淵散射,自相位調(diào)制和自聚焦效應(yīng))對激光性能的有害影響,大模場光纖應(yīng)運而生,迅速成為搭建高功率光纖激光器的不二之選。隨著平均功率的增加,有源光纖的熱負(fù)荷急劇上升,熱效應(yīng)在減小模場面積的同時,更是引發(fā)了讓人頭疼的橫模不穩(wěn)定(Transverse mode instability, TMI)現(xiàn)象。


具體而言,TMI是指平均功率超過某一閾值后,光纖激光的光束質(zhì)量和穩(wěn)定性會突然降低。TMI閾值通常在100 W到幾千瓦(KW)之間。有別于光纖激光系統(tǒng)中已知的其他非線性效應(yīng),TMI成為制約進(jìn)一步提升光纖激光平均功率的主要瓶頸。


2010年,Jena課題組首次報道了TMI現(xiàn)象,隨后引起廣泛關(guān)注,并在最近幾年成為光纖激光研究的熱點。


關(guān)于TMI現(xiàn)象,目前被普遍接受的結(jié)論包括:


  1. TMI起源于熱效應(yīng),與摻雜離子無關(guān),任何激光系統(tǒng)(如摻銩光纖激光器)達(dá)到某一特定平均功率均會出現(xiàn)TMI。

  2. 光束穩(wěn)定運行狀態(tài)(TMI閾值以下)和典型的不穩(wěn)定階段 (TMI閾值以上)之間存在過渡區(qū),其特征是周期性的光束波動。

  3. 光束在毫秒尺度上波動,光束在任何時候均為兩個或兩個以上橫模的相干疊加。

  4. 當(dāng)平均功率遠(yuǎn)高于TMI閾值時,隨著平均輸出功率的增加,越來越多的橫模參與到光束波動中,光束也總體接近超高斯分布(平頂形)。

當(dāng)光纖激光的輸出平均功率超過TMI閾值時,光纖中不同橫模之間便會能量轉(zhuǎn)移,這種能量轉(zhuǎn)移需要相位匹配。


長周期光柵(LPG)是一種允許光纖中不同橫模間進(jìn)行能量交換的光學(xué)結(jié)構(gòu),其內(nèi)部折射率呈周期性(準(zhǔn)周期性)分布,周期明顯長于激光波長。


圖1. 光纖中熱致RIG產(chǎn)生的四步模型 [1]

為了滿足不同橫模間的能量轉(zhuǎn)移條件,LPG中折射率變化的周期性和對稱性必須與這些橫模所產(chǎn)生的模間干涉圖樣(MIP)相似。目前,廣泛接受的觀點認(rèn)為光纖中LPG的產(chǎn)生是熱積累導(dǎo)致的。


熱致LPG成因借助上圖1解釋為:當(dāng)光耦合進(jìn)大纖芯光纖后,能量大部分流入基模,少部分流入第一高階模。不同橫模在光纖中相速度的差異導(dǎo)致了MIP的產(chǎn)生,使得纖芯中的光場呈現(xiàn)強弱交替的準(zhǔn)周期性分布。


相對于弱的光場,強光場區(qū)域的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)耗盡更快,所以這種光場的準(zhǔn)周期性分布會使得反轉(zhuǎn)粒子數(shù)也呈現(xiàn)出橫向不均勻的準(zhǔn)周期性分布。反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的變化會影響功率放大和能量提取能力,隨之便會產(chǎn)生橫向不均勻的準(zhǔn)周期性分布的溫度場。


溫度分布的差異性會在熱光效應(yīng)的影響下生成準(zhǔn)周期性分布的折射率光柵,這就是光纖中熱致折射率光柵(RIG)的產(chǎn)生過程。


圖2. TMI現(xiàn)象的基本物理圖象 [1]

此外,能量要在不同橫模間轉(zhuǎn)移還需要在MIP和RIG之間存在一個相移,如圖2所示。


目前,關(guān)于MIP與RIG間相移的成因仍然懸而未決。一種說法認(rèn)為不同橫模間中心頻率不同,因而產(chǎn)生不斷變化的MIP,MIP和RIG間的相移在低功率下就存在,但只有在高功率下才有明顯的能量轉(zhuǎn)移過程。這種說法中的中心頻率差異來源無法解釋,且與某些實驗結(jié)果有矛盾。


另一種說法認(rèn)為橫模間不存在中心頻率差異,產(chǎn)生的MIP是準(zhǔn)靜止的,模式間能量轉(zhuǎn)移對相移的靈敏度會隨著平均功率的增大而增大,呈指數(shù)上升趨勢。因為當(dāng)平均功率增加時對應(yīng)的RIG也在增強,在足夠強烈的RIG下,哪怕是系統(tǒng)的固有噪聲等產(chǎn)生的很小的相移也會導(dǎo)致強烈的能量轉(zhuǎn)移。


雖然兩種說法都有相應(yīng)的模擬計算,但只有第二種說法得出的計算結(jié)果更符合實際,也包含了更多關(guān)于TMI背后的真實物理機制。


圖3. MIP和RIG間的相移對橫模間能量轉(zhuǎn)移的影響 [1]

雖然MIP與RIG之間相移的成因尚有爭論,但這一相移對TMI過程的影響機制是很明確的,如圖3所示。


其中相移的符號決定了模式間能量轉(zhuǎn)移的方向:相移為正,能量由高階模流向基模;相移為負(fù),能量由基模流向高階模;相位一致便不存在能量流動。在TMI現(xiàn)象中的光束波動期,相移的符號和量值都在隨時間變化,因而能量流向也在隨時間變化。


圖4. 熱負(fù)荷對橫模間有效折射率差異的影響示意圖 [1]


研究表明,抽運功率的變化會產(chǎn)生這一相移。如圖4所示,抽運功率的增加會導(dǎo)致光纖纖芯出現(xiàn)軸向溫度梯度,在熱光效應(yīng)的影響下會產(chǎn)生軸向的折射率梯度,最終使得基模與高階模間的有效折射率差變大。


MIP的周期與基模與高階模之間有效折射率之差成反比,因而折射率差變大會使得MIP被壓縮,這是一種對溫度變化的即時響應(yīng)。相比之下,RIG從前一狀態(tài)變到后一狀態(tài)需要一定的時間,這種滯后性就會在MIP和RIG之間產(chǎn)生了正的相移。


對于熱致TMI,最重要的影響因素是光纖中的熱負(fù)荷。光纖中主要的熱源包括量子缺陷和光子暗化。二者各自通過熱效應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的熱致RIG,相互疊加,導(dǎo)致TMI閾值下降。


通過技術(shù)改進(jìn),目前光纖中的光子暗化損耗已經(jīng)可以降到很低,但相對于量子缺陷,光子暗化將所有吸收的抽運和信號光子轉(zhuǎn)化為熱,因此依然是影響TMI的一個重要因素。


總之,TMI不僅取決于光纖參數(shù),而且與整個光纖放大器的運行狀態(tài)有關(guān),抽運方式、抽運光及信號光波長、抽運及種子光的相對強度噪聲等等都會對TMI閾值具有明顯影響。

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