光纖放大器中強度噪聲對橫向模式不穩(wěn)定的影響

  ICC訊 據(jù)PhotoniX報道，德國耶拿大學Jens Limpert教授團隊長期從事高功率光纖激光以及非線性光纖光學研究，對于高功率光纖激光最主要的限制因素——橫向模式不穩(wěn)定的物理機制及抑制方案已經(jīng)從事了近10年的研究。該團隊成員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，證實摻鐿光纖放大器中的橫模模式不穩(wěn)定由激光強度噪聲驅(qū)動產(chǎn)生，同時發(fā)現(xiàn)泵浦源的強度噪聲對該過程具有顯著影響，該結論進一步加深了對橫模模式不穩(wěn)定產(chǎn)生機理的認識，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、結構緊湊、可柔性操作等突出優(yōu)勢，已在多個領域得到廣泛應用。近年來新發(fā)現(xiàn)的橫向模式不穩(wěn)定效應是限制高光束質(zhì)量光纖激光輸出功率提升的重要因素。橫向模式不穩(wěn)定效應是指光纖內(nèi)基模和高階模之間發(fā)生快速動態(tài)耦合導致光束質(zhì)量退化的現(xiàn)象，有明顯的閾值特性，普遍認為由高功率狀態(tài)下增益光纖中的模間干涉光場和熱致折射率光柵間發(fā)生相移引起。

  技術突破

  本文通過仿真和實驗論證了摻鐿光纖放大器中泵浦和種子的強度噪聲對橫模模式不穩(wěn)定閾值的影響規(guī)律。實驗中，2.9 %的泵浦強度噪聲會導致橫模模式不穩(wěn)定閾值下降63 %;而在強度噪聲相似的情況下，種子強度噪聲引起的橫模模式不穩(wěn)定閾值下降僅為13 %。論文對實驗結果進行了深入討論，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，并預測對頻率在20 kHz以下的泵浦噪聲進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強度噪聲(RIN)的變化曲線。泵浦強度噪聲(藍色點線)對橫模模式不穩(wěn)定閾值的影響明顯強于種子強度噪聲(紅色點線)

  觀點評述

  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，多家單位對它的產(chǎn)生機制及抑制方法進行了深入研究。目前普遍認為是由于增益光纖中的模間干涉光場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、減少高階模成分等方案對其進行抑制。本文明確指出泵浦和種子的強度噪聲對摻鐿光纖放大器中橫向模式不穩(wěn)定產(chǎn)生閾值的影響，加深了對橫向模式不穩(wěn)定物理機制的認識，為提升光纖激光的輸出功率水平提供了新方案。

圖2 論證激光強度噪聲對橫向模式不穩(wěn)定影響規(guī)律的實驗裝置圖

  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)

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

  完成單位 | 德國耶拿大學阿貝光子學中心應用物理研究所、德國夫瑯禾費應用光學與精密工程研究所