光纤放大器中强度噪声对横向模式不稳定的影响

  ICC讯 据PhotoniX报道，德国耶拿大学Jens Limpert教授团队长期从事高功率光纤激光以及非线性光纤光学研究，对于高功率光纤激光最主要的限制因素——横向模式不稳定的物理机制及抑制方案已经从事了近10年的研究。该团队成员Christoph Stihler等人于2020年3月在《PhotoniX》期刊上发表了题为“Intensity noise as a driver for transverse mode instability in fiber amplifiers”的论文，证实掺镱光纤放大器中的横模模式不稳定由激光强度噪声驱动产生，同时发现泵浦源的强度噪声对该过程具有显著影响，该结论进一步加深了对横模模式不稳定产生机理的认识，为提升光纤放大器的功率提供了新的思路。

  光纤激光具有转换效率高、结构紧凑、可柔性操作等突出优势，已在多个领域得到广泛应用。近年来新发现的横向模式不稳定效应是限制高光束质量光纤激光输出功率提升的重要因素。横向模式不稳定效应是指光纤内基模和高阶模之间发生快速动态耦合导致光束质量退化的现象，有明显的阈值特性，普遍认为由高功率状态下增益光纤中的模间干涉光场和热致折射率光栅间发生相移引起。

  技术突破

  本文通过仿真和实验论证了掺镱光纤放大器中泵浦和种子的强度噪声对横模模式不稳定阈值的影响规律。实验中，2.9 %的泵浦强度噪声会导致横模模式不稳定阈值下降63 %;而在强度噪声相似的情况下，种子强度噪声引起的横模模式不稳定阈值下降仅为13 %。论文对实验结果进行了深入讨论，提出该现象与饱和光纤放大器中的噪声传递函数有关，并预测对频率在20 kHz以下的泵浦噪声进行抑制能够有效提升横模模式不稳定的阈值。

图1 横模模式不稳定(TMI)阈值随着泵浦和种子的相对强度噪声(RIN)的变化曲线。泵浦强度噪声(蓝色点线)对横模模式不稳定阈值的影响明显强于种子强度噪声(红色点线)

  观点评述

  横向模式不稳定是高功率光纤激光功率提升最主要的限制因素之一，自2010年首次发现以来，多家单位对它的产生机制及抑制方法进行了深入研究。目前普遍认为是由于增益光纤中的模间干涉光场和热致折射率光栅间发生相移引起的，因而多采用降低热效应、减少高阶模成分等方案对其进行抑制。本文明确指出泵浦和种子的强度噪声对掺镱光纤放大器中横向模式不稳定产生阈值的影响，加深了对横向模式不稳定物理机制的认识，为提升光纤激光的输出功率水平提供了新方案。

图2 论证激光强度噪声对横向模式不稳定影响规律的实验装置图

  该研究成果的文章题目为“Intensity noise as a driver for transverse mode instability in fiber amplifiers”，发表在PhotoniX期刊上，文章链接：https://doi.org/10.1186/s43074-020-00008-8

  撰稿 | 宋家鑫(国防科技大学)

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

  完成单位 | 德国耶拿大学阿贝光子学中心应用物理研究所、德国夫琅禾费应用光学与精密工程研究所