光纖放大器中強度噪聲對橫向模式不穩定的影響

  ICC訊 據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——橫向模式不穩定的物理機制及抑制方案已經從事了近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定由激光強度噪聲驅動產生，同時發現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定產生機理的認識，為提升光纖放大器的功率提供了新的思路。

  光纖激光具有轉換效率高、結構緊湊、可柔性操作等突出優勢，已在多個領域得到廣泛應用。近年來新發現的橫向模式不穩定效應是限制高光束質量光纖激光輸出功率提升的重要因素。橫向模式不穩定效應是指光纖內基模和高階模之間發生快速動態耦合導致光束質量退化的現象，有明顯的閾值特性，普遍認為由高功率狀態下增益光纖中的模間干涉光場和熱致折射率光柵間發生相移引起。

  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定閾值的影響規律。實驗中，2.9 %的泵浦強度噪聲會導致橫模模式不穩定閾值下降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，提出該現象與飽和光纖放大器中的噪聲傳遞函數有關，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定的閾值。

圖1 橫模模式不穩定(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年首次發現以來，多家單位對它的產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定產生閾值的影響，加深了對橫向模式不穩定物理機制的認識，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定影響規律的實驗裝置圖

  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