光纤激光模式不稳定的新现象与新进展
发布时间：2021-06-15 18:29
首先介绍了光纤激光中传统的热致动态模式不稳定的研究现状,然后重点介绍了2016年以来理论预测的准静态模式不稳定;接着,对非热致模式不稳定的研究现状进行介绍,包括电致伸缩模式不稳定和非线性效应与模式不稳定之间的关系。最后,对模式不稳定对高功率光纤放大器的功率限制进行了总结和分析。
【文章来源】：中国激光. 2017,44(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
图１动态模式不稳定光斑随输出功率变化过程Ｆｉｇ．１ＩｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｂｅａｍｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆＤＭＩｐｒｏｃｅｄｕｒｅｗｉｔｈｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒ
中国激光准静态模式不稳定指在较大的时间尺度上，光纤激光的输出功率由基模单向耦合至高阶模式从而造成光束质量退化的准静态非稳态模式不稳定。其物理过程可以由图２简单表示。图２ＱＳＭＩ光斑变化过程Ｆｉｇ．２ＩｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｂｅａｍｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆＱＳＭＩｐｒｏｃｅｄｕｒｅ从图２中可以看出，ＱＳＭＩ与ＤＭＩ最大的区别有两点：１）动态模式不稳定的光功率耦合发生在ｍｓ的时间尺度，从光纤输出的时域信号看来，ＤＭＩ的模式耦合特征频率在ｋＨｚ量级，而ＱＳＭＩ是在较大的时间尺度上发生光功率耦合，这个时间通常是分钟甚至十分钟的时间尺度，所以ＱＳＭＩ从与动态模式不稳定对比的角度看是静态的；２）ＱＳＭＩ发生之后其光功率的耦合方向是单向的，也就是说光功率只能从基模向高阶模耦合，而高阶模功率却不会耦合回基模中。相对于动态模式不稳定，准静态模式不稳定的实验和理论研究均处于起步阶段，本节将着重介绍目前准静态模式不稳定的物理根源与物理过程以及其理论和实验研究。３．１ＱＳＭＩ的起因目前准静态模式不稳定的起因主要有两个：光子暗化和多程放大。光子暗化所引起的准静态模式不稳定主要发生在单程放大器中，其主要成因是光子暗化所产生的热效应在时间上的缓慢积累特性。相比于量子亏损，光子暗化的产热是在一个较长的时间周期内所进行的热量积累，而且光子暗化本身也会引起纤芯折射率的改变［４４］，由此成为基于光子暗化的准静态模式不稳定的原因。图３描述了基于光子暗化的ＱＳＭＩ的主要物理过程［４２］。图３基于光子暗化的ＱＳＭＩ物理过程。（ａ）初始状态；（ｂ）建立状态；（ｃ
静态模式不稳定，其产生的物理根源都是光纤中的热效应（量子亏损、光子暗化）。而事实上，在光纤激光系统中，热致模式不稳定并不是唯一一种可以诱发模式不稳定的物理根源，电致伸缩所形成的电致折射率光栅［４８］可能是存在后向回光的光纤激光系统中产生模式不稳定的另一种主要原因。４．１电致伸缩导致的模式不稳定２０１６年，俄罗斯科学院的研究人员ＡｎｔｉｐｏｖＯ等［４５］报道了在保偏掺镱光纤放大器中对于后向回光与模式不稳定阈值的实验和理论研究［４５－４６］。所采用的实验结构如图８所示。图８后向光对模式不稳定的影响实验结构图Ｆｉｇ．８ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐｆｏｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｂａｃｋｗａｒｄｓｉｇｎａｌｏｎＭＩ在实验中，ＡｎｔｉｐｏｖＯ等［４５］采用了一段６ｍ长的保偏掺镱光纤作为单频种子源的放大器，在输出端接有一个耦合器用来检测前向与后向的输出功率。通过外界的单频光源来对放大器进行后向光注入，进而研究后向光信号强度以及线宽对于模式不稳定阈值的影响。实验结果如图９。图９在不同的种子光线宽下的模式不稳定阈值。（ａ）０．１４ｎｍ；（ｂ）０．２５ｎｍＦｉｇ．９ＭＩｔｈｒｅｓｈｏｌｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｉｎｅｗｉｄｔｈｓｏｆｓｅｅｄ．（ａ）０．１４ｎｍ；（ｂ）０．２５ｎｍ图９中的黑点表示外加单频后向光的时候的模式不稳定阈值，而红点则表示输出光纤端面反馈所带来后向光的模式不稳定阈值。注意到当后向光由自身反馈光变为外加的单频光源后，模式不稳定的阈值被大大地拉低了。随后ＡｎｔｉｐｏｖＯ等［４６］通过改变后向反馈的波长发现，当后向单频信号的波长与信号光波
【参考文献】：
期刊论文
[1]高功率光纤激光中模式不稳定性现象研究进展[J]. 陶汝茂,周朴,肖虎,王小林,司磊,刘泽金. 激光与光电子学进展. 2014(02)
[2]掺稀土光纤的光子暗化研究进展[J]. 尤洁,于海龙,王小林,周朴,许晓军. 激光与光电子学进展. 2014(01)
博士论文
[1]高功率窄线宽近衍射极限光纤激光放大器热致模式不稳定研究[D]. 陶汝茂.国防科学技术大学 2015
本文编号：3231557
【文章来源】：中国激光. 2017,44(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
图１动态模式不稳定光斑随输出功率变化过程Ｆｉｇ．１ＩｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｂｅａｍｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆＤＭＩｐｒｏｃｅｄｕｒｅｗｉｔｈｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒ
中国激光准静态模式不稳定指在较大的时间尺度上，光纤激光的输出功率由基模单向耦合至高阶模式从而造成光束质量退化的准静态非稳态模式不稳定。其物理过程可以由图２简单表示。图２ＱＳＭＩ光斑变化过程Ｆｉｇ．２ＩｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｂｅａｍｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆＱＳＭＩｐｒｏｃｅｄｕｒｅ从图２中可以看出，ＱＳＭＩ与ＤＭＩ最大的区别有两点：１）动态模式不稳定的光功率耦合发生在ｍｓ的时间尺度，从光纤输出的时域信号看来，ＤＭＩ的模式耦合特征频率在ｋＨｚ量级，而ＱＳＭＩ是在较大的时间尺度上发生光功率耦合，这个时间通常是分钟甚至十分钟的时间尺度，所以ＱＳＭＩ从与动态模式不稳定对比的角度看是静态的；２）ＱＳＭＩ发生之后其光功率的耦合方向是单向的，也就是说光功率只能从基模向高阶模耦合，而高阶模功率却不会耦合回基模中。相对于动态模式不稳定，准静态模式不稳定的实验和理论研究均处于起步阶段，本节将着重介绍目前准静态模式不稳定的物理根源与物理过程以及其理论和实验研究。３．１ＱＳＭＩ的起因目前准静态模式不稳定的起因主要有两个：光子暗化和多程放大。光子暗化所引起的准静态模式不稳定主要发生在单程放大器中，其主要成因是光子暗化所产生的热效应在时间上的缓慢积累特性。相比于量子亏损，光子暗化的产热是在一个较长的时间周期内所进行的热量积累，而且光子暗化本身也会引起纤芯折射率的改变［４４］，由此成为基于光子暗化的准静态模式不稳定的原因。图３描述了基于光子暗化的ＱＳＭＩ的主要物理过程［４２］。图３基于光子暗化的ＱＳＭＩ物理过程。（ａ）初始状态；（ｂ）建立状态；（ｃ
静态模式不稳定，其产生的物理根源都是光纤中的热效应（量子亏损、光子暗化）。而事实上，在光纤激光系统中，热致模式不稳定并不是唯一一种可以诱发模式不稳定的物理根源，电致伸缩所形成的电致折射率光栅［４８］可能是存在后向回光的光纤激光系统中产生模式不稳定的另一种主要原因。４．１电致伸缩导致的模式不稳定２０１６年，俄罗斯科学院的研究人员ＡｎｔｉｐｏｖＯ等［４５］报道了在保偏掺镱光纤放大器中对于后向回光与模式不稳定阈值的实验和理论研究［４５－４６］。所采用的实验结构如图８所示。图８后向光对模式不稳定的影响实验结构图Ｆｉｇ．８ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐｆｏｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｂａｃｋｗａｒｄｓｉｇｎａｌｏｎＭＩ在实验中，ＡｎｔｉｐｏｖＯ等［４５］采用了一段６ｍ长的保偏掺镱光纤作为单频种子源的放大器，在输出端接有一个耦合器用来检测前向与后向的输出功率。通过外界的单频光源来对放大器进行后向光注入，进而研究后向光信号强度以及线宽对于模式不稳定阈值的影响。实验结果如图９。图９在不同的种子光线宽下的模式不稳定阈值。（ａ）０．１４ｎｍ；（ｂ）０．２５ｎｍＦｉｇ．９ＭＩｔｈｒｅｓｈｏｌｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｉｎｅｗｉｄｔｈｓｏｆｓｅｅｄ．（ａ）０．１４ｎｍ；（ｂ）０．２５ｎｍ图９中的黑点表示外加单频后向光的时候的模式不稳定阈值，而红点则表示输出光纤端面反馈所带来后向光的模式不稳定阈值。注意到当后向光由自身反馈光变为外加的单频光源后，模式不稳定的阈值被大大地拉低了。随后ＡｎｔｉｐｏｖＯ等［４６］通过改变后向反馈的波长发现，当后向单频信号的波长与信号光波
【参考文献】：
期刊论文
[1]高功率光纤激光中模式不稳定性现象研究进展[J]. 陶汝茂,周朴,肖虎,王小林,司磊,刘泽金. 激光与光电子学进展. 2014(02)
[2]掺稀土光纤的光子暗化研究进展[J]. 尤洁,于海龙,王小林,周朴,许晓军. 激光与光电子学进展. 2014(01)
博士论文
[1]高功率窄线宽近衍射极限光纤激光放大器热致模式不稳定研究[D]. 陶汝茂.国防科学技术大学 2015
本文编号：3231557
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