超快光纖雷射技術之五:如何提高橫模不穩定性(TMI)的閾值

2020-12-22 OFweek維科網

我們在超快光纖雷射技術之四中已經知道,TMI導致光束波動需要滿足兩個條件: (1)出現瞬態折射率光柵(RIG)和 (2) 模間幹涉圖樣MIP與RIG之間存在相移。因此,可以通過削弱RIG或者控制MIP-RIG相移以提高TMI閾值,具體的實施方式分為被動和主動兩種。在被動方法中,控制單橫模傳輸是比較直接的提高TMI閾值的途徑。

高功率光纖雷射系統中光纖的纖芯尺寸一般較大,也更容易產生高階模,因而想要獲得單橫模傳輸就需要進行特殊的光纖設計。現有的設計策略分為兩類:一類是增大高階模的損耗,另一類是將高階模選擇性地從纖芯摻雜區移除,包括將高階模耦合進入臨近纖芯和高階模離域兩種。圖1所示的高階模離域技術已被廣泛證明可以提高TMI閾值2-3倍,這種策略不僅使得高階模增益遠小於基模,也使得高階模不易被高斯光束激發。選擇性增益是另一種與高階模離域有相似效果的方法,可通過減小摻雜區實際尺寸來實現,但相應的光纖使用長度也將增加。

圖1． 通過包層結構的非對稱設計實現高階模離域的效果(下半部分)[1]

此外,對纖芯結構或組分的優化也是有效提高TMI閾值的手段。纖芯結構的優化可以通過多芯光纖的方法實現,只要在設計上控制纖芯相互之間光熱的隔離,就可以大幅提高單根光纖輸出功率並規避TMI效應。如圖2所示,(a)為四芯光纖的橫截面剖面實物圖,纖芯之間相互保持一定距離,(b)為單一纖芯輸出的平均TMI閾值和四個纖芯合束後對應的總體TMI閾值。

圖2． (a)多芯光纖橫截面示意圖,(b)單一纖芯(藍色)與四個纖芯(紅色)分別對應的TMI閾值 [1]

除優化纖芯結構外還可通過改善纖芯組分來增加TMI閾值,比如在傳統的以二氧化矽中為基質的光纖中摻入磷等其他元素以降低光子暗化(PD)。甚至使用熱導率高8倍、熱光係數少20%的釔鋁石榴石(YAG)晶體作為光纖基質材料。泵浦波長和泵浦方案對光纖雷射器性能有決定性影響,同時也會決定系統的熱負荷情況,這將直接影響TMI閾值。實驗中發現TMI閾值隨泵浦波長的改變主要是受到有效光纖長度的影響,這說明調節光纖長度是一種調節TMI閾值的方法。還有另一種利用同帶泵浦減少量子損耗(QD)來提高TMI閾值的方法,但吸收截面較低導致使用的光纖很長,不適用於受非線性制約的系統。

TMI現象也可利用主動方法加以控制。相比於被動方法,主動方法在系統複雜度上雖然更高,但調製能力也更強,並且大多可與被動方法兼容,具有很高的可行性。主動方法主要有聲光偏轉器動態模式激發法、光子燈籠動態模式激發法、泵浦調製法、Burst模式相移操控法。

基於聲光偏轉器(AOD)動態模式激發的思路是監測輸出光束的波動,然後反饋控制AOD來改變信號模式的激發位置以實現TMI閾值之上的穩定運轉,系統裝置如圖3所示。基本原理是AOD在控制單元的作用下實現對輸出光束的角度偏轉,經過耦合透鏡後即可實現在纖芯不同位置處的模式激發。

不同的纖芯激發位置可以在光纖中產生結構相同但相位不同的MIP,也即產生相位不同的RIG。通過控制AOD使得激發位置在光纖軸心上下位置的周期性變化會讓產生的RIG有π相位的突變。如果調製的頻率合適,即RIG開始改變但還沒有足夠的時間來完全適應新的MIP,這時RIG將沿著徑向均勻地對稱分布,呈現出RIG橫向被清除的結果。這樣一來將大大降低基模與高階模之間的耦合,大幅提高TMI閾值並獲得穩定的光束輸出。

圖3． 基於AOD的動態模式激發方法的實驗裝置圖 [1]

作為上述方法的改進,利用光子燈籠來代替聲光偏轉器能夠實現對激發模式更多自由度的操控。光子燈籠一般有三個輸入端,可以通過調製器單獨控制不同輸入端傳播光束的振幅、相位和偏振參數,因而可以靈活控制注入放大器中的傳播光束以實現更高的TMI閾值。

AOD動態模式激發法和光子燈籠動態模式激發法雖然效果顯著,但反饋控制迴路的引入增加了系統的複雜程度。作為補充,泵浦調製法不需要反饋控制迴路,只需對泵浦雷射輸出進行調製即可實現提高TMI閾值的目的,系統裝置如圖4所示。這種方法相對簡單且容易與現有系統兼容。泵浦調製法的原理與AOD動態模式激發法類似,目的也是對RIG的清除,不過這種情況下的清除發生在縱向上。

泵浦功率的增加或減少會使得增益光纖的熱負荷升高或降低,熱負荷的變化會導致光纖橫向折射率的變化,這種變化會使得光纖內傳播的不同模式間的傳播常數差異更大,並最終導致MIP在縱向壓縮或拉伸。因此,如果對泵浦功率進行頻率和振幅的調製,將會使MIP產生類似於 「手風琴運動」的拉伸和壓縮,對應的RIG也將隨之變化。

當調製頻率合適時,RIG有足夠的時間開始適應MIP的運動但不能完全跟隨,處於一個恆定的過渡狀態(不斷移動,但從未達到其穩定狀態的最大或最小值),表現出RIG橫向的削弱和清除。最佳調製頻率取決於整個系統,一般在百赫茲區間。這種方法雖然結果簡單,但泵浦功率的調製會使輸出功率也出現調製,理論指出採用參數合適的雙向泵浦方案可以保持輸出功率穩定。

圖4． 基於泵浦調製方法的實驗裝置圖 [1]

除此之外,操控MIP與RIG之間相移以控制模式間能量流動方向也是一種提高TMI閾值的方法,其中一種便是利用Burst模式的種子脈衝序列來實現正相移。Burst模式相移操控法的原理是在Burst脈衝入射過程中,溫度的逐步升高會使得MIP被壓縮並導致正的相移,隨之產生高階模到基模的能量轉移,這種能量轉移會讓系統即使在TMI閾值以上也能實現近基模運轉。這種方法的顯著缺點是Burst脈衝序列的參數不能靈活調節,只有特定包絡形狀的序列才能最好地緩解TMI現象,因而對於某些應用可能不適用。

上述介紹的用於提高TMI閾值方法的大致思路都是通過外部手段達到弱化RIG的目的。被動方法的側重點在於改變系統的參數或配置,包括優化設計光纖參數、調整泵浦或信號波長、改變增益飽和水平等。主動方法的側重點在於對系統的動態控制,包括對信號耦合條件及泵浦功率等的動態調控。當然,技術發展過程中也出現了通過操控MIP和RIG間相移來調控能量流動方向的優化策略。總而言之,TMI閾值優化策略的發展與TMI背後物理機制的深入理解密切相關,技術的進步也將進一步推動高功率光纖雷射器輸出性能的提升。

上期精彩:

1．超快光纖雷射技術之四:高功率光纖雷射中橫模不穩定性(TMI)的起源

參考文獻:

[1] C． Jauregui, C． Stihler, and J． Limpert, 「Transverse mode instability,」 Advances in Optics and Photonics 12, 429 (2020)．



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