超快光纤激光技术之十六：掺铥光纤在高热负荷下的横模不稳定性

2021-06-15 09:09

自从光纤激光器诞生以来，人们一直在追求更高的功率、更窄的脉冲。掺镱光纤因为其加热后低量子缺陷和在980nm泵浦光下高的输出效率，而被广泛的应用于超快光纤激光系统中。

但是随着掺镱光纤输出功率的不断提高，在接近千瓦量级的时候出现了横模不稳定性。横模不稳定性（TMI）是指在光纤放大器中当输出平均功率超过某一阈值之后，激光器输出的能量在基模和高阶模间动态转换的现象，此现象出现后会严重恶化激光器的光束质量，因此，这一现象是阻碍大模场高功率超快光纤激光器平均功率提升的主要因素。

掺铥光纤的增益波段在2μm附近，研究表明具有更高的TMI阈值，但一直在实验中未曾观测到。最近，德国耶拿大学Limpert教授课题组基于掺铥光纤搭建了一套双向级联泵浦系统，如图1所示。该装置利用双向级联泵浦解决掺铥光纤内泵浦能量利用率低的问题，采用干燥的氦气腔（图中VC）避免由于大气内的水吸收而引起的损耗。

图1 双向级联泵浦装置示意图

脉宽为600ps、频率为80MHz、功率100w的种子光经过1．2m长的光子晶体掺铥光纤进行放大。图2 a）中为输出功率随泵浦功率的变化曲线，绿色曲线为模拟结果。图2b）为激光光斑波动均方根随输出功率变化的曲线，红色是其数值拟合曲线，蓝色曲线是红色曲线的一阶导数。当一阶导数值＞0．1‰／W时可认为出现TMI，由图2b）中的最大值可知此时未出现TMI。

图2 实验二输出结果

图3为实验中测量的光斑。由图3a）可知，虽然光斑出现畸变，但依旧稳定，并未观测到TMI，此时光纤内最大的热负荷已经高达350W／m。在输出功率超过400W时光纤内基膜开始畸变，其光谱如图3b）中红线所示，光谱出现基膜与高阶模的干涉，表明此时出现了高阶模。

图3 实验一输出光斑

随后该课题组对上述装置略作改进，进一步增大泵浦功率，装置示意图如图4。此装置可以提供高达2090W的泵浦功率，该激光器系统初始运行并未出现TMI。但在最大功率下连续运行20分钟后观测到了TMI；连续运行60分钟后TMI阈值达到稳定，动图5记录了观测到的TMI现象，这是第一次在掺铥光纤内观测到TMI现象。

图4 实验二装置示意图

图5 掺铥光纤内横模不稳定性

图6a）中的蓝色数据点为未观测到TMI时的实验数据，红色点为观测到TMI后的测量数据。可见在TMI出现后，激光系统的效率发生下降。图6b）为最高输出功率下的热负荷模拟结果，其最高处热负荷为200W／m。

图6 实验二输出结果

图7a）记录了光束随机变化的功率密度谱，TMI出现后，功率密度谱（a中红线）在300Hz～1000Hz内大幅度增加。图7b）中的红线表明，光斑波动均方根值在超过TMI阈值（847W）后急剧增大。

图7 功率密度谱及光束波动均方根图

上述两个独立的实验研究了掺铥光纤在极端热负荷条件下的横模不稳定性。第一个实验在高达350W的热负荷下依旧没有观察到掺铥光纤内的TMI现象，证明了掺铥光纤的TMI阈值远高于掺镱光纤。

第二个实验在最高输出功率持续运行下，第一次在掺铥光纤内观察到了TMI现象。掺铥光纤可以在2μm波段同时获得高平均功率和高峰值功率，这样的超快激光将在高次谐波产生、粒子加速、中红外产生及生命科学和材料加工方面大有用武之地。

参考文献：

［1］ Christian Gaida， Martin Gebhardt， Tobias Heuermann， Ziyao Wang， Cesar Jauregui， and Jens Limpert，＂Transverse mode instability and thermal effects in thulium－doped fiber amplifiers under high thermal loads，＂ Opt． Express 29， 14963－14973 （2021）