光纖激光器英文名稱為Fiber Laser，指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，其中摻鐿光纖是高功率摻鐿光纖激光系統(tǒng)最核心的器件之一，然而隨著光纖激光器輸出功率的提升，各種穩(wěn)定性“殺手”比如橫向模式不穩(wěn)定(Transverse Mode Instability, TMI)、受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS)現(xiàn)象以及熱損傷等浮出水面。
不久前，凱普林光纖激光器產(chǎn)品總監(jiān)趙巨云線上分享《高功率光纖激光器前沿技術(shù)與創(chuàng)新應(yīng)用》，詳細(xì)描述了如何狙擊光纖激光器穩(wěn)定性“殺手”。本期，我們一起回顧。
光纖激光器主要由泵浦源、增益介質(zhì)(有源光纖)、諧振腔三大部分構(gòu)成。
諧振腔結(jié)構(gòu)光纖激光器原理：通過前向和后向的合束器，將泵浦半導(dǎo)體激光器LD的功率經(jīng)過光纖光柵(高發(fā)光柵HR、低反光柵OC)注入到摻鐿雙包層光纖(YDF)中。YDF中稀土離子吸收泵光后，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生自發(fā)輻射光，然后在光纖光柵對(HR-OC)的作用下形成受激輻射光放大產(chǎn)生激光，并經(jīng)過OC和輸出光纜QBH輸出出來。
放大器結(jié)構(gòu)光纖激光器原理：與諧振腔相似，所不同的是通過前級的種子源激光器來減少了系統(tǒng)對單元器件承受功率的要求。進(jìn)而可以得到更高的功率。
諧振腔結(jié)構(gòu)光纖激光器
放大器結(jié)構(gòu)光纖激光器
橫向模式不穩(wěn)定TMI效應(yīng)
橫向模式不穩(wěn)定是指高功率光纖激光在達(dá)到某一特定閾值后，隨著輸出功率提升或超過一定時間發(fā)生的由穩(wěn)態(tài)基模輸出突然變?yōu)榉欠€(wěn)態(tài)高階模式輸出，它會導(dǎo)致光束質(zhì)量下降，限制光纖激光輸出功率的提升。嚴(yán)重情況會讓號稱 “最快的刀，最準(zhǔn)的尺，最亮的光”的激光名不副實(shí)。
橫模不穩(wěn)定效應(yīng)原理示意圖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)模式不穩(wěn)定發(fā)生后，基模和高階模式之間的功率會不斷耦合，總功率不變。
當(dāng)存在彎曲濾模等機(jī)制時，基模損耗小，高階模式的彎曲損耗大，導(dǎo)致綠線的高階模式被濾除，則輸出端表現(xiàn)為時域上的基模抖動。
20μm，0.065NA光纖的彎曲損耗
模式不穩(wěn)定物理機(jī)理
影響因素不同于傳統(tǒng)高能激光，模式不穩(wěn)定是熱效應(yīng)與光纖模式的耦合導(dǎo)致的，因此，模式不穩(wěn)定的影響因素除了與廢熱有關(guān)還與光纖的模式特性有關(guān)。光纖廢熱影響因素：
光纖摻雜特性影響(摻雜濃度和摻雜區(qū)域半徑)
暗化的影響信號特性的影響(信號光功率、信號強(qiáng)度噪音、信號初始高階模比例、信號光波長、信號強(qiáng)度調(diào)制)
泵浦特性影響(泵浦功率、泵浦波長、泵浦強(qiáng)度調(diào)制)
泵浦方式的影響(前向泵浦、后向泵浦、側(cè)向泵浦和雙向泵浦)
光纖材料的影響
光纖模式影響因素：
光纖芯徑/包層直徑、光纖纖芯數(shù)值孔徑
高階模損耗
系統(tǒng)制冷能力
光纖保偏特性
信號光線寬
抑制方法針對模式不穩(wěn)定的抑制方法主要從增加熱管理能力和模式管控能力方面下手。增加熱管理能力：
增強(qiáng)增益飽和(減小纖芯包層比、改變半導(dǎo)體泵浦源的波長、改變泵浦光注入方向、增加注入信號功率 、同帶泵浦、改變信號波長)
減少光纖熱源
增強(qiáng)光纖熱光性能
增加模式管控能力：
提高彎曲損耗(減少彎曲半徑、減小纖芯數(shù)值孔徑、優(yōu)化光纖盤繞方法、減少纖芯直徑、增加信號光波長)
優(yōu)化光纖設(shè)計(jì)
增加信號光譜寬
受激拉曼散射效應(yīng)
受激拉曼散射效應(yīng)(Stimulated Raman Scattering，簡稱SRS效應(yīng))，是激光在基質(zhì)傳輸過程中，光子與介質(zhì)產(chǎn)生相互作用，激光向長波轉(zhuǎn)換的過程。受激拉曼散射成為影響光纖激光器功率提高的主要非線性效應(yīng)因素之一。摻鐿光纖受激拉曼散射效應(yīng)主要取決于纖芯直徑、光纖長度、摻雜濃度以及抽運(yùn)方式等。
抑制方法
1.纖芯直徑對輸出的影響隨著抽運(yùn)光功率增大到一定值時 , 光纖激光器中出現(xiàn)受激拉曼散射, 輸出激光功率開始減小 。在正向抽運(yùn)下 , 當(dāng)光纖長度一定 ( L =15 m) 時,纖芯直徑增加，SRS的功率閾值會大幅提升。為了減小受激拉曼散射的影響 , 可以采用大直徑纖芯的光纖。
2.光纖長度對輸出的影響正向抽運(yùn)下 , 當(dāng)纖芯直徑一定(20μm)，隨著光纖長度的增加，SRS的閾值會急劇降低。通過減小光纖長度, 可以得到較高的輸出功率。
3. 摻雜濃度對輸出的影響正向抽運(yùn)下 ,隨著摻雜濃度增大 , 受激拉曼散射的閾值抽運(yùn)光功率減小, 最大輸出激光功率減小。高摻雜濃度的光纖中 , 高功率的激光與光纖的作用距離較長 , 更容易出現(xiàn)受激拉曼散射。實(shí)際的高功率雙包層光纖激光器中 , 為了獲得較高的輸出激光功率, 可以適當(dāng)?shù)剡x擇低摻雜濃度的光纖。未來得益于大模場面積( Large ModeArea, LMA)增益光纖技術(shù)、 高功率高亮度半導(dǎo)體泵浦源和高功率泵浦耦合技術(shù)的進(jìn)步， 我國光纖激光器也將不斷向著更大功率、 更高光束質(zhì)量的方向發(fā)展。
來源： 激光行業(yè)觀察