随着纤芯尺寸的增大,光纤中出现更多的高阶横模,造成输出激光光束质量下降。为改善高功率光纤激光器输出激光光束质量,采用光纤横模控制技术来抑制高阶横模的出现。增大高阶横模的损耗或降低高阶横模的增益,使其增益低于损耗,从而无法起振,也可以利用模式转换来滤除高阶横模。光纤横模控制技术主要包括弯曲选模技术、增益控制选模技术、光锥选模技术、复合导引选模技术、光子晶体光纤选模技术和激光模式转换技术。
光纤横模控制技术
在光纤激光器中采用大模场增益光纤降低纤芯功率密度,抑制光纤高阶横模的光纤激光技术。
- 英文名称
- fiber transverse mode controlling technique
- 所属学科
- 光学工程
通过弯曲光纤的方式使得高阶横模激光在弯曲部分具有较高损耗,而基模激光具有较低损耗。当光纤发生弯曲时,越靠近弯曲半径外侧电磁波的速度越大,在某一点模式的相速度会超过光纤中的光速,发生不同程度的能量辐射称为弯曲损耗。在相同的条件下,高阶横模的弯曲损耗大于基模。因此,选择一个合适的弯曲半径可以抑制高阶横模的出现,提高输出光束质量。
通过降低高阶横模增益从而抑制高阶横模起振进行选模,主要方法是控制纤芯内掺杂分布或控制掺杂区域的半径,使得基模的增益与高阶横模的增益差尽可能大,从而抑制高阶横模起振。
对于双包层光纤激光器,将大芯径双包层光纤进行拉锥实现高阶横模的抑制,原理是在拉锥区域会产生更高的损耗,从而提高基模输出功率占比。
在有源光纤中,纤芯的增益介质对于激光具有放大作用,同时增益介质对横模具有与折射率导引类似的模式限制作用。在增益足够大的条件下,甚至在没有折射率导引或负折射率差(即折射率反导引)的情况下实现对横模的限制,称为增益导引。经过特殊增益分布设计能实现增益导引的光纤称为增益导引光纤。利用折射率反导引和增益导引的原理,使纤芯的折射率比外包层的低,从而达到抑制高阶模的目的。增益导引光纤有较高的单模束缚能力,可以实现单模传输大芯径光纤激光器。
利用光子晶体光纤可以在较宽的波长区域内实现单横模传输,具有无截止单横模的特性,而且其微结构特性与绝对尺寸无关。通过改变空气孔间距能有效提高等效传输模场面积,从而实现大模场单横模激光输出。
使周期性折射率调制光纤中两个不同传输模式之间发生耦合,实现模式之间的转换,基于这种模式耦合作用,可以抑制高阶横模的传输。主要采用手性耦合芯径(chirally coupled core,CCC)光纤。卫星光纤呈螺旋状缠绕分布在中心光纤周围,通过设计光纤的卫星光纤偏移量和螺旋周期,有选择地将中心纤芯中的高阶模式耦合到卫星光纤中,实现高阶横模与基模之间的模式转换。另外一种方案是采用长周期光栅进行模式转换。在一段特殊的高阶模光纤两端连接长周期光栅,经过第一个长周期光栅时基模转换为高阶模,经过特殊的高阶模光纤把高阶模传输到第二个长周期光栅后,再将高阶模转换成基模输出。该方法中由于高阶模具有较大的模场面积,在光纤中可以忽略随着距离而产生电磁场衰减,因此可以实现高功率大模场面积的基模输出。