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)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(shí)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 “快的刀，準(zhǔn)的尺，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(shí)，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(shí)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