上海光機所在高功率光纖激光橫模主動控制研究中取得進展

  ICC訊 近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率光纖激光技術(shù)實驗室在高功率橫向模式可控激光器研究方面取得進展。研究團隊通過基于隨機并行梯度下降算法(SPGD)的主動模式控制的方式，實現(xiàn)了1.4 kW量級的LP01和LP11主動模式控制與選擇的光纖激光器系統(tǒng)。相關(guān)研究成果發(fā)表在《光波技術(shù)雜志》(IEEE Journal of Lightwave Technology)上。

  基于大模場摻鐿光纖(LMA-YDF)的高功率光纖激光器具有較好的功率轉(zhuǎn)換效率和功率穩(wěn)定性，在一些領(lǐng)域具有重要的研究和應用價值。然而，由于大模場光纖的V值大于2.4，多種橫向模式會在光纖中并存。由于高功率和強泵浦引起的熱效應會引起大模場光纖中的橫向模式不穩(wěn)定(TMI)現(xiàn)象，阻礙激光器功率的進一步提升。若能夠通過控制的方式實現(xiàn)大模場光纖中的各種橫向模式單獨激發(fā)，不僅能夠?qū)δＪ讲环€(wěn)定效應進行抑制，而且可以讓一臺激光器受控輸出不同的單橫?；驒M模組合形式，從而滿足特殊應用場景。

  該研究中，研究人員對主放大器的增益光纖進行盤繞限模優(yōu)化，增加除LP01和LP11以外的高階模的損耗，實現(xiàn)1.4 kW窄線寬少模激光輸出;以高功率光纖激光器輸出的LP01和LP11模式的強度分布特征為基礎(chǔ)，通過探測光斑的中心光強變化作為系統(tǒng)的評價函數(shù)，以區(qū)分不同模式。利用高速可編程門陣列(FPGA)以實現(xiàn)SPGA算法，產(chǎn)生4路反饋控制電壓信號，并將其加載到模式控制器上。模式控制器中的壓電陶瓷(PZT)對預放光纖產(chǎn)生擠壓和應力，改變光纖中各種橫向模式的配比。當這些模式注入主放大器，利用放大器的模式競爭特性，實現(xiàn)不同橫模模式的受控功率放大。當SPGD算法收斂到最大值時，激光器輸出LP01模式激光;當SPGD算法收斂到最小值時，激光器輸出LP11模式激光。通過對紅外相機采集到的光強分布進行模式解構(gòu)處理，研究人員得出兩種情況下產(chǎn)生的LP01模式的光光效率為84.1%，LP11模式的光光效率為85.8%以上，兩種模式切換的轉(zhuǎn)換效率大于99.5%。該研究產(chǎn)生的1.4 kW的橫模可控光纖激光在光鑷技術(shù)、原子捕獲、激光微加工等領(lǐng)域具有應用價值。此外，寬帶寬的主動模式控制系統(tǒng)對以后開展光纖激光器模式不穩(wěn)定研究提供了有利條件。

  研究工作得到國家自然科學基金等項目的支持。

  圖1.模式可控的光纖激光系統(tǒng)裝置圖

  圖2.(a)、(c)SPGD算法最小值和最大值收斂后的紅外相機光場分布;(b)、(d)模式重構(gòu)出的光場分布;(e)各種本征模式占比