上海光機(jī)所在高功率光纖激光橫模主動(dòng)控制研究中取得進(jìn)展

  ICC訊 近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率光纖激光技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在高功率橫向模式可控激光器研究方面取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過基于隨機(jī)并行梯度下降算法(SPGD)的主動(dòng)模式控制的方式，實(shí)現(xiàn)了1.4 kW量級(jí)的LP01和LP11主動(dòng)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(chǎng)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(yīng)用價(jià)值。然而，由于大模場(chǎng)光纖的V值大于2.4，多種橫向模式會(huì)在光纖中并存。由于高功率和強(qiáng)泵浦引起的熱效應(yīng)會(huì)引起大模場(chǎng)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(jìn)一步提升。若能夠通過控制的方式實(shí)現(xiàn)大模場(chǎng)光纖中的各種橫向模式單獨(dú)激發(fā)，不僅能夠?qū)δＪ讲环€(wěn)定效應(yīng)進(jìn)行抑制，而且可以讓一臺(tái)激光器受控輸出不同的單橫模或橫模組合形式，從而滿足特殊應(yīng)用場(chǎng)景。

  該研究中，研究人員對(duì)主放大器的增益光纖進(jìn)行盤繞限模優(yōu)化，增加除LP01和LP11以外的高階模的損耗，實(shí)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(qiáng)度分布特征為基礎(chǔ)，通過探測(cè)光斑的中心光強(qiáng)變化作為系統(tǒng)的評(píng)價(jià)函數(shù)，以區(qū)分不同模式。利用高速可編程門陣列(FPGA)以實(shí)現(xiàn)SPGA算法，產(chǎn)生4路反饋控制電壓信號(hào)，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(duì)預(yù)放光纖產(chǎn)生擠壓和應(yīng)力，改變光纖中各種橫向模式的配比。當(dāng)這些模式注入主放大器，利用放大器的模式競(jìng)爭(zhēng)特性，實(shí)現(xiàn)不同橫模模式的受控功率放大。當(dāng)SPGD算法收斂到最大值時(shí)，激光器輸出LP01模式激光;當(dāng)SPGD算法收斂到最小值時(shí)，激光器輸出LP11模式激光。通過對(duì)紅外相機(jī)采集到的光強(qiáng)分布進(jìn)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(yīng)用價(jià)值。此外，寬帶寬的主動(dòng)模式控制系統(tǒng)對(duì)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(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)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(jī)光場(chǎng)分布;(b)、(d)模式重構(gòu)出的光場(chǎng)分布;(e)各種本征模式占比