掺镱的锥形光纤放大器，其高阶模式含量极低

《Optical Fiber Technology》：Yb-doped tapered fiber amplifier with ultimately low higher-order modes content

本文研究表明，即使光束质量M2接近1.1，大模场面积光纤的输出辐射稳定性仍无法保证，窄线宽信号放大时高阶模（HOMs）的存在会导致光束形状和位置变化。通过在渐缩光纤末端添加包层模清除器，将HOMs含量降至0.1%以下，实现了至少50W平均功率的稳定输出光束。

　　这项研究探讨了在大模场面积（LMA）光纤放大器中，即使M2值接近1.0，也无法完全保证输出辐射的稳定性。研究重点在于，如何在使用LMA光纤进行高功率放大时，有效抑制高阶模（HOMs）的激发，从而确保输出光束的稳定性和质量。尽管LMA光纤因其高功率传输能力而在工业应用中被广泛采用，但其非单模特性可能导致HOMs的激发，这对某些对光束稳定性要求极高的应用场景构成了挑战。

在高功率光纤激光系统中，光束质量是一个至关重要的参数。M2值是衡量光束质量的常用指标，其数值越接近1.0，表示光束越接近理想的高斯分布。然而，研究发现，即使M2值为1.1，仍然可能残留少量的HOMs，这会显著影响输出光束的形状和稳定性。特别是在窄线宽放大器中，HOMs的激发可能导致光束中心位置的偏移，进而影响系统的整体性能。这种现象的出现，主要是由于HOMs与基模之间的干涉效应，以及在温度、外部扰动和功率变化等因素影响下，两者的相位关系发生变化。

为了更准确地分析输出光束的模组成，研究团队采用了一种称为空间分辨光谱干涉术（S2）的先进方法。这种方法不仅能够确定HOMs在输出光束中的占比，还能进一步揭示HOMs激发的具体来源。通过这一技术，研究人员发现，即使在LP??模的抑制程度达到-25 dB的情况下，仍然存在足以引起光束形状和稳定性变化的HOMs成分。这表明，仅依靠M2值无法全面评估光纤放大器的输出光束质量，必须采用更为精细的检测手段。

为了应对HOMs激发的问题，研究团队提出了一种新的解决方案，即在纤细端部添加额外的包层模剥离器（CMS）。这一设计的引入，使得HOMs的含量被有效降低至0.1%以下，从而实现了输出光束的极高稳定性。实验结果表明，该方法在平均功率达到至少50 W的情况下，仍然能够保持光束的稳定。此外，通过调整纤细端部的结构，研究人员还能够进一步优化光束的传输特性，使其在放大窄线宽信号时，仍能维持良好的单模性能。

在实验过程中，研究团队使用了 ytterbium-doped PANDA 型偏振保持（PM）双包层纤细光纤（TF）。这种光纤的制造采用了 MCVD（Modified Chemical Vapor Deposition）工艺，其核心基于一种不含光致暗化的磷铝硅酸盐玻璃基质，并具有高浓度的 ytterbium。在976 nm波长下，包层的吸收系数约为23 dB/m，这有助于提高光束的传输效率。研究中使用的TF长度为2至2.5米，工作波长为1064 nm。在实验中，研究人员特别关注了纤细端部的结构对HOMs激发的影响，并通过多种手段进行了详细分析。

实验中使用的标准纤细光纤TF #1具有较长的纤细单模部分（约15 cm），以便进行多次光纤熔接。这一设计在实验中被用来展示M2测量在识别HOMs方面的局限性。研究团队发现，即使在最优熔接条件下，HOMs的激发仍然无法完全避免，这表明传统的M2测量方法并不能准确反映光纤放大器的输出模组成。因此，需要引入更精确的检测手段，如S2技术，来全面评估HOMs的含量及其对光束稳定性的影响。

在分析HOMs激发的来源时，研究人员发现，HOMs的激发主要来自于纤细端部的包层模。这些包层模在某些情况下会耦合到纤芯中，从而导致HOMs的产生。通过在纤细端部添加CMS，研究人员成功地将这些包层模的影响降至最低，从而实现了HOMs含量的显著降低。此外，研究还指出，HOMs的激发可能受到多种因素的影响，包括熔接质量、纤芯与包层之间的耦合效率以及外部环境的变化。因此，在实际应用中，需要综合考虑这些因素，以确保光束的稳定性。

研究还探讨了偏振对HOMs激发的影响。在TF #1中，主峰（MPI）可以被分为两个可能独立的成分，这表明偏振状态的变化可能会影响HOMs的激发。为了进一步验证这一现象，研究人员提出在TF末端添加被动延迟光纤的方法，以分离这两个峰。然而，这种方法在实际操作中面临诸多挑战，包括对延迟光纤的高要求以及熔接质量的严格控制。因此，尽管这种方法在理论上具有优势，但在实际应用中可能需要更多的技术改进和优化。

在结论部分，研究团队指出，使用空间分辨光谱干涉术对TF的模组成进行了全面分析。研究发现，即使HOMs的抑制程度很高，其残留成分仍可能对输出光束的形状和稳定性产生影响。这一现象的主要原因在于HOMs的激发来源于包层模，而这些模在某些情况下会与基模发生干涉，导致光束中心位置的偏移。因此，为了确保高功率光纤激光系统的稳定性和可靠性，必须采取有效的措施来抑制HOMs的激发，例如在纤细端部添加CMS。

这项研究的成果对于高功率光纤激光器的设计和应用具有重要意义。通过引入CMS，研究人员不仅实现了HOMs含量的显著降低，还确保了输出光束的高稳定性。这一方法为未来高功率光纤激光器的开发提供了新的思路，特别是在需要极高光束质量的应用场景中，如精密材料加工和远程传感等领域。此外，研究还强调了在光纤激光器设计中，必须综合考虑多种因素，包括熔接工艺、包层模的控制以及偏振状态的稳定性，以确保系统的整体性能。

研究团队的工作不仅限于理论分析，还通过实验验证了其提出的解决方案的有效性。实验结果表明，在平均功率达到至少50 W的情况下，添加CMS的TF能够保持输出光束的高度稳定性。这一成果为高功率光纤激光器的工程化应用提供了有力支持，同时也为相关领域的研究人员提供了重要的参考。未来，随着技术的不断进步，HOMs抑制方法可能会进一步优化，从而推动高功率光纤激光器在更多领域的应用。

总的来说，这项研究揭示了在LMA光纤放大器中，HOMs的激发可能对输出光束的稳定性产生显著影响，即使M2值接近1.0。通过引入CMS，研究人员成功地实现了HOMs含量的大幅降低，并确保了输出光束的稳定性。这一成果不仅拓展了LMA光纤的应用范围，也为高功率光纤激光器的进一步发展提供了新的方向。