最近在理解横向模式不稳定性的机制以及采取被动缓解措施方面取得的进展

《Optical Fiber Technology》：Recent developments in the understanding and passive mitigation of transverse mode instability

本文系统研究了单芯光纤中横向模不稳定性（TMI）的物理机制及被动缓解策略，揭示了TMI阈值与种子模高阶模含量（超过50%后阈值回升）、光纤核心尺寸（依赖关系弱于预期）及偏振调控的关系，并提出45°偏振输入可有效提升阈值。此外，首次实验验证了静态模间能量转移现象，为高功率激光器设计提供新见解。

　　光纤激光器技术在过去几十年中取得了显著进展，其平均输出功率的提升成为推动现代激光技术发展的关键因素之一。这一技术的核心优势在于其高效的散热能力，得益于光纤细长的结构设计，从而实现了大表面积与体积比的优化。这种能力使得光纤激光器能够稳定运行在极高的功率水平下，同时保持接近衍射极限的输出光束质量。光纤激光器的应用范围也迅速扩展，从材料加工、精密测量到基础科学研究等多个领域，均展现出其强大的潜力。此外，随着多芯光纤（MCF）技术的出现，光纤激光器被寄予厚望，用于诸如激光驱动核聚变和粒子加速等前沿应用。然而，尽管光纤激光器在性能和应用方面取得显著成就，其发展过程中仍面临诸多挑战，其中最重要的问题之一便是横向模式不稳定性（TMI）。

TMI是光纤激光器在高平均功率运行时出现的一种严重问题，其表现为输出光束的突然、不可控的波动。这种波动不仅限制了光纤激光器的输出功率，还对光束质量产生负面影响，进而影响其在高精度应用中的表现。TMI的发生与光束在光纤中传播时的非线性效应密切相关，尤其是在高功率条件下，光纤中的热效应会显著加剧，从而引发模式间的能量转移。早期的研究表明，TMI主要出现在掺镱（Yb）光纤中，但其本质是光纤激光系统中普遍存在的现象，不受特定波长的限制。例如，在2微米波段的掺铥（Tm）光纤中也观察到了类似的TMI现象，这表明该效应具有一定的普遍性。

为了更好地理解和控制TMI，科研人员投入了大量精力进行理论建模和实验研究。然而，尽管已有许多成果，仍有一些关键问题未得到完全解决。例如，TMI阈值与种子光束的模式含量之间的关系，以及TMI阈值与光纤芯径之间的依赖性，都是当前研究中的重点。这些问题不仅影响光纤激光器的性能优化，也对其在高功率应用中的可靠性产生深远影响。

在TMI的物理机制方面，研究发现其与光束在光纤中的干涉效应密切相关。当光束在光纤中传播时，不同横向模式之间会产生干涉图案（MIP），这种干涉图案在光纤芯中形成不均匀的光强分布，进而导致反转分布的不均匀性。这种不均匀性会引发热致折射率光栅（RIG），成为模式间能量转移的关键媒介。RIG的存在会改变光束在光纤中的传播特性，使得原本稳定的单模输出发生模式转换，从而引发TMI。此外，RIG的形成还受到热响应时间的影响，这决定了能量转移的方向和强度。如果RIG和MIP之间存在相位差，能量会从基本模式（FM）转移到高阶模式（HOM），反之亦然。因此，TMI的动态行为与光束在光纤中的热效应和模式间的干涉特性密切相关。

在TMI的抑制策略方面，研究者提出了多种方法。其中，被动抑制策略因其无需额外的控制元件而受到广泛关注。例如，通过调整种子光束的偏振方向，可以在一定程度上抑制TMI的发生。具体而言，将种子光束的偏振方向设置为与光纤主轴成45度角，可以显著提高TMI的阈值。这一策略的原理在于，不同偏振轴上的干涉图案和折射率光栅具有略微不同的周期性，从而在相位上产生一定的偏移。这种偏移能够有效抑制模式间的能量转移，进而延缓TMI的出现。这一方法在实验中得到了验证，并被证明是一种简单而有效的抑制手段。

此外，研究还发现，TMI的阈值与种子光束的模式含量密切相关。当种子光束中高阶模式（HOM）的比例增加时，TMI的阈值会相应降低。然而，值得注意的是，当HOM含量超过50%时，TMI的阈值反而会有所上升。这一现象表明，光纤的单模特性在提高TMI阈值方面具有重要作用。因此，优化光纤的单模操作能力，可能是提高TMI阈值的关键策略之一。同时，研究还发现，TMI的阈值与光纤的模场直径（MFD）之间存在一定的依赖关系。然而，这种依赖关系的强度在不同理论模型中存在较大差异，有些模型预测其与MFD的平方成反比，而另一些则认为其与MFD成反比。因此，为了准确评估TMI阈值与芯径之间的关系，需要进行更为系统和精确的实验测量。

为了深入研究TMI的特性，研究者采用了一种称为大间距光纤（LPF）的特殊结构，其模式数量和相对大小在不同芯径下保持一致，从而能够更准确地比较TMI阈值的变化。通过在高功率下对不同芯径的LPF进行系统性测量，研究发现TMI阈值确实随着芯径的增大而降低，但其依赖关系比预期的要弱。这一发现为光纤激光器的设计提供了新的思路，即在追求高平均功率的同时，需要综合考虑芯径、模式含量以及热效应等多重因素。

除了对TMI阈值的影响，研究还揭示了TMI与光纤中其他物理现象之间的关系。例如，在掺镱光纤中，TMI与光束质量的退化密切相关，而光束质量的退化又可能与模式间的静态能量转移有关。这种静态能量转移在TMI发生之前就已经存在，并且随着输出功率的增加而逐渐增强。这种现象在偏振保持光纤（PMF）中尤为明显，其物理机制与TMI相似，但表现形式略有不同。在PMF中，由于两个偏振轴上的干涉图案和折射率光栅具有不同的周期性，它们之间会产生一定的相位差，从而引发静态的能量转移。这种能量转移虽然不会导致TMI，但会显著降低光束质量，因此也是光纤激光器设计和优化过程中需要关注的重要问题。

研究还指出，TMI的抑制不仅仅是技术问题，还涉及到材料科学和光学设计等多个方面。例如，通过开发新型玻璃材料，可以提高光纤对热效应的耐受能力，从而降低TMI的发生概率。然而，这一方向的研究仍然处于初步阶段，尚未形成成熟的解决方案。相比之下，通过优化光纤结构和激光系统参数，如控制种子光束的偏振方向和模式含量，被认为是一种更为可行的被动抑制策略。

总的来说，TMI是光纤激光器在高功率运行中必须面对的一个挑战。随着光纤激光器技术的不断发展，对TMI的理解和抑制策略也在不断完善。通过系统性研究和实验验证，研究者已经取得了诸多进展，但仍有许多问题需要进一步探索。例如，如何在不同类型的光纤中更有效地抑制TMI，以及如何在高功率条件下保持光束质量的稳定性，都是当前研究的重点方向。未来，随着材料科学和光学工程的进步，光纤激光器有望在更高功率水平下实现稳定运行，从而推动其在更多高精度和高能应用中的发展。