在1.5 μm波长的偏振保持单频Er/Yb共掺光纤放大器中，TMI（Turbo Mode Interference）阈值对泵浦波长和方向的依赖性

《Optics & Laser Technology》：Pump wavelength and direction dependence of TMI threshold in polarization-maintaining single-frequency Er/Yb co-doped fiber amplifiers at 1.5 μm

本研究通过实验和模拟分析，发现泵浦波长和方向对掺铒镱光纤放大器（EYDF）的横向模不稳定（TMI）阈值有显著影响。实验表明，940nm泵浦比976nm泵浦的TMI阈值提升55.3%，反泵配置可将阈值降低50%。热负荷分布模拟显示，降低泵浦吸收系数及采用反泵可减少峰值热负荷和轴向热梯度，从而抑制TMI效应。为优化高功率EYDF激光器热管理提供依据。

　　

郑俊杰|马鹏飞|刘伟|彭燕|李伟|潘志勇|王泽峰|郑瑶辉|徐善辉

华南理工大学物理与光电学院，中国广州510641

摘要

最近的研究发现，保偏单频Er/Yb共掺杂光纤（EYDF）放大器的功率扩展不仅受到放大自发辐射效应和受激布里渊散射效应的限制，还受到横向模式不稳定（TMI）效应的影响。然而，据我们所知，关于EYDF放大器TMI阈值的研究仍然不足。在本文中，我们通过实验和理论分析探讨了泵浦波长和泵浦方向对保偏单频EYDF放大器TMI阈值的影响。在采用4.5米长的EYDF放大器中，当使用940纳米泵浦时，TMI阈值相比976纳米泵浦提高了55.3%。此外，使用940纳米泵浦时，共泵浦系统的TMI阈值更低，仅为反向泵浦系统的一半。基于EYDF放大器的稳态速率方程，我们模拟了活性光纤中的热负荷。模拟结果表明，降低泵浦吸收系数以及采用反向泵浦配置可以减少活性光纤中的峰值热负荷和轴向温度梯度，从而抑制TMI效应。我们的工作可以为优化高功率保偏单频EYDF放大器以抑制TMI效应提供有价值的参考。

引言

工作在1.5微米波长的高功率、线偏振单频光纤激光器（SFFL）在相干光检测[1]、[2]、引力波检测[3]、[4]和非线性频率转换[5]、[6]等领域引起了广泛关注。虽然单共振光纤振荡器在严格单纵模、线偏振和超低噪声[7]、[8]、[9]、[10]等方面表现出优异的性能，但其输出功率通常限制在亚瓦级别，不足以满足上述应用的需求。主振荡器功率放大器（MOPA）系统已被证明是扩展SFFL功率的最有效方法[11]、[12]、[13]。在1.5微米MOPA系统中，Er/Yb共掺杂光纤（EYDF）由于其更强的吸收带和更宽的吸收范围，比不含Yb的Er掺杂光纤具有更高的功率扩展能力[14]。然而，在高泵浦功率下，Yb到Er的能量传递饱和会导致1微米波段的放大自发辐射（ASE）甚至寄生激光，从而限制了进一步的功率扩展[15]、[16]。此外，SFFL的超窄线宽使其特别容易受到受激布里渊散射（SBS）效应的影响，这又对功率扩展构成了另一个重要限制[13]、[17]、[18]。采用大模场面积（LMA）光纤是抑制SBS效应的最有效方法之一。然而，增加光纤芯径会提高光纤的归一化频率（V值），从而允许更高阶模式（HOMs）的传播，使光束质量管理变得复杂。

此外，最近关于EYDF放大器的研究发现了横向模式不稳定（TMI）效应。2024年，李等人报道了一个由1568纳米随机激光器种子激励并在1535纳米光纤激光器带内泵浦的414.9瓦光纤放大器，当输出功率达到280.8瓦时观察到了TMI效应[19]。同年，Kimura等人报道了在1550纳米波长的EYDF放大器中观察到的准静态横向模式退化，并研究了其与TMI效应的关联[20]。最近，我们的团队报道了一个高功率线偏振EYDF放大器，在最大输出功率170瓦时出现了时域不稳定性。高速相机记录的光束轮廓显示基本模式和HOMs之间快速切换，表明TMI效应是导致不稳定性的原因[21]。因此，TMI效应可能是1.5微米高功率EYDF放大器功率扩展的另一个关键限制因素。已有大量研究致力于探讨高功率镱掺杂[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]或铥掺杂光纤激光器[31]、[32]、[33]中的TMI效应。然而，铒-钇共掺杂光纤中的能量传递过程比单稀土掺杂光纤更为复杂，这种复杂性会影响功率分布和热负荷，进而影响TMI效应。此外，关于EYDF放大器中TMI效应的研究仍然不足。

本研究旨在探讨泵浦波长和方向对1.5微米高功率保偏（PM）单频EYDF放大器TMI阈值的影响。通过实验测量了不同泵浦波长和方向下PM单频EYDF放大器的TMI阈值。从理论上，我们模拟了活性光纤中的热负荷分布，并将观察到的TMI阈值变化归因于局部热效应。

实验装置

实验装置

为了研究不同泵浦方向和波长下PM单频EYDF放大器的TMI阈值，构建了两个MOPA系统，如图1所示。系统使用线偏振的1550纳米SFFL种子光源，线宽为3 kHz。信号通过两个级联的预放大器放大，达到约10瓦的输出功率。之后，使用PM带通滤波器（BPF，带宽1550 ± 1纳米）去除旁带噪声。此外，还使用了PM环形器，

实验结果

首先，研究了泵浦波长对PM单频EYDF放大器TMI阈值的影响。为了进行比较，使用了工作在915纳米（PLMA-EYDF的一个吸收峰，吸收系数为3.22 dB/m）、940纳米（吸收系数较低，为2.38 dB/m）和976纳米（峰值吸收波长，吸收系数为10.12 dB/m）的LD作为泵浦源，这些是市面上常见的高功率泵浦源的典型波长。主放大器采用反向泵浦方式。为了验证

讨论

高功率光纤激光器中的TMI效应是一种功率依赖现象，当功率超过某个临界阈值时，光束质量会急剧恶化。它不仅限制了功率扩展，还引入了高功率近单模光纤放大器的操作风险。目前普遍认为，光纤中的热效应是高功率光纤激光器中TMI的主要原因之一。在900–1000纳米LD泵浦的EYDF放大器中，约40%的量子缺陷会产生大量热量，

结论

总之，我们系统地研究了1.5微米高功率PM单频EYDF放大器中TMI阈值对泵浦波长和方向的依赖性。实验结果表明，随着泵浦吸收系数的降低，TMI阈值呈上升趋势。与976纳米泵浦相比，915纳米和940纳米泵浦的TMI阈值分别高出24.5%和55.3%，尤其是在反向泵浦的情况下。此外，使用

资金来源

本研究得到了国家自然科学基金（NSFC）（项目编号：U22A6003）的支持。

CRediT作者贡献声明

郑俊杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，实验研究，数据分析。马鹏飞：撰写 – 审稿与编辑，数据可视化，验证，项目监督，实验研究，资金获取。刘伟：数据管理。彭燕：数据管理。李伟：数据管理。潘志勇：项目监督，资源协调。王泽峰：数据可视化，项目监督。郑瑶辉：项目管理，资金获取。徐善辉：撰写 – 审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。