光束質(zhì)量是光纖激光最重要的空域評價指標之一，本質(zhì)上由光纖系統(tǒng)內(nèi)部橫向模式(以下簡稱“模式")在輸出端的疊加狀態(tài)決定。提升光束質(zhì)量的關鍵在于對系統(tǒng)內(nèi)部的模式特性進行精確分析，進行“對癥下藥"，從而實現(xiàn)有效模式控制。面對龐雜的光纖激光系統(tǒng)(通常包含多種光纖和光纖器件)，現(xiàn)有模式分析方法雖然具備高速、高精度光場分解的能力，但是只能客觀評價輸出狀態(tài)的好壞，并不能“追根溯源"地分析系統(tǒng)內(nèi)部模式退化的關鍵“癥結(jié)"所在，因而無法精準指導模式控制。
近期，國防科技大學周樸研究員、黃良金副研究員所在團隊從光纖系統(tǒng)內(nèi)部模式的耦合和傳遞特性出發(fā)，提出了一種通過追溯模式耦合根源來調(diào)控光束質(zhì)量的方法，以在線、無損、可量化測量的方式，在百瓦級激光傳輸鏈路中實現(xiàn)了模式退化的溯源分析和光束質(zhì)量的顯著提升。
為便于說明，以兩模光纖鏈路為例闡述模式的耦合和傳輸特性，如圖1所示。在光纖#1的輸入端同時激發(fā)LP01模式和LP11模式，兩種模式由于模間色散在光纖#1中以不同的群速度傳輸，因而具有不同的傳輸時延，到達長度L1處的累積延遲分別為
當系統(tǒng)中發(fā)生模式耦合時，兩個模式的比例發(fā)生變化。光纖#1中初始激發(fā)的LP01模式和LP11模式分別以特定的比例耦合產(chǎn)生光纖#2的相應模式，光纖#2中產(chǎn)生的新模式一方面繼承了上一級光纖中模式的傳輸時延，另一方面繼續(xù)以各自的群速度向前傳輸。
圖1 光纖鏈路中模式的耦合和傳遞特性
光纖中的本征模式存在模間干涉效應，模式間的累積傳輸延遲差值決定了干涉場的拍頻，不同耦合事件產(chǎn)生的模式成分和其傳輸路徑之間存在嚴格對應關系。如圖1所示，到達輸出端(L1+L2)時，由于各類型LP11模式經(jīng)歷的耦合事件不同，在整個光纖鏈路中的總傳輸延遲各不相同，不同來源的LP11模式和LP01模式之間發(fā)生模間干涉的拍頻也各不相同，就可以根據(jù)此差異對任意高階模成分“追根溯源"地進行分析。
搭建圖2所示的光纖激光傳輸平臺進行驗證實驗，圖2(a)為激光傳輸鏈路，圖2(b)為模式分析模塊。信號激光(1080 nm)經(jīng)單模波分復用器(Wavelength division multiplexer, WDM)傳輸至模場適配器(Mode field adapter, MFA)，最后通過約7 m長的少模無源光纖輸出;可調(diào)諧探測激光(1120 nm~1130 nm)經(jīng)WDM另一通道注入系統(tǒng)，探測光和信號光經(jīng)同一孔徑輸出。MFA輸出光纖的纖芯直徑和數(shù)值孔徑(numerical aperture, NA)分別為20 μm和0.07.少模無源光纖的纖芯直徑和NA分別為20 μm和0.068.在輸出端，信號光經(jīng)第一高反鏡(High-reflection mirror, HRM1)后，主要能量反射進入功率計，微弱透射光折轉(zhuǎn)入射光束質(zhì)量分析儀。在HRM1的反射端，第一二向色鏡(Dichroic mirror, DM1)分離探測光，探測光折轉(zhuǎn)入射相機用于模式特性分析。
圖2 光纖激光傳輸及模式分析系統(tǒng)
系統(tǒng)搭建完成后，在無任何先驗知識的前提下同時進行M2因子和模式特性預測量，結(jié)果如圖3(a-b)所示。優(yōu)化前，M2因子約為1.35.模式測量結(jié)果表明系統(tǒng)內(nèi)部存在兩個LP11模式特征拍頻。根據(jù)理論分析可知，雖然兩個拍頻均對應LP11模，但是卻分別對應系統(tǒng)內(nèi)部不同位置。結(jié)合所用光纖參數(shù)進行溯源分析，如圖4所示，可以精準判斷#1類模式退化源于MFA和輸出無源光纖的熔接，#2類模式退化源于MFA內(nèi)部的工藝缺陷。
圖3 優(yōu)化前后的M2因子和系統(tǒng)內(nèi)部模式退化分析結(jié)果
進而，基于模式退化溯源結(jié)果指導精準模式控制，在不同的彎曲半徑下進行在線模式測量，量化兩類LP11模含量隨光纖盤繞狀態(tài)的變化，找到可兼顧高階模抑制和低損耗傳輸?shù)膬?yōu)彎曲狀態(tài)。最后，將輸出無源光纖以優(yōu)彎曲狀態(tài)盤繞，兩類模式退化均被有效抑制。優(yōu)化后輸出結(jié)果如圖3(c-d)所示，M2因子優(yōu)化至約1.15.兩個LP11模式特征拍頻都被有效抑制?？偠灾?，基于“可溯源、可量化"的模式分析指導模式控制，同步實現(xiàn)了系統(tǒng)的模式凈化和光束質(zhì)量凈化。
圖4 模式退化來源說明
本工作從光纖系統(tǒng)內(nèi)部模式耦合和傳遞的基本物理過程出發(fā)，提出了一種基于模間干涉現(xiàn)象在線測量光纖鏈路中模式特性的方法，實現(xiàn)了可溯源、可定位、可量化的模式退化分析，為指導光纖激光光束質(zhì)量優(yōu)化提供了一種可視化的工具，該技術可拓展應用于各種類型光纖激光系統(tǒng)。下一步，團隊將深度開展光纖激光系統(tǒng)光束質(zhì)量調(diào)控實驗，以科學的工具助力高亮度光纖激光技術的持續(xù)進步。
參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)
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