光纖激光器英文名稱為Fiber Laser，指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的激光器，其中摻鐿光纖是高功率摻鐿光纖激光系統(tǒng)最核心的器件之一，然而隨著光纖激光器輸出功率的提升，各種穩(wěn)定性“殺手”比如橫向模式不穩(wěn)定(Transverse Mode Instability, TMI)、受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS)現(xiàn)象以及熱損傷等浮出水面。
不久前，凱普林光纖激光器產品總監(jiān)趙巨云線上分享《高功率光纖激光器前沿技術與創(chuàng)新應用》，詳細描述了如何狙擊光纖激光器穩(wěn)定性“殺手”。本期，我們一起回顧。
光纖激光器主要由泵浦源、增益介質(有源光纖)、諧振腔三大部分構成。
諧振腔結構光纖激光器原理：通過前向和后向的合束器，將泵浦半導體激光器LD的功率經過光纖光柵(高發(fā)光柵HR、低反光柵OC)注入到摻鐿雙包層光纖(YDF)中。YDF中稀土離子吸收泵光后，形成粒子數(shù)反轉分布，產生自發(fā)輻射光，然后在光纖光柵對(HR-OC)的作用下形成受激輻射光放大產生激光，并經過OC和輸出光纜QBH輸出出來。
放大器結構光纖激光器原理：與諧振腔相似，所不同的是通過前級的種子源激光器來減少了系統(tǒng)對單元器件承受功率的要求。進而可以得到更高的功率。
諧振腔結構光纖激光器
放大器結構光纖激光器
橫向模式不穩(wěn)定TMI效應
橫向模式不穩(wěn)定是指高功率光纖激光在達到某一特定閾值后，隨著輸出功率提升或超過一定時間發(fā)生的由穩(wěn)態(tài)基模輸出突然變?yōu)榉欠€(wěn)態(tài)高階模式輸出，它會導致光束質量下降，限制光纖激光輸出功率的提升。嚴重情況會讓號稱 “最快的刀，最準的尺，最亮的光”的激光名不副實。
橫模不穩(wěn)定效應原理示意圖實驗數(shù)據模式不穩(wěn)定發(fā)生后，基模和高階模式之間的功率會不斷耦合，總功率不變。
當存在彎曲濾模等機制時，基模損耗小，高階模式的彎曲損耗大，導致綠線的高階模式被濾除，則輸出端表現(xiàn)為時域上的基模抖動。
20μm，0.065NA光纖的彎曲損耗
模式不穩(wěn)定物理機理
影響因素不同于傳統(tǒng)高能激光，模式不穩(wěn)定是熱效應與光纖模式的耦合導致的，因此，模式不穩(wěn)定的影響因素除了與廢熱有關還與光纖的模式特性有關。光纖廢熱影響因素：
光纖摻雜特性影響(摻雜濃度和摻雜區(qū)域半徑)
暗化的影響信號特性的影響(信號光功率、信號強度噪音、信號初始高階模比例、信號光波長、信號強度調制)
泵浦特性影響(泵浦功率、泵浦波長、泵浦強度調制)
泵浦方式的影響(前向泵浦、后向泵浦、側向泵浦和雙向泵浦)
光纖材料的影響
光纖模式影響因素：
光纖芯徑/包層直徑、光纖纖芯數(shù)值孔徑
高階模損耗
系統(tǒng)制冷能力
光纖保偏特性
信號光線寬
抑制方法針對模式不穩(wěn)定的抑制方法主要從增加熱管理能力和模式管控能力方面下手。增加熱管理能力：
增強增益飽和(減小纖芯包層比、改變半導體泵浦源的波長、改變泵浦光注入方向、增加注入信號功率 、同帶泵浦、改變信號波長)
減少光纖熱源
增強光纖熱光性能
增加模式管控能力：
提高彎曲損耗(減少彎曲半徑、減小纖芯數(shù)值孔徑、優(yōu)化光纖盤繞方法、減少纖芯直徑、增加信號光波長)
優(yōu)化光纖設計
增加信號光譜寬
受激拉曼散射效應
受激拉曼散射效應(Stimulated Raman Scattering，簡稱SRS效應)，是激光在基質傳輸過程中，光子與介質產生相互作用，激光向長波轉換的過程。受激拉曼散射成為影響光纖激光器功率提高的主要非線性效應因素之一。摻鐿光纖受激拉曼散射效應主要取決于纖芯直徑、光纖長度、摻雜濃度以及抽運方式等。
抑制方法
1.纖芯直徑對輸出的影響隨著抽運光功率增大到一定值時 , 光纖激光器中出現(xiàn)受激拉曼散射, 輸出激光功率開始減小 。在正向抽運下 , 當光纖長度一定 ( L =15 m) 時,纖芯直徑增加，SRS的功率閾值會大幅提升。為了減小受激拉曼散射的影響 , 可以采用大直徑纖芯的光纖。
2.光纖長度對輸出的影響正向抽運下 , 當纖芯直徑一定(20μm)，隨著光纖長度的增加，SRS的閾值會急劇降低。通過減小光纖長度, 可以得到較高的輸出功率。
3. 摻雜濃度對輸出的影響正向抽運下 ,隨著摻雜濃度增大 , 受激拉曼散射的閾值抽運光功率減小, 最大輸出激光功率減小。高摻雜濃度的光纖中 , 高功率的激光與光纖的作用距離較長 , 更容易出現(xiàn)受激拉曼散射。實際的高功率雙包層光纖激光器中 , 為了獲得較高的輸出激光功率, 可以適當?shù)剡x擇低摻雜濃度的光纖。未來得益于大模場面積( Large ModeArea, LMA)增益光纖技術、 高功率高亮度半導體泵浦源和高功率泵浦耦合技術的進步， 我國光纖激光器也將不斷向著更大功率、 更高光束質量的方向發(fā)展。
來源： 激光行業(yè)觀察