作者：Hassaun A. Jones-Bey

    在诸多应用领域，掺杂稀土元素的光纤激光器和放大器由于其输出功率不断提高，正取代传统的激光器。同时，实验研究表明脉冲光纤放大器输出峰值功率能达到几兆瓦，这一数值已经接近光纤中由于自聚焦效应所限制的最大输出功率。因此，在设计一个实际的激光装置时，通过一个准确可靠的模型描述自聚焦效应具有十分重要的意义，因为自聚焦效应对输出峰值功率、输出脉冲能量、输出光谱、损伤阈值和输出光束质量都存在着巨大影响。

    虽然自聚焦效应（SF）是一个众所周知的非线性过程，但美国Sandia国家实验室研究人员Dahv Kliner和其同事认为，现有文献对SF的认识存在巨大分歧。例如，一些研究人员认为，高功率光束在光纤中传输时，在光纤横截面将会经历较大的振荡，使得非线性效应和光学损伤的阈值功率大大降低。一些计算表明自聚焦限制在光纤中与体介质中存在明显区别，另一些计算则表明它们之间差别较小。

（上图）在脉冲光纤放大器中，由于自聚焦效应，光束半径随传播距离平稳减小。通过对辐照度进行横向积分即可获得光功率值。（下图）在不同光功率条件下，沿着弯曲平面在y=0处横断面内归一化辐照度，其线型是非对称的，由于光纤弯曲，辐射度从纤芯中心向远离中心处发生剧烈变化。

    以往的计算对象均为无源光纤（即无增益光纤），而不是光纤放大器。众所周知，在封装或者抑制高阶模式的过程中，光纤盘绕将会使光纤模式发生严重畸变，而以往计算均只考虑直线型光纤。针对这一问题，Kliner 及其同事提出并回答了以下三个问题：

    第一，在阶跃折射率光纤中，当基模以接近SF限制的功率（即临界功率Pcrit）传输时，放大效应对其将产生什么影响？光束在光纤横截面处的纵向振荡是否一定存在？第二，当光束功率接近Pcrit时，光纤盘绕对这些被放大或者未被放大的光束的传输将产生什么影响？最后，直线型和盘绕型阶跃折射率光纤中Pcrit与相似的体介质中Pcrit有什么差别？

    在大功率的脉冲或连续光纤激光器中，目前广泛使用的抑制高阶模式的方法是通过弯曲引入损耗，使大模场面积多模光纤以一特定的曲率半径盘绕，从而对高阶模式引入较大损耗，对基模引入相对较小损耗，这种近似滤波效应方法能够获得近衍射极限的光束质量而不会降低斜坡效率。对于标准的阶跃折射率光纤，盘绕效应将使光纤模式产生严重畸变，包括方位角对称损失。因此，在Sandia的分析中考虑了增益和弯曲（适用于盘绕的光纤放大器）效应。研究人员通过采用本征模式解算和光束传输编码两种方法研究当光功率接近Pcrit时，阶跃折射率多模光纤中的基模特性，这两种方法均适用于任何折射率线型、任何弯曲半径、有无增益或损耗光纤。

    研究表明，当光束以低于Pcrit (大约3 MW)的较高功率传输时, 在阶跃折射率光纤中存在非振荡模式，即稳定模式，这种稳定模式在光纤中传输不会发生任何变化。在以基模作为种子的注入式光纤放大器中，在光束被放大过程中，其横向空间分布线型将向稳定模式过渡，而不会经历纵向振荡。不论光纤放大器中是直线型光纤还是盘绕型光纤，这些结论均适用，定量的描述可能有稍许差别。对于一个给定的非线性折射率值，Pcrit在体介质和阶跃折射率光纤（直线型或者盘绕型）中近乎相等。

    参考文献
R.L. Farrow et al., Optics Letters, in press.

最新供应

最新求购