高功率光纤激光横模主动控制研究中取得进展

　　近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率光纤激光技术实验室在高功率横向模式可控激光器研究方面取得进展。研究团队通过基于随机并行梯度下降算法（SPGD）的主动模式控制的方式，实现了1.4 kW量级的LP₀₁和LP₁₁主动模式控制与选择的光纤激光器系统。相关研究成果发表在《光波技术杂志》（IEEE Journal of Lightwave Technology）上。

　　基于大模场掺镱光纤（LMA-YDF）的高功率光纤激光器具有较好的功率转换效率和功率稳定性，在一些领域具有重要的研究和应用价值。然而，由于大模场光纤的V值大于2.4，多种横向模式会在光纤中并存。由于高功率和强泵浦引起的热效应会引起大模场光纤中的横向模式不稳定（TMI）现象，阻碍激光器功率的进一步提升。若能够通过控制的方式实现大模场光纤中的各种横向模式单独激发，不仅能够对模式不稳定效应进行抑制，而且可以让一台激光器受控输出不同的单横模或横模组合形式，从而满足特殊应用场景。

　　该研究中，研究人员对主放大器的增益光纤进行盘绕限模优化，增加除LP₀₁和LP₁₁以外的高阶模的损耗，实现1.4 kW窄线宽少模激光输出；以高功率光纤激光器输出的LP₀₁和LP₁₁模式的强度分布特征为基础，通过探测光斑的中心光强变化作为系统的评价函数，以区分不同模式。利用高速可编程门阵列（FPGA）以实现SPGA算法，产生4路反馈控制电压信号，并将其加载到模式控制器上。模式控制器中的压电陶瓷（PZT）对预放光纤产生挤压和应力，改变光纤中各种横向模式的配比。当这些模式注入主放大器，利用放大器的模式竞争特性，实现不同横模模式的受控功率放大。当SPGD算法收敛到最大值时，激光器输出LP₀₁模式激光；当SPGD算法收敛到最小值时，激光器输出LP₁₁模式激光。通过对红外相机采集到的光强分布进行模式解构处理，研究人员得出两种情况下产生的LP₀₁模式的光光效率为84.1%，LP₁₁模式的光光效率为85.8%以上，两种模式切换的转换效率大于99.5%。该研究产生的1.4 kW的横模可控光纤激光在光镊技术、原子捕获、激光微加工等领域具有应用价值。此外，宽带宽的主动模式控制系统对以后开展光纤激光器模式不稳定研究提供了有利条件。

　　研究工作得到国家自然科学基金等项目的支持。

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图1.模式可控的光纤激光系统装置图

图2.（a）、（c）SPGD算法最小值和最大值收敛后的红外相机光场分布；（b）、（d）模式重构出的光场分布；（e）各种本征模式占比