光束質量是光纖激光最重要的空域評價指標之一，本質上由光纖系統(tǒng)內部橫向模式(以下簡稱“模式”)在輸出端的疊加狀態(tài)決定。提升光束質量的關鍵在于對系統(tǒng)內部的模式特性進行精確分析，進行“對癥下藥”，從而實現有效模式控制。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)內部模式退化的關鍵“癥結”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控光束質量的方法，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了模式退化的溯源分析和光束質量的顯著提升。

　　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生光纖#2的相應模式，光纖#2中產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;可調諧探測激光(1120 nm~1130 nm)經WDM另一通道注入系統(tǒng)，探測光和信號光經同一孔徑輸出。MFA輸出光纖的纖芯直徑和數值孔徑(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，微弱透射光折轉入射光束質量分析儀。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，結果如圖3(a-b)所示。優(yōu)化前，M2因子約為1.35.模式測量結果表明系統(tǒng)內部存在兩個LP11模式特征拍頻。根據理論分析可知，雖然兩個拍頻均對應LP11模，但是卻分別對應系統(tǒng)內部不同位置。結合所用光纖參數進行溯源分析，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內部的工藝缺陷。

　　圖3 優(yōu)化前后的M2因子和系統(tǒng)內部模式退化分析結果

　　進而，基于模式退化溯源結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的優(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。總而言之，基于“可溯源、可量化”的模式分析指導模式控制，同步實現了系統(tǒng)的模式凈化和光束質量凈化。

　　圖4 模式退化來源說明

　　本工作從光纖系統(tǒng)內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象在線測量光纖鏈路中模式特性的方法，實現了可溯源、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)光束質量調控實驗，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

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