单模高功率全光纤激光中的模式不稳定产生机理与抑制方法

Recently, benefit from the development of the manufacture techniques of double cladding fiber, brightness increasing of the fiber coupled laser diode and demonstration of tandem pumping; the output power of the single mode fiber laser increased a lot. But when further increase the power, mode instability in single mode fiber will serious degrade the laser beam quality, hinder the power increasing go a step further. This project is aimed to investigate the generation mechanism and grope for new suppression methods of mode instability in single mode high power all fiber lasers. Theoretically, based on the Maxwell wave equation in fiber laser and worked with the gain field as well as thermal effects, we will built the theoretical model of the mode instability in high power all fibers. Investigate the relationship between mode instability effects (such as time domain, spatial domain, the threshold effect) and parameters in fiber laser system; predict the suppression methods of mode instability. In experiment, we will analysis the influence of the laser system parameters on the effects of mode instability in detail, grope for new suppression methods of mode instability in all fiber lasers. Reveal the inner mechanism of the mode instability in high power fiber laser, establish a perfect model for mode instability, present a come into effect method for mode instability suppression. This will provide a reliable reference both in theory and technique for study and realize high power fiber laser with good beam quality.

近年来，随着双包层光纤制造工艺的发展、光纤耦合半导体二极管亮度提升以及级联泵浦技术的实现，单模光纤激光输出功率得到了极大的提升。然而，随着输出功率的进一步提高，单模光纤的模式不稳定现象严重影响激光输出光束质量、阻碍激光功率进一步提升。本项目拟研究单模高功率全光纤激光中的模式不稳定的产生机理，探寻模式不稳定的抑制新方法。理论上，从光纤激光的麦克斯韦波动方程出发，结合增益场和温度场特性，建立模式不稳定的理论模型，研究光纤激光系统各个参数与模式不稳定时域、空域行为和阈值特性之间的关系，预测模式不稳定的抑制方法。实验上，系统分析激光系统参数对模式不稳定各个效应的影响，探索在全光纤激光中的模式不稳定抑制方法。最终揭示高功率模式不稳定现象的内在机理，建立完善的模式不稳定系统理论，提出行之有效的模式不稳定抑制方法，为研究和实现高功率、高光束质量的激光系统提供可靠的理论依据和技术支撑。

近单模光纤激光器在工业加工等领域有着广泛的应用。近年来，随着输出功率的提高，单模光纤的模式不稳定效应严重影响激光输出光束质量、阻碍激光功率进一步提升。本项目以近单模光纤中的横向模式不稳定效应为主要研究对象，从模式不稳定的物理原理出发，建立模式不稳定理论模型，研究光纤激光系统各个参数与模式不稳定时域、空域行为和阈值特性之间的关系；搭建模式不稳定效应的实验研究平台，系统分析激光器各个参数对模式不稳定的影响，探索在近单模全光纤激光中的模式不稳定效应的抑制方法。在自然科学基金支持下，建立了光纤激光器模式不稳定的理论模型，推导了模式不稳定效应的阈值公式，给出了有效的模式不稳定的抑制方法，完善了包含模式不稳定在内的高功率单模光纤激光器极限输出功率理论体系。通过对影响模式不稳定效应各种影响因素的理论分析，给出了模式不稳定抑制的多种方法：包括提高种子功率和光束质量、采用支持模式较少的单模或者近单模增益光纤、弯曲光纤增加高阶模式损耗、采用泵浦波长偏移增益光纤最强吸收系数的泵浦源、后向泵浦或者双端泵浦方式均匀增益光纤温度分布等方法。在实验中首次发现了全光纤放大器的准静态模式不稳定效应，通过与动态模式不稳定效应的对比，实现了有效的模式不稳定阈值的提升。在实验中首次发现了全光纤激光振荡器中非线性效应（SRS）对模式不稳定效应的影响，通过实验研究和理论分析，对SRS进行抑制，同时实现了对模式不稳定效应的抑制。在理论指导下，对宽谱光纤放大器、窄线宽光纤放大器、宽谱光纤振荡器中的模式不稳定效应进行实验研究，通过多种方法抑制非线性效应，将传统前向泵浦光纤放大器的模式不稳定阈值提升54.5%到285%。研发了1.5-5kW的全光纤激光振荡器，其中5.2kW全光纤激光振荡器为目前国际上最高功率的光纤激光器振荡器。相关理论和实验研究结果为进一步研究和实现高功率、高光束质量的光纤激光系统提供可靠的理论依据和技术支撑。