大模场单折射率沟壑光纤的模式特性及高阶模抑制机理研究

High-power fiber laser (HPFL) with high beam quality has found wide applications in industry and national defense. In order to improve the power of high-beam-quality HPFL, the fiber is required to be with large mode-area and high high-order-mode (HOM) suppression. Through adjustment on the refractive index profile, single refractive index trench fiber (SRITF) can perfectly meet the requirements mentioned above and be easily fabricated. Accordingly, the SRITF is a promising candicate for practical HPFL with high beam quality. However, the lack of understanding on the mode properties and the mechanism of high HOM suppression in SRITF limits the performances improvement of SRITF. Aiming at breaking through the limitations, we propose to synthetically study the following items by the combination of theoretical and experimental efforts: 1) The analytical model of the Eigen-modes of SRITF is built with the rate equation model for explaining how fiber parameters impact the mode properties and how the bending loss and gain competition suppress the HOM. 2) The mode decomposition technology will be used to experimentally study the mode properties and to improve the theoretical and finit-element models. 3) The large-mode-area ytterbium-doped SRITF with high HOM suppression, whose core diameter is not less than 30 μm, will be designed and fabricated to realize fiber amplifier with >99% purity of the fundamental mode regardless of the input mode contents. The research results of this project are significant for the fabrication of practical SRITF aiming at HPFL with high beam quality.

高光束质量、高功率光纤激光器广泛应用于工业和国防等领域，进一步提升其功率要求光纤具有模场大、高阶模抑制强等特点。单折射率沟壑光纤(SRITF)通过折射率分布调控能够完美地满足以上要求，并且不增加拉制难度，具有重大应用价值。但是，前期缺乏对SRITF模式特性和高阶模抑制机理的系统研究，认识上的局限限制了SRITF的性能提升。为解决该问题，本项目提出通过理论与实验结合开展如下研究：1）建立SRITF模式的解析模型，并结合速率方程模型，从理论上阐明SRITF的模式特性以及高阶模损耗与模式增益竞争对高阶模抑制的影响；2）基于模式分解技术，从实验上系统研究SRITF的模式特性，并进一步完善理论模型；3）优化设计并拉制高阶模抑制强的掺镱大模场SRITF（纤芯直径不小于30μm），实现不同输入模式成分下光纤放大器输出基模比例均大于99%。本项目的开展对于拉制实用化的高功率用大模场SRITF具有重要意义。

高光束质量、高功率光纤激光器广泛应用于工业和国防等领域，进一步提升其功率要求光纤具有模场大、高阶模抑制强等特点。单折射率沟壑光纤(SRITF)通过折射率分布调控能够完美地满足以上要求，并且不增加拉制难度，具有重大应用价值。为了实现高光束质量激光输出更高功率，本项目围绕着SRITF的模式特性和高阶模抑制机理展开了系统研究，主要研究成果包括：（1）建立SRITF中本征模式理论模型，并且与有限元仿真结果进行了比对，发现两者具有很高的吻合度。进一步，基于有限元模型对SRITF的模式性能（包括模基模模场面积、纤芯重叠因子、高阶模损耗等参数）进行了系统的仿真研究，厘清了SRITF的沟壑层、环形层的折射率大小和厚度对光纤模式特性的影响规律，SRITF的优化设计提供了重要参考；（2）项目组突破了螯合物气相掺杂+MCVD技术、精准拉丝技术等掺镱光纤制备的关键技术，分别成功制备了参数可控的长锥形光纤、双锥形光纤和SRITF，为本项目的实验验证奠定了基础；（3）项目组创新性地提出并验证了基于深度学习的模式分解技术，对3模和6模光束实现了30Hz左右的实时模式分解。项目组还成功实现了基于空间—光谱分辨成像的模式分解，可以对光纤输出的模式特性（模场分布、模式相位、模式比例等）进行极高精度的分析，初步验证了SRITF具有较强的高阶模抑制能力；（4）项目组建立了掺镱大模场光纤高功率实验平台，实现了对掺镱大模场光纤的高功率激光输出性能的精确表征。通过本项目的支持，项目组基于自研长锥形光纤，实现了400 W的单模（M2因子<1.3）单频输出；基于自研双锥形光纤，实现了4 kW的单模输出（M2因子<1.33）；基于自研SRITF，结合对SRITF模式特性和高阶模抑制机理的深入认识，实现了1.36 kW的高光束质量输出（M2因子~1.63），这是目前折射率沟壑型光纤输出的最高功率。