原创 史卓 光波常
本篇文章来自丹麦NKT公司，在单根光纤中实现了175W的输出[1]。光纤激光器的平均功率受制于TMI(transverse mode instability)现象：当平均功率超过某个阈值时，热效应将导致高阶模式与基模产生耦合，严重影响激光的质量和稳定性。NKT公司通过对棒状光纤的结构进行改进，通过增大高阶模式的损耗的方式提升了TMI阈值。
图1 实验装置[1]
图1为实验装置示意图，由前端、主放大、压缩和测量四部分组成。前端部分的种子源产生中心波长为1029 nm、脉宽170 fs、重复频率40 MHz、带宽6.8 nm的脉冲，经展宽、选单和放大后，平均功率变为500 mW，脉宽为1.5 ns，重复频率为750 kHz。其中的第三级放大(Amp3)采用NKT生产的14/135双包层光纤。在主放大部分，第四级和第五级放大均采用芯径为85 μm的棒状光纤，其中第四级输出功率为25 W。第五级放大所用的掺镱光纤经过了特殊设计来抑制高阶模式，放大后脉冲的平均功率高达248 W，脉冲能量为333 μJ。压缩部分由四块光栅组成，压缩效率为80 %，最终可以得到平均功率175 W、脉冲宽度357 fs、脉冲能量233 μJ的脉冲，M2为1.2。
图2 输出光束的功率及模场直径 [1]
图2(a)展示了压缩前和压缩后的功率，以及第五级输出的模场直径与泵浦功率的关系。压缩前斜效率为0.68，压缩后为0.52，在热透镜效应的影响下，模场直径由60 μm下降为50 μm。由于TMI效应与光子暗化密切相关[2]，而光子暗化的影响体现在长期实验中，因此NKT对整套系统进行了长达4000小时的测试，如图2(b)所示。在光子暗化的影响下，输出功率逐渐下降，其中前30小时下降了4 W，而4000小时内共下降10 W；纤芯的发热逐渐增强，热透镜效应与光子暗化对折射率的改变共同导致模场直径减小了2 μm，模场直径的变化在最后1000小时达到饱和。
图3 输出激光的光斑、光谱及自相关曲线[1]
图3展示了0小时、2075小时和4150小时的时候压缩前光斑、压缩后的光谱和自相关曲线，并使用双曲正割对自相关进行拟合。脉冲的光谱基本保持稳定，平均带宽为5.5 nm，对应的变换极限脉宽为330 fs。光谱在长波段受光栅大小的限制而截断，在中心则存在一些波动，这是非线性相移造成的，在时域上表现为未能压缩的小旁瓣。脉冲宽度受实验环境变化（如温度波动等）影响较大，但在大部分时间内均小于400 fs，平均值是357 fs，形状与双曲正割拟合较为匹配。在压缩之前，M2为1.04×1.04，压缩后则为1.21×1.17。
目前，研究TMI现象的主要方式为使用小孔滤出输出光的一小部分，然后使用PD探头测量其功率并多次计算标准差，根据标准差的分布和变化情况确定TMI的强弱[3]。这篇文章的作者发明了一种叫做空间和时间分辨成像的技术[4]对压缩前光束进行分析，使用的装置更加复杂，但获得的信息也更多。该技术使用高速相机探测整体光场的强度，傅里叶变换后（如式(1)所示）再在空间上积分，得到功率的频谱，如式(2)所示。
图4 输出激光功率谱及高频成分的形态[1]
当TMI现象出现时，功率频谱的50 Hz到1 kHz范围内将出现多个峰值，图4(a)就展示了4000小时内压缩前功率在频域的变化，从图中可以看出频谱上存在一系列尖峰，其中的两次跳变是由更换采样时间所致。图4(b)为高于50Hz的频谱成分相对直流分量的比例，该值基本低于30dBc且较为稳定，说明TMI现象并不严重，且不受光子暗化程度的影响，因此NKT针对棒的改进成功的提升了TMI阈值。图4(c)为一些尖峰处的光强及其相位的分布情况。
总之，NKT公司在单根纤芯的棒状光纤CPA系统中获得了中心波长1030 nm、脉宽357 fs、重复频率750 kHz、平均功率175 W、脉冲能量233 μJ、M2为1.2的较为稳定的激光输出。在4000小时的长期运行中出现的光子暗化效应不会导致TMI现象的加强，证明大模场直径棒状光纤是产生衍射极限的兆赫兹、毫焦飞秒激光的理想增益介质，更好的热量管理和更大的芯径为平均功率的进一步提升提供了可能。
参考文献：
[1] Martin E. V. Pedersen, Mette M. Johansen, Anders S. Olesen, Mattia Michieletto, Maxim Gaponenko, and Martin D. Maack, '175 W average power from a single-core rod fiber-based chirped-pulse-amplification system,' Opt. Lett. 47, 5172-5175 (2022).
[2] Hans-Jürgen Otto, Norbert Modsching, Cesar Jauregui, Jens Limpert, and Andreas Tünnermann, 'Impact of photodarkening on the mode instability threshold,' Opt. Express 23, 15265-15277 (2015).
[3] C. Stihler, H.-J. Otto, C. Jauregui, J. Limpert, and A. Tünnermann, 'Experimental investigation of transverse mode instabilities in a double-pass Yb-doped rod-type fiber amplifier, ' Proc. SPIE 10083, Fiber Lasers XIV: Technology and Systems, 100830R (2017).
[4] Simon L. Christensen, Mette M. Johansen, Mattia Michieletto, Marco Triches, Martin D. Maack, and Jesper Lægsgaard, 'Experimental investigations of seeding mechanisms of TMI in rod fiber amplifier using spatially and temporally resolved imaging,' Opt. Express 28, 26690-26705 (2020).