不同泵浦波长光纤激光器模式不稳定效应对比.docx
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2022-12-15
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0. 引 言
光纤激光器以其优良的光束质量、可柔性操作、热管理方便、结构紧凑等优点广泛应
用于工业加工、医疗卫生、基础研究等领域
[1-2]
。近年来，随着高亮度泵浦源、光纤器件制
造水平、光纤拉制工艺等技术的发展，光纤激光器的输出功率得到了迅速提升
[3-8]
。长期以
来，受激拉曼散射等非线性效应和模式不稳定效应严重制约了光纤激光器功率水平的进一
步提升。自 2010 年德国耶拿大学首次公开报道模式不稳定现象之后，研究人员逐步意识到
模式不稳定效应已经成为限制高功率光纤激光器功率提升的重要因素之一
[9]
。
模式不稳定效应是指当激光器泵浦功率超过某一阈值时，激光器中的基模与高阶模发
生动态耦合的现象。模式不稳定现象发生后，信号光经包层光滤除器之后会出现功率滞
涨、时域起伏、光束质量退化等现象，严重影响了光纤激光器功率的提升。近年来，研究
人员针对模式不稳定现象进行了大量的理论和实验研究，对模式不稳定物理机理和影响因
素认识逐步深入并提出了一些有效的抑制方法
[10-13]
。目前，研究人员普遍认为光纤中废热
导致的热效应是高功率光纤激光器中产生模式不稳定的根源。
通常认为，激光介质内的主要发热因素是抽运光子与激光光子之间的能量亏损，即量
子亏损。首先，从光纤中的热量计算公式出发，推理出光纤中的热量不仅与量子亏损有
关，还与增益光纤的吸收系数相关。利用光纤激光器仿真软件 SeeFiberLaser 仿真了不同波
长泵浦光纤激光器时增益光纤中的热量分布情况
[14]
。结果表明，采用不同泵浦源时，泵浦
吸收系数越低增益光纤中的温度及温度梯度越低。这说明，泵浦吸收系数对光纤激光器模
式不稳定阈值的影响比量子亏损对模式不稳定阈值的影响更大。最后，在理论研究基础上
搭建了前向泵浦掺镱光纤激光振荡器，对比研究了 915、940、976 nm LD 分别泵浦时激光
器的模式不稳定阈值特性，实验结果与理论相吻合，为进一步提高模式不稳定阈值，获得
更高功率光纤激光器提供了有效参考。
1. 理论模型与仿真
增益光纤中的热负荷是产生模式不稳定效应的根源。在增益光纤内部的热源可以描述
为
[15]
：
Q(r,z)=νp−νsνp[N0σap−(σep+σap)N2(r,z)]Pp(r,z)Ap+αs(r)Is(r,z)Q(r,z)=νp−νsνp[N0σap−(σep+σap)N2(r,z)]Pp(r,z)Ap+αs(r)Is(r,z)
(1)
式中：Q 为光纤中的热量；r 为光纤半径；z 为光纤轴向距离；N
0
为掺杂粒子浓度；
N
2
为上能级粒子数；v
p
和 v
s
为泵浦光和信号光的频率；σ
ap
和 σ
ep
为泵浦光的吸收和发射截
面；P
p
(r,z)为泵浦光功率；A
p
为传输泵浦光的内包层面积；α
s
(r)为信号光吸收损耗系数；
I
s
(r,z)为信号光强。
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