01
提升光束质量的关键
光束质量是光纤激光最重要的空域评价指标之一，本质上由光纤系统内部横向模式(以下简称“模式”)在输出端的叠加状态决定。提升光束质量的关键在于对系统内部的模式特性进行精确分析，进行“对症下药”，从而实现有效模式控制。面对庞杂的光纤激光系统(通常包含多种光纤和光纤器件)，现有模式分析方法虽然具备高速、高精度光场分解的能力，但是只能客观评价输出状态的好坏，并不能“追根溯源”地分析系统内部模式退化的关键“症结”所在，因而无法精准指导模式控制。
近期，国防科技大学周朴研究员、黄良金副研究员所在团队从光纤系统内部模式的耦合和传递特性出发，提出了一种通过追溯模式耦合根源来调控光束质量的方法，以在线、无损、可量化测量的方式，在百瓦级激光传输链路中实现了模式退化的溯源分析和光束质量的显著提升。
相关成果出版于High Power Laser Science and Engineering 2024年第5期，并被入选Editors' Pick。周朴研究员和黄良金副研究员为共同通讯作者。论文信息如下：Xiao Chen, Shanmin Huang, Liangjin Huang, Lei Du, Zhiping Yan, Zhiyong Pan, Pu Zhou, and Zongfu Jiang, "Tracing the origins of mode coupling for beam quality optimization in high-power fiber laser delivery systems," High Power Laser Sci. Eng. 12, 05000e54 (2024).
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技术方案及验证平台
为便于说明，以两模光纤链路为例阐述模式的耦合和传输特性，如图1所示。在光纤#1的输入端同时激发LP01模式和LP11模式，两种模式由于模间色散在光纤#1中以不同的群速度传输，因而具有不同的传输时延，到达长度L1处的累积延迟分别为和
。当系统中发生模式耦合时，两个模式的比例发生变化。光纤#1中初始激发的LP01模式和LP11模式分别以特定的比例耦合产生光纤#2的相应模式，光纤#2中产生的新模式一方面继承了上一级光纤中模式的传输时延，另一方面继续以各自的群速度向前传输。
图1 光纤链路中模式的耦合和传递特性
光纤中的本征模式存在模间干涉效应，模式间的累积传输延迟差值决定了干涉场的拍频，不同耦合事件产生的模式成分和其传输路径之间存在严格对应关系。如图1所示，到达输出端(L1+L2)时，由于各类型LP11模式经历的耦合事件不同，在整个光纤链路中的总传输延迟各不相同，不同来源的LP11模式和LP01模式之间发生模间干涉的拍频也各不相同，就可以根据此差异对任意高阶模成分“追根溯源”地进行分析。
搭建图2所示的光纤激光传输平台进行验证实验，图2(a)为激光传输链路，图2(b)为模式分析模块。信号激光(1080 nm)经单模波分复用器(Wavelength division multiplexer, WDM)传输至模场适配器(Mode field adapter, MFA)，最后通过约7 m长的少模无源光纤输出；可调谐探测激光(1120 nm~1130 nm)经WDM另一通道注入系统，探测光和信号光经同一孔径输出。MFA输出光纤的纤芯直径和数值孔径(numerical aperture, NA)分别为20 μm和0.07，少模无源光纤的纤芯直径和NA分别为20 μm和0.068。在输出端，信号光经第一高反镜(High-reflection mirror, HRM1)后，主要能量反射进入功率计，微弱透射光折转入射光束质量分析仪。在HRM1的反射端，第一二向色镜(Dichroic mirror, DM1)分离探测光，探测光折转入射相机用于模式特性分析。
图2 光纤激光传输及模式分析系统
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实验结果
系统搭建完成后，在无任何先验知识的前提下同时进行M2因子和模式特性预测量，结果如图3(a-b)所示。优化前，M2因子约为1.35，模式测量结果表明系统内部存在两个LP11模式特征拍频。根据理论分析可知，虽然两个拍频均对应LP11模，但是却分别对应系统内部不同位置。结合所用光纤参数进行溯源分析，如图4所示，可以精准判断#1类模式退化源于MFA和输出无源光纤的熔接，#2类模式退化源于MFA内部的工艺缺陷。
进而，基于模式退化溯源结果指导精准模式控制，在不同的弯曲半径下进行在线模式测量，量化两类LP11模含量随光纤盘绕状态的变化，找到可兼顾高阶模抑制和低损耗传输的最优弯曲状态。最后，将输出无源光纤以最优弯曲状态盘绕，两类模式退化均被有效抑制。优化后输出结果如图3(c-d)所示，M2因子优化至约1.15，两个LP11模式特征拍频都被有效抑制。总而言之，基于“可溯源、可量化”的模式分析指导模式控制，同步实现了系统的模式净化和光束质量净化。
图4 模式退化来源说明
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结论与展望
本工作从光纤系统内部模式耦合和传递的基本物理过程出发，提出了一种基于模间干涉现象在线测量光纤链路中模式特性的方法，实现了可溯源、可定位、可量化的模式退化分析，为指导光纤激光光束质量优化提供了一种可视化的工具，该技术可拓展应用于各种类型光纤激光系统。下一步，团队将深度开展光纤激光系统光束质量调控实验，以科学的工具助力高亮度光纤激光技术的持续进步。
通讯作者简介
周朴，研究员、博士生导师，全国优秀博士学位论文作者，第十三届全国青联委员、常委，教育部科技委学部委员。目前主要从事激光等领域的科研、人才培养、教学和战略研究工作，主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目等科研项目，在高功率光纤激光、激光光束合成等方向以及交叉学科领域取得创新研究成果，获首届全国卓越青年研究生导师基金资助，入选国家高层次领军人才计划。
黄良金，国防科技大学副研究员、硕士生导师，主要从事特种光纤制备、激光模式诊断和高功率光纤激光器等方面的研究工作，在新型激光光纤、模式特性和光束质量分析、高功率光纤激光机理分析等领域取得了原创性成果。
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