高功率光纖激光器和放大器模式不穩(wěn)定性的時間動力學(xué)
（論文部分內(nèi)容摘抄）
通過實驗詳細(xì)研究了有源大模面積光纖中模不穩(wěn)定性的時間行為。因此，除了模式不穩(wěn)定的起始闖值外，輸出光束的特征在于使用每秒20000幀的高速攝像機測量和光電二極管跡象。在此基礎(chǔ)上，給出了模式不穩(wěn)定性功率閾值的經(jīng)驗定義。此外，它表明，時間動力學(xué)顯示了穩(wěn)定和不穩(wěn)定制度之間的過渡區(qū)，在那里可以觀測到微秒時間尺度上明確的周期性時間波動。最后，實驗表明，模場面積越大，模不穩(wěn)定性波動越慢。觀測結(jié)果支持模式不穩(wěn)定性的熱源。
如圖所示：
高速視頻記錄中發(fā)生在桿狀大間距光子晶體光纖(LPF)中的模式不穩(wěn)定的單幀節(jié)選，孔與孔之間的距離為30um(LPF30)。
采用了元奧儀器的高速攝像機(pco.dimax)，該相機通過記錄576x308像素的圖像實現(xiàn)了20000 fps的采樣率。
模式不穩(wěn)定性的高速測量：
如果種子信號被放大到平均輸出功率的某個閾值以上，則在高功率光纖激光系統(tǒng)中會出現(xiàn)模式不穩(wěn)定。超過這個閾值，初始穩(wěn)定的類高斯輸出光束變得不穩(wěn)定(即其形狀波動)，光束質(zhì)量下降。然而，值得一提的是，輸出功率保持穩(wěn)定，盡管波動的光束。通過記錄放大光束近場強度分布的相機，可以很容易地觀察到這種行為。在早期的實驗中，通常使用傳統(tǒng)的照相機。這些設(shè)備提供約10每秒(fps)的幀速率，這對應(yīng)于100毫秒范圍內(nèi)的時間分辨率。然而，模式不穩(wěn)定性發(fā)生在亞毫秒時間尺度上。因此，需要大于10000 fps的采樣率來解決它們的時間行為。因此，對于下面將要介紹的實驗，我們采用了高速攝像機(pco.dimax)，該相機通過記錄576x308像素的圖像實現(xiàn)了20000 fps的采樣率。采樣率的任何進一步增加都以減少像素數(shù)為代價。
在第一個實驗中，我們使用高速相機研究了在長約1.2m的桿式大口徑光子晶體光纖中發(fā)生的模式不穩(wěn)定性，該光纖的孔洞間距為30微米。作為種子源，我們使用了本文中描述的光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)的振蕩器、擔(dān)架和預(yù)放大器。整個纖維長度都被放置在散熱器上面，并用導(dǎo)熱帶固定在散熱器的上，以確保足夠的冷卻。
在這項工作中，首次系統(tǒng)地研究了幾種具有不同MFD的最先進的有源高功率光纖的模式不穩(wěn)定性的時間動態(tài)。高速視頻和光電二極管的時間軌跡記錄在一個大范圍的平均輸出功率。這些測量的時間分辨率是在一個子毫秒的時間尺度。因此，可以完全解決模式不穩(wěn)定性的時間動力學(xué)問題，而不會產(chǎn)生采樣不足現(xiàn)象。
表明了有一個過渡區(qū)域，在該區(qū)域，通過增加平均輸出功率，以前穩(wěn)定的光束輪廓變得不穩(wěn)定。該過渡區(qū)域的一個特征是，光束輪廓的時間波動是周期性的。這種行為可以被識別為傅立葉譜中的離散頻率峰。當(dāng)平均輸出功率進一步增大時，光束剖面變得越來越不穩(wěn)定，逐漸消退到混沌狀態(tài)。相反，過渡區(qū)的傅立葉譜顯示出類似噪聲的功率分布。
基于這些觀察結(jié)果，我們提出了一種客觀定義模式不穩(wěn)定功率閾值的方法。它采用時間軌跡的標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)數(shù)作為平均輸出功率的函數(shù)。當(dāng)階數(shù)的導(dǎo)數(shù)等于0.1%/W時達(dá)到功率閾值。但是請注意，不穩(wěn)定功率值是整個系統(tǒng)的特征，即它不完全由使用中的有源光纖決定。
最后，對模式不穩(wěn)定性對MFD依賴性的研究表明，隨著MFD的增加，波束輪的時間波動變慢。此外，觀察到的模式不穩(wěn)定性的上頻率極限與利用光纖芯的熱擴散時間進行的估計相當(dāng)一致。這支持模式不穩(wěn)定性的熱起源。
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