高功率光纤激光器和放大器模式不稳定性的时间动力学

（论文部分内容摘抄）

通过实验详细研究了有源大模面积光纤中模不稳定性的时间行为。因此，除了模式不稳定的起始闯值外，输出光束的特征在于使用每秒20000帧的高速摄像机测量和光电二极管迹象。在此基础上，给出了模式不稳定性功率阈值的经验定义。此外，它表明，时间动力学显示了稳定和不稳定制度之间的过渡区，在那里可以观测到微秒时间尺度上明确的周期性时间波动。最后，实验表明，模场面积越大，模不稳定性波动越慢。观测结果支持模式不稳定性的热源。

如图所示：

高速视频记录中发生在杆状大间距光子晶体光纤(LPF)中的模式不稳定的单帧节选，孔与孔之间的距离为30um(LPF30)。采用了元奥仪器的高速摄像机(pco.dimax)，该相机通过记录576x308像素的图像实现了20000 fps的采样率。

模式不稳定性的高速测量：

如果种子信号被放大到平均输出功率的某个阈值以上，则在高功率光纤激光系统中会出现模式不稳定。超过这个阈值，初始稳定的类高斯输出光束变得不稳定(即其形状波动)，光束质量下降。然而，值得一提的是，输出功率保持稳定，尽管波动的光束。通过记录放大光束近场强度分布的相机，可以很容易地观察到这种行为。在早期的实验中，通常使用传统的照相机。这些设备提供约10每秒(fps)的帧速率，这对应于100毫秒范围内的时间分辨率。然而，模式不稳定性发生在亚毫秒时间尺度上。因此，需要大于10000 fps的采样率来解决它们的时间行为。因此，对于下面将要介绍的实验，我们采用了高速摄像机(pco.dimax)，该相机通过记录576x308像素的图像实现了20000 fps的采样率。采样率的任何进一步增加都以减少像素数为代价。

在第一个实验中，我们使用高速相机研究了在长约1.2m的杆式大口径光子晶体光纤中发生的模式不稳定性，该光纤的孔洞间距为30微米。作为种子源，我们使用了本文中描述的光纤啁啾脉冲放大系统的振荡器、担架和预放大器。整个纤维长度都被放置在散热器上面，并用导热带固定在散热器的上，以确保足够的冷却。

在这项工作中，首次系统地研究了几种具有不同MFD的有源高功率光纤的模式不稳定性的时间动态。高速视频和光电二极管的时间轨迹记录在一个大范围的平均输出功率。这些测量的时间分辨率是在一个子毫秒的时间尺度。因此，可以完全解决模式不稳定性的时间动力学问题，而不会产生采样不足现象。

表明了有一个过渡区域，在该区域，通过增加平均输出功率，以前稳定的光束轮廓变得不稳定。该过渡区域的一个特征是，光束轮廓的时间波动是周期性的。这种行为可以被识别为傅立叶谱中的离散频率峰。当平均输出功率进一步增大时，光束剖面变得越来越不稳定，逐渐消退到混沌状态。相反，过渡区的傅立叶谱显示出类似噪声的功率分布。

基于这些观察结果，我们提出了一种客观定义模式不稳定功率阈值的方法。它采用时间轨迹的标准化标准的导数作为平均输出功率的函数。当阶数的导数等于0.1%/W时达到功率阈值。但是请注意，不稳定功率值是整个系统的特征，即它不完全由使用中的有源光纤决定。

最后，对模式不稳定性对MFD依赖性的研究表明，随着MFD的增加，波束轮的时间波动变慢。此外，观察到的模式不稳定性的上频率极限与利用光纤芯的热扩散时间进行的估计相当一致。这支持模式不稳定性的热起源。

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