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近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率光纖激光技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在高功率橫向模式可控激光器研究方面取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)基于隨機(jī)并行梯度下降算法（SPGD）的主動(dòng)模式控制的方式，成功實(shí)現(xiàn)了1.4 kW量級(jí)的LP01和LP11主動(dòng)模式控制與選擇的光纖激光器系統(tǒng)，，相關(guān)研究成果發(fā)表于近期《光波技術(shù)雜志》（IEEE Journal of Lightwave Technology）。

基于大模場(chǎng)摻鐿光纖（LMA-YDF）的高功率光纖激光器具有很好的功率轉(zhuǎn)換效率和功率穩(wěn)定性，在許多領(lǐng)域具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。但是，由于大模場(chǎng)光纖的V值大于2.4，多種橫向模式會(huì)在光纖中并存。更為嚴(yán)重的是，由于高功率和強(qiáng)泵浦引起的熱效應(yīng)會(huì)引起大模場(chǎng)光纖中的橫向模式不穩(wěn)定（TMI）現(xiàn)象，阻礙激光器功率的進(jìn)一步提升。如果能通過(guò)控制的方式實(shí)現(xiàn)大模場(chǎng)光纖中的各種橫向模式單獨(dú)激發(fā)，不僅能對(duì)模式不穩(wěn)定效應(yīng)進(jìn)行抑制，而且可以讓一臺(tái)激光器受控輸出不同的單橫模或橫模組合形式，從而滿足于特殊應(yīng)用場(chǎng)景。

在本項(xiàng)工作中，研究人員首先對(duì)主放大器的增益光纖進(jìn)行盤繞限模優(yōu)化，增加除LP01和LP11以外的高階模的損耗，實(shí)現(xiàn)1.4 kW窄線寬少模激光輸出。然后，以高功率光纖激光器輸出的LP01和LP11模式的強(qiáng)度分布特征為基礎(chǔ)，通過(guò)探測(cè)光斑的中心光強(qiáng)變化作為系統(tǒng)的評(píng)價(jià)函數(shù)，以區(qū)分不同的模式。利用高速可編程門陣列（FPGA）來(lái)實(shí)現(xiàn)SPGA算法，產(chǎn)生4路反饋控制電壓信號(hào)，并將其加載到模式控制器之上。模式控制器中的壓電陶瓷（PZT）對(duì)預(yù)放光纖產(chǎn)生擠壓和應(yīng)力，改變光纖中各種橫向模式的配比。當(dāng)這些模式注入到主放大器，利用放大器的模式競(jìng)爭(zhēng)特性，實(shí)現(xiàn)不同橫模模式的受控功率放大。當(dāng)SPGD算法收斂到最大值時(shí)，激光器輸出LP01模式激光；當(dāng)SPGD算法收斂到最小值時(shí)，激光器輸出LP11模式激光。通過(guò)對(duì)紅外相機(jī)采集到的光強(qiáng)分布進(jìn)行模式解構(gòu)處理，得出兩種情況下產(chǎn)生的LP01模式的光光效率為84.1%，LP11模式的光光效率為85.8%以上，兩種模式切換的轉(zhuǎn)換效率大于99.5%。本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的1.4 kW的橫?？煽毓饫w激光，在光鑷技術(shù)、原子捕獲、激光微加工等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。此外，寬帶寬的主動(dòng)模式控制系統(tǒng)也對(duì)以后開(kāi)展光纖激光器模式不穩(wěn)定的研究提供了有利條件。

圖1 模式可控的光纖激光系統(tǒng)裝置圖

圖2 (a)、(c) SPGD算法最小值和最大值收斂后的紅外相機(jī)光場(chǎng)分布；(b)、(d) 模式重構(gòu)出的光場(chǎng)分布；(e) 各種本征模式占比