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高功率光纖激光器和放大器模式不穩(wěn)定性的時(shí)間動(dòng)力學(xué)
（論文部分內(nèi)容摘抄）
通過(guò)實(shí)驗(yàn)詳細(xì)研究了有源大模面積光纖中模不穩(wěn)定性的時(shí)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(jī)測(cè)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(yàn)定義。此外，它表明，時(shí)間動(dòng)力學(xué)顯示了穩(wěn)定和不穩(wěn)定制度之間的過(guò)渡區(qū)，在那里可以觀測(cè)到微秒時(shí)間尺度上明確的周期性時(shí)間波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，模場(chǎng)面積越大，模不穩(wěn)定性波動(dòng)越慢。觀測(cè)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30um(LPF30)。采用了廣州市元奧儀器有限公司的高速攝像機(jī)(pco.dimax)，該相機(jī)通過(guò)記錄576x308像素的圖像實(shí)現(xiàn)了20000 fps的采樣率。
模式不穩(wěn)定性的高速測(cè)量：
如果種子信號(hào)被放大到平均輸出功率的某個(gè)閾值以上，則在高功率光纖激光系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)模式不穩(wěn)定。超過(guò)這個(gè)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(dòng))，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(dòng)的光束。通過(guò)記錄放大光束近場(chǎng)強(qiáng)度分布的相機(jī)，可以很容易地觀察到這種行為。在早期的實(shí)驗(yàn)中，通常使用傳統(tǒng)的照相機(jī)。這些設(shè)備提供約10每秒(fps)的幀速率，這對(duì)應(yīng)于100毫秒范圍內(nèi)的時(shí)間分辨率。然而，模式不穩(wěn)定性發(fā)生在亞毫秒時(shí)間尺度上。因此，需要大于10000 fps的采樣率來(lái)解決它們的時(shí)間行為。因此，對(duì)于下面將要介紹的實(shí)驗(yàn)，我們采用了高速攝像機(jī)(pco.dimax)，該相機(jī)通過(guò)記錄576x308像素的圖像實(shí)現(xiàn)了20000 fps的采樣率。采樣率的任何進(jìn)一步增加都以減少像素?cái)?shù)為代價(jià)。
在實(shí)驗(yàn)中，我們使用高速相機(jī)研究了在長(zhǎng)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(gè)纖維長(zhǎng)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(xiàng)工作中，系統(tǒng)地研究了幾種具有不同MFD的有源高功率光纖的模式不穩(wěn)定性的時(shí)間動(dòng)態(tài)。高速視頻和光電二極管的時(shí)間軌跡記錄在一個(gè)大范圍的平均輸出功率。這些測(cè)量的時(shí)間分辨率是在一個(gè)子毫秒的時(shí)間尺度。因此，可以完全解決模式不穩(wěn)定性的時(shí)間動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，而不會(huì)產(chǎn)生采樣不足現(xiàn)象。
表明了有一個(gè)過(guò)渡區(qū)域，在該區(qū)域，通過(guò)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(guò)渡區(qū)域的一個(gè)特征是，光束輪廓的時(shí)間波動(dòng)是周期性的。這種行為可以被識(shí)別為傅立葉譜中的離散頻率峰。當(dāng)平均輸出功率進(jìn)一步增大時(shí)，光束剖面變得越來(lái)越不穩(wěn)定，逐漸消退到混沌狀態(tài)。相反，過(guò)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(shí)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(shí)達(dá)到功率閾值。但是請(qǐng)注意，不穩(wěn)定功率值是整個(gè)系統(tǒng)的特征，即它不完全由使用中的有源光纖決定。
對(duì)模式不穩(wěn)定性對(duì)MFD依賴性的研究表明，隨著MFD的增加，波束輪的時(shí)間波動(dòng)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(kuò)散時(shí)間進(jìn)行的估計(jì)相當(dāng)一致。這支持模式不穩(wěn)定性的熱起源。
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