多芯光纤中同时存在多个模式,其中同相位模式的光束质量最好;我们通常采用各种选模方式,尽量提高同相位模式的输出功率,抑制其它模式的输出。因此模式选择问题成为多芯光纤激光器中的关键问题,常见的选模方法可归纳为以下五种:

1.塔尔伯特腔选模

塔尔伯特腔选模法是目前应用最广泛的一种很重要的选模方式。1836年Talbot发现当一束相干光束照射周期性排列的物体时,在传输方向存在周期性自映像现象,这种现象称为塔尔伯特(Talbot)效应。Talbot效应是一种特殊的Fresnel衍射现象。随着技术的不断发展,Talbot效应在光学技术中有了很重要的应用,比如精确检测光束的准直性、检验透镜像差、位相物体的变形等。

塔尔伯特腔(Talbot cavity)己广泛应用于多芯光纤光束合成的实验和研究中。近年来在多芯光纤激光器的研究中,基于塔尔伯特效应的选模方式在实验室研究中得验证,并在很多实际生产中得到广泛推广,且有大量相关报道。M.Wrage等人在多芯光纤尾端设置塔尔伯特腔,以实现对不同模式的定性选择。所采用的参数具体为:激光波长1060 nm、数值孔径=0.16,18芯光纤、二极管泉浦长为Im、改镜对波长为的反射率是56%。实验中通过移动腔镜的距离,选择出不同的超模,实现稳定的相位输出。Y.HUO等人对塔尔伯特腔选模方式进行进一步的分析与实验,对Talbot cavity中的竞争机制建立了理论模型,深入分析各个模式的模式竞争。2001年M.Mrage等人在以前塔尔伯特腔的基础上用微结构反射镜代替原来普通的平面反射镜,使超模选择效率进一步得到提高。

Talbot外腔锁相是一种基于发光单元的自再现的技术,和其他常规的外腔锁相技术相比具有腔的功率损耗相对较小、模式区分能力强等优点。其不足之处是腔长必须得到严格精确的控制,对精确度要求很高,实现起来比较复杂,而且容易受周围环境的影响。而且自由空间的塔尔伯特腔难以实现同相位超模的单模输出,线性选模非线性光学选模方式是指当抽运光功率超过一定阈值时,因为光纤内部本身存在的非线性光学效应,使得等距式多芯光纤光束以最好的质量,即(in-phase supermode)输出。它是由P.K.Chen等人提出的。

3.空间滤波选模法

2008年,MichaiUe等人采用空间滤波法对六芯光子晶体光纤进行选模,具体方法是在远场放置空间滤波孔,并通过适当调节孔的大小,调Q运转,最终获得脉宽为26 ns的窄脉冲输出,峰值功率高达90 kw。

4.自傅里叶腔选模法

在多芯光纤激光器选模方式的研究中,自傅里叶腔选模法也是一种常用的多芯光纤激光器选模方式。关于自傅立叶腔选模方式的机理及结构己有大量的分析和报道,在多芯光纤产生的超模中釆用自傅立叶腔可以对同相位超模进行有效的选择。E.J.Bochove等人对自傅立叶腔进行了理论分析和实验验证,验证了其选模的方式的有效性。

5.光波导选模

光波导选模是指将多芯光纤与另外一种不同的光波导之间相连,在多芯光纤中激发出来的各个模式在传输过程中互相竞争,所利用的光波导利于部分模式的输出抑制其它模式的输出,从而实现特定模式的选择性输出。L丄i等在试验中将传统塔尔伯特腔选模方式与白光纤结合进行选模,具体操作为将多芯光纤的一端或两端与直径为200 urn的白光纤擦接,构成性能更为优越的全光纤系统。另外一种多芯光纤选模机制是将多芯光子晶体光纤与微结构光纤恪接,通过调整和优化微结构光纤的参数,提高同相位超模的输出功率及输出效率,尽可能的实现单模输出。

以上对多芯光纤的选模方法进行简单介绍,除以上几种常用的方法外科学家们还在不断探究更好的选模方式,优化常用的选模方式,不断从各个角度剖析模式之间的竞争,以实现多芯光纤中同相位模式更好的输出。