大芯径光纤激光基模诱导受激布里渊散射模式净化机理研究

为了提升高功率光纤激光系统输出功率水平，光纤放大器必须突破单模光纤芯径尺寸，采用大芯径光纤来提高光学损伤和非线性效应阈值，同时达到提高泵浦吸收效率、增大饱和通量的目的。然而，芯径增大自然导致传输模式增多，不可避免带来光束质量变差的问题。对此，传统光束质量控制方法已难以满足高功率光纤激光的长远发展需求。受激布里渊散射(SBS)一直被看作光纤中最有害的非线性效应，然而受启于实验发现的多模光纤中自激SBS反射光的模式降阶现象，可断定其很有可能成为解决大芯径光纤激光光束质量问题的一条新途径。本课题基于受激布里渊模式选择性放大原理，提出在大芯径光纤中引入基模Stokes光种子主动诱导SBS实现高效率模式净化的思想，并从理论和实验两方面入手，对这种机制下的SBS物理规律及作用机理进行深入研究，阐明其最佳参数条件和作用能力，形成完整的理论和模式净化实施方法，为这一物理效应向实用化技术的迈进奠定基础。

针对高功率光纤激光系统由于采用大芯径光纤而造成超多模输出、光束质量差的问题，从非线性光学技术角度出发，探索采用基模主动诱导SBS的方法实现光纤高阶模式的降阶转化，从而使输出光束质量得到改善的技术方法。本课题的研究工作，建立了模式耦合传输理论与SBS理论相结合的理论体系，根据大芯径传能光纤的芯径、折射率分布、长度等边界条件，较为系统地分析了SBS模式净化过程的参数规律及最佳作用条件，进而解释了该效应的物理机理；在实验上，课题突破了大芯径光纤基模选择激发技术、模式保持传输技术、SBS高效能量转换等关键技术，通过基模诱导SBS方法，在芯径105μm的大芯径渐变折射率多模光纤中，在峰值功率20~30kW的脉冲激光（波长1064nm）泵浦下，获得了能量转换效率达83.9%、光束M2因子为1.5±0.1的近基模优质光束输出。该成果突破了高功率光纤激光领域百微米芯径光纤M2因子难以低于5的现状，充分展示了SBS模式净化方法可用于改善百微米级大芯径光纤系统光束质量的能力，为解决大芯径高功率光纤激光光束质量问题提供一条新的途径。