文 / 郭少锋博士，湖南大科激光有限公司董事长
光纤激光器具有输出功率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑等优点，被广泛应用于工业激光加工、定向能、生物医疗、远距离探测等领域。
随着双包层光纤的发明和光纤器件性能的不断改进，光纤激光器的输出功率在近年来迅速提升，其中单模光纤激光功率达到20 kW，多模光纤激光输出功率达到100 kW[1]。进一步提升连续光纤激光器的输出功率受限于多种物理因素，如抽运亮度、热透镜效应、光致材料损伤、光子暗化、受激拉曼散射效应和横向模式不稳定性，而对于工业高功率光纤激光器而言，主要面临的物理问题是光子暗化、受激拉曼散射效应和横向模式不稳定性。本文将对以上三个问题，浅谈其基本物理图像、诊断方法及抑制手段。
光子暗化
工业级大功率光纤激光器通常需要有一年以上的质保期，这要求光纤激光器在长时间运行后仍旧可以实现稳定的功率输出，因此工业级大功率光纤激光器面临的第一个物理问题是光子暗化。
光子暗化是指光纤激光器在长时间出光后掺杂光纤芯层背景损耗永久性增加的现象，这一现象普遍存在于稀土掺杂的硅酸盐玻璃中，特别是掺镱高功率光纤激光器。
图1给出了典型的光纤激光器光子暗化过程[2]，随着激光器出光时间增加，输出功率逐渐下降，最后趋于稳定，而长时间出光后功率下降超过20%。因此，工业级光纤激光器通常需要保留一定的功率冗余，以此抵消光子暗化带来的功率下降。
图1. 光子暗化过程
除了引起输出激光损耗增大外，光子暗化还会引起可见光波段损耗增大。图2中对比了不同出光时间后1070 nm激光和633 nm激光的损耗[3]，可以看出633 nm激光的损耗约是1070 nm激光损耗的70倍，而633 nm激光正好是工业激光器常用的指示光（红光），这说明光子暗化除了引起输出功率下降之外，还会导致指示光变弱或者消失，这一点对于工业激光器是非常致命的。
图2. 1070 nm激光与633 nm激光光子暗化损耗对比
光子暗化的发生取决于纤芯的组成材料，可以通过改变纤芯的掺杂组分，例如共掺一定比例的铝、磷或铈等元素，可以显著降低甚至消除光子暗化。对于光纤激光器的设计而言，减小光子暗化对光纤激光器的影响，可以通过抽运方式和降低光纤的掺杂浓度来实现。
受激拉曼散射效应
工业级大功率光纤激光器需要配备较长的能量传输光纤（通常大于10 m），将高功率激光传输至加工工件表面，实现大幅面的激光加工，而高功率激光在光纤内长距离传输，则会引起另一个物理问题——受激拉曼散射效应。
受激拉曼散射效应（Stimulated Raman Scattering，简称SRS效应），是激光在基质传输过程中，光子与介质产生相互作用，激光向长波转换的过程。
按照虚能级理论，SRS过程可以被描述为：激光入射到介质时，介质分子被抽运至虚能级，再向下跃迁至能量较高的振动态，并发射低频激光，这一过程对应激光波长的转换，例如1070 nm激光拉曼转移至1121 nm激光，1080 nm激光拉曼转移至1135 nm激光，如图3所示。
图3. SRS现象虚能级理论
单从输出功率上并不能判定SRS现象是否出现，必须采用光谱仪测试输出激光光谱。SRS现象的表现为在光谱上出现拉曼峰值，如图4所示，随着输出功率升高，信号光会逐渐转换为拉曼光，而最终输出光谱里，信号光的功率仅占85%。
图4. 出现SRS现象后的输出激光光谱
光纤激光器在进行切割、焊接等加工应用时，如果输出光谱包含拉曼光，这些拉曼光会在工件表面反射，转换成反向传输的拉曼光，返回光纤激光器中，导致输出功率下降、甚至损坏激光器件[4]，如图5所示。
图5. 拉曼光对工业激光器的影响
SRS阈值与模场面积成正比，而与光纤激光总长度成反比，因此抑制SRS的常用方法即是采用大纤芯直径的光纤和缩短增益光纤和传能光纤总长度。
横向模式不稳定性
横向模式不稳定性（Transverse Mode Instability，简称TMI）是指激光在达到某一特定阈值后，纤芯中的基模开始与高阶模式发生非线性耦合，输出激光功率在基模与高阶模式之间来回跳变，光束质量急剧退化的现象，其物理过程如图6所示。
图6. 横向模式不稳定
在高功率光纤振荡器和放大器中，信号光基模和高阶模式的模间拍频，将在增益光纤纤芯中，产生纵向的周期性光强分布。随着抽运光注入、信号光被放大后，纤芯掺杂区域会形成周期性的抽运光吸收，其产生的量子亏损会形成周期性震荡的热负载分布，最终形成周期性的温度分布。由于热光效应，周期性的温度分布会调制纤芯的折射率，形成热致长周期折射率光栅。它将引起满足相位匹配条件的信号光基模和高阶模式发生非线性耦合，最终导致基模的功率向高阶模式转移。
TMI将引起激光器焦点光斑快速变化，引起激光加工质量不稳定，因此工业激光器必须抑制TMI。通常在光纤振荡器中，TMI的出现会引起输出功率滞涨，具体表现为，当输出功率达到特定阈值后，输出功率随抽运功率增加而下降，如图7(a)[5]所示。判定TMI是否出现，需要借助高速光电探测器和示波器，用高速探测器记录输出激光的功率曲线，并对其做傅立叶变换，得到输出功率频谱。当频谱中出现了特征频率峰时，说明TMI已经出现，如图7(b)所示。
图7. TMI引起的（a）功率滞涨（b）功率频谱
抑制TMI的常用方法主要包括缩小光纤的弯曲半径[6]和采用双向抽运[7]。缩小光纤的弯曲半径可以增大高阶模式的弯曲损耗，抑制高阶模式产生。采用双向抽运，可以增大光纤的增益饱和效应，减小高阶模式的非线性增益。
光子暗化、SRS和TMI的物理关联
光子暗化、SRS效应和TMI虽然是不同的物理现象，但却具有紧密的内在关联，这是由于三种物理现象都会改变光纤内部的热负载。
如图8所示，光子暗化现象会增大光纤的背景损耗，导致光纤吸收信号光，提升光纤的热负载；SRS效应会使得信号光向拉曼光波段转换，而这一过程会引入额外的量子亏损，引起光纤的热负载增大；热负载增大会进一步强化纤芯中的热致长周期折射率光栅，降低TMI阈值；因此当光纤激光器出现光子暗化和SRS效应时，也可能同时触发TMI。
图8. 光子暗化、SRS和TMI的物理关联
在抑制光子暗化和受激拉曼散射效应后，TMI现象也随之消失，输出激光功率稳定。图9给出了大科激光3 kW单模激光器500小时烤机曲线，可以看出输出功率稳定，未出现光子暗化和TMI现象，其中的功率波动有环境温度变化引起。
图9. 大科激光3 kW 单模振荡器500小时烤机时间曲线
大科激光将光子暗化、SRS效应和TMI的抑制技术进一步拓展，实现了5 kW工业级准单模光纤振荡器，图10给出了5 kW光纤振荡器出光现场图，可以配备20 m传能光纤，输出光谱纯净，无SRS现象。
图10. 大科激光5 kW准单模光纤振荡器
总 结
本文介绍了光子暗化、受激拉曼散射效应和横向横向模式不稳定性的物理图像、诊断方法和抑制手段。而随着光纤激光器的科学研究和工程化应用不断迭代，人们对以上物理问题的认识和理解也将不断深入。这必将为高功率光纤激光器的功率提升奠定更加坚实理论基础。
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参考文献
1. Zervas MN, Codemard CA. High power fiber lasers: a review. J Sel Top Quant Electron 2014, 20(5): 219-241.
2. Zervas MN, Ghiringhelli F, Durkin K, Crowe I. Distribution of Photodarkening-Induced Loss in Yb-Doped Fiber Amplifiers. Library 2011, 7914(May): 5-12.
3. Oy L, Lohja F. Photodarkening in ytterbium-doped silica fibers. 2005.
4. Mashiko Y, Nguyen H, Kashiwagi M, Kitabayashi T, Shima K, Tanaka D. 2 kW single-mode fiber laser with 20-m long delivery fiber and high SRS suppression. Fiber Lasers XIII: Technology, Systems, and Applications; 2016: International Society for Optics and Photonics; 2016. p. 972805.
5. Yang B, Zhang H, Shi C, Wang X, Zhou P, Xu X, Chen J, Liu Z, Lu Q. Mitigating transverse mode instability in all-fiber laser oscillator and scaling power up to 2.5 kW employing bidirectional-pump scheme. Opt Express 2016, 24(24): 27828-27835.
6. Tao R, Su R, Ma P, Wang X, Zhou P. Suppressing mode instabilities by optimizing the fiber coiling methods. Laser Physics Letters, 14(2): 025101.
7. Tao R, Ma P, Wang X, Zhou P, Liu Z. Theoretical study of pump power distribution on modal instabilities in high power fiber amplifiers. Laser Physics Letters 2016, 14(2): 025002.
封面图片来源：www.amada-gmbh.eu/en/laser/fol-aj/fibre-laser.html
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