专题封面 | 光子灯笼——全光纤空间模式的“魔法师”

通过多模光纤系统实现模式控制和光束整形是一种具有吸引力的方式，特别是在高功率光纤激光领域。大模场增益光纤的应用，一定程度上克服了传统的非线性效应^[1]，但当输出功率达到某一特定值时，受热诱导非线性效应影响，输出光束的能量不断地在高阶模式与基模之间耦合，产生模式不稳定效应^[2]。基于光子灯笼的全光纤结构空间模式自适应控制，是抑制模式不稳定效应、实现高功率稳定可控大模场激光输出的有效途径^[3]。

光子灯笼是一种将单模光纤和多模光纤的优势特点相结合的的新型光子器件，在天文光子学、光纤通信模分复用技术、光纤激光模式控制等领域具有重要应用^[4]。其结构是由多根单模纤芯光波导平缓地过渡到一根多模纤芯光波导，这一过渡一般通过熔融拉锥实现（与传统合束器类似）。当光子灯笼的锥区足够平缓时，光束在经过该区域时就会发生线性的模式演化，如图1所示。区分光子灯笼与传统合束器的结构设计准则、表征光子灯笼中的模式演化过程、研究模式自适应控制机理等物理问题，对基于光子灯笼实现大模场光纤激光模式自适应控制具有重要意义。

 图1 光子灯笼结构与模式演化过程

林肯实验室首次利用3×1光子灯笼，在25 μm芯径多模光纤输出端实现了在稳定单模输出和高功率条件下对横模不稳定效应（TMI）的有效抑制^[3]。为了在更大模场光纤中实现模式自适应控制，国防科技大学光束控制课题组结合其在光纤激光以及光纤工艺等方面多年的研究经验，通过对光子灯笼的结构进行优化设计，制备了性能优良的光子灯笼，在大模场传能和增益光纤（芯径30、42、50 μm）中实现了对基模、高阶模式和涡旋光束等特定模式的稳定输出与放大。

利用光束传播方法，通过模拟由不同规格单模光纤拉制而成的光子灯笼中的模式演化过程，发现单模光纤的纤芯直径与其包层直径之比（定义为单模光纤的“芯包比”），对光子灯笼输出模式特性具有重要影响^[5]。以此结论为依据，在光子灯笼制备中，对其包层进行腐蚀，使其芯包比达到理想值。将处理过的单模光纤束按照优化的几何排布组束后，插入低折玻璃管中进行熔融拉锥，制备出性能优良的光子灯笼^[6]，如图2所示。并利用模式扩展传播法计算出3×1、5×1等光子灯笼的传输矩阵^[7]。 

图2 光学显微图^[6]。（a）3×1光子灯笼锥区末端切割端面；（b）5×1光子灯笼锥区末端切割端面；（c）多模光纤与单模光纤束-玻璃套管锥区末端的熔接点

基于自主制备的3×1光子灯笼，设计研制了自适应控制系统，应用SPGD算法对单模光纤输入端的相位进行主动控制，在控制闭环情况下，实现了基模LP₀₁模和高阶模式LP₁₁模的稳定输出：基模的模式占比在95%以上，光束质量M²因子稳定在1.18以下，如图3（a）所示；LP₁₁模的模式占比为96.33% ，如图3（b）所示^[8]。

图3 3×1光子灯笼自适应控制系统闭环前后。（a）基模输出光束的光斑形态与M²因子的变化情况；（b）LP₁₁模控制效果及其模式分解结果

基于自主研制的5×1光子灯笼模式自适应控制系统，实现了对42 µm芯径掺镱光纤激光放大器的模式控制与模式不稳定效应的有效抑制^[9]，实验系统示意图如图4所示。

图4 基于5×1光子灯笼的模式自适应控制抑制光纤激光放大器TMI的系统示意图

使用传统的种子源确定了该放大器的TMI功率阈值P_thr≈100 W，如图5所示；

图5 传统种子源掺镱光纤放大器输出光束随着功率放大时的时域和频谱变化情况

当使用基于光子灯笼的模式控制系统做种子源时，放大器输出光束的时域和频谱变化情况如图6所示，在控制闭环条件下，即使输出功率高于固有TMI阈值（P_thr），甚至是P_thr的4倍时，输出光斑维持稳定，频域未出现特征峰；且闭环条件下测得输出光束的M²因子维持在1.76以下，TMI抑制效果明显。

在实现对TMI抑制的基础上，试探性地验证光子灯笼模式控制系统在放大器中实现对高阶模进行选择性放大的能力。在输出功率为150 W时（>P_thr），得到了稳定的LP₁₁模、LP₂₁模、LP₀₂模和涡旋光束（OAM模）输出，如图7和图8所示。经模式分解，得到对应目标高阶模的模式占比均超过80%，说明该系统能够较好地实现高阶模的选择性放大^[11]。

图7 利用光子灯笼模式控制种子源放大器实现稳定的高阶模输出

图8 左图为纤芯30 µm光纤低功率涡旋光束；右图为纤芯42 µm光纤高功率高功率涡旋光束

基于光子灯笼的模式自适应控制技术在芯径为42 μm增益光纤放大器中实现了对TMI的有效抑制，为实际应用中对高功率、高亮度、大模场光纤激光研究提供了新的技术途径。该技术实现的对高阶模式和涡旋光束的限制性控制与放大结果，有望在高功率特殊光束需求领域（如激光加工）具有广泛的应用前景。更多通道数与性能优良的光子灯笼设计与制备工艺探索，以及输入端单模光纤偏振、强度等参量主动控制的实现，将在基于光子灯笼的全光纤的光场自适应调控、高阶模式和矢量模式的产生与放大等方面的研究具有重要意义。

国防科技大学高能激光团队光束控制课题组，主要从事高功率激光光束控制、激光大气传输、自适应光学等方面的研究以及相关教学和人才培养工作。在光子灯笼研究方向，承担国家自然科学基金、前沿创新项目等多项研究课题。团队首次证明并实现了基于5路光子灯笼的大模场光纤放大器中横向模式调控和光纤激光器中模式不稳定效应抑制的可行性。积累了大模场光子灯笼制备、多路激光放大与多维调控、高功率窄线宽光纤激光放大技术等一系列关键技术。光场调控和高功率激光放大是近年来激光方向研究的热点，本课题组基于光子灯笼技术将上述两个方向相结合，在核心模式耦合器件制备、多模激光模式分解、激光多维参数控制等方面取得了创新成果，是国际上较早开展光子灯笼高功率光场调控这一前沿交叉科学研究的课题组。

编辑｜李笑玲

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