近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率光纖激光技術實驗室在高功率橫向模式可控激光器研究方面取得進展。研究團隊通過基于隨機并行梯度下降算法（SPGD）的主動模式控制的方式，成功實現了1.4 kW量級的LP01和LP11主動模式控制與選擇的光纖激光器系統，，相關研究成果發表于近期《光波技術雜志》（IEEE Journal of Lightwave Technology）。
基于大模場摻鐿光纖（LMA-YDF）的高功率光纖激光器具有很好的功率轉換效率和功率穩定性，在許多領域具有重要的研究和應用價值。但是，由于大模場光纖的V值大于2.4，多種橫向模式會在光纖中并存。更為嚴重的是，由于高功率和強泵浦引起的熱效應會引起大模場光纖中的橫向模式不穩定（TMI）現象，阻礙激光器功率的進一步提升。如果能通過控制的方式實現大模場光纖中的各種橫向模式單獨激發，不僅能對模式不穩定效應進行抑制，而且可以讓一臺激光器受控輸出不同的單橫模或橫模組合形式，從而滿足于特殊應用場景。
在本項工作中，研究人員首先對主放大器的增益光纖進行盤繞限模優化，增加除LP01和LP11以外的高階模的損耗，實現1.4 kW窄線寬少模激光輸出。然后，以高功率光纖激光器輸出的LP01和LP11模式的強度分布特征為基礎，通過探測光斑的中心光強變化作為系統的評價函數，以區分不同的模式。利用高速可編程門陣列（FPGA）來實現SPGA算法，產生4路反饋控制電壓信號，并將其加載到模式控制器之上。模式控制器中的壓電陶瓷（PZT）對預放光纖產生擠壓和應力，改變光纖中各種橫向模式的配比。當這些模式注入到主放大器，利用放大器的模式競爭特性，實現不同橫模模式的受控功率放大。當SPGD算法收斂到最大值時，激光器輸出LP01模式激光；當SPGD算法收斂到最小值時，激光器輸出LP11模式激光。通過對紅外相機采集到的光強分布進行模式解構處理，得出兩種情況下產生的LP01模式的光光效率為84.1%，LP11模式的光光效率為85.8%以上，兩種模式切換的轉換效率大于99.5%。本實驗產生的1.4 kW的橫模可控光纖激光，在光鑷技術、原子捕獲、激光微加工等領域有重要的應用價值。此外，寬帶寬的主動模式控制系統也對以后開展光纖激光器模式不穩定的研究提供了有利條件。
圖1 模式可控的光纖激光系統裝置圖
圖2 (a)、(c) SPGD算法最小值和最大值收斂后的紅外相機光場分布；(b)、(d) 模式重構出的光場分布；(e) 各種本征模式占比
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