横模不稳定性,是单模光纤功率的天花板

在保持衍射极限光束的同时提升光纤激光功率,会撞上一个具体的限制。低于某个阈值功率时,输出稳定且是单模的;超过它之后,能量开始在基模与高阶模之间耦合,光束在毫秒时间尺度上发生波动。

对切割或焊接工艺而言,这意味着工件处的光斑尺寸与形状不可预测地变化——这比单纯拥有一个更大的光斑更糟。

机理

该效应由热驱动。基模与某个高阶模之间的干涉,沿光纤形成周期性的强度分布。强度高处,吸收使玻璃升温略多,而折射率随温度变化。

这在光纤中写入了一个热致折射率光栅,该光栅继而在两个模式之间耦合光能。超过阈值后,这种耦合变成自维持的,光束随之失稳。

由于机理取决于热负荷,阈值随「单位长度耗散功率」而变,而不仅仅随输出功率而变。

什么能提高阈值

在保持单模行为的前提下扩大模场面积。 把同样功率摊到更大纤芯上以降低强度与发热。光子晶体光纤、手性耦合纤芯设计与大节距光纤,走的都是这条路。