Physical origin of mode instabilities in high-power fiber laser systems

Abstract

Mode instabilities, i.e. the rapid fluctuations of the output beam of an optical fiber that occur after a certain output power threshold is reached, have quickly become one of the most limiting effects for the further power scaling of fiber laser systems. Even though much work has been done over the last year, the exact origin of the temporal dynamics of this phenomenon is not fully understood yet. In this paper we show that the origin of mode instabilities can be explained by taking into account the interplay between the temporal evolution of the three-dimensional temperature profile inside of the active fiber and the related waveguide changes that it produces via the thermo-optical effect. In particular it is proposed that non-adiabatic waveguide changes play an important role in allowing energy transfer from the fundamental mode into the higher order mode. As it is discussed in the paper, this description of mode instabilities can explain many of the experimental observations reported to date.

Current Status and Prospects of High-Power Fiber Laser Technology (Invited Paper)

“…특히 비선형 현상은 본질적으로 광섬유의 출력이 증가함에 따라 더욱 심 각한 결과를 초래하게 된다는 점에서 현재까지도 이를 억제 하기 위한 다양한 방안들이 모색되고 있는 실정이다. 최근에 는 비선형 현상과 더불어 모드 불안정 현상 또한 광섬유 레 이저의 출력을 제한하는 요소가 될 수 있다고 보고되고 있는 데 [11,[40][41][42][43][44][45][46][47][48] , 이는 광신호의 평균 출력에 따라 출력 빔 모드 특 성이 심각하게 왜곡되는 현상으로, 특히 광섬유의 코어가 크 고 그 유효 개구수(Numerical Apeture)가 낮으며 상대적으로 펌프광 흡수율이 높은 막대형 이득 광섬유(Rod-Type Gain Fiber)에서 더욱 현저히 발생한다 [41][42][43][44][45][46][47] . [49][50][51][52][53][54][55][56][57] .…”

“…모드 불안정 현상은 2011년 처음으로 보고된, 새로운 유형 의 광섬유 레이저 출력 제한 현상으로서, 신호광의 평균 출 력이 특정 임계값 이상으로 높아지면 레이저 빔의 공간 모드 안정성이 극도로 감소하는 현상을 말한다 [11,[40][41][42][43][44][45][46][47][48] . 결과적으로 출력 빔의 모양이 일그러지고 불규칙적으로 변해, 빔 품질이 크게 저하된다.…”

“…결과적으로 출력 빔의 모양이 일그러지고 불규칙적으로 변해, 빔 품질이 크게 저하된다. 특히 광섬유의 코어가 크고 그 유효 개구수 가 낮으며 상대적으로 펌프광 흡수율이 높은 막대형 이득 광 섬유(Rod-Type Gain Fiber)에서 주로 발생하는 것으로 알려 져 있다 [41][42][43][44][45][46][47] . 최근 활발한 연구를 통해 이러한 모드 불안정 현상을 설명하고자 하는 여러 배경 이론들이 논의되고 있는 데, 기본 모드와 고차 모드간의 간섭 패턴이 열에 의한 격자 구조를 생성하고, 이를 통해 기본 모드와 고차 모드간의 에 너지 전환이 야기되는 것을 그 기저 현상으로 보는 입장도 그 중의 하나이다 [40,41] .…”

Towards a Compact Thin-Disk-Based Femtosecond XUV Source

“…Chirped pulse compression can be considered as a way to increase this limit, but strong chirping of the input pulses to several picoseconds is rather undesirable because of the constraints on the compressor optics. The best solution lies in implementing spectral broadening in hollow-core PCF filled with a noble gas at high pressure [155]. Of particular interest are, kagomé PCF with pressure-tunable dispersion, tolerating high guided intensities over 10 14 W/cm 2 .…”

“…A detailed analysis with simulations for input energies >10 µJ can be found in review paper [157]. The handling of high average powers in fibres may also be a limiting factor analogous to the thermal instabilities observed in CPA fibre lasers [155].…”