横向模式不稳定的产生机理图。
产生横向模式不稳定（TMI）效应的条件有两个：一是模间干涉光场（MIP）通过热光效应产生热致折射率光栅（RIG）；二是两者之间存在相移。
论文概述
德国耶拿大学Jens Limpert教授团队自2010年在高功率棒状激光器中首次发现横向模式不稳定（Transverse mode instability, TMI）现象以来，对TMI效应的产生机理和抑制方法进行了深入研究，取得了一系列突破性进展。该团队成员Cesar Jauregui等人于2020年4月在 Advances in Optics and Photonics期刊上发表了题为“Transverse mode instability”的综述论文，回顾了过去十年对于高功率光纤激光系统中TMI效应的研究，详细描述了TMI效应的实验现象、物理机制以及抑制方案。
研究背景
光纤激光具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑等突出优势。随着半导体激光器的发展和双包层光纤的应用，光纤激光的功率得到大幅提升，被认为是实现大功率近衍射极限光束的理想光源，在诸多领域发挥越来越重要的作用。然而，近年来科研人员发现，当光纤激光的功率达到一定水平时会出现TMI效应，光纤内模间干涉光场与其通过热光效应产生的热致折射率光栅之间发生相移，使得能量在基模和高阶模之间快速耦合，导致光束质量退化。TMI效应是否代表着光纤激光系统的功率极限，这个问题引起了科研人员的强烈关注。
技术突破
本综述总结了过去十年关于横向模式不稳定效应的重要研究成果，首先对TMI效应的实验现象及其时序动力学特性进行了系统的阐述，指出TMI效应是具有明显阈值特征的热致非线性效应，有稳定、过渡、混沌三种状态，会导致光纤中两个或多个横模之间在毫秒时间尺度上的能量耦合；之后对TMI效应的物理过程进行了理论描述，指出横模间的干涉光场通过热光效应产生热致折射率光栅，两者发生相移，使得能量在基模和高阶模之间快速耦合，相移的符号决定了能量耦合的方向；对TMI阈值的影响因素进行了分析，详细说明了TMI效应和光子暗化效应之间的相互作用；最后讨论了目前抑制TMI效应的被动的和主动的方法，主要是通过削弱热致折射率光栅或者控制模间干涉光场和热致折射率光栅之间的相移来控制能量转移。
图1 随着平均功率的提升激光光束稳定性的演化。图中给出了光电探测器测量轨迹的标准差的变化趋势（下图），激光系统的三种运行状态（稳定-过渡-混沌）对应的光电探测器轨迹（上图）。
观点评述
横向模式不稳定效应是光纤中热致非线性效应的典型代表，自2010年首次发现以来，迅速成为高功率光纤激光平均功率提升最主要的限制因素之一，引起了科研人员的极大兴趣。本文作为横向模式不稳定效应的首篇综述，对实验现象、物理机制、抑制方案等方面的研究成果进行了系统详细的梳理和总结。虽然目前横向模式不稳定效应仍然限制着光纤激光系统平均功率的提升，但是随着对横向模式不稳定效应的研究的不断深入，认识也更加深刻，相信在不远的将来近衍射极限光纤激光系统的平均功率能够更上一个台阶。