我們?cè)诔旃饫w激光技術(shù)之四中已經(jīng)知道，TMI導(dǎo)致光束波動(dòng)需要滿足兩個(gè)條件： （1）出現(xiàn)瞬態(tài)折射率光柵（RIG）和 （2） 模間干涉圖樣MIP與RIG之間存在相移。因此，可以通過削弱RIG或者控制MIP-RIG相移以提高TMI閾值，具體的實(shí)施方式分為被動(dòng)和主動(dòng)兩種。在被動(dòng)方法中，控制單橫模傳輸是比較直接的提高TMI閾值的途徑。

高功率光纖激光系統(tǒng)中光纖的纖芯尺寸一般較大，也更容易產(chǎn)生高階模，因而想要獲得單橫模傳輸就需要進(jìn)行特殊的光纖設(shè)計(jì)。現(xiàn)有的設(shè)計(jì)策略分為兩類：一類是增大高階模的損耗，另一類是將高階模選擇性地從纖芯摻雜區(qū)移除，包括將高階模耦合進(jìn)入臨近纖芯和高階模離域兩種。圖1所示的高階模離域技術(shù)已被廣泛證明可以提高TMI閾值2-3倍，這種策略不僅使得高階模增益遠(yuǎn)小于基模，也使得高階模不易被高斯光束激發(fā)。選擇性增益是另一種與高階模離域有相似效果的方法，可通過減小摻雜區(qū)實(shí)際尺寸來實(shí)現(xiàn)，但相應(yīng)的光纖使用長(zhǎng)度也將增加。

圖1． 通過包層結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高階模離域的效果（下半部分）［1］

此外，對(duì)纖芯結(jié)構(gòu)或組分的優(yōu)化也是有效提高TMI閾值的手段。纖芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以通過多芯光纖的方法實(shí)現(xiàn)，只要在設(shè)計(jì)上控制纖芯相互之間光熱的隔離，就可以大幅提高單根光纖輸出功率并規(guī)避TMI效應(yīng)。如圖2所示，（a）為四芯光纖的橫截面剖面實(shí)物圖，纖芯之間相互保持一定距離，（b）為單一纖芯輸出的平均TMI閾值和四個(gè)纖芯合束后對(duì)應(yīng)的總體TMI閾值。

圖2． （a）多芯光纖橫截面示意圖，（b）單一纖芯（藍(lán)色）與四個(gè)纖芯（紅色）分別對(duì)應(yīng)的TMI閾值 ［1］

除優(yōu)化纖芯結(jié)構(gòu)外還可通過改善纖芯組分來增加TMI閾值，比如在傳統(tǒng)的以二氧化硅中為基質(zhì)的光纖中摻入磷等其他元素以降低光子暗化（PD）。甚至使用熱導(dǎo)率高8倍、熱光系數(shù)少20%的釔鋁石榴石（YAG）晶體作為光纖基質(zhì)材料。泵浦波長(zhǎng)和泵浦方案對(duì)光纖激光器性能有決定性影響，同時(shí)也會(huì)決定系統(tǒng)的熱負(fù)荷情況，這將直接影響TMI閾值。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)TMI閾值隨泵浦波長(zhǎng)的改變主要是受到有效光纖長(zhǎng)度的影響，這說明調(diào)節(jié)光纖長(zhǎng)度是一種調(diào)節(jié)TMI閾值的方法。還有另一種利用同帶泵浦減少量子損耗（QD）來提高TMI閾值的方法，但吸收截面較低導(dǎo)致使用的光纖很長(zhǎng)，不適用于受非線性制約的系統(tǒng)。

TMI現(xiàn)象也可利用主動(dòng)方法加以控制。相比于被動(dòng)方法，主動(dòng)方法在系統(tǒng)復(fù)雜度上雖然更高，但調(diào)制能力也更強(qiáng)，并且大多可與被動(dòng)方法兼容，具有很高的可行性。主動(dòng)方法主要有聲光偏轉(zhuǎn)器動(dòng)態(tài)模式激發(fā)法、光子燈籠動(dòng)態(tài)模式激發(fā)法、泵浦調(diào)制法、Burst模式相移操控法。

基于聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）動(dòng)態(tài)模式激發(fā)的思路是監(jiān)測(cè)輸出光束的波動(dòng)，然后反饋控制AOD來改變信號(hào)模式的激發(fā)位置以實(shí)現(xiàn)TMI閾值之上的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)裝置如圖3所示?；驹硎茿OD在控制單元的作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光束的角度偏轉(zhuǎn)，經(jīng)過耦合透鏡后即可實(shí)現(xiàn)在纖芯不同位置處的模式激發(fā)。

不同的纖芯激發(fā)位置可以在光纖中產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相同但相位不同的MIP，也即產(chǎn)生相位不同的RIG。通過控制AOD使得激發(fā)位置在光纖軸心上下位置的周期性變化會(huì)讓產(chǎn)生的RIG有π相位的突變。如果調(diào)制的頻率合適，即RIG開始改變但還沒有足夠的時(shí)間來完全適應(yīng)新的MIP，這時(shí)RIG將沿著徑向均勻地對(duì)稱分布，呈現(xiàn)出RIG橫向被清除的結(jié)果。這樣一來將大大降低基模與高階模之間的耦合，大幅提高TMI閾值并獲得穩(wěn)定的光束輸出。

圖3． 基于AOD的動(dòng)態(tài)模式激發(fā)方法的實(shí)驗(yàn)裝置圖 ［1］

作為上述方法的改進(jìn)，利用光子燈籠來代替聲光偏轉(zhuǎn)器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)激發(fā)模式更多自由度的操控。光子燈籠一般有三個(gè)輸入端，可以通過調(diào)制器單獨(dú)控制不同輸入端傳播光束的振幅、相位和偏振參數(shù)，因而可以靈活控制注入放大器中的傳播光束以實(shí)現(xiàn)更高的TMI閾值。

AOD動(dòng)態(tài)模式激發(fā)法和光子燈籠動(dòng)態(tài)模式激發(fā)法雖然效果顯著，但反饋控制回路的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。作為補(bǔ)充，泵浦調(diào)制法不需要反饋控制回路，只需對(duì)泵浦激光輸出進(jìn)行調(diào)制即可實(shí)現(xiàn)提高TMI閾值的目的，系統(tǒng)裝置如圖4所示。這種方法相對(duì)簡(jiǎn)單且容易與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容。泵浦調(diào)制法的原理與AOD動(dòng)態(tài)模式激發(fā)法類似，目的也是對(duì)RIG的清除，不過這種情況下的清除發(fā)生在縱向上。

泵浦功率的增加或減少會(huì)使得增益光纖的熱負(fù)荷升高或降低，熱負(fù)荷的變化會(huì)導(dǎo)致光纖橫向折射率的變化，這種變化會(huì)使得光纖內(nèi)傳播的不同模式間的傳播常數(shù)差異更大，并最終導(dǎo)致MIP在縱向壓縮或拉伸。因此，如果對(duì)泵浦功率進(jìn)行頻率和振幅的調(diào)制，將會(huì)使MIP產(chǎn)生類似于 “手風(fēng)琴運(yùn)動(dòng)”的拉伸和壓縮，對(duì)應(yīng)的RIG也將隨之變化。

當(dāng)調(diào)制頻率合適時(shí)，RIG有足夠的時(shí)間開始適應(yīng)MIP的運(yùn)動(dòng)但不能完全跟隨，處于一個(gè)恒定的過渡狀態(tài)（不斷移動(dòng)，但從未達(dá)到其穩(wěn)定狀態(tài)的最大或最小值），表現(xiàn)出RIG橫向的削弱和清除。最佳調(diào)制頻率取決于整個(gè)系統(tǒng)，一般在百赫茲區(qū)間。這種方法雖然結(jié)果簡(jiǎn)單，但泵浦功率的調(diào)制會(huì)使輸出功率也出現(xiàn)調(diào)制，理論指出采用參數(shù)合適的雙向泵浦方案可以保持輸出功率穩(wěn)定。

圖4． 基于泵浦調(diào)制方法的實(shí)驗(yàn)裝置圖 ［1］

除此之外，操控MIP與RIG之間相移以控制模式間能量流動(dòng)方向也是一種提高TMI閾值的方法，其中一種便是利用Burst模式的種子脈沖序列來實(shí)現(xiàn)正相移。Burst模式相移操控法的原理是在Burst脈沖入射過程中，溫度的逐步升高會(huì)使得MIP被壓縮并導(dǎo)致正的相移，隨之產(chǎn)生高階模到基模的能量轉(zhuǎn)移，這種能量轉(zhuǎn)移會(huì)讓系統(tǒng)即使在TMI閾值以上也能實(shí)現(xiàn)近基模運(yùn)轉(zhuǎn)。這種方法的顯著缺點(diǎn)是Burst脈沖序列的參數(shù)不能靈活調(diào)節(jié)，只有特定包絡(luò)形狀的序列才能最好地緩解TMI現(xiàn)象，因而對(duì)于某些應(yīng)用可能不適用。

上述介紹的用于提高TMI閾值方法的大致思路都是通過外部手段達(dá)到弱化RIG的目的。被動(dòng)方法的側(cè)重點(diǎn)在于改變系統(tǒng)的參數(shù)或配置，包括優(yōu)化設(shè)計(jì)光纖參數(shù)、調(diào)整泵浦或信號(hào)波長(zhǎng)、改變?cè)鲆骘柡退降?。主?dòng)方法的側(cè)重點(diǎn)在于對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制，包括對(duì)信號(hào)耦合條件及泵浦功率等的動(dòng)態(tài)調(diào)控。當(dāng)然，技術(shù)發(fā)展過程中也出現(xiàn)了通過操控MIP和RIG間相移來調(diào)控能量流動(dòng)方向的優(yōu)化策略?？偠灾?，TMI閾值優(yōu)化策略的發(fā)展與TMI背后物理機(jī)制的深入理解密切相關(guān)，技術(shù)的進(jìn)步也將進(jìn)一步推動(dòng)高功率光纖激光器輸出性能的提升。