热透镜效应,作为热效应的一种,在高功率的情况下会改变增益光纤内部折射率的分布,进而影响模式在增益光纤中的传输。对于所有的增益光纤不论是传统的大模场光纤,还是经过特殊设计结构的超大模场光纤,在激光器中都会由于泵浦吸收量子亏损产热,而受到热透镜效应的影响。就目前对热透镜效应的研究现状来看,研究内容主要是围绕由热透镜效应引起的模场收缩而导致的非线性阈值下降等问题开展的。众所周知,由于增益作用和耦合效应,激光器内每个潜在被支持的模式都有可能被传输和放大。而热透镜效应导致的折射率分布变化,不仅会影响横向模场形态进而影响模式间的增益竞争机制,而且会使得光纤内形成不规则的热致折射率分布而引起模式耦合。这必然会对激光器中模式输出特性造成影响,然而相关的研究却基本是空缺的。因此,本文将对热透镜效应对光纤激光器模式输出特性产生的影响进行系统的分析,主要内容如下。一、数值分析了热透镜效应对模场形态的影响。通过推导热传导方程,给出增益光纤纤芯内部的折射率变化分布。在此基础上,分别对直光纤及弯曲光纤中热透镜效应引起的模场收缩进行了数值分析。结果表明,模场收缩在纤芯NA较小或模场直径越大的光纤中更严重。同时我们发现弯曲和热透镜效应均会导致模场的收缩。为此,我们提出了极限弯曲半径这一参量来界定模场收缩的范围,并给出了不同光纤对应的极限弯曲半径以指导实际应用。二、开展了热透镜效应对模式耦合影响的研究。利用局部耦合模理论,推导了热透镜效应诱导的模式耦合系数。通过计算,首次证实了模式耦合确实会被增益光纤中形成的热致不规则波导结构所诱导。分别分析了直光纤和弯曲光纤中模式耦合系数随热负载及光纤参数的变化。结果表明,模式耦合会随着热致折射率升高和模场变形的增大而加剧。在直光纤中,当热负载较小时,模式耦合可以随纤芯的增大而减小,但当热负载足够大时,模式耦合会变得更严重。尽管如此,在弯曲光纤中,无论是增大模场面积,减小NA,还是减小弯曲半径,均会加剧模式耦合,尤其是当纤芯NA非常低时,在相对较低的热负载下就会引起最剧烈的模式耦合。本部分内容和结论为后续研究高功率光纤激光器中的模式耦合现象打下基础。三、对高功率光纤放大器中热透镜效应诱导模式耦合的研究。首次基于速率方程和耦合模方程建立了能够描述这种耦合现象的数值模型。三维模型中同时考虑了热负载的纵向分布和其对横向光场,以及增益的影响。将该模型应用于两种代表性光纤放大器,单频超短腔的掺镱光纤放大器和常规掺镱光纤放大器,研究了两种放大器中的模式传输特性。结果表明,即使在信号光为纯基模输入的情况下,也会有高阶模成分被模式耦合所诱导。热透镜效应诱导的高阶模含量主要由耦合系数的绝对值决定,直到输入的高阶模含量大于某一量级。热透镜效应诱导的模式耦合在前向泵浦时最严重,而在后向泵浦时最弱。在泵浦吸收一定的情况下,相比于高掺杂的短腔结构,常规掺镱光纤放大器中泵浦吸收距离更长,会导致耦合诱导的高阶模含量大大减小。尽管如此,两种情况下诱导的高阶模量级水平均要远远高于激发模式不稳定产生的量子噪声量级大小。四、对热致超大模场光纤的研究。热致超大模场光纤的波导结构不是由初始折射率分布构成的,而是由热透镜效应构成。在该光纤中热透镜效应不再是被抑制而是被应用到导模结构中。我们对热致超大模场光纤的模式和光束质量的演化特性展开了研究。结果表明,光纤中的本征模式随热负载的演化可以归结于三个阶段,分别对应模场被“包层约束”,“准纤芯约束”,和“纤芯约束”的状态。热致超大模场光纤中基模及各高阶模的光束质量随热负载变化并不是单调的,可以通过控制热负载的大小以达到最优化。对热致超大模场光纤的绝热传输条件进行了研究。结果表明,只要泵浦吸收系数足够小,绝热传输的条件就可以满足。根据绝热条件提出了一系列该光纤单模传输的设计原则,对单模热致超大模场光纤放大器的传输特性进行了系统研究。结果表明,种子光对热致超大模场光纤放大器的表现具有非常重要的影响,应该足够大来保证高输出效率。前向泵浦的方式最有利于非线性效应的抑制。相关研究内容对热致超大模场光纤放大器的应用具有指导意义。