光纤激光器的平均功率受制于TMI（transverse mode instability）现象：当平均功率超过某个阈值时，热效应将导致高阶模式与基模产生耦合，严重影响激光的质量和稳定性。NKT公司通过对棒状光纤的结构进行改进，通过增大高阶模式的损耗的方式提升了TMI阈值。

图1 实验装置［1］

　　图1为实验装置示意图，由前端、主放大、压缩和测量四部分组成。前端部分的种子源产生中心波长为1029 nm、脉宽170 fs、重复频率40 MHz、带宽6．8 nm的脉冲，经展宽、选单和放大后，平均功率变为500 mW，脉宽为1．5 ns，重复频率为750 kHz。其中的第三级放大（Amp3）采用NKT生产的14／135双包层光纤。

　　在主放大部分，第四级和第五级放大均采用芯径为85 μm的棒状光纤，其中第四级输出功率为25 W。第五级放大所用的掺镱光纤经过了特殊设计来抑制高阶模式，放大后脉冲的平均功率高达248 W，脉冲能量为333 μJ。压缩部分由四块光栅组成，压缩效率为80 ％，最终可以得到平均功率175 W、脉冲宽度357 fs、脉冲能量233 μJ的脉冲，M2为1．2。

图2 输出光束的功率及模场直径 ［1］

　　图2（a）展示了压缩前和压缩后的功率，以及第五级输出的模场直径与泵浦功率的关系。压缩前斜效率为0．68，压缩后为0．52，在热透镜效应的影响下，模场直径由60 μm下降为50 μm。由于TMI效应与光子暗化密切相关［2］，而光子暗化的影响体现在长期实验中，因此NKT对整套系统进行了长达4000小时的测试，如图2（b）所示。

　　在光子暗化的影响下，输出功率逐渐下降，其中前30小时下降了4 W，而4000小时内共下降10 W；纤芯的发热逐渐增强，热透镜效应与光子暗化对折射率的改变共同导致模场直径减小了2 μm，模场直径的变化在最后1000小时达到饱和。

图3 输出激光的光斑、光谱及自相关曲线［1］

　　图3展示了0小时、2075小时和4150小时的时候压缩前光斑、压缩后的光谱和自相关曲线，并使用双曲正割对自相关进行拟合。脉冲的光谱基本保持稳定，平均带宽为5．5 nm，对应的变换极限脉宽为330 fs。光谱在长波段受光栅大小的限制而截断，在中心则存在一些波动，这是非线性相移造成的，在时域上表现为未能压缩的小旁瓣。

　　脉冲宽度受实验环境变化（如温度波动等）影响较大，但在大部分时间内均小于400 fs，平均值是357 fs，形状与双曲正割拟合较为匹配。在压缩之前，M2为1．04×1．04，压缩后则为1．21×1．17。

　　目前，研究TMI现象的主要方式为使用小孔滤出输出光的一小部分，然后使用PD探头测量其功率并多次计算标准差，根据标准差的分布和变化情况确定TMI的强弱［3］。这篇文章的作者发明了一种叫做空间和时间分辨成像的技术［4］对压缩前光束进行分析，使用的装置更加复杂，但获得的信息也更多。该技术使用高速相机探测整体光场的强度，傅里叶变换后（如式（1）所示）再在空间上积分，得到功率的频谱，如式（2）所示。

图4 输出激光功率谱及高频成分的形态［1］

　　当TMI现象出现时，功率频谱的50 Hz到1 kHz范围内将出现多个峰值，图4（a）就展示了4000小时内压缩前功率在频域的变化，从图中可以看出频谱上存在一系列尖峰，其中的两次跳变是由更换采样时间所致。图4（b）为高于50Hz的频谱成分相对直流分量的比例，该值基本低于30dBc且较为稳定，说明TMI现象并不严重，且不受光子暗化程度的影响，因此NKT针对棒的改进成功的提升了TMI阈值。图4（c）为一些尖峰处的光强及其相位的分布情况。

　　总之，NKT公司在单根纤芯的棒状光纤CPA系统中获得了中心波长1030 nm、脉宽357 fs、重复频率750 kHz、平均功率175 W、脉冲能量233 μJ、M2为1．2的较为稳定的激光输出。在4000小时的长期运行中出现的光子暗化效应不会导致TMI现象的加强，证明大模场直径棒状光纤是产生衍射极限的兆赫兹、毫焦飞秒激光的理想增益介质，更好的热量管理和更大的芯径为平均功率的进一步提升提供了可能。