什么是混叠模态（Mode Mixing）？

激光器中的混叠模态

激光器中的混叠模态是指一种现象，即激光器的输出没有一个明确的空间模式，而是表现为不同空间模式的混叠。它导致激光器的性能下降并造成潜在的破坏性影响。因此，为了优化激光器的性能和确保安全运行，防止混叠模态是至关重要的。

在激光器中，光通常被限制在一个单一的横向模式中，即光波在垂直于传播方向的单一平面中振荡。这对于实现高水平的相干性和强度非常重要，这使得激光在各种应用中非常有用。在某些情况下，激光可以经历混叠模态，即不同的横向模式被激发并相互干扰。图1描述了激光器中的不同横向模式。

图1：激光器中的横向模式

混叠模态的主要原因是应力引起的双折射。由于机械应力的作用，激光腔内材料的折射率发生了变化。应力是在制造过程或外部过程中引入激光器的，如热膨胀或振动。因此，激光器腔体可以支持多种横向模式，从而导致混叠模态。

由于这种影响，对激光器的性能产生了一些负面影响。其中一个最重要的问题是功率输出的减少。集中在单个横向模式中的能量被分散到多个模式中。这也导致输出光束不太稳定，强度和方向都有波动。另外，混叠模态增加了噪音水平，降低了相干性，从而降低了激光器的输出质量。

有一些解决方案可以减少这些问题。一种方法是使用模式滤波器，它可以选择性地阻止激光腔内的某些横向模式，只允许所需模式传播。另一种方法是使用主动控制系统，如自适应光学或反馈控制，以补偿模式混合并保持所需的输出。另外，精心设计和选择材料可以帮助最大限度地减少应力引起的双折射，降低混叠模态的概率。

光纤中的混叠模态

光纤中的混叠模态是一种现象，当不同的光模式在光纤中传播时，它们会发生耦合并相互干扰。这可能导致通过光纤传输的光信号的质量下降。

图2：光纤中混叠模态的图示

在保持偏振的光纤（PMF）中，由于光纤结构的不完善或扰动，光纤中不同模式的偏振状态被混叠。偏振一致性的损失，指的是多个波的偏振相互同步的程度，是由光纤中的这种现象造成的，导致性能下降。它在光纤陀螺仪和电信等应用中会产生问题。光纤中的模式混合如图2所示。

保持偏振的光纤被设计用来保持通过它们的光的偏振状态。它们通过在光纤中引入双折射来实现这一目的，这就产生了两个正交的偏振模式，可以有选择地激发并在光纤中传播。但光纤结构中的不完善或扰动会导致这些模式的混叠，从而导致偏振一致性的降低。

应力引起的双折射是光纤中混叠模态的常见原因之一，它可以在制造过程中被引入光纤或由于外部应力。应力是通过加热和拉伸纤维，对纤维施加压力，或在拉丝过程中把应力棒插入纤维而产生的。如果应力不均匀或纤维中存在缺陷，这种应力会导致纤维中的两种混叠模态。

纤维弯曲是模式混合的另一个原因。当PMF被弯曲时，双折射结构被扭曲，导致两种模式混合。这种影响在弯曲较紧或弯曲半径较小的光纤中更为明显。为了最大限度地减少由于光纤弯曲造成的混叠模态，并避免光纤过度弯曲或扭曲，要使用具有高度双折射的光纤。

其他可能导致PMF中混叠模态的因素包括温度变化、机械应变和光纤缺陷，如微弯或扭曲。仔细处理和安装光纤也有助于最大限度地减少外部应力，防止可能导致混叠模态的光纤缺陷。