Vysokovýkonné vláknové lasery slúžia ako dôležité nástroje vo vedeckých, priemyselných a obranných aplikáciách. Hlavnou prekážkou ďalšieho zvyšovania výkonu jedno-frekvenčných vláknových laserových zosilňovačov je stimulovaný Brillouin rozptyl (SBS). Keď optický výkon prekročí prah SBS, dopredné-vysielané signálne svetlo vybudí intenzívne spätné Stokesovo svetlo. To nielenže vyčerpáva energiu čerpadla a znižuje výstupnú účinnosť, ale môže tiež poškodiť predné-presné komponenty. Zväčšenie priemeru jadra vlákna a rozšírenie spektra signálu môže zvýšiť prah SBS, čím sa potláča efekty SBS v jednofrekvenčných vláknových zosilňovačoch. Súčasné snahy o zmiernenie SBS sa vo veľkej miere obmedzujú na jednorežimové alebo niekoľkorežimové vláknové zosilňovače s vysokou kvalitou lúča, čo sťažuje súčasné dosiahnutie vysokého výkonu, úzkej šírky vedenia a vysokokvalitného výstupu lúča.{12} Tento článok skúma multimódový vláknový (MMF) zosilňovač, kde je SBS výrazne potlačená v dôsledku zníženej optickej intenzity vo veľkom jadre a rozšírenia Brillouinovho rozptylového spektra spôsobeného multimódovou excitáciou. Aplikovaním priestorového tvarovania čela vlny na vstupné svetlo nelineárneho zosilňovača sa výstupný lúč zaostrí na difrakčne -obmedzené miesto, čím sa dosiahne vysoký výkon (503 W), úzka šírka čiary (1 kHz) a-kvalitný výstup lúča .
Obrázok 1 Schéma experimentálnej optickej zostavy
Obrázok 1 ukazuje optické nastavenie tejto štúdie. Zárodočné svetlo s vlnovou dĺžkou 1064 nm prechádza pred-zosilnením a expanziou lúča vo vlákne s jedným-režimom predtým, ako je jeho vlnová fáza modulovaná modulátorom priestorového svetla (SLM). Modulované signálne svetlo je najprv pripojené k pasívnemu multimódovému vláknu, kombinovanému so svetlom pumpy a potom zosilnené v multimódovom zosilňovacom vlákne dopovanom Yb{6}}, ktoré podporuje 76 režimov. Po zosilnení signálne svetlo vstupuje do meracej dráhy na vyhodnotenie parametrov vrátane výkonu, spektra, šírky čiary, ohniska a fázy. Táto štúdia skúma charakteristiky SBS v multimódových vláknach. Výsledky naznačujú, že prahová hodnota SBS (maximálny výkon bez generovania SBS) v MMF je výrazne vyššia ako pri vlákne s jedným režimom. Výsledky simulácie ukazujú, že pre použitý MMF (priemer jadra 42 μm) je prah SBS približne 24 W, keď je excitovaný iba základný režim, čo je 8-krát viac ako v prípade jednovidového vlákna s priemerom 15 μm. Kvôli nevyhnutnému spojeniu režimu vo vlákne nemôže MMF dosiahnuť excitáciu čistého základného režimu. Merania naznačujú prah SBS 59 W pri budení v niekoľkých režimoch a 97 W pri budení vo viacerých režimoch v MMF, ako je znázornené na obrázku 2(A).
Obrázok 2 (A) Prahové hodnoty SBS v jedno-režime a multimódových vláknach; (B) SBS ziskové spektrá pre základné a multimódové budenie v MMF
Tento článok stanovuje semi{0}}analytickú teóriu pre SBS v zosilňovačoch MMF, pričom analyzuje spojenie medzi signálnymi svetlami rôznych režimov a Stokesovým svetlom, aby sa odvodili zodpovedajúce koeficienty zosilnenia SBS. Táto teória naznačuje, že koeficient zosilnenia SBS v podmienkach multimódového budenia v rámci MMF je nižší ako v ktoromkoľvek scenári budenia s jedným-režimom. Multimódová excitácia v MMF výrazne rozširuje spektrum zisku SBS, znižuje vrchol zisku a dosahuje zvýšenie prahu SBS, ako je znázornené na obrázku 2 (B). Kvôli povahe spätného šírenia Stokesovho svetla vedú dlhšie dĺžky MMF k väčšiemu zisku SBS a zodpovedajúco nižšiemu prahu. Experimenty ukazujú, že svetlo pumpy sa vyčerpá približne do 6 m. Skrátením dĺžky vlákna a meraním prahu SBS výsledky naznačujú, že prah SBS je nepriamo úmerný efektívnej dĺžke FPT. Pri dĺžke MMF 3,7 m dosahuje zosilňovač maximálny prah SBS (tj špičkový výstupný výkon) 503 W, čo je päťnásobok prahu SBS (teoretický výsledok výpočtu) pre samotné budenie v základnom režime.
Obrázok 3 Vzťah medzi efektívnou dĺžkou MMF a prahom SBS; vložka: výstupná intenzita ohniska verzus fáza
Na riadenie výstupu MMF táto štúdia modulovala fázu čela vlny pomocou modulátora priestorového svetla (SLM) predtým, ako signálne svetlo vstúpilo do MMF. Rozsah modulácie pokrýval celú vstupnú apertúru MMF. V rámci tohto modulačného rozsahu boli pixely rozdelené na 256 makropixelov. Počnúc od centrálneho pixelu bola fáza každého pixelu skenovaná v špirálovom vzore, aby sa dosiahol optimálny výstup v ohniskovej rovine. Vplyvom riadenia fázy čela vlny dochádza k interferencii medzi rôznymi režimami v rámci MMF, čím sa vytvára vysokokvalitný bod na výstupnej ohniskovej rovine. Intenzita bodu a distribúcia fáz sú zobrazené vo vložke vpravo hore na obrázku 3, čo odhaľuje rovnomernú intenzitu a distribúciu fáz, čo naznačuje vynikajúcu kvalitu bodu v ohniskovej rovine. Obrázok 4: Škvrny v ohniskovej rovine MMF (A) a v mierne rozostrených pozíciách (B, C); meraná kvalita výstupného lúča (M2) (D)
Obrázok 4 zobrazuje profily lúčov v ohniskovej rovine a pri miernom rozostrení (200, 400 μm). Merania ukazujú ohniskovú účinnosť 76 % v ohniskovej rovine, čo znamená, že 76 % energie lúča sa nachádza v ohniskovej oblasti. Namerané hodnoty M2 v smere x a y sú 1,05 a 1,35, čo naznačuje dobrú kvalitu lúča. Výsledky ukazujú, že fázová modulácia založená na SLM účinne zlepšuje kvalitu bodu v ohniskovej rovine výstupu MMF.
Obrázok 5: Účinnosť sklonu (A), výstupné spektrum (B) a šírka linky (C) zosilňovača MMF [1]
Merala sa aj výstupná účinnosť zosilňovača, spektrum a šírka linky. Zosilňovač MMF dosiahol účinnosť strmosti 82 %, ako je znázornené na obrázku 5 (A), v súlade s teoretickými predpoveďami. Výstupné spektrum (obrázok 5B) ukazuje vrchol signálu pri 1064 nm s relatívnou intenzitou ASE 52 dB, zatiaľ čo vrchol na ľavej - strane predstavuje slabý zvyškový signál pumpy. Kvôli extrémne úzkej výstupnej šírke čiary mali konvenčné spektrometre problémy s jej meraním. Preto sa na určenie vstupnej a výstupnej šírky čiar použili heterodynové metódy. Zosilňovač MMF skonštruovaný v tejto práci vykazuje výstupnú šírku vedenia 35 kHz (20-dB) / 1 kHz (3-dB, tj plná šírka pri polovičnom maxime), pričom nevykazuje žiadny významný rozdiel od vstupnej šírky vedenia. Jeho vynikajúca časová koherencia spĺňa požiadavky na presné interferometrické merania. Tento článok systematicky rozpracúva teóriu multimódového vlákna SBS s ohľadom na vyčerpanie pumpy a saturáciu. Navrhuje integráciu multimódového vláknového zosilnenia s vlnovou fázovou moduláciou, aby sa súčasne dosiahlo potlačenie SBS a optimalizácia výstupného bodu. Skonštruovaný MMF zosilňovač pracuje pri vysokom výkone, vysokej účinnosti a úzkej šírke linky, čo zaisťuje vysokú koherenciu. Táto technológia má potenciálne aplikácie v kombinovaní koherentných lúčov, rozsiahlej interferometrii a systémoch s usmernenou energiou.
Referencie: [1] Stefan Rothe et al., Wavefront shaping umožňuje vysokovýkonný-multimodový vláknový zosilňovač s výstupným zameraním. Science 390, 173–177 (2025).
