Lasery światłowodowe o dużej mocy-są niezbędnymi narzędziami w zastosowaniach naukowych, przemysłowych i obronnych. Główną przeszkodą w dalszym zwiększaniu mocy jedno-wzmacniaczy laserów światłowodowych jest stymulowane rozpraszanie Brillouina (SBS). Kiedy moc optyczna przekracza próg SBS,-przesyłane do przodu światło sygnalizacyjne wzbudza intensywne światło Stokesa skierowane do tyłu. To nie tylko wyczerpuje energię pompy i zmniejsza wydajność wyjściową, ale może także spowodować uszkodzenie-przednich precyzyjnych komponentów. Zwiększanie średnicy rdzenia światłowodu i poszerzenie widma sygnału może podnieść próg SBS, tłumiąc w ten sposób efekty SBS we wzmacniaczach światłowodowych o pojedynczej częstotliwości. Obecne wysiłki mające na celu ograniczenie SBS ograniczają się w dużej mierze do jedno-modowych lub kilku{11}}wzmacniaczy światłowodowych o wysokiej jakości wiązki, co utrudnia jednoczesne osiągnięcie dużej mocy, wąskiej szerokości linii i-wysokiej jakości wiązki. W artykule zbadano wzmacniacz światłowodowy wielomodowy (MMF), w którym SBS jest znacznie tłumione ze względu na zmniejszoną intensywność optyczną w dużym rdzeniu i poszerzenie widma rozpraszania Brillouina spowodowane wzbudzeniem wielomodowym. Dzięki zastosowaniu przestrzennego kształtowania czoła fali do światła wejściowego wzmacniacza nieliniowego wiązka wyjściowa jest skupiana w punkcie{{15}o ograniczonej dyfrakcji, co pozwala uzyskać dużą moc (503 W), wąską szerokość linii (1 kHz) i-wysokiej jakości wiązkę wyjściową.
Rysunek 1 Schemat eksperymentalnego układu optycznego
Rysunek 1 przedstawia konfigurację optyczną tego badania. Światło początkowe o długości fali 1064 nm podlega wstępnemu-wzmocnieniu i rozszerzeniu wiązki w włóknie jednomodowym, zanim faza czoła fali zostanie zmodulowana przez przestrzenny modulator światła (SLM). Modulowane światło sygnalizacyjne jest najpierw łączone z pasywnym włóknem wielomodowym, łączone ze światłem pompy, a następnie wzmacniane w wielomodowym włóknie wzmacniającym z domieszką Yb-, obsługującym 76 modów. Po wzmocnieniu światło sygnalizacyjne wchodzi na ścieżkę pomiarową w celu oceny parametrów, w tym mocy, widma, szerokości linii, ogniska i fazy. W tym badaniu zbadano charakterystykę SBS we włóknach wielomodowych. Wyniki wskazują, że próg SBS (maksymalna moc bez generowania SBS) w MMF jest znacznie wyższy niż w przypadku światłowodu jednomodowego. Wyniki symulacji pokazują, że dla zastosowanego MMF (średnica rdzenia 42 μm) próg SBS wynosi około 24 W, gdy wzbudzony jest tylko mod podstawowy, czyli 8 razy więcej niż w przypadku światłowodu jednomodowego o średnicy 15 μm. Ze względu na nieuniknione sprzężenie modów we włóknie, MMF nie może osiągnąć wzbudzenia w czystym trybie podstawowym. Pomiary wskazują, że próg SBS wynosi 59 W przy wzbudzeniu kilkoma-modami i 97 W przy wzbudzeniu wieloma-modami w MMF, jak pokazano na rysunku 2(A).
Rysunek 2 (A) Progi SBS we włóknach jedno-modowych i wielomodowych; (B) Widma wzmocnienia SBS dla wzbudzenia podstawowego i wielomodowego w MMF
W artykule tym przedstawiono pół{0}}analityczną teorię SBS we wzmacniaczach MMF, analizując sprzężenie między lampami sygnalizacyjnymi o różnych trybach i światłem Stokesa w celu uzyskania odpowiednich współczynników wzmocnienia SBS. Teoria ta wskazuje, że współczynnik wzmocnienia SBS w warunkach wzbudzenia wielomodowego w MMF jest niższy niż w jakimkolwiek scenariuszu wzbudzenia jedno-modowego. Wzbudzenie wielomodowe w MMF znacznie poszerza widmo wzmocnienia SBS, zmniejsza szczyt wzmocnienia i osiąga wzrost progu SBS, jak pokazano na rysunku 2 (B). Ze względu na wsteczną propagację światła Stokesa, dłuższe długości MMF skutkują większym wzmocnieniem SBS i odpowiednio niższym progiem. Eksperymenty wykazały, że światło pompy wyczerpuje się w promieniu około 6 m. Wyniki skracania długości włókna i pomiaru progu SBS wskazują, że próg SBS jest odwrotnie proporcjonalny do efektywnej długości MMF. Przy długości MMF wynoszącej 3,7 m wzmacniacz osiąga maksymalny próg SBS (tj. szczytową moc wyjściową) wynoszący 503 W, co stanowi pięciokrotność progu SBS (teoretyczny wynik obliczeń) wyłącznie dla wzbudzenia w trybie podstawowym.
Rysunek 3 Zależność pomiędzy efektywną długością FRP a progiem SBS; wstawka: wyjściowa intensywność plamki ogniskowej w funkcji fazy
Aby kontrolować moc wyjściową MMF, w badaniu modulowano fazę czoła fali za pomocą przestrzennego modulatora światła (SLM), zanim światło sygnalizacyjne dostało się do MMF. Zakres modulacji obejmował całą aperturę wejściową MMF. W tym zakresie modulacji piksele podzielono na 256 makropikseli. Zaczynając od centralnego piksela, faza każdego piksela była skanowana spiralnie, aby uzyskać optymalną moc wyjściową w płaszczyźnie ogniskowej. Pod wpływem kontroli fazy czoła fali w obrębie MMF dochodzi do interferencji pomiędzy różnymi modami, tworząc plamkę-o wysokiej jakości na wyjściowej płaszczyźnie ogniskowej. Intensywność plamki i rozkład faz pokazano na wstawce w prawym górnym rogu Ryc. 3, ukazując równomierne natężenie i rozkład faz, co wskazuje na doskonałą jakość plamki w płaszczyźnie ogniskowej. Rysunek 4: Plamy na płaszczyźnie ogniskowej MMF (A) oraz w pozycjach lekko rozognistych (B, C); zmierzona jakość wiązki wyjściowej (M2) (D)
Rysunek 4 przedstawia profile wiązek w płaszczyźnie ogniskowej i przy niewielkim rozogniskowaniu (200, 400 μm). Pomiary wskazują, że skuteczność ogniskowa wynosi 76% w płaszczyźnie ogniskowej, co oznacza, że 76% energii wiązki znajduje się w zakresie ogniskowej. Zmierzone wartości M2 w kierunkach x i y wynoszą odpowiednio 1,05 i 1,35, co wskazuje na dobrą jakość wiązki. Wyniki pokazują, że modulacja fazowa oparta na SLM skutecznie poprawia jakość plamki na płaszczyźnie ogniskowej wyjścia MMF.
Rysunek 5: Wydajność nachylenia (A), widmo wyjściowe (B) i szerokość linii (C) wzmacniacza MMF [1]
Zmierzono także wydajność wyjściową wzmacniacza, widmo i szerokość linii. Wzmacniacz MMF osiągnął sprawność zbocza wynoszącą 82%, jak pokazano na rysunku 5 (A), zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi. Widmo wyjściowe (rysunek 5B) pokazuje pik sygnału przy 1064 nm ze względną intensywnością ASE wynoszącą 52 dB, podczas gdy lewy- pik reprezentuje słaby resztkowy sygnał pompy. Ze względu na wyjątkowo wąską szerokość linii wyjściowej konwencjonalne spektrometry miały trudności z jej pomiarem. Dlatego do określenia szerokości linii wejściowej i wyjściowej zastosowano metody heterodynowe. Wzmacniacz MMF skonstruowany w tej pracy ma wyjściową szerokość linii 35 kHz (20- dB) / 1 kHz (3 dB, tj. pełną szerokość w połowie maksimum), nie wykazując znaczącej różnicy w stosunku do szerokości linii wejściowej. Jego doskonała spójność czasowa spełnia wymagania precyzyjnych pomiarów interferometrycznych. W artykule systematycznie omówiono teorię światłowodu wielomodowego SBS z uwzględnieniem wyczerpywania się pompy i nasycenia wzmocnienia. Proponuje integrację wzmocnienia światłowodu wielomodowego z modulacją fazy czoła fali, aby jednocześnie osiągnąć tłumienie SBS i optymalizację punktu wyjściowego. Zbudowany wzmacniacz MMF pracuje z dużą mocą, dużą wydajnością i wąską szerokością linii, zapewniając wysoką spójność. Technologia ta ma potencjalne zastosowania w łączeniach spójnych wiązek, interferometrii na dużą skalę i systemach energii ukierunkowanej.
Literatura: [1] Stefan Rothe i in., Kształtowanie fali czołowej umożliwia wielomodowy wzmacniacz światłowodowy o dużej-mocy z ogniskowaniem wyjściowym. Nauka 390, 173–177 (2025).
