Lasere și amplificatoare cu fibră de mare putere

Pentru puteri deosebit de mari, zona miezului trebuie să fie suficient de mare, deoarece intensitatea luminii va fi foarte mare, iar un alt motiv este că raportul dintre placare și suprafața miezului în fibrele cu două învelișuri este mare, rezultând o absorbție scăzută a pompei. Atunci când aria miezului este de ordinul a câteva mii de micrometri pătrați, este posibil să se utilizeze un miez de fibră monomod. Folosind fibra multimodală, atunci când zona modului este relativ mare, se poate obține fasciculul de ieșire de bună calitate, iar unda luminoasă este în principal modul fundamental. (Excitarea modurilor de ordin superior este, de asemenea, posibilă într-o oarecare măsură prin înfășurarea fibrei, cu excepția cazului de cuplare a modului puternic la puteri mari) Pe măsură ce zona modului devine mai mare, calitatea fasciculului nu mai poate rămâne limitată de difracție, ci comparată Pentru, de exemplu, laserele cu tijă care funcționează la intensități de putere similare, calitatea fasciculului rezultat este încă destul de bună.

Există mai multe opțiuni pentru modul de injectare a luminii pompei de foarte mare putere. Cel mai simplu mod este să pompați placarea direct la portul de fibre. Această metodă nu necesită componente speciale din fibră, dar lumina pompei de mare putere trebuie să se propage în aer, în special interfața aer-sticlă, care este foarte sensibilă la praf sau nealiniere. În multe cazuri, este de preferat să se folosească o diodă de pompă cuplată cu fibre, astfel încât lumina pompei să fie întotdeauna transmisă în fibră. O altă opțiune este să alimentați lumina pompei într-o fibră pasivă (nedopată) și să înfășurați fibra pasivă în jurul fibrei dopate, astfel încât lumina pompei să fie transferată treptat în fibra dopată. Există câteva modalități de a utiliza un dispozitiv special de combinație de pompă pentru a fuziona unele fibre de pompă și fibre de semnal dopate împreună. Există și alte metode bazate pe bobine de fibră pompate lateral (lasere cu disc de fibre) sau caneluri în placarea pompei, astfel încât lumina pompei să poată fi injectată. Ultima tehnică permite injectarea în mai multe puncte a luminii pompei, distribuind astfel mai bine sarcina termică.

Figura 2: Diagrama unei configurații de amplificator cu fibră dublă de mare putere, cu lumina pompei care intră în portul de fibră prin spațiul liber. Interfața din sticlă de gaz trebuie să fie strict aliniată și curată.

Comparația între toate metodele de injectare a luminii pompei este complicată deoarece sunt implicate multe aspecte: eficiența transferului, pierderea luminozității, ușurința procesării, funcționare flexibilă, posibile reflexii înapoi, scurgerea luminii de la miezul fibrei la sursa de lumină a pompei, Păstrați alegerea de polarizare etc.
Deși dezvoltarea recentă a dispozitivelor cu fibră optică de mare putere a fost foarte rapidă, există încă unele limitări care împiedică dezvoltarea ulterioară:
Intensitatea luminii a dispozitivelor cu fibră optică de mare putere este mult îmbunătățită. Pragurile de daune materiale pot fi acum de obicei atinse. Prin urmare, este necesar să se mărească zona de mod (fibre cu zonă de mod mare), dar această metodă are limitări atunci când este necesară o calitate ridicată a fasciculului.
Pierderea de putere pe unitatea de lungime a atins ordinul a 100W/m, rezultând efecte termice puternice în fibră. Utilizarea răcirii cu apă poate îmbunătăți considerabil puterea. Fibrele mai lungi cu concentrații mai mici de dopaj sunt mai ușor de răcit, dar acest lucru crește efectele neliniare.
Pentru fibrele nu strict monomode, există instabilitate modală atunci când puterea de ieșire este mai mare decât un anumit prag, de obicei câteva sute de wați. Instabilitatea modului determină o scădere bruscă a calității fasciculului, care este efectul rețelelor termice din fibră (care oscilează rapid în spațiu).
Neliniaritatea fibrei afectează multe aspecte. Chiar și într-o configurație CW, câștigul Raman este atât de mare (chiar și în decibeli) încât o parte semnificativă a puterii este transferată către unda Stokes cu lungime de undă mai mare, care nu poate fi amplificată. Funcționarea cu o singură frecvență este foarte limitată de împrăștierea Brillouin stimulată. Desigur, există câteva metode de măsurare care pot compensa acest efect într-o anumită măsură. Impulsurile ultrascurte generate în laserele cu modul blocat, modularea în fază proprie va produce un efect puternic de lărgire spectrală asupra acestora. În plus, există și alte probleme de injectare a rotației de polarizare neliniară.
Datorită limitărilor de mai sus, dispozitivele cu fibră optică de mare putere nu sunt, în general, considerate strict dispozitive de putere scalabile, cel puțin nu în afara intervalului de putere realizabil. (Îmbunătățirile anterioare nu au fost obținute cu scalarea unei singure puteri, ci cu modele îmbunătățite de fibre și diode de pompă.) Acest lucru are consecințe importante atunci când se compară tehnologia laser cu fibră cu laserele cu disc subțire. Este descris mai detaliat la intrarea Laser Power Calibration.
Chiar și fără scalarea reală a puterii, se poate face multă muncă pentru a îmbunătăți setările laser de mare putere. Pe de o parte, este necesar să se îmbunătățească designul fibrei, cum ar fi utilizarea unei zone mari de mod de fibră și ghidare cu un singur mod, care se realizează de obicei prin utilizarea fibrelor de cristal fotonic. Multe componente din fibră sunt foarte importante, cum ar fi cuplaje speciale pentru pompă, conice pentru fibre pentru a conecta fibre cu diferite dimensiuni de mod și dispozitive speciale de răcire a fibrelor. Odată ce limita de putere a unei anumite fibre este atinsă, grinzile compozite sunt o altă opțiune și există configurații de fibre adecvate pentru a implementa această tehnică. Pentru sistemele de amplificare cu impulsuri ultrascurte, există multe abordări pentru a reduce sau chiar exploata parțial efectele neliniare ale fibrelor optice, cum ar fi lărgirea spectrului și compresia ulterioară a impulsurilor.