Волоконні лазери та підсилювачі високої потужності

Для особливо високих потужностей площа серцевини повинна бути достатньо великою, оскільки інтенсивність світла буде дуже високою, і ще одна причина полягає в тому, що співвідношення оболонки до площі серцевини у волокнах з подвійною оболонкою велике, що призводить до низького поглинання накачування. Коли площа серцевини складає кілька тисяч квадратних мікрометрів, можливо використовувати серцевину одномодового волокна. Використовуючи багатомодове волокно, коли площа моди є відносно великою, можна отримати вихідний промінь хорошої якості, а світлова хвиля є переважно основною модою. (Збудження мод вищого порядку також можливе до певної міри шляхом намотування волокна, за винятком випадку сильного зв’язку мод при високих потужностях.) Коли площа моди стає більшою, якість променя більше не може залишатися обмеженою дифракцією, а порівняно Для, наприклад, стрижневих лазерів, що працюють з аналогічною інтенсивністю потужності, результуюча якість променя залишається досить хорошою.

Є кілька варіантів того, як вводити світло високої потужності. Найпростіший спосіб - це накачати оболонку безпосередньо біля волоконного порту. Цей метод не потребує спеціальних волоконних компонентів, але світло високої потужності накачки має поширюватися в повітрі, особливо на межі розділу повітря-скло, яка дуже чутлива до пилу або зміщення. У багатьох випадках краще використовувати оптоволоконний діод накачки, щоб світло накачки завжди передавалося по волокну. Іншим варіантом є подача світла накачки в пасивне волокно (нелеговане) і обгортання пасивного волокна навколо легованого волокна так, щоб світло накачки поступово переносилося в леговане волокно. Є кілька способів використання спеціального комбінованого пристрою насоса для злиття деяких волокон накачування та легованих сигнальних волокон. Існують інші методи, засновані на волоконних котушках із бічним накачуванням (волоконно-дискові лазери) або канавках в оболонці накачки, щоб можна було інжектувати світло накачки. Останній метод дозволяє багатоточково вводити світло накачування, таким чином краще розподіляючи теплове навантаження.

Малюнок 2. Діаграма потужного волоконного підсилювача з подвійною оболонкою зі світлом накачки, що надходить у волоконний порт через вільний простір. Інтерфейс газового скла повинен бути суворо вирівняним і чистим.

Порівняння між усіма методами введення світла накачування є складним, оскільки задіяно багато аспектів: ефективність передачі, втрата яскравості, легкість обробки, гнучкість роботи, можливі зворотні відбиття, витік світла від серцевини волокна до джерела світла накачування, Залиште вибір поляризації тощо.
Незважаючи на те, що нещодавній розвиток потужних волоконно-оптичних пристроїв був дуже швидким, все ще існують деякі обмеження, які перешкоджають подальшому розвитку:
Інтенсивність світла потужних волоконно-оптичних пристроїв значно покращилася. Зараз зазвичай можна досягти порогових значень матеріальних збитків. Тому існує потреба збільшити площу моди (волокна з великою площею моди), але цей метод має обмеження, коли потрібна висока якість променя.
Втрата потужності на одиницю довжини досягла порядку 100 Вт/м, що призвело до сильного теплового впливу на волокно. Використання водяного охолодження може значно підвищити потужність. Довші волокна з меншою концентрацією допінгів легше охолодити, але це посилює нелінійні ефекти.
Для не суто одномодових волокон існує модальна нестабільність, коли вихідна потужність перевищує певний поріг, як правило, кілька сотень ват. Нестабільність моди викликає раптове зниження якості променя, що є ефектом теплових решіток у волокні (які швидко коливаються в просторі).
Нелінійність волокна впливає на багато аспектів. Навіть у CW установці коефіцієнт комбінаційного розсіювання настільки високий (навіть у децибелах), що значна частина потужності передається на довшу довжину хвилі Стокса, яку неможливо посилити. Робота на одній частоті значно обмежена вимушеним бріллюенівським розсіюванням. Звичайно, є деякі методи вимірювання, які можуть певною мірою компенсувати цей ефект. Ультракороткі імпульси, що генеруються в лазерах із синхронізованим режимом, самомодуляція фази вироблятиме на них сильний ефект спектрального розширення. Крім того, існують інші проблеми інжекції нелінійного обертання поляризації.
Через наведені вище обмеження оптоволоконні пристрої високої потужності, як правило, не вважаються пристроями масштабованої потужності, принаймні, за межами діапазону досяжної потужності. (Попередні покращення були досягнуті не за допомогою одноразового масштабування потужності, а за допомогою покращених конструкцій волокна та діодів накачування.) Це має важливі наслідки при порівнянні технології волоконного лазера з лазерами на тонкому диску. Більш детально це описано в розділі Калібрування потужності лазера.
Навіть без реального масштабування потужності можна зробити багато роботи для вдосконалення високопотужних лазерних установок. З одного боку, необхідно вдосконалити конструкцію волокна, наприклад, використовувати велику площу моди волокна та одномодове наведення, що зазвичай досягається за допомогою фотонно-кристалічних волокон. Багато волоконних компонентів є дуже важливими, наприклад спеціальні насосні з’єднувачі, волоконні конуси для з’єднання волокон із різними розмірами моди та спеціальні пристрої для охолодження волокна. Після досягнення межі потужності певного волокна, композитні пучки є іншим варіантом, і існують відповідні налаштування волокна для реалізації цієї техніки. Для систем підсилювача ультракоротких імпульсів існує багато підходів до зменшення або навіть часткового використання нелінійних ефектів оптичних волокон, таких як розширення спектру та подальше стиснення імпульсу.