{0}}Laseri s vlaknima velike snage služe kao vitalni alati u naučnim, industrijskim i odbrambenim aplikacijama. Primarna prepreka daljem skaliranju snage jednofrekventnih fiber laserskih pojačivača je stimulirano Brillouinovo raspršivanje (SBS). Kada optička snaga premaši SBS prag, signalno svjetlo-prenošeno naprijed pobuđuje intenzivno Stokesovo svjetlo unazad. Ovo ne samo da troši energiju pumpe i smanjuje izlaznu efikasnost, već može oštetiti i precizne komponente prednjeg{6}}kraja. Povećanje prečnika jezgra vlakna i širenje spektra signala može povisiti SBS prag, čime se potiskuju SBS efekti u jedno-pojačivačima vlakana sa jednom frekvencijom. Trenutni SBS napori za ublažavanje posljedica su uglavnom ograničeni na jedno-mod ili nekoliko-modnih vlakana pojačivača sa visokim kvalitetom snopa, što čini izazovom istovremeno postizanje velike snage, uske širine linije i visokog{12}}kvalitetnog izlaznog snopa. Ovaj rad istražuje multimod fiber (MMF) pojačalo u kojem je SBS značajno potisnut zbog smanjenog optičkog intenziteta u velikoj jezgri i širenja Brillouinovog spektra raspršenja uzrokovanog višemodnom pobudom. Primjenom prostornog oblikovanja valnog fronta na ulazno svjetlo nelinearnog pojačala, izlazni snop se fokusira na difrakcijski-ograničenu tačku, postižući veliku snagu (503 W), usku širinu linije (1 kHz) i -kvalitetan izlaz snopa.
Slika 1 Šema eksperimentalne optičke postavke
Slika 1 prikazuje optičku postavku ove studije. Svjetlost sjemena na talasnoj dužini od 1064 nm podliježe pred-pojačanju i širenju snopa u jednom{4}}modnom vlaknu prije nego što faza talasnog fronta bude modulirana prostornim svjetlosnim modulatorom (SLM). Modulirano signalno svjetlo se prvo spaja u pasivno multimodno vlakno, kombinuje sa svjetlom pumpe, a zatim se pojačava u Yb--dopiranom višemodnom vlaknu koje podržava 76 modova. Nakon pojačanja, signalno svjetlo ulazi u mjernu stazu za procjenu parametara uključujući snagu, spektar, širinu linije, žarišnu tačku i fazu. Ova studija istražuje SBS karakteristike u višemodnim vlaknima. Rezultati pokazuju da je SBS prag (maksimalna snaga bez SBS generisanja) u MMF-u značajno viši nego u jednom{11}}modnom vlaknu. Rezultati simulacije pokazuju da je za korišteni MMF (promjer jezgre 42 μm), SBS prag približno 24 W kada je pobuđen samo osnovni mod, što je 8 puta više od onog kod jednomodnog vlakna promjera 15 μm. Zbog neizbježnog spajanja modova u vlaknu, MMF ne može postići čistu fundamentalnu pobudu. Mjerenja pokazuju SBS prag od 59 W pod nekoliko-moda pobude i 97 W pod više-modskom pobudom u MMF-u, kao što je prikazano na slici 2(A).
Slika 2 (A) SBS pragovi u single-modnim i višemodnim vlaknima; (B) SBS spektri pojačanja za fundamentalnu i višemodnu pobudu u MMF
Ovaj rad uspostavlja polu{0}}analitičku teoriju za SBS u MMF pojačivačima, analizirajući spregu između različitih modova signalnih svjetala i Stokesovog svjetla kako bi se izveli odgovarajući SBS koeficijenti pojačanja. Ova teorija ukazuje da je SBS koeficijent pojačanja u višemodnim uvjetima pobude unutar MMF-a niži nego u bilo kojem scenariju pobuđivanja s jednim-modom. Višemodna pobuda u MMF značajno proširuje spektar SBS pojačanja, smanjuje maksimum pojačanja i postiže povećanje SBS praga, kao što je prikazano na slici 2(B). Zbog prirode Stokesovog svjetla širenja unatrag, duže MMF dužine rezultiraju većim SBS pojačanjem i shodno tome nižim pragom. Eksperimenti pokazuju da se svjetlo pumpe iscrpljuje unutar približno 6 m. Skraćivanjem dužine vlakna i mjerenjem SBS praga, rezultati pokazuju da je SBS prag obrnuto proporcionalan efektivnoj dužini MMF-a. Na dužini MMF-a od 3,7 m, pojačalo postiže maksimalni SBS prag (tj. vršnu izlaznu snagu) od 503 W, što je pet puta više od SBS praga (teorijski rezultat proračuna) samo za pobudu osnovnog moda.
Slika 3 Odnos između efektivne dužine MMF-a i SBS praga; umetnuti: izlazni intenzitet žarišne tačke u odnosu na fazu
Za kontrolu izlaza MMF-a, ova studija je modulirala fazu talasnog fronta koristeći prostorni svjetlosni modulator (SLM) prije nego što je signalno svjetlo ušlo u MMF. Opseg modulacije pokrivao je cijeli ulazni otvor MMF-a. Unutar ovog raspona modulacije, pikseli su podijeljeni na 256 makropiksela. Počevši od centralnog piksela, faza svakog piksela je skenirana u spiralnom uzorku kako bi se postigao optimalan izlaz na fokalnoj ravni. Pod uticajem kontrole faze talasnog fronta dolazi do interferencije između različitih modova unutar MMF-a, formirajući-tačku visokog kvaliteta na izlaznoj fokalnoj ravni. Intenzitet tačke i distribucija faze prikazani su na umetku u gornjem desnom uglu slike 3, otkrivajući ujednačenu distribuciju intenziteta i faze, što ukazuje na odličan kvalitet spota na fokalnoj ravni. Slika 4: Tačke na MMF fokalnoj ravni (A) i na blago defokusiranim pozicijama (B, C); izmjereni kvalitet izlaznog snopa (M2) (D)
Slika 4 prikazuje profile zraka u fokalnoj ravni i pod blagim defokusiranjem (200, 400 μm). Mjerenja pokazuju fokalnu efikasnost od 76% u fokalnoj ravni, što znači da se 76% energije zraka nalazi unutar fokusnog raspona. Izmjerene vrijednosti M2 u smjeru x i y su 1,05 i 1,35, respektivno, što ukazuje na dobar kvalitet zraka. Rezultati pokazuju da fazna modulacija zasnovana na SLM efektivno poboljšava kvalitet spota na fokalnoj ravni MMF izlaza.
Slika 5: Efikasnost nagiba (A), izlazni spektar (B) i širina linije (C) MMF pojačala [1]
Izmjerena je i izlazna efikasnost pojačala, spektar i širina linije. MMF pojačivač je postigao efikasnost nagiba od 82%, kao što je prikazano na slici 5(A), u skladu sa teorijskim predviđanjima. Izlazni spektar (Slika 5B) pokazuje pik signala na 1064 nm sa relativnim ASE intenzitetom od 52 dB, dok lijeva-pik predstavlja slab rezidualni signal pumpe. Zbog izuzetno uske širine izlazne linije, konvencionalni spektrometri su se borili da je izmjere. Stoga su korištene heterodinske metode za određivanje ulaznih i izlaznih širina linija. MMF pojačalo konstruisano u ovom radu pokazuje izlaznu širinu linije od 35 kHz (20-dB) / 1 kHz (3-dB, tj. punu širinu na pola maksimuma), ne pokazujući značajnu razliku u odnosu na širinu ulazne linije. Njegova izvrsna vremenska koherentnost ispunjava zahtjeve za precizna interferometrijska mjerenja. Ovaj rad sistematski elaborira multimodnu SBS teoriju vlakana s obzirom na iscrpljivanje pumpe i zasićenje pojačanja. Predlaže integraciju multimodnog pojačanja vlakana sa faznom modulacijom talasnog fronta da bi se istovremeno postigla SBS supresija i optimizacija izlazne tačke. Konstruirano MMF pojačalo radi pri velikoj snazi, visokoj efikasnosti i uskoj širini linije, osiguravajući visoku koherentnost. Ova tehnologija ima potencijalne primjene u kombinovanju koherentnog snopa, interferometriji velikih razmjera i sistemima usmjerene energije.
Reference: [1] Stefan Rothe et al., Wavefront Shaping omogućava visoko{2}}multimodno pojačalo s vlaknima velike snage sa izlaznim fokusom. Science 390, 173–177 (2025).
