Vysokovýkonné vláknové lasery slouží jako životně důležité nástroje ve vědeckých, průmyslových a obranných aplikacích. Hlavní překážkou dalšího rozšiřování výkonu jednofrekvenčních vláknových laserových zesilovačů je stimulovaný Brillouinův rozptyl (SBS). Když optický výkon překročí práh SBS, dopředné-vysílané signální světlo vybudí intenzivní zpětné Stokesovo světlo. To nejen vyčerpává energii čerpadla a snižuje výstupní účinnost, ale může také poškodit přední-přesné komponenty. Zvětšení průměru jádra vlákna a rozšíření spektra signálu může zvýšit práh SBS, a tím potlačit efekty SBS v jednofrekvenčních vláknových zesilovačích. Současné snahy o zmírnění dopadů SBS se z velké části omezují na jednorežimové nebo málorežimové vláknové zesilovače s vysokou kvalitou paprsku, takže je náročné současně dosáhnout vysokého výkonu, úzké šířky vedení a vysoce kvalitního výstupu paprsku. Tento článek se zabývá multimódovým vláknovým (MMF) zesilovačem, kde je SBS významně potlačeno kvůli snížené optické intenzitě ve velkém jádru a rozšíření Brillouinova rozptylového spektra způsobeného vícevidovým buzením. Aplikací prostorového tvarování čela vlny na vstupní světlo nelineárního zesilovače se výstupní paprsek zaměří na difrakčně -omezené místo, čímž se dosáhne vysokého výkonu (503 W), úzké šířky čáry (1 kHz) a vysoce kvalitního výstupu paprsku.
Obrázek 1 Schéma experimentálního optického uspořádání
Obrázek 1 ukazuje optické uspořádání této studie. Zárodečné světlo o vlnové délce 1064 nm prochází před-zesilováním a expanzí paprsku v jednom-vláknu, než je jeho vlnoplocha modulována modulátorem prostorového světla (SLM). Modulované signální světlo je nejprve připojeno k pasivnímu multimódovému vláknu, kombinovanému se světlem pumpy, a poté zesíleno v Yb-dopovaném multimódovém vláknu se ziskem podporujícím 76 režimů. Po zesílení vstoupí signální světlo do dráhy měření pro vyhodnocení parametrů včetně výkonu, spektra, šířky čáry, ohniska a fáze. Tato studie zkoumá vlastnosti SBS ve vícevidových vláknech. Výsledky naznačují, že práh SBS (maximální výkon bez generování SBS) v MMF je výrazně vyšší než u jednorežimového vlákna. Výsledky simulace ukazují, že pro použitý MMF (průměr jádra 42 μm) je práh SBS přibližně 24 W, když je excitován pouze základní režim, což je 8krát více než u jednovidového vlákna o průměru 15 μm. Vzhledem k nevyhnutelné vazbě vidu ve vláknu nemůže MMF dosáhnout buzení čistého základního režimu. Měření naznačují práh SBS 59 W při buzení v několika režimech a 97 W při buzení ve více režimech v MMF, jak ukazuje obrázek 2(A).
Obrázek 2 (A) Prahové hodnoty SBS v jednom-režimu a vícevidových vláknech; (B) SBS zisková spektra pro základní a vícemódové buzení v MMF
Tento článek zavádí semi{0}}analytickou teorii pro SBS v zesilovačích MMF, analyzuje vazbu mezi signálními světly různých režimů a Stokesovým světlem za účelem odvození odpovídajících koeficientů zesílení SBS. Tato teorie naznačuje, že koeficient zesílení SBS v podmínkách vícerežimového buzení v rámci MMF je nižší než v jakémkoli scénáři buzení s jedním-režimem. Vícevidové buzení v MMF významně rozšiřuje spektrum zisku SBS, snižuje vrchol zisku a dosahuje zvýšení prahu SBS, jak je znázorněno na obrázku 2(B). Kvůli povaze zpětného šíření Stokesova světla mají delší délky MMF za následek větší zisk SBS a odpovídající nižší práh. Experimenty ukazují, že světlo čerpadla se vyčerpá přibližně do 6 m. Zkrácením délky vlákna a měřením prahové hodnoty SBS výsledky naznačují, že prahová hodnota SBS je nepřímo úměrná efektivní délce MMF. Při délce MMF 3,7 m dosahuje zesilovač maximální prahové hodnoty SBS (tj. špičkový výstupní výkon) 503 W, což je pětinásobek prahové hodnoty SBS (teoretický výsledek výpočtu) pro samotné buzení základního režimu.
Obrázek 3 Vztah mezi efektivní délkou fondu peněžního trhu a prahem SBS; vložka: výstupní intenzita ohniska versus fáze
Pro řízení výstupu MMF tato studie modulovala fázi čela vlny pomocí modulátoru prostorového světla (SLM) předtím, než signální světlo vstoupilo do MMF. Modulační rozsah pokrýval celou vstupní aperturu MMF. V rámci tohoto modulačního rozsahu byly pixely rozděleny na 256 makropixelů. Počínaje centrálním pixelem byla fáze každého pixelu skenována ve spirálovém vzoru pro dosažení optimálního výstupu v ohniskové rovině. Vlivem řízení fáze čela vlny dochází k interferenci mezi různými režimy v rámci MMF, což vytváří vysoce kvalitní bod na výstupní ohniskové rovině. Intenzita bodu a fázové rozložení jsou zobrazeny ve vložce vpravo nahoře na obrázku 3, odhalující rovnoměrnou intenzitu a fázové rozložení, což ukazuje na vynikající kvalitu bodu v ohniskové rovině. Obrázek 4: Skvrny v ohniskové rovině MMF (A) a v mírně rozostřených pozicích (B, C); měřená kvalita výstupního paprsku (M2) (D)
Obrázek 4 zobrazuje profily paprsku v ohniskové rovině a při mírném rozostření (200, 400 μm). Měření ukazují ohniskovou účinnost 76 % v ohniskové rovině, což znamená, že 76 % energie paprsku se nachází v ohniskovém rozsahu. Naměřené hodnoty M2 ve směru x a y jsou 1,05 a 1,35, což ukazuje na dobrou kvalitu paprsku. Výsledky ukazují, že fázová modulace založená na SLM účinně zlepšuje kvalitu bodu v ohniskové rovině výstupu MMF.
Obrázek 5: Účinnost sklonu (A), výstupní spektrum (B) a šířka vedení (C) zesilovače MMF [1]
Byla také měřena výstupní účinnost zesilovače, spektrum a šířka vedení. Zesilovač MMF dosáhl účinnosti strmosti 82 %, jak je znázorněno na obrázku 5(A), v souladu s teoretickými předpověďmi. Výstupní spektrum (obrázek 5B) ukazuje vrchol signálu při 1064 nm s relativní intenzitou ASE 52 dB, zatímco vrchol na levé - straně představuje slabý zbytkový signál pumpy. Kvůli extrémně úzké výstupní šířce čáry měly konvenční spektrometry potíže s jejím měřením. Ke stanovení vstupní a výstupní šířky vedení byly proto použity heterodynní metody. MMF zesilovač zkonstruovaný v této práci vykazuje výstupní šířku vedení 35 kHz (20-dB) / 1 kHz (3-dB, tj. plná šířka v polovině maxima), nevykazuje žádný významný rozdíl od vstupní šířky vedení. Jeho vynikající časová koherence splňuje požadavky na přesná interferometrická měření. Tento článek systematicky rozpracovává teorii multimodového vlákna SBS s ohledem na vyčerpání čerpadla a saturaci zisku. Navrhuje integraci multimódového vláknového zesílení s vlnovou fázovou modulací, aby bylo současně dosaženo potlačení SBS a optimalizace výstupního bodu. Zkonstruovaný MMF zesilovač pracuje s vysokým výkonem, vysokou účinností a úzkou šířkou vedení, což zajišťuje vysokou koherenci. Tato technologie má potenciální aplikace v oblasti kombinování koherentních paprsků, interferometrie ve velkém měřítku a systémů směrované energie.
Reference: [1] Stefan Rothe et al., Wavefront shaping umožňuje vysoce-výkonový multimódový vláknový zesilovač s výstupním ohniskem. Science 390, 173–177 (2025).
