Волоконные лазеры и усилители высокой мощности

Для особенно высоких мощностей площадь сердцевины должна быть достаточно большой, потому что интенсивность света будет очень высокой, и еще одна причина заключается в том, что отношение площади оболочки к площади сердцевины в волокнах с двойной оболочкой велико, что приводит к низкому поглощению накачки. Когда площадь сердцевины порядка нескольких тысяч квадратных микрометров, целесообразно использовать сердцевину одномодового волокна. Используя многомодовое волокно, когда площадь моды относительно велика, можно получить выходной пучок хорошего качества, а световая волна является в основном основной модой. (Возбуждение мод более высокого порядка также возможно в некоторой степени путем намотки волокна, за исключением случая сильной связи мод при больших мощностях). Для, например, стержневых лазеров, работающих с аналогичной интенсивностью мощности, качество получаемого луча остается достаточно хорошим.

Есть несколько вариантов того, как вводить очень мощный световой насос. Самый простой способ — прокачать оболочку прямо на оптоволоконном порту. Этот метод не требует специальных волоконных компонентов, но мощный свет накачки должен распространяться в воздухе, особенно на границе воздух-стекло, которая очень чувствительна к пыли или смещению. Во многих случаях предпочтительно использовать диод накачки с волоконной связью, чтобы свет накачки всегда передавался по волокну. Другой вариант состоит в том, чтобы подавать свет накачки в пассивное волокно (нелегированное) и обертывать пассивное волокно вокруг легированного волокна так, чтобы свет накачки постепенно передавался в легированное волокно. Существует несколько способов использования специального комбинированного устройства накачки для сплавления некоторых волокон накачки и легированных сигнальных волокон. Существуют и другие методы, основанные на волоконных катушках с боковой накачкой (волоконные дисковые лазеры) или канавках в оболочке накачки, позволяющих вводить свет накачки. Последний метод позволяет осуществлять многоточечную инжекцию света накачки, тем самым лучше распределяя тепловую нагрузку.

Рис. 2. Схема мощного оптоволоконного усилителя с двойной оболочкой, в котором свет накачки входит в оптоволоконный порт через свободное пространство. Интерфейс газового стекла должен быть строго выровнен и чист.

Сравнение всех методов инжекции света накачки сложно, потому что затрагиваются многие аспекты: эффективность передачи, потеря яркости, простота обработки, гибкость в работе, возможные обратные отражения, утечка света от сердцевины волокна к источнику света накачки. Сохраняйте выбор. поляризации и др.
Хотя в последнее время разработка высокомощных волоконно-оптических устройств идет очень быстро, все же существуют некоторые ограничения, препятствующие дальнейшему развитию:
Интенсивность света высокомощных волоконно-оптических устройств значительно улучшена. Пороги материального ущерба теперь обычно могут быть достигнуты. Следовательно, необходимо увеличить площадь моды (волокна с большой площадью моды), но этот метод имеет ограничения, когда требуется высокое качество луча.
Потери мощности на единицу длины достигают порядка 100 Вт/м, что приводит к сильным тепловым эффектам в волокне. Использование водяного охлаждения позволяет значительно повысить мощность. Более длинные волокна с более низкими концентрациями легирующих добавок легче охлаждаются, но это увеличивает нелинейные эффекты.
Для не строго одномодовых волокон существует модовая нестабильность, когда выходная мощность превышает определенный порог, обычно несколько сотен ватт. Нестабильность мод вызывает внезапное падение качества луча, что является следствием тепловых решеток в волокне (которые быстро колеблются в пространстве).
Нелинейность волокна влияет на многие аспекты. Даже в установке CW рамановское усиление настолько велико (даже в децибелах), что значительная часть мощности передается стоксовой волне с большей длиной волны, которую нельзя усилить. Работа на одной частоте сильно ограничена вынужденным рассеянием Бриллюэна. Конечно, есть некоторые методы измерения, которые могут в определенной степени компенсировать этот эффект. Ультракороткие импульсы, генерируемые в лазерах с синхронизацией мод, фазовой самомодуляции будут оказывать на них сильное спектральное уширение. Кроме того, существуют и другие проблемы введения нелинейного вращения поляризации.
Из-за вышеуказанных ограничений высокомощные волоконно-оптические устройства, как правило, строго не считаются устройствами масштабируемой мощности, по крайней мере, не выходящими за пределы достижимого диапазона мощности. (Предыдущие улучшения были достигнуты не за счет масштабирования одной мощности, а за счет улучшенной конструкции волокон и диодов накачки.) Это имеет важные последствия при сравнении технологии волоконных лазеров с лазерами на тонких дисках. Более подробно это описано в разделе «Калибровка мощности лазера».
Даже без реального масштабирования мощности можно проделать большую работу по улучшению мощных лазерных установок. С одной стороны, необходимо улучшить конструкцию волокна, например, использовать большую площадь моды волокна и одномодовое наведение, что обычно достигается при использовании фотонно-кристаллических волокон. Многие компоненты оптоволокна очень важны, например, специальные соединители насоса, переходники для соединения волокон с разными размерами мод и специальные устройства охлаждения волокна. Как только достигается предел мощности определенного волокна, композитные лучи являются еще одним вариантом, и существуют подходящие настройки волокна для реализации этой техники. Для систем усилителей сверхкоротких импульсов существует множество подходов к уменьшению или даже частичному использованию нелинейных эффектов оптических волокон, таких как расширение спектра и последующее сжатие импульса.