Didelės{0}}galios skaiduliniai lazeriai yra gyvybiškai svarbūs mokslo, pramonės ir gynybos įrankiai. Pagrindinė kliūtis toliau didinti vieno -dažnio skaidulinių lazerinių stiprintuvų galią yra stimuliuojama Brillouin sklaida (SBS). Kai optinė galia viršija SBS slenkstį, į priekį{4}}perduodama signalinė šviesa sužadina intensyvią atgalinę Stokso šviesą. Tai ne tik išeikvoja siurblio energiją ir sumažina išėjimo efektyvumą, bet ir gali sugadinti priekinius{6}}sudėtingus komponentus. Padidinus skaidulų šerdies skersmenį ir išplečiant signalo spektrą, gali padidėti SBS slenkstis, todėl vieno -dažnio skaidulinių stiprintuvų SBS efektai bus slopinami. Dabartinės SBS mažinimo pastangos daugiausia apsiriboja vieno{10}}mode ar kelių{11}}modžių skaiduliniais stiprintuvais, kurių pluošto kokybė yra aukšta, todėl sunku vienu metu pasiekti didelę galią, siaurą linijos plotį ir aukštos{12}}kokybės pluošto išvestį. Šiame darbe nagrinėjamas daugiamodis skaidulinis (MMF) stiprintuvas, kuriame SBS yra žymiai slopinamas dėl sumažėjusio optinio intensyvumo didelėje šerdyje ir Brillouin sklaidos spektro išplėtimo, kurį sukelia daugiamodis sužadinimas. Netiesinio stiprintuvo įvesties šviesai pritaikius erdvinio bangos fronto formavimą, išėjimo spindulys sufokusuojamas į ribotą difrakcijos tašką, todėl pasiekiama didelė galia (503 W), siauras linijos plotis (1 kHz) ir aukštos kokybės pluošto išvestis.
1 pav. Eksperimentinės optinės sąrankos schema
1 paveiksle parodyta šio tyrimo optinė sąranka. Sėklinė šviesa, kurios bangos ilgis yra 1064 nm, yra iš anksto-sustiprinama ir išplečiamas vienmodės skaidulos bangos fronto fazei, kol jos bangos fronto fazė moduliuojama erdviniu šviesos moduliatoriumi (SLM). Modifikuota signalinė lemputė pirmiausia sujungiama į pasyvųjį daugiamodį skaidulą, kartu su siurblio lempute, o po to sustiprinama Yb-daugiamodiu stiprinimo pluoštu, palaikančiu 76 režimus. Po stiprinimo signalinė lemputė patenka į matavimo kelią, kad būtų galima įvertinti parametrus, įskaitant galią, spektrą, linijos plotį, židinio tašką ir fazę. Šis tyrimas tiria SBS charakteristikas daugiamodėse skaidulose. Rezultatai rodo, kad SBS slenkstis (maksimali galia be SBS generavimo) PMF yra žymiai aukštesnė nei vienmodės skaidulos. Modeliavimo rezultatai rodo, kad naudojamo PMF (šerdies skersmuo 42 μm) SBS slenkstis yra maždaug 24 W, kai sužadinamas tik pagrindinis režimas, o tai yra 8 kartus didesnis nei 15 μm skersmens vienmodio pluošto. Dėl neišvengiamo pluošto režimo sujungimo PMF negali pasiekti gryno pagrindinio režimo sužadinimo. Matavimai rodo, kad SBS slenkstis yra 59 W esant kelių-režimų sužadinimui ir 97 W, kai PMF sužadinimas kelių režimais, kaip parodyta 2(A) paveiksle.
2 paveikslas (A) SBS slenksčiai vienmodiuose ir daugiamodiuose skaidulose; (B) SBS stiprinimo spektrai pagrindiniam ir daugiamodiam sužadinimui PRF
Šiame darbe pateikiama pusiau{0}}analitinė SBS teorija MMF stiprintuvuose, analizuojant skirtingų režimų signalinių lempučių ir Stokso šviesos ryšį, kad būtų gauti atitinkami SBS stiprinimo koeficientai. Ši teorija rodo, kad SBS stiprinimo koeficientas daugiamodio sužadinimo sąlygomis PMF yra mažesnis nei bet kurio vieno -modo sužadinimo scenarijuje. Daugiamodis sužadinimas PMF žymiai išplečia SBS stiprinimo spektrą, sumažina stiprinimo piką ir padidina SBS slenkstį, kaip parodyta 2(B) paveiksle. Dėl Stokso šviesos sklidimo atgal pobūdžio ilgesni PMF ilgiai lemia didesnį SBS padidėjimą ir atitinkamai mažesnę slenkstį. Eksperimentai rodo, kad siurblio lemputė išsenka maždaug per 6 m. Sutrumpinus pluošto ilgį ir išmatavus SBS slenkstį, rezultatai rodo, kad SBS slenkstis yra atvirkščiai proporcingas efektyviam PRF ilgiui. Kai PMF ilgis yra 3,7 m, stiprintuvas pasiekia didžiausią SBS slenkstį (ty didžiausią išėjimo galią) 503 W, o tai penkis kartus viršija SBS slenkstį (teorinį skaičiavimo rezultatą) vien tik pagrindinio režimo sužadinimui.
3 pav. PRF faktinio ilgio ir SBS slenksčio ryšys; intarpas: išvesties židinio taško intensyvumas, palyginti su faze
Norint valdyti PMF išvestį, šis tyrimas moduliavo bangos fronto fazę, naudodamas erdvinės šviesos moduliatorių (SLM), prieš signalo šviesai patenkant į PMF. Moduliavimo diapazonas apėmė visą MMF įvesties diafragmą. Šiame moduliavimo diapazone pikseliai buvo suskirstyti į 256 makropikselius. Pradedant nuo centrinio pikselio, kiekvieno pikselio fazė buvo nuskaityta spiraliniu būdu, kad būtų pasiekta optimali išvestis židinio plokštumoje. Veikiant bangos fronto fazės valdymui, tarp skirtingų PMF režimų atsiranda trukdžių, todėl išvesties židinio plokštumoje susidaro aukštos{5}kokybės taškas. Taško intensyvumas ir fazių pasiskirstymas parodyti 3 paveikslo viršuje, dešinėje, parodydami vienodą intensyvumą ir fazių pasiskirstymą, o tai rodo puikią dėmės kokybę židinio plokštumoje. 4 pav. Dėmės PRF židinio plokštumoje (A) ir šiek tiek nefokusuotose padėtyse (B, C); išmatuota išėjimo pluošto kokybė (M2) (D)
4 paveiksle pavaizduoti spindulio profiliai židinio plokštumoje ir esant nedideliam defokusavimui (200, 400 μm). Matavimai rodo, kad židinio plokštumoje židinio efektyvumas yra 76%, o tai reiškia, kad 76% spindulio energijos yra židinio diapazone. Išmatuotos M2 reikšmės x ir y kryptimis yra atitinkamai 1,05 ir 1,35, o tai rodo gerą pluošto kokybę. Rezultatai rodo, kad fazės moduliavimas, pagrįstas SLM, veiksmingai pagerina taško kokybę PMF išvesties židinio plokštumoje.
5 pav. PMF stiprintuvo nuolydžio efektyvumas (A), išėjimo spektras (B) ir linijos plotis (C) [1]
Taip pat buvo išmatuotas stiprintuvo išėjimo efektyvumas, spektras ir linijos plotis. PMF stiprintuvas pasiekė 82% nuolydžio efektyvumą, kaip parodyta 5 (A) paveiksle, atitinkantį teorines prognozes. Išvesties spektras (5B pav.) rodo signalo smailę ties 1064 nm, o santykinis ASE intensyvumas yra 52 dB, o kairioji -pusė rodo silpną liekamąjį siurblio signalą. Dėl itin siauro išvesties linijos pločio įprastiniais spektrometrais buvo sunku jį išmatuoti. Todėl įvesties ir išvesties linijų plotiams nustatyti buvo naudojami heterodininiai metodai. Šiame darbe sukonstruoto MMF stiprintuvo išvesties linijos plotis yra 35 kHz (20- dB) / 1 kHz (3 dB, ty visas plotis ne daugiau kaip pusė), o tai nerodo reikšmingo skirtumo nuo įvesties linijos pločio. Jo puiki laiko darna atitinka tikslių interferometrinių matavimų reikalavimus. Šiame darbe sistemingai plėtojama daugiamodio pluošto SBS teorija, atsižvelgiant į siurblio išeikvojimą ir stiprinimo prisotinimą. Jame siūloma integruoti daugiamodį skaidulų stiprinimą su bangos fronto fazės moduliavimu, kad vienu metu būtų pasiektas SBS slopinimas ir išvesties taško optimizavimas. Sukonstruotas MMF stiprintuvas veikia dideliu galingumu, dideliu efektyvumu ir siauru linijos pločiu, užtikrindamas aukštą darną. Ši technologija turi potencialų pritaikymą nuoseklaus pluošto derinimo, didelio masto interferometrijos ir nukreiptos energijos sistemose.
Nuorodos: [1] Stefan Rothe ir kt., Bangos fronto formavimas įgalina didelės-galios daugiamodį skaidulinį stiprintuvą su išvesties fokusavimu. Mokslas 390, 173–177 (2025).
