Високо{0}}мощните оптични лазери служат като жизненоважни инструменти в научни, индустриални и отбранителни приложения. Основната пречка пред по-нататъшното мащабиране на мощността на едно-честотните лазерни усилватели с влакна е стимулираното разсейване на Брилуен (SBS). Когато оптичната мощност превиши прага на SBS, предаваната-напред сигнална светлина възбужда интензивна обратна Стоксова светлина. Това не само изчерпва енергията на помпата и намалява изходната ефективност, но може също така да повреди предните-прецизни компоненти. Увеличаването на диаметъра на сърцевината на влакното и разширяването на спектъра на сигнала може да повиши прага на SBS, като по този начин потиска SBS ефектите в едно-честотните влакнести усилватели. Настоящите усилия за смекчаване на SBS са до голяма степен ограничени до един-режим или няколко-модови усилватели с влакна с високо качество на лъча, което прави предизвикателство едновременното постигане на висока мощност, тясна ширина на линията и високо-качествен изход на лъча. Тази статия изследва усилвател с многомодови влакна (MMF), където SBS е значително потиснат поради намален оптичен интензитет в голямата сърцевина и разширяване на спектъра на разсейване на Brillouin, причинено от многомодово възбуждане. Чрез прилагане на пространствено оформяне на вълновия фронт към входната светлина на нелинейния усилвател, изходният лъч се фокусира към дифракционно-ограничено място, постигайки висока мощност (503 W), тясна ширина на линията (1 kHz) и високо-качествен изходен лъч.
Фигура 1 Схема на експерименталната оптична настройка
Фигура 1 показва оптичната настройка на това изследване. Зародишната светлина при дължина на вълната 1064 nm претърпява предварително-усилване и разширяване на лъча в едно-модово влакно, преди фазата му на вълновия фронт да бъде модулирана от модулатор на пространствена светлина (SLM). Модулираната сигнална светлина първо се свързва в пасивно многомодово влакно, комбинирано със светлината на помпата и след това се усилва в многомодово усилващо влакно с добавка Yb-, поддържащо 76 режима. След усилване сигналната светлина влиза в пътя на измерване за оценка на параметри, включително мощност, спектър, ширина на линията, фокусно петно и фаза. Това проучване изследва характеристиките на SBS в многомодови влакна. Резултатите показват, че прагът на SBS (максимална мощност без генериране на SBS) в MMF е значително по-висок, отколкото в едно-модовото влакно. Резултатите от симулацията показват, че за използвания MMF (диаметър на сърцевината 42 μm), прагът на SBS е приблизително 24 W, когато се възбужда само основният мод, което е 8 пъти по-високо от това на едно-модово влакно с диаметър 15 μm. Поради неизбежното свързване на мода във влакното, MMF не може да постигне чисто основно възбуждане на мода. Измерванията показват праг на SBS от 59 W при няколко-модово възбуждане и 97 W при много-модово възбуждане в MMF, както е показано на фигура 2(A).
Фигура 2 (A) Прагове на SBS в едно-модови и многомодови влакна; (B) SBS спектри на усилване за основно и многомодово възбуждане в MMF
Този документ установява полу{0}}аналитична теория за SBS в MMF усилватели, като анализира свързването между сигналните светлини с различни режими и светлината на Стокс, за да извлече съответните коефициенти на усилване на SBS. Тази теория показва, че коефициентът на усилване на SBS при многомодови условия на възбуждане в рамките на MMF е по-нисък, отколкото при всеки -сценарий на възбуждане с единичен режим. Многомодовото възбуждане в MMF значително разширява спектъра на усилване на SBS, намалява пика на усилването и постига повишаване на прага на SBS, както е показано на Фигура 2 (B). Поради природата на обратното разпространение на светлината на Стокс, по-дългите дължини на MMF водят до по-голямо усилване на SBS и съответно по-нисък праг. Експериментите показват, че светлината на помпата се изчерпва в рамките на приблизително 6 m. Чрез скъсяване на дължината на влакното и измерване на прага на SBS, резултатите показват, че прагът на SBS е обратно пропорционален на ефективната дължина на MMF. При дължина на MMF от 3,7 m, усилвателят постига максимален праг на SBS (т.е. пикова изходна мощност) от 503 W, което е пет пъти прага на SBS (теоретичен резултат от изчислението) само за възбуждане на основния режим.
Фигура 3 Връзка между ефективната дължина на ФПП и прага на SBS; вмъкване: интензитетът на изходното фокусно петно спрямо фазата
За да контролира изхода на MMF, това проучване модулира фазата на вълновия фронт с помощта на модулатор на пространствена светлина (SLM), преди сигналната светлина да влезе в MMF. Диапазонът на модулация обхваща цялата входна бленда на MMF. В рамките на този диапазон на модулация, пикселите бяха разделени на 256 макропиксела. Започвайки от централния пиксел, фазата на всеки пиксел беше сканирана в спираловиден модел, за да се постигне оптимален изход във фокалната равнина. Под влиянието на контрола на фазата на вълновия фронт възниква смущение между различни режими в рамките на MMF, образувайки високо-качествено петно върху изходната фокална равнина. Интензитетът на петна и фазовото разпределение са показани във вмъкването в горния десен ъгъл на Фигура 3, разкривайки равномерен интензитет и фазово разпределение, което показва отлично качество на петна във фокалната равнина. Фигура 4: Петна върху фокалната равнина на MMF (A) и при леко дефокусирани позиции (B, C); измерено качество на изходния лъч (M2) (D)
Фигура 4 показва профилите на лъча във фокалната равнина и при леко разфокусиране (200, 400 μm). Измерванията показват фокална ефективност от 76% във фокалната равнина, което означава, че 76% от енергията на лъча се намира във фокусния диапазон. Измерените стойности на M2 в посоките x и y са съответно 1,05 и 1,35, което показва добро качество на лъча. Резултатите показват, че фазовата модулация, базирана на SLM, ефективно подобрява качеството на спота във фокалната равнина на изхода на MMF.
Фигура 5: Ефективност на наклона (A), изходен спектър (B) и широчина на линията (C) на MMF усилвателя [1]
Изходната ефективност, спектърът и широчината на линията на усилвателя също бяха измерени. Усилвателят MMF постигна ефективност на наклона от 82%, както е показано на фигура 5(A), в съответствие с теоретичните прогнози. Изходният спектър (Фигура 5B) показва пик на сигнала при 1064 nm с относителен интензитет на ASE от 52 dB, докато левият-пик представлява слаб остатъчен сигнал на помпата. Поради изключително тясната ширина на линията на изхода, конвенционалните спектрометри се затрудняваха да го измерват. Поради това бяха използвани хетеродинни методи за определяне на входната и изходната ширина на линията. MMF усилвателят, конструиран в тази работа, показва изходна широчина на линията от 35 kHz (20-dB) / 1 kHz (3-dB, т.е. пълна ширина на половината от максимума), като не показва значителна разлика от входната широчина на линията. Неговата отлична времева кохерентност отговаря на изискванията за прецизни интерферометрични измервания. Тази статия систематично разработва теорията за многомодовото влакно SBS, като се има предвид изчерпването на помпата и насищането на усилването. Той предлага интегриране на усилване на многомодовото влакно с фазова модулация на вълновия фронт, за да се постигне едновременно потискане на SBS и оптимизиране на изходното място. Конструираният MMF усилвател работи с висока мощност, висока ефективност и тясна ширина на линията, осигурявайки висока кохерентност. Тази технология има потенциални приложения в кохерентно комбиниране на лъчи, широкомащабна интерферометрия и насочени енергийни системи.
Референции: [1] Stefan Rothe et al., Wavefront shaping позволява високо-мощен многомодов влакнен усилвател с изходен фокус. Science 390, 173–177 (2025).
