Lasery światłowodowe i wzmacniacze dużej mocy

W przypadku szczególnie dużych mocy obszar rdzenia musi być wystarczająco duży, ponieważ intensywność światła będzie bardzo wysoka, a innym powodem jest to, że stosunek płaszcza do powierzchni rdzenia we włóknach z podwójnym płaszczem jest duży, co skutkuje niską absorpcją pompy. Gdy powierzchnia rdzenia jest rzędu kilku tysięcy mikrometrów kwadratowych, możliwe jest zastosowanie rdzenia światłowodowego jednomodowego. Używając światłowodu wielomodowego, gdy obszar modowy jest stosunkowo duży, można uzyskać wiązkę wyjściową dobrej jakości, a fala świetlna jest głównie modą podstawową. (Wzbudzenie modów wyższego rzędu jest również możliwe do pewnego stopnia przez nawijanie światłowodu, z wyjątkiem przypadku silnego sprzężenia modów przy dużych mocach) Gdy obszar modów staje się większy, jakość wiązki nie może już dłużej pozostawać ograniczona dyfrakcją, ale w porównaniu do W przypadku np. laserów prętowych działających przy podobnych natężeniach mocy, wynikowa jakość wiązki jest nadal całkiem dobra.

Istnieje kilka opcji wstrzykiwania światła pompy o bardzo dużej mocy. Najprostszym sposobem jest pompowanie okładziny bezpośrednio do portu światłowodu. Ta metoda nie wymaga specjalnych elementów światłowodowych, ale światło pompy dużej mocy musi rozchodzić się w powietrzu, zwłaszcza na granicy powietrze-szkło, która jest bardzo wrażliwa na kurz lub niewspółosiowość. W wielu przypadkach preferowane jest zastosowanie sprzężonej ze światłowodem diody pompującej, tak aby światło pompy było zawsze transmitowane we włóknie. Inną opcją jest wprowadzenie światła pompy do włókna pasywnego (niedomieszkowanego) i owinięcie włókna pasywnego wokół włókna domieszkowanego, tak aby światło pompy było stopniowo przenoszone do włókna domieszkowanego. Istnieje kilka sposobów wykorzystania specjalnego urządzenia łączącego pompę do połączenia niektórych włókien pompy i domieszkowanych włókien sygnałowych. Istnieją inne metody oparte na cewkach światłowodowych pompowanych z boku (lasery dyskowe światłowodowe) lub rowkach w płaszczu pompy, dzięki którym można wstrzykiwać światło pompy. Ta ostatnia technika pozwala na wielopunktowe wstrzykiwanie światła pompującego, dzięki czemu lepiej rozkłada obciążenie termiczne.

Rysunek 2: Schemat konfiguracji dwupłaszczowego wzmacniacza światłowodowego dużej mocy ze światłem pompy wchodzącym do portu światłowodu przez wolną przestrzeń. Interfejs szkła gazowego musi być ściśle wyrównany i czysty.

Porównanie wszystkich metod wstrzykiwania światła w pompie jest skomplikowane, ponieważ obejmuje wiele aspektów: wydajność transferu, utrata jasności, łatwość obróbki, elastyczność działania, możliwe odbicia wsteczne, wyciek światła z rdzenia światłowodu do źródła światła w pompie, Zachowaj wybór polaryzacji itp.
Chociaż niedawny rozwój urządzeń światłowodowych dużej mocy był bardzo szybki, nadal istnieją pewne ograniczenia, które utrudniają dalszy rozwój:
Natężenie światła urządzeń światłowodowych dużej mocy jest znacznie lepsze. Obecnie zwykle można osiągnąć progi szkód materialnych. Dlatego istnieje potrzeba zwiększenia obszaru modowego (światłowody o dużym obszarze modowym), ale ta metoda ma ograniczenia, gdy wymagana jest wysoka jakość wiązki.
Straty mocy na jednostkę długości osiągnęły wartość rzędu 100 W/m, co skutkuje silnymi efektami termicznymi we włóknie. Zastosowanie chłodzenia wodnego może znacznie poprawić moc. Dłuższe włókna o niższym stężeniu domieszkowania są łatwiejsze do schłodzenia, ale zwiększa to efekty nieliniowe.
W przypadku światłowodów, które nie są ściśle jednomodowe, występuje niestabilność modalna, gdy moc wyjściowa jest większa niż określony próg, zazwyczaj kilkaset watów. Niestabilności modowe powodują nagły spadek jakości wiązki, co jest efektem siatek termicznych we włóknie (które szybko oscylują w przestrzeni).
Nieliniowość światłowodu wpływa na wiele aspektów. Nawet w konfiguracji CW wzmocnienie Ramana jest tak wysokie (nawet w decybelach), że znaczna część mocy jest przenoszona na falę Stokesa o większej długości fali, której nie można wzmocnić. Działanie na jednej częstotliwości jest znacznie ograniczone przez stymulowane rozpraszanie Brillouina. Oczywiście istnieją metody pomiarowe, które mogą w pewnym stopniu zniwelować ten efekt. Ultrakrótkie impulsy generowane w laserach z synchronizacją modów, samomodulacja fazy, spowodują na nich silny efekt poszerzenia widma. Ponadto istnieją inne problemy związane z wprowadzaniem nieliniowej rotacji polaryzacji.
Ze względu na powyższe ograniczenia, urządzenia światłowodowe dużej mocy generalnie nie są ściśle uważane za skalowalne urządzenia zasilające, przynajmniej nie poza osiągalnym zakresem mocy. (Poprzednie ulepszenia nie były osiągane za pomocą pojedynczego skalowania mocy, ale dzięki ulepszonym projektom światłowodów i diodom pompującym). Ma to istotne konsekwencje przy porównywaniu technologii lasera światłowodowego z laserami cienkodyskowymi. Jest to dokładniej opisane we wpisie Kalibracja mocy lasera.
Nawet bez rzeczywistego skalowania mocy można wykonać wiele pracy, aby poprawić ustawienia lasera o dużej mocy. Z jednej strony konieczne jest ulepszenie konstrukcji światłowodu, takie jak zastosowanie dużego obszaru modowego światłowodu i prowadzenia jednomodowego, co zwykle osiąga się za pomocą światłowodów fotonicznych. Wiele komponentów światłowodowych jest bardzo ważnych, takich jak specjalne łączniki pomp, stożki światłowodowe do łączenia włókien o różnych rozmiarach modów oraz specjalne urządzenia chłodzące włókna. Po osiągnięciu limitu mocy określonego włókna, kolejną opcją są belki kompozytowe i istnieją odpowiednie konfiguracje światłowodów do wdrożenia tej techniki. W przypadku systemów wzmacniaczy ultrakrótkich impulsów istnieje wiele podejść do redukcji lub nawet częściowego wykorzystania nieliniowych efektów światłowodów, takich jak poszerzenie widma i późniejsza kompresja impulsów.