Ласери{0}}с влакнима велике снаге служе као витални алати у научним, индустријским и одбрамбеним апликацијама. Примарна препрека даљем скалирању снаге ласерских појачивача са једном{2}} фреквенцијом је стимулисано Брилуеново расејање (СБС). Када оптичка снага премаши СБС праг, сигнално светло-преношено унапред побуђује интензивно Стоксово светло уназад. Ово не само да исцрпљује енергију пумпе и смањује излазну ефикасност, већ може да оштети и прецизне компоненте предњег{6}}краја. Повећање пречника језгра влакна и ширење спектра сигнала могу подићи СБС праг, чиме се потискују СБС ефекти у појачивачима са једном{8}}фреквенцијом. Тренутни СБС напори за ублажавање утицаја су углавном ограничени на једно-модно или неколико-модних појачивача са влакнима високог квалитета снопа, што чини изазовом истовремено постизање велике снаге, уске ширине линије и високог{12}}квалитетног излазног снопа. Овај рад истражује појачивач са вишемодним влакнима (ММФ) где је СБС значајно потиснут услед смањеног оптичког интензитета у великом језгру и проширења Брилуеновог спектра расејања изазваног мултимодном побудом. Применом просторног обликовања таласног фронта на улазно светло нелинеарног појачала, излазни сноп се фокусира на тачку ограничену дифракцијом-, постижући велику снагу (503 В), уску ширину линије (1 кХз) и -излаз снопа високог квалитета.
Слика 1 Шема експерименталне оптичке поставке
Слика 1 приказује оптичку поставку ове студије. Светлост семена на таласној дужини од 1064 нм се подвргава пред-појачавању и ширењу снопа у једном{4}}модном влакну пре него што се фаза таласног фронта модулира помоћу просторног модулатора светлости (СЛМ). Модулирано сигнално светло се прво спаја у пасивно мултимодно влакно, комбинује се са светлом пумпе, а затим се појачава у Иб-допираном вишемодном влакну за појачање које подржава 76 модова. Након појачања, сигнално светло улази у пут мерења за процену параметара укључујући снагу, спектар, ширину линије, жаришну тачку и фазу. Ова студија истражује СБС карактеристике у мултимодним влакнима. Резултати показују да је СБС праг (максимална снага без СБС генерисања) у ММФ-у значајно виши него у једном{11}}модном влакну. Резултати симулације показују да је за коришћени ММФ (пречник језгра 42 μм), СБС праг је приближно 24 В када се побуђује само основни мод, што је 8 пута више од оног код једномодног влакна пречника 15 μм. Због неизбежног спајања модова у влакну, ММФ не може постићи чисто фундаментално побуђивање. Мерења показују СБС праг од 59 В под неколико-мода побуде и 97 В под више-побуђењем у ММФ-у, као што је приказано на слици 2(А).
Слика 2 (А) СБС прагови у сингле-модним и вишемодним влакнима; (Б) СБС спектри појачања за фундаменталну и вишемодну побуду у ММФ
Овај рад успоставља полу{0}}аналитичку теорију за СБС у ММФ појачавачима, анализирајући спрегу између сигналних светала различитих модова и Стоксове светлости да би се извели одговарајући СБС коефицијенти појачања. Ова теорија указује да је СБС коефицијент појачања у условима вишемодног побуђивања унутар ММФ-а нижи него у било ком сценарију побуде једног{2}}мода. Вишемодна побуда у ММФ-у значајно проширује спектар СБС појачања, смањује максимум појачања и постиже повећање СБС прага, као што је приказано на слици 2(Б). Због природе стоксовог простирања уназад, дуже ММФ дужине резултирају већим СБС појачањем и сходно томе нижим прагом. Експерименти показују да се светло пумпе исцрпљује у року од приближно 6 м. Скраћивањем дужине влакана и мерењем СБС прага, резултати показују да је СБС праг обрнуто пропорционалан ефективној дужини ММФ-а. На дужини ММФ-а од 3,7 м, појачало постиже максимални СБС праг (тј. вршну излазну снагу) од 503 В, што је пет пута више од СБС прага (теоријски резултат прорачуна) само за побуду основног мода.
Слика 3 Однос између ефективне дужине ММФ и СБС прага; уметак: излазни интензитет жаришне тачке у односу на фазу
Да би контролисала излаз ММФ, ова студија је модулисала фазу таласног фронта користећи просторни модулатор светлости (СЛМ) пре него што је сигнална светлост ушла у ММФ. Опсег модулације покривао је цео улазни отвор ММФ-а. У оквиру овог опсега модулације, пиксели су подељени на 256 макропиксела. Почевши од централног пиксела, фаза сваког пиксела је скенирана у спиралном узорку да би се постигао оптималан излаз на фокалној равни. Под утицајем контроле фазе таласног фронта, долази до интерференције између различитих модова унутар ММФ-а, формирајући-тачку високог квалитета на излазној фокалној равни. Интензитет тачке и дистрибуција фазе приказани су на уметку у горњем десном углу слике 3, откривајући уједначену дистрибуцију интензитета и фазе, што указује на одличан квалитет тачке на фокалној равни. Слика 4: Тачке на ММФ фокалној равни (А) и на благо дефокусираним позицијама (Б, Ц); измерени квалитет излазног снопа (М2) (Д)
Слика 4 приказује профиле зрака у фокалној равни и под благим дефокусирањем (200, 400 μм). Мерења показују жижну ефикасност од 76% у жижној равни, што значи да 76% енергије снопа лежи унутар фокусног опсега. Измерене вредности М2 у к и и смеру су 1,05 и 1,35, респективно, што указује на добар квалитет зрака. Резултати показују да фазна модулација заснована на СЛМ ефективно побољшава квалитет спота на фокалној равни ММФ излаза.
Слика 5: Ефикасност нагиба (А), излазни спектар (Б) и ширина линије (Ц) ММФ појачавача [1]
Измерени су и излазна ефикасност појачавача, спектар и ширина линије. ММФ појачавач је постигао ефикасност нагиба од 82%, као што је приказано на слици 5(А), у складу са теоријским предвиђањима. Излазни спектар (слика 5Б) показује пик сигнала на 1064 нм са релативним интензитетом АСЕ од 52 дБ, док лева-пик представља слаб резидуални сигнал пумпе. Због изузетно уске ширине излазне линије, конвенционални спектрометри су се борили да је измере. Због тога су коришћене хетеродинске методе за одређивање ширине улазне и излазне линије. ММФ појачало конструисано у овом раду показује излазну ширину линије од 35 кХз (20-дБ) / 1 кХз (3-дБ, тј. пуну ширину на пола максимума), не показујући значајну разлику у односу на ширину улазне линије. Његова одлична временска кохерентност испуњава захтеве за прецизна интерферометријска мерења. Овај рад систематски елаборира мултимодну СБС теорију влакана с обзиром на исцрпљивање пумпе и засићење појачања. Предлаже интеграцију мултимодног појачања влакана са фазном модулацијом таласног фронта да би се истовремено постигла СБС супресија и оптимизација излазне тачке. Конструисано ММФ појачало ради при великој снази, високој ефикасности и уској ширини линије, обезбеђујући високу кохерентност. Ова технологија има потенцијалне примене у комбиновању кохерентног снопа, интерферометрији великих размера и системима усмерене енергије.
Референце: [1] Стефан Ротхе ет ал., Обликовање таласног фронта омогућава високо{2}}мултимодно појачало са влакнима велике снаге са излазним фокусом. Наука 390, 173–177 (2025).
