Vlaknasti-laseri velike snage služe kao ključni alati u znanstvenim, industrijskim i obrambenim aplikacijama. Primarna prepreka daljnjem skaliranju snage jedno-frekventnih optičkih laserskih pojačala je stimulirano Brillouinovo raspršenje (SBS). Kada optička snaga prijeđe SBS prag, svjetlo-odaslanog signala naprijed pobuđuje intenzivno Stokesovo svjetlo unatrag. Ovo ne samo da troši energiju pumpe i smanjuje izlaznu učinkovitost, već može oštetiti-prednje precizne komponente. Povećanje promjera jezgre vlakna i širenje spektra signala može povisiti SBS prag, čime se potiskuju SBS efekti u jedno-frekventnim optičkim pojačalima. Trenutačni napori za ublažavanje SBS-a uglavnom su ograničeni na jedno-mod ili nekoliko-modnih optičkih pojačala s visokom kvalitetom snopa, zbog čega je izazovno istovremeno postići veliku snagu, usku širinu linije i visoko{12}}kvalitetni izlaz snopa. Ovaj rad istražuje pojačalo s višemodnim vlaknom (MMF) gdje je SBS značajno potisnut zbog smanjenog optičkog intenziteta u velikoj jezgri i širenja spektra Brillouinova raspršenja uzrokovanog višemodnom pobudom. Primjenom prostornog oblikovanja valne fronte na ulaznu svjetlost nelinearnog pojačala, izlazna zraka se fokusira na difrakcijski-ograničenu točku, postižući veliku snagu (503 W), usku širinu linije (1 kHz) i visoko{18}}kvalitetu izlazne zrake.
Slika 1. Shema eksperimentalne optičke postavke
Slika 1 prikazuje optički postav ove studije. Početno svjetlo na valnoj duljini od 1064 nm prolazi kroz pred-pojačanje i širenje snopa u jedno-modnom vlaknu prije nego što njegovu fazu valne fronte modulira prostorni svjetlosni modulator (SLM). Modulirano signalno svjetlo prvo se spaja u pasivno višemodno vlakno, kombinira se sa svjetlom pumpe, a zatim se pojačava u Yb-dopiranom višemodnom vlaknu koje podržava 76 modova. Nakon pojačanja, signalno svjetlo ulazi u mjerni put za procjenu parametara uključujući snagu, spektar, širinu linije, žarišnu točku i fazu. Ova studija istražuje SBS karakteristike u višemodnim vlaknima. Rezultati pokazuju da je SBS prag (maksimalna snaga bez SBS generiranja) u MMF-u značajno viši nego u jednom-modnom vlaknu. Rezultati simulacije pokazuju da je za upotrijebljeni MMF (promjer jezgre 42 μm) SBS prag približno 24 W kada se pobuđuje samo osnovni mod, što je 8 puta više nego kod jedno{17}}modnog vlakna promjera 15 μm. Zbog neizbježnog sprezanja modova u vlaknu, MMF ne može postići čistu pobudu osnovnog moda. Mjerenja ukazuju na SBS prag od 59 W pod nekoliko-pobudom i 97 W pod više-pobudom u MMF-u, kao što je prikazano na slici 2(A).
Slika 2 (A) SBS pragovi u jedno-modnim i višemodnim vlaknima; (B) SBS spektri pojačanja za osnovnu i višemodnu ekscitaciju u MMF
Ovaj rad uspostavlja polu{0}}analitičku teoriju za SBS u MMF pojačalima, analizirajući spregu između signalnih svjetala različitih modova i Stokesovog svjetla kako bi se dobili odgovarajući koeficijenti pojačanja SBS. Ova teorija ukazuje da je SBS koeficijent pojačanja u višemodnim uvjetima pobude unutar MMF-a niži nego u bilo kojem -scenariju pobude s jednim modom. Višemodna pobuda u MMF-u značajno proširuje spektar pojačanja SBS-a, smanjuje vrh pojačanja i postiže povećanje praga SBS-a, kao što je prikazano na slici 2(B). Zbog prirode širenja Stokesove svjetlosti unatrag, veće duljine MMF-a rezultiraju većim SBS pojačanjem i odgovarajućim nižim pragom. Eksperimenti pokazuju da se svjetlo pumpe iscrpljuje unutar približno 6 m. Skraćivanjem duljine vlakna i mjerenjem praga SBS-a, rezultati pokazuju da je prag SBS-a obrnuto proporcionalan efektivnoj duljini MMF-a. Na MMF duljini od 3,7 m, pojačalo postiže maksimalni SBS prag (tj. vršnu izlaznu snagu) od 503 W, što je pet puta više od SBS praga (teorijski rezultat izračuna) samo za pobudu osnovnog moda.
Slika 3. Odnos između efektivne duljine novčanog fonda i praga SBS-a; umetak: izlazni intenzitet žarišne točke u odnosu na fazu
Za kontrolu izlaza MMF-a, ova je studija modulirala fazu valne fronte pomoću modulatora prostornog svjetla (SLM) prije nego što je signalno svjetlo ušlo u MMF. Raspon modulacije pokrivao je cijeli ulazni otvor MMF-a. Unutar ovog raspona modulacije, pikseli su podijeljeni u 256 makropiksela. Počevši od središnjeg piksela, faza svakog piksela je skenirana u spiralnom uzorku kako bi se postigao optimalan izlaz na žarišnoj ravnini. Pod utjecajem kontrole faze valnog fronta, dolazi do interferencije između različitih modova unutar MMF-a, tvoreći visoko-točku kvalitete na izlaznoj žarišnoj ravnini. Intenzitet točke i distribucija faze prikazani su u umetku u gornjem desnom dijelu slike 3, otkrivajući jednoliku distribuciju intenziteta i faze, što ukazuje na izvrsnu kvalitetu točke na žarišnoj ravnini. Slika 4: Točke na MMF žarišnoj ravnini (A) i na blago defokusiranim pozicijama (B, C); izmjerena kvaliteta izlaznog snopa (M2) (D)
Slika 4 prikazuje profile zraka u žarišnoj ravnini i pod blagim defokusiranjem (200, 400 μm). Mjerenja pokazuju žarišnu učinkovitost od 76% u žarišnoj ravnini, što znači da se 76% energije snopa nalazi unutar žarišnog raspona. Izmjerene vrijednosti M2 u x i y smjeru su 1,05 odnosno 1,35, što ukazuje na dobru kvalitetu snopa. Rezultati pokazuju da fazna modulacija temeljena na SLM-u učinkovito poboljšava kvalitetu točke na žarišnoj ravnini MMF izlaza.
Slika 5: Učinkovitost nagiba (A), izlazni spektar (B) i širina linije (C) MMF pojačala [1]
Također su izmjereni izlazna učinkovitost pojačala, spektar i širina linije. MMF pojačalo postiglo je učinkovitost nagiba od 82%, kao što je prikazano na slici 5(A), u skladu s teorijskim predviđanjima. Izlazni spektar (Slika 5B) pokazuje vrh signala na 1064 nm s relativnim ASE intenzitetom od 52 dB, dok vrh s lijeve -strane predstavlja slab rezidualni signal pumpe. Zbog iznimno uske izlazne širine linije, konvencionalni spektrometri su se teško mogli izmjeriti. Stoga su korištene heterodinske metode za određivanje ulazne i izlazne širine linije. MMF pojačalo konstruirano u ovom radu pokazuje izlaznu širinu linije od 35 kHz (20-dB) / 1 kHz (3-dB, tj. puna širina na pola maksimuma), ne pokazujući značajnu razliku u odnosu na ulaznu širinu linije. Njegova izvrsna vremenska koherencija ispunjava zahtjeve za precizna interferometrijska mjerenja. Ovaj rad sustavno razrađuje SBS teoriju višemodnog vlakna uzimajući u obzir iscrpljenost pumpe i zasićenje pojačanja. Predlaže integraciju pojačanja višemodnog vlakna s faznom modulacijom valne fronte kako bi se istovremeno postiglo suzbijanje SBS-a i optimizacija izlazne točke. Konstruirano MMF pojačalo radi velikom snagom, visokom učinkovitošću i uskom širinom linije, osiguravajući visoku koherenciju. Ova tehnologija ima potencijalne primjene u koherentnom kombiniranju zraka, interferometriji velikih razmjera i sustavima usmjerene energije.
Reference: [1] Stefan Rothe et al., Wavefront shaping enables high-pojačalo višemodnih vlakana s izlaznim fokusom. Znanost 390, 173–177 (2025).
