Мощные-волоконные лазеры служат незаменимым инструментом в научных, промышленных и оборонных приложениях. Основным препятствием на пути дальнейшего увеличения мощности одночастотных волоконных лазерных усилителей является вынужденное рассеяние Бриллюэна (ВРМБ). Когда оптическая мощность превышает порог SBS, передаваемый вперед сигнальный свет - возбуждает интенсивный обратный стоксов свет. Это не только истощает энергию насоса и снижает выходную эффективность, но также может повредить прецизионные компоненты-переднего конца. Увеличение диаметра сердцевины волокна и расширение спектра сигнала могут повысить порог SBS, тем самым подавляя эффекты SBS в одночастотных волоконных усилителях. Текущие усилия по снижению SBS в основном ограничиваются одномодовыми или многомодовыми оптоволоконными усилителями с высоким качеством луча, что затрудняет одновременное достижение высокой мощности, узкой ширины линии и высокого-качества выходного луча. В данной статье исследуется усилитель многомодового волокна (ММФ), в котором ВРМБ значительно подавляется из-за снижения оптической интенсивности в большой сердцевине и расширения спектра бриллюэновского рассеяния, вызванного многомодовым возбуждением. Применяя пространственное формирование волнового фронта к входному свету нелинейного усилителя, выходной луч фокусируется в дифракционно-ограниченном пятне, обеспечивая высокую мощность (503 Вт), узкую ширину линии (1 кГц) и высокое-качество выходного луча.
Рис. 1. Схема экспериментальной оптической установки.
На рисунке 1 показана оптическая установка данного исследования. Исходный свет с длиной волны 1064 нм подвергается предварительному-усилению и расширению луча в одномодовом волокне, прежде чем его фаза волнового фронта модулируется пространственным модулятором света (SLM). Модулированный световой сигнал сначала подается в пассивное многомодовое волокно, объединяется со светом накачки, а затем усиливается в многомодовом усиленном волокне, легированном Yb-, поддерживающем 76 мод. После усиления сигнальный свет поступает на путь измерения для оценки параметров, включая мощность, спектр, ширину линии, фокальное пятно и фазу. В данном исследовании исследуются характеристики SBS в многомодовых волокнах. Результаты показывают, что порог SBS (максимальная мощность без генерации SBS) в MMF значительно выше, чем в одномодовом волокне. Результаты моделирования показывают, что для используемого ММФ (диаметр сердцевины 42 мкм) порог ВРМБ составляет примерно 24 Вт при возбуждении только основной моды, что в 8 раз выше, чем у одномодового волокна диаметром 15 мкм. Из-за неизбежной связи мод в волокне MMF не может обеспечить возбуждение чистой основной моды. Измерения показывают, что порог SBS составляет 59 Вт при нескольких-модовом возбуждении и 97 Вт при много-модовом возбуждении в MMF, как показано на рисунке 2(A).
Рисунок 2 (A) Пороги SBS в одномодовых и многомодовых волокнах; (Б) Спектры усиления ВРМБ при фундаментальном и многомодовом возбуждении в ММП.
В этой статье создана полу-аналитическая теория SBS в усилителях MMF, анализирующая связь между сигнальными огнями разных режимов и стоксовым светом для получения соответствующих коэффициентов усиления SBS. Эта теория указывает на то, что коэффициент усиления ВРМБ в условиях многомодового возбуждения внутри ММП ниже, чем в любом сценарии одномодового возбуждения. Многомодовое возбуждение в MMF значительно расширяет спектр усиления SBS, уменьшает пик усиления и обеспечивает увеличение порога SBS, как показано на рисунке 2 (B). Из-за обратного распространения стоксова света более длинные длины MMF приводят к большему усилению SBS и, соответственно, к более низкому порогу. Эксперименты показывают, что свет накачки исчерпывается примерно за 6 м. При сокращении длины волокна и измерении порога SBS результаты показывают, что порог SBS обратно пропорционален эффективной длине MMF. При длине MMF 3,7 м усилитель достигает максимального порога SBS (т. е. пиковой выходной мощности) 503 Вт, что в пять раз превышает порог SBS (результат теоретического расчета) только для возбуждения основной моды.
Рисунок 3. Зависимость между эффективной длиной MMF и порогом SBS; вставка: интенсивность выходного фокального пятна в зависимости от фазы
Чтобы контролировать выход MMF, в этом исследовании фаза волнового фронта модулировалась с помощью пространственного модулятора света (SLM) до того, как сигнальный свет попадал в MMF. Диапазон модуляции охватывал всю входную апертуру ММП. В этом диапазоне модуляции пиксели были разделены на 256 макропикселей. Начиная с центрального пикселя, фаза каждого пикселя сканировалась по спирали для достижения оптимального результата в фокальной плоскости. Под влиянием управления фазовым фронтом возникает интерференция между различными модами внутри ММП, образуя пятно высокого-качества на выходной фокальной плоскости. Интенсивность пятна и распределение фазы показаны на вставке в правом верхнем углу рисунка 3, демонстрируя равномерное распределение интенсивности и фазы, что указывает на превосходное качество пятна в фокальной плоскости. Рисунок 4: Пятна в фокальной плоскости ММП (А) и в слегка расфокусированных положениях (Б, С); измеренное качество выходного луча (M2) (D)
На рис. 4 показаны профили пучка в фокальной плоскости и при небольшой дефокусировке (200, 400 мкм). Измерения показывают, что эффективность фокусировки в фокальной плоскости составляет 76 %, что означает, что 76 % энергии луча находится в пределах диапазона фокусировки. Измеренные значения M2 в направлениях x и y составляют 1,05 и 1,35 соответственно, что указывает на хорошее качество луча. Результаты показывают, что фазовая модуляция на основе SLM эффективно улучшает качество пятна в фокальной плоскости выходного сигнала MMF.
Рисунок 5: Наклонная эффективность (A), выходной спектр (B) и ширина линии (C) усилителя MMF [1]
Также были измерены выходная эффективность усилителя, спектр и ширина линии. Усилитель MMF достиг эффективности наклона 82%, как показано на рисунке 5 (A), что соответствует теоретическим предсказаниям. Выходной спектр (рис. 5B) показывает пик сигнала на длине волны 1064 нм с относительной интенсивностью ASE 52 дБ, а левый пик представляет собой слабый остаточный сигнал накачки. Из-за чрезвычайно узкой ширины выходной линии обычные спектрометры с трудом могли ее измерить. Поэтому для определения ширины входной и выходной линии были использованы гетеродинные методы. Усилитель MMF, сконструированный в этой работе, имеет выходную ширину линии 35 кГц (20-дБ)/1 кГц (3 дБ, т. е. полную ширину на половине максимума), не показывая существенной разницы с входной шириной линии. Его превосходная временная когерентность отвечает требованиям прецизионных интерферометрических измерений. В данной статье систематически развивается теория SBS многомодового волокна с учетом истощения накачки и насыщения усиления. Он предлагает интеграцию усиления многомодового волокна с фазовой модуляцией волнового фронта для одновременного подавления SBS и оптимизации выходного пятна. Созданный усилитель MMF работает с высокой мощностью, высоким КПД и узкой шириной линии, обеспечивая высокую когерентность. Эта технология имеет потенциальное применение в когерентном объединении лучей, крупномасштабной интерферометрии и системах направленной энергии.
Ссылки: [1] Стефан Роте и др., Формирование волнового фронта позволяет использовать многомодовый оптоволоконный усилитель высокой мощности с фокусом выходного сигнала. Наука 390, 173–177 (2025).
