Yüksek-güçlü fiber lazerler bilimsel, endüstriyel ve savunma uygulamalarında hayati araçlar olarak hizmet eder. Tek-frekanslı fiber lazer amplifikatörlerin gücünün daha da ölçeklendirilmesinin önündeki başlıca engel, uyarılmış Brillouin saçılımıdır (SBS). Optik güç SBS eşiğini aştığında, ileri-iletilen sinyal ışığı yoğun geri Stokes ışığını uyarır. Bu yalnızca pompa enerjisini tüketip çıktı verimliliğini azaltmakla kalmaz, aynı zamanda ön uçtaki hassas bileşenlere de zarar verebilir. Fiber çekirdek çapının arttırılması ve sinyal spektrumunun genişletilmesi SBS eşiğini yükseltebilir, böylece tek-frekanslı fiber amplifikatörlerdeki SBS etkileri bastırılabilir. Mevcut SBS azaltma çabaları büyük ölçüde yüksek ışın kalitesine sahip tek-modlu veya birkaç{11}}modlu fiber amplifikatörlerle sınırlıdır; bu da eş zamanlı olarak yüksek güç, dar hat genişliği ve yüksek{12}}kaliteli ışın çıkışı elde etmeyi zorlaştırır. Bu makale, büyük çekirdekteki optik yoğunluğun azalması ve çok modlu uyarımın neden olduğu Brillouin saçılma spektrumunun genişlemesi nedeniyle SBS'nin önemli ölçüde baskılandığı çok modlu bir fiber (MMF) amplifikatörü araştırıyor. Doğrusal olmayan amplifikatörün giriş ışığına uzamsal dalga cephesi şekillendirmesi uygulanarak, çıkış ışını kırınım-sınırlı bir noktaya odaklanır, yüksek güç (503 W), dar hat genişliği (1 kHz) ve yüksek-kaliteli ışın çıkışı elde edilir.
Şekil 1 Deneysel optik kurulumun şeması
Şekil 1 bu çalışmanın optik kurulumunu göstermektedir. 1064 nm dalga boyundaki tohum ışığı, dalga cephesi fazı bir uzamsal ışık modülatörü (SLM) tarafından modüle edilmeden önce tek-modlu fiberde ön-amplifikasyona ve ışın genişletmeye tabi tutulur. Modüle edilmiş sinyal ışığı ilk olarak pasif çok modlu bir fibere bağlanır, pompa ışığıyla birleştirilir ve ardından 76 modu destekleyen Yb-katkılı çok modlu kazanç fiberinde güçlendirilir. Amplifikasyonun ardından sinyal ışığı, güç, spektrum, çizgi genişliği, odak noktası ve faz gibi parametrelerin değerlendirilmesi için ölçüm yoluna girer. Bu çalışma çok modlu fiberlerdeki SBS özelliklerini araştırmaktadır. Sonuçlar, MMF'deki SBS eşiğinin (SBS üretimi olmadan maksimum güç), tekli mod fibere göre önemli ölçüde daha yüksek olduğunu göstermektedir. Simülasyon sonuçları, kullanılan MMF (çekirdek çapı 42 μm) için, yalnızca temel mod uyarıldığında SBS eşiğinin yaklaşık 24 W olduğunu göstermektedir; bu, 15 μm çapındaki tek-modlu bir fiberinkinden 8 kat daha yüksektir. Fiberdeki kaçınılmaz mod eşleşmesi nedeniyle MMF, saf temel mod uyarımını sağlayamaz. Ölçümler, Şekil 2(A)'da gösterildiği gibi, MMF'de birkaç modlu uyarım altında 59 W'luk bir SBS eşiğini ve çoklu modlu uyarım altında 97 W'luk bir SBS eşiğini gösterir.
Şekil 2 (A) Tekli-modlu ve çok modlu fiberlerdeki SBS eşikleri; (B) MMF'de temel ve çok modlu uyarma için SBS kazanç spektrumları
Bu makale, karşılık gelen SBS kazanç katsayılarını türetmek için farklı mod sinyal ışıkları ile Stokes ışığı arasındaki bağlantıyı analiz ederek, MMF amplifikatörlerindeki SBS için yarı-bir yarı analitik teori oluşturur. Bu teori, MMF içindeki çok modlu uyarma koşullarında SBS kazanç katsayısının herhangi bir tek- modlu uyarma senaryosundan daha düşük olduğunu gösterir. MMF'deki çok modlu uyarma, Şekil 2(B)'de gösterildiği gibi, SBS kazanç spektrumunu önemli ölçüde genişletir, kazanç zirvesini azaltır ve SBS eşiğinde bir artış sağlar. Stokes ışığının geriye doğru yayılma özelliği nedeniyle, daha uzun MMF uzunlukları daha büyük SBS kazancına ve buna bağlı olarak daha düşük bir eşik değerine neden olur. Deneyler, pompa ışığının yaklaşık 6 m içinde tükendiğini göstermektedir. Fiber uzunluğunun kısaltılması ve SBS eşiğinin ölçülmesiyle elde edilen sonuçlar, SBS eşiğinin MMF'nin etkin uzunluğuyla ters orantılı olduğunu göstermektedir. 3,7 m'lik bir MMF uzunluğunda amplifikatör, 503 W'luk bir maksimum SBS eşiğine (yani tepe çıkış gücü) ulaşır; bu, yalnızca temel mod uyarımı için SBS eşiğinin (teorik hesaplama sonucu) beş katıdır.
Şekil 3 MMF'nin etkin uzunluğu ile SBS eşiği arasındaki ilişki; ek: çıktı odak noktası yoğunluğuna karşı faz
MMF çıkışını kontrol etmek için bu çalışma, sinyal ışığı MMF'ye girmeden önce bir uzaysal ışık modülatörü (SLM) kullanarak dalga cephesi fazını modüle etti. Modülasyon aralığı MMF'nin tüm giriş açıklığını kapsıyordu. Bu modülasyon aralığında pikseller 256 makropiksele bölündü. Odak düzleminde optimum çıktıyı elde etmek için merkezi pikselden başlayarak her pikselin fazı spiral bir düzende tarandı. Dalga cephesi faz kontrolünün etkisi altında, MMF içindeki farklı modlar arasında girişim meydana gelir ve çıkış odak düzleminde yüksek-kaliteli bir nokta oluşur. Nokta yoğunluğu ve faz dağılımı, Şekil 3'ün sağ üst kısmındaki küçük resimde gösterilmekte olup, odak düzleminde mükemmel nokta kalitesine işaret eden tek biçimli yoğunluk ve faz dağılımını ortaya koymaktadır. Şekil 4: MMF odak düzlemindeki (A) ve hafifçe odaklanmamış konumlardaki noktalar (B, C); ölçülen çıkış ışın kalitesi (M2) (D)
Şekil 4, odak düzlemindeki ve hafif odaklanma (200, 400 μm) altındaki ışın profillerini göstermektedir. Ölçümler odak düzleminde %76'lık bir odak verimliliğini gösterir; bu da ışın enerjisinin %76'sının odak aralığı içinde olduğu anlamına gelir. X ve y yönlerinde ölçülen M2 değerleri sırasıyla 1,05 ve 1,35 olup, iyi ışın kalitesini gösterir. Sonuçlar, SLM'ye dayalı faz modülasyonunun, MMF çıkışının odak düzlemindeki nokta kalitesini etkili bir şekilde iyileştirdiğini göstermektedir.
Şekil 5: MMF amplifikatörünün eğim verimliliği (A), çıkış spektrumu (B) ve hat genişliği (C) [1]
Amplifikatörün çıkış verimliliği, spektrumu ve hat genişliği de ölçüldü. MMF amplifikatörü, Şekil 5(A)'da gösterildiği gibi teorik tahminlerle tutarlı olarak %82'lik bir eğim verimliliğine ulaştı. Çıkış spektrumu (Şekil 5B), 52 dB bağıl ASE yoğunluğu ile 1064 nm'de bir sinyal tepe noktasını gösterirken, sol-taraftaki tepe noktası zayıf bir artık pompa sinyalini temsil eder. Son derece dar çıkış hattı genişliği nedeniyle, geleneksel spektrometreler bunu ölçmekte zorlandı. Bu nedenle giriş ve çıkış hat genişliklerini belirlemek için heterodin yöntemler kullanıldı. Bu çalışmada oluşturulan MMF amplifikatörü, giriş hat genişliğinden önemli bir fark göstermeyen, 35 kHz (20-dB) / 1 kHz (3-dB, yani yarı maksimumda tam genişlik) çıkış hat genişliği sergiler. Mükemmel zamansal tutarlılığı, hassas interferometrik ölçümlerin gereksinimlerini karşılar. Bu makale, pompanın tükenmesi ve doygunluk kazanımını göz önünde bulundurarak çok modlu fiber SBS teorisini sistematik olarak detaylandırmaktadır. SBS bastırma ve çıkış noktası optimizasyonunu aynı anda elde etmek için çok modlu fiber amplifikasyonunu dalga cephesi faz modülasyonuyla entegre etmeyi önerir. Oluşturulan MMF amplifikatörü yüksek güçte, yüksek verimlilikte ve dar hat genişliğinde çalışarak yüksek tutarlılık sağlar. Bu teknoloji tutarlı ışın birleştirme, büyük ölçekli interferometri ve yönlendirilmiş enerji sistemlerinde potansiyel uygulamalara sahiptir.
Referanslar: [1] Stefan Rothe ve diğerleri, Wavefront şekillendirme, çıkış odaklı yüksek-güçlü çok modlu fiber amplifikatöre olanak tanır. Bilim 390, 173–177 (2025).
