Tehokkaat kuitulaserit ja vahvistimet

Erityisen suuria tehoja varten sydämen pinta-alan on oltava riittävän suuri, koska valon intensiteetti on erittäin korkea, ja toinen syy on se, että kaksoispäällysteisissä kuiduissa verhouksen suhde ydinalueeseen on suuri, mikä johtaa alhaiseen pumpun absorptioon. Kun ytimen pinta-ala on useiden tuhansien neliömikrometrien luokkaa, on mahdollista käyttää yksimuotokuituydintä. Käyttämällä monimuotokuitua, kun tila-alue on suhteellisen suuri, voidaan saada hyvälaatuinen lähtösäde, ja valoaalto on pääasiassa perustila. (Korkeamman asteen moodien herättäminen on mahdollista myös jossain määrin kuitua käämimällä, paitsi jos kyseessä on voimakas moodikytkentä suurilla tehoilla) Kun moodialue kasvaa, säteen laatu ei voi enää pysyä diffraktiorajoitteisena, vaan verrataan. to Esimerkiksi vastaavilla tehovoimakkuuksilla toimiville sauvalasereille tuloksena oleva säteen laatu on edelleen melko hyvä.

Erittäin tehokkaan pumpun valon ruiskuttamiseen on useita vaihtoehtoja. Helpoin tapa on pumpata verhous suoraan kuituportista. Tämä menetelmä ei vaadi erityisiä kuitukomponentteja, mutta suuritehoisen pumpun valon täytyy levitä ilmassa, erityisesti ilma-lasirajapinnassa, joka on erittäin herkkä pölylle tai kohdistusvirheille. Monissa tapauksissa on suositeltavaa käyttää kuitukytkentäistä pumppudiodia, jotta pumpun valo välittyy aina kuidussa. Toinen vaihtoehto on syöttää pumpun valo passiiviseen kuituun (seostettuun) ja kääriä passiivikuitu seostetun kuidun ympärille niin, että pumpun valo siirtyy vähitellen seostettuun kuituun. On olemassa joitakin tapoja käyttää erityistä pumpun yhdistelmälaitetta joidenkin pumppukuitujen ja seostettujen signaalikuitujen sulattamiseen yhteen. On olemassa myös muita menetelmiä, jotka perustuvat sivupumppaaviin kuitukeloihin (kuitulevylaserit) tai pumpun verhouksen uriin, jotta pumpun valoa voidaan ruiskuttaa. Jälkimmäinen tekniikka mahdollistaa pumpun valon ruiskutuksen monipisteestä, mikä jakaa lämpökuorman paremmin.

Kuva 2: Kaavio suuritehoisesta kaksoispäällystetystä kuituvahvistimesta, jossa pumpun valo tulee kuituporttiin vapaan tilan kautta. Kaasulasirajapinnan on oltava tarkasti kohdistettu ja puhdas.

Kaikkien pumpun valon ruiskutusmenetelmien vertailu on monimutkaista, koska asiaan liittyy monia näkökohtia: siirtotehokkuus, kirkkauden menetys, käsittelyn helppous, joustava toiminta, mahdolliset takaheijastukset, valon vuoto kuidun ytimestä pumpun valonlähteeseen, Säilytä valinta polarisaatiosta jne.
Vaikka suuritehoisten kuituoptisten laitteiden viimeaikainen kehitys on ollut erittäin nopeaa, on edelleen joitain rajoituksia, jotka estävät jatkokehityksen:
Suuritehoisten kuituoptisten laitteiden valonvoimakkuus on parantunut huomattavasti. Aineellisten vahinkojen kynnysarvot voidaan nyt yleensä saavuttaa. Siksi on olemassa tarve lisätä moodialuetta (suuren moodialueen kuidut), mutta tällä menetelmällä on rajoituksia, kun vaaditaan korkeaa säteen laatua.
Tehohäviö pituusyksikköä kohti on saavuttanut luokkaa 100 W/m, mikä on johtanut vahvoihin lämpövaikutuksiin kuidussa. Vesijäähdytyksen käyttö voi parantaa tehoa huomattavasti. Pidemmät kuidut pienemmillä dopingpitoisuuksilla on helpompi jäähdyttää, mutta tämä lisää epälineaarisia vaikutuksia.
Ei tiukasti yksimuotokuiduissa modaalista epävakautta esiintyy, kun lähtöteho on suurempi kuin tietty kynnys, tyypillisesti muutama sata wattia. Moodin epävakaudet aiheuttavat äkillisen säteen laadun heikkenemisen, mikä on kuidun lämpöhitiloiden vaikutusta (jotka värähtelevät nopeasti avaruudessa).
Kuitujen epälineaarisuus vaikuttaa moniin näkökohtiin. Jopa CW-asetuksissa Raman-vahvistus on niin suuri (jopa desibeleinä), että merkittävä osa tehosta siirtyy pidemmälle aallonpituiselle Stokes-aaltolle, jota ei voida vahvistaa. Yksitaajuista toimintaa rajoittaa suuresti stimuloitu Brillouin-sironta. Tietysti on joitain mittausmenetelmiä, jotka voivat kumota tämän vaikutuksen jossain määrin. Mode-lukituissa lasereissa generoidut ultralyhyet pulssit, itsevaihemodulaatio tuottavat niihin voimakkaan spektriä laajentavan vaikutuksen. Lisäksi epälineaarisen polarisaatiokierron injektoinnissa on muita ongelmia.
Edellä mainituista rajoituksista johtuen suuritehoisia kuituoptisia laitteita ei yleensä pidetä tiukasti skaalautuvina teholaitteina, ainakaan saavutettavissa olevan tehoalueen ulkopuolella. (Aiempia parannuksia ei saavutettu yhden tehon skaalauksella, vaan parannetuilla kuiturakenteilla ja pumppudiodeilla.) Tällä on tärkeitä seurauksia verrattaessa kuitulasertekniikkaa ohutlevylasereihin. Se on kuvattu yksityiskohtaisemmin kohdassa Laser Power Calibration.
Jopa ilman todellista tehon skaalausta voidaan tehdä paljon työtä tehokkaiden laserasetusten parantamiseksi. Toisaalta kuitusuunnittelua on parannettava esimerkiksi suuren kuitumoodialueen ja yksimuotoohjauksen avulla, mikä yleensä saavutetaan käyttämällä fotonikidekuituja. Monet kuitukomponentit ovat erittäin tärkeitä, kuten erityiset pumppuliittimet, kuitukartiot erikokoisten kuitujen yhdistämiseen ja erityiset kuitujäähdytyslaitteet. Kun tietyn kuidun tehoraja on saavutettu, komposiittipalkit ovat toinen vaihtoehto, ja tämän tekniikan toteuttamiseksi on olemassa sopivia kuitukokoonpanoja. Ultralyhyiden pulssien vahvistinjärjestelmissä on monia tapoja vähentää tai jopa osittain hyödyntää optisten kuitujen epälineaarisia vaikutuksia, kuten spektrin laajentamista ja sitä seuraavaa pulssin kompressointia.