Yüksek Güçlü Fiber Lazerler ve Amplifikatörler

Özellikle yüksek güçler için, çekirdek alanın yeterince büyük olması gerekir, çünkü ışık yoğunluğu çok yüksek olacaktır ve başka bir neden de, çift kaplamalı elyaflarda kaplamanın çekirdek alanına oranının büyük olması ve bunun düşük pompa emilimiyle sonuçlanmasıdır. Çekirdek alanı birkaç bin mikrometre mertebesinde olduğunda, tek modlu bir fiber çekirdeğin kullanılması uygundur. Çok modlu fiber kullanarak, mod alanı nispeten büyük olduğunda, iyi kalitede çıkış ışını elde edilebilir ve ışık dalgası esas olarak temel moddur. (Yüksek güçlerde güçlü mod kuplajı durumu dışında, fiberin sarılmasıyla bir dereceye kadar yüksek dereceli modların uyarılması da mümkündür) Mod alanı büyüdükçe, ışın kalitesi artık kırınımla sınırlı kalamaz, ancak karşılaştırılabilir Örneğin, benzer güç yoğunluklarında çalışan çubuk lazerler için elde edilen ışın kalitesi hala oldukça iyidir.

Çok yüksek güçlü pompa ışığının nasıl enjekte edileceğine ilişkin birkaç seçenek vardır. En kolay yol, kaplamayı doğrudan fiber portuna pompalamaktır. Bu yöntem, özel fiber bileşenler gerektirmez, ancak yüksek güçlü pompa ışığının havada, özellikle toza veya yanlış hizalamaya karşı çok hassas olan hava camı arayüzünde yayılması gerekir. Birçok durumda, pompa ışığının her zaman fiberde iletilmesi için fiber bağlantılı bir pompa diyodunun kullanılması tercih edilir. Başka bir seçenek de, pompa ışığını bir pasif fibere (katkısız) beslemek ve pasif fiberi katkılı fiberin etrafına sarmaktır, böylece pompa ışığı yavaş yavaş katkılı fibere aktarılır. Bazı pompa liflerini ve katkılı sinyal liflerini birleştirmek için özel bir pompa kombinasyon cihazı kullanmanın bazı yolları vardır. Pompa ışığının enjekte edilebilmesi için yandan pompalanan fiber bobinlere (fiber disk lazerler) veya pompa kaplamasındaki oluklara dayalı başka yöntemler de vardır. İkinci teknik, pompa ışığının çok noktalı enjeksiyonuna izin vererek termal yükü daha iyi dağıtır.

Şekil 2: Pompa ışığının boş alandan fiber bağlantı noktasına girdiği yüksek güçlü çift kaplamalı fiber amplifikatör kurulumunun diyagramı. Gaz cam arayüzü kesinlikle hizalanmış ve temiz olmalıdır.

Pompa ışığını enjekte etmenin tüm yöntemleri arasındaki karşılaştırma karmaşıktır çünkü birçok husus söz konusudur: aktarım verimliliği, parlaklık kaybı, işleme kolaylığı, esnek çalışma, olası geri yansımalar, fiber çekirdekten pompa ışık kaynağına ışık sızıntısı, Seçim sizde kalsın polarizasyon vb.
Son zamanlarda yüksek güçlü fiber optik cihazların geliştirilmesi çok hızlı olmasına rağmen, daha fazla geliştirmeyi engelleyen bazı sınırlamalar vardır:
Yüksek güçlü fiber optik cihazların ışık yoğunluğu çok daha iyileştirilmiştir. Maddi hasar eşiklerine artık genellikle ulaşılabilir. Bu nedenle, mod alanını (geniş mod alanlı fiberler) artırmaya ihtiyaç vardır, ancak yüksek ışın kalitesi gerektiğinde bu yöntemin sınırlamaları vardır.
Birim uzunluk başına güç kaybı 100W/m mertebesine ulaştı ve bu da fiberde güçlü termal etkilere neden oldu. Su soğutmanın kullanılması gücü büyük ölçüde artırabilir. Daha düşük doping konsantrasyonlarına sahip daha uzun liflerin soğutulması daha kolaydır, ancak bu doğrusal olmayan etkileri artırır.
Kesin olarak tek modlu olmayan fiberler için, çıkış gücü belirli bir eşiğin, tipik olarak birkaç yüz watt'ın üzerinde olduğunda modal istikrarsızlık vardır. Mod dengesizlikleri, fiberdeki (uzayda hızla salınan) termal ızgaraların etkisi olan ışın kalitesinde ani bir düşüşe neden olur.
Fiber doğrusal olmama durumu birçok yönü etkiler. Bir CW kurulumunda bile, Raman kazancı o kadar yüksektir (desibel olarak bile), gücün önemli bir kısmı yükseltilemeyen daha uzun dalga boylu Stokes dalgasına aktarılır. Tek frekanslı işlem, uyarılan Brillouin saçılmasıyla büyük ölçüde sınırlandırılır. Elbette bu etkiyi bir ölçüde dengeleyebilecek bazı ölçüm yöntemleri var. Mod kilitli lazerlerde üretilen ultra kısa darbeler, kendi fazlı modülasyon, onlar üzerinde güçlü bir spektral genişleme etkisi üretecektir. Ek olarak, doğrusal olmayan polarizasyon rotasyonunu enjekte etmenin başka sorunları da vardır.
Yukarıdaki sınırlamalar nedeniyle, yüksek güçlü fiber optik cihazlar, en azından erişilebilir güç aralığının dışında, genellikle kesinlikle ölçeklenebilir güç cihazları olarak kabul edilmez. (Önceki iyileştirmeler, tek güç ölçeklendirmeyle değil, geliştirilmiş fiber tasarımları ve pompa diyotlarıyla elde edilmişti.) Bunun, fiber lazer teknolojisini ince disk lazerlerle karşılaştırırken önemli sonuçları vardır. Lazer Gücü Kalibrasyonu girişinde daha ayrıntılı olarak açıklanmaktadır.
Gerçek güç ölçeklendirmesi olmadan bile, yüksek güçlü lazer kurulumlarını geliştirmek için çok iş yapılabilir. Bir yandan, genellikle fotonik kristal lifler kullanılarak elde edilen, geniş bir lif modu alanı ve tek modlu kılavuzluk kullanmak gibi lif tasarımını iyileştirmek gerekir. Özel pompa kuplörleri, farklı mod boyutlarına sahip fiberleri bağlamak için fiber incelikler ve özel fiber soğutma cihazları gibi birçok fiber bileşen çok önemlidir. Belirli bir fiberin güç sınırına ulaşıldığında, kompozit kirişler başka bir seçenektir ve bu tekniği uygulamak için uygun fiber kurulumları mevcuttur. Ultra kısa darbeli yükseltici sistemler için, spektrum genişletme ve müteakip darbe sıkıştırma gibi, optik fiberlerin doğrusal olmayan etkilerini azaltmak veya kısmen kullanmak için birçok yaklaşım vardır.