Høj-fiberlasere tjener som vitale værktøjer i videnskabelige, industrielle og forsvarsmæssige applikationer. Den primære hindring for yderligere at skalere kraften i enkelt-fiberlaserforstærkere er stimuleret Brillouin-spredning (SBS). Når den optiske effekt overstiger SBS-tærsklen, exciterer det fremad-transmitterede signallys intenst bagud Stokes-lys. Dette tømmer ikke kun pumpeenergien og reducerer outputeffektiviteten, men kan også beskadige præcisionskomponenter på forsiden.- Forøgelse af fiberkernediameteren og udvidelse af signalspektret kan hæve SBS-tærsklen og derved undertrykke SBS-effekter i enkelt-fiberforstærkere. Den nuværende SBS-reduktionsindsats er stort set begrænset til enkelt-mode eller få-mode fiberforstærkere med høj strålekvalitet, hvilket gør det udfordrende samtidig at opnå høj effekt, smal linjebredde og stråleoutput af høj-kvalitet. Dette papir udforsker en multimode fiber (MMF) forstærker, hvor SBS er betydeligt undertrykt på grund af reduceret optisk intensitet i den store kerne og udvidelse af Brillouin spredningsspektret forårsaget af multimode excitation. Ved at anvende rumlig bølgefrontformning på inputlyset fra den ikke-lineære forstærker fokuseres udgangsstrålen til et diffraktions-begrænset punkt, hvilket opnår høj effekt (503 W), smal linjebredde (1 kHz) og stråleoutput af høj-kvalitet.
Figur 1 Skematisk af den eksperimentelle optiske opsætning
Figur 1 viser den optiske opsætning af denne undersøgelse. Frølys ved 1064 nm bølgelængde gennemgår præ-forstærkning og stråleudvidelse i enkelt-mode fiber, før dets bølgefrontfase moduleres af en rumlig lysmodulator (SLM). Det modulerede signallys kobles først til en passiv multimode fiber, kombineret med pumpelyset og forstærkes derefter i en Yb-doteret multimode forstærkningsfiber, der understøtter 76 modes. Efter forstærkning går signallyset ind i målestien for at evaluere parametre, herunder effekt, spektrum, linjebredde, brændpunkt og fase. Denne undersøgelse undersøger SBS karakteristika i multimode fibre. Resultater viser, at SBS-tærsklen (maksimal effekt uden SBS-generering) i MMF er væsentligt højere end i single{11}}mode fiber. Simuleringsresultater viser, at for den anvendte MMF (kernediameter 42 μm) er SBS-tærsklen ca. 24 W, når kun den fundamentale modus er exciteret, hvilket er 8 gange højere end for en enkeltmodusfiber med 15 μm diameter. På grund af uundgåelig moduskobling i fiberen kan MMF ikke opnå ren fundamental modus excitation. Målinger indikerer en SBS-tærskel på 59 W under få-mode excitation og 97 W under multi-mode excitation i MMF, som vist i figur 2(A).
Figur 2 (A) SBS-tærskler i single-mode og multimode fibre; (B) SBS-forstærkningsspektre for fundamental og multimode excitation i MMF
Dette papir etablerer en semi-analytisk teori for SBS i MMF-forstærkere, der analyserer koblingen mellem forskellige tilstandssignallys og Stokes-lys for at udlede tilsvarende SBS-forstærkningskoefficienter. Denne teori indikerer, at SBS-forstærkningskoefficienten i multimode excitationsbetingelser inden for MMF er lavere end i ethvert enkelt-mode excitationsscenarie. Multimode excitation i MMF udvider SBS-forstærkningsspektret betydeligt, reducerer forstærkningsspidsen og opnår en stigning i SBS-tærsklen, som vist i figur 2(B). På grund af Stokes-lysets udbredelse bagud, resulterer længere MMF-længder i større SBS-forstærkning og en tilsvarende lavere tærskel. Eksperimenter viser, at pumpelyset er opbrugt inden for ca. 6 m. Ved at forkorte fiberlængden og måle SBS-tærsklen indikerer resultaterne, at SBS-tærsklen er omvendt proportional med den effektive længde af MMF. Ved en MMF-længde på 3,7 m opnår forstærkeren en maksimal SBS-tærskel (dvs. spidsudgangseffekt) på 503 W, hvilket er fem gange SBS-tærsklen (teoretisk beregningsresultat) for fundamental mode-excitation alene.
Figur 3 Forholdet mellem effektiv længde af MMF og SBS-tærskel; indsat: output brændpunktsintensitet versus fase
For at kontrollere MMF-output modulerede denne undersøgelse bølgefrontfasen ved hjælp af en rumlig lysmodulator (SLM), før signallyset kom ind i MMF. Modulationsområdet dækkede hele MMF'ens indgangsåbning. Inden for dette modulationsområde blev pixels opdelt i 256 makropixel. Med udgangspunkt i den centrale pixel blev fasen af hver pixel scannet i et spiralmønster for at opnå optimalt output på brændplanet. Under påvirkning af bølgefrontfasekontrol opstår interferens mellem forskellige tilstande i MMF'en, hvilket danner en plet af høj-kvalitet på output-brændplanet. Pletintensiteten og fasefordelingen er vist i indsætningen øverst til højre i figur 3, hvilket afslører ensartet intensitet og fasefordeling, hvilket indikerer fremragende pletkvalitet på brændplanet. Figur 4: Pletter på MMF-brændplanet (A) og i let ufokuserede positioner (B, C); målt udgangsstrålekvalitet (M2) (D)
Figur 4 viser stråleprofilerne i brændplanet og under let defokusering (200, 400 μm). Målinger indikerer en brændviddeeffektivitet på 76 % i brændplanet, hvilket betyder, at 76 % af stråleenergien ligger inden for brændviddeområdet. De målte M2-værdier i x- og y-retningerne er henholdsvis 1,05 og 1,35, hvilket indikerer god strålekvalitet. Resultaterne viser, at fasemodulation baseret på SLM effektivt forbedrer spotkvaliteten på MMF-outputtets brændplan.
Figur 5: Hældningseffektivitet (A), udgangsspektrum (B) og linjebredde (C) af MMF-forstærkeren [1]
Forstærkerens udgangseffektivitet, spektrum og linjebredde blev også målt. MMF-forstærkeren opnåede en hældningseffektivitet på 82 %, som vist i figur 5(A), i overensstemmelse med teoretiske forudsigelser. Udgangsspektret (figur 5B) viser en signaltop ved 1064 nm med en relativ ASE-intensitet på 52 dB, mens den venstre -sidespids repræsenterer et svagt resterende pumpesignal. På grund af den ekstremt smalle udgangslinjebredde kæmpede konventionelle spektrometre med at måle det. Derfor blev heterodyne metoder anvendt til at bestemme input og output linjebredder. MMF-forstærkeren, der er konstrueret i dette værk, udviser en udgangslinjebredde på 35 kHz (20-dB) / 1 kHz (3-dB, dvs. fuld bredde ved halv maksimum), og viser ingen signifikant forskel fra input-linjebredden. Dens fremragende tidsmæssige sammenhæng opfylder kravene til præcisionsinterferometriske målinger. Dette papir uddyber systematisk multimode fiber SBS teori i betragtning af pumpeudtømning og forstærkningsmætning. Det foreslår at integrere multimode fiberforstærkning med bølgefrontfasemodulation for samtidig at opnå SBS-undertrykkelse og output-spot-optimering. Den konstruerede MMF-forstærker arbejder med høj effekt, høj effektivitet og smal linjebredde, hvilket sikrer høj sammenhæng. Denne teknologi rummer potentielle anvendelser inden for kohærent strålekombination, storskala interferometri og rettede energisystemer.
Referencer: [1] Stefan Rothe et al., Wavefront shaping muliggør høj- multimode fiberforstærker med outputfokus. Science 390, 173-177 (2025).
