Lazè fib gwo -pouvwa sèvi kòm zouti enpòtan nan aplikasyon syantifik, endistriyèl ak defans. Obstak prensipal la pou ogmante plis pouvwa anplifikatè lazè fib frekans sèl -stimile Brillouin scattering (SBS). Lè pouvwa optik depase papòt SBS la, limyè siyal ki transmèt devan -eksite entans limyè Stokes bak. Sa a non sèlman diminye enèji ponp lan epi redwi efikasite pwodiksyon an, men li ka tou domaje eleman presizyon devan-. Ogmante dyamèt nwayo fib la ak elaji spectre siyal la ka elve papòt SBS la, kidonk siprime efè SBS nan anplifikatè fib yon sèl -frekans. Efò rediksyon SBS aktyèl yo se lajman limite a yon sèl -mòd oswa kèk-anplifikatè fib ki gen bon jan kalite gwo travès, sa ki fè li difisil pou reyalize an menm tan gwo pouvwa, lajè liy etwat, ak pwodiksyon gwo-wo kalite gwo bout bwa. Papye sa a eksplore yon anplifikatè fib multimode (MMF) kote SBS siyifikativman siprime akòz redui entansite optik nan gwo nwayo a ak elaji spectre gaye Brillouin ki te koze pa eksitasyon multimode. Lè w aplike fòm vag espasyal la nan limyè antre anplifikatè ki pa lineyè a, gwo bout bwa pwodiksyon an konsantre sou yon difraksyon-tach limite, reyalize gwo pouvwa (503 W), lajè liy etwat (1 kHz), ak gwo-pwodiksyon gwo bout bwa.
Figi 1 Chematik konfigirasyon eksperimantal optik la
Figi 1 montre konfigirasyon optik etid sa a. Limyè grenn nan longèdonn 1064 nm sibi pre-anplifikasyon ak ekspansyon gwo bout bwa nan yon sèl -fib mòd anvan faz vag li yo modile pa yon modulatè limyè espasyal (SLM). Limyè siyal modulasyon an premye makonnen nan yon fib multimode pasif, konbine avèk limyè ponp lan, epi anplifye nan yon Yb -dope fib multimode ki sipòte 76 mòd. Apre anplifikasyon, limyè siyal la antre nan chemen mezi pou evalye paramèt ki gen ladan pouvwa, spectre, lajè liy, plas fokal, ak faz. Etid sa a envestige karakteristik SBS nan fib multimode. Rezilta yo endike papòt SBS (maksimòm pouvwa san jenerasyon SBS) nan MMF siyifikativman pi wo pase nan mòd sèl -fib. Rezilta simulation yo montre ke pou MMF yo itilize (dyamèt nwayo 42 μm), papòt SBS a se apeprè 24 W lè sèlman mòd fondamantal la eksite, ki se 8 fwa pi wo pase sa yo ki nan yon fib mòd sèl 15 μm dyamèt -. Akòz kouple mòd inevitab nan fib la, MMF pa ka reyalize pi eksitasyon mòd fondamantal. Mezi yo endike yon papòt SBS nan 59 W anba eksitasyon mòd kèk ak 97 W anba eksitasyon mòd milti- nan MMF, jan yo montre nan Figi 2 (A).
Figi 2 (A) Papòt SBS nan yon sèl -mòd ak fib multimode; (B) SBS genyen spectre pou eksitasyon fondamantal ak multimode nan MMF
Papye sa a etabli yon teyori semi-analitik pou SBS nan anplifikatè MMF, analize kouple ki genyen ant limyè siyal diferan mòd ak limyè Stokes pou derive koyefisyan SBS korespondan. Teyori sa a endike ke SBS genyen koyefisyan nan kondisyon eksitasyon multimode nan MMF pi ba pase nan nenpòt senaryo eksitasyon mòd sèl -. Eksitasyon multimode nan MMF siyifikativman elaji spectre SBS genyen, diminye pik benefis la, epi reyalize yon ogmantasyon nan papòt SBS, jan yo montre nan Figi 2 (B). Akòz nati pwopagasyon bak nan limyè Stokes la, longè MMF ki pi long yo lakòz pi gwo pwogrè SBS ak yon papòt ki korespondan pi ba. Eksperyans yo montre ke limyè ponp lan ap diminye nan apeprè 6 m. Lè yo diminye longè fib la ak mezire papòt SBS la, rezilta yo endike ke papòt SBS la envès pwopòsyonèl ak longè efikas MMF la. Nan yon longè MMF de 3.7 m, anplifikatè a reyalize yon maksimòm papòt SBS (sa vle di, pik pwodiksyon pouvwa) nan 503 W, ki se senk fwa papòt la SBS (rezilta kalkil teyorik) pou eksitasyon mòd fondamantal pou kont li.
Figi 3 Relasyon ant longè efikas MMF ak papòt SBS; inset: pwodiksyon entansite fokal tach kont faz
Pou kontwole pwodiksyon MMF, etid sa a modulation faz ond lan lè l sèvi avèk yon modulator limyè espasyal (SLM) anvan limyè siyal la antre nan MMF la. Ranje a modulation kouvri tout Ouverture D 'de MMF la. Nan seri modulation sa a, piksèl yo te divize an 256 makropiksèl. Kòmanse nan pixel santral la, yo te analize faz chak pixel nan yon modèl espiral pou reyalize pwodiksyon optimal sou plan fokal la. Anba enfliyans kontwòl faz ond, entèferans ki fèt ant diferan mòd nan MMF a, ki fòme yon kote ki gen bon jan kalite -sou plan fokal pwodiksyon an. Entansite tach la ak distribisyon faz yo montre nan inset nan tèt dwat nan Figi 3, revele entansite inifòm ak distribisyon faz, ki endike bon jan kalite tach ekselan sou plan fokal la. Figi 4: Tach sou plan fokal MMF (A) ak nan pozisyon yon ti kras defocused (B, C); mezire kalite gwo bout bwa pwodiksyon (M2) (D)
Figi 4 montre pwofil yo gwo bout bwa nan plan fokal la ak anba ti tay defocusing (200, 400 μm). Mezi yo endike yon efikasite fokal 76% nan plan fokal la, sa vle di 76% enèji gwo bout bwa a abite nan seri fokal la. Valè M2 yo mezire nan direksyon x ak y se 1.05 ak 1.35, respektivman, ki endike bon kalite gwo bout bwa. Rezilta yo demontre ke modulasyon faz ki baze sou SLM efektivman amelyore kalite plas sou plan fokal pwodiksyon MMF la.
Figi 5: Efikasite pant (A), spectre pwodiksyon (B), ak lajè liy (C) nan anplifikatè MMF la [1]
Yo te mezire efikasite pwodiksyon anplifikatè a, spectre ak lajè liy lan tou. Anplifikatè MMF la reyalize yon efikasite pant 82%, jan yo montre nan Figi 5 (A), ki konsistan avèk prediksyon teyorik. Spectre pwodiksyon an (Figi 5B) montre yon pik siyal nan 1064 nm ak yon entansite ASE relatif 52 dB, pandan y ap pik bò gòch -ki reprezante yon siyal ponp rezidyèl ki fèb. Akòz lajè liy pwodiksyon ekstrèmman etwat la, espektwomèt konvansyonèl yo te plede pou mezire li. Se poutèt sa, metòd heterodyne yo te anplwaye pou detèmine D 'ak pwodiksyon linewidths yo. Anplifikatè MMF ki konstwi nan travay sa a montre yon lajè liy pwodiksyon 35 kHz (20-dB) / 1 kHz (3-dB, sa vle di, tout lajè nan mwatye maksimòm), ki pa montre okenn diferans enpòtan ak lajè liy antre a. Koerans tanporèl ekselan li satisfè kondisyon pou mezi entèferometrik presizyon. Papye sa a elabore sistematikman sou teyori SBS fib multimode lè w konsidere rediksyon ponp ak saturation jwenn. Li pwopoze entegre anplifikasyon fib multimode ak modulasyon faz vag pou reyalize an menm tan represyon SBS ak optimize plas pwodiksyon an. Anplifikatè MMF konstwi a opere nan gwo pouvwa, efikasite segondè, ak lajè liy etwat, asire koerans segondè. Teknoloji sa a kenbe aplikasyon potansyèl nan konbine gwo bout bwa aderan, entèferometri gwo echèl, ak sistèm enèji dirije.
Referans: [1] Stefan Rothe et al., Wavefront Shaping pèmèt gwo -pouvwa anplifikatè fib multimode ak konsantre sou pwodiksyon an. Syans 390, 173–177 (2025).
