Högeffektfiberlasrar och förstärkare

För särskilt höga effekter behöver kärnytan vara tillräckligt stor, eftersom ljusintensiteten blir mycket hög, och en annan anledning är att förhållandet mellan beklädnad och kärnarea i dubbelklädda fibrer är stort, vilket ger låg pumpabsorption. När kärnarean är i storleksordningen flera tusen kvadratmikrometer är det möjligt att använda en enkelmodsfiberkärna. Genom att använda multimodfiber, när lägesarean är relativt stor, kan utsignalstrålen av god kvalitet erhållas, och ljusvågen är huvudsakligen det grundläggande läget. (Excitering av högre ordningens lägen är också möjlig till viss del genom att linda fibern, förutom fallet med stark modkoppling vid höga effekter) När lägesarean blir större kan strålkvaliteten inte längre förbli diffraktionsbegränsad, utan jämföras För t.ex. stavlasrar som arbetar med liknande effektintensiteter är den resulterande strålkvaliteten fortfarande ganska bra.

Det finns flera alternativ för hur man injicerar pumpljus med mycket hög effekt. Enklast är att pumpa beklädnaden direkt vid fiberporten. Denna metod kräver inga speciella fiberkomponenter, men det kraftfulla pumpljuset måste fortplantas i luften, särskilt luft-glasgränssnittet, som är mycket känsligt för damm eller felinställning. I många fall är det att föredra att använda en fiberkopplad pumpdiod, så att pumpljuset alltid överförs i fibern. Ett annat alternativ är att mata in pumpljuset i en passiv fiber (odopad) och linda den passiva fibern runt den dopade fibern så att pumpljuset gradvis överförs till den dopade fibern. Det finns några sätt att använda en speciell pumpkombinationsanordning för att smälta ihop vissa pumpfibrer och dopade signalfibrer. Det finns andra metoder baserade på sidopumpade fiberspolar (fiberskivlasrar), eller spår i pumpens beklädnad så att pumpljuset kan injiceras. Den senare tekniken möjliggör flerpunktsinjektion av pumpljus, vilket därmed bättre fördelar den termiska belastningen.

Figur 2: Diagram över en högeffekts dubbelklädd fiberförstärkaruppställning med pumpljus som kommer in i fiberporten genom ledigt utrymme. Gasglasgränssnittet måste vara strikt inriktat och rent.

Jämförelsen mellan alla metoder för att injicera pumpljus är komplicerad eftersom många aspekter är inblandade: överföringseffektivitet, ljusstyrka, enkel bearbetning, flexibel drift, möjliga bakreflektioner, ljusläckage från fiberkärnan till pumpens ljuskälla, Behåll valet av polarisering etc.
Även om den senaste utvecklingen av högeffektfiberoptiska enheter har varit mycket snabb, finns det fortfarande några begränsningar som hindrar vidare utveckling:
Ljusintensiteten hos fiberoptiska enheter med hög effekt är mycket förbättrad. Tröskelvärden för materiella skador kan nu vanligtvis nås. Därför finns det ett behov av att öka modarean (fibrer med stor modyta), men denna metod har begränsningar när hög strålkvalitet krävs.
Effektförlusten per längdenhet har nått storleksordningen 100W/m, vilket resulterar i starka termiska effekter i fibern. Användningen av vattenkylning kan förbättra kraften avsevärt. Längre fibrer med lägre dopningskoncentrationer är lättare att kyla, men detta ökar olinjära effekter.
För inte strikt single-mode fibrer finns det modal instabilitet när uteffekten är större än en viss tröskel, vanligtvis några hundra watt. Modeinstabiliteter orsakar en plötslig minskning av strålkvaliteten, vilket är effekten av termiska gitter i fibern (som oscillerar snabbt i rymden).
Fibericke-linjäritet påverkar många aspekter. Även i en CW-uppställning är Raman-förstärkningen så hög (även i decibel) att en betydande del av kraften överförs till den längre våglängden Stokes-vågen, som inte kan förstärkas. Enkelfrekvensdrift begränsas kraftigt av stimulerad Brillouin-spridning. Naturligtvis finns det några mätmetoder som till viss del kan kompensera för denna effekt. De ultrakorta pulserna som genereras i lägeslåsta lasrar, självfasmodulering kommer att ge en stark spektral breddande effekt på dem. Dessutom finns det andra problem med att injicera olinjär polarisationsrotation.
På grund av ovanstående begränsningar anses högeffektfiberoptiska enheter i allmänhet inte strikt anses skalbara kraftenheter, åtminstone inte utanför det uppnåbara effektområdet. (Tidigare förbättringar uppnåddes inte med enkel effektskalning, utan med förbättrade fiberkonstruktioner och pumpdioder.) Detta har viktiga konsekvenser när man jämför fiberlaserteknik med tunnskivaslasrar. Det beskrivs mer i detalj i posten Laser Power Calibration.
Även utan verklig effektskalning kan mycket arbete göras för att förbättra högeffektlaserinställningarna. Å ena sidan är det nödvändigt att förbättra fiberdesignen, såsom att använda ett stort fiberlägesområde och enkellägesstyrning, vilket vanligtvis uppnås genom att använda fotoniska kristallfibrer. Många fiberkomponenter är mycket viktiga, såsom speciella pumpkopplare, fiberkonar för att koppla ihop fibrer med olika lägesstorlekar och speciella fiberkylningsanordningar. När effektgränsen för en viss fiber har nåtts är kompositstrålar ett annat alternativ, och lämpliga fiberuppsättningar finns för att implementera denna teknik. För ultrakorta pulsförstärkarsystem finns det många metoder för att minska eller till och med delvis utnyttja de olinjära effekterna av optiska fibrer, såsom spektrumbreddning och efterföljande pulskomprimering.