Bộ khuếch đại và Laser sợi quang công suất cao

Đối với công suất đặc biệt cao, diện tích lõi cần phải đủ lớn, vì cường độ ánh sáng sẽ rất cao và một lý do khác là tỷ lệ lớp vỏ trên diện tích lõi trong sợi có lớp phủ kép lớn, dẫn đến khả năng hấp thụ bơm thấp. Khi diện tích lõi ở mức vài nghìn micromet vuông, có thể sử dụng lõi sợi đơn mode. Sử dụng sợi quang đa mode, khi diện tích chế độ tương đối lớn, có thể thu được chùm đầu ra có chất lượng tốt và sóng ánh sáng chủ yếu là chế độ cơ bản. (Cũng có thể kích thích các chế độ bậc cao hơn ở một mức độ nào đó bằng cách cuộn sợi quang, ngoại trừ trường hợp ghép chế độ mạnh ở công suất cao) Khi vùng chế độ trở nên lớn hơn, chất lượng chùm tia không còn bị giới hạn nhiễu xạ nữa, nhưng được so sánh ví dụ như đối với laser que hoạt động ở cường độ năng lượng tương tự, chất lượng chùm tia thu được vẫn khá tốt.

Có một số tùy chọn về cách bơm ánh sáng bơm công suất rất cao. Cách đơn giản nhất là bơm tấm ốp trực tiếp vào cổng sợi quang. Phương pháp này không yêu cầu các thành phần sợi đặc biệt, nhưng ánh sáng bơm công suất cao cần lan truyền trong không khí, đặc biệt là giao diện không khí-thủy tinh, rất nhạy cảm với bụi hoặc lệch hướng. Trong nhiều trường hợp, nên sử dụng điốt bơm ghép sợi để ánh sáng bơm luôn truyền trong sợi quang. Một lựa chọn khác là đưa ánh sáng bơm vào sợi thụ động (không pha tạp) và quấn sợi thụ động xung quanh sợi pha tạp để ánh sáng bơm dần dần chuyển vào sợi pha tạp. Có một số cách để sử dụng một thiết bị kết hợp bơm đặc biệt để kết hợp một số sợi bơm và sợi tín hiệu pha tạp với nhau. Có các phương pháp khác dựa trên các cuộn dây sợi quang được bơm bên (laser đĩa sợi quang), hoặc các rãnh trên vỏ máy bơm để ánh sáng bơm có thể được đưa vào. Kỹ thuật thứ hai cho phép bơm ánh sáng bơm vào nhiều điểm, do đó phân phối tải nhiệt tốt hơn.

Hình 2: Sơ đồ thiết lập bộ khuếch đại sợi quang hai lớp công suất cao với đèn bơm đi vào cổng sợi quang qua không gian trống. Giao diện kính khí phải được căn chỉnh chặt chẽ và sạch sẽ.

Việc so sánh giữa tất cả các phương pháp bơm ánh sáng bơm rất phức tạp vì có nhiều khía cạnh liên quan: hiệu quả truyền, giảm độ sáng, dễ xử lý, vận hành linh hoạt, có thể phản xạ ngược, rò rỉ ánh sáng từ lõi sợi quang đến nguồn sáng bơm, Giữ lựa chọn phân cực, v.v.
Mặc dù sự phát triển gần đây của các thiết bị cáp quang công suất cao rất nhanh, nhưng vẫn còn một số hạn chế cản trở sự phát triển hơn nữa:
Cường độ ánh sáng của các thiết bị sợi quang công suất cao được cải thiện nhiều. Ngưỡng thiệt hại vật chất thường có thể đạt được. Do đó, cần phải tăng vùng mode (sợi có vùng mode lớn), nhưng phương pháp này có hạn chế khi yêu cầu chất lượng chùm tia cao.
Tổn thất điện năng trên một đơn vị chiều dài đã đạt tới mức 100W/m, dẫn đến hiệu ứng nhiệt mạnh trong sợi. Việc sử dụng nước làm mát có thể cải thiện đáng kể sức mạnh. Các sợi dài hơn với nồng độ pha tạp thấp hơn sẽ dễ làm nguội hơn, nhưng điều này làm tăng các hiệu ứng phi tuyến.
Đối với các sợi quang đơn mode không hoàn toàn, sẽ có sự không ổn định về phương thức khi công suất đầu ra lớn hơn một ngưỡng nhất định, thường là vài trăm watt. Sự không ổn định của chế độ gây ra sự giảm đột ngột chất lượng chùm tia, đó là ảnh hưởng của cách tử nhiệt trong sợi quang (dao động nhanh trong không gian).
Sợi phi tuyến tính ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh. Ngay cả trong thiết lập CW, hệ số khuếch đại Raman quá cao (thậm chí tính bằng decibel) đến mức một phần đáng kể năng lượng được chuyển sang sóng Stokes có bước sóng dài hơn, không thể khuếch đại sóng này. Hoạt động một tần số bị hạn chế rất nhiều do tán xạ Brillouin kích thích. Tất nhiên, có một số phương pháp đo lường có thể bù đắp hiệu ứng này ở một mức độ nhất định. Các xung cực ngắn được tạo ra trong các laze khóa chế độ, tự biến điệu pha sẽ tạo ra hiệu ứng mở rộng phổ mạnh lên chúng. Ngoài ra, còn có các vấn đề khác của việc tiêm xoay phân cực phi tuyến.
Do những hạn chế trên, các thiết bị cáp quang công suất cao thường không được coi là thiết bị năng lượng có thể mở rộng, ít nhất là không nằm ngoài dải công suất có thể đạt được. (Những cải tiến trước đây không đạt được với quy mô công suất đơn, nhưng với thiết kế sợi quang và điốt bơm cải tiến.) Điều này có những hệ quả quan trọng khi so sánh công nghệ laze sợi quang với laze đĩa mỏng. Nó được mô tả chi tiết hơn trong mục Laser Power Calibration.
Ngay cả khi không mở rộng quy mô công suất thực, vẫn có thể thực hiện nhiều việc để cải thiện thiết lập laser công suất cao. Một mặt, cần phải cải thiện thiết kế sợi, chẳng hạn như sử dụng vùng chế độ sợi lớn và hướng dẫn chế độ đơn, thường đạt được bằng cách sử dụng sợi tinh thể quang tử. Nhiều thành phần sợi rất quan trọng, chẳng hạn như bộ ghép bơm đặc biệt, côn sợi để kết nối sợi với các kích cỡ chế độ khác nhau và thiết bị làm mát sợi đặc biệt. Sau khi đạt đến giới hạn công suất của một sợi nhất định, các chùm composite là một tùy chọn khác và tồn tại các thiết lập sợi phù hợp để thực hiện kỹ thuật này. Đối với các hệ thống khuếch đại xung cực ngắn, có nhiều cách tiếp cận để giảm hoặc thậm chí khai thác một phần các hiệu ứng phi tuyến của sợi quang, chẳng hạn như mở rộng phổ và nén xung tiếp theo.