Laser και ενισχυτές υψηλής ισχύος ινών

Για ιδιαίτερα υψηλές ισχύς, η περιοχή του πυρήνα πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη, επειδή η ένταση του φωτός θα είναι πολύ υψηλή και ένας άλλος λόγος είναι ότι η αναλογία της επένδυσης προς την περιοχή του πυρήνα στις ίνες διπλής επένδυσης είναι μεγάλη, με αποτέλεσμα τη χαμηλή απορρόφηση της αντλίας. Όταν η περιοχή του πυρήνα είναι της τάξης πολλών χιλιάδων τετραγωνικών μικρομέτρων, είναι εφικτό να χρησιμοποιηθεί ένας πυρήνας ίνας μονής λειτουργίας. Χρησιμοποιώντας πολυτροπική ίνα, όταν η περιοχή λειτουργίας είναι σχετικά μεγάλη, μπορεί να ληφθεί η δέσμη εξόδου καλής ποιότητας και το κύμα φωτός είναι κυρίως ο βασικός τρόπος λειτουργίας. (Η διέγερση τρόπων υψηλότερης τάξης είναι επίσης δυνατή σε κάποιο βαθμό με την περιέλιξη της ίνας, εκτός από την περίπτωση σύζευξης ισχυρού τρόπου λειτουργίας σε υψηλές δυνάμεις) Καθώς η περιοχή λειτουργίας γίνεται μεγαλύτερη, η ποιότητα της δέσμης δεν μπορεί πλέον να παραμείνει περιορισμένη ως προς την περίθλαση, αλλά συγκρίνεται Για π.χ. λέιζερ ράβδου που λειτουργούν με παρόμοιες εντάσεις ισχύος, η ποιότητα της δέσμης που προκύπτει είναι ακόμα αρκετά καλή.

Υπάρχουν πολλές επιλογές για τον τρόπο έγχυσης του φωτός αντλίας πολύ υψηλής ισχύος. Ο ευκολότερος τρόπος είναι να αντλήσετε την επένδυση απευθείας στη θύρα ινών. Αυτή η μέθοδος δεν απαιτεί ειδικά εξαρτήματα ινών, αλλά το φως της αντλίας υψηλής ισχύος πρέπει να διαδίδεται στον αέρα, ειδικά η διεπαφή αέρα-γυαλιού, η οποία είναι πολύ ευαίσθητη στη σκόνη ή στην κακή ευθυγράμμιση. Σε πολλές περιπτώσεις, είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείται δίοδος αντλίας συζευγμένης με ίνες, έτσι ώστε το φως της αντλίας να μεταδίδεται πάντα στην ίνα. Μια άλλη επιλογή είναι να τροφοδοτήσετε το φως της αντλίας σε μια παθητική ίνα (χωρίς τροφοδοσία) και να τυλίξετε την παθητική ίνα γύρω από την ντοπαρισμένη ίνα, έτσι ώστε το φως της αντλίας να μεταφερθεί σταδιακά στην ίνα που έχει ντοπαριστεί. Υπάρχουν μερικοί τρόποι για να χρησιμοποιήσετε μια ειδική συσκευή συνδυασμού αντλιών για τη σύντηξη ορισμένων ινών αντλίας και ινών σήματος ντοπαρισμένων μεταξύ τους. Υπάρχουν και άλλες μέθοδοι που βασίζονται σε πηνία ίνας με πλευρική άντληση (λέιζερ δίσκου ινών) ή αυλακώσεις στην επένδυση της αντλίας έτσι ώστε να μπορεί να εγχυθεί το φως της αντλίας. Η τελευταία τεχνική επιτρέπει την έγχυση πολλαπλών σημείων του φωτός της αντλίας, κατανέμοντας έτσι καλύτερα το θερμικό φορτίο.

Εικόνα 2: Διάγραμμα μιας εγκατάστασης ενισχυτή ινών διπλής επένδυσης υψηλής ισχύος με το φως της αντλίας να εισέρχεται στη θύρα ινών μέσω του ελεύθερου χώρου. Η διεπαφή γυαλιού αερίου πρέπει να είναι αυστηρά ευθυγραμμισμένη και καθαρή.

Η σύγκριση μεταξύ όλων των μεθόδων έγχυσης φωτός αντλίας είναι περίπλοκη επειδή εμπλέκονται πολλές πτυχές: απόδοση μεταφοράς, απώλεια φωτεινότητας, ευκολία επεξεργασίας, ευέλικτη λειτουργία, πιθανές ανακλάσεις στο πίσω μέρος, διαρροή φωτός από τον πυρήνα της ίνας στην πηγή φωτός της αντλίας, Διατήρηση της επιλογής της πόλωσης κ.λπ.
Αν και η πρόσφατη ανάπτυξη συσκευών οπτικών ινών υψηλής ισχύος ήταν πολύ γρήγορη, εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένοι περιορισμοί που εμποδίζουν την περαιτέρω ανάπτυξη:
Η ένταση φωτός των συσκευών οπτικών ινών υψηλής ισχύος είναι πολύ βελτιωμένη. Τα όρια υλικών ζημιών μπορούν πλέον να φτάνουν συνήθως. Επομένως, υπάρχει ανάγκη να αυξηθεί η περιοχή λειτουργίας (ίνες μεγάλης επιφάνειας λειτουργίας), αλλά αυτή η μέθοδος έχει περιορισμούς όταν απαιτείται ποιότητα μεγάλης σκάλας.
Η απώλεια ισχύος ανά μονάδα μήκους έχει φτάσει την τάξη των 100W/m, με αποτέλεσμα ισχυρές θερμικές επιδράσεις στην ίνα. Η χρήση υδρόψυξης μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ισχύ. Οι μακρύτερες ίνες με χαμηλότερες συγκεντρώσεις ντόπινγκ ψύχονται ευκολότερα, αλλά αυτό αυξάνει τα μη γραμμικά αποτελέσματα.
Για ίνες που δεν είναι αυστηρά απλής λειτουργίας, υπάρχει τροπική αστάθεια όταν η ισχύς εξόδου είναι μεγαλύτερη από ένα ορισμένο όριο, συνήθως μερικές εκατοντάδες watt. Οι αστάθειες λειτουργίας προκαλούν μια ξαφνική πτώση στην ποιότητα της δέσμης, η οποία είναι η επίδραση των θερμικών σχάρων στην ίνα (που ταλαντώνονται γρήγορα στο χώρο).
Η μη γραμμικότητα των ινών επηρεάζει πολλές πτυχές. Ακόμη και σε μια εγκατάσταση CW, το κέρδος Raman είναι τόσο υψηλό (ακόμη και σε ντεσιμπέλ) που ένα σημαντικό μέρος της ισχύος μεταφέρεται στο μεγαλύτερο μήκους κύματος κύμα Stokes, το οποίο δεν μπορεί να ενισχυθεί. Η λειτουργία μιας συχνότητας περιορίζεται σημαντικά από τη διεγερμένη σκέδαση Brillouin. Φυσικά, υπάρχουν ορισμένες μέθοδοι μέτρησης που μπορούν να αντισταθμίσουν αυτό το αποτέλεσμα σε κάποιο βαθμό. Οι εξαιρετικά σύντομοι παλμοί που παράγονται σε λέιζερ με κλειδωμένη λειτουργία, διαμόρφωση αυτο-φάσης θα παράγουν μια ισχυρή επίδραση διεύρυνσης του φάσματος σε αυτούς. Επιπλέον, υπάρχουν άλλα προβλήματα έγχυσης περιστροφής μη γραμμικής πόλωσης.
Λόγω των παραπάνω περιορισμών, οι συσκευές οπτικών ινών υψηλής ισχύος γενικά δεν θεωρούνται αυστηρά κλιμακούμενες συσκευές ισχύος, τουλάχιστον όχι εκτός του εφικτού εύρους ισχύος. (Οι προηγούμενες βελτιώσεις δεν επιτεύχθηκαν με κλιμάκωση μεμονωμένης ισχύος, αλλά με βελτιωμένα σχέδια ινών και διόδους αντλίας.) Αυτό έχει σημαντικές συνέπειες όταν συγκρίνεται η τεχνολογία λέιζερ ινών με λέιζερ λεπτού δίσκου. Περιγράφεται λεπτομερέστερα στο λήμμα Laser Power Calibration.
Ακόμη και χωρίς πραγματική κλιμάκωση ισχύος, μπορεί να γίνει πολλή δουλειά για τη βελτίωση των ρυθμίσεων λέιζερ υψηλής ισχύος. Από τη μία πλευρά, είναι απαραίτητο να βελτιωθεί ο σχεδιασμός της ίνας, όπως η χρήση μιας μεγάλης περιοχής λειτουργίας ινών και η καθοδήγηση απλής λειτουργίας, η οποία συνήθως επιτυγχάνεται με τη χρήση ινών φωτονικών κρυστάλλων. Πολλά εξαρτήματα ινών είναι πολύ σημαντικά, όπως ειδικοί ζεύκτες αντλιών, κωνικοί ίνες για τη σύνδεση ινών με διαφορετικά μεγέθη λειτουργίας και ειδικές συσκευές ψύξης ινών. Μόλις επιτευχθεί το όριο ισχύος μιας συγκεκριμένης ίνας, οι σύνθετες δοκοί είναι μια άλλη επιλογή και υπάρχουν κατάλληλες ρυθμίσεις ινών για την εφαρμογή αυτής της τεχνικής. Για συστήματα ενισχυτών υπερβραχέων παλμών, υπάρχουν πολλές προσεγγίσεις για τη μείωση ή ακόμη και μερική εκμετάλλευση των μη γραμμικών επιδράσεων των οπτικών ινών, όπως η διεύρυνση του φάσματος και η επακόλουθη συμπίεση παλμών.