Vezellasers met hoog-vermogen dienen als essentiële hulpmiddelen in wetenschappelijke, industriële en defensietoepassingen. Het belangrijkste obstakel voor het verder opschalen van het vermogen van fiberlaserversterkers met enkele frequentie is de gestimuleerde Brillouin-verstrooiing (SBS). Wanneer het optische vermogen de SBS-drempel overschrijdt, wekt het voorwaarts-uitgezonden signaallicht intens achterwaarts Stokes-licht op. Hierdoor wordt niet alleen de pompenergie uitgeput en wordt de uitvoerefficiëntie verminderd, maar kunnen ook de precisiecomponenten aan de voorzijde beschadigd raken. Het vergroten van de diameter van de vezelkern en het verbreden van het signaalspectrum kan de SBS-drempel verhogen, waardoor SBS-effecten in vezelversterkers met enkele frequentie worden onderdrukt. De huidige SBS-beperkingsinspanningen zijn grotendeels beperkt tot single{10}}mode of weinig-fiberversterkers met hoge bundelkwaliteit, waardoor het een uitdaging wordt om tegelijkertijd een hoog vermogen, een smalle lijnbreedte en een hoge-bundeluitvoer van hoge kwaliteit te bereiken. Dit artikel onderzoekt een multimode glasvezelversterker (MMF) waarbij SBS aanzienlijk wordt onderdrukt als gevolg van verminderde optische intensiteit in de grote kern en verbreding van het Brillouin-verstrooiingsspectrum veroorzaakt door multimode-excitatie. Door ruimtelijke golffrontvorming toe te passen op het ingangslicht van de niet-lineaire versterker, wordt de uitgangsbundel gefocusseerd op een diffractie-beperkt punt, waardoor een hoog vermogen (503 W), een smalle lijnbreedte (1 kHz) en een hoge-kwaliteit straaluitvoer wordt bereikt.
Figuur 1 Schematische weergave van de experimentele optische opstelling
Figuur 1 toont de optische opstelling van dit onderzoek. Zaadlicht met een golflengte van 1064 nm ondergaat pre-versterking en bundelexpansie in single- glasvezel voordat de golffrontfase wordt gemoduleerd door een ruimtelijke lichtmodulator (SLM). Het gemoduleerde signaallicht wordt eerst gekoppeld in een passieve multimode vezel, gecombineerd met het pomplicht, en vervolgens versterkt in een Yb-gedoteerde multimode versterkingsvezel die 76 modi ondersteunt. Na versterking komt het signaallicht het meetpad binnen voor het evalueren van parameters zoals vermogen, spectrum, lijnbreedte, brandpunt en fase. Deze studie onderzoekt SBS-kenmerken in multimode vezels. De resultaten geven aan dat de SBS-drempel (maximaal vermogen zonder SBS-opwekking) bij MMF aanzienlijk hoger is dan bij singlemode-glasvezel. Uit simulatieresultaten blijkt dat voor de gebruikte MMF (kerndiameter 42 μm) de SBS-drempel ongeveer 24 W is wanneer alleen de fundamentele modus wordt aangeslagen, wat 8 keer hoger is dan die van een single-mode vezel met een diameter van 15 μm. Vanwege de onvermijdelijke moduskoppeling in de vezel kan MMF geen pure fundamentele modusexcitatie bereiken. Metingen geven een SBS-drempel aan van 59 W bij excitatie in enkele-modi en 97 W bij excitatie in meerdere-modi in MMF, zoals weergegeven in figuur 2(A).
Figuur 2 (A) SBS-drempels in single-- en multimode-vezels; (B) SBS-versterkingsspectra voor fundamentele en multimode-excitatie in MMF
In dit artikel wordt een semi{0}}analytische theorie voor SBS in MMF-versterkers opgesteld, waarbij de koppeling tussen signaallichten met verschillende modi en Stokes-licht wordt geanalyseerd om overeenkomstige SBS-versterkingscoëfficiënten af te leiden. Deze theorie geeft aan dat de SBS-versterkingscoëfficiënt bij multimode-excitatieomstandigheden binnen MMF lager is dan in enig excitatiescenario met enkele modus. Multimode-excitatie in MMF verbreedt het SBS-versterkingsspectrum aanzienlijk, vermindert de versterkingspiek en bereikt een verhoging van de SBS-drempel, zoals weergegeven in figuur 2(B). Vanwege de achterwaartse voortplanting van het Stokes-licht resulteren langere MMF-lengtes in een grotere SBS-versterking en een overeenkomstig lagere drempel. Experimenten tonen aan dat het pomplicht binnen ongeveer 6 meter is uitgeput. Door de vezellengte te verkorten en de SBS-drempel te meten, geven de resultaten aan dat de SBS-drempel omgekeerd evenredig is met de effectieve lengte van het MMF. Bij een MMF-lengte van 3,7 m bereikt de versterker een maximale SBS-drempel (dwz piekuitgangsvermogen) van 503 W, wat vijf keer de SBS-drempel is (theoretisch berekeningsresultaat) alleen voor excitatie in de fundamentele modus.
Figuur 3 Verband tussen de effectieve lengte van de MMF- en SBS-drempel; inzet: uitgangsbrandpuntintensiteit versus fase
Om de MMF-uitvoer te regelen, moduleerde dit onderzoek de golffrontfase met behulp van een ruimtelijke lichtmodulator (SLM) voordat het signaallicht de MMF binnenkwam. Het modulatiebereik besloeg de gehele ingangsopening van de MMF. Binnen dit modulatiebereik werden de pixels verdeeld in 256 macropixels. Beginnend bij de centrale pixel werd de fase van elke pixel in een spiraalvormig patroon gescand om een optimale output op het brandpuntsvlak te bereiken. Onder invloed van golffrontfasecontrole treedt er interferentie op tussen verschillende modi binnen het MMF, waardoor een hoogwaardige plek op het uitgangsbrandpuntsvlak wordt gevormd. De vlekintensiteit en faseverdeling worden weergegeven in de inzet rechtsboven in Figuur 3, waardoor een uniforme intensiteit en faseverdeling zichtbaar is, wat wijst op een uitstekende vlekkwaliteit in het brandpuntsvlak. Figuur 4: Vlekken op het MMF-brandpuntsvlak (A) en op enigszins onscherpe posities (B, C); gemeten uitvoerstraalkwaliteit (M2) (D)
Figuur 4 toont de straalprofielen in het brandpuntsvlak en onder lichte onscherpte (200, 400 μm). Metingen wijzen op een brandpuntsefficiëntie van 76% op het brandpuntsvlak, wat betekent dat 76% van de straalenergie zich binnen het brandpuntsbereik bevindt. De gemeten M2-waarden in de x- en y-richting zijn respectievelijk 1,05 en 1,35, wat een goede straalkwaliteit aangeeft. De resultaten tonen aan dat fasemodulatie op basis van SLM de spotkwaliteit op het brandpuntsvlak van de MMF-uitvoer effectief verbetert.
Figuur 5: Hellingsefficiëntie (A), uitgangsspectrum (B) en lijnbreedte (C) van de MMF-versterker [1]
De uitgangsefficiëntie, het spectrum en de lijnbreedte van de versterker werden ook gemeten. De MMF-versterker behaalde een hellingsrendement van 82%, zoals weergegeven in figuur 5(A), consistent met theoretische voorspellingen. Het uitgangsspectrum (Figuur 5B) toont een signaalpiek bij 1064 nm met een relatieve ASE-intensiteit van 52 dB, terwijl de linker-piek een zwak resterend pompsignaal vertegenwoordigt. Vanwege de extreem smalle uitgangslijnbreedte hadden conventionele spectrometers moeite om deze te meten. Daarom werden heterodyne methoden gebruikt om de invoer- en uitvoerlijnbreedtes te bepalen. De MMF-versterker die in dit werk is geconstrueerd, vertoont een uitgangslijnbreedte van 35 kHz (20-dB) / 1 kHz (3 dB, dwz volledige breedte op half maximum), en vertoont geen significant verschil met de ingangslijnbreedte. De uitstekende temporele coherentie voldoet aan de eisen voor nauwkeurige interferometrische metingen. Dit artikel gaat systematisch dieper in op de multimode glasvezel-SBS-theorie, waarbij rekening wordt gehouden met pompuitputting en versterkingsverzadiging. Het stelt voor om multimode glasvezelversterking te integreren met golffrontfasemodulatie om tegelijkertijd SBS-onderdrukking en uitgangsspotoptimalisatie te bereiken. De geconstrueerde MMF-versterker werkt met een hoog vermogen, een hoog rendement en een smalle lijnbreedte, waardoor een hoge coherentie wordt gegarandeerd. Deze technologie biedt potentiële toepassingen in coherente bundelcombinaties, grootschalige interferometrie en gerichte energiesystemen.
Referenties: [1] Stefan Rothe et al., Wavefront-shaping maakt een krachtige multimode glasvezelversterker met uitgangsfocus mogelijk. Wetenschap 390, 173–177 (2025).
