Optični laserji in ojačevalniki visoke moči

Za posebej velike moči mora biti površina jedra dovolj velika, ker bo jakost svetlobe zelo visoka, drug razlog pa je, da je razmerje med površino obloge in površino jedra pri vlaknih z dvojno oblogo veliko, kar ima za posledico nizko absorpcijo črpalke. Ko je površina jedra reda velikosti nekaj tisoč kvadratnih mikrometrov, je izvedljiva uporaba jedra enomodnega vlakna. Z uporabo večmodnega vlakna, ko je območje načina razmeroma veliko, je mogoče dobiti izhodni žarek dobre kakovosti, svetlobni val pa je v glavnem osnovni način. (Vzbujanje načinov višjega reda je do neke mere možno tudi z navijanjem vlakna, razen v primeru močne sklopitve modov pri velikih močeh.) Ko se območje moda poveča, kakovost žarka ne more več ostati omejena z uklonom, ampak v primerjavi Za npr. paličaste laserje, ki delujejo pri podobni intenzivnosti moči, je končna kakovost žarka še vedno precej dobra.

Obstaja več možnosti za vbrizgavanje svetlobe črpalke z zelo visoko močjo. Najlažji način je črpanje obloge neposredno na vlaken. Ta metoda ne zahteva posebnih komponent vlaken, vendar se mora svetloba črpalke visoke moči širiti v zraku, zlasti na vmesniku zrak-steklo, ki je zelo občutljiv na prah ali neusklajenost. V mnogih primerih je bolje uporabiti črpalno diodo, povezano z vlakni, tako da se svetloba črpalke vedno prenaša v vlaknu. Druga možnost je, da črpalno svetlobo vnesete v pasivno vlakno (nedopirano) in pasivno vlakno ovijete okoli dopiranega vlakna, tako da se črpalna svetloba postopoma prenese v dopirano vlakno. Obstaja nekaj načinov za uporabo posebne kombinirane naprave s črpalko za spajanje nekaterih črpalnih vlaken in dopiranih signalnih vlaken. Obstajajo tudi druge metode, ki temeljijo na stransko črpanih tuljavah vlaken (laserji z vlaknenimi diski) ali utorih v oblogi črpalke, tako da je mogoče vbrizgati svetlobo črpalke. Slednja tehnika omogoča večtočkovno vbrizgavanje svetlobe črpalke, s čimer se toplotna obremenitev bolje porazdeli.

Slika 2: Diagram visokozmogljivega ojačevalnika z dvojno oplaščenimi vlakni s črpalno svetlobo, ki vstopa v optična vrata skozi prosti prostor. Vmesnik plinskega stekla mora biti strogo poravnan in čist.

Primerjava med vsemi metodami vbrizgavanja svetlobe črpalke je zapletena, ker je vključenih veliko vidikov: učinkovitost prenosa, izguba svetlosti, enostavnost obdelave, prilagodljivo delovanje, možni povratni odboji, uhajanje svetlobe od jedra vlakna do svetlobnega vira črpalke, ohranite izbiro polarizacija itd.
Čeprav je bil nedavni razvoj visokozmogljivih naprav z optičnimi vlakni zelo hiter, še vedno obstajajo nekatere omejitve, ki ovirajo nadaljnji razvoj:
Intenzivnost svetlobe visoko zmogljivih naprav z optičnimi vlakni je precej izboljšana. Mejne vrednosti materialne škode je zdaj običajno mogoče doseči. Zato je treba povečati območje moda (vlakna z velikim območjem moda), vendar ima ta metoda omejitve, ko je potrebna visoka kakovost žarka.
Izguba moči na enoto dolžine je dosegla 100 W/m, kar je povzročilo močne toplotne učinke v vlaknu. Uporaba vodnega hlajenja lahko močno izboljša moč. Daljša vlakna z nižjimi koncentracijami dopinga je lažje ohladiti, vendar to poveča nelinearne učinke.
Pri vlaknih, ki niso izključno enomodna, obstaja modalna nestabilnost, ko je izhodna moč večja od določenega praga, običajno nekaj sto vatov. Nestabilnosti načina povzročijo nenaden padec kakovosti žarka, kar je učinek toplotnih rešetk v vlaknu (ki hitro nihajo v prostoru).
Nelinearnost vlaken vpliva na številne vidike. Celo pri nastavitvi CW je Ramanov dobiček tako visok (tudi v decibelih), da se pomemben del moči prenese na Stokesov val z daljšo valovno dolžino, ki ga ni mogoče ojačati. Enofrekvenčno delovanje je močno omejeno s stimuliranim Brillouinovim sipanjem. Seveda obstajajo nekatere merilne metode, ki lahko do določene mere izravnajo ta učinek. Ultrakratki impulzi, ustvarjeni v laserjih z zaklenjenim načinom, bodo s samofazno modulacijo povzročili močan učinek spektralne širitve. Poleg tega obstajajo še drugi problemi vbrizgavanja nelinearne polarizacijske rotacije.
Zaradi zgornjih omejitev se naprave z optičnimi vlakni velike moči na splošno ne štejejo strogo za naprave z razširljivo močjo, vsaj ne zunaj dosegljivega območja moči. (Prejšnje izboljšave niso bile dosežene z enojnim skaliranjem moči, ampak z izboljšanimi zasnovami vlaken in črpalnimi diodami.) To ima pomembne posledice pri primerjavi tehnologije laserja z vlakni in laserjev s tankimi diski. Podrobneje je opisano v vnosu Laser Power Calibration.
Tudi brez dejanskega skaliranja moči je mogoče narediti veliko dela za izboljšanje nastavitev laserja visoke moči. Po eni strani je treba izboljšati zasnovo vlaken, kot je uporaba velikega območja načina vlakna in enomodnega vodenja, kar se običajno doseže z uporabo fotonskih kristalnih vlaken. Številne komponente vlaken so zelo pomembne, kot so posebne spojke črpalke, koničasti vlakni za povezovanje vlaken z različnimi velikostmi moda in posebne naprave za hlajenje vlaken. Ko je dosežena meja moči določenega vlakna, so kompozitni žarki druga možnost in obstajajo ustrezne nastavitve vlaken za izvajanje te tehnike. Za ojačevalne sisteme z ultrakratkimi impulzi obstaja veliko pristopov za zmanjšanje ali celo delno izkoriščanje nelinearnih učinkov optičnih vlaken, kot je širjenje spektra in kasnejše stiskanje impulzov.