Laser e amplificatori in fibra ad alta potenza

Per potenze particolarmente elevate, l'area del nucleo deve essere sufficientemente grande, perché l'intensità della luce sarà molto elevata e un altro motivo è che il rapporto tra rivestimento e area del nucleo nelle fibre a doppio rivestimento è elevato, con conseguente basso assorbimento della pompa. Quando l'area del nucleo è dell'ordine di diverse migliaia di micrometri quadrati, è possibile utilizzare un nucleo in fibra monomodale. Utilizzando la fibra multimodale, quando l'area della modalità è relativamente ampia, è possibile ottenere un raggio di uscita di buona qualità e l'onda luminosa è principalmente la modalità fondamentale. (L'eccitazione dei modi di ordine superiore è anche possibile in una certa misura avvolgendo la fibra, ad eccezione del caso di accoppiamento di modo forte ad alte potenze) Man mano che l'area del modo diventa più grande, la qualità del raggio non può più rimanere limitata dalla diffrazione, ma confrontata Per esempio, per i laser a barra operanti a intensità di potenza simili, la qualità del raggio risultante è ancora abbastanza buona.

Esistono diverse opzioni su come iniettare la luce della pompa ad altissima potenza. Il modo più semplice è pompare il rivestimento direttamente sulla porta della fibra. Questo metodo non richiede componenti in fibra speciali, ma la luce della pompa ad alta potenza deve propagarsi nell'aria, in particolare nell'interfaccia aria-vetro, che è molto sensibile alla polvere o al disallineamento. In molti casi è preferibile utilizzare un diodo di pompaggio accoppiato in fibra, in modo che la luce della pompa sia sempre trasmessa nella fibra. Un'altra opzione è alimentare la luce della pompa in una fibra passiva (non drogata) e avvolgere la fibra passiva attorno alla fibra drogata in modo che la luce della pompa venga gradualmente trasferita nella fibra drogata. Esistono alcuni modi per utilizzare uno speciale dispositivo di combinazione di pompe per fondere insieme alcune fibre di pompa e fibre di segnale drogate. Esistono altri metodi basati su bobine di fibra pompate lateralmente (laser a disco in fibra) o scanalature nel rivestimento della pompa in modo che la luce della pompa possa essere iniettata. Quest'ultima tecnica consente l'iniezione multipunto della luce della pompa, distribuendo così meglio il carico termico.

Figura 2: Schema di un amplificatore in fibra a doppio rivestimento ad alta potenza con la luce della pompa che entra nella porta della fibra attraverso lo spazio libero. L'interfaccia del vetro del gas deve essere rigorosamente allineata e pulita.

Il confronto tra tutti i metodi di iniezione della luce della pompa è complicato perché sono coinvolti molti aspetti: efficienza di trasferimento, perdita di luminosità, facilità di elaborazione, funzionamento flessibile, possibili riflessi posteriori, dispersione di luce dal nucleo della fibra alla sorgente luminosa della pompa, Mantieni la scelta di polarizzazione ecc.
Sebbene il recente sviluppo di dispositivi in ​​fibra ottica ad alta potenza sia stato molto rapido, esistono ancora alcune limitazioni che ne ostacolano l'ulteriore sviluppo:
L'intensità della luce dei dispositivi in ​​fibra ottica ad alta potenza è molto migliorata. Solitamente ora è possibile raggiungere le soglie dei danni materiali. Pertanto, vi è la necessità di aumentare l'area modale (fibre ad ampia area modale), ma questo metodo presenta dei limiti quando è richiesta un'elevata qualità del fascio.
La perdita di potenza per unità di lunghezza ha raggiunto l'ordine di 100 W/m, con conseguenti forti effetti termici nella fibra. L'uso del raffreddamento ad acqua può migliorare notevolmente la potenza. Le fibre più lunghe con concentrazioni di drogaggio inferiori sono più facili da raffreddare, ma ciò aumenta gli effetti non lineari.
Per le fibre non strettamente monomodali, si ha instabilità modale quando la potenza di uscita è maggiore di una certa soglia, tipicamente qualche centinaio di watt. Le instabilità modali causano un improvviso calo della qualità del raggio, che è l'effetto dei reticoli termici nella fibra (che oscillano rapidamente nello spazio).
La non linearità della fibra influisce su molti aspetti. Anche in una configurazione CW, il guadagno Raman è così alto (anche in decibel) che una parte significativa della potenza viene trasferita all'onda di Stokes a lunghezza d'onda più lunga, che non può essere amplificata. Il funzionamento a frequenza singola è fortemente limitato dalla diffusione Brillouin stimolata. Naturalmente, ci sono alcuni metodi di misurazione che possono compensare questo effetto in una certa misura. Gli impulsi ultracorti generati nei laser a modalità bloccata, la modulazione di autofase produrrà un forte effetto di ampliamento spettrale su di essi. Inoltre, ci sono altri problemi di iniezione della rotazione della polarizzazione non lineare.
A causa delle limitazioni di cui sopra, i dispositivi in ​​fibra ottica ad alta potenza non sono generalmente considerati strettamente dispositivi di potenza scalabili, almeno non al di fuori dell'intervallo di potenza ottenibile. (I miglioramenti precedenti non sono stati raggiunti con il ridimensionamento a potenza singola, ma con design delle fibre e diodi pompa migliorati.) Ciò ha conseguenze importanti quando si confronta la tecnologia laser in fibra con i laser a disco sottile. È descritto più dettagliatamente nella voce Laser Power Calibration.
Anche senza un reale ridimensionamento della potenza, è possibile fare molto lavoro per migliorare le configurazioni dei laser ad alta potenza. Da un lato, è necessario migliorare il design della fibra, ad esempio utilizzando un'ampia area modale della fibra e una guida monomodale, che di solito si ottiene utilizzando fibre a cristalli fotonici. Molti componenti in fibra sono molto importanti, come speciali accoppiatori per pompe, rastremazioni in fibra per collegare fibre con diverse dimensioni di modalità e speciali dispositivi di raffreddamento delle fibre. Una volta raggiunto il limite di potenza di una determinata fibra, i fasci compositi sono un'altra opzione ed esistono configurazioni di fibre adatte per implementare questa tecnica. Per i sistemi di amplificazione di impulsi ultracorti, esistono molti approcci per ridurre o anche parzialmente sfruttare gli effetti non lineari delle fibre ottiche, come l'ampliamento dello spettro e la successiva compressione dell'impulso.