Amplificadores y láseres de fibra de alta potencia

Para potencias particularmente altas, el área del núcleo debe ser lo suficientemente grande, porque la intensidad de la luz será muy alta, y otra razón es que la relación entre el revestimiento y el área del núcleo en las fibras de doble revestimiento es grande, lo que da como resultado una absorción de bombeo baja. Cuando el área del núcleo es del orden de varios miles de micrómetros cuadrados, es factible utilizar un núcleo de fibra monomodo. Usando fibra multimodo, cuando el área del modo es relativamente grande, se puede obtener un haz de salida de buena calidad y la onda de luz es principalmente el modo fundamental. (La excitación de los modos de orden superior también es posible hasta cierto punto enrollando la fibra, excepto en el caso de un fuerte acoplamiento de modos a altas potencias) A medida que el área del modo se vuelve más grande, la calidad del haz ya no puede permanecer limitada por la difracción, sino que en comparación Para, por ejemplo, láseres de varilla que funcionan con intensidades de potencia similares, la calidad del haz resultante sigue siendo bastante buena.

Hay varias opciones sobre cómo inyectar luz de bomba de muy alta potencia. La forma más sencilla es bombear el revestimiento directamente en el puerto de fibra. Este método no requiere componentes especiales de fibra, pero la luz de la bomba de alta potencia debe propagarse en el aire, especialmente en la interfaz aire-vidrio, que es muy sensible al polvo o la desalineación. En muchos casos, es preferible utilizar un diodo de bomba acoplado a fibra, de modo que la luz de la bomba siempre se transmita en la fibra. Otra opción es alimentar la luz de la bomba en una fibra pasiva (sin dopar) y envolver la fibra pasiva alrededor de la fibra dopada para que la luz de la bomba se transfiera gradualmente a la fibra dopada. Hay algunas formas de usar un dispositivo de combinación de bomba especial para fusionar algunas fibras de bomba y fibras de señal dopadas. Existen otros métodos basados ​​en bobinas de fibra bombeadas lateralmente (láseres de disco de fibra) o ranuras en el revestimiento de la bomba para que se pueda inyectar la luz de la bomba. La última técnica permite la inyección multipunto de la luz de la bomba, distribuyendo así mejor la carga térmica.

Figura 2: Diagrama de una configuración de amplificador de fibra de doble revestimiento de alta potencia con luz de bomba que ingresa al puerto de fibra a través del espacio libre. La interfaz de vidrio de gas debe estar estrictamente alineada y limpia.

La comparación entre todos los métodos de inyección de luz de la bomba es complicada porque intervienen muchos aspectos: eficiencia de transferencia, pérdida de brillo, facilidad de procesamiento, funcionamiento flexible, posibles reflejos traseros, fuga de luz desde el núcleo de la fibra hasta la fuente de luz de la bomba. Mantenga la elección de polarización, etc.
Aunque el desarrollo reciente de dispositivos de fibra óptica de alta potencia ha sido muy rápido, todavía existen algunas limitaciones que dificultan un mayor desarrollo:
La intensidad de la luz de los dispositivos de fibra óptica de alta potencia ha mejorado mucho. Normalmente, ahora se pueden alcanzar los umbrales de daños materiales. Por lo tanto, existe la necesidad de aumentar el área modal (fibras de área modal grande), pero este método tiene limitaciones cuando se requiere una alta calidad del haz.
La pérdida de potencia por unidad de longitud ha llegado al orden de los 100 W/m, lo que provoca fuertes efectos térmicos en la fibra. El uso de refrigeración por agua puede mejorar en gran medida la potencia. Las fibras más largas con concentraciones de dopaje más bajas son más fáciles de enfriar, pero esto aumenta los efectos no lineales.
Para las fibras que no son estrictamente monomodo, hay inestabilidad modal cuando la potencia de salida es mayor que un cierto umbral, típicamente unos pocos cientos de vatios. Las inestabilidades de modo provocan una caída repentina en la calidad del haz, que es el efecto de las rejillas térmicas en la fibra (que oscilan rápidamente en el espacio).
La no linealidad de la fibra afecta a muchos aspectos. Incluso en una configuración de CW, la ganancia Raman es tan alta (incluso en decibelios) que una parte significativa de la potencia se transfiere a la onda Stokes de longitud de onda más larga, que no se puede amplificar. La operación de frecuencia única está muy limitada por la dispersión de Brillouin estimulada. Por supuesto, existen algunos métodos de medición que pueden compensar este efecto hasta cierto punto. Los pulsos ultracortos generados en los láseres de modo bloqueado, la automodulación de fase producirá un fuerte efecto de ampliación espectral en ellos. Además, hay otros problemas de inyectar rotación de polarización no lineal.
Debido a las limitaciones anteriores, los dispositivos de fibra óptica de alta potencia generalmente no se consideran estrictamente dispositivos de potencia escalable, al menos no fuera del rango de potencia alcanzable. (Las mejoras anteriores no se lograron con escalado de potencia única, sino con diseños de fibra y diodos de bombeo mejorados). Esto tiene consecuencias importantes cuando se compara la tecnología de láser de fibra con los láseres de disco delgado. Se describe con más detalle en la entrada Calibración de potencia láser.
Incluso sin una escala de potencia real, se puede hacer mucho trabajo para mejorar las configuraciones de láser de alta potencia. Por un lado, es necesario mejorar el diseño de la fibra, como el uso de un área modal de fibra grande y el guiado monomodo, que generalmente se logra mediante el uso de fibras de cristal fotónico. Muchos componentes de fibra son muy importantes, como los acopladores de bomba especiales, los conos de fibra para conectar fibras con diferentes tamaños de modo y dispositivos especiales de enfriamiento de fibra. Una vez que se alcanza el límite de potencia de una determinada fibra, los haces compuestos son otra opción y existen configuraciones de fibra adecuadas para implementar esta técnica. Para los sistemas amplificadores de pulsos ultracortos, existen muchos enfoques para reducir o incluso explotar parcialmente los efectos no lineales de las fibras ópticas, como la ampliación del espectro y la subsiguiente compresión de pulsos.