لیزرها و تقویت کننده های فیبر با قدرت بالا

برای توان های بالا، ناحیه هسته باید به اندازه کافی بزرگ باشد، زیرا شدت نور بسیار زیاد خواهد بود و دلیل دیگر این است که نسبت روکش به سطح هسته در الیاف دولایه زیاد است و در نتیجه جذب پمپ کم می شود. هنگامی که مساحت هسته در حد چند هزار میکرومتر مربع باشد، می توان از یک هسته فیبر تک حالته استفاده کرد. با استفاده از فیبر چند حالته، زمانی که ناحیه حالت نسبتاً بزرگ است، پرتو خروجی با کیفیت خوب به دست می آید و موج نور عمدتا حالت اصلی است. (برانگیختن حالت های مرتبه بالاتر نیز تا حدی با سیم پیچی فیبر امکان پذیر است، به جز در مورد جفت حالت قوی در توان های بالا) با بزرگتر شدن ناحیه مد، کیفیت پرتو دیگر نمی تواند محدود به پراش باقی بماند، اما در مقایسه با به عنوان مثال برای لیزرهای میله ای که با شدت توان مشابه کار می کنند، کیفیت پرتو حاصل هنوز کاملاً خوب است.

چندین گزینه برای نحوه تزریق نور پمپ با قدرت بسیار بالا وجود دارد. ساده ترین راه این است که روکش را مستقیماً در درگاه فیبر پمپ کنید. این روش به اجزای فیبر خاصی نیاز ندارد، اما نور پمپ پرقدرت نیاز به انتشار در هوا دارد، به خصوص رابط هوا-شیشه که به گرد و غبار یا ناهماهنگی بسیار حساس است. در بسیاری از موارد استفاده از دیود پمپ فیبر کوپل شده ترجیح داده می شود تا نور پمپ همیشه در فیبر منتقل شود. گزینه دیگر این است که نور پمپ را به یک فیبر غیرفعال (بدون دوپ) وارد کنید و فیبر غیرفعال را به دور فیبر دوپ شده بپیچید تا نور پمپ به تدریج به فیبر دوپ شده منتقل شود. راه‌هایی برای استفاده از دستگاه ترکیب پمپ مخصوص برای فیوز کردن برخی از فیبرهای پمپ و فیبرهای سیگنال دوپ شده وجود دارد. روش‌های دیگری نیز بر اساس سیم‌پیچ‌های فیبر پمپ جانبی (لیزرهای دیسک فیبر)، یا شیارهایی در روکش پمپ وجود دارد تا بتوان نور پمپ را تزریق کرد. روش دوم امکان تزریق چند نقطه ای نور پمپ را فراهم می کند و بنابراین بار حرارتی را بهتر توزیع می کند.

شکل 2: نمودار راه اندازی تقویت کننده فیبر دو روکش پرقدرت با نور پمپ که از طریق فضای آزاد وارد پورت فیبر می شود. رابط شیشه گاز باید کاملاً تراز و تمیز باشد.

مقایسه بین تمام روش‌های تزریق نور پمپ پیچیده است زیرا جنبه‌های زیادی درگیر است: راندمان انتقال، کاهش روشنایی، سهولت پردازش، عملکرد انعطاف‌پذیر، انعکاس احتمالی پشت، نشت نور از هسته فیبر به منبع نور پمپ، انتخاب را حفظ کنید. قطبش و غیره
اگرچه پیشرفت اخیر دستگاه های فیبر نوری پرقدرت بسیار سریع بوده است، اما هنوز محدودیت هایی وجود دارد که مانع از توسعه بیشتر می شود:
شدت نور دستگاه های فیبر نوری با قدرت بالا بسیار بهبود یافته است. اکنون معمولاً می توان به آستانه خسارت مادی رسید. بنابراین نیاز به افزایش مساحت مد (الیاف ناحیه مد بزرگ) وجود دارد، اما این روش در مواقعی که کیفیت پرتو بالا مورد نیاز است محدودیت هایی دارد.
تلفات توان در واحد طول به 100 وات بر متر رسیده است که منجر به اثرات حرارتی قوی در فیبر می شود. استفاده از آب خنک کننده می تواند تا حد زیادی قدرت را بهبود بخشد. الیاف بلندتر با غلظت‌های دوپینگ پایین‌تر سرد می‌شوند، اما این امر اثرات غیرخطی را افزایش می‌دهد.
برای فیبرهای کاملاً تک حالته، زمانی که توان خروجی بیشتر از یک آستانه معین، معمولاً چند صد وات باشد، ناپایداری مودال وجود دارد. ناپایداری حالت باعث افت ناگهانی کیفیت پرتو می شود که اثر توری های حرارتی در فیبر (که به سرعت در فضا نوسان می کنند) است.
غیر خطی بودن فیبر جنبه های زیادی را تحت تأثیر قرار می دهد. حتی در راه اندازی CW، بهره رامان آنقدر زیاد است (حتی بر حسب دسی بل) که بخش قابل توجهی از توان به موج استوکس با طول موج بلندتر منتقل می شود که نمی تواند تقویت شود. عملکرد تک فرکانس توسط پراکندگی بریلوین تحریک شده تا حد زیادی محدود می شود. البته روش‌های اندازه‌گیری وجود دارد که می‌تواند این اثر را تا حدی خنثی کند. پالس های فوق کوتاه تولید شده در لیزرهای حالت قفل شده، مدولاسیون خودفاز، یک اثر گسترش طیفی قوی روی آنها ایجاد می کند. علاوه بر این، مشکلات دیگری برای تزریق چرخش قطبش غیرخطی وجود دارد.
با توجه به محدودیت‌های فوق، دستگاه‌های فیبر نوری با قدرت بالا معمولاً دستگاه‌های قدرت مقیاس‌پذیر در نظر گرفته نمی‌شوند، حداقل خارج از محدوده توان قابل دستیابی نیستند. (پیشرفت های قبلی با مقیاس بندی تک توانی به دست نمی آمد، بلکه با طراحی های فیبر و دیودهای پمپ بهبود یافته بود.) این عواقب مهمی در مقایسه فناوری لیزر فیبر با لیزرهای دیسک نازک دارد. با جزئیات بیشتر در مدخل Laser Power Calibration توضیح داده شده است.
حتی بدون مقیاس بندی توان واقعی، کار زیادی می توان برای بهبود تنظیمات لیزر پرقدرت انجام داد. از یک طرف، بهبود طراحی فیبر مانند استفاده از یک ناحیه بزرگ حالت فیبر و هدایت تک حالته که معمولاً با استفاده از الیاف کریستال فوتونی حاصل می شود، ضروری است. بسیاری از اجزای فیبر بسیار مهم هستند، مانند کوپلرهای پمپ مخصوص، الیاف مخروطی برای اتصال الیاف با اندازه های حالت مختلف و دستگاه های خنک کننده فیبر خاص. پس از رسیدن به حد توان یک فیبر خاص، تیرهای کامپوزیت گزینه دیگری هستند و تنظیمات فیبر مناسب برای اجرای این تکنیک وجود دارد. برای سیستم های تقویت کننده پالس فوق کوتاه، رویکردهای زیادی برای کاهش یا حتی بهره برداری جزئی از اثرات غیرخطی فیبرهای نوری، مانند گسترش طیف و فشرده سازی پالس بعدی وجود دارد.