Vysokovýkonné vláknové lasery a zosilňovače

Pre obzvlášť vysoké výkony musí byť oblasť jadra dostatočne veľká, pretože intenzita svetla bude veľmi vysoká a ďalším dôvodom je, že pomer plášťa k ploche jadra v dvojito plátovaných vláknach je veľký, čo vedie k nízkej absorpcii čerpadla. Keď je plocha jadra rádovo niekoľko tisíc štvorcových mikrometrov, je možné použiť jednovidové jadro vlákna. Pomocou multimódového vlákna, keď je oblasť režimu relatívne veľká, je možné získať výstupný lúč dobrej kvality a svetelná vlna je hlavne základným režimom. (Excitácia vidov vyššieho rádu je do určitej miery možná aj navíjaním vlákna, s výnimkou prípadu silnej vidovej väzby pri vysokých výkonoch) Keď sa oblasť režimu zväčší, kvalita lúča už nemôže zostať difrakčne obmedzená, ale porovnať až Pre napr. tyčové lasery pracujúce pri podobných intenzitách výkonu je výsledná kvalita lúča stále celkom dobrá.

Existuje niekoľko možností, ako vstreknúť svetlo pumpy s veľmi vysokým výkonom. Najjednoduchším spôsobom je napumpovať obklad priamo na porte vlákna. Táto metóda nevyžaduje špeciálne vláknité komponenty, ale svetlo vysokovýkonného čerpadla sa musí šíriť vzduchom, najmä rozhraním vzduch-sklo, ktoré je veľmi citlivé na prach alebo nesprávne zarovnanie. V mnohých prípadoch je výhodné použiť diódu čerpadla spojenú s vláknom, takže svetlo čerpadla sa vždy prenáša vo vlákne. Ďalšou možnosťou je priviesť svetlo pumpy do pasívneho vlákna (nedopovaného) a omotať pasívne vlákno okolo dopovaného vlákna tak, aby sa svetlo pumpy postupne prenieslo do dopovaného vlákna. Existuje niekoľko spôsobov, ako použiť špeciálne zariadenie na kombináciu pumpy na spojenie niektorých vláken pumpy a dotovaných signálnych vláken. Existujú aj iné metódy založené na bočne čerpaných vláknových cievkach (vláknové diskové lasery) alebo drážkach v plášti čerpadla, aby bolo možné vstrekovať svetlo čerpadla. Posledná uvedená technika umožňuje viacbodové vstrekovanie svetla čerpadla, čím sa lepšie rozdeľuje tepelné zaťaženie.

Obrázok 2: Schéma nastavenia vysokovýkonného dvojplášťového vláknového zosilňovača so svetlom čerpadla vstupujúcim do portu vlákna cez voľný priestor. Rozhranie plynového skla musí byť prísne zarovnané a čisté.

Porovnanie medzi všetkými metódami vstrekovania svetla pumpy je komplikované, pretože ide o mnohé aspekty: účinnosť prenosu, strata jasu, jednoduchosť spracovania, flexibilná prevádzka, možné spätné odrazy, únik svetla z jadra vlákna do zdroja svetla pumpy, možnosť voľby polarizácia atď.
Hoci nedávny vývoj vysokovýkonných optických zariadení bol veľmi rýchly, stále existujú určité obmedzenia, ktoré bránia ďalšiemu vývoju:
Intenzita svetla vysokovýkonných optických zariadení je oveľa lepšia. Hranice materiálnych škôd sa teraz zvyčajne dajú dosiahnuť. Preto je potrebné zväčšiť oblasť videnia (vlákna s veľkou oblasťou videnia), ale táto metóda má obmedzenia, keď sa vyžaduje vysoká kvalita lúča.
Strata výkonu na jednotku dĺžky dosiahla rádovo 100 W/m, čo má za následok silné tepelné účinky vo vlákne. Použitie vodného chladenia môže výrazne zlepšiť výkon. Dlhšie vlákna s nižšou koncentráciou dopingu sa ľahšie ochladzujú, ale to zvyšuje nelineárne účinky.
Pri vláknach, ktoré nie sú striktne jednovidové, existuje modálna nestabilita, keď je výstupný výkon vyšší ako určitá prahová hodnota, zvyčajne niekoľko stoviek wattov. Nestabilita režimu spôsobuje náhly pokles kvality lúča, čo je účinok tepelných mriežok vo vlákne (ktoré rýchlo oscilujú v priestore).
Nelinearita vlákien ovplyvňuje mnoho aspektov. Dokonca aj v CW nastavení je Ramanov zisk taký vysoký (dokonca v decibeloch), že značná časť výkonu sa prenáša na Stokesovu vlnu s dlhšou vlnovou dĺžkou, ktorá sa nedá zosilniť. Jednofrekvenčná prevádzka je značne obmedzená stimulovaným Brillouinovým rozptylom. Samozrejme, existujú niektoré metódy merania, ktoré dokážu tento efekt do určitej miery kompenzovať. Ultrakrátke impulzy generované v laseroch s uzamknutým režimom, samofázová modulácia na ne spôsobí silný efekt rozšírenia spektra. Okrem toho existujú ďalšie problémy pri vstrekovaní rotácie nelineárnej polarizácie.
Kvôli vyššie uvedeným obmedzeniam sa vysokovýkonné optické zariadenia vo všeobecnosti nepovažujú za škálovateľné výkonové zariadenia, aspoň nie mimo dosiahnuteľného rozsahu výkonu. (Predchádzajúce vylepšenia sa nedosiahli s jednoduchým škálovaním výkonu, ale s vylepšeným dizajnom vlákien a pumpovými diódami.) To má dôležité dôsledky pri porovnávaní technológie vláknového lasera s tenkými diskovými lasermi. Podrobnejšie je to popísané v položke Kalibrácia výkonu lasera.
Dokonca aj bez skutočného škálovania výkonu je možné vykonať veľa práce na zlepšení nastavení vysokovýkonného lasera. Na jednej strane je potrebné zlepšiť dizajn vlákna, ako je použitie veľkej oblasti vlákna a jednovidové vedenie, čo sa zvyčajne dosahuje použitím vlákien fotonického kryštálu. Mnoho vláknových komponentov je veľmi dôležitých, ako sú špeciálne spojky čerpadiel, zužujúce sa vlákna na pripojenie vlákien s rôznymi veľkosťami režimu a špeciálne zariadenia na chladenie vlákien. Akonáhle sa dosiahne limit výkonu určitého vlákna, ďalšou možnosťou sú kompozitné lúče a existujú vhodné nastavenia vlákien na implementáciu tejto techniky. Pre systémy zosilňovačov ultrakrátkych impulzov existuje mnoho prístupov na zníženie alebo dokonca čiastočné využitie nelineárnych účinkov optických vlákien, ako je rozšírenie spektra a následná kompresia impulzov.