Vysoce výkonné vláknové lasery a zesilovače

Pro zvláště vysoké výkony musí být oblast jádra dostatečně velká, protože intenzita světla bude velmi vysoká a dalším důvodem je, že poměr pláště k ploše jádra u dvojitě plátovaných vláken je velký, což má za následek nízkou absorpci čerpadla. Když je plocha jádra v řádu několika tisíc čtverečních mikrometrů, je možné použít jednovidové vlákno. Při použití multimódového vlákna, když je oblast režimu relativně velká, lze získat výstupní paprsek dobré kvality a světelná vlna je hlavně základním režimem. (Excitace vidů vyššího řádu je také do určité míry možná navíjením vlákna, kromě případu silné vazby vidů při vysokých výkonech) Jak se oblast režimu zvětšuje, kvalita paprsku již nemůže zůstat omezena difrakcí, ale srovnává se až U např. tyčových laserů pracujících při podobných intenzitách výkonu je výsledná kvalita paprsku stále docela dobrá.

Existuje několik možností, jak injektovat velmi výkonné světlo čerpadla. Nejjednodušší způsob je napumpovat plášť přímo u portu pro vlákna. Tato metoda nevyžaduje speciální vláknové komponenty, ale světlo vysoce výkonného čerpadla se musí šířit vzduchem, zejména rozhraním vzduch-sklo, které je velmi citlivé na prach nebo nesouosost. V mnoha případech je výhodné použít diodu čerpadla s vláknem, takže světlo čerpadla je vždy přenášeno ve vláknu. Další možností je přivést světlo pumpy do pasivního vlákna (nedopovaného) a omotat pasivní vlákno kolem dopovaného vlákna tak, aby se světlo pumpy postupně přeneslo do dopovaného vlákna. Existuje několik způsobů, jak použít speciální zařízení pro kombinaci čerpadel pro spojení některých vláken čerpadla a dotovaných signálních vláken dohromady. Existují další metody založené na vláknových cívkách s bočním čerpadlem (vláknové diskové lasery) nebo drážkách v plášti čerpadla, aby bylo možné vstřikovat světlo čerpadla. Posledně jmenovaná technika umožňuje vícebodové vstřikování světla čerpadla, čímž se lépe rozloží tepelné zatížení.

Obrázek 2: Schéma sestavy vysoce výkonného dvouplášťového vláknového zesilovače se světlem čerpadla vstupujícím do optického portu volným prostorem. Rozhraní plynového skla musí být přesně vyrovnáno a čisté.

Porovnání mezi všemi metodami vstřikování světla pumpy je komplikované, protože se jedná o mnoho aspektů: účinnost přenosu, ztráta jasu, snadnost zpracování, flexibilní provoz, možné zpětné odrazy, únik světla z jádra vlákna do zdroje světla pumpy, možnost výběru polarizace atd.
Přestože nedávný vývoj vysoce výkonných optických zařízení byl velmi rychlý, stále existují určitá omezení, která brání dalšímu vývoji:
Intenzita světla vysoce výkonných optických zařízení je mnohem lepší. Hranice materiálních škod lze nyní obvykle dosáhnout. Proto je potřeba zvětšit oblast vidu (vlákna oblasti s velkou oblastí vidu), ale tato metoda má omezení, když je vyžadována vysoká kvalita paprsku.
Ztráta výkonu na jednotku délky dosáhla řádu 100 W/m, což má za následek silné tepelné účinky ve vláknu. Použití vodního chlazení může výrazně zlepšit výkon. Delší vlákna s nižšími koncentracemi dopingu se snadněji chladí, ale to zvyšuje nelineární efekty.
U ne striktně jednovidových vláken existuje modální nestabilita, když je výstupní výkon vyšší než určitá prahová hodnota, typicky několik stovek wattů. Nestabilita režimu způsobuje náhlý pokles kvality paprsku, což je účinek tepelných mřížek ve vláknu (které rychle oscilují v prostoru).
Nelinearita vlákna ovlivňuje mnoho aspektů. I v CW nastavení je Ramanův zisk tak vysoký (i v decibelech), že značná část výkonu je přenesena na Stokesovu vlnu o delší vlnové délce, kterou nelze zesílit. Jednofrekvenční provoz je značně omezen stimulovaným Brillouinovým rozptylem. Samozřejmě existují některé metody měření, které mohou tento efekt do určité míry kompenzovat. Ultrakrátké pulsy generované v laserech s uzamčeným režimem, samofázová modulace na ně způsobí silný efekt spektrálního rozšíření. Kromě toho existují další problémy vstřikování rotace nelineární polarizace.
Vzhledem k výše uvedeným omezením nejsou zařízení s optickými vlákny s vysokým výkonem obecně přísně považována za škálovatelná výkonová zařízení, alespoň ne mimo dosažitelný výkonový rozsah. (Předchozích vylepšení nebylo dosaženo s jednoduchým škálováním výkonu, ale s vylepšenými konstrukcemi vláken a pumpovými diodami.) To má důležité důsledky při srovnávání technologie vláknového laseru s lasery na tenkém disku. Podrobněji je popsána v položce Laser Power Calibration.
I bez skutečného škálování výkonu lze udělat mnoho práce pro zlepšení nastavení vysoce výkonného laseru. Na jedné straně je nutné zlepšit konstrukci vlákna, jako je použití velké oblasti vlákenného módu a jednovidové vedení, čehož je obvykle dosaženo použitím vláken fotonických krystalů. Mnoho vláknových komponent je velmi důležitých, jako jsou speciální čerpací spojky, vláknité kužely pro připojení vláken s různými velikostmi režimu a speciální zařízení pro chlazení vláken. Jakmile je dosaženo limitu výkonu určitého vlákna, jsou další možností kompozitní nosníky a existují vhodná uspořádání vláken pro implementaci této techniky. Pro systémy zesilovačů s ultrakrátkými pulzy existuje mnoho přístupů ke snížení nebo dokonce částečnému využití nelineárních účinků optických vláken, jako je rozšíření spektra a následná komprese pulzu.