I laser a fibra ad alta-potenza sono strumenti fondamentali nelle applicazioni scientifiche, industriali e di difesa. L'ostacolo principale per aumentare ulteriormente la potenza degli amplificatori laser a fibra a singola-frequenza è lo scattering Brillouin (SBS) stimolato. Quando la potenza ottica supera la soglia SBS, la luce del segnale trasmesso in avanti-eccita un'intensa luce di Stokes all'indietro. Ciò non solo riduce l'energia della pompa e riduce l'efficienza di uscita, ma può anche danneggiare i componenti di precisione front-end. L'aumento del diametro del nucleo della fibra e l'ampliamento dello spettro del segnale possono elevare la soglia SBS, sopprimendo così gli effetti SBS negli amplificatori in fibra a singola-frequenza. Gli attuali sforzi di mitigazione dell'SBS sono in gran parte limitati agli amplificatori in fibra mono-modalità o a poche-modalità con qualità del fascio elevato, rendendo difficile ottenere contemporaneamente potenza elevata, larghezza di linea ridotta e uscita del fascio di alta-qualità. Questo articolo esplora un amplificatore in fibra multimodale (MMF) in cui l'SBS è significativamente soppresso a causa della ridotta intensità ottica nel nucleo grande e dell'ampliamento dello spettro di scattering Brillouin causato dall'eccitazione multimodale. Applicando la modellazione spaziale del fronte d'onda alla luce in ingresso dell'amplificatore non lineare, il raggio in uscita viene focalizzato su un punto limitato dalla diffrazione, ottenendo elevata potenza (503 W), larghezza di linea stretta (1 kHz) e uscita del raggio di alta qualità.
Figura 1 Schema della configurazione ottica sperimentale
La Figura 1 mostra la configurazione ottica di questo studio. La luce seme alla lunghezza d'onda di 1064 nm subisce pre-amplificazione ed espansione del fascio nella fibra monomodale-prima che la fase del fronte d'onda venga modulata da un modulatore di luce spaziale (SLM). La luce del segnale modulato viene prima accoppiata in una fibra multimodale passiva, combinata con la luce della pompa, quindi amplificata in una fibra con guadagno multimodale drogata Yb- che supporta 76 modalità. Dopo l'amplificazione, la luce del segnale entra nel percorso di misurazione per valutare parametri tra cui potenza, spettro, larghezza di linea, macchia focale e fase. Questo studio indaga le caratteristiche SBS nelle fibre multimodali. I risultati indicano che la soglia SBS (potenza massima senza generazione SBS) in MMF è significativamente più alta rispetto alla fibra monomodale-. I risultati della simulazione mostrano che per l'MMF utilizzato (diametro del nucleo 42 μm), la soglia SBS è di circa 24 W quando viene eccitata solo la modalità fondamentale, che è 8 volte superiore a quella di una fibra monomodale con diametro di 15 μm. A causa dell'inevitabile accoppiamento modale nella fibra, MMF non può raggiungere la pura eccitazione della modalità fondamentale. Le misurazioni indicano una soglia SBS di 59 W con eccitazione a poche-modalità e 97 W con eccitazione a modalità multi-in MMF, come mostrato nella Figura 2(A).
Figura 2 (A) Soglie SBS nelle fibre monomodali-modali e multimodali; (B) Spettri di guadagno SBS per l'eccitazione fondamentale e multimodale in MMF
Questo articolo stabilisce una teoria semi-analitica per l'SBS negli amplificatori MMF, analizzando l'accoppiamento tra luci di segnale in modalità diversa e la luce di Stokes per derivare i coefficienti di guadagno SBS corrispondenti. Questa teoria indica che il coefficiente di guadagno SBS in condizioni di eccitazione multimodale all'interno di MMF è inferiore rispetto a qualsiasi scenario di eccitazione monomodale-. L'eccitazione multimodale in MMF amplia significativamente lo spettro di guadagno SBS, riduce il picco di guadagno e ottiene un aumento della soglia SBS, come mostrato nella Figura 2(B). A causa della natura della propagazione all'indietro della luce di Stokes, lunghezze MMF più lunghe determinano un guadagno SBS maggiore e una soglia corrispondentemente più bassa. Gli esperimenti dimostrano che la luce della pompa si esaurisce entro circa 6 m. Accorciando la lunghezza della fibra e misurando la soglia SBS, i risultati indicano che la soglia SBS è inversamente proporzionale alla lunghezza effettiva dell'MMF. Con una lunghezza MMF di 3,7 m, l'amplificatore raggiunge una soglia SBS massima (ovvero, potenza di uscita di picco) di 503 W, che è cinque volte la soglia SBS (risultato del calcolo teorico) per la sola eccitazione in modalità fondamentale.
Figura 3 Rapporto tra durata effettiva del FCM e soglia SBS; riquadro: intensità del punto focale in uscita rispetto alla fase
Per controllare l'uscita dell'MMF, questo studio ha modulato la fase del fronte d'onda utilizzando un modulatore di luce spaziale (SLM) prima che la luce del segnale entrasse nell'MMF. La gamma di modulazione copriva l'intera apertura di ingresso dell'MMF. All'interno di questo intervallo di modulazione, i pixel sono stati divisi in 256 macropixel. Partendo dal pixel centrale, la fase di ciascun pixel è stata scansionata secondo uno schema a spirale per ottenere un risultato ottimale sul piano focale. Sotto l'influenza del controllo di fase del fronte d'onda, si verifica un'interferenza tra diverse modalità all'interno dell'MMF, formando uno spot di alta-qualità sul piano focale di uscita. L'intensità dello spot e la distribuzione di fase sono mostrate nel riquadro in alto a destra della Figura 3, rivelando un'intensità uniforme e una distribuzione di fase, indicando un'eccellente qualità dello spot sul piano focale. Figura 4: macchie sul piano focale della MMF (A) e in posizioni leggermente sfocate (B, C); qualità misurata del raggio di uscita (M2) (D)
La Figura 4 mostra i profili del fascio sul piano focale e in condizioni di leggera sfocatura (200, 400 μm). Le misurazioni indicano un'efficienza focale del 76% sul piano focale, il che significa che il 76% dell'energia del raggio risiede all'interno del campo focale. I valori M2 misurati nelle direzioni xey sono rispettivamente 1,05 e 1,35, indicando una buona qualità del raggio. I risultati dimostrano che la modulazione di fase basata su SLM migliora efficacemente la qualità dello spot sul piano focale dell'output MMF.
Figura 5: efficienza della pendenza (A), spettro di uscita (B) e larghezza di linea (C) dell'amplificatore MMF [1]
Sono stati misurati anche l'efficienza di uscita, lo spettro e la larghezza di linea dell'amplificatore. L'amplificatore MMF ha raggiunto un'efficienza di pendenza dell'82%, come mostrato nella Figura 5(A), coerente con le previsioni teoriche. Lo spettro di uscita (Figura 5B) mostra un picco del segnale a 1064 nm con un'intensità ASE relativa di 52 dB, mentre il picco del lato sinistro- rappresenta un debole segnale di pompa residuo. A causa della larghezza di linea di uscita estremamente ridotta, gli spettrometri convenzionali avevano difficoltà a misurarla. Pertanto, sono stati impiegati metodi eterodina per determinare le larghezze di linea di input e output. L'amplificatore MMF costruito in questo lavoro presenta una larghezza di linea in uscita di 35 kHz (20-dB) / 1 kHz (3 dB, ovvero larghezza intera a metà massimo), non mostrando alcuna differenza significativa rispetto alla larghezza di linea in ingresso. La sua eccellente coerenza temporale soddisfa i requisiti per misurazioni interferometriche di precisione. Questo documento elabora sistematicamente la teoria SBS della fibra multimodale considerando l'esaurimento della pompa e la saturazione del guadagno. Propone di integrare l'amplificazione in fibra multimodale con la modulazione di fase del fronte d'onda per ottenere contemporaneamente la soppressione SBS e l'ottimizzazione dello spot di uscita. L'amplificatore MMF costruito funziona ad alta potenza, alta efficienza e larghezza di linea ridotta, garantendo un'elevata coerenza. Questa tecnologia ha potenziali applicazioni nella combinazione di fasci coerenti, nell'interferometria su larga scala e nei sistemi energetici diretti.
Riferimenti: [1] Stefan Rothe et al., La modellazione del fronte d'onda consente un amplificatore in fibra multimodale ad alta-potenza con focus sull'uscita. Scienza 390, 173–177 (2025).
