Високомощни оптични лазери и усилватели

За особено големи мощности, площта на сърцевината трябва да е достатъчно голяма, тъй като интензитетът на светлината ще бъде много висок, а друга причина е, че съотношението на обвивката към площта на сърцевината при влакната с двойна облицовка е голямо, което води до ниска абсорбция на помпата. Когато площта на сърцевината е от порядъка на няколко хиляди квадратни микрометра, е възможно да се използва сърцевина на едномодово влакно. Използвайки многомодово влакно, когато площта на режима е сравнително голяма, може да се получи изходен лъч с добро качество и светлинната вълна е основно основният режим. (Възбуждането на режими от по-висок порядък също е възможно до известна степен чрез навиване на влакното, с изключение на случая на силно свързване на мода при високи мощности) Тъй като областта на модата става по-голяма, качеството на лъча вече не може да остане ограничено от дифракция, но в сравнение За например пръчковидни лазери, работещи при подобен интензитет на мощността, полученото качество на лъча все още е доста добро.

Има няколко варианта за това как да инжектирате помпа с много висока мощност. Най-лесният начин е да изпомпвате облицовката директно в порта за влакна. Този метод не изисква специални влакнести компоненти, но светлината на помпата с висока мощност трябва да се разпространява във въздуха, особено в интерфейса въздух-стъкло, който е много чувствителен към прах или разместване. В много случаи е за предпочитане да се използва диод на помпа, свързан с влакна, така че светлината на помпата винаги да се предава във влакното. Друг вариант е да подадете светлината на помпата в пасивно влакно (нелегирано) и да увиете пасивното влакно около легираното влакно, така че светлината на помпата постепенно да се прехвърли в легираното влакно. Има някои начини за използване на специално комбинирано устройство с помпа за сливане на някои помпени влакна и легирани сигнални влакна заедно. Има и други методи, базирани на намотки от влакна със странично изпомпване (лазери с влакнести дискове) или жлебове в обвивката на помпата, така че светлината на помпата да може да бъде инжектирана. Последната техника позволява многоточково инжектиране на светлина на помпата, като по този начин се разпределя по-добре топлинното натоварване.

Фигура 2: Диаграма на усилвател с влакна с двойна облицовка с висока мощност със светлина на помпата, влизаща във влакнестия порт през свободно пространство. Интерфейсът на газовото стъкло трябва да бъде стриктно подравнен и чист.

Сравнението между всички методи за инжектиране на изпомпвана светлина е сложно, тъй като са включени много аспекти: ефективност на трансфера, загуба на яркост, лекота на обработка, гъвкава работа, възможни обратни отражения, изтичане на светлина от сърцевината на влакното към източника на изпомпваща светлина, Запазете избора на поляризация и др.
Въпреки че скорошното развитие на оптични устройства с висока мощност е много бързо, все още има някои ограничения, които възпрепятстват по-нататъшното развитие:
Интензитетът на светлината на оптичните устройства с висока мощност е значително подобрен. Сега обикновено могат да бъдат достигнати прагове за материални щети. Поради това има нужда от увеличаване на площта на мода (влакна с голяма площ на мода), но този метод има ограничения, когато се изисква високо качество на лъча.
Загубата на мощност на единица дължина е достигнала от порядъка на 100 W/m, което води до силни топлинни ефекти във влакното. Използването на водно охлаждане може значително да подобри мощността. По-дългите влакна с по-ниски допинг концентрации се охлаждат по-лесно, но това увеличава нелинейните ефекти.
За влакна, които не са строго едномодови, има модална нестабилност, когато изходната мощност е по-голяма от определен праг, обикновено няколкостотин вата. Нестабилността на режима причинява внезапен спад в качеството на лъча, което е ефектът от термичните решетки във влакното (които осцилират бързо в пространството).
Нелинейността на влакната засяга много аспекти. Дори при CW настройка усилването на Raman е толкова високо (дори в децибели), че значителна част от мощността се прехвърля към Стоксовата вълна с по-голяма дължина на вълната, която не може да бъде усилена. Работата с една честота е силно ограничена от стимулираното разсейване на Брилуен. Разбира се, има някои методи за измерване, които могат да компенсират този ефект до известна степен. Свръхкъсите импулси, генерирани в лазери със заключен режим, самофазовата модулация ще произведе върху тях силен ефект на спектрално разширяване. Освен това има и други проблеми с инжектирането на нелинейно поляризационно въртене.
Поради горните ограничения оптичните устройства с висока мощност обикновено не се считат строго за устройства с мащабируема мощност, поне не извън обхвата на постижима мощност. (Предишните подобрения не бяха постигнати с еднократно мащабиране на мощността, а с подобрен дизайн на влакна и изпомпващи диоди.) Това има важни последствия при сравняване на технологията на фибролазера с лазерите с тънък диск. Описано е по-подробно в записа Лазерно калибриране на мощността.
Дори и без реално мащабиране на мощността, може да се направи много работа за подобряване на лазерните настройки с висока мощност. От една страна, необходимо е да се подобри дизайнът на влакното, като например използване на голяма площ на режим на влакно и едномодово насочване, което обикновено се постига чрез използване на фотонни кристални влакна. Много компоненти на влакна са много важни, като специални съединители на помпата, конуси на влакна за свързване на влакна с различни размери на режима и специални устройства за охлаждане на влакна. След като бъде достигната границата на мощността на определено влакно, композитните греди са друга опция и съществуват подходящи настройки на влакна за прилагане на тази техника. За системите за усилване на ултракъси импулси има много подходи за намаляване или дори частично използване на нелинейните ефекти на оптичните влакна, като разширяване на спектъра и последващо компресиране на импулси.