Fiberlasere og forsterkere med høy effekt

For spesielt høye effekter må kjernearealet være stort nok, fordi lysintensiteten vil være svært høy, og en annen grunn er at forholdet mellom kledning og kjerneareal i dobbeltkledde fibre er stort, noe som gir lav pumpeabsorpsjon. Når kjernearealet er i størrelsesorden flere tusen kvadratmikrometer, er det mulig å bruke en single-mode fiberkjerne. Ved å bruke multimodusfiber, når modusområdet er relativt stort, kan utgangsstrålen av god kvalitet oppnås, og lysbølgen er hovedsakelig den grunnleggende modusen. (Eksitering av høyere ordens moduser er også mulig til en viss grad ved å vikle fiberen, bortsett fra tilfellet med sterk moduskobling ved høye effekter) Ettersom modusområdet blir større, kan strålekvaliteten ikke lenger forbli diffraksjonsbegrenset, men sammenlignes for f.eks. stanglasere som opererer med lignende effektintensiteter, er den resulterende strålekvaliteten fortsatt ganske god.

Det er flere alternativer for hvordan du injiserer pumpelys med svært høy effekt. Det enkleste er å pumpe kledningen direkte ved fiberporten. Denne metoden krever ikke spesielle fiberkomponenter, men pumpelyset med høy effekt må forplante seg i luft, spesielt luft-glass-grensesnittet, som er svært følsomt for støv eller feiljustering. I mange tilfeller er det å foretrekke å bruke en fiberkoblet pumpediode, slik at pumpelyset alltid sendes i fiberen. Et annet alternativ er å mate pumpelyset inn i en passiv fiber (udopet) og vikle den passive fiberen rundt den dopede fiberen slik at pumpelyset gradvis overføres til den dopede fiberen. Det er noen måter å bruke en spesiell pumpekombinasjonsenhet for å smelte sammen noen pumpefibre og dopede signalfibre. Det finnes andre metoder basert på sidepumpede fiberspoler (fiberskivelasere), eller riller i pumpekledningen slik at pumpelyset kan injiseres. Den sistnevnte teknikken tillater flerpunktsinjeksjon av pumpelys, og fordeler dermed den termiske belastningen bedre.

Figur 2: Diagram av et høyeffekt dobbeltkledd fiberforsterkeroppsett med pumpelys som kommer inn i fiberporten gjennom ledig plass. Gassglassgrensesnittet må være strengt justert og rent.

Sammenligningen mellom alle metodene for å injisere pumpelys er komplisert fordi mange aspekter er involvert: overføringseffektivitet, lysstyrketap, enkel prosessering, fleksibel drift, mulige bakrefleksjoner, lyslekkasje fra fiberkjernen til pumpens lyskilde, behold valget av polarisering etc.
Selv om den nylige utviklingen av fiberoptiske enheter med høy effekt har vært veldig rask, er det fortsatt noen begrensninger som hindrer videre utvikling:
Lysintensiteten til fiberoptiske enheter med høy effekt er mye forbedret. Materielle skadeterskler kan nå vanligvis nås. Derfor er det behov for å øke modusarealet (fibre med stort modusareal), men denne metoden har begrensninger når høy strålekvalitet er nødvendig.
Effekttapet per lengdeenhet har nådd størrelsesorden 100W/m, noe som resulterer i sterke termiske effekter i fiberen. Bruk av vannkjøling kan forbedre kraften betraktelig. Lengre fibre med lavere dopingkonsentrasjon er lettere å avkjøle, men dette øker ikke-lineære effekter.
For ikke strengt tatt enkeltmodusfibre er det modal ustabilitet når utgangseffekten er større enn en viss terskel, typisk noen få hundre watt. Modusustabilitet forårsaker et plutselig fall i strålekvaliteten, som er effekten av termiske gitter i fiberen (som svinger raskt i rommet).
Fiberulinearitet påvirker mange aspekter. Selv i et CW-oppsett er Raman-forsterkningen så høy (selv i desibel) at en betydelig del av kraften overføres til Stokes-bølgen med lengre bølgelengde, som ikke kan forsterkes. Enkeltfrekvensdrift er sterkt begrenset av stimulert Brillouin-spredning. Selvfølgelig er det noen målemetoder som til en viss grad kan oppveie denne effekten. De ultrakorte pulsene som genereres i moduslåste lasere, vil selvfasemodulering gi en sterk spektral utvidende effekt på dem. I tillegg er det andre problemer med å injisere ikke-lineær polarisasjonsrotasjon.
På grunn av begrensningene ovenfor er fiberoptiske enheter med høy effekt generelt ikke strengt tatt betraktet som skalerbare kraftenheter, i hvert fall ikke utenfor det oppnåelige effektområdet. (Tidligere forbedringer ble ikke oppnådd med enkel effektskalering, men med forbedret fiberdesign og pumpedioder.) Dette har viktige konsekvenser når man sammenligner fiberlaserteknologi med tynndisklasere. Det er beskrevet mer detaljert i oppføringen Laser Power Calibration.
Selv uten reell kraftskalering, kan mye arbeid gjøres for å forbedre høyeffekts laseroppsett. På den ene siden er det nødvendig å forbedre fiberdesignet, for eksempel å bruke et stort fibermodusområde og enkeltmodusveiledning, som vanligvis oppnås ved å bruke fotoniske krystallfibre. Mange fiberkomponenter er svært viktige, for eksempel spesielle pumpekoblinger, fiberkonus for å koble sammen fibre med forskjellige modusstørrelser og spesielle fiberkjøleenheter. Når kraftgrensen for en viss fiber er nådd, er komposittbjelker et annet alternativ, og egnede fiberoppsett finnes for å implementere denne teknikken. For ultrakorte pulsforsterkersystemer er det mange tilnærminger for å redusere eller til og med delvis utnytte de ikke-lineære effektene av optiske fibre, slik som spektrumutvidelse og påfølgende pulskompresjon.