Lasers e amplificadores de fibra de alta potência

Para potências particularmente altas, a área do núcleo precisa ser grande o suficiente, porque a intensidade da luz será muito alta, e outro motivo é que a proporção entre o revestimento e a área do núcleo em fibras de revestimento duplo é grande, resultando em baixa absorção da bomba. Quando a área do núcleo é da ordem de vários milhares de micrômetros quadrados, é possível usar um núcleo de fibra monomodo. Usando fibra multimodo, quando a área do modo é relativamente grande, o feixe de saída de boa qualidade pode ser obtido e a onda de luz é principalmente o modo fundamental. (A excitação de modos de ordem superior também é possível, até certo ponto, enrolando a fibra, exceto no caso de acoplamento de modo forte em altas potências) À medida que a área do modo se torna maior, a qualidade do feixe não pode mais permanecer limitada pela difração, mas comparada Para, por exemplo, lasers de haste operando em intensidades de potência semelhantes, a qualidade do feixe resultante ainda é muito boa.

Existem várias opções de como injetar luz de bomba de potência muito alta. A maneira mais fácil é bombear o revestimento diretamente na porta da fibra. Este método não requer componentes especiais de fibra, mas a luz da bomba de alta potência precisa se propagar no ar, especialmente na interface ar-vidro, que é muito sensível a poeira ou desalinhamento. Em muitos casos, é preferível usar um diodo bomba acoplado à fibra, de modo que a luz da bomba seja sempre transmitida na fibra. Outra opção é alimentar a luz da bomba em uma fibra passiva (não dopada) e enrolar a fibra passiva ao redor da fibra dopada para que a luz da bomba seja gradualmente transferida para a fibra dopada. Existem algumas maneiras de usar um dispositivo de combinação de bomba especial para fundir algumas fibras de bomba e fibras de sinal dopadas. Existem outros métodos baseados em bobinas de fibra bombeadas lateralmente (lasers de disco de fibra) ou ranhuras no revestimento da bomba para que a luz da bomba possa ser injetada. A última técnica permite a injeção multiponto da luz da bomba, distribuindo melhor a carga térmica.

Figura 2: Diagrama de uma configuração de amplificador de fibra de revestimento duplo de alta potência com a luz da bomba entrando na porta de fibra através do espaço livre. A interface do vidro de gás deve estar rigorosamente alinhada e limpa.

A comparação entre todos os métodos de injeção de luz da bomba é complicada porque muitos aspectos estão envolvidos: eficiência de transferência, perda de brilho, facilidade de processamento, operação flexível, possíveis retrorreflexões, vazamento de luz do núcleo da fibra para a fonte de luz da bomba, mantenha a escolha de polarização etc.
Embora o desenvolvimento recente de dispositivos de fibra ótica de alta potência tenha sido muito rápido, ainda existem algumas limitações que impedem o desenvolvimento futuro:
A intensidade da luz dos dispositivos de fibra óptica de alta potência é muito melhorada. Limites de danos materiais agora podem ser alcançados. Portanto, existe a necessidade de aumentar a área de modo (fibras de grande área de modo), mas este método tem limitações quando se requer alta qualidade de feixe.
A perda de potência por unidade de comprimento atingiu a ordem de 100W/m, resultando em fortes efeitos térmicos na fibra. O uso de refrigeração a água pode melhorar muito a potência. Fibras mais longas com concentrações de dopagem mais baixas são mais fáceis de resfriar, mas isso aumenta os efeitos não lineares.
Para fibras não estritamente monomodo, há instabilidade modal quando a potência de saída é maior que um certo limite, normalmente algumas centenas de watts. As instabilidades de modo causam uma queda brusca na qualidade do feixe, que é o efeito das grades térmicas na fibra (que oscilam rapidamente no espaço).
A não linearidade da fibra afeta muitos aspectos. Mesmo em uma configuração CW, o ganho Raman é tão alto (mesmo em decibéis) que uma parte significativa da potência é transferida para a onda Stokes de comprimento de onda mais longo, que não pode ser amplificada. A operação de frequência única é bastante limitada pelo espalhamento Brillouin estimulado. Claro, existem alguns métodos de medição que podem compensar esse efeito até certo ponto. Os pulsos ultracurtos gerados em lasers de modo bloqueado, modulação de auto-fase produzirá um forte efeito de ampliação espectral sobre eles. Além disso, existem outros problemas de injeção de rotação de polarização não linear.
Devido às limitações acima, os dispositivos de fibra óptica de alta potência geralmente não são estritamente considerados dispositivos de potência escaláveis, pelo menos não fora da faixa de potência alcançável. (Aprimoramentos anteriores não foram alcançados com escala de potência única, mas com designs de fibra e diodos de bomba aprimorados.) Isso tem consequências importantes ao comparar a tecnologia de laser de fibra com lasers de disco fino. É descrito com mais detalhes na entrada Calibração de potência do laser.
Mesmo sem escala de potência real, muito trabalho pode ser feito para melhorar as configurações de laser de alta potência. Por um lado, é necessário melhorar o design da fibra, como o uso de uma grande área de modo de fibra e orientação de modo único, o que geralmente é obtido usando fibras de cristal fotônico. Muitos componentes de fibra são muito importantes, como acopladores de bomba especiais, cones de fibra para conectar fibras com diferentes tamanhos de modo e dispositivos especiais de resfriamento de fibra. Uma vez atingido o limite de potência de uma determinada fibra, as vigas compostas são outra opção, e existem configurações de fibra adequadas para implementar essa técnica. Para sistemas amplificadores de pulsos ultracurtos, existem muitas abordagens para reduzir ou mesmo explorar parcialmente os efeitos não lineares das fibras ópticas, como o alargamento do espectro e a subsequente compressão do pulso.