L'amplificatore in fibra a larghezza di linea stretta da 7 kW ha ottenuto un miglioramento significativo delle prestazioni attraverso la regolazione precisa dell'indice di rifrazione della fibra attiva ad area di modo ampio

1. Introduzione I laser a fibra ad alta potenza con qualità del fascio quasi limitata dalla diffrazione (NDL) sono emersi come punto focale della ricerca nella tecnologia laser a causa del loro costo relativamente basso, dell'elevata potenza di uscita e della facilità di manutenzione [vedere Richardson, Nilsson e Clarkson1; Zuo e Lin4]. Gli amplificatori in fibra a larghezza di linea stretta basati sull'amplificatore di potenza dell'oscillatore master (MOPA) e sul formato interamente in fibra sono le configurazioni più versatili ed efficienti per il ridimensionamento della potenza di sorgenti in fibra monolitiche in applicazioni come la combinazione di fasci spettrali e la combinazione di fasci coerenti [vedere Zheng, Yang, Wang, Hu, Liu, Zhao, Chen, Liu, Zhao, He e Zhou5; Liu, Ma, Su, Tao, Ma, Wang e Zhou6]. Studi precedenti hanno indicato che le limitazioni della potenza di uscita degli amplificatori in fibra NDL sono regolate dalla luminosità della pompa, dagli effetti non lineari e dagli effetti termici [vedere Dawson, Messerly, Beach, Shverdin, Stappaerts, Sridharan, Pax, Heebner, Siders e Barty7; Wang11]. Tra questi, la diffusione Raman stimolata (SRS) e l'instabilità di modo trasversale (TMI) sono state identificate come i vincoli principali negli amplificatori in fibra NDL ad alta potenza. Per le caratteristiche spettrali a larghezza di linea stretta, anche la diffusione Brillouin stimolata (SBS) richiede un'attenta considerazione [vedi Kobyakov, Sauer e Chowdhury12]. Ad oggi, livelli di potenza superiori a 10 kW sono stati raggiunti con configurazioni di pompa tandem caratterizzate da emissione ad ampio spettro [13, vedi Shiner14]. In particolare, il pompaggio diretto con diodi laser a semiconduttore (LD) ha fornito fino a 6 kW di potenza in emissioni a larghezza di linea ampia e stretta bilanciando in modo completo SRS, TMI e persino SBS [vedi Yang, Wang, Zhang, Xi, Shi, Wang e Xu15; Wang, Song, Chen, Ren, Ma, Liu, Yao e Zhou16].

2. Le soglie per SBS e SRS sono intrinsecamente collegate al guadagno netto totale dei laser Raman e Brillouin Stokes [vedere Smith17; Liu, Ma, Lv, Xu, Zhou e Jiang19]. Negli amplificatori in fibra a larghezza di linea stretta pratici, la soppressione SBS si concentra in genere sulla costruzione di laser seed per ampliare lo spettro di guadagno SBS, dove la modulazione di fase dei laser a frequenza singola è l'approccio principale per alleviare l'ampliamento spettrale mantenendo una soglia SRS più elevata durante l'amplificazione a cascata [vedere Flores, Robin, Lanari e Dajani20; Liu, Song, Ma, Xiao e Zhou23]. Per la soppressione SRS, possono essere impiegate strategie come un'ampia area di campo modale efficace (EMFA) per la modalità fondamentale (FM), un elevato coefficiente di assorbimento della pompa, una lunghezza della fibra attiva più corta e un pompaggio all'indietro [vedere Dawson, Messerly, Beach, Shverdin, Stappaerts, Sridharan, Pax, Heebner, Siders e Barty7; Otto, Jauregui, Limpert e Tünnermann8; Wang11]. La soglia TMI è determinata da vari fattori nella progettazione del sistema, come la lunghezza d'onda del segnale/pompa, il diametro del nucleo/rivestimento, l'apertura numerica del nucleo (NA) e la distribuzione della potenza della pompa. L'impatto di questi fattori sulla soglia TMI è stato ampiamente studiato e sono state convalidate tecniche per manipolare reticoli dell'indice di rifrazione indotti termicamente e ridurre le perdite di modalità di ordine superiore (HOM) della fibra [vedere Tao, Wang e Zhou24; Jauregui, Stihler e Limpert25]. Tuttavia, avvolgere la fibra attiva per aumentare la perdita relativa di HOM è una delle poche strategie efficaci per aumentare la soglia TMI a oltre 5 kW in sistemi a larghezza di linea stretta [vedere Wang, Song, Chen, Ren, Ma, Liu, Yao e Zhou16; Ma, Xiao, Liu, Zhang, Wang, Leng e Zhou26; Liao, Luo, Xiao, Shu, Cheng, Zhang, Xing, Li, Dai e Li29]. È degno di nota che l'efficacia di questa tecnica per la soppressione TMI diminuisce con l'aumento del diametro del nucleo e NA [vedere Tao, Su, Ma, Wang e Zhou30]. È importante notare che SRS e TMI sono anche interrelati nella progettazione di amplificatori in fibra ad alta potenza, con compromessi nella progettazione del sistema esistenti in termini di carico termico, lunghezza effettiva della fibra e diametro del nucleo [vedere Tao, Wang e Zhou24; Jauregui, Stihler e Limpert25; Hejaz, Shayganmanesh, Rezaei-Nasirabad, Roohforouz, Azizi, Abedinajafi e Vatani31; Distler, Möller, Strecker, Palma-Vega, Walbaum e Schreiber34]. Inoltre, la soglia TMI negli amplificatori in fibra a larghezza di linea stretta è inferiore a.

L'amplificatore principale è alimentato da 12 LD stabili in lunghezza d'onda di 976 nm disposti in una configurazione di pompaggio bidirezionale, e questi LD sono accoppiati nella fibra attiva drogata con itterbio ad area di modo grande (LMA-YDF) tramite due combinatori di pompaggio del segnale in fibra (6 + 1) × 1. Ogni LD può fornire una potenza di pompaggio massima di 0,87 kW. I diametri di nucleo/rivestimento delle fibre di trasmissione sono 20/250 e 20/400 μm, con un'apertura numerica (NA) di circa 0,063 per il combinatore di pompaggio del segnale in avanti e 25/400 e 25/250 μm per le fibre di trasmissione con un'NA di circa 0,065 per la fibra all'indietro. Due stripper di potenza del rivestimento (CPS) basati sulla tecnologia di incisione sono collegati in serie per rimuovere i segnali residui di pompaggio e rivestimento. Un supporto per blocchi di quarzo (QBH) viene utilizzato per interfacciare l'uscita del laser a fibra con lo spazio libero. Nell'esperimento, la lunghezza totale delle fibre di trasmissione dopo l'YDF è di circa 1,8 m.

Lo YDF utilizzato nell'amplificatore principale è un LMA-YDF domestico lungo 14 m con un diametro uniforme del nucleo/rivestimento di 20/400 μm, prodotto utilizzando un processo di deposizione chimica da vapore (MCVD) migliorato. Il NA del nucleo misurato e il coefficiente di assorbimento a 976 nm sono rispettivamente 0,059 e 1,2 dB/m. Per la progettazione della struttura della piastra di raffreddamento e piegatura YDF, viene impiegata una piastra di raffreddamento ad acqua attiva a doppio binario simmetrica per incorporare perdite di piegatura per sopprimere l'instabilità della modalità trasversale (TMI). Il raggio interno è impostato su 40 mm, con una spaziatura di 1 mm tra i due cerchi adiacenti, come mostrato nella Figura 2. Il laser seed viene iniettato nel cerchio interno dell'amplificatore principale per aumentare la perdita relativa delle modalità di ordine superiore nella grande regione del gradiente termico, ottenendo così la soppressione della TMI [vedere Tao, Su, Ma, Wang e Zhou30].

3. L'ottimizzazione di vari parametri della fibra può influenzare simultaneamente le soglie per l'instabilità di modo trasversale (TMI) e la diffusione Raman stimolata (SRS) negli amplificatori in fibra ad alta potenza, come diametro nucleo/rivestimento, apertura numerica del nucleo (NA), rapporto di area di drogaggio, coefficiente di assorbimento della pompa di rivestimento o lunghezza effettiva della fibra. Per la maggior parte di questi fattori, le soglie per SRS e TMI sono in conflitto tra loro nella progettazione di amplificatori in fibra ad alta potenza [vedere Tao, Wang e Zhou24; Jauregui, Stihler e Limpert25; Hejaz, Shayganmanesh, Rezaei-Nasirabad, Roohforouz, Azizi, Abedinajafi e Vatani31; Distler, Möller, Strecker, Palma-Vega, Walbaum e Schreiber34]. Vale la pena notare che una diminuzione di NA può aumentare l'area del campo modale effettivo (EMFA) della modalità fondamentale (FM) e migliorare la soglia SRS per il funzionamento con limitazione della diffrazione prossimale (NDL) [vedere Smith17]. Inoltre, una riduzione di NA può essere ottenuta tramite uno specifico metodo di avvolgimento per aumentare la perdita relativa di modalità di ordine superiore (HOM), che ha anche il vantaggio di sopprimere TMI [vedere Tao, Su, Ma, Wang e Zhou30; Tao, Ma, Wang, Zhou e Liu38].

In generale, le caratteristiche EMFA e di perdita di FM sono state ampiamente stimate utilizzando il diametro del nucleo, NA e raggio di avvolgimento della fibra attiva [vedere Schermer e Cole39]. Tuttavia, il NA del nucleo è spesso un'approssimazione media della sezione trasversale del profilo dell'indice di rifrazione (RIP), che è difficile da stimare accuratamente. Pertanto, in questo lavoro, l'ottimizzazione della fibra attiva è stata condotta sotto il controllo del RIP trasversale. La Figura 3 illustra il RIP misurato dello YDF domestico (Fibra_A) e fornisce anche il RIP dello YDF (Fibra_B) utilizzato nell'amplificatore in fibra a larghezza di linea stretta da 6,12 kW precedentemente riportato per il confronto [vedere Wang, Song, Chen, Ren, Ma, Liu, Yao e Zhou16]. Il valore picco-valle (PV) è approssimativamente 4 × 10–4 ed è stato generato provvisoriamente in un triangolo invertito con una base di circa 5,5 μm. L'aggiunta della regione di insediamento sacrificherà in una certa misura l'EMFA dell'FM, ma la perdita di flessione per la soppressione del TMI è notevolmente aumentata. Inoltre, la diminuzione dell'EMFA dell'FM può essere compensata riducendo l'NA medio del core. Rispetto al RIP di Fiber_B, l'NA medio del core di Fiber_A è ridotto da 0,061 a 0,059. Nel complesso, l'EMFA dell'FM e la perdita di flessione degli HOM possono essere aumentati simultaneamente (come mostrato di seguito), il che è utile per ottenere una maggiore potenza di uscita dell'amplificatore in fibra bilanciando meglio SRS e TMI.

L'EMFA di FM per i due YDF è stato calcolato utilizzando metodi a elementi finiti, in base al RIP misurato mostrato nella Figura 2, come illustrato nella Figura 4(a). Come mostrato nella Figura 4(a), quando i raggi di avvolgimento sono diversi, l'EMFA di uno specifico YDF cambia molto poco. In vari scenari, l'EMFA di Fiber_A è maggiore del 12,4% rispetto a quello di Fiber_B. Sulla base dell'EMFA di FM per i due YDF, possiamo simulare il rapporto di potenziamento della soglia SRS per l'amplificatore in fibra utilizzando Fiber_A rispetto all'amplificatore in fibra utilizzando Fiber_B, come descritto nel modello SRS tradizionale [vedere Liu, Ma, Lv, Xu, Zhou e Jiang19]. La Figura 4(b) illustra il fattore di potenziamento SRS corrispondente quando il rapporto di potenza della pompa all'indietro è diverso. Come mostrato nella Figura 4(b), il potenziamento SRS diminuisce con un aumento del rapporto di pompa all'indietro e, in casi diversi, l'SRS

I coefficienti di perdita per le modalità LP01 e LP11 dei due YDF sono visualizzati rispettivamente nelle Figure 5(a) e 5(b). Come illustrato in queste figure, i coefficienti di perdita totali per le modalità LP01 e LP11 di uno specifico YDF diminuiscono in funzione del raggio di avvolgimento. La Figura 5(a) mostra che, allo stesso raggio di avvolgimento, il coefficiente di perdita della modalità LP01 di Fiber_A è costantemente più alto di quello di Fiber_B. Ad esempio, quando il raggio di avvolgimento è impostato a 4 cm, i coefficienti di perdita LP01 per Fiber_A e Fiber_B sono rispettivamente 0,059 dB/m e 0,026 dB/m. La Figura 5(b) rivela che quando il raggio di avvolgimento varia da 4,5 a 6,0 cm, il coefficiente di perdita della modalità LP11 di Fiber_A è paragonabile a quello di Fiber_B. Tuttavia, è degno di nota che quando il raggio di avvolgimento è inferiore a 4,25 cm, il coefficiente di perdita di modalità LP11 di Fiber_A è maggiore di quello di Fiber_B. Quando il raggio della bobina è impostato a 4 cm, il coefficiente di perdita di modalità LP11 di Fiber_A è 227,7 dB/m, che è 1,5 volte superiore a quello di Fiber_B (151,6 dB/m).

4. In primo luogo, sono stati caratterizzati gli spettri dell'oscillatore master modulato (MO) e lo spettro dopo il PAM, come mostrato nella Figura 6. I risultati della Figura 6 indicano che, durante il processo di preamplificazione, la distribuzione spettrale e la larghezza di linea sono ben preservate. Dopo il PAM, la larghezza di linea misurata di 3 dB è di 0,83 nm.

Successivamente, sono state studiate le caratteristiche dell'amplificatore in fibra a larghezza di linea stretta con pompaggio all'indietro e la conversione della potenza di uscita con potenza di pompaggio è stata visualizzata nella Figura 7(a). L'efficienza di pendenza è dell'83,3%, consentendo il raggiungimento di 4,20 kW di potenza di uscita a una potenza di pompaggio di 5,16 kW, con un'efficienza di conversione ottico-ottica dell'81,5%. Gli spettri di uscita a diverse potenze di uscita tipiche sono mostrati nella Figura 7(b). Alla massima potenza di uscita, la larghezza di linea spettrale misurata di 3 dB è di 0,41 nm. Nell'esperimento, quando la potenza di pompaggio all'indietro è stata aumentata da 4,90 kW (potenza del segnale 4,00 kW) a 5,16 kW (potenza del segnale 4,20 kW), è stato osservato un inviluppo simile al rumore nella trasformata di Fourier della traccia temporale entro 5 kHz, come mostrato nella Figura 7©. Pertanto, per l'amplificatore in fibra a larghezza di linea stretta con pompaggio all'indietro, TMI si verifica a una potenza di pompaggio di 5,16 kW.

Analogamente, sono stati esaminati la potenza di uscita, lo spettro e la trasformata di Fourier della traccia temporale dell'amplificatore in fibra a larghezza di linea stretta con pompaggio diretto, con risultati tipici presentati nelle Figure 8(a)–8©. Come mostrato nella Figura 8(a), la potenza di uscita aumenta linearmente a 2,69 kW a una potenza di pompaggio di 4,23 kW, con un'efficienza di pendenza del 63,9%. Quando la potenza di pompaggio viene ulteriormente aumentata a 4,38 kW, la potenza satura a 2,70 kW. A una potenza di pompaggio di 4,23 kW, l'efficienza di conversione ottico-ottica è del 63,7% e la larghezza di linea spettrale misurata di 3 dB è di 0,75 nm (come mostrato nella Figura 8(b)). La Figura 8© illustra l'inviluppo di Fourier indotto da TMI entro 5 kHz. Confrontando la conversione di potenza prima e dopo, si può dedurre che c'è una differenza significativa nell'efficienza di conversione nell'esperimento. Questo fenomeno può essere attribuito alla differenza nella distribuzione di potenza tra il pompaggio in avanti e quello all'indietro, poiché la perdita complessiva causata dalla fibra attiva piegata è un effetto complessivo della distribuzione di potenza e dei coefficienti di perdita.

La Figura 9(a) illustra la potenza di uscita dell'amplificatore in fibra in una configurazione di pompaggio bidirezionale. In questo scenario, abbiamo prima aumentato la potenza della pompa in avanti, espandendo la potenza di uscita a 1,01 kW, quindi aumentato la potenza della pompa all'indietro per aumentare ulteriormente la potenza di uscita a 5,35 kW e infine aumentato la potenza della pompa in avanti a 7,03 kW. Come mostrato nella Figura 9(a), la potenza di uscita del laser di segnale aumenta quasi linearmente con la potenza della pompa. A una potenza della pompa di 9,4 kW, la potenza di uscita massima è di 7,03 kW, con un'efficienza di conversione complessiva del 74,2%. Le corrispondenti potenze della pompa in avanti e all'indietro sono rispettivamente di 4,23 kW e 5,16 kW. Un'osservazione interessante è che il limite della potenza di uscita nel pompaggio bidirezionale è leggermente superiore alla potenza totale del pompaggio all'indietro e in avanti separato, che erano rispettivamente di 4,23 kW e 5,16 kW. Questo risultato può essere attribuito al fatto che l'aumento di temperatura all'estremità della fibra espande l'apertura numerica (NA) del nucleo e riduce la perdita di trasmissione causata dalla flessione del segnale in avanti dovuta al pompaggio bidirezionale [vedere Schermer e Cole39; Brown e Hoffman40].

Nel nostro esperimento, abbiamo misurato la potenza inversa raccolta dal circolatore ottico (OC) per monitorare l'effetto SBS. Il rapporto di potenza inversa (Rb), definito come il rapporto tra la potenza inversa e la potenza in uscita, varia con la potenza in uscita come mostrato nella Figura 9(b). In genere, la pendenza dell'aumento di Rb con il pompaggio in avanti è maggiore di quella con il pompaggio all'indietro. Nello specifico, quando la potenza in uscita viene aumentata da 1,01 kW a 5,35 kW con il pompaggio all'indietro, Rb cambia da 0,017‰ a 0,031‰. Quando viene iniettata la potenza della pompa in avanti, Rb aumenta quasi linearmente con la scalabilità della potenza. Alla massima potenza in uscita, si calcola che Rb sia entro 0,05‰. Durante tutto il processo di amplificazione, non abbiamo osservato un trend di crescita non lineare esponenziale, indicando che l'amplificatore in fibra funziona al di sotto della soglia SBS.

La Figura 10(a) illustra gli spettri di uscita del laser di segnale a varie potenze di uscita. Come illustrato nella Figura 10(a), le ali spettrali si allargano con il potenziamento di SRS. Questo fenomeno può essere compreso attraverso l'allargamento delle ali spettrali indotto dalla miscelazione a quattro onde [vedere Liu, Song, Ma, Xiao e Zhou23]. Alla massima potenza di uscita, le larghezze di linea spettrali di 3 dB e 20 dB del laser di segnale sono rispettivamente 0,76 nm e 2,92 nm. La componente spettrale vicino a 1135 nm inizia ad aumentare a una potenza di uscita di 5,35 kW. Alla massima potenza di uscita, il rapporto segnale/rumore (SNR) di picco è 31,4 dB, che è superiore alla luce Raman Stokes. Il rapporto di potenza corrispondente della luce Raman Stokes (definito dal rapporto Raman) viene calcolato dividendo lo spettro integrato da 1110 a 1150 nm per lo spettro integrato da 1050 a 1150 nm, come mostrato nella Figura 10(b). I risultati indicano che il rapporto Raman rimane intorno a –49,0 dB quando la potenza di uscita è inferiore a 5,35 kW, aumenta leggermente a –43,7 dB a 6,10 kW e raggiunge rapidamente –24,5 dB (0,36%) alla massima potenza di uscita.

La Figura 10© e 10(d) mostrano le tracce temporali normalizzate e le corrispondenti trasformate di Fourier del laser di segnale a diverse potenze di uscita. La tendenza crescente nelle fluttuazioni di intensità e negli inviluppi di frequenza suggerisce che l'amplificatore in fibra a larghezza di linea stretta stia operando vicino alla sua soglia TMI. Alla massima potenza di uscita, la qualità del fascio (fattore M2) viene misurata utilizzando M2-200, con Mx2 = 1,26 e My2 = 1,25 per le direzioni x e y, rispettivamente. L'inserto nella Figura 10(d) è il profilo del fascio alla lunghezza focale di M2-200, che indica anche che è stata raggiunta la qualità del fascio NDL.

La Figura 11 illustra la larghezza di linea spettrale di 3 dB del segnale laser misurata in base a varie potenze di uscita e processi di pompaggio. Come illustrato nella Figura 11, la larghezza di linea spettrale complessiva di 3 dB è influenzata dalla potenza di uscita, dalla direzione della potenza di pompaggio e dal rapporto tra potenza di pompaggio in avanti e indietro, e diventa instabile all'aumentare della potenza. Il fenomeno osservato nella Figura 11 può essere attribuito alle fluttuazioni del rumore di intensità causate dal processo di modulazione di fase, che può generare un cinguettio di frequenza attraverso l'effetto dell'automodulazione di fase [vedere Liu, Ma, Lai, Song, Zhang, Li, Xiao e Zhou41; Liu, Feng, Wang, Wang, Li, Liu, Shi, Wei, Yan, Peng, Sun, Shang, Ma, Gao e Tang43]. Ciò può migliorare o attenuare la modulazione di fase originale a diverse potenze di uscita, portando infine a modifiche nella larghezza di linea spettrale di 3 dB.

5. In questo lavoro, abbiamo dimostrato un amplificatore in fibra a larghezza di linea stretta interamente in fibra da 7 kW con qualità del fascio quasi limitata dalla diffrazione (NDL). L'uso di un laser seed a frequenza singola con modulazione del segnale di rumore bianco (WNS) ha soppresso efficacemente l'impatto dello scattering Brillouin stimolato (SBS). Ottimizzando l'indice di rifrazione della fibra attiva a grande area modale (LMA), abbiamo ottenuto una soppressione bilanciata dello scattering Raman stimolato (SRS) e dell'instabilità della modalità trasversale (TMI). È stata eseguita un'analisi quantitativa per evidenziare i vantaggi della fibra attiva LMA ottimizzata nell'aumentare simultaneamente l'area del campo modale effettivo (EMFA) della modalità fondamentale (FM) e il coefficiente di perdita delle modalità di ordine superiore (HOM). Le capacità di ridimensionamento della potenza, le caratteristiche spettrali e temporali dei processi di pompaggio sia in avanti che all'indietro sono state studiate separatamente. Inoltre, il rapporto segnale/rumore (SNR) è di 31,4 dB e il fattore di qualità del fascio Mx2 = 1,26, My2 = 1,25 del laser a fibra a larghezza di linea stretta da 7,03 kW è stato ottenuto tramite pompaggio bidirezionale. Riteniamo che questo lavoro possa fornire nuove intuizioni e strategie di progettazione per laser a fibra a larghezza di linea stretta ad alta potenza con qualità del fascio NDL.

Riconoscimenti: Questo lavoro è stato supportato dal National Key R&D Program of China (n. 2022YFB3606400) e dalla National Natural Science Foundation of China (n. U22A6003).