High Power fiberlasere og forstærkere

For særligt høje kræfter skal kernearealet være stort nok, fordi lysintensiteten vil være meget høj, og en anden årsag er, at forholdet mellem beklædning og kerneareal i dobbeltbeklædte fibre er stort, hvilket giver lav pumpeabsorption. Når kernearealet er i størrelsesordenen flere tusinde kvadratmikrometer, er det muligt at anvende en single-mode fiberkerne. Ved at bruge multimode fiber, når tilstandsområdet er relativt stort, kan udgangsstrålen af ​​god kvalitet opnås, og lysbølgen er hovedsageligt den grundlæggende tilstand. (Excitation af højere-ordens modes er også muligt til en vis grad ved at vikle fiberen, bortset fra tilfældet med stærk mode-kobling ved høje kræfter) Efterhånden som modeområdet bliver større, kan strålekvaliteten ikke længere forblive diffraktionsbegrænset, men sammenlignes for f.eks. stanglasere, der opererer ved lignende effektintensiteter, er den resulterende strålekvalitet stadig ret god.

Der er flere muligheder for, hvordan man indsprøjter meget kraftigt pumpelys. Den nemmeste måde er at pumpe beklædningen direkte ved fiberporten. Denne metode kræver ikke specielle fiberkomponenter, men pumpelyset med høj effekt skal forplante sig i luften, især luft-glas-grænsefladen, som er meget følsom over for støv eller fejljustering. I mange tilfælde er det at foretrække at bruge en fiberkoblet pumpediode, så pumpelyset altid transmitteres i fiberen. En anden mulighed er at føre pumpelyset ind i en passiv fiber (udopet) og vikle den passive fiber rundt om den dopede fiber, så pumpelyset gradvist overføres til den dopede fiber. Der er nogle måder at bruge en speciel pumpekombinationsenhed til at smelte nogle pumpefibre og dopede signalfibre sammen. Der findes andre metoder baseret på sidepumpede fiberspoler (fiberskivelasere), eller riller i pumpebeklædningen, så pumpelyset kan injiceres. Sidstnævnte teknik giver mulighed for flerpunktsinjektion af pumpelys og fordeler dermed den termiske belastning bedre.

Figur 2: Diagram af en højeffekt dobbelt-beklædt fiberforstærker opsætning med pumpelys, der kommer ind i fiberporten gennem fri plads. Gasglasgrænsefladen skal være nøje justeret og ren.

Sammenligningen mellem alle metoderne til at indsprøjte pumpelys er kompliceret, fordi mange aspekter er involveret: overførselseffektivitet, lysstyrketab, nem behandling, fleksibel betjening, mulige tilbagereflektioner, lyslækage fra fiberkernen til pumpens lyskilde, Behold valget af polarisering osv.
Selvom den seneste udvikling af højeffekt fiberoptiske enheder har været meget hurtig, er der stadig nogle begrænsninger, der hindrer yderligere udvikling:
Lysintensiteten af ​​fiberoptiske enheder med høj effekt er meget forbedret. Materielle skader kan nu normalt nås. Derfor er der behov for at øge modusarealet (fibre med stort arealareal), men denne metode har begrænsninger, når høj strålekvalitet er påkrævet.
Effekttabet pr. længdeenhed har nået størrelsesordenen 100W/m, hvilket resulterer i stærke termiske effekter i fiberen. Brugen af ​​vandkøling kan i høj grad forbedre effekten. Længere fibre med lavere dopingkoncentrationer er nemmere at afkøle, men det øger ikke-lineære effekter.
For ikke strengt single-mode fibre er der modal ustabilitet, når udgangseffekten er større end en vis tærskel, typisk et par hundrede watt. Modus-ustabilitet forårsager et pludseligt fald i strålekvaliteten, hvilket er effekten af ​​termiske riste i fiberen (som svinger hurtigt i rummet).
Fiber ikke-linearitet påvirker mange aspekter. Selv i et CW-setup er Raman-forstærkningen så høj (selv i decibel), at en betydelig del af effekten overføres til den længere bølgelængde Stokes-bølge, som ikke kan forstærkes. Enkeltfrekvensdrift er stærkt begrænset af stimuleret Brillouin-spredning. Selvfølgelig er der nogle målemetoder, der til en vis grad kan opveje denne effekt. De ultrakorte impulser, der genereres i tilstandslåste lasere, vil selvfasemodulation producere en stærk spektral udvidelseseffekt på dem. Derudover er der andre problemer med at injicere ikke-lineær polarisationsrotation.
På grund af ovennævnte begrænsninger betragtes højeffekt fiberoptiske enheder generelt ikke strengt som skalerbare strømenheder, i det mindste ikke uden for det opnåelige effektområde. (Tidligere forbedringer blev ikke opnået med enkelt effektskalering, men med forbedret fiberdesign og pumpedioder.) Dette har vigtige konsekvenser, når man sammenligner fiberlaserteknologi med tynde disklasere. Det er beskrevet mere detaljeret i posten Laser Power Calibration.
Selv uden reel effektskalering kan der gøres meget arbejde for at forbedre laseropsætninger med høj effekt. På den ene side er det nødvendigt at forbedre fiberdesignet, såsom at bruge et stort fibertilstandsområde og single-mode guidning, hvilket normalt opnås ved at bruge fotoniske krystalfibre. Mange fiberkomponenter er meget vigtige, såsom specielle pumpekoblinger, fiberkonus til at forbinde fibre med forskellige tilstandsstørrelser og specielle fiberkøleanordninger. Når effektgrænsen for en bestemt fiber er nået, er sammensatte bjælker en anden mulighed, og der findes passende fiberopsætninger til at implementere denne teknik. For ultrakorte pulsforstærkersystemer er der mange tilgange til at reducere eller endda delvist udnytte de ikke-lineære effekter af optiske fibre, såsom spektrumudvidelse og efterfølgende pulskompression.