לייזרים סיבים-גבוהים משמשים ככלים חיוניים ביישומים מדעיים, תעשייתיים וביטחוניים. המכשול העיקרי להגדלה נוספת של העוצמה של מגברי לייזר בסיבים תדרים בודדים הוא פיזור ברילואין (SBS) מגורה. כאשר ההספק האופטי חורג מסף SBS, אור האות המשודר קדימה- מעורר אור סטוקס אינטנסיבי אחורה. זה לא רק מדלדל את אנרגיית המשאבה ומפחית את יעילות התפוקה, אלא עלול גם לפגוע ברכיבי הדיוק הקדמיים. הגדלת קוטר ליבת הסיבים והרחבת ספקטרום האותות יכולים להעלות את סף SBS, ובכך לדכא אפקטים של SBS במגברי סיבים תדרים בודדים. מאמצי הפחתת ה-SBS הנוכחיים מוגבלים במידה רבה למגברי סיבים-יחידים-או מעט{11}}עם איכות קרן גבוהה, מה שהופך אותו למאתגר להשיג בו זמנית הספק גבוה, רוחב קו צר ופלט קרן באיכות גבוהה{{12}. מאמר זה בוחן מגבר סיב רב-מצבי (MMF) שבו SBS מדוכא באופן משמעותי עקב עוצמה אופטית מופחתת בליבה הגדולה והרחבת ספקטרום פיזור ה-Brillouin הנגרמת על ידי עירור רב-מודים. על ידי החלת עיצוב חזית גל מרחבית על אור הכניסה של המגבר הלא-ליניארי, אלומת הפלט ממוקדת לנקודה מוגבלת של עקיפה-, ומשיגה הספק גבוה (503 W), רוחב קו צר (1 קילו-הרץ) ופלט אלומה באיכות- גבוהה.
איור 1 איור 1 סכמטי של ההגדרה האופטית הניסיוני
איור 1 מציג את ההגדרה האופטית של מחקר זה. אור זרע באורך גל של 1064 ננומטר עובר הגברה- מראש והתרחבות אלומה בסיב במצב יחיד- לפני ששלב חזית הגל שלו מאופנן על ידי מאפנן אור מרחבי (SLM). אור האות המאופנן מחובר תחילה לסיב רב-מודים פסיבי, משולב עם אור המשאבה, ולאחר מכן מוגבר בסיב רב-מודים משומם Yb- התומך ב-76 מצבים. לאחר ההגברה, אור האות נכנס לנתיב המדידה להערכת פרמטרים כולל הספק, ספקטרום, רוחב קו, נקודת מוקד ופאזה. מחקר זה חוקר את מאפייני SBS בסיבים מולטי-מודים. התוצאות מצביעות על כך שסף ה-SBS (הספק המרבי ללא יצירת SBS) ב-MMF גבוה משמעותית מאשר בסיבים במצב יחיד. תוצאות הסימולציה מראות כי עבור ה-MMF המשמש (קוטר ליבה 42 מיקרומטר), סף SBS הוא בערך 24 W כאשר רק המצב הבסיסי מעורר, שהוא גבוה פי 8 מזה של סיב יחיד בקוטר 15 מיקרומטר. עקב צימוד מצב בלתי נמנע בסיב, MMF אינו יכול להשיג עירור מצב יסודי טהור. המדידות מצביעות על סף SBS של 59 W תחת עירור מצב- ו-97 W תחת עירור רב-- מצבים ב-MMF, כפי שמוצג באיור 2(A).
איור 2 (א) ספי SBS בסיבים -יחידים ורב-מודים; (ב) ספקטרום רווח SBS עבור עירור בסיסי ורב-מוד ב-MMF
מאמר זה קובע תיאוריה חצי-אנליטית עבור SBS במגברי MMF, המנתח את הצימוד בין נורות אות מצבים שונים לאור סטוקס כדי להפיק מקדמי רווח SBS תואמים. תיאוריה זו מצביעה על כך שמקדם הרווח של SBS בתנאי עירור רב-מצבים בתוך MMF נמוך יותר מאשר בכל תרחיש עירור במצב יחיד-. עירור רב-מודים ב-MMF מרחיב באופן משמעותי את ספקטרום ההגברה של SBS, מפחית את שיא ההגברה ומשיג עלייה בסף ה-SBS, כפי שמוצג באיור 2(B). בשל אופי ההתפשטות לאחור של האור סטוקס, אורכי MMF ארוכים יותר מביאים לרווח SBS גדול יותר ולסף נמוך יותר בהתאם. ניסויים מראים שאור המשאבה מתרוקן תוך כ-6 מ'. על ידי קיצור אורך הסיבים ומדידת סף SBS, התוצאות מצביעות על כך שסף SBS עומד ביחס הפוך לאורך האפקטיבי של ה-MMF. באורך MMF של 3.7 מ', המגבר משיג סף SBS מרבי (כלומר, הספק שיא) של 503 W, שהוא פי חמישה מסף SBS (תוצאת חישוב תיאורטית) עבור עירור מצב בסיסי בלבד.
איור 3 הקשר בין אורך אפקטיבי של MMF וסף SBS; inset: עוצמת נקודת מוקד פלט לעומת פאזה
כדי לשלוט בפלט MMF, מחקר זה אפנן את שלב חזית הגל באמצעות מאפנן אור מרחבי (SLM) לפני שאור האות נכנס ל-MMF. טווח האפנון כיסה את כל צמצם הקלט של ה-MMF. בטווח אפנון זה, הפיקסלים חולקו ל-256 מאקרופיקסלים. החל מהפיקסל המרכזי, השלב של כל פיקסל נסרק בתבנית ספירלית כדי להשיג פלט אופטימלי במישור המוקד. בהשפעת בקרת פאזה של חזית הגל, הפרעות מתרחשות בין מצבים שונים בתוך ה-MMF, ויוצרות נקודה באיכות גבוהה- במישור המוקד הפלט. עוצמת הנקודה ופיזור הפאזה מוצגים בהכנס בחלק הימני העליון של איור 3, וחושפים עוצמה ופיזור פאזה אחידים, מה שמצביע על איכות נקודה מצוינת במישור המוקד. איור 4: כתמים במישור המוקד של MMF (A) ובמיקומים מעט לא ממוקדים (B, C); איכות קרן פלט מדודה (M2) (D)
איור 4 מציג את פרופילי האלומה במישור המוקד ותחת חוסר מיקוד קל (200, 400 מיקרומטר). מדידות מצביעות על יעילות מוקד של 76% במישור המוקד, כלומר 76% מאנרגיית האלומה שוכנת בטווח המוקד. ערכי M2 הנמדדים בכיווני x ו-y הם 1.05 ו-1.35, בהתאמה, מה שמצביע על איכות אלומה טובה. התוצאות מראות כי אפנון פאזה המבוסס על SLM משפר ביעילות את איכות הנקודה במישור המוקד של פלט MMF.
איור 5: יעילות שיפוע (A), ספקטרום פלט (B) ורוחב קו (C) של מגבר MMF [1]
כמו כן נמדדו יעילות הפלט של המגבר, הספקטרום ורוחב הקו. מגבר MMF השיג יעילות שיפוע של 82%, כפי שמוצג באיור 5(A), בהתאם לתחזיות תיאורטיות. ספקטרום הפלט (איור 5B) מציג שיא אות ב-1064 ננומטר עם עוצמת ASE יחסית של 52 dB, בעוד שיא הצד השמאלי מייצג אות משאבה חלש. בשל רוחב קו הפלט הצר ביותר, ספקטרומטרים קונבנציונליים התקשו למדוד אותו. לכן, נעשה שימוש בשיטות הטרודיניות כדי לקבוע את רוחבי הקו של הקלט והפלט. מגבר ה-MMF שנבנה בעבודה זו מציג רוחב קו פלט של 35 קילו-הרץ (20-dB) / 1 קילו-הרץ (3-dB, כלומר, רוחב מלא בחצי מקסימום), ללא הבדל משמעותי מרוחב הקו המבוא. הקוהרנטיות הטמפורלית המעולה שלו עונה על הדרישות למדידות התערבות מדויקות. מאמר זה מרחיב באופן שיטתי את תיאוריית ה-SBS של סיבים מרובים, תוך התחשבות בדלדול המשאבה ובריוויון הרווח. היא מציעה לשלב הגברת סיבים מרובת מצבים עם אפנון פאזה של חזית הגל כדי להשיג בו זמנית דיכוי SBS ואופטימיזציה של נקודת פלט. מגבר ה-MMF הבנוי פועל בהספק גבוה, יעילות גבוהה ורוחב קו צר, מה שמבטיח קוהרנטיות גבוהה. טכנולוגיה זו מכילה יישומים פוטנציאליים בשילוב אלומות קוהרנטיות, התערבות בקנה מידה גדול ומערכות אנרגיה מכוונת.
הפניות: [1] Stefan Rothe et al., Wavefront Shaping מאפשר מגבר סיבים רב-מודדים- גבוה עם מיקוד פלט. מדע 390, 173–177 (2025).
