Mae laserau ffibr pŵer uchel yn offer hanfodol mewn cymwysiadau gwyddonol, diwydiannol ac amddiffyn. Y prif rwystr i gynyddu pŵer mwyhaduron laser ffibr amledd sengl ymhellach yw gwasgariad Brillouin (SBS). Pan fydd pŵer optegol yn fwy na'r trothwy SBS, mae'r golau signal a drosglwyddir ymlaen-yn cyffroi golau Stokes dwys yn ôl. Mae hyn nid yn unig yn disbyddu ynni pwmp ac yn lleihau effeithlonrwydd allbwn ond gall hefyd niweidio cydrannau manwl blaen-pen. Gall cynyddu diamedr y craidd ffibr ac ehangu'r sbectrwm signalau godi'r trothwy SBS, a thrwy hynny atal effeithiau SBS mewn mwyhaduron ffibr amledd sengl. Mae ymdrechion lliniaru SBS presennol wedi'u cyfyngu i raddau helaeth i fwyhaduron ffibr modd sengl neu ychydig ag ansawdd pelydr uchel, sy'n ei gwneud hi'n heriol cyflawni pŵer uchel, llinell newid cul, ac allbwn pelydr o ansawdd uchel ar yr un pryd. Mae'r papur hwn yn archwilio mwyhadur ffibr amlfodd (MMF) lle mae SBS yn cael ei atal yn sylweddol oherwydd llai o ddwysedd optegol yn y craidd mawr ac ehangu sbectrwm gwasgariad Brillouin a achosir gan gyffro amlfodd. Trwy gymhwyso siapio blaen ton gofodol i olau mewnbwn y mwyhadur aflinol, mae'r pelydr allbwn wedi'i ganolbwyntio ar -smotyn cyfyngedig diffreithiant, gan gyflawni pŵer uchel (503 W), llinoledd cul (1 kHz), ac allbwn pelydr o ansawdd uchel .
Ffigur 1 Sgematig o'r gosodiad optegol arbrofol
Mae Ffigur 1 yn dangos gosodiad optegol yr astudiaeth hon. Mae golau hadau ar donfedd 1064 nm yn cael ei-ymhelaethu ac ehangu trawst mewn ffibr modd sengl cyn i'w gyfnod blaen y don gael ei fodiwleiddio gan fodylydd golau gofodol (SLM). Mae'r golau signal wedi'i fodiwleiddio'n cael ei gyplysu'n gyntaf â ffibr amlfodd goddefol, wedi'i gyfuno â'r golau pwmp, ac yna'n cael ei chwyddo mewn ffibr ennill amlfodd doped Yb sy'n cynnal 76 modd. Ar ôl ymhelaethu, mae'r golau signal yn mynd i mewn i'r llwybr mesur ar gyfer gwerthuso paramedrau gan gynnwys pŵer, sbectrwm, llinell, man ffocws, a chyfnod. Mae'r astudiaeth hon yn ymchwilio i nodweddion SBS mewn ffibrau amlfodd. Mae canlyniadau'n dangos bod y trothwy SBS (uchafswm pŵer heb gynhyrchu SBS) mewn MMF yn sylweddol uwch nag mewn ffibr modd sengl. Mae canlyniadau efelychu'n dangos, ar gyfer yr MMF a ddefnyddir (diamedr craidd 42 μm), fod y trothwy SBS tua 24 W pan mai dim ond y modd sylfaenol sy'n gyffrous, sydd 8 gwaith yn uwch na ffibr modd sengl 15 μm diamedr. Oherwydd cyplu modd anochel yn y ffibr, ni all MMF gyflawni cyffro modd sylfaenol pur. Mae mesuriadau'n dangos trothwy SBS o 59 W o dan ychydig o gynhyrfiad modd a 97 W o dan gyffro aml-ddull yn MMF, fel y dangosir yn Ffigur 2(A).
Ffigur 2 (A) trothwyon SBS mewn ffibrau modd sengl ac amlfodd; (B) sbectra ennill SBS ar gyfer cyffro sylfaenol ac amlfodd mewn MMF
Mae'r papur hwn yn sefydlu damcaniaeth lled-ddadansoddol ar gyfer SBS mewn mwyhaduron MMF, gan ddadansoddi'r cyplu rhwng goleuadau signal modd gwahanol a golau Stokes i gael cyfernodau ennill SBS cyfatebol. Mae'r ddamcaniaeth hon yn dangos bod cyfernod cynnydd SBS mewn amodau cyffroi amlfodd o fewn MMF yn is nag mewn unrhyw senario cyffroi modd unigol. Mae cyffro amlfodd mewn MMF yn ehangu sbectrwm cynnydd SBS yn sylweddol, yn lleihau'r brig enillion, ac yn cyflawni cynnydd yn y trothwy SBS, fel y dangosir yn Ffigur 2(B). Oherwydd natur ymlediad yn ôl golau Stokes, mae hydoedd MMF hirach yn arwain at gynnydd SBS uwch a throthwy cyfatebol is. Mae arbrofion yn dangos bod y golau pwmp yn disbyddu o fewn tua 6 m. Trwy fyrhau hyd y ffibr a mesur y trothwy SBS, mae'r canlyniadau'n dangos bod y trothwy SBS mewn cyfrannedd gwrthdro â hyd effeithiol yr MMF. Ar hyd MMF o 3.7 m, mae'r mwyhadur yn cyflawni trothwy SBS uchaf (hy, pŵer allbwn brig) o 503 W, sydd bum gwaith y trothwy SBS (canlyniad cyfrifo damcaniaethol) ar gyfer cyffro modd sylfaenol yn unig.
Ffigur 3 Y berthynas rhwng hyd effeithiol yr MMF a'r trothwy SBS; mewnosodiad: dwysedd allbwn canolbwynt yn erbyn cyfnod
Er mwyn rheoli allbwn MMF, roedd yr astudiaeth hon yn modiwleiddio cyfnod blaen y don gan ddefnyddio modulator golau gofodol (SLM) cyn i'r golau signal fynd i mewn i'r MMF. Roedd yr ystod fodiwleiddio yn cwmpasu agorfa fewnbwn gyfan yr MMF. O fewn yr ystod fodiwleiddio hon, rhannwyd y picsel yn 256 macropixel. Gan ddechrau o'r picsel canolog, cafodd cam pob picsel ei sganio mewn patrwm troellog i gyflawni'r allbwn gorau posibl ar yr awyren ffocal. O dan ddylanwad rheolaeth cyfnod blaen y don, mae ymyrraeth yn digwydd rhwng gwahanol foddau o fewn y MMF, gan ffurfio -smotyn o ansawdd uchel ar yr awyren ffocal allbwn. Dangosir dwyster sbot a dosbarthiad cyfnod yn y mewnosodiad ar ochr dde uchaf Ffigur 3, gan ddatgelu dwyster unffurf a dosbarthiad cyfnod, gan nodi ansawdd sbot ardderchog ar yr awyren ffocal. Ffigur 4: Smotiau ar y plân ffocal MMF (A) ac mewn safleoedd ychydig yn ddiffocws (B, C); ansawdd trawst allbwn wedi'i fesur (M2) (D)
Mae Ffigur 4 yn dangos y proffiliau trawst yn y plân ffocal ac o dan ychydig o ddadffocysu (200, 400 μm). Mae mesuriadau'n dangos effeithlonrwydd ffocal o 76% yn y plân ffocal, sy'n golygu bod 76% o ynni'r trawst yn gorwedd o fewn yr ystod ffocal. Y gwerthoedd M2 a fesurwyd yn y cyfarwyddiadau x ac y yw 1.05 a 1.35, yn y drefn honno, sy'n nodi ansawdd trawst da. Mae'r canlyniadau'n dangos bod modiwleiddio fesul cam yn seiliedig ar SLM yn gwella ansawdd y fan a'r lle ar blân ffocal allbwn yr MMF i bob pwrpas.
Ffigur 5: Effeithlonrwydd llethr (A), sbectrwm allbwn (B), a linewidth (C) y mwyhadur MMF [1]
Mesurwyd effeithlonrwydd allbwn y mwyhadur, y sbectrwm, a'r llinell newidth hefyd. Cyflawnodd y mwyhadur MMF effeithlonrwydd llethr o 82%, fel y dangosir yn Ffigur 5(A), yn gyson â rhagfynegiadau damcaniaethol. Mae'r sbectrwm allbwn (Ffigur 5B) yn dangos uchafbwynt signal ar 1064 nm gyda dwyster ASE cymharol o 52 dB, tra bod brig yr ochr chwith yn cynrychioli signal pwmp gweddilliol gwan. Oherwydd y llinell allbwn hynod gyfyng, roedd sbectromedrau confensiynol yn cael trafferth ei fesur. Felly, defnyddiwyd dulliau heterodyne i bennu'r llinellnewidthau mewnbwn ac allbwn. Mae'r mwyhadur MMF sydd wedi'i adeiladu yn y gwaith hwn yn dangos llinell newidth allbwn o 35 kHz (20-dB) / 1 kHz (3-dB, hy, lled llawn ar hanner uchafswm), heb ddangos unrhyw wahaniaeth arwyddocaol o'r llinellnewidth mewnbwn. Mae ei gydlyniad amserol rhagorol yn bodloni'r gofynion ar gyfer mesuriadau interferometrig manwl gywir. Mae'r papur hwn yn ymhelaethu'n systematig ar ddamcaniaeth SBS ffibr amlfodd gan ystyried disbyddiad pwmp a dirlawnder ennill. Mae'n cynnig integreiddio ymhelaethu ffibr amlfodd â modiwleiddio cyfnod blaen y tonnau i gyflawni ataliad SBS ac optimeiddio mannau allbwn ar yr un pryd. Mae'r mwyhadur MMF adeiledig yn gweithredu ar bŵer uchel, effeithlonrwydd uchel, a llinell gul, gan sicrhau cydlyniad uchel. Mae'r dechnoleg hon yn dal cymwysiadau posibl mewn cyfuno trawst cydlynol, interferometreg ar raddfa fawr, a systemau ynni cyfeiriedig.
Cyfeiriadau: [1] Stefan Rothe et al., Mae siapio blaen y don yn galluogi mwyhadur ffibr amlfodd pŵer uchel gyda ffocws allbwn. Gwyddoniaeth 390, 173–177 (2025).
