고출력 파이버 레이저 및 증폭기

특히 높은 전력의 경우 광 강도가 매우 높기 때문에 코어 영역이 충분히 커야 하며 또 다른 이유는 이중 클래드 섬유에서 코어 영역에 대한 클래딩의 비율이 커서 펌프 흡수가 낮기 때문입니다. 코어 면적이 수천 제곱 마이크로미터 수준이면 단일 모드 광섬유 코어를 사용할 수 있습니다. 다중 모드 광섬유를 사용하면 모드 영역이 비교적 클 때 양질의 출력 빔을 얻을 수 있으며 광파는 주로 기본 모드입니다. (하이파워에서 강한 모드 결합의 경우를 제외하고 광섬유를 감아 고차 모드의 여기도 어느 정도 가능합니다.) 모드 영역이 커짐에 따라 빔 품질은 더 이상 회절 제한을 유지할 수 없지만 예를 들어 유사한 출력 강도에서 작동하는 로드 레이저의 경우 결과 빔 품질은 여전히 ​​상당히 좋습니다.

초고출력 펌프 라이트를 주입하는 방법에 대한 몇 가지 옵션이 있습니다. 가장 쉬운 방법은 파이버 포트에서 클래딩을 직접 펌핑하는 것입니다. 이 방법은 특별한 광섬유 구성 요소가 필요하지 않지만 고출력 펌프 빛이 공기, 특히 먼지나 정렬 불량에 매우 민감한 공기 유리 인터페이스에서 전파되어야 합니다. 대부분의 경우 펌프 광이 항상 광섬유에서 전송되도록 광섬유 결합 펌프 다이오드를 사용하는 것이 좋습니다. 또 다른 옵션은 펌프 광을 패시브 광섬유(도핑되지 않은)에 공급하고 수동 광섬유를 도핑된 광섬유 주위로 감싸서 펌프 광이 점차 도핑된 광섬유로 전달되도록 하는 것입니다. 특수 펌프 조합 장치를 사용하여 일부 펌프 섬유와 도핑된 신호 섬유를 함께 융합하는 몇 가지 방법이 있습니다. 측면 펌핑 광섬유 코일(섬유 디스크 레이저) 또는 펌프 클래딩의 홈을 기반으로 하여 펌프 빛이 주입될 수 있는 다른 방법이 있습니다. 후자의 기술은 펌프 광의 다중 지점 주입을 허용하여 열 부하를 더 잘 분산시킵니다.

그림 2: 여유 공간을 통해 파이버 포트에 펌프 광이 들어오는 고출력 이중 클래드 파이버 증폭기 설정의 다이어그램. 가스 유리 인터페이스는 엄격하게 정렬되고 깨끗해야 합니다.

펌프 광을 주입하는 모든 방법 간의 비교는 전송 효율, 밝기 손실, 처리 용이성, 유연한 작동, 가능한 후방 반사, 광섬유 코어에서 펌프 광원으로의 빛 누출, 선택 유지 등 많은 측면이 관련되어 있기 때문에 복잡합니다. 양극화 등
최근 고출력 광섬유 장치의 개발이 매우 빠르게 진행되었지만 추가 개발을 방해하는 몇 가지 제한 사항이 여전히 있습니다.
고출력 광섬유 장치의 광도가 훨씬 향상되었습니다. 재료 손상 임계값은 이제 일반적으로 도달할 수 있습니다. 따라서 모드 면적(모드 면적이 큰 광섬유)을 증가시킬 필요가 있으나 이 방법은 높은 빔 품질이 요구되는 경우 한계가 있다.
단위 길이당 전력 손실은 100W/m 수준에 도달하여 섬유에 강한 열 효과가 발생합니다. 수냉식을 사용하면 전력을 크게 향상시킬 수 있습니다. 도핑 농도가 낮은 긴 섬유는 냉각하기가 더 쉽지만 비선형 효과가 증가합니다.
엄격하게 단일 모드 광섬유가 아닌 경우 출력 전력이 특정 임계값(일반적으로 수백 와트)보다 크면 모달 불안정성이 있습니다. 모드 불안정성은 빔 품질의 급격한 저하를 유발하며, 이는 광섬유의 열 격자(공간에서 빠르게 진동)의 영향입니다.
섬유 비선형성은 많은 측면에 영향을 미칩니다. CW 설정에서도 라만 이득이 너무 높아서(데시벨 단위에서도) 전력의 상당 부분이 증폭할 수 없는 더 긴 파장의 스톡스파로 전달됩니다. 단일 주파수 작동은 자극된 브릴루앙 산란에 의해 크게 제한됩니다. 물론 이 효과를 어느 정도 상쇄할 수 있는 몇 가지 측정 방법이 있습니다. 모드 잠금 레이저에서 생성된 초단파 펄스, 자체 위상 변조는 레이저에 강력한 스펙트럼 확장 효과를 생성합니다. 또한 비선형 편광 회전을 주입하는 다른 문제가 있습니다.
위의 제한 사항으로 인해 고전력 광섬유 장치는 일반적으로 최소한 달성 가능한 전력 범위를 벗어나지 않는 확장 가능한 전력 장치로 엄격하게 간주되지 않습니다. (이전의 개선은 단일 전력 스케일링이 아니라 개선된 파이버 설계 및 펌프 다이오드로 달성되었습니다.) 이것은 파이버 레이저 기술을 얇은 디스크 레이저와 비교할 때 중요한 결과를 가져옵니다. Laser Power Calibration 항목에 자세히 설명되어 있습니다.
실제 전력 스케일링 없이도 고출력 레이저 설정을 개선하기 위해 많은 작업을 수행할 수 있습니다. 한편으로는 일반적으로 광결정 섬유를 사용하여 달성되는 큰 섬유 모드 영역 및 단일 모드 안내를 사용하는 것과 같은 섬유 설계를 개선할 필요가 있습니다. 특수 펌프 커플러, 모드 크기가 다른 광섬유를 연결하는 광섬유 테이퍼 및 특수 광섬유 냉각 장치와 같은 많은 광섬유 구성 요소가 매우 중요합니다. 특정 광섬유의 전력 제한에 도달하면 합성 빔이 또 다른 옵션이며 이 기술을 구현하기 위한 적합한 광섬유 설정이 존재합니다. 초단파 펄스 증폭기 시스템의 경우 스펙트럼 확장 및 후속 펄스 압축과 같은 광섬유의 비선형 효과를 줄이거나 부분적으로 활용하는 많은 접근 방식이 있습니다.