เลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูง-ทำหน้าที่เป็นเครื่องมือสำคัญในการใช้งานทางวิทยาศาสตร์ อุตสาหกรรม และการป้องกันประเทศ อุปสรรคหลักในการขยายกำลังของเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เลเซอร์ความถี่เดี่ยว-คือการกระตุ้นการกระเจิงของบริลลูอิน (SBS) เมื่อพลังงานแสงเกินเกณฑ์ SBS ไฟสัญญาณที่ส่งสัญญาณไปข้างหน้า-จะกระตุ้นแสงสโตกส์ถอยหลังที่รุนแรง ซึ่งไม่เพียงแต่ทำให้พลังงานของปั๊มลดลงและลดประสิทธิภาพเอาท์พุตเท่านั้น แต่ยังอาจทำให้ส่วนประกอบที่มีความแม่นยำสูง-เสียหายอีกด้วย การเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางแกนไฟเบอร์และการขยายสเปกตรัมของสัญญาณสามารถยกระดับเกณฑ์ SBS ได้ ดังนั้นจึงระงับผลกระทบของ SBS ในเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ความถี่เดียว- ความพยายามในการบรรเทาผลกระทบจาก SBS ในปัจจุบันส่วนใหญ่จำกัดอยู่ที่เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์โหมด-โหมดเดี่ยวหรือ-โหมดไม่กี่ตัวที่มีคุณภาพลำแสงสูง ทำให้การได้รับกำลังสูง ความกว้างของเส้นแคบ และ-เอาต์พุตลำแสงคุณภาพสูงไปพร้อมๆ กันเป็นเรื่องท้าทาย บทความนี้สำรวจเครื่องขยายสัญญาณมัลติโหมดไฟเบอร์ (MMF) โดยที่ SBS ถูกระงับอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากความเข้มของแสงลดลงในแกนกลางขนาดใหญ่ และการขยายสเปกตรัมการกระเจิงของ Brillouin ที่เกิดจากการกระตุ้นแบบมัลติโหมด ด้วยการใช้การจัดรูปทรงหน้าคลื่นเชิงพื้นที่กับแสงอินพุตของแอมพลิฟายเออร์แบบไม่เชิงเส้น ลำแสงเอาต์พุตจะถูกโฟกัสไปที่จุดการเลี้ยวเบน{15}}ที่จำกัด เพื่อให้ได้กำลังสูง (503 W) ความกว้างของเส้นแคบ (1 kHz) และ-เอาต์พุตลำแสงคุณภาพสูง
รูปที่ 1 แผนผังของการตั้งค่าออปติคอลเชิงทดลอง
รูปที่ 1 แสดงการตั้งค่าเชิงแสงของการศึกษานี้ แสงจากเมล็ดที่ความยาวคลื่น 1,064 นาโนเมตรผ่านการ-ขยายสัญญาณและขยายลำแสงในไฟเบอร์โหมดเดี่ยว- ก่อนที่เฟสหน้าคลื่นจะถูกมอดูเลตโดยเครื่องปรับแสงเชิงพื้นที่ (SLM) ขั้นแรกไฟสัญญาณมอดูเลตจะต่อเข้ากับไฟเบอร์มัลติโหมดแบบพาสซีฟ รวมกับไฟปั๊ม จากนั้นจึงขยายในไฟเบอร์เกนมัลติโหมดแบบเจือ-ที่รองรับโหมด 76 โหมด หลังจากการขยายสัญญาณ ไฟสัญญาณจะเข้าสู่เส้นทางการวัดเพื่อประเมินพารามิเตอร์ต่างๆ รวมถึงกำลัง สเปกตรัม ความกว้างของเส้นตรง จุดโฟกัส และเฟส การศึกษานี้ศึกษาคุณลักษณะ SBS ในไฟเบอร์มัลติโหมด ผลลัพธ์ระบุว่าเกณฑ์ SBS (กำลังสูงสุดที่ไม่มีการสร้าง SBS) ใน MMF นั้นสูงกว่าในไฟเบอร์โหมดเดี่ยว-อย่างมาก ผลการจำลองแสดงให้เห็นว่าสำหรับ MMF ที่ใช้ (เส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลาง 42 μm) เกณฑ์ SBS จะอยู่ที่ประมาณ 24 W เมื่อมีการตื่นเต้นเฉพาะโหมดพื้นฐานเท่านั้น ซึ่งสูงกว่าไฟเบอร์โหมดเดี่ยว-เส้นผ่านศูนย์กลาง 15 μm ถึง 8 เท่า เนื่องจากการเชื่อมต่อโหมดที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในไฟเบอร์ MMF จึงไม่สามารถบรรลุการกระตุ้นโหมดพื้นฐานที่บริสุทธิ์ได้ การวัดระบุเกณฑ์ SBS ที่ 59 W ภายใต้การกระตุ้นโหมด-เล็กน้อย และ 97 W ภายใต้การกระตุ้นหลายโหมด-ใน MMF ดังแสดงในรูปที่ 2(A)
รูปที่ 2 (A) ขีดจำกัด SBS ในไฟเบอร์โหมดเดี่ยว-และมัลติโหมด (B) SBS ได้รับสเปกตรัมสำหรับการกระตุ้นพื้นฐานและมัลติโหมดใน MMF
บทความนี้สร้างทฤษฎีกึ่ง-การวิเคราะห์สำหรับ SBS ในเครื่องขยายสัญญาณ MMF โดยวิเคราะห์การเชื่อมต่อระหว่างไฟสัญญาณโหมดต่างๆ และแสงสโตกส์ เพื่อให้ได้ค่าสัมประสิทธิ์เกน SBS ที่สอดคล้องกัน ทฤษฎีนี้บ่งชี้ว่า SBS ได้รับสัมประสิทธิ์ในสภาวะการกระตุ้นแบบหลายโหมดภายใน MMF นั้นต่ำกว่าในสถานการณ์การกระตุ้นแบบโหมดเดียว-ใดๆ การกระตุ้นแบบมัลติโหมดใน MMF จะขยายสเปกตรัมเกนของ SBS อย่างมีนัยสำคัญ ลดจุดสูงสุดของเกน และบรรลุการเพิ่มขึ้นของเกณฑ์ SBS ดังแสดงในรูปที่ 2 (B) เนื่องจากลักษณะการแพร่กระจายแบบย้อนกลับของแสงสโตกส์ ความยาว MMF ที่ยาวขึ้นส่งผลให้ได้รับ SBS มากขึ้นและเกณฑ์ขั้นต่ำที่ต่ำกว่าตามลำดับ การทดลองแสดงให้เห็นว่าไฟปั๊มหมดภายในระยะประมาณ 6 เมตร การลดความยาวเส้นใยให้สั้นลงและการวัดเกณฑ์ SBS ผลลัพธ์บ่งชี้ว่าเกณฑ์ SBS แปรผกผันกับความยาวประสิทธิผลของ MMF ที่ความยาว MMF 3.7 ม. แอมพลิฟายเออร์จะมีขีดจำกัด SBS สูงสุด (เช่น กำลังเอาต์พุตสูงสุด) ที่ 503 W ซึ่งมากกว่าห้าเท่าของขีดจำกัด SBS (ผลการคำนวณทางทฤษฎี) สำหรับการกระตุ้นในโหมดพื้นฐานเพียงอย่างเดียว
รูปที่ 3 ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวที่มีประสิทธิผลของเกณฑ์ MMF และ SBS สิ่งที่ใส่เข้าไป: ความเข้มของจุดโฟกัสเอาต์พุตเทียบกับเฟส
เพื่อควบคุมเอาต์พุต MMF การศึกษานี้ได้ปรับเฟสหน้าคลื่นโดยใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่ (SLM) ก่อนที่ไฟสัญญาณจะเข้าสู่ MMF ช่วงการมอดูเลตครอบคลุมช่องรับอินพุตทั้งหมดของ MMF ภายในช่วงการปรับนี้ พิกเซลจะถูกแบ่งออกเป็น 256 มาโครพิกเซล เริ่มต้นจากพิกเซลส่วนกลาง เฟสของแต่ละพิกเซลจะถูกสแกนในรูปแบบเกลียวเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่เหมาะสมที่สุดบนระนาบโฟกัส ภายใต้อิทธิพลของการควบคุมเฟสหน้าคลื่น การรบกวนเกิดขึ้นระหว่างโหมดต่างๆ ภายใน MMF ทำให้เกิดจุดคุณภาพสูง-บนระนาบโฟกัสเอาต์พุต ความเข้มของสปอตและการกระจายเฟสจะแสดงในส่วนแทรกที่มุมขวาบนของรูปที่ 3 ซึ่งเผยให้เห็นความเข้มที่สม่ำเสมอและการกระจายเฟส ซึ่งบ่งบอกถึงคุณภาพของสปอตที่ยอดเยี่ยมบนระนาบโฟกัส รูปที่ 4: จุดบนระนาบโฟกัส MMF (A) และที่ตำแหน่งพร่ามัวเล็กน้อย (B, C); คุณภาพลำแสงเอาต์พุตที่วัดได้ (M2) (D)
รูปที่ 4 แสดงโปรไฟล์ลำแสงที่ระนาบโฟกัสและอยู่ภายใต้การพร่ามัวเล็กน้อย (200, 400 μm) การวัดบ่งชี้ประสิทธิภาพโฟกัส 76% ที่ระนาบโฟกัส ซึ่งหมายความว่า 76% ของพลังงานลำแสงอยู่ภายในช่วงโฟกัส ค่า M2 ที่วัดได้ในทิศทาง x และ y คือ 1.05 และ 1.35 ตามลำดับ ซึ่งบ่งบอกถึงคุณภาพลำแสงที่ดี ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าการปรับเฟสตาม SLM ช่วยปรับปรุงคุณภาพสปอตบนระนาบโฟกัสของเอาต์พุต MMF ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
รูปที่ 5: ประสิทธิภาพความชัน (A), สเปกตรัมเอาท์พุต (B) และความกว้างของเส้น (C) ของแอมพลิฟายเออร์ MMF [1]
นอกจากนี้ยังวัดประสิทธิภาพเอาท์พุต สเปกตรัม และไลน์ความกว้างของแอมพลิฟายเออร์ด้วย แอมพลิฟายเออร์ MMF ได้รับประสิทธิภาพความชันที่ 82% ดังแสดงในรูปที่ 5(A) ซึ่งสอดคล้องกับการคาดการณ์ทางทฤษฎี สเปกตรัมเอาท์พุต (รูปที่ 5B) แสดงจุดสูงสุดของสัญญาณที่ 1,064 นาโนเมตร โดยมีความเข้ม ASE สัมพัทธ์ที่ 52 dB ในขณะที่จุดสูงสุดทางด้านซ้าย-แสดงถึงสัญญาณปั๊มที่ตกค้างเล็กน้อย เนื่องจากเส้นเอาต์พุตที่แคบมาก สเปกโตรมิเตอร์แบบทั่วไปจึงประสบปัญหาในการวัดค่าดังกล่าว ดังนั้นจึงใช้วิธีการเฮเทอโรไดน์เพื่อกำหนดความกว้างของเส้นอินพุตและเอาต์พุต เครื่องขยายสัญญาณ MMF ที่สร้างขึ้นในงานนี้แสดงความกว้างของเส้นเอาท์พุตที่ 35 kHz (20-dB) / 1 kHz (3-dB กล่าวคือ ความกว้างเต็มที่สูงสุดครึ่งหนึ่ง) ซึ่งไม่แสดงความแตกต่างที่มีนัยสำคัญจากความกว้างของเส้นอินพุต การเชื่อมโยงทางเวลาที่ยอดเยี่ยมนั้นตรงตามข้อกำหนดสำหรับการวัดอินเทอร์เฟอโรเมตริกที่มีความแม่นยำ บทความนี้อธิบายอย่างละเอียดเกี่ยวกับทฤษฎี SBS ของมัลติโหมดไฟเบอร์โดยพิจารณาถึงการสูญเสียปั๊มและเพิ่มความอิ่มตัว เสนอการรวมการขยายไฟเบอร์มัลติโหมดเข้ากับการมอดูเลตเฟสหน้าคลื่น เพื่อให้เกิดการปราบปราม SBS และการปรับจุดเอาท์พุตให้เหมาะสมในเวลาเดียวกัน แอมพลิฟายเออร์ MMF ที่สร้างขึ้นทำงานที่กำลังขับสูง ประสิทธิภาพสูง และมีไลน์ไลน์แคบ ทำให้มั่นใจได้ถึงความสอดคล้องกันในระดับสูง เทคโนโลยีนี้รองรับการใช้งานที่มีศักยภาพในการรวมลำแสงที่เชื่อมโยงกัน อินเตอร์เฟอโรเมทรีขนาดใหญ่ และระบบพลังงานแบบกำหนดทิศทาง
ข้อมูลอ้างอิง: [1] Stefan Rothe และคณะ การสร้าง Wavefront ช่วยให้เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์มัลติโหมดกำลังสูง- พร้อมโฟกัสเอาต์พุต วิทยาศาสตร์ 390, 173–177 (2025)
