Hochleistungsfaserlaser dienen als wichtige Werkzeuge in wissenschaftlichen, industriellen und Verteidigungsanwendungen. Das Haupthindernis für eine weitere Skalierung der Leistung von Einzelfrequenz-Faserlaserverstärkern ist die stimulierte Brillouin-Streuung (SBS). Wenn die optische Leistung den SBS-Schwellenwert überschreitet, regt das vorwärts-übertragene Signallicht intensives rückwärts gerichtetes Stokes-Licht an. Dadurch wird nicht nur die Pumpenenergie verbraucht und die Leistungseffizienz verringert, sondern es können auch Präzisionskomponenten am vorderen Ende beschädigt werden. Eine Vergrößerung des Faserkerndurchmessers und eine Verbreiterung des Signalspektrums können die SBS-Schwelle erhöhen und dadurch SBS-Effekte in Einzelfrequenz-Faserverstärkern unterdrücken. Aktuelle Bemühungen zur Eindämmung von SBS beschränken sich weitgehend auf Single-{10}Mode- oder Wenig-{11}Mode-Faserverstärker mit hoher Strahlqualität, was es schwierig macht, gleichzeitig hohe Leistung, schmale Linienbreite und eine qualitativ hochwertige Strahlausgabe zu erreichen. In diesem Artikel wird ein Multimode-Faserverstärker (MMF) untersucht, bei dem SBS aufgrund der verringerten optischen Intensität im großen Kern und der durch Multimode-Anregung verursachten Verbreiterung des Brillouin-Streuspektrums erheblich unterdrückt wird. Durch die Anwendung einer räumlichen Wellenfrontformung auf das Eingangslicht des nichtlinearen Verstärkers wird der Ausgangsstrahl auf einen beugungsbegrenzten Punkt fokussiert, wodurch eine hohe Leistung (503 W), eine schmale Linienbreite (1 kHz) und eine Strahlausgabe hoher Qualität erreicht werden.
Abbildung 1 Schematische Darstellung des experimentellen optischen Aufbaus
Abbildung 1 zeigt den optischen Aufbau dieser Studie. Seed-Licht bei einer Wellenlänge von 1064 nm durchläuft eine Vorverstärkung und Strahlaufweitung in einer Single-{4}-Mode-Faser, bevor seine Wellenfrontphase durch einen räumlichen Lichtmodulator (SLM) moduliert wird. Das modulierte Signallicht wird zunächst in eine passive Multimode-Faser eingekoppelt, mit dem Pumplicht kombiniert und dann in einer Yb--dotierten Multimode-Verstärkungsfaser verstärkt, die 76 Moden unterstützt. Nach der Verstärkung gelangt das Signallicht in den Messpfad zur Auswertung von Parametern wie Leistung, Spektrum, Linienbreite, Brennfleck und Phase. Diese Studie untersucht SBS-Eigenschaften in Multimode-Fasern. Die Ergebnisse zeigen, dass der SBS-Schwellenwert (maximale Leistung ohne SBS-Erzeugung) in MMF deutlich höher ist als in Single-Mode-Fasern. Simulationsergebnisse zeigen, dass für das verwendete MMF (Kerndurchmesser 42 μm) der SBS-Schwellenwert etwa 24 W beträgt, wenn nur der Grundmodus angeregt wird, was achtmal höher ist als der einer Single-Mode-Faser mit 15 μm Durchmesser. Aufgrund der unvermeidbaren Modenkopplung in der Faser kann MMF keine reine Grundmodenanregung erreichen. Messungen zeigen einen SBS-Schwellenwert von 59 W bei Anregung mit wenigen -Moden und 97 W bei Anregung mit mehreren Moden in MMF, wie in Abbildung 2(A) dargestellt.
Abbildung 2 (A) SBS-Schwellenwerte in Single---Mode- und Multimode-Fasern; (B) SBS-Verstärkungsspektren für Grund- und Multimode-Anregung in MMF
In diesem Artikel wird eine semi-analytische Theorie für SBS in MMF-Verstärkern aufgestellt, wobei die Kopplung zwischen Signallichtern verschiedener Moden und Stokes-Licht analysiert wird, um entsprechende SBS-Verstärkungskoeffizienten abzuleiten. Diese Theorie weist darauf hin, dass der SBS-Verstärkungskoeffizient bei Multimode-Anregungsbedingungen innerhalb von MMF niedriger ist als in jedem einzelnen --Mode-Anregungsszenario. Multimode-Anregung in MMF verbreitert das SBS-Verstärkungsspektrum erheblich, verringert die Verstärkungsspitze und erreicht eine Erhöhung der SBS-Schwelle, wie in Abbildung 2(B) dargestellt. Aufgrund der Rückwärtsausbreitung des Stokes-Lichts führen längere MMF-Längen zu einem größeren SBS-Gewinn und einem entsprechend niedrigeren Schwellenwert. Experimente zeigen, dass das Pumplicht innerhalb von etwa 6 m erschöpft ist. Durch die Verkürzung der Faserlänge und die Messung des SBS-Schwellenwerts deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der SBS-Schwellenwert umgekehrt proportional zur effektiven Länge des MMF ist. Bei einer MMF-Länge von 3,7 m erreicht der Verstärker einen maximalen SBS-Schwellenwert (d. h. Spitzenausgangsleistung) von 503 W, was dem Fünffachen des SBS-Schwellenwerts (theoretisches Berechnungsergebnis) allein für die Grundmodusanregung entspricht.
Abbildung 3 Zusammenhang zwischen der effektiven Länge des MMF und der SBS-Schwelle; Einschub: Ausgangsbrennfleckintensität im Verhältnis zur Phase
Um die MMF-Ausgabe zu steuern, modulierte diese Studie die Wellenfrontphase mithilfe eines räumlichen Lichtmodulators (SLM), bevor das Signallicht in das MMF eindrang. Der Modulationsbereich umfasste die gesamte Eingangsapertur des MMF. Innerhalb dieses Modulationsbereichs wurden die Pixel in 256 Makropixel aufgeteilt. Ausgehend vom zentralen Pixel wurde die Phase jedes Pixels spiralförmig abgetastet, um eine optimale Ausgabe auf der Brennebene zu erzielen. Unter dem Einfluss der Wellenfrontphasensteuerung kommt es zu Interferenzen zwischen verschiedenen Moden innerhalb des MMF, wodurch ein Fleck hoher -Qualität auf der Ausgangsbrennebene entsteht. Die Spotintensität und Phasenverteilung sind im Einschub oben rechts in Abbildung 3 dargestellt und zeigen eine gleichmäßige Intensität und Phasenverteilung, was auf eine hervorragende Spotqualität auf der Brennebene hinweist. Abbildung 4: Punkte auf der MMF-Brennebene (A) und an leicht defokussierten Positionen (B, C); gemessene Ausgangsstrahlqualität (M2) (D)
Abbildung 4 zeigt die Strahlprofile in der Brennebene und bei leichter Defokussierung (200, 400 μm). Messungen zeigen eine Fokuseffizienz von 76 % in der Fokusebene, was bedeutet, dass 76 % der Strahlenergie im Fokusbereich liegen. Die gemessenen M2-Werte in x- und y-Richtung betragen 1,05 bzw. 1,35, was auf eine gute Strahlqualität hinweist. Die Ergebnisse zeigen, dass die auf SLM basierende Phasenmodulation die Punktqualität auf der Brennebene des MMF-Ausgangs effektiv verbessert.
Abbildung 5: Steigungseffizienz (A), Ausgangsspektrum (B) und Linienbreite (C) des MMF-Verstärkers [1]
Außerdem wurden die Ausgangseffizienz, das Spektrum und die Linienbreite des Verstärkers gemessen. Der MMF-Verstärker erreichte einen Steigungswirkungsgrad von 82 %, wie in Abbildung 5(A) gezeigt, was mit theoretischen Vorhersagen übereinstimmt. Das Ausgangsspektrum (Abbildung 5B) zeigt einen Signalpeak bei 1064 nm mit einer relativen ASE-Intensität von 52 dB, während der Peak auf der linken --Seite ein schwaches Restpumpsignal darstellt. Aufgrund der extrem schmalen Ausgangslinienbreite war die Messung mit herkömmlichen Spektrometern schwierig. Daher wurden Heterodyn-Methoden verwendet, um die Eingangs- und Ausgangslinienbreiten zu bestimmen. Der in dieser Arbeit konstruierte MMF-Verstärker weist eine Ausgangslinienbreite von 35 kHz (205dB) / 1 kHz (3 dB, d. h. volle Breite bei halbem Maximum) auf und zeigt keinen signifikanten Unterschied zur Eingangslinienbreite. Seine hervorragende zeitliche Kohärenz erfüllt die Anforderungen für präzise interferometrische Messungen. In diesem Artikel wird die Multimode-Faser-SBS-Theorie unter Berücksichtigung der Pumpverarmung und der Verstärkungssättigung systematisch erläutert. Es wird vorgeschlagen, Multimode-Faserverstärkung mit Wellenfront-Phasenmodulation zu integrieren, um gleichzeitig SBS-Unterdrückung und Ausgangspunktoptimierung zu erreichen. Der konstruierte MMF-Verstärker arbeitet mit hoher Leistung, hohem Wirkungsgrad und schmaler Linienbreite und gewährleistet so eine hohe Kohärenz. Diese Technologie bietet potenzielle Anwendungen in der kohärenten Strahlkombination, groß angelegten Interferometrie und gerichteten Energiesystemen.
Referenzen: [1] Stefan Rothe et al., Wellenfrontformung ermöglicht Hochleistungs-Multimode-Faserverstärker mit Ausgangsfokus. Wissenschaft 390, 173–177 (2025).
