Laser sợi quang công suất cao-đóng vai trò là công cụ quan trọng trong các ứng dụng khoa học, công nghiệp và quốc phòng. Trở ngại chính cho việc mở rộng hơn nữa công suất của bộ khuếch đại laser sợi quang đơn tần- là sự tán xạ Brillouin kích thích (SBS). Khi công suất quang vượt quá ngưỡng SBS, đèn tín hiệu-truyền về phía trước sẽ kích thích ánh sáng Stokes lùi mạnh. Điều này không chỉ làm cạn kiệt năng lượng của máy bơm và giảm hiệu suất đầu ra mà còn có thể làm hỏng-các bộ phận chính xác ở mặt trước. Việc tăng đường kính lõi sợi quang và mở rộng phổ tín hiệu có thể nâng cao ngưỡng SBS, từ đó triệt tiêu hiệu ứng SBS trong các bộ khuếch đại sợi quang tần số đơn. Các nỗ lực giảm thiểu hiện tại của SBS phần lớn chỉ giới hạn ở các bộ khuếch đại sợi quang chế độ đơn hoặc một vài chế độ có chất lượng chùm tia cao, khiến việc đồng thời đạt được công suất cao, băng thông đường truyền hẹp và đầu ra chùm tia chất lượng cao là một thách thức. Bài viết này tìm hiểu bộ khuếch đại sợi quang đa mode (MMF) trong đó SBS bị triệt tiêu đáng kể do cường độ quang học giảm trong lõi lớn và sự mở rộng phổ tán xạ Brillouin gây ra bởi sự kích thích đa mode. Bằng cách áp dụng tính năng định hình mặt sóng không gian cho ánh sáng đầu vào của bộ khuếch đại phi tuyến, chùm tia đầu ra được tập trung đến một điểm nhiễu xạ{15}}giới hạn, đạt được công suất cao (503 W), băng thông đường truyền hẹp (1 kHz) và đầu ra chùm tia chất lượng cao.
Hình 1 Sơ đồ thiết lập quang học thử nghiệm
Hình 1 cho thấy thiết lập quang học của nghiên cứu này. Ánh sáng mầm ở bước sóng 1064 nm trải qua quá trình-khuếch đại trước và mở rộng chùm tia ở sợi quang-chế độ đơn trước khi pha mặt sóng của nó được điều chế bằng bộ điều biến ánh sáng không gian (SLM). Đèn tín hiệu đã điều chế trước tiên được ghép thành sợi quang đa mode thụ động, kết hợp với đèn bơm, sau đó được khuếch đại trong sợi khuếch đại đa mode pha tạp Yb-hỗ trợ 76 chế độ. Sau khi khuếch đại, đèn tín hiệu đi vào đường đo để đánh giá các thông số bao gồm công suất, phổ, băng thông, tiêu điểm và pha. Nghiên cứu này khảo sát các đặc tính của SBS trong sợi đa mode. Kết quả cho thấy ngưỡng SBS (công suất tối đa không tạo ra SBS) trong MMF cao hơn đáng kể so với sợi quang{11}chế độ đơn. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng đối với MMF được sử dụng (đường kính lõi 42 μm), ngưỡng SBS là khoảng 24 W khi chỉ chế độ cơ bản được kích thích, cao gấp 8 lần so với sợi quang chế độ đơn có đường kính 15 μm. Do sự ghép nối chế độ không thể tránh khỏi trong sợi quang, MMF không thể đạt được kích thích chế độ cơ bản thuần túy. Các phép đo cho thấy ngưỡng SBS là 59 W khi kích thích một vài chế độ và 97 W khi kích thích nhiều chế độ trong MMF, như minh họa trong Hình 2(A).
Hình 2 (A) Ngưỡng SBS ở sợi đơn-chế độ và đa chế độ; (B) Phổ thu được SBS cho kích thích cơ bản và đa chế độ trong MMF
Bài viết này xây dựng một lý thuyết bán phân tích cho SBS trong bộ khuếch đại MMF, phân tích sự ghép nối giữa các đèn tín hiệu ở chế độ khác nhau và ánh sáng Stokes để rút ra hệ số khuếch đại SBS tương ứng. Lý thuyết này chỉ ra rằng hệ số khuếch đại SBS trong điều kiện kích thích đa chế độ trong MMF thấp hơn so với bất kỳ kịch bản kích thích chế độ đơn nào. Kích thích đa chế độ trong MMF mở rộng đáng kể phổ khuếch đại SBS, giảm đỉnh khuếch đại và đạt được mức tăng ngưỡng SBS, như trong Hình 2 (B). Do tính chất truyền ngược của ánh sáng Stokes, độ dài MMF dài hơn dẫn đến mức tăng SBS lớn hơn và ngưỡng tương ứng thấp hơn. Các thí nghiệm chứng minh rằng ánh sáng của máy bơm sẽ cạn kiệt trong khoảng 6 m. Bằng cách rút ngắn độ dài sợi quang và đo ngưỡng SBS, kết quả chỉ ra rằng ngưỡng SBS tỷ lệ nghịch với độ dài hiệu dụng của MMF. Ở chiều dài MMF là 3,7 m, bộ khuếch đại đạt được ngưỡng SBS tối đa (tức là công suất đầu ra cực đại) là 503 W, gấp 5 lần ngưỡng SBS (kết quả tính toán lý thuyết) chỉ dành cho kích thích chế độ cơ bản.
Hình 3. Mối quan hệ giữa độ dài hiệu dụng của ngưỡng MMF và ngưỡng SBS; hình nhỏ: cường độ tiêu điểm đầu ra so với pha
Để kiểm soát đầu ra MMF, nghiên cứu này đã điều chỉnh pha mặt sóng bằng bộ điều biến ánh sáng không gian (SLM) trước khi ánh sáng tín hiệu đi vào MMF. Phạm vi điều chế bao phủ toàn bộ khẩu độ đầu vào của MMF. Trong phạm vi điều chế này, các pixel được chia thành 256 macropixel. Bắt đầu từ pixel trung tâm, pha của từng pixel được quét theo mô hình xoắn ốc để đạt được đầu ra tối ưu trên mặt phẳng tiêu điểm. Dưới tác động của điều khiển pha mặt sóng, giao thoa xảy ra giữa các chế độ khác nhau trong MMF, tạo thành một điểm chất lượng cao trên mặt phẳng tiêu cự đầu ra. Cường độ điểm và phân bố pha được hiển thị trong hình nhỏ ở trên cùng bên phải của Hình 3, cho thấy cường độ và phân bố pha đồng đều, cho thấy chất lượng điểm tuyệt vời trên mặt phẳng tiêu điểm. Hình 4: Các điểm trên mặt phẳng tiêu điểm MMF (A) và ở các vị trí hơi lệch tiêu điểm (B, C); chất lượng chùm tia đầu ra đo được (M2) (D)
Hình 4 hiển thị cấu hình chùm tia ở mặt phẳng tiêu cự và bị lệch tiêu nhẹ (200, 400 μm). Các phép đo cho thấy hiệu suất tiêu cự là 76% tại mặt phẳng tiêu cự, nghĩa là 76% năng lượng chùm tia nằm trong phạm vi tiêu cự. Giá trị M2 đo được theo hướng x và y lần lượt là 1,05 và 1,35, cho thấy chất lượng chùm tia tốt. Kết quả chứng minh rằng điều chế pha dựa trên SLM cải thiện hiệu quả chất lượng điểm trên mặt phẳng tiêu điểm của đầu ra MMF.
Hình 5: Hiệu suất độ dốc (A), phổ đầu ra (B) và độ rộng đường truyền (C) của bộ khuếch đại MMF [1]
Hiệu suất đầu ra, phổ và băng thông đường truyền của bộ khuếch đại cũng được đo. Bộ khuếch đại MMF đạt được hiệu suất độ dốc 82%, như trong Hình 5(A), phù hợp với dự đoán lý thuyết. Phổ đầu ra (Hình 5B) hiển thị đỉnh tín hiệu ở bước sóng 1064 nm với cường độ ASE tương đối là 52 dB, trong khi đỉnh bên trái-biểu thị tín hiệu bơm dư yếu. Do băng thông đầu ra cực kỳ hẹp nên các máy quang phổ thông thường gặp khó khăn trong việc đo nó. Do đó, các phương pháp dị tính đã được sử dụng để xác định độ rộng đường truyền đầu vào và đầu ra. Bộ khuếch đại MMF được thiết kế trong tác phẩm này có băng thông đầu ra là 35 kHz (20{22}}dB) / 1 kHz (3-dB, tức là toàn bộ chiều rộng ở mức tối đa một nửa), cho thấy không có sự khác biệt đáng kể so với băng thông đầu vào. Sự kết hợp thời gian tuyệt vời của nó đáp ứng các yêu cầu cho phép đo giao thoa kế chính xác. Bài viết này trình bày chi tiết một cách có hệ thống về lý thuyết SBS sợi đa mode xem xét sự cạn kiệt của bơm và độ bão hòa khuếch đại. Nó đề xuất tích hợp khuếch đại sợi đa mode với điều chế pha mặt sóng để đồng thời đạt được sự triệt tiêu SBS và tối ưu hóa điểm đầu ra. Bộ khuếch đại MMF được thiết kế hoạt động ở công suất cao, hiệu suất cao và băng thông đường truyền hẹp, đảm bảo tính kết hợp cao. Công nghệ này có các ứng dụng tiềm năng trong việc kết hợp chùm tia kết hợp, giao thoa kế quy mô lớn và các hệ thống năng lượng định hướng.
Tài liệu tham khảo: [1] Stefan Rothe và cộng sự, Định hình mặt sóng cho phép bộ khuếch đại sợi quang đa chế độ công suất cao-với tiêu điểm đầu ra. Khoa học 390, 173–177 (2025).
