Los láseres de fibra de alta-potencia son herramientas vitales en aplicaciones científicas, industriales y de defensa. El principal obstáculo para seguir ampliando la potencia de los amplificadores láser de fibra de una sola-frecuencia es la dispersión Brillouin estimulada (SBS). Cuando la potencia óptica excede el umbral SBS, la luz de señal transmitida-hacia adelante excita una intensa luz de Stokes hacia atrás. Esto no solo agota la energía de la bomba y reduce la eficiencia de producción, sino que también puede dañar los componentes de precisión frontales. Aumentar el diámetro del núcleo de la fibra y ampliar el espectro de la señal puede elevar el umbral de SBS, suprimiendo así los efectos de SBS en amplificadores de fibra de frecuencia única-. Los esfuerzos actuales de mitigación de SBS se limitan en gran medida a amplificadores de fibra monomodo o de pocos modos con alta calidad de haz, lo que dificulta lograr simultáneamente alta potencia, ancho de línea estrecho y salida de haz de alta calidad. Este artículo explora un amplificador de fibra multimodo (MMF) donde la SBS se suprime significativamente debido a la reducción de la intensidad óptica en el núcleo grande y la ampliación del espectro de dispersión Brillouin causada por la excitación multimodo. Al aplicar una configuración de frente de onda espacial a la luz de entrada del amplificador no lineal, el haz de salida se enfoca en un punto de difracción-limitada, logrando alta potencia (503 W), ancho de línea estrecho (1 kHz) y salida de haz de alta-calidad.
Figura 1 Esquema de la configuración óptica experimental.
La Figura 1 muestra la configuración óptica de este estudio. La luz semilla a una longitud de onda de 1064 nm se somete a pre-amplificación y expansión del haz en fibra monomodo-antes de que su fase de frente de onda sea modulada por un modulador de luz espacial (SLM). La luz de señal modulada se acopla primero a una fibra multimodo pasiva, se combina con la luz de bombeo y luego se amplifica en una fibra de ganancia multimodo dopada con Yb-que admite 76 modos. Después de la amplificación, la luz de señal ingresa a la ruta de medición para evaluar parámetros que incluyen potencia, espectro, ancho de línea, punto focal y fase. Este estudio investiga las características de SBS en fibras multimodo. Los resultados indican que el umbral de SBS (potencia máxima sin generación de SBS) en MMF es significativamente más alto que en la fibra monomodo. Los resultados de la simulación muestran que para el MMF utilizado (diámetro del núcleo de 42 μm), el umbral de SBS es de aproximadamente 24 W cuando solo se excita el modo fundamental, que es 8 veces mayor que el de una fibra monomodo de 15 μm de diámetro. Debido al acoplamiento de modo inevitable en la fibra, MMF no puede lograr una excitación en modo fundamental puro. Las mediciones indican un umbral de SBS de 59 W con excitación de pocos-modos y de 97 W con excitación de múltiples-modos en MMF, como se muestra en la Figura 2(A).
Figura 2 (A) Umbrales de SBS en fibras monomodo-y multimodo; (B) Espectros de ganancia de SBS para excitación fundamental y multimodo en MMF
Este artículo establece una teoría semi-analítica para SBS en amplificadores MMF, analizando el acoplamiento entre luces de señal de diferentes modos y luz de Stokes para derivar los coeficientes de ganancia de SBS correspondientes. Esta teoría indica que el coeficiente de ganancia de SBS en condiciones de excitación multimodo dentro de MMF es menor que en cualquier escenario de excitación monomodo-. La excitación multimodo en MMF amplía significativamente el espectro de ganancia de SBS, reduce el pico de ganancia y logra un aumento en el umbral de SBS, como se muestra en la Figura 2(B). Debido a la naturaleza de propagación hacia atrás de la luz de Stokes, las longitudes más largas de MMF dan como resultado una mayor ganancia de SBS y un umbral correspondientemente más bajo. Los experimentos demuestran que la luz de la bomba se agota en aproximadamente 6 m. Al acortar la longitud de la fibra y medir el umbral de SBS, los resultados indican que el umbral de SBS es inversamente proporcional a la longitud efectiva del MMF. Con una longitud MMF de 3,7 m, el amplificador alcanza un umbral SBS máximo (es decir, potencia de salida máxima) de 503 W, que es cinco veces el umbral SBS (resultado del cálculo teórico) solo para la excitación en modo fundamental.
Figura 3 Relación entre la longitud efectiva del MMF y el umbral de SBS; recuadro: intensidad del punto focal de salida versus fase
Para controlar la salida del MMF, este estudio moduló la fase del frente de onda utilizando un modulador de luz espacial (SLM) antes de que la señal de luz ingresara al MMF. El rango de modulación cubrió toda la apertura de entrada del MMF. Dentro de este rango de modulación, los píxeles se dividieron en 256 macropíxeles. Comenzando desde el píxel central, la fase de cada píxel se escaneó en forma de espiral para lograr un resultado óptimo en el plano focal. Bajo la influencia del control de fase del frente de onda, se produce interferencia entre diferentes modos dentro del MMF, formando un punto de alta-calidad en el plano focal de salida. La intensidad del punto y la distribución de fase se muestran en el recuadro en la parte superior derecha de la Figura 3, lo que revela una intensidad y distribución de fase uniformes, lo que indica una excelente calidad del punto en el plano focal. Figura 4: Puntos en el plano focal MMF (A) y en posiciones ligeramente desenfocadas (B, C); Calidad del haz de salida medida (M2) (D)
La Figura 4 muestra los perfiles del haz en el plano focal y bajo un ligero desenfoque (200, 400 μm). Las mediciones indican una eficiencia focal del 76 % en el plano focal, lo que significa que el 76 % de la energía del haz reside dentro del rango focal. Los valores de M2 medidos en las direcciones xey son 1,05 y 1,35, respectivamente, lo que indica una buena calidad del haz. Los resultados demuestran que la modulación de fase basada en SLM mejora efectivamente la calidad del punto en el plano focal de la salida MMF.
Figura 5: Eficiencia de pendiente (A), espectro de salida (B) y ancho de línea (C) del amplificador MMF [1]
También se midieron la eficiencia de salida, el espectro y el ancho de línea del amplificador. El amplificador MMF logró una eficiencia de pendiente del 82%, como se muestra en la Figura 5(A), consistente con las predicciones teóricas. El espectro de salida (Figura 5B) muestra un pico de señal a 1064 nm con una intensidad ASE relativa de 52 dB, mientras que el pico del lado izquierdo-representa una débil señal de bombeo residual. Debido al ancho de línea de salida extremadamente estrecho, los espectrómetros convencionales tenían dificultades para medirlo. Por lo tanto, se emplearon métodos heterodinos para determinar los anchos de línea de entrada y salida. El amplificador MMF construido en este trabajo exhibe un ancho de línea de salida de 35 kHz (20-dB)/1 kHz (3 dB, es decir, ancho completo a la mitad del máximo), y no muestra ninguna diferencia significativa con respecto al ancho de línea de entrada. Su excelente coherencia temporal cumple con los requisitos de mediciones interferométricas de precisión. Este artículo elabora sistemáticamente la teoría SBS de fibra multimodo considerando el agotamiento de la bomba y la saturación de ganancia. Propone integrar amplificación de fibra multimodo con modulación de fase de frente de onda para lograr simultáneamente la supresión de SBS y la optimización del punto de salida. El amplificador MMF construido funciona a alta potencia, alta eficiencia y ancho de línea estrecho, lo que garantiza una alta coherencia. Esta tecnología tiene aplicaciones potenciales en combinación de haces coherentes, interferometría a gran escala y sistemas de energía dirigida.
Referencias: [1] Stefan Rothe et al., La configuración de frente de onda permite un amplificador de fibra multimodo de alta-potencia con enfoque de salida. Ciencia 390, 173-177 (2025).
