高出力ファイバー レーザーは、科学、産業、防衛用途において重要なツールとして機能します。-単一周波数ファイバー レーザー増幅器の出力をさらに拡大する際の主な障害は、誘導ブリルアン散乱 (SBS) です。光パワーが SBS しきい値を超えると、前方に送信された信号光が強力な後方ストークス光を励起します。{4}これにより、ポンプのエネルギーが枯渇し、出力効率が低下するだけでなく、フロントエンドの精密コンポーネントが損傷する可能性があります。-ファイバ コアの直径を大きくし、信号スペクトルを広げると、SBS しきい値が上昇し、それによって単一周波数ファイバ アンプにおける SBS 効果が抑制される可能性があります。-現在の SBS 軽減の取り組みは主に、高ビーム品質を備えたシングル モードまたは少数のモード ファイバ アンプに限定されており、高出力、狭い線幅、高品質のビーム出力を同時に達成することが困難となっています。-この論文では、大きなコアの光強度の低下と、マルチモード励起によって引き起こされるブリルアン散乱スペクトルの拡大により、SBS が大幅に抑制されるマルチモード ファイバ (MMF) 増幅器について検討します。非線形増幅器の入力光に空間波面整形を適用することにより、出力ビームは回折限界スポットに集束され、高出力 (503 W)、狭い線幅 (1 kHz)、および高品質のビーム出力を実現します。-
図 1 実験用光学装置の概略図
図 1 は、この研究の光学セットアップを示しています。波長 1064 nm のシード光は、空間光変調器 (SLM) によって波面位相が変調される前に、シングルモード ファイバー内で前置増幅とビーム拡張を受けます。-変調された信号光は、まずパッシブ マルチモード ファイバに結合され、ポンプ光と結合され、76 モードをサポートする Yb- ドープ マルチモード ゲイン ファイバで増幅されます。増幅後、信号光は測定経路に入り、パワー、スペクトル、線幅、焦点、位相などのパラメータを評価します。この研究では、マルチモード ファイバの SBS 特性を調査します。結果は、MMF での SBS しきい値 (SBS 生成なしの最大電力) がシングルモード ファイバーよりも大幅に高いことを示しています。-シミュレーション結果によると、使用した MMF (コア直径 42 μm) の場合、基本モードのみが励起された場合の SBS 閾値は約 24 W であり、これは直径 15 μm のシングル- モード ファイバの閾値よりも 8 倍高いことがわかります。ファイバ内での避けられないモード結合により、MMF は純粋な基本モード励振を達成できません。測定結果は、図2(A)に示すように、MMFの少数-モード励起ではSBS閾値が59W、マルチ-モード励起では97Wであることを示しています。
図 2 (A) シングル- モードおよびマルチモード ファイバーの SBS しきい値。 (B) MMF における基本波およびマルチモード励起の SBS ゲイン スペクトル
この論文では、MMF 増幅器における SBS の半解析理論を確立し、異なるモードの信号光とストークス光の間の結合を解析して、対応する SBS ゲイン係数を導き出します。{0}この理論は、MMF 内のマルチモード励起条件における SBS ゲイン係数が、単一モード励起シナリオよりも低いことを示しています。-。図 2(B) に示すように、MMF でのマルチモード励起により、SBS ゲイン スペクトルが大幅に広がり、ゲイン ピークが減少し、SBS しきい値が増加します。ストークス光の逆方向伝播の性質により、MMF 長が長くなると SBS ゲインが大きくなり、それに応じてしきい値も低くなります。実験では、ポンプ光が約 6 m 以内に枯渇することが実証されています。ファイバ長を短くして SBS しきい値を測定すると、SBS しきい値が MMF の実効長に反比例することがわかります。 3.7 mのMMF長で、この増幅器は503 Wの最大SBS閾値（つまり、ピーク出力電力）を達成します。これは、基本モード励起のみのSBS閾値（理論計算結果）の5倍です。
図3 MMFの実効長とSBS閾値の関係。挿入図: 出力焦点強度対位相
MMF出力を制御するために、この研究では信号光がMMFに入る前に空間光変調器（SLM）を使用して波面位相を変調しました。変調範囲はMMFの入力開口全体をカバーしました。この変調範囲内で、ピクセルは 256 マクロピクセルに分割されました。中央のピクセルから開始して、各ピクセルの位相がスパイラル パターンでスキャンされ、焦点面上で最適な出力が得られます。波面位相制御の影響下で、MMF 内の異なるモード間で干渉が発生し、出力焦点面に高品質のスポットが形成されます。-。スポット強度と位相分布は図 3 の右上の差し込み図に示されており、均一な強度と位相分布が示されており、焦点面上の優れたスポット品質を示しています。図 4: MMF 焦点面 (A) およびわずかに焦点がぼけた位置 (B、C) 上のスポット。測定された出力ビーム品質 (M2) (D)
図 4 は、焦点面とわずかに焦点がずれている状態 (200、400 μm) でのビーム プロファイルを示しています。測定結果は、焦点面での焦点効率が 76% であることを示しています。これは、ビーム エネルギーの 76% が焦点範囲内に存在することを意味します。 x 方向と y 方向の測定された M2 値はそれぞれ 1.05 と 1.35 であり、良好なビーム品質を示しています。結果は、SLM に基づく位相変調が MMF 出力の焦点面上のスポット品質を効果的に改善することを示しています。
図 5: MMF アンプのスロープ効率 (A)、出力スペクトル (B)、および線幅 (C) [1]
アンプの出力効率、スペクトル、線幅も測定されました。図 5(A) に示すように、MMF アンプは理論上の予測と一致して 82% のスロープ効率を達成しました。出力スペクトル (図 5B) は、相対 ASE 強度が 52 dB である 1064 nm の信号ピークを示していますが、左側のピークはかすかな残留ポンプ信号を表しています。出力線幅が非常に狭いため、従来の分光計ではそれを測定するのが困難でした。したがって、入力および出力の線幅を決定するためにヘテロダイン方式が採用されました。この研究で構築された MMF アンプは、35 kHz (20- dB) / 1 kHz (3-dB、つまり半値全幅) の出力線幅を示し、入力線幅と大きな違いはありません。その優れた時間コヒーレンスは、高精度の干渉測定の要件を満たします。この論文では、ポンプの枯渇と利得の飽和を考慮したマルチモード ファイバ SBS 理論について系統的に詳しく説明します。マルチモードファイバ増幅と波面位相変調を統合して、SBS抑制と出力スポットの最適化を同時に達成することを提案しています。構築された MMF アンプは、高出力、高効率、狭い線幅で動作し、高いコヒーレンスを保証します。この技術は、コヒーレントビーム結合、大規模干渉法、および指向性エネルギーシステムに応用できる可能性があります。
参考文献: [1] Stefan Rothe et al.、波面整形により、出力フォーカスを備えた高出力マルチモード ファイバー アンプが可能になります。-サイエンス 390、173–177 (2025)。
