Nagy teljesítményű szálas lézerek és erősítők

Különösen nagy teljesítmények esetén a magterületnek elég nagynak kell lennie, mert a fényintenzitás nagyon magas lesz, és egy másik ok, hogy a dupla bevonatú szálaknál nagy a burkolat és a mag terület aránya, ami alacsony szivattyúabszorpciót eredményez. Ha a mag területe több ezer négyzetmikrométer nagyságrendű, akkor lehetséges egymódusú szálas mag használata. Többmódusú szál használatával, amikor az üzemmód területe viszonylag nagy, jó minőségű kimeneti sugár érhető el, és a fényhullám főként az alapvető mód. (Magasabb rendű módusok gerjesztése bizonyos mértékig a szál tekercselésével is lehetséges, kivéve az erős móduscsatolás esetét nagy teljesítményeknél) Ahogy az üzemmód területe egyre nagyobb, a nyaláb minősége már nem maradhat diffrakció-korlátozott, hanem összehasonlítható to Pl. hasonló teljesítményintenzitással működő rúdlézereknél az így kapott sugárminőség még elég jó.

Számos lehetőség van a nagyon nagy teljesítményű szivattyúfény befecskendezésére. A legegyszerűbb módja annak, hogy a burkolatot közvetlenül a szálas porton pumpálja. Ez a módszer nem igényel speciális szálas alkatrészeket, de a nagy teljesítményű szivattyú fényének a levegőben kell terjednie, különösen a levegő-üveg interfészen, amely nagyon érzékeny a porra vagy az elmozdulásra. Sok esetben előnyösebb a szálcsatlakozású szivattyúdióda alkalmazása, így a szivattyú fénye mindig a szálon keresztül jut el. Egy másik lehetőség, hogy a szivattyú fényét egy passzív szálba táplálják (adalékolatlan), és a passzív szálat az adalékolt szál köré tekerik, így a szivattyú fénye fokozatosan átkerül az adalékolt szálba. Van néhány mód arra, hogy egy speciális szivattyúkombinációs eszközt használjunk egyes szivattyúszálak és adalékolt jelszálak egyesítésére. Vannak más módszerek is, amelyek az oldalsó szivattyúzású száltekercseken (szálas lemezes lézerek) vagy a szivattyú burkolatán lévő hornyokon alapulnak, így a szivattyú fényét be lehet fecskendezni. Ez utóbbi technika lehetővé teszi a szivattyú fényének többpontos befecskendezését, így jobban elosztja a hőterhelést.

2. ábra: Nagy teljesítményű, kettős burkolatú szálas erősítő-beállítás diagramja, ahol a szivattyú fénye a szabad téren keresztül jut be az optikai portba. A gázüveg felületnek szigorúan be kell állítania és tisztának kell lennie.

A szivattyúfény befecskendezésének valamennyi módszerének összehasonlítása bonyolult, mert sok szempontról van szó: átviteli hatékonyság, fényerő-veszteség, könnyű feldolgozás, rugalmas működés, lehetséges visszaverődések, fényszivárgás a szálmagból a szivattyú fényforrásába, Tartsa meg a választást polarizáció stb.
Bár a nagy teljesítményű száloptikai eszközök közelmúltban történő fejlesztése nagyon gyors volt, még mindig vannak korlátok, amelyek hátráltatják a további fejlesztést:
A nagy teljesítményű száloptikai eszközök fényintenzitása jelentősen javult. Az anyagi károk küszöbét most már általában elérhetjük. Ezért szükség van a módusterület növelésére (nagy módú területű szálak), de ennek a módszernek vannak korlátai, ha nagy sugárminőségre van szükség.
A hosszegységenkénti teljesítményveszteség elérte a 100 W/m nagyságrendet, ami erős hőhatást eredményez a szálban. A vízhűtés használata nagymértékben növelheti a teljesítményt. Az alacsonyabb adalékkoncentrációjú hosszabb rostok könnyebben hűthetők, de ez növeli a nemlineáris hatásokat.
A nem szigorúan egymódusú szálak esetében modális instabilitás lép fel, ha a kimenő teljesítmény nagyobb, mint egy bizonyos küszöbérték, jellemzően néhány száz watt. Az üzemmód instabilitása a sugár minőségének hirtelen csökkenését okozza, ami a szálban lévő termikus rácsok (amelyek gyorsan oszcillálnak a térben) hatása.
A szál nemlinearitása sok szempontot érint. A Raman-erősítés még CW elrendezésben is olyan magas (még decibelben is), hogy a teljesítmény jelentős része a hosszabb hullámhosszú Stokes-hullámra kerül, amit nem lehet erősíteni. Az egyfrekvenciás működést nagymértékben korlátozza a stimulált Brillouin-szórás. Természetesen vannak olyan mérési módszerek, amelyek ezt a hatást bizonyos mértékig ellensúlyozhatják. A mód-zárolt lézerekben generált ultrarövid impulzusok, önfázisú moduláció erős spektrumtágító hatást vált ki rajtuk. Ezenkívül más problémák is felmerülnek a nemlineáris polarizációs forgatás injektálásával kapcsolatban.
A fenti korlátozások miatt a nagy teljesítményű száloptikai eszközöket általában nem tekintik szigorúan skálázható teljesítményű eszközöknek, legalábbis nem az elérhető teljesítménytartományon kívül. (A korábbi fejlesztéseket nem egyszeri teljesítményskálázással érték el, hanem továbbfejlesztett szálas kialakítással és szivattyúdiódákkal.) Ennek fontos következményei vannak, ha összehasonlítjuk a szálas lézertechnológiát a vékonylemezes lézerekkel. Részletesebben a Lézerteljesítmény-kalibráció című bejegyzésben van leírva.
Valódi teljesítményskálázás nélkül is sokat lehet tenni a nagy teljesítményű lézerbeállítások javításán. Egyrészt javítani kell a szálkialakításon, például nagy szálmódusú terület és egymódusú vezetés alkalmazása, amit általában fotonikus kristályszálak használatával érnek el. Sok szálas alkatrész nagyon fontos, például speciális szivattyúcsatlakozók, szálkúpok a különböző üzemmódú szálak összekapcsolásához és speciális szálhűtő berendezések. Ha egy bizonyos szál teljesítményhatárát elérjük, a kompozit gerendák egy másik lehetőség, és megfelelő szálbeállítások léteznek ennek a technikának a megvalósítására. Az ultrarövid impulzusú erősítőrendszereknél számos megközelítés létezik az optikai szálak nemlineáris hatásainak csökkentésére vagy akár részleges kihasználására, mint például a spektrum kiszélesítése és az azt követő impulzustömörítés.