Laser serat{0}}berkekuatan tinggi berfungsi sebagai alat penting dalam aplikasi ilmiah, industri, dan pertahanan. Hambatan utama untuk meningkatkan lebih lanjut kekuatan penguat laser serat frekuensi tunggal adalah stimulasi hamburan Brillouin (SBS). Ketika daya optik melampaui ambang batas SBS,-lampu sinyal yang ditransmisikan maju akan menggairahkan cahaya Stokes mundur yang intens. Hal ini tidak hanya menghabiskan energi pompa dan mengurangi efisiensi keluaran tetapi juga dapat merusak komponen presisi bagian depan. Meningkatkan diameter inti serat dan memperluas spektrum sinyal dapat meningkatkan ambang batas SBS, sehingga menekan efek SBS dalam penguat serat frekuensi-tunggal. Upaya mitigasi SBS saat ini sebagian besar terbatas pada amplifier serat-mode tunggal atau beberapa-mode dengan kualitas pancaran sinar tinggi, sehingga sulit untuk mencapai daya tinggi, lebar saluran sempit, dan keluaran sinar berkualitas tinggi secara bersamaan. Makalah ini mengeksplorasi penguat serat multimode (MMF) di mana SBS ditekan secara signifikan karena berkurangnya intensitas optik pada inti besar dan perluasan spektrum hamburan Brillouin yang disebabkan oleh eksitasi multimode. Dengan menerapkan pembentukan muka gelombang spasial pada cahaya masukan penguat nonlinier, berkas keluaran difokuskan ke titik difraksi-terbatas, menghasilkan daya tinggi (503 W), lebar garis sempit (1 kHz), dan keluaran berkas-berkualitas tinggi .
Gambar 1 Skema pengaturan optik eksperimental
Gambar 1 menunjukkan pengaturan optik penelitian ini. Cahaya benih pada panjang gelombang 1064 nm mengalami pra-amplifikasi dan perluasan berkas dalam serat-mode tunggal sebelum fase muka gelombangnya dimodulasi oleh modulator cahaya spasial (SLM). Lampu sinyal termodulasi pertama-tama digabungkan ke dalam serat multimode pasif, dikombinasikan dengan lampu pompa, dan kemudian diperkuat dalam serat penguatan multimode yang didoping Yb-yang mendukung 76 mode. Setelah amplifikasi, lampu sinyal memasuki jalur pengukuran untuk mengevaluasi parameter termasuk daya, spektrum, lebar garis, titik fokus, dan fase. Penelitian ini menyelidiki karakteristik SBS pada serat multimode. Hasilnya menunjukkan bahwa ambang batas SBS (daya maksimum tanpa pembangkitan SBS) di MMF jauh lebih tinggi dibandingkan serat mode tunggal. Hasil simulasi menunjukkan bahwa untuk MMF yang digunakan (diameter inti 42 μm), ambang batas SBS adalah sekitar 24 W ketika hanya mode fundamental yang tereksitasi, yang 8 kali lebih tinggi dibandingkan dengan serat mode tunggal berdiameter 15 μm. Karena kopling mode yang tidak dapat dihindari dalam serat, MMF tidak dapat mencapai eksitasi mode fundamental murni. Pengukuran menunjukkan ambang batas SBS sebesar 59 W pada mode eksitasi beberapa dan 97 W pada mode eksitasi multi-mode di MMF, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2(A).
Gambar 2 (A) Ambang batas SBS dalam serat-mode tunggal dan multimode; (B) SBS memperoleh spektrum untuk eksitasi fundamental dan multimode di MMF
Makalah ini menetapkan teori semi-analitis untuk SBS dalam amplifier MMF, menganalisis penggandengan antara lampu sinyal mode berbeda dan lampu Stokes untuk mendapatkan koefisien penguatan SBS yang sesuai. Teori ini menunjukkan bahwa koefisien penguatan SBS dalam kondisi eksitasi multimode dalam MMF lebih rendah dibandingkan skenario eksitasi-mode tunggal mana pun. Eksitasi multimode di MMF secara signifikan memperluas spektrum penguatan SBS, mengurangi puncak penguatan, dan mencapai peningkatan ambang batas SBS, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (B). Karena sifat propagasi mundur dari cahaya Stokes, panjang MMF yang lebih panjang menghasilkan penguatan SBS yang lebih besar dan ambang batas yang lebih rendah. Eksperimen menunjukkan bahwa lampu pompa padam dalam jarak sekitar 6 m. Dengan memperpendek panjang serat dan mengukur ambang SBS, hasilnya menunjukkan bahwa ambang SBS berbanding terbalik dengan panjang efektif MMF. Pada panjang MMF 3,7 m, penguat mencapai ambang batas SBS maksimum (yaitu, daya keluaran puncak) sebesar 503 W, yaitu lima kali ambang batas SBS (hasil perhitungan teoretis) untuk eksitasi mode fundamental saja.
Gambar 3 Hubungan antara panjang efektif MMF dan ambang batas SBS; inset: intensitas titik fokus keluaran versus fase
Untuk mengontrol keluaran MMF, penelitian ini memodulasi fase muka gelombang menggunakan modulator cahaya spasial (SLM) sebelum cahaya sinyal masuk ke MMF. Rentang modulasi mencakup seluruh bukaan masukan MMF. Dalam rentang modulasi ini, piksel dibagi menjadi 256 makropiksel. Dimulai dari piksel pusat, fase setiap piksel dipindai dalam pola spiral untuk mencapai keluaran optimal pada bidang fokus. Di bawah pengaruh kontrol fase muka gelombang, interferensi terjadi antara mode berbeda dalam MMF, membentuk titik-berkualitas tinggi pada bidang fokus keluaran. Intensitas titik dan distribusi fase ditunjukkan pada sisipan di kanan atas Gambar 3, memperlihatkan intensitas dan distribusi fase yang seragam, yang menunjukkan kualitas titik yang sangat baik pada bidang fokus. Gambar 4: Titik pada bidang fokus MMF (A) dan pada posisi sedikit tidak fokus (B, C); kualitas sinar keluaran yang diukur (M2) (D)
Gambar 4 menampilkan profil sinar pada bidang fokus dan dengan sedikit pengaburan (200, 400 μm). Pengukuran menunjukkan efisiensi fokus sebesar 76% pada bidang fokus, yang berarti 76% energi sinar berada dalam rentang fokus. Nilai M2 terukur pada arah x dan y berturut-turut adalah 1,05 dan 1,35, yang menunjukkan kualitas sinar yang baik. Hasilnya menunjukkan bahwa modulasi fase berdasarkan SLM secara efektif meningkatkan kualitas titik pada bidang fokus keluaran MMF.
Gambar 5: Efisiensi kemiringan (A), spektrum keluaran (B), dan lebar garis (C) penguat MMF [1]
Efisiensi keluaran penguat, spektrum, dan lebar garis juga diukur. Penguat MMF mencapai efisiensi kemiringan 82%, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5(A), konsisten dengan prediksi teoritis. Spektrum keluaran (Gambar 5B) menunjukkan puncak sinyal pada 1064 nm dengan intensitas ASE relatif sebesar 52 dB, sedangkan puncak sisi kiri mewakili sinyal pompa sisa yang lemah. Karena lebar garis keluaran yang sangat sempit, spektrometer konvensional kesulitan mengukurnya. Oleh karena itu, metode heterodyne digunakan untuk menentukan lebar saluran masukan dan keluaran. Penguat MMF yang dibangun dalam karya ini menunjukkan lebar garis keluaran sebesar 35 kHz (20-dB) / 1 kHz (3-dB, yaitu, lebar penuh setengah maksimum), tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan dari lebar garis masukan. Koherensi temporalnya yang sangat baik memenuhi persyaratan pengukuran interferometri yang presisi. Makalah ini secara sistematis menguraikan teori SBS serat multimode dengan mempertimbangkan penipisan pompa dan saturasi penguatan. Ini mengusulkan pengintegrasian amplifikasi serat multimode dengan modulasi fase muka gelombang untuk secara bersamaan mencapai penekanan SBS dan optimalisasi titik keluaran. Penguat MMF yang dibangun beroperasi pada daya tinggi, efisiensi tinggi, dan lebar saluran sempit, memastikan koherensi tinggi. Teknologi ini memiliki aplikasi potensial dalam penggabungan sinar koheren, interferometri skala besar, dan sistem energi terarah.
Referensi: [1] Stefan Rothe dkk., Pembentukan muka gelombang memungkinkan penguat serat multimode berdaya tinggi-dengan fokus keluaran. Sains 390, 173–177 (2025).
