Combinando in modo coerente più ultraveloci fibra laser, la limitazione di potenza di a singola fibra può essere superato. In questo tipo di dispositivo di combinazione coerente, viene generalmente utilizzato un divisore di fascio di polarizzazione (PBS) per la combinazione di fasci (come mostrato nella Figura 1 (a)), ma questo tipo di dispositivo è più complesso e all'aumentare del numero di canali combinati, Il volume occupato diventerà sempre più grande. Il gruppo di ricerca di Jena in Germania ha proposto un metodo per combinare il divisore del fascio di riflettanza segmentato (SMS), come mostrato nella Figura 1 (b) (c).
Schema schematico del sistema di travi combinate
Figura 1 (a) Schema schematico del sistema a raggi combinati (b) Schema schematico del dispositivo SMS. Il valore è il coefficiente di riflessione della superficie di divisione del raggio. Quando la potenza dell'array di fasci in ingresso è uniforme, l'ampiezza può essere completamente adattata. (C) SMS complessivo, ovvero tutti i rivestimenti sono depositati su un singolo elemento (d) Espandere la combinazione in una matrice bidimensionale e ogni SMS ha la stessa distribuzione del rivestimento
SMS può essere prodotto con solo uno o due elementi ottici. Per la sintesi di più raggi laser ultraveloci, il design della spaziatura dell'aria a doppia unità può ridurre al minimo l'effetto non lineare e l'effetto di dispersione e il dispositivo può anche essere esteso alla combinazione di raggi bidimensionali, come mostrato nella Figura 1 (d). Al fine di ottenere un perfetto adattamento dell'ampiezza nel processo di combinazione del raggio, è necessario utilizzare una parte di rivestimento speciale in corrispondenza di ciascun nodo di suddivisione o combinazione del raggio. Tuttavia, per ogni fascio di luce è necessaria un'area di riflessione con un rivestimento specifico e il dispositivo è ancora più complicato. Poiché l'influenza dell'errore di ampiezza nella sintesi coerente è inferiore a quella dell'errore di fase, il gruppo di ricerca di Jena ha proposto un design semplificato che può condividere il rivestimento.
Tre design SMS semplificati
Figura 2 Tre modelli SMS semplificati
Come mostrato nella Figura 2, questo articolo introduce tre strategie di progettazione semplificate per SMS. In ogni progetto semplificato, il primo raggio in ingresso passa attraverso la parte di rivestimento completamente trasparente, mentre i restanti N-1 raggi di luce incidente saranno incidenti su 1, 2 o 3 sezioni di rivestimento i cui coefficienti di riflessione sono determinati dall'algoritmo di ottimizzazione. Nell'ipotesi di un perfetto abbinamento di fase, l'efficienza di sintesi complessiva viene presa come funzione di ottimizzazione dell'obiettivo e vengono utilizzati metodi numerici per risolvere i parametri di progettazione SMS semplificati.
La Figura 3 mostra l'efficienza di sintesi teorica di tre progetti che combinano fino a 40 raggi in un singolo SMS. Queste simulazioni presuppongono superfici HR e AR ideali (la situazione reale può essere simulata regolando i parametri). All'aumentare del numero di rivestimenti, la sezione trasversale del rivestimento ottimizzata può essere più vicina alla situazione di corrispondenza dell'ampiezza ideale, quindi è possibile ottenere una maggiore efficienza di sintesi, ma il beneficio marginale del numero di rivestimenti diminuirà rapidamente. La combinazione di raggi bidimensionali può essere ottenuta utilizzando due SMS semplificati identici.
mostra l'efficienza di sintesi teorica di tre progetti che combinano fino a 40 raggi in un singolo SMS
Figura 3 Efficienza di combinazione dei tre progetti di SMS simulati dopo l'ottimizzazione (in alto) efficienza di sintesi teorica in condizioni ideali; (in basso) efficienza di sintesi con superficie di riflettività del 99.8%
Mentre si ottimizza la riflettività di ciascun rivestimento, è possibile ottimizzare anche il numero di fasci incidenti su ogni strato, ma ciò ha scarso effetto sull'efficienza complessiva della sintesi. L'autore ha anche studiato l'influenza dell'errore del coefficiente di riflessione sull'efficienza di sintesi. Come mostrato nella Figura 4, quando l'errore di riflettività è entro il 2%, rispetto alla situazione ideale, l'efficienza combinata di 25 raggi è inferiore solo del 2% circa, il che è completamente accettabile. Le simulazioni di cui sopra non hanno considerato l'influenza di altri effetti sull'efficienza di sintesi.
Diagramma schematico dell'influenza dell'errore di riflettività del rivestimento nel design SMS a rivestimento singolo
Figura 4 Diagramma schematico dell'influenza dell'errore di riflettività del rivestimento nel progetto SMS a rivestimento singolo
L'articolo discute anche il potenziale degli SMS semplificati nei divisori di fascio. Quando SMS viene utilizzato come divisore di fasci, il design del rivestimento ottimizzato è lo stesso dell'idea progettuale di un combinatore di fasci, ma è necessario considerare alcuni effetti aggiuntivi. L'uniformità della divisione ottica SMS è molto importante nel sistema di amplificazione CPA in fibra. Alcuni processi ottici saranno influenzati dall'energia assoluta in ciascun nucleo, che a sua volta influenza l'uniformità e l'efficienza di sintesi del fascio amplificato. Pertanto, il rapporto tra la potenza minima e massima del raggio in uscita da SMS come divisore di raggio è un riferimento importante per il suo utilizzo come divisore di raggio.
Per il caso di suddivisione del fascio 5-25, la situazione di suddivisione dell'SMS a tre strati è mostrata nella Figura 5. Nel sistema di amplificazione CPA in fibra ultraveloce, a causa della distribuzione irregolare della luce di semina, la fase non lineare accumulata (integrale B ) è diverso durante il processo di amplificazione e, nella fibra, questo cambiamento è dovuto all'elevata potenza di picco del nucleo della fibra e ai percorsi più lunghi. Pertanto, l'influenza della suddivisione del raggio non uniforme con la suddivisione del raggio SMS semplificata dipende in larga misura dai parametri del sistema in fibra ottica.
Diagramma schematico delle prestazioni del design semplificato a tre strati utilizzato come divisore di fascio
Figura 5 Schema schematico delle prestazioni del design semplificato a tre strati utilizzato come divisore di raggio: (a) Quando vengono divisi 5-25 raggi, il rapporto tra la potenza di uscita minima e la potenza di uscita massima dell'SMS a tre strati; (b) 10 utilizzato come divisore di raggio Istogramma della potenza del raggio in uscita del rivestimento a tre raggi SMS
In sintesi, questo articolo presenta un'analisi numerica SMS per la progettazione semplificata della suddivisione coerente del raggio e della combinazione del raggio. Poiché l'impatto del disadattamento di ampiezza nel processo di combinazione coerente è relativamente debole, è possibile ottenere un'efficace combinazione di fasci riducendo il numero di rivestimenti, il che semplifica notevolmente il processo di fabbricazione di questi Dispositivi ottici.
