Кратко и по существу — сначала физические механизмы, которые ограничивают мощность, когерентность и ширину спектра у «высокоусилительных» лазеров, затем практические приёмы для получения узкополосных мощных источников.
Что ограничивает выходную мощность
- Насыщение усиления и истощение насоса: при больших сигнальных мощностях усиление падает (gain saturation), дальше рост мощности ограничивается доступной инверсией и мощностью накачки.
- Тепловые эффекты (квантовый дефект): выделяющаяся теплоёмкость ведёт к тепловому градиенту, термической линзе, деформациям и трещинам активного элемента; теплоперенос ограничивает масштаб мощности.
- Паразитные генерации и ASE: усиление спонтанного излучения «отбирает» инверсию и может вызвать паразитное ламповое излучение (parasitic lasing).
- Нелинейные эффекты в усилителях (особенно в волоконных):
- стимулированное Бриллюэновское рассеяние (SBS) — ограничивает среднюю/пиковую мощность в узкополосном сигнале; порог зависит от эффективной площади, длины и коэффициента Бриллюэна $g_B$: $P_{\text{SBS}}\propto \frac{A_{\text{eff}}}{g_B{L}_{\text{eff}}}$.
- стимулированное Рамановское рассеяние (SRS) — перевод энергии в более длинноволновые компоненты.
- самофазовая модуляция (SPM), четвёртое-порядка нелинейности — приводит к спектральному расширению и ухудшению пикового качества.
- Ограничения яркости (brightness conservation): можно увеличить общую мощность, но сохранить малый угол расходимости и высокую однородность моды трудно.
Что ограничивает когерентность и ширину спектра
- Ширина собственных переходов (гомог./неоднородное уширение) определяет потенциальную минимальную ширину усиления; в реальности линия дополнительно расширяется.
- Флуктуации фазы от спонтанного излучения (Schawlow–Townes): фундаментальная шумовая граница, которая приближённо даёт зависимость ширины от мощности $\Delta {\nu }_{\text{ST}}\propto \frac{1}{P_{\text{out}}}$ (точный вид зависит от спонтанного фактора усиления и параметров резонатора).
- Технический фазовый шум: флуктуации длины резонатора, флуктуации накачки, термо‑ и акустические шумы, электроника — часто доминируют над фундаментальной границей.
- ASE и многомодовая генерация: конкуренция мод и режимов вызывает частотную модуляцию, расширение линии и ухудшение временной когерентности.
- Нелинейности (SPM, XPM) приводят к фазовой модуляции и спектральному расширению, особенно при высоких пиковых мощностях.
- В волоконных усилителях — модальная нестабильность (thermally-induced mode coupling) разрушает пространственную когерентность при кВт‑классах.
Полезные формулы (интуитивно)
- Длина когерентности: $L_c=\frac{c}{\pi \Delta \nu }$.
- Порог SBS (упрощённо): $P_{\text{SBS}}\sim \alpha \frac{A_{\text{eff}}}{g_B{L}_{\text{eff}}}$, где $\alpha$ — числовой фактор, $A_{\text{eff}}$ — эффективная площадь, $L_{\text{eff}}$ — эффективная длина.
Подходы к созданию узкополосных высокомощных источников
- Сеанирование (seed) + усиление (MOPA): узкополосный маломощный источник (локально-узкое DFB/EBL, НЧ-резонатор, или лазер-locked to cavity/atom) служит «мастером», затем идёт каскад усилителей. Это позволяет ретейнировать спектр при увеличении мощности.
- Инжекционная синхронизация (injection locking): маломощный монохроматический «мастер» стабилизирует мощный «слейв», давая широкую мощность при узкой линии.
- Подавление SBS и SRS:
- увеличение $A_{\text{eff}}$ (large-mode-area (LMA) и rod‑волокна, тонкоплёночные/тонкодисковые схемы), сокращение эффективной длины, градиент температуры/натяжения вдоль волокна;
- частотное рассеяние фазы/широкополосная фазовая модуляция на серединном усилителе (увеличивает эффективную ширину линии сигнала, снижая пиковую эффективную накачку Brillouin), однако это ухудшает очень узкую финальную линию — поэтому модуль разделения «сеанса/подавления» и последующая «детальная фильтрация» важны.
- Узкая фильтрация и стабилизация: высококачественные оптические резонаторы (вакуумные УЗКК), стабилизация методом Pound–Drever–Hall (PDH), переотражающие эталоны/ФП‑интерферометры и опорные линии (атомные/молекулярные) для понижения технического шума.
- Регулируемая и активная фазовая стабилизация для когерентного комбинирования:
- когерентное сложение пучков (coherent beam combining, CBC) — множество каналов с активным управлением фаз и синхронизацией дает суммарную мощность при сохранении фазы и узкой линии;
- спектральное комбинирование (spectral beam combining) — суммирование разных длин волны через дифракционные элементы; полезно для мощности, но усложняет спектр.
- Чирп‑усиление и добуквальная компрессия (CPA) для достижения высоких пиковых мощностей без нелинейных искажений: широкая полоса на этапе усиления, затем компрессия в конечный узкопульсный режим. Для узкой спектральной линии это не подходит напрямую, но применимо к высоким пиковой энергиям.
- Дизайн активной среды и геометрии: тонкодисковые лазеры, slab‑усилители, многоядерные/много­модовые волокна с последующей фазовой селекцией; использование материалов с меньшим квантовым дефектом (уменьшает тепловые ограничения).
- Управление ASE и модовой селекцией: включение внутрикристаллических/волоконных фильтров (FBG, Bragg gratings), манипуляция поперечной модой через апертуры, фазовые элементы, умный профиль накачки для предпочтения фундаментальной моды.
- Активные схемы подавления фазового шума: оптоэлектронные петли (PLL), фазовые локи на частоту стандарта, температурная и механическая стабилизация резонаторов.
Ключевые компромиссы
- Увеличение мощности обычно ухудшает спектральную чистоту и пространственную когерентность без сложных мер (охлаждение, большие моды, комбинирование).
- Методы подавления нелинейностей (широкополосная фазовая модуляция) помогают поднять пороги, но временно расширяют сигнал; поэтому требуется двухэтапная стратегия: (1) усиление с подавлением нелинейностей, (2) окончательная спектральная фильтрация/стабилизация.
- Когерентное комбинирование масштабирует мощность с сохранением линии, но требует сложной фазовой стабилизации и контроля температуры/вибраций.
Короткое резюме
- Ограничения: насыщение усиления, тепловые эффекты, ASE/паразитное генерация, нелинейные рассеяния (SBS/SRS), модовые и фазовые шумы.
- Для узкополосных высокомощных источников применяют: узкополосный seed + каскад усилителей (MOPA), инжекционное запирание, активная стабилизация к эталонам, LMA/rod‑волокна и тонкодисковые архитектуры, подавление SBS (увеличение A_eff, фазовая модуляция, градиенты), и когерентное либо спектральное комбинирование.
Если нужно, могу кратко привести пример реализации (конкретная схема MOPA + подавление SBS + PDH стабилизация) с порядковыми параметрами.