Koherentní kombinace laserových svazků

Vysoce výkonné vláknové lasery se staly klíčovými v průmyslových i obranných aplikacích díky svým kompaktním rozměrům, relativně vysoké účinnosti a nízkým provozním nákladům. Navzdory těmto výhodám zůstává zvyšování maximálního výkonu vláknových laserů náročnou výzvou: tepelné efekty, nelineární rozptyl (jako stimulované Ramanovy a Brillouinovy procesy) a módová nestabilita (transverse mode instability; TMI) představují omezení pro to, kolik energie může jedno vlákno produkovat při zachování dobré kvality paprsku. Ačkoli jednomódové vláknové lasery již dosáhly výstupních výkonů v rozmezí 6–10 kW a teoretické předpovědi mluví až o 40 kW, překonání této hranice pomocí jediného vláknového zesilovače se stává stále obtížnějším a dražším. Jako nejslibnější cesta k ultra-vysoce výkonným laserům se tak ukázaly techniky kombinace svazků.

Techniky skládání paprsků

Existuje několik strategií, jak zkombinovat více vláknových laserů do jednoho svazku, každá s vlastními výhodami a perspektivami:

1. Nekoherentní (side-by-side) kombinace

Nejjednodušší metodou je umístit více laserů vedle sebe a namířit je na stejný cíl. Často se tento přístup nazývá „nekoherentní“ nebo „side-by-side“ kombinace a vyššího celkového výkonu se zde dosahuje vlastně hrubou silou. Tento přístup je přímočarý – není potřeba žádné fázové sladění – a je odolný proti selhání jednotlivých kanálů, protože každý paprsek může stále fungovat nezávisle. Avšak zkombinovat veškeré laserové záření do jednoho malého ohniska je obtížné. Finální výkon v místě dopadu je omezen větší efektivní velikostí svazku, což se stává nevýhodou v situaci, kdy je vyžadována přesnost na velkou vzdálenost. Systémy tohoto druhu již překonaly výkon 30 kW a novější verze, primárně pro obranu, se snaží dosáhnout ještě vyšších výkonů.

2. Spektrální kombinace svazků (spectral beam combining; SBC)

Sofistikovanějším přístupem je provozovat každý laserový kanál na mírně odlišné vlnové délce a poté sloučit všechny výstupy do jediného svazku pomocí vlnově selektivní optiky, jako jsou difrakční mřížky nebo dichroická zrcadla. Tato technika, nazývaná v angličtině spectral beam combining (SBC), udržuje vysoký výkon v každém kanálu a v podstatě skládá odlišné vlnové délky do jednoho kombinovaného výstupu. SBC již demonstrovalo výstupy na úrovni několika kilowattů – existují reporty o 60 kW systémech realizovaných pomocí SBC z 96 jednotlivých vláknových laserů s kvalitou svazku, která zůstává vhodná pro aplikace s delším dosahem (lepší, než umožňuje nekoherentní kombinace). Protože však má každý kanál svou vlastní vlnovou délku, může být jemné ladění systému pro určité optické aplikace – zejména ty vyžadující úzké spektrum – komplikovanější.

3. Koherentní kombinace svazků (coherent beam combining; CBC)

Mezi všemi metodami škálování výkonu slibuje koherentní kombinace (CBC) nejvyšší kvalitu svazku i při vysokém výkonu. CBC je založeno na myšlence, že pokud je více laserů pracujících na (téměř) stejné vlnové délce fázově sladěno, jejich výstupy mohou konstruktivně interferovat a vytvořit tak svazek s ohniskem o velikosti blížící se difrakčnímu limitu. V principu to představuje cestu k desítkám nebo dokonce stovkám kilowattů výkonu a malým, intenzivním ohniskům potřebným pro aplikace, jako je zpracování materiálů a výroba zařízení se směrovanou energií (directed energy device).

V CBC je laserový svazek rozdělen do více kanálů a zesílen v paralelních vláknových zesilovačích. Každý kanál přitom musí zůstat fázově sladěn s ostatními, aby při rekombinaci paprsky procházely konstruktivní interferencí. Toto fázové sladění lze sledovat a udržovat pomocí zpětnovazebního řídicího systému, který detekuje jakoukoli fázovou chybu a kompenzuje ji v reálném čase.

Čím více kanálů je v systému CBC, tím důležitější je mít přesné a nastavitelné zpoždění v dráze každého z nich. Typický systém CBC používá k jemnému dorovnávání fází krátké vláknové pigtaily, piezo zrcadla nebo “free space” úseky optické dráhy. Přesné sladění ale často vyžaduje aby byla do dráhy zapojena dedikovaná (vláknová) zpožďovací linka. To platí zejména pro pulzní lasery, kde může špatné časové sfázování vést až k úplné ztrátě překryvu pulzů. Vyladěním pozice pohyblivého zrcadla uvnitř zpožďovací linky systém kompenzuje rozdíly v optické dráze a zajišťuje potřebnou synchronizaci. Optické zpožďovací linky jsou často kombinovány s nějakým druhem fázového modulátoru, který provádí jemné úpravy optické dráhy změnou indexu lomu prostředí, ve kterém se laser šíří.

Jelikož v koherentně kombinovaných systémech mají všechny kanály stejnou optickou frekvenci a jsou (prakticky dokonale) sfázovány, lze teoreticky téměř veškerý výkon soustředit do jediného difrakčně limitovaného bodu. V praxi bylo dosaženo desítek kilowattů výkonu v kontinuálním režimu (CW) s potenciálem dalšího zvyšování. Pozoruhodným milníkem je 100 kW systém CBC vytvořený z deskových (slab) laserů.

V poslední době si větší pozornost získaly systémy CBC pracující na vlnové délce 2 µm, zejména v obranných aplikacích. Důvodem je to, že u delších vlnových délek (1,4 - 3 µm) je ve srovnání se zdroji 1 µm výrazně snížené riziko trvalého poranění očí, stejně jako pravděpodobnost jiných vedlejších škod nebo nebezpečí vznícení. Moderní thuliové vláknové lasery zvládají v této oblasti dosáhnout kilowattových výkonů a použitím koherentní kombinace tak mohou 2 µm systémy splňovat požadavky na výkon i na přísné bezpečnostní standardy, které jsou kritické zejména pro moderní zbraňové systémy se směrovanou energií (directed energy weapons; DEW).

FODL MDX - modulární řešení od OptiXs

Vláknové zpožďovací linky kompatibilní s 19” rackovým systémem

V OptiXs jsme vyvinuli modulární systém vláknových zpožďovacích linek realizovaný ve formě zásuvek kompatibilních s 19” rackovým systémem. Zpožďovací linky jsou dodávány s kontrolerem, který umožňuje ovládání na dálku z počítače – pro základní použití nabízíme intuitivní webové uživatelské rozhraní, pro pokročilejší komunikaci a automatizaci jsou pak k dispozici ethernet a USB. Jeden kontroler je schopen ovládat až 8 zpožďovacích linek. To v kombinaci se špičkovými optickými parametry je náš systém vláknových zpožďovacích linek optimalizován pro aplikace využívající koherentní kombinace svazků.

Více o našich zpožďovacích linkách se dozvíte zde.