ওয়েভফ্রন্ট শেপিং উচ্চ-পাওয়ার মাল্টিমোড ফাইবার অ্যামপ্লিফায়ারে আউটপুট নিয়ন্ত্রণ সক্ষম করে

উচ্চ-শক্তির ফাইবার লেজারগুলি বৈজ্ঞানিক, শিল্প এবং প্রতিরক্ষা অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে গুরুত্বপূর্ণ হাতিয়ার হিসাবে কাজ করে। একক-ফ্রিকোয়েন্সি ফাইবার লেজার অ্যামপ্লিফায়ারের শক্তিকে আরও স্কেল করার প্রাথমিক বাধা হল স্টিমুলেটেড ব্রিলুইন স্ক্যাটারিং (এসবিএস)। যখন অপটিক্যাল শক্তি SBS থ্রেশহোল্ড অতিক্রম করে, তখন সামনের-প্রেরিত সংকেত আলো তীব্র পশ্চাৎমুখী স্টোকস আলোকে উত্তেজিত করে। এটি শুধুমাত্র পাম্পের শক্তিকে ক্ষয় করে না এবং আউটপুট কার্যকারিতা হ্রাস করে কিন্তু সামনের-প্রিসিশন উপাদানগুলিরও ক্ষতি করতে পারে। ফাইবার কোর ব্যাস বাড়ানো এবং সিগন্যাল স্পেকট্রাম প্রসারিত করা SBS থ্রেশহোল্ডকে উন্নত করতে পারে, যার ফলে একক- ফ্রিকোয়েন্সি ফাইবার পরিবর্ধকগুলিতে SBS প্রভাবগুলিকে দমন করা যায়। বর্তমান SBS প্রশমন প্রচেষ্টাগুলি মূলত উচ্চ বীমের গুণমানের সাথে একক-মোড বা কয়েকটি-মোড ফাইবার পরিবর্ধকের মধ্যে সীমাবদ্ধ, যা একই সাথে উচ্চ শক্তি, সংকীর্ণ লাইনউইথ, এবং উচ্চ-গুণমান বিম আউটপুট অর্জন করাকে চ্যালেঞ্জিং করে তোলে৷ এই কাগজটি একটি মাল্টিমোড ফাইবার (এমএমএফ) পরিবর্ধক অন্বেষণ করে যেখানে বড় কোরে অপটিক্যাল তীব্রতা হ্রাস এবং মাল্টিমোড উত্তেজনা দ্বারা সৃষ্ট ব্রিলুইন স্ক্যাটারিং স্পেকট্রাম প্রসারিত হওয়ার কারণে SBS উল্লেখযোগ্যভাবে দমন করা হয়। অরৈখিক পরিবর্ধকের ইনপুট আলোতে স্থানিক ওয়েভফ্রন্ট শেপিং প্রয়োগ করে, আউটপুট মরীচি একটি বিচ্ছুরণ-সীমিত স্থানে ফোকাস করে, উচ্চ শক্তি (503 W), সরু লাইনউইথ (1 kHz) এবং উচ্চ-গুণমান বিম আউটপুট অর্জন করে।

চিত্র 1 পরীক্ষামূলক অপটিক্যাল সেটআপের পরিকল্পিত

চিত্র 1 এই গবেষণার অপটিক্যাল সেটআপ দেখায়। 1064 এনএম তরঙ্গদৈর্ঘ্যে বীজের আলো একটি স্থানিক আলো মডুলেটর (SLM) দ্বারা তরঙ্গমুখী পর্যায় সংশোধিত হওয়ার আগে একক-মোড ফাইবারে প্রি-বিবর্ধন এবং বিম সম্প্রসারণের মধ্য দিয়ে যায়। মড্যুলেটেড সিগন্যাল লাইট প্রথমে একটি প্যাসিভ মাল্টিমোড ফাইবারে মিলিত হয়, পাম্প লাইটের সাথে মিলিত হয়, এবং তারপর 76 মোড সমর্থনকারী Yb-ডোপড মাল্টিমোড গেইন ফাইবারে প্রশস্ত করা হয়। পরিবর্ধনের পরে, শক্তি, বর্ণালী, লাইনউইথ, ফোকাল স্পট এবং ফেজ সহ পরামিতিগুলি মূল্যায়নের জন্য সংকেত আলো পরিমাপের পথে প্রবেশ করে। এই গবেষণাটি মাল্টিমোড ফাইবারগুলিতে এসবিএস বৈশিষ্ট্যগুলি তদন্ত করে। ফলাফলগুলি নির্দেশ করে যে MMF-এ SBS থ্রেশহোল্ড (SBS জেনারেশন ছাড়াই সর্বাধিক শক্তি) একক{11}}মোড ফাইবারের তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে বেশি৷ সিমুলেশন ফলাফলগুলি দেখায় যে ব্যবহৃত MMF এর জন্য (কোর ব্যাস 42 μm), SBS থ্রেশহোল্ড আনুমানিক 24 W হয় যখন শুধুমাত্র মৌলিক মোড উত্তেজিত হয়, যা 15 μm ব্যাসের একক-মোড ফাইবারের তুলনায় 8 গুণ বেশি। ফাইবারে অনিবার্য মোড কাপলিং এর কারণে, MMF বিশুদ্ধ মৌলিক মোড উত্তেজনা অর্জন করতে পারে না। পরিমাপগুলি চিত্র 2(A) তে দেখানো হিসাবে, MMF-এ কয়েকটি-মোড উত্তেজনার অধীনে 59 W এবং MMF-এ মাল্টি-মোড উত্তেজনার অধীনে 97 W এর SBS থ্রেশহোল্ড নির্দেশ করে।

চিত্র 2 (A) একক-মোড এবং মাল্টিমোড ফাইবারে SBS থ্রেশহোল্ড; (বি) এসবিএস এমএমএফ-এ মৌলিক এবং মাল্টিমোড উত্তেজনার জন্য স্পেকট্রা লাভ করে
এই কাগজটি MMF পরিবর্ধকগুলিতে SBS-এর জন্য একটি আধা-বিশ্লেষনমূলক তত্ত্ব প্রতিষ্ঠা করে, বিভিন্ন মোড সিগন্যাল লাইট এবং স্টোকস আলোর মধ্যে সংযোগ বিশ্লেষণ করে সংশ্লিষ্ট SBS লাভ সহগ বের করে। এই তত্ত্বটি নির্দেশ করে যে MMF-এর মধ্যে মাল্টিমোড উত্তেজনা পরিস্থিতিতে SBS লাভের গুণাঙ্ক যে কোনও একক-মোড উত্তেজনা দৃশ্যের তুলনায় কম। MMF-এ মাল্টিমোড উত্তেজনা উল্লেখযোগ্যভাবে SBS লাভের স্পেকট্রামকে প্রসারিত করে, লাভের শিখর হ্রাস করে এবং SBS থ্রেশহোল্ডের বৃদ্ধি অর্জন করে, যেমন চিত্র 2(B) এ দেখানো হয়েছে। স্টোকস লাইটের পশ্চাৎমুখী বংশবিস্তার প্রকৃতির কারণে, দীর্ঘ MMF দৈর্ঘ্যের ফলে SBS লাভ বেশি হয় এবং অনুরূপভাবে নিম্ন থ্রেশহোল্ড হয়। পরীক্ষাগুলি দেখায় যে পাম্পের আলো প্রায় 6 মিটারের মধ্যে নিঃশেষ হয়ে যায়। ফাইবারের দৈর্ঘ্য সংক্ষিপ্ত করে এবং SBS থ্রেশহোল্ড পরিমাপ করে, ফলাফলগুলি নির্দেশ করে যে SBS থ্রেশহোল্ড MMF এর কার্যকর দৈর্ঘ্যের বিপরীতভাবে সমানুপাতিক। 3.7 মিটারের একটি MMF দৈর্ঘ্যে, পরিবর্ধক 503 W এর সর্বোচ্চ SBS থ্রেশহোল্ড (অর্থাৎ, পিক আউটপুট পাওয়ার) অর্জন করে, যা শুধুমাত্র মৌলিক মোড উত্তেজনার জন্য SBS থ্রেশহোল্ডের (তাত্ত্বিক গণনার ফলাফল) পাঁচগুণ।

চিত্র 3 এমএমএফ এবং এসবিএস থ্রেশহোল্ডের কার্যকর দৈর্ঘ্যের মধ্যে সম্পর্ক; ইনসেট: আউটপুট ফোকাল স্পট তীব্রতা বনাম ফেজ
MMF আউটপুট নিয়ন্ত্রণ করার জন্য, এই গবেষণায় সিগন্যাল লাইট এমএমএফ-এ প্রবেশ করার আগে একটি স্থানিক আলো মডুলেটর (SLM) ব্যবহার করে তরঙ্গফ্রন্ট ফেজকে সংশোধিত করেছে। মড্যুলেশন পরিসর MMF-এর সম্পূর্ণ ইনপুট অ্যাপারচারকে কভার করে। এই মডুলেশন পরিসরের মধ্যে, পিক্সেলগুলিকে 256 ম্যাক্রোপিক্সেলে ভাগ করা হয়েছিল। কেন্দ্রীয় পিক্সেল থেকে শুরু করে, ফোকাল প্লেনে সর্বোত্তম আউটপুট অর্জনের জন্য প্রতিটি পিক্সেলের ফেজ একটি সর্পিল প্যাটার্নে স্ক্যান করা হয়েছিল। ওয়েভফ্রন্ট ফেজ কন্ট্রোলের প্রভাবে, MMF-এর মধ্যে বিভিন্ন মোডের মধ্যে হস্তক্ষেপ ঘটে, যা আউটপুট ফোকাল প্লেনে একটি উচ্চ মানের স্পট তৈরি করে। স্পট তীব্রতা এবং ফেজ বিতরণ চিত্র 3 এর উপরের ডানদিকে ইনসেটে দেখানো হয়েছে, অভিন্ন তীব্রতা এবং ফেজ বিতরণ প্রকাশ করে, ফোকাল প্লেনে চমৎকার স্পট গুণমান নির্দেশ করে। চিত্র 4: MMF ফোকাল প্লেনে (A) দাগ এবং সামান্য defocused অবস্থানে (B, C); পরিমাপকৃত আউটপুট বিমের গুণমান (M2) (D)

চিত্র 4 ফোকাল প্লেনে এবং সামান্য ডিফোকাসিং (200, 400 μm) এর অধীনে মরীচি প্রোফাইলগুলি প্রদর্শন করে। পরিমাপগুলি ফোকাল সমতলে 76% ফোকাল দক্ষতা নির্দেশ করে, যার অর্থ 76% বিম শক্তি ফোকাল পরিসরের মধ্যে থাকে। x এবং y দিকনির্দেশে পরিমাপ করা M2 মানগুলি যথাক্রমে 1.05 এবং 1.35, ভাল মরীচির গুণমান নির্দেশ করে৷ ফলাফলগুলি দেখায় যে SLM-এর উপর ভিত্তি করে ফেজ মড্যুলেশন কার্যকরভাবে MMF আউটপুটের ফোকাল প্লেনে স্পট গুণমান উন্নত করে।

চিত্র 5: ঢাল দক্ষতা (A), আউটপুট বর্ণালী (B), এবং MMF পরিবর্ধকের লাইনউইথ (C) [1]
পরিবর্ধকটির আউটপুট দক্ষতা, বর্ণালী এবং লাইনউইথও পরিমাপ করা হয়েছিল। তাত্ত্বিক ভবিষ্যদ্বাণীগুলির সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ, চিত্র 5(A) তে দেখানো হিসাবে MMF পরিবর্ধকটি 82% এর ঢাল দক্ষতা অর্জন করেছে। আউটপুট বর্ণালী (চিত্র 5B) 52 dB এর আপেক্ষিক ASE তীব্রতার সাথে 1064 nm এ একটি সংকেত শিখর দেখায়, যখন বাম দিকের শিখরটি একটি ক্ষীণ অবশিষ্টাংশ পাম্প সংকেতকে উপস্থাপন করে। অত্যন্ত সংকীর্ণ আউটপুট লাইনউইথের কারণে, প্রচলিত স্পেকট্রোমিটারগুলি এটি পরিমাপ করতে লড়াই করেছিল। অতএব, ইনপুট এবং আউটপুট লাইনউইথ নির্ধারণের জন্য হেটেরোডাইন পদ্ধতিগুলি নিযুক্ত করা হয়েছিল। এই কাজে নির্মিত MMF পরিবর্ধকটি 35 kHz (20-dB) / 1 kHz (3-dB, অর্থাৎ, অর্ধেক সর্বোচ্চে সম্পূর্ণ প্রস্থ) একটি আউটপুট লাইনউইথ প্রদর্শন করে, ইনপুট লাইনউইথ থেকে কোন উল্লেখযোগ্য পার্থক্য দেখায় না। এর চমৎকার সাময়িক সংগতি স্পষ্টতা ইন্টারফেরোমেট্রিক পরিমাপের প্রয়োজনীয়তা পূরণ করে। এই কাগজটি পদ্ধতিগতভাবে মাল্টিমোড ফাইবার এসবিএস তত্ত্বকে পাম্পের হ্রাস এবং সম্পৃক্ততা বিবেচনা করে বিস্তারিত করে। এটি একই সাথে এসবিএস দমন এবং আউটপুট স্পট অপ্টিমাইজেশান অর্জনের জন্য ওয়েভফ্রন্ট ফেজ মডুলেশনের সাথে মাল্টিমোড ফাইবার পরিবর্ধনকে একীভূত করার প্রস্তাব করে। নির্মিত MMF পরিবর্ধক উচ্চ শক্তি, উচ্চ দক্ষতা, এবং সংকীর্ণ লাইন প্রস্থে কাজ করে, উচ্চ সংগতি নিশ্চিত করে। এই প্রযুক্তিটি সমন্বিত মরীচি সমন্বয়, বৃহৎ-স্কেল ইন্টারফেরোমেট্রি এবং নির্দেশিত শক্তি সিস্টেমে সম্ভাব্য অ্যাপ্লিকেশন ধারণ করে।
তথ্যসূত্র: [১] স্টেফান রোথে এট আল।, ওয়েভফ্রন্ট শেপিং আউটপুট ফোকাস সহ উচ্চ-পাওয়ার মাল্টিমোড ফাইবার পরিবর্ধক সক্ষম করে। বিজ্ঞান 390, 173–177 (2025)।