Laser da Record: Come Abbiamo Smascherato e Domato l’Instabilità Modale Trasversale!

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi dietro le quinte di una sfida davvero affascinante nel mondo dei laser a fibra ad alta potenza. Immaginate di avere una sorgente di luce potentissima, precisa, efficiente, insomma, il sogno di ogni ingegnere e scienziato per applicazioni industriali o di ricerca. Ecco, i laser a fibra sono proprio questo, ma c’è un “cattivo” in questa storia che cerca sempre di rovinare la festa: l’Instabilità Modale Trasversale, o TMI per gli amici (si fa per dire!).

Il Problema Chiamato TMI

Avete presente quando un fascio di luce laser, che dovrebbe essere bello pulito e concentrato, inizia improvvisamente a “ballare” e a perdere la sua qualità? Ecco, quella è la TMI in azione. È un fenomeno subdolo, indotto da un accoppiamento non lineare termo-ottico. In parole povere, il calore generato all’interno della fibra ottica crea delle variazioni che a loro volta influenzano il modo in cui la luce si propaga, portando a un trasferimento di energia tra i diversi “modi” di propagazione del laser. Questo è un bel problema, specialmente quando si cerca di aumentare la potenza dei laser. Se nei laser tradizionali si cerca di sopprimere effetti come lo scattering Raman stimolato (SRS), la TMI rimane un osso molto più duro, perché arriva all’improvviso e degrada rapidamente la qualità del fascio.

Negli oscillatori laser a fibra, che sono delle cavità risonanti sigillate e quindi molto robuste, la TMI può diventare particolarmente complessa a causa della competizione tra i modi durante l’oscillazione laser. Pensate a più “canali” di luce che cercano di emergere contemporaneamente: un vero e proprio Far West fotonico!

Un Nuovo Sguardo alla TMI: Oltre i Due Modi

Le teorie tradizionali sulla TMI si sono concentrate principalmente sull’accoppiamento tra due soli modi. Ma noi ci siamo chiesti: e se la situazione fosse più complessa, specialmente negli oscillatori a fibra “few-mode”, cioè quelli che possono supportare alcuni modi di propagazione e non solo quello fondamentale? Così, abbiamo deciso di adottare un approccio olistico, risolvendo le equazioni di accoppiamento termo-ottico allo stato stazionario.

Le nostre simulazioni hanno rivelato qualcosa di sorprendente: c’è una correlazione non monotonica tra la perdita per piegatura della fibra (bending loss) e la soglia di TMI. Questo va controcorrente rispetto a quanto suggerito dalla teoria dell’interazione a due modi, che prevedeva una relazione monotonica. In pratica, non è detto che piegare di più o di meno la fibra porti sempre a un miglioramento o a un peggioramento lineare della soglia di TMI. È più un “tira e molla”.

Quando un modo di ordine superiore riesce ad avere un guadagno netto nella cavità, si verificano fluttuazioni della soglia TMI. Questo può portare all’amplificazione di un nuovo modo in una regione di frequenza non accoppiata, influenzando la saturazione del guadagno. Immaginate che ogni modo laser abbia la sua “voce” (frequenza). Se queste voci sono ben separate, non si disturbano. Ma se iniziano a sovrapporsi, ecco che l’accoppiamento modale, e quindi la TMI, peggiora. Abbiamo scoperto che progettando con cura la larghezza di linea di un reticolo a bassa riflessione (LRG), uno dei componenti chiave della cavità laser, è possibile gestire la potenza modale nel dominio delle frequenze non accoppiate. Una larghezza di linea del LRG eccessivamente ampia, infatti, esacerba l’accoppiamento modale e quindi la TMI.

Dalla Teoria alla Pratica: L’Esperimento da Record

Armati di queste simulazioni, siamo passati ai fatti. Abbiamo fabbricato con cura i nostri reticoli a bassa riflessione e ottimizzato l’avvolgimento della fibra (il “coiling”) per cercare di alzare il più possibile questa benedetta soglia di TMI. L’idea era di trovare il giusto equilibrio tra la larghezza di linea del LRG e il raggio di curvatura della fibra.

Ebbene, i risultati sono andati oltre le nostre più rosee aspettative! Ottimizzando con attenzione questi parametri, siamo riusciti a ottenere una potenza di uscita laser da un oscillatore a fibra monolitico di ben 10.07 kW, senza alcuna evidenza osservabile di TMI. Per darvi un’idea, questo rappresenta, a nostra conoscenza, la più alta potenza mai raggiunta con un setup di oscillatore laser a fibra monolitico a singolo stadio. Un vero record!

Il nostro lavoro dimostra che la ridistribuzione della potenza modale in domini di frequenza indipendenti offre un approccio innovativo per mitigare la TMI nei laser a fibra ad alta potenza. Questo non solo apre la strada a laser ancora più potenti, ma fornisce anche nuove intuizioni sulle strategie di disaccoppiamento modale che potrebbero essere utili anche nelle comunicazioni su fibra ottica.

Dentro le Simulazioni: Capire l’Accoppiamento Termo-Indotto

Per capire meglio, abbiamo analizzato i coefficienti di accoppiamento termo-indotto. In condizioni ideali, il coefficiente più alto è tra i modi LP01 (il modo fondamentale, quello che vorremmo prevalesse) e LP11. Tuttavia, la saturazione del guadagno, un effetto che si verifica quando la potenza laser diventa molto alta, cambia le carte in tavola. Questa saturazione fa sì che il coefficiente di accoppiamento diminuisca rapidamente.

Considerando condizioni più realistiche, dove la saturazione del guadagno varia in base alla distribuzione trasversale dell’intensità laser, abbiamo visto che se il modo LP01 domina, l’accoppiamento tra LP01 e LP02 viene soppresso. In generale, quando un particolare modo di fibra comanda una porzione relativamente alta della potenza laser, il suo accoppiamento associato diminuisce, mentre l’accoppiamento tra altri modi si intensificherebbe. È come se la saturazione del guadagno agisse da mediatore, influenzando la “danza” dei modi e, di conseguenza, la soglia di TMI.

Abbiamo poi simulato cosa succede variando la larghezza di linea del LRG. Con un LRG stretto (ad esempio, 0.05 nm), i modi non degeneri mostrano picchi risonanti individuali ben distinti. Se l’LRG si allarga (ad esempio, a 0.3 nm), i picchi si allargano e la densità di potenza spettrale diminuisce, il che indebolisce l’accoppiamento. Ma se si allarga troppo (ad esempio, 1.0 nm), la maggior parte delle componenti spettrali dei picchi risonanti si sovrappone, e l’accoppiamento modale peggiora di nuovo. C’è quindi una larghezza di linea ottimale!

L’Influenza della Piegatura della Fibra

Abbiamo anche investigato l’effetto della perdita modale dovuta alla piegatura della fibra. La soglia di TMI varia in modo non monotonico con l’aumentare del raggio di curvatura.

• Stadio 1: Le perdite per piegatura per i modi di ordine superiore sono molto maggiori rispetto al modo fondamentale. La soglia TMI diminuisce gradualmente man mano che la perdita del modo LP11 diminuisce.
• Stadio 2: La perdita del modo LP11 diminuisce al punto che questo modo acquisisce guadagno netto e oscilla. Man mano che LP11 occupa una certa quota della potenza totale, l’accoppiamento tra LP01 e LP11 diminuisce a causa della saturazione del guadagno, elevando la soglia TMI.
• Stadio 3: Il modo LP11 prende una porzione maggiore della potenza. Emerge un forte accoppiamento tra LP01 e LP21. Man mano che la perdita di LP21 diminuisce, la soglia TMI cala. Tuttavia, una volta che anche LP21 è abbastanza forte da sopravvivere e prendere una certa porzione, l’accoppiamento tra LP01 e LP21 viene soppresso dalla saturazione, e la soglia TMI vede di nuovo una crescita.

Questo risultato è decisamente diverso dalle previsioni della teoria TMI a due modi. Controllando la perdita dei modi, si può ridistribuire efficacemente la potenza tra i vari modi del nucleo in componenti di frequenza separate e non accoppiate, facilitando così la soppressione della TMI.

Conferme Sperimentali e Ottimizzazione

Negli esperimenti, abbiamo usato una fibra drogata all’itterbio (YDF) da 30/600 µm e reticoli fatti in casa. Variando la larghezza di linea del LRG, abbiamo confermato che esiste un valore ottimale. Ad esempio, con un LRG da 0.6 nm abbiamo raggiunto una soglia TMI di 6750 W. Valori più stretti o più larghi davano soglie inferiori. È interessante notare che, al contrario della soglia TMI, il rapporto di scattering Raman stimolato (SRS) diminuiva monotonicamente con l’aumento della larghezza di linea del LRG. Quindi, per un’inibizione combinata di SRS e TMI, una larghezza di linea di circa 0.8 nm si è rivelata ideale.

Successivamente, abbiamo lavorato sulla piegatura della fibra. Utilizzando una fibra con un’apertura numerica (NA) leggermente inferiore e un LRG da 0.8 nm, abbiamo testato diversi diametri di piegatura.
Con un diametro minimo di piegatura di 19.5 cm, la soglia TMI era di circa 8120 W.
Stringendo l’avvolgimento a un diametro minimo di 17.5 cm, la soglia TMI è aumentata! Non abbiamo osservato TMI significativa fino alla massima potenza raggiunta in quella configurazione, che era di 10.07 kW.
Tuttavia, diminuendo ulteriormente il diametro a 14.5 cm, la soglia TMI è invece diminuita a circa 7770 W.
Questo ha confermato sperimentalmente la relazione non monotonica tra la soglia TMI e il raggio di piegatura, in linea con le nostre simulazioni.

Verso il Futuro

Nonostante questi progressi, l’oscillatore laser opera ancora in uno stato “few-mode”, il che significa che la qualità del fascio non è perfettamente “single-mode” (M² > 1). Questa è la prossima sfida da affrontare. In futuro, intendiamo ottimizzare ulteriormente la piegatura della fibra e prestare maggiore attenzione alla selezione dei modi nell’oscillatore per ottenere un funzionamento robusto, senza manutenzione e con una qualità del fascio superiore.

In conclusione, questo studio dettagliato, sia teorico che sperimentale, sulla TMI in un oscillatore a fibra few-mode, concentrandosi sulla ridistribuzione della potenza modale nel dominio della frequenza, ha non solo portato a un record di potenza ma ha anche fornito nuove preziose intuizioni. Speriamo che la nostra analisi possa ispirare nuovi metodi per mitigare la TMI e migliorare le prestazioni dei laser a fibra ad alta potenza. E chissà, magari questo design compatto di oscillatore a fibra da 10 kW potrà servire da riferimento per futuri sviluppi!

Fonte: Springer