NUDT постига 20kW лазерен изход с високо качество на лъча, базиран на заострени влакна, легирани с итербий

Потискането на нелинейния ефект и контролът на режима са настоящите технически предизвикателства за повишаване на мощността на високомощен лазер с легирани с итербий фибри (YDFL). Увеличаването на диаметъра на сърцевината на YDF е от полза за подобряване на прага на SRS, но води до по-трудно управление на режима от по-висок порядък и трудност при постигане на качество на висок лъч. В сравнение с еднородните влакна с двойна обвивка, заострените влакна имат определени предимства при балансирането на потискането на SRS и контрола на режима. Частта с малък диаметър на сърцевината на заостреното влакно може да намали броя на режимите на насочване на сърцевината, за да се постигне ефективен контрол на режима, докато частта с голям диаметър на сърцевината е благоприятна за намаляване на плътността на мощността на сърцевината за подобряване на прага на SRS. 2022 г., Националният университет по отбрана Технологията (NUDT), базирана на еднородно влакно, легирано с итербий, постигна лазерна мощност от 20 kW, с фактор M2 за качество на лъча от 3.3.2023 г. и за да подобри допълнително качеството на лъча, екипът извърши теоретични и практически изследвания на лазера TYDF, теоретични и експериментални изследвания на лазера TAPered Ytterbium-doped Fiber (TYDF).
Напредък на изследванията
За да подобри прага на SRS, лазерът използва структура за усилване на мощността на главния осцилатор с обратно изпомпване (MOPA), както е показано на Фиг. 1. 1{{20}}80 nm зародишна светлина се инжектира от малкия край на TYDF последователно през адаптера на режимно поле (MFA), наклонена решетка (CTFBG) и облицовъчен оптичен филтър (CPS 1). 1018 nm помпа светлина се инжектира в големия край на TYDF през изпомпващото рамо на обратния (6 + 1) × 1 комбиниран лъч (PSC). инжектирани в големия край на TYDF. Усилената сигнална светлина се извежда през облицовъчния оптичен филтър (CPS 2) и крайната капачка на влакното (QBH). Пигтейлът на CPS 1 е 30/250 μm двойно облицовано влакно за пренос на енергия. Пигтейлите на PSC, CPS 2 и Всички QBH са 48/400 μm двойно облечени влакна за пренос на енергия. TYDF е проектиран и разработен независимо от Националния университет по отбранителни технологии (NUDT). Национален университет по отбранителни технологии независим дизайн и разработка на TYDF неговата област с малък диаметър на сърцевината / диаметър на вътрешната обвивка 30/250 μm, област с голям диаметър на сърцевината / диаметър на вътрешната обвивка 48/400 μm, цифрова апертура на сърцевината от 0,066, коефициент на поглъщане на обвивката от около 0,36 dB / m @ 1018 nm, оптично влакно TYDF в областта с малък диаметър на сърцевината, заострена област, дължината на областта на диаметъра на сърцевината на големия диаметър на сърцевината от 15 m, 30 m, 15 m . Дължината на TYDF влакното на зоната с малък диаметър на сърцевината, заострената област, зоната с голям диаметър на сърцевината, съответно, TYDF е фиксиран върху влакнеста водно охлаждана плоча чрез спирално навиване и минималният диаметър на навиване е повече от 25 cm.

Фигура 1 20 kW схематична схема на структурата на влакнест лазер
Промяната на изходната мощност на лазера е показана на Фиг. 2 (а). 200 W от 1080 nm начална лазерна изходна мощност след усилвател е 160 W. Когато най-високата мощност на помпата, инжектирана в TYDF, е 24,8 kW, изходната лазерна мощност е 20,2 kW, което съответства на общата ефективност на наклона от 80,8 %. Спектърът при най-високата изходна мощност е показан на фиг. 2 (b), където коефициентът на потискане на SRS е 33 dB и няма очевиден компонент на Раман светлина. Коефициентът M2 на качеството на лъча при различни мощности (измерен с Primes LQM 200 с колиматорно фокусно разстояние 120 mm) е показан на Фиг. 2 (c). Коефициентът M2 от 2,18 при 13,5 kW е значително подобрение в сравнение с резултатите от измерванията на Team 2022, базирани на 48/400 μm хомогенно влакно при същата мощност (M2=2.8).
Поради малкото лазерно петно ​​(диаметърът на падащото петно ​​на LQM 200 трябва да бъде по-малък от 15 mm), с увеличаването на изходната мощност термичният ефект на колиматорната леща се засилва, което води до очевидна фазова аберация извън фокуса и точкова аберация , така че точното измерване на M2 при 20 kW изходна мощност не е възможно за момента. Коефициентът на качество на лъча също беше тестван в експеримента с помощта на инструмент за измерване на качеството на лъча (GYM-100), разработен от Института по физически науки Хефей, Китайската академия на науките, в съответствие с метода „GJB 7367-2011 за измерване на качествен фактор на високоенергийни лазерни лъчи". Благодарение на използването на голям точков колиматор с голямо фокусно разстояние (190 мм), влиянието на термичния ефект на колиматора върху резултатите от измерването беше облекчено до известна степен. коефициентът при 13,5 kW е 1,92, а резултатите от теста при 20 kW са показани на фиг. 2 (d). минималната стойност на фактора е 1,93, максималната стойност е 2,05, а средната стойност е 1,99 при 150 s. Коефициентът е 1,99 при 13,5 kW, а средната стойност е 1,99 при 20 kW.

Фигура 2 Лазерна изходна мощност и резултати от теста
Бъдещи перспективи
Тъй като няма прецизен метод за преобразуване между -фактор и M2-фактор, реалната стойност на M2-фактор при 20 kW не може да бъде извлечена от резултатите от теста за -фактор за момента. Въпреки това, сравнявайки лазера с мощност 20 kW, реализиран от екипа през 2022 г. на базата на 48/400 μm унифициран YDF (средната стойност на -фактор е 2,94 въз основа на същата тестова система), качеството на лъча е значително подобрено. Експерименталните резултати потвърждават осъществимостта на заострените влакна за подобряване на качеството на лъча. В последващата работа екипът ще продължи да оптимизира структурните параметри на TYDF и оптичното устройство, за да постигне по-нататъшно подобряване на мощността и качеството на лъча.