NUDT dosahuje 20kW vysokolúčový kvalitný laserový výstup na základe zúženého vlákna dopovaného ytterbiom

Potlačenie nelineárneho efektu a riadenie režimu sú súčasnými technickými výzvami na zvýšenie výkonu vysokovýkonného vláknového lasera dopovaného ytterbiom (YDFL). Zväčšenie priemeru jadra YDF je prospešné na zlepšenie prahu SRS, ale vedie k zložitejšiemu ovládaniu režimu vyššieho rádu a ťažkostiam pri dosahovaní vysokej kvality lúča. V porovnaní s vláknami s rovnomerným dvojitým plášťom majú kužeľové vlákna určité výhody pri vyrovnávaní potlačenia SRS a riadenia režimu. Časť zúženého vlákna s malým priemerom jadra môže znížiť počet režimov vedenia jadra, aby sa dosiahlo efektívne riadenie režimu, zatiaľ čo časť s veľkým priemerom jadra prispieva k zníženiu hustoty výkonu jadra na zlepšenie prahu SRS. 2022, Národná univerzita obrany Technológia (NUDT) založená na jednotnom dvojplášťovom vlákne dotovanom ytterbiom dosiahla výkon lasera 20 kW s faktorom kvality lúča M2 3.3.2023 a za účelom ďalšieho zlepšenia kvality lúča tím vykonal teoretické a praktické štúdie lasera TYDF, teoretický a experimentálny výskum lasera TAPered ytterbiom dopovaného vlákna (TYDF).
Pokrok vo výskume
Aby sa zlepšil prah SRS, laser využíva štruktúru zosilnenia výkonu hlavného oscilátora (MOPA) s spätným čerpaním, ako je znázornené na obr. 1. 1{{20}} 80 nm zárodočné svetlo sa vstrekuje z malého konca TYDF postupne cez adaptér poľa režimu (MFA), naklonenú mriežku (CTFBG) a krycí optický filter (CPS 1). Svetlo pumpy s vlnovou dĺžkou 1018 nm sa vstrekuje do veľkého konca TYDF cez zadné (6 + 1) × 1 zlučovacie lúče (PSC) pumpovacie rameno. vstrekne do veľkého konca TYDF. Zosilnené signálne svetlo vychádza cez ochranný optický filter (CPS 2) a koncový uzáver vlákna (QBH). Vrkôčik CPS 1 je 30/250 μm dvojito opláštené vlákno na prenos energie. Vrkôčiky PSC, CPS 2 a QBH sú všetky 48/400 μm dvojito opláštené vlákna na prenos energie. TYDF je navrhnutý a vyvinutý nezávisle Národnou univerzitou obranných technológií (NUDT). Nezávislý dizajn a vývoj TYDF od Národnej univerzity obrannej technológie, jeho oblasť s malým priemerom jadra / priemer vnútorného plášťa 30/250 μm, oblasť s veľkým priemerom jadra / priemer vnútorného plášťa 48/400 μm, numerická apertúra jadra 0,066, absorpčný koeficient plášťa asi 0,36 dB/m @ 1018 nm, optické vlákno TYDF v oblasti s malým priemerom jadra, zúžená oblasť, dĺžka oblasti s priemerom jadra s veľkým priemerom jadra 15 m, 30 m, 15 m . Dĺžka vlákna TYDF oblasti s malým priemerom jadra, skosená oblasť, oblasť s veľkým priemerom jadra, v tomto poradí, TYDF je pripevnená k vláknitej vodou chladenej doske špirálovým zvinutím a minimálny priemer zvinutia je viac ako 25 cm.

Obrázok 1 20 Schéma štruktúry vláknového lasera v kW
Zmena výstupného výkonu lasera je znázornená na obr. 2(a). 200 W výstupného výkonu 1080 nm zárodočného lasera po zosilňovači je 160 W. Keď je najvyšší výkon pumpy vstrekovaný do TYDF 24,8 kW, výstupný výkon lasera je 20,2 kW, čo zodpovedá celkovej účinnosti sklonu 80,8 %. Spektrum pri najvyššom výstupnom výkone je znázornené na obr. 2(b), kde je pomer potlačenia SRS 33 dB a nie je tu žiadna zjavná zložka Ramanovho svetla. Faktor M2 kvality lúča pri rôznych výkonoch (merané pomocou Primes LQM 200 s ohniskovou vzdialenosťou kolimátora 120 mm) je znázornený na obr. 2(c). Faktor M2 2,18 pri 13,5 kW je výrazné zlepšenie v porovnaní s výsledkami meraní tímu Team 2022 založených na 48/400 μm homogénnom vlákne pri rovnakom výkone (M2=2,8).
Vzhľadom na malý laserový bod (priemer dopadajúceho bodu LQM 200 musí byť menší ako 15 mm) so zvýšením výstupného výkonu sa tepelný efekt šošovky kolimátora zintenzívňuje, čo má za následok zjavnú fázovú aberáciu mimo zaostrenia a bodovú aberáciu , takže presné meranie M2 pri výstupnom výkone 20 kW momentálne nie je možné. Faktor kvality lúča sa testoval aj v experimente s použitím prístroja na meranie kvality lúča (GYM-100) vyvinutého Inštitútom fyzikálnych vied v Hefei, Čínska akadémia vied, v súlade s metódou „GJB 7367-2011 pre meranie faktora kvality vysokoenergetických laserových lúčov“. Vďaka použitiu veľkého bodového kolimátora s dlhou ohniskovou vzdialenosťou (190 mm) sa do určitej miery zmiernil vplyv tepelného účinku kolimátora na výsledky merania. faktor pri 13,5 kW bol 1,92 a výsledky testu pri 20 kW sú znázornené na obr. 2(d). minimálna hodnota faktora bola 1,93, maximálna hodnota bola 2,05 a priemerná hodnota bola 1,99 pri 150 s. Faktor bol 1,99 pri 13,5 kW a priemerná hodnota bola 1,99 pri 20 kW.

Obrázok 2 Výstupný výkon lasera a výsledky testu
Vyhliadky do budúcnosti
Pretože neexistuje presná metóda prevodu medzi -faktorom a M2-faktorom, skutočnú hodnotu M2-faktora pri 20 kW v súčasnosti nemožno odvodiť z výsledkov testu -faktor. Avšak pri porovnaní 20 kW laseru realizovaného tímom v roku 2022 na základe 48/400 μm jednotného YDF (priemerná hodnota -faktora je 2,94 na základe rovnakého testovacieho systému), kvalita lúča sa výrazne zlepšila. Experimentálne výsledky potvrdzujú uskutočniteľnosť zúženého vlákna na zlepšenie kvality lúča. V následnej práci bude tím pokračovať v optimalizácii štrukturálnych parametrov TYDF a vláknového zariadenia, aby sa dosiahlo ďalšie zlepšenie výkonu a kvality lúča.