Putere laser cu fibră dopată cu tuliu

În ultimii ani, laserele cu fibre dopate cu tuliu au atras din ce în ce mai multă atenție datorită avantajelor lor, cum ar fi structura compactă, calitatea bună a fasciculului și eficiența cuantică ridicată. Printre acestea, laserele cu fibră dopată cu tuiu continuu de mare putere au aplicații importante în multe domenii, cum ar fi îngrijirea medicală, securitatea militară, comunicațiile spațiale, detectarea poluării aerului și prelucrarea materialelor. În ultimii aproape 20 de ani, laserele cu fibră dopată cu tuiu continuu de mare putere s-au dezvoltat rapid, iar puterea maximă de ieșire actuală a atins nivelul de kilowați. În continuare, să aruncăm o privire la calea de îmbunătățire a puterii și tendințele de dezvoltare ale laserelor cu fibră dopate cu tuliu din punct de vedere al oscilatorilor și sistemelor de amplificare.

Sursa de pompă a laserelor cu fibră dopate cu tuliu timpuriu folosea în general laser YAG de 1064 nm de putere redusă sau laser colorant de 790 nm. Datorită puterii scăzute a sursei pompei și limitărilor procesului de pregătire a fibrelor dopate înapoi la acea vreme, puterea de ieșire a laserelor cu fibre dopate cu tuliu era doar la nivelul wați. Odată cu introducerea tehnologiei pompei cu dublă placare și creșterea maturității tehnologiei laser cu semiconductor de mare putere, puterea de ieșire a laserelor cu fibră dopate cu tuliu crește, de asemenea, constant.

În 1998, Jackson et al. de la Universitatea din Manchester din Marea Britanie a folosit un laser semiconductor de 790 nm ca sursă de pompă și a folosit tehnologia de pompare a placajului pentru a construi un laser cu fibră dopată cu tuiu, reglabil continuu, structurat spațial, cu o putere maximă de ieșire de 5,4 W. În 2007, un a fost dezvoltat laserul cu fibră germanat dopat. Dispozitivul experimental este prezentat în Figura 1. În modul de pompare cu un singur capăt, a fost obținută o ieșire laser continuă de 64 W la 1900 nm. Pentru a obține o putere de ieșire mai mare, cercetătorii au folosit pompare dublu și au folosit o fibră cu câștig de 40 cm lungime și, în final, au obținut o ieșire laser continuă de 1900 nm de 104 W.

În 2009, Institutul de Tehnologie Harbin a dezvoltat un laser cu fibră dopată cu tuliu cu o structură de cavitate liniară din toate fibrele. Este alcătuit dintr-o rețea Bragg cu fibre reflectorizante și reflexia Fresnel formată de fața de capăt al fibrei dopate cu tuliu pentru a forma o cavitate rezonantă. Este pompat de 793 nm LD. În final, s-a obținut o putere de ieșire de 39,4 W. În plus, ei au comparat, de asemenea, puterea de ieșire și caracteristicile spectrale obținute atunci când FBG și oglinzile dicroice au fost utilizate ca cuple de înaltă reflexie și au descoperit că eficiența pantei structurii integrale a fibrelor a fost mai mică și puterea de prag a fost mai mare. În comparație cu structura spațială, structura integrală a fibrelor a fost inițial limitată de performanța dispozitivului cu fibră optică și de calitatea îmbinării, iar avantajele sale nu au fost evidente. Odată cu îmbunătățirea continuă a tehnologiei de pregătire a dispozitivelor cu fibră optică și a nivelului de îmbinare, structurile din fibre au arătat treptat avantaje uriașe.

În același an, un laser cu fibră dopată cu tuliu de mare putere bazat pe o structură spațială a folosit un LD de 793 nm pentru a pompa o fibră dopată cu tuiu cu un diametru al miezului de 25 μm și o deschidere numerică (NA) de 0,08 și a obținut o ieșire laser monomod de 300 W. Ulterior, cu o structură similară, a fost utilizată o fibră de câmp cu mod mare cu un diametru de miez de 40 μm și o deschidere numerică de 0,2 pentru a obține o ieșire laser multimod de 2040 nm de 885 W, care este puterea maximă de ieșire obținută de un singur oscilator cu fibră dopată cu tuliu.

În 2014, Universitatea Tsinghua a raportat un laser cu fibră dopată cu tuliu de mare putere, cu o structură de cavitate liniară din toate fibrele, constând dintr-o rețea Bragg de fibre și o fibră de câștig de 3 m lungime. Șapte LD-uri de 790 nm cu o putere maximă de ieșire de 70 W au fost utilizate ca surse de pompă. În final, s-a obținut o putere de ieșire de 227 W. În același an, Universitatea Națională de Tehnologie de Apărare a folosit două lasere cu fibră Raman (RFL) de mare putere de 1173 nm ca surse de pompă pentru a construi un laser cu fibră dopată cu tuiu, cu lățime de linie îngustă, de înaltă eficiență, cu o structură cu cavitate dreaptă din fibre și a atins în final o putere de 96 W. putere. Acesta a fost primul laser cu fibră dopat cu tuliu raportat, cu o lungime de undă a pompei de aproape 1200 nm și o putere de ieșire de ordinul a sute de wați. De asemenea, a oferit o soluție de pompare foarte promițătoare pentru creșterea puterii de ieșire a laserelor cu fibră dopate cu tuliu.

În 2015, Universitatea de Știință și Tehnologie Huazhong a folosit fibră de silice cu dublă înveliș dopată cu tuiu pentru a construi un laser cu fibră dopată cu tuliu cu o structură de cavitate liniară din toate fibrele. A folosit trei LD-uri de mare putere de 793 nm pentru pompare și a obținut o putere de ieșire de 121 W. Aceasta este prima dată când se folosește fibră optică dopată cu tuiu pentru a obține o putere de ieșire de sute de wați la o lungime de undă de 1915 nm. În plus, experimentele au descoperit că creșterea diametrului de placare interioară a fibrei de câștig poate obține o mai bună disipare a căldurii, ceea ce oferă, de asemenea, idei pentru managementul termic și îmbunătățirea puterii laserelor cu fibră dopate cu tuliu.