Потужність волоконного лазера, легованого тулієм

В останні роки волоконні лазери, леговані тулієм, привертають все більше уваги завдяки своїм перевагам, таким як компактна структура, хороша якість променя та висока квантова ефективність. Серед них високопотужні безперервні леговані тулієм волоконні лазери мають важливе застосування в багатьох галузях, таких як медичне обслуговування, військова безпека, космічний зв’язок, виявлення забруднення повітря та обробка матеріалів. За останні майже 20 років високопотужні волоконні лазери безперервної дії, леговані тулієм, швидко розвивалися, і поточна максимальна вихідна потужність досягла кіловатного рівня. Далі розглянемо шляхи підвищення потужності та тенденції розвитку волоконних лазерів, легованих тулієм, з точки зору осциляторів і систем підсилення.

Джерелом накачування ранніх волоконних лазерів із легуванням тулієм зазвичай використовувався малопотужний 1064 нм YAG лазер або 790 нм лазер на барвнику. Через низьку потужність джерела накачування та обмежень процесу підготовки волокон із зворотним легуванням на той час вихідна потужність волоконних лазерів із легуванням тулієм була лише на рівні ват. Із запровадженням технології накачування з подвійною оболонкою та розвитком технології потужних напівпровідникових лазерів вихідна потужність волоконних лазерів із легуванням тулієм також постійно зростає.

У 1998 році Джексон та ін. з Університету Манчестера у Великій Британії використовував напівпровідниковий лазер 790 нм як джерело накачування та використовував технологію накачування оболонки для створення просторово структурованого безперервно регульованого волоконного лазера, легованого тулієм, з максимальною вихідною потужністю 5,4 Вт. У 2007 році тулій- був розроблений легований германатний волоконний лазер. Експериментальний пристрій показано на малюнку 1. У односторонньому режимі накачування була отримана безперервна вихідна потужність лазера 64 Вт при 1900 нм. Щоб отримати більш високу вихідну потужність, дослідники використовували подвійне накачування та використовували волокно підсилення довжиною 40 см, і, нарешті, отримали 1900 нм безперервну вихідну потужність 104 Вт.

У 2009 році Харбінський технологічний інститут розробив волоконний лазер, легований тулієм, із повністю волоконною структурою лінійного резонатора. Він складається з відбивної волоконної решітки Брегга та відбиття Френеля, утвореного торцевою поверхнею волокна, легованого тулієм, для формування резонансної порожнини. Він накачується LD 793 нм. У підсумку була отримана вихідна потужність 39,4 Вт. Крім того, вони також порівняли вихідну потужність і спектральні характеристики, отримані, коли FBG і дихроїчні дзеркала використовувалися як з’єднувачі з високим відбиттям відповідно, і виявили, що ефективність нахилу повністю волоконної структури була нижчою, а порогова потужність – вищою. Порівняно з просторовою структурою, повністю волоконна структура спочатку була обмежена продуктивністю оптоволоконного пристрою та якістю зрощування, і її переваги не були очевидними. З безперервним удосконаленням технології підготовки оптичних волоконних пристроїв і рівня зварювання повністю волоконні структури поступово демонструють величезні переваги.

У тому ж році високопотужний волоконний лазер на основі просторової структури використовував LD 793 нм для накачування волокна з легованим тулієм діаметром серцевини 25 мкм і числовою апертурою (NA) 0,08 і досяг одномодовий вихід лазера 300 Вт. Пізніше, з подібною структурою, великомодове польове волокно з діаметром серцевини 40 мкм і числовою апертурою 0,2 було використано для отримання 2040 нм багатомодового лазера на виході 885 Вт, що є максимальною вихідною потужністю, отриманою одним волоконним генератором, легованим тулієм.

У 2014 році Університет Цінхуа повідомив про високопотужний легований тулієм волоконний лазер із повністю волоконною структурою лінійного резонатора, що складається з волоконної решітки Брегга та волокна посилення довжиною 3 м. Як джерела накачки використовували сім ЛД з довжиною хвилі 790 нм з максимальною вихідною потужністю 70 Вт. Нарешті була отримана вихідна потужність 227 Вт. Того ж року Національний університет оборонних технологій використав два високопотужні волоконні лазери Рамана (RFL) з довжиною 1173 нм як джерела накачування для створення високоефективного волоконного лазера з вузькою шириною лінії, легованого тулієм, із суцільноволоконною структурою прямого резонатора, і нарешті досягла вихідної потужності 96 Вт. Це був перший зареєстрований волоконний лазер, легований тулієм, з довжиною хвилі накачки близько 1200 нм і вихідною потужністю порядку сотень ват. Це також забезпечило дуже багатообіцяюче рішення для накачування для збільшення вихідної потужності легованих тулієм волоконних лазерів.

У 2015 році Huazhong University of Science and Technology використав власноруч виготовлене кремнеземне волокно з подвійним покриттям, леговане тулієм, для створення волоконного лазера, легованого тулієм, із повністю волоконною структурою лінійного резонатора. Він використовував три потужних 793 нм LD для накачування та отримав вихідну потужність 121 Вт. Це перший випадок використання вітчизняного оптичного волокна, легованого тулієм, для отримання вихідної потужності в сотні ват на довжині хвилі 1915 нм. Крім того, експерименти показали, що збільшення внутрішнього діаметра оболонки посилюючого волокна може досягти кращого розсіювання тепла, що також дає ідеї щодо управління температурою та покращення потужності волоконних лазерів, легованих тулієм.