NUDT oppnår 20 kW høystrålekvalitets lasereffekt basert på konisk Ytterbium-dopet fiber

Ikke-lineær effektundertrykkelse og moduskontroll er de aktuelle tekniske utfordringene for kraftforbedring av ytterbium-dopet fiberlaser med høy effekt (YDFL). Å øke YDF-kjernediameteren er fordelaktig for å forbedre SRS-terskelen, men fører til vanskeligere moduskontroll av høyere orden og vanskeligheter med å oppnå høy strålekvalitet. Sammenlignet med ensartede dobbeltkledningsfibre har koniske fibre visse fordeler ved å balansere SRS-undertrykkelse og moduskontroll. Den lille kjernediameterdelen av den koniske fiberen kan redusere antall kjerneføringsmoduser for å oppnå effektiv moduskontroll, mens delen med stor kjernediameter bidrar til å redusere kjernekrafttettheten for å forbedre SRS-terskelen.2022, National University of Defense Teknologi (NUDT) basert på den ensartede dobbeltkledde ytterbium-dopete fiberen har oppnådd en lasereffekt på 20 kW, med en strålekvalitet M2-faktor på 3.3.2023, og for å forbedre strålekvaliteten ytterligere, gjennomførte teamet teoretisk og praktiske studier av TYDF-laseren, TAPered Ytterbium-dopet Fiber (TYDF) laser teoretisk og eksperimentell forskning.
Forskningsfremgang
For å forbedre SRS-terskelen tar laseren i bruk en bakoverpumpet masteroscillatoreffektforsterkningsstruktur (MOPA), som vist i fig. 1. 1{{20}}80 nm frølys injiseres fra den lille enden av TYDF sekvensielt gjennom modusfeltadapteren (MFA), skrågitter (CTFBG) og optisk kledningsfilter (CPS 1). 1018 nm pumpelys injiseres inn i den store enden av TYDF gjennom den bakover (6 + 1) × 1 kombinererstråle (PSC) pumpearmen. injisert i den store enden av TYDF. Det forsterkede signallyset sendes ut gjennom det optiske kledningsfilteret (CPS 2) og fiberendekappen (QBH). Pigtailen til CPS 1 er en 30/250 μm dobbeltkledd energioverføringsfiber. Pigtailene til PSC, CPS 2 og QBH er alle 48/400 μm dobbeltkledde energioverføringsfibre. TYDF er designet og utviklet uavhengig av National University of Defense Technology (NUDT). National University of Defense Technology uavhengig design og utvikling av TYDF sin lille kjernediameter region av kjernen / indre kledning diameter på 30/250 μm, stor kjernediameter region av kjernen / indre kledning diameter på 48/400 μm, kjerne numerisk åpning på 0,066, kledningsabsorpsjonskoeffisient på ca. 0,36 dB/m @ 1018 nm, TYDF optisk fiber i området med liten kjernediameter, avsmalnende område, lengden på kjernediameterområdet til den store kjernediameteren på 15 m, 30 m, 15 m . TYDF-fiberlengden på området med liten kjernediameter, avsmalnende område, henholdsvis området med stor kjernediameter, TYDF er festet på den vannkjølte fiberplaten ved spiralvikling, og minimum kveildiameter er mer enn 25 cm.

Figur 1 20 kW fiberlaserstruktur skjematisk diagram
Laserutgangseffektvariasjonen er vist i fig. 2(a). 200 W av 1080 nm frølaserutgangseffekt etter forsterker er 160 W. Når den høyeste pumpeeffekten injisert i TYDF er 24,8 kW, er utgangslasereffekten 20,2 kW, som tilsvarer den totale helningseffektiviteten på 80,8 %. Spekteret ved den høyeste utgangseffekten er vist i fig. 2(b), hvor SRS-undertrykkelsesforholdet er 33 dB og det ikke er noen åpenbar Raman-lyskomponent. M2-faktoren til strålekvaliteten ved forskjellige styrker (målt med en Primes LQM 200 med en kollimator brennvidde på 120 mm) er vist i fig. 2(c). M2-faktoren på 2,18 ved 13,5 kW er en betydelig forbedring sammenlignet med resultatene fra Team 2022-målingene basert på en 48/400 μm homogen fiber med samme effekt (M2=2.8).
På grunn av den lille laserflekken (LQM 200 innfallende punktdiameter må være mindre enn 15 mm), med økningen av utgangseffekten, forsterkes den termiske effekten av kollimatorlinsen, noe som resulterer i åpenbar ufokusert faseavvik og punktaberrasjon , så nøyaktig måling av M2 ved 20 kW utgangseffekt er foreløpig ikke mulig. Strålekvalitetsfaktoren ble også testet i eksperimentet ved bruk av et strålekvalitetsmåleinstrument (GYM-100) utviklet av Hefei Institute of Physical Sciences, Chinese Academy of Sciences, i samsvar med «GJB 7367-2011-metoden for måling av kvalitetsfaktor for høyenergilaserstråler". På grunn av bruk av en stor punktkollimator med lang brennvidde (190 mm), ble påvirkningen av kollimatorens termiske effekt på måleresultatene lindret til en viss grad. faktoren ved 13,5 kW var 1,92, og testresultatene ved 20 kW er vist i fig. 2(d). minimumsverdien av faktoren var 1,93, maksimumsverdien var 2,05, og gjennomsnittsverdien var 1,99 ved 150 s. Faktoren var 1,99 ved 13,5 kW, og snittverdien var 1,99 ved 20 kW.

Figur 2 Laserutgangseffekt og testresultater
Framtidige mål
Fordi det ikke er noen presis konverteringsmetode mellom -faktor og M2-faktor, kan den virkelige verdien av M2-faktor ved 20 kW ikke utledes fra -faktor-testresultatene foreløpig. Ved å sammenligne 20 kW laseren realisert av teamet i 2022 basert på 48/400 μm ensartet YDF (gjennomsnittsverdien av -faktor er 2,94 basert på samme testsystem), har strålekvaliteten blitt betydelig forbedret. De eksperimentelle resultatene validerer gjennomførbarheten av konisk fiber for å forbedre strålekvaliteten. I oppfølgingsarbeidet vil teamet fortsette å optimalisere de strukturelle parametrene til TYDF og fiberenheten for å oppnå ytterligere forbedring i kraft og strålekvalitet.