NUDT добился высокого качества лазерного луча мощностью 20 кВт на основе конического волокна, легированного иттербием

Подавление нелинейных эффектов и управление модами являются текущими техническими проблемами повышения мощности мощного волоконного лазера, легированного иттербием (YDFL). Увеличение диаметра сердцевины YDF полезно для улучшения порога SRS, но приводит к усложнению управления модами более высокого порядка и трудностям в достижении высокого качества луча. По сравнению с волокнами с однородной двойной оболочкой, конические волокна имеют определенные преимущества в балансировании подавления SRS и управления модами. Часть сердцевины конического волокна с малым диаметром может уменьшить количество режимов направления сердцевины для достижения эффективного управления модами, в то время как часть сердцевины с большим диаметром способствует снижению плотности мощности сердцевины для улучшения порога SRS. 2022, Национальный университет обороны. Технология (NUDT), основанная на однородном иттербиевом волокне с двойной оболочкой, позволила достичь мощности лазера 20 кВт с коэффициентом качества луча M2 3,3,2023, а для дальнейшего улучшения качества луча команда провела теоретические и практические исследования лазера TYDF, теоретические и экспериментальные исследования лазера TAPered с иттербиевым волокном (TYDF).
Прогресс исследований
Чтобы улучшить порог ВКР, в лазере используется структура усиления мощности задающего генератора с обратной накачкой (MOPA), как показано на рис. 1. 1{{20}}Затравочный свет 80 нм вводится с малого конца TYDF последовательно через адаптер модового поля (MFA), наклонную решетку (CTFBG) и оболочный оптический фильтр (CPS 1). Свет накачки 1018 нм вводится в большой конец TYDF через обратное (6 + 1) × 1 плечо накачки комбинированного луча (PSC). впрыскивается в большую часть TYDF. Усиленный световой сигнал выводится через оболочный оптический фильтр (CPS 2) и торцевую заглушку волокна (QBH). Пигтейл CPS 1 представляет собой волокно для передачи энергии с двойной оболочкой 30/250 мкм. Пигтейлы PSC, CPS 2 и QBH — это волокна для передачи энергии с двойной оболочкой толщиной 48/400 мкм. TYDF спроектирован и разработан независимо Национальным университетом оборонных технологий (NUDT). Национальный университет оборонных технологий, независимое проектирование и разработка TYDF, область малого диаметра сердечника/диаметр внутренней оболочки 30/250 мкм, область большого диаметра сердечника/диаметр внутренней оболочки 48/400 мкм, числовая апертура сердечника 0,066, коэффициент поглощения оболочки около 0,36 дБ/м при 1018 нм, оптическое волокно TYDF в области малого диаметра сердечника, коническая область, длина области диаметра сердечника большого диаметра сердечника 15 м, 30 м, 15 м . Длина волокна TYDF в области малого диаметра сердечника, конической области, области большого диаметра сердечника, соответственно, TYDF фиксируется на пластине с водяным охлаждением волокна путем спиральной намотки, а минимальный диаметр намотки составляет более 25 см.

Рисунок 1 20 Принципиальная схема структуры волоконного лазера кВт
Изменение выходной мощности лазера показано на рис. 2(а). Выходная мощность затравочного лазера мощностью 200 Вт с длиной волны 1080 нм после усилителя составляет 160 Вт. Когда максимальная мощность накачки, вводимая в TYDF, составляет 24,8 кВт, выходная мощность лазера составляет 20,2 кВт, что соответствует общей эффективности наклона 80,8%. Спектр при максимальной выходной мощности показан на рис. 2(б), где коэффициент подавления ВКР составляет 33 дБ и нет явной рамановской составляющей света. Коэффициент качества пучка М2 при различных мощностях (измеренный с помощью Primes LQM 200 с фокусным расстоянием коллиматора 120 мм) показан на рис. 2(в). Коэффициент M2, равный 2,18 при 13,5 кВт, является значительным улучшением по сравнению с результатами измерений Team 2022, основанных на однородном волокне 48/400 мкм при той же мощности (M2=2.8).
Из-за небольшого размера лазерного пятна (диаметр падающего пятна LQM 200 должен быть менее 15 мм) с увеличением выходной мощности тепловой эффект коллиматорной линзы усиливается, что приводит к очевидной фазовой аберрации вне фокуса и точечной аберрации. , поэтому точное измерение M2 при выходной мощности 20 кВт в настоящее время невозможно. Добротность луча также проверялась в эксперименте с использованием прибора для измерения качества луча (GYM-100), разработанного Хэфэйским институтом физических наук Китайской академии наук, в соответствии с «методом GJB 7367-2011». для измерения добротности лазерных лучей высокой энергии». За счет использования коллиматора большого пятна с большим фокусным расстоянием (190 мм) влияние теплового воздействия коллиматора на результаты измерений было в определенной степени смягчено. коэффициент при 13,5 кВт составил 1,92, а результаты испытаний при 20 кВт показаны на рис. 2(г). минимальное значение коэффициента составило 1,93, максимальное значение — 2,05, среднее значение — 1,99 за 150 с. Коэффициент составил 1,99 при 13,5 кВт, а среднее значение - 1,99 при 20 кВт.

Рис. 2. Выходная мощность лазера и результаты испытаний.
Будущие перспективы
Поскольку не существует точного метода преобразования коэффициента -фактора в коэффициент М2-, реальное значение коэффициента М2- при мощности 20 кВт на данный момент невозможно определить по результатам испытаний на коэффициент -фактора. Однако по сравнению с лазером мощностью 20 кВт, реализованным командой в 2022 году на основе однородного YDF 48/400 мкм (среднее значение -фактора составляет 2,94 на основе той же испытательной системы), качество луча значительно улучшилось. Результаты экспериментов подтверждают возможность использования конического волокна для улучшения качества луча. В ходе последующей работы команда продолжит оптимизировать структурные параметры TYDF и оптоволоконного устройства для дальнейшего улучшения мощности и качества луча.