NUDT raggiunge un'uscita laser di qualità ad alto raggio da 20 kW basata su fibra rastremata drogata con itterbio

La soppressione dell'effetto non lineare e il controllo della modalità sono le attuali sfide tecniche per il potenziamento della potenza del laser a fibra drogata con itterbio ad alta potenza (YDFL). L'aumento del diametro del nucleo YDF è utile per migliorare la soglia SRS, ma porta a un controllo della modalità di ordine superiore più difficile e a difficoltà nel raggiungere la qualità del fascio abbagliante. Rispetto alle fibre uniformi a doppio rivestimento, le fibre rastremate presentano alcuni vantaggi nel bilanciare la soppressione SRS e il controllo della modalità. La parte con diametro del nucleo piccolo della fibra affusolata può ridurre il numero di modalità di guida del nucleo per ottenere un controllo efficace della modalità, mentre la parte con diametro del nucleo grande favorisce la riduzione della densità di potenza del nucleo per migliorare la soglia SRS.2022, Università Nazionale della Difesa La tecnologia (NUDT) basata sulla fibra drogata con itterbio a doppio rivestimento uniforme ha raggiunto una potenza laser di 20 kW, con un fattore M2 di qualità del raggio di 3.3.2023 e, al fine di migliorare ulteriormente la qualità del raggio, il team ha effettuato studi teorici e studi pratici del laser TYDF, ricerca teorica e sperimentale sul laser TAPered in fibra drogata con itterbio (TYDF).
Progresso della ricerca
Per migliorare la soglia SRS, il laser adotta una struttura MOPA (master oscillator power amplification) pompata all'indietro, come mostrato in Fig. 1. 1{{20}}La luce seme da 80 nm viene iniettata dall'estremità piccola del TYDF in sequenza attraverso l'adattatore di campo modalità (MFA), il reticolo inclinato (CTFBG) e il filtro ottico di rivestimento (CPS 1). La luce della pompa da 1018 nm viene iniettata nell'estremità grande del TYDF attraverso il braccio di pompaggio arretrato (6 + 1) × 1 combiner beam (PSC). iniettato nell'estremità grande del TYDF. La luce del segnale amplificata viene emessa attraverso il filtro ottico di rivestimento (CPS 2) e il cappuccio terminale della fibra (QBH). Il codino di CPS 1 è una fibra a trasferimento di energia a doppio rivestimento da 30/250 μm. I codini di PSC, CPS 2 e Le QBH sono tutte fibre di trasferimento di energia a doppio rivestimento da 48/400 μm. La TYDF è progettata e sviluppata in modo indipendente dalla National University of Defense Technology (NUDT). Progettazione e sviluppo indipendenti dell'Università Nazionale della Tecnologia della Difesa del TYDF, regione con diametro del nucleo piccolo/diametro del rivestimento interno di 30/250 μm, regione con diametro del nucleo grande/diametro del rivestimento interno di 48/400 μm, apertura numerica del nucleo di 0,066, coefficiente di assorbimento del rivestimento di circa 0,36 dB / m a 1018 nm, fibra ottica TYDF nella regione del diametro del nucleo piccolo, area rastremata, la lunghezza della regione del diametro del nucleo del diametro del nucleo grande di 15 m, 30 m, 15 m . Lunghezza della fibra TYDF della regione con diametro del nucleo piccolo, area rastremata, regione del diametro del nucleo grande, rispettivamente, TYDF è fissato sulla piastra raffreddata ad acqua della fibra mediante avvolgimento a spirale e il diametro minimo di avvolgimento è superiore a 25 cm.

Figura 1 20 Diagramma schematico della struttura del laser a fibra kW
La variazione della potenza di uscita del laser è mostrata in Fig. 2 (a). La potenza di uscita del laser seed di 200 W da 1080 nm dopo l'amplificatore è di 160 W. Quando la potenza massima della pompa iniettata nel TYDF è di 24,8 kW, la potenza del laser di uscita è di 20,2 kW, che corrisponde all'efficienza complessiva della pendenza dell'80,8%. Lo spettro alla massima potenza di uscita è mostrato in Fig. 2 (b), dove il rapporto di soppressione SRS è di 33 dB e non vi è alcuna componente di luce Raman evidente. Il fattore M2 della qualità del raggio a diverse potenze (misurato con un Primes LQM 200 con una lunghezza focale del collimatore di 120 mm) è mostrato in Fig. 2 (c). Il fattore M2 di 2,18 a 13,5 kW rappresenta un miglioramento significativo rispetto ai risultati delle misurazioni Team 2022 basate su una fibra omogenea da 48/400 μm alla stessa potenza (M2=2.8).
A causa del piccolo spot laser (il diametro del punto incidente dell'LQM 200 deve essere inferiore a 15 mm), con l'aumento della potenza di uscita, l'effetto termico della lente del collimatore si intensifica, con conseguente evidente aberrazione di fase fuori fuoco e aberrazione del punto , quindi per il momento non è possibile misurare con precisione M2 con una potenza di uscita di 20 kW. Nell'esperimento è stato testato anche il fattore di qualità del raggio utilizzando uno strumento di misurazione della qualità del raggio (GYM-100) sviluppato dall'Istituto di scienze fisiche Hefei, Accademia cinese delle scienze, secondo il "Metodo GJB 7367-2011 per la misurazione del fattore di qualità dei raggi laser ad alta energia". Grazie all'utilizzo di un collimatore spot di grandi dimensioni con una lunga lunghezza focale (190 mm), l'influenza dell'effetto termico del collimatore sui risultati della misurazione è stata in una certa misura attenuata. il fattore a 13,5 kW era 1,92 e i risultati del test a 20 kW sono mostrati in Fig. 2 (d). il valore minimo del fattore era 1,93, il valore massimo era 2,05 e il valore medio era 1,99 a 150 s. Il fattore era 1,99 a 13,5 kW e il valore medio era 1,99 a 20 kW.

Figura 2 Potenza di uscita del laser e risultati dei test
Prospettive future
Poiché non esiste un metodo di conversione preciso tra -factor e M2-factor, per il momento non è possibile ricavare il valore reale di M2-factor a 20 kW dai risultati del test -factor. Tuttavia, confrontando il laser da 20 kW realizzato dal team nel 2022 sulla base di un YDF uniforme da 48/400 μm (il valore medio del fattore - è 2,94 basato sullo stesso sistema di test), la qualità del raggio è stata significativamente migliorata. I risultati sperimentali convalidano la fattibilità della fibra rastremata per migliorare la qualità del fascio. Nel lavoro successivo, il team continuerà a ottimizzare i parametri strutturali del TYDF e del dispositivo in fibra per ottenere un ulteriore miglioramento della potenza e della qualità del fascio.