NUDT bereikt een laseropbrengst van 20 kW met een hoge laserstraal op basis van taps toelopende, met ytterbium gedoteerde glasvezel

Niet-lineaire effectonderdrukking en moduscontrole zijn de huidige technische uitdagingen voor de vermogensverbetering van krachtige ytterbium-gedoteerde fiberlasers (YDFL). Het vergroten van de YDF-kerndiameter is gunstig voor het verbeteren van de SRS-drempel, maar leidt tot moeilijkere moduscontrole van hogere orde en problemen bij het bereiken van een hoge bundelkwaliteit. Vergeleken met uniforme vezels met dubbele bekleding hebben taps toelopende vezels bepaalde voordelen bij het balanceren van SRS-onderdrukking en moduscontrole. Het deel met de kleine kerndiameter van de taps toelopende vezel kan het aantal kerngeleidingsmodi verminderen om effectieve moduscontrole te bereiken, terwijl het deel met de grote kerndiameter bevorderlijk is voor het verminderen van de kernvermogensdichtheid om de SRS-drempel te verbeteren.2022, de Nationale Universiteit van Defensie Technologie (NUDT) op basis van de uniforme dubbel beklede met ytterbium gedoteerde vezel heeft een laservermogen van 20 kW bereikt, met een straalkwaliteit M2-factor van 3.3.2023. Om de straalkwaliteit verder te verbeteren, voerde het team theoretische en praktische studies van de TYDF-laser, de TAPered Ytterbium-doped Fiber (TYDF) laser, theoretisch en experimenteel onderzoek.
Onderzoeksvooruitgang
Om de SRS-drempel te verbeteren, maakt de laser gebruik van een achterwaarts gepompte MOPA-structuur (master oscillator power amplification), zoals weergegeven in figuur 1. 1{{20}}80 nm zaadlicht wordt geïnjecteerd vanaf het kleine uiteinde van de TYDF opeenvolgend via de modusveldadapter (MFA), gekanteld rooster (CTFBG) en optisch bekledingsfilter (CPS 1). Pomplicht van 1018 nm wordt in het grote uiteinde van de TYDF geïnjecteerd via de achterwaartse (6 + 1) × 1 combiner beam (PSC) pomparm. geïnjecteerd in het grote uiteinde van de TYDF. Het versterkte signaallicht wordt uitgevoerd via het optische filter van de bekleding (CPS 2) en de vezeleindkap (QBH). De varkensstaart van CPS 1 is een dubbel beklede energieoverdrachtsvezel van 30/250 μm. De varkensstaarten van PSC, CPS 2 en QBH zijn allemaal dubbel beklede energieoverdrachtsvezels van 48/400 μm. De TYDF is onafhankelijk ontworpen en ontwikkeld door de National University of Defense Technology (NUDT). Nationale Universiteit van Defensie Technologie onafhankelijk ontwerp en ontwikkeling van de TYDF, zijn kleine kerndiametergebied van de kern / binnenbekledingsdiameter van 30/250 μm, grote kerndiametergebied van de kern / binnenbekledingsdiameter van 48/400 μm, kern numerieke opening van 0,066, bekledingsabsorptiecoëfficiënt van ongeveer 0,36 dB / m @ 1018 nm, TYDF optische vezel in het kleine kerndiametergebied, taps toelopend gebied, de lengte van het kerndiametergebied van de grote kerndiameter van 15 m, 30 m, 15 m . TYDF-vezellengte van het gebied met kleine kerndiameter, taps toelopend gebied, het gebied met grote kerndiameter, respectievelijk, TYDF wordt op de watergekoelde vezelplaat bevestigd door spiraalvormig oprollen, en de minimale oproldiameter is meer dan 25 cm.

Figuur 1 20 kW fiberlaserstructuurschema
De variatie van het laseruitgangsvermogen wordt getoond in figuur 2 (a). Het uitgangsvermogen van de zaadlaser van 200 W van 1080 nm na de versterker is 160 W. Wanneer het hoogste pompvermogen dat in de TYDF wordt geïnjecteerd 24,8 kW is, is het uitgangslaservermogen 20,2 kW, wat overeenkomt met de algehele hellingsefficiëntie van 80,8%. Het spectrum met het hoogste uitgangsvermogen wordt getoond in figuur 2 (b), waar de SRS-onderdrukkingsverhouding 33 dB is en er geen duidelijke Raman-lichtcomponent is. De M2-factor van de straalkwaliteit bij verschillende vermogens (gemeten met een Primes LQM 200 met een collimatorbrandpuntsafstand van 120 mm) wordt getoond in figuur 2(c). De M2-factor van 2,18 bij 13,5 kW is een significante verbetering vergeleken met de resultaten van de Team 2022-metingen op basis van een homogene vezel van 48/400 μm bij hetzelfde vermogen (M2=2.8).
Vanwege de kleine laservlek (de diameter van de invallende vlek van de LQM 200 moet kleiner zijn dan 15 mm), wordt bij de toename van het uitgangsvermogen het thermische effect van de collimatorlens sterker, wat resulteert in duidelijke onscherpe fase- en vlekaberratie , dus een nauwkeurige meting van M2 bij 20 kW uitgangsvermogen is voorlopig niet mogelijk. De straalkwaliteitsfactor werd ook getest in het experiment met behulp van een meetinstrument voor de straalkwaliteit (GYM-100), ontwikkeld door het Hefei Institute of Physical Sciences, Chinese Academy of Sciences, in overeenstemming met de "GJB 7367-2011 Methode voor het meten van de kwaliteitsfactor van hoogenergetische laserstralen". Door het gebruik van een grote spotcollimator met een lange brandpuntsafstand (190 mm) werd de invloed van het thermische effect van de collimator op de meetresultaten enigszins verzacht. de factor bij 13,5 kW was 1,92 en de testresultaten bij 20 kW worden getoond in figuur 2(d). de minimumwaarde van de factor was 1,93, de maximumwaarde was 2,05 en de gemiddelde waarde was 1,99 na 150 s. De factor was 1,99 bij 13,5 kW en de gemiddelde waarde was 1,99 bij 20 kW.

Figuur 2 Laseruitgangsvermogen en testresultaten
Toekomstige vooruitzichten
Omdat er geen precieze conversiemethode bestaat tussen -factor en M2-factor, kan de werkelijke waarde van M2-factor bij 20 kW voorlopig niet worden afgeleid uit de -factor testresultaten. Bij het vergelijken van de 20 kW-laser die het team in 2022 realiseerde op basis van 48/400 μm uniforme YDF (de gemiddelde waarde van -factor is 2,94 op basis van hetzelfde testsysteem), is de straalkwaliteit aanzienlijk verbeterd. De experimentele resultaten valideren de haalbaarheid van taps toelopende vezels om de bundelkwaliteit te verbeteren. In het vervolgwerk zal het team doorgaan met het optimaliseren van de structurele parameters van de TYDF en het glasvezelapparaat om een ​​verdere verbetering van het vermogen en de straalkwaliteit te bereiken.