NUDT, Konik İtterbiyum Katkılı Fiber Tabanlı 20kW Yüksek Işın Kalitesinde Lazer Çıkışı Elde Ediyor

Doğrusal olmayan etki bastırma ve mod kontrolü, yüksek güçlü iterbiyum katkılı fiber lazerin (YDFL) gücünü artırmaya yönelik mevcut teknik zorluklardır. YDF çekirdek çapının arttırılması, SRS eşiğinin iyileştirilmesi açısından faydalıdır, ancak daha zor yüksek dereceli mod kontrolüne ve yüksek ışın kalitesine ulaşmada zorluğa yol açar. Düzgün çift kaplamalı fiberlerle karşılaştırıldığında konik fiberler, SRS bastırma ve mod kontrolünü dengelemede belirli avantajlara sahiptir. Konik fiberin küçük çekirdek çapı kısmı, etkili mod kontrolü elde etmek için çekirdek yönlendirme modlarının sayısını azaltabilirken, büyük çekirdek çapı kısmı, SRS eşiğini iyileştirmek için çekirdek güç yoğunluğunun azaltılmasına yardımcı olur.2022, Ulusal Savunma Üniversitesi Tekdüze çift kaplı iterbiyum katkılı fibere dayanan teknoloji (NUDT), 3.3.2023 ışın kalitesi M2 faktörüyle 20 kW'lık bir lazer çıkışı elde etti ve ışın kalitesini daha da iyileştirmek için ekip, teorik ve TYDF lazerin pratik çalışmaları, TAPered Ytterbium katkılı Fiber (TYDF) lazerin teorik ve deneysel araştırması.
Araştırma İlerlemesi
SRS eşiğini iyileştirmek için lazer, Şekil 1'de gösterildiği gibi geriye doğru pompalanan ana osilatör güç amplifikasyonu (MOPA) yapısını benimser. 1{{20}}80 nm tohum ışığı küçük uçtan enjekte edilir TYDF'nin mod alanı adaptörü (MFA), eğimli ızgara (CTFBG) ve kaplama optik filtresi (CPS 1) aracılığıyla sırayla. 1018 nm pompa ışığı, geri (6 + 1) × 1 birleştirici ışın (PSC) pompalama kolu aracılığıyla TYDF'nin geniş ucuna enjekte edilir. TYDF'nin geniş ucuna enjekte edildi. Güçlendirilmiş sinyal ışığı, kaplama optik filtresi (CPS 2) ve fiber uç kapağı (QBH) yoluyla çıkarılır. CPS 1'in pigtail'i, 30/250 μm çift kaplı enerji transfer fiberidir. PSC, CPS 2 ve fiber uç başlıklarının pigtailleri QBH'nin tamamı 48/400 μm çift kaplı enerji transfer fiberleridir. TYDF, Ulusal Savunma Teknolojisi Üniversitesi (NUDT) tarafından bağımsız olarak tasarlanıp geliştirilmiştir. Ulusal Savunma Teknolojisi Üniversitesi'nden bağımsız tasarım ve TYDF'nin geliştirilmesi, çekirdek / iç kaplamanın küçük çekirdek çapı bölgesi 30/250 μm, çekirdek / iç kaplamanın büyük çekirdek çapı bölgesi 48/400 μm, çekirdek sayısal açıklığı 0,066, kaplama emme katsayısı yaklaşık 0,36 dB/m @ 1018 nm, küçük çekirdek çapı bölgesinde TYDF optik fiber, konik alan, büyük çekirdek çapının çekirdek çapı bölgesinin uzunluğu 15 m, 30 m, 15 m . TYDF lif uzunluğu sırasıyla küçük çekirdek çapı bölgesi, konik alan, büyük çekirdek çapı bölgesi, TYDF fiber su soğutmalı plaka üzerine spiral sarma ile sabitlenir ve minimum sarma çapı 25 cm'den fazladır.

Şekil 1 20 kW fiber lazer yapısı şematik diyagramı
Lazer çıkış gücü değişimi Şekil 2(a)'da gösterilmektedir. Amplifikatörden sonra 1080 nm tohum lazerinin 200 W çıkış gücü 160 W'tır. TYDF'ye enjekte edilen en yüksek pompa gücü 24,8 kW olduğunda, çıkış lazer gücü 20,2 kW olur ve bu da %80,8'lik genel eğim verimliliğine karşılık gelir. En yüksek çıkış gücündeki spektrum Şekil 2(b)'de gösterilmektedir; burada SRS bastırma oranı 33 dB'dir ve belirgin bir Raman ışık bileşeni yoktur. Farklı güçlerdeki ışın kalitesinin M2 faktörü (120 mm kolimatör odak uzaklığına sahip Primes LQM 200 ile ölçülmüştür) Şekil 2(c)'de gösterilmektedir. 13,5 kW'ta 2,18 olan M2 faktörü, aynı güçte (M2=2,8) 48/400 μm homojen fiberi temel alan Team 2022 ölçümlerinin sonuçlarına kıyasla önemli bir gelişmedir.
Küçük lazer noktası nedeniyle (LQM 200 olay noktası çapının 15 mm'den az olması gerekir), çıkış gücünün artmasıyla birlikte kolimatör merceğinin termal etkisi yoğunlaşır, bu da belirgin odak dışı faz sapması ve nokta sapması ile sonuçlanır dolayısıyla 20 kW çıkış gücünde M2'nin doğru ölçümü şimdilik mümkün değildir. Işın kalitesi faktörü ayrıca Çin Bilimler Akademisi Hefei Fiziksel Bilimler Enstitüsü tarafından "GJB 7367-2011 Yöntemi'ne uygun olarak geliştirilen bir ışın kalitesi ölçüm cihazı (GYM-100) kullanılarak deneyde test edildi. Yüksek Enerjili Lazer Işınlarının Kalite Faktörünün Ölçülmesi İçin". Uzun odak uzaklığına (190 mm) sahip büyük bir nokta kolimatörün kullanılması nedeniyle, kolimatörün termal etkisinin ölçüm sonuçları üzerindeki etkisi bir dereceye kadar hafifletilmiştir. 13,5 kW'taki faktör 1,92'dir ve 20 kW'taki test sonuçları Şekil 2(d)'de gösterilmektedir. 150 saniyede faktörün minimum değeri 1,93, maksimum değeri 2,05, ortalama değeri ise 1,99 idi. Faktör 13,5 kW'ta 1,99'du ve ortalama değer 20 kW'ta 1,99'du.

Şekil 2 Lazer çıkış gücü ve test sonuçları
Gelecek görünüşü
-faktör ile M2-faktörü arasında kesin bir dönüştürme yöntemi olmadığından, M2-faktörünün 20 kW'taki gerçek değeri şimdilik -faktör test sonuçlarından elde edilememektedir. Bununla birlikte, ekip tarafından 2022'de 48/400 μm tekdüze YDF'ye dayalı olarak gerçekleştirilen 20 kW'lık lazerle karşılaştırıldığında (aynı test sistemine göre -faktörün ortalama değeri 2,94'tür), ışın kalitesi önemli ölçüde iyileştirildi. Deneysel sonuçlar, ışın kalitesini iyileştirmek için konik fiberin fizibilitesini doğrulamaktadır. Takip çalışmasında ekip, güç ve ışın kalitesinde daha fazla iyileşme sağlamak için TYDF ve fiber cihazın yapısal parametrelerini optimize etmeye devam edecek.