NUDT postiže 20kW laserski izlaz visokog snopa na bazi konusnog vlakna dopiranog iterbijem

Supresija nelinearnog efekta i kontrola moda su trenutni tehnički izazovi za povećanje snage lasera sa vlaknima dopiranog iterbijem (YDFL) velike snage. Povećanje prečnika YDF jezgre je korisno za poboljšanje SRS praga, ali dovodi do teže kontrole režima višeg reda i poteškoća u postizanju visokog kvaliteta zraka. U poređenju sa ujednačenim vlaknima sa dvostrukim omotačem, konusna vlakna imaju određene prednosti u balansiranju SRS potiskivanja i kontrole režima. Mali dio prečnika jezgre konusnog vlakna može smanjiti broj načina vođenja jezgre kako bi se postigla efikasna kontrola načina rada, dok dio s velikim prečnikom jezgre pogoduje smanjenju gustine snage jezgre kako bi se poboljšao SRS prag.2022, Nacionalni univerzitet odbrane Tehnologija (NUDT) zasnovana na jednoobraznom dvostruko obloženom vlaknu dopiranom iterbijem postigla je laserski izlaz od 20 kW, sa faktorom kvaliteta snopa M2 od 3.3.2023, a u cilju daljeg poboljšanja kvaliteta zraka, tim je izvršio teoretsku i praktične studije TYDF lasera, TApered Ytterbium-doped Fiber (TYDF) laser teorijska i eksperimentalna istraživanja.
Research Progress
Da bi poboljšao SRS prag, laser usvaja strukturu pojačanja snage glavnog oscilatora (MOPA) sa povratnom pumpom, kao što je prikazano na slici 1. 1{{20}}80 nm seme svjetlosti se ubrizgava sa malog kraja TYDF-a uzastopno kroz adapter za modus polja (MFA), nagnutu rešetku (CTFBG) i optički filter za oblaganje (CPS 1). Svjetlost pumpe od 1018 nm se ubrizgava u veliki kraj TYDF-a kroz ruku za pumpanje unazad (6 + 1) × 1 kombinovani snop (PSC). ubrizgan u veliki kraj TYDF-a. Pojačano signalno svjetlo izlazi kroz optički filtar (CPS 2) i završni poklopac vlakna (QBH). Pigtail CPS 1 je 30/250 μm dvostruko obloženo vlakno za prijenos energije. Pigtailovi PSC, CPS 2 i QBH su sva 48/400 μm dvostruko obložena vlakna za prijenos energije. TYDF je samostalno dizajnirao i razvio Nacionalni univerzitet za odbrambenu tehnologiju (NUDT). Nacionalni univerzitet odbrambene tehnologije nezavisni dizajn i razvoj TYDF-a, njegov mali prečnik jezgra, prečnik jezgre/prečnik unutrašnjeg omotača od 30/250 μm, veliki deo prečnika jezgra jezgra/prečnik unutrašnjeg omotača 48/400 μm, numerički otvor jezgra od 0,066, koeficijent apsorpcije omotača od oko 0,36 dB/m pri 1018 nm, TYDF optičko vlakno u području malog prečnika jezgre, konusno područje, dužina područja prečnika jezgre velikog prečnika jezgre 15 m, 30 m, 15 m . Dužina TYDF vlakana u području malog promjera jezgre, suženog područja, područja velikog promjera jezgre, respektivno, TYDF je fiksiran na ploču s vodom hlađenom vlaknom spiralnim namotavanjem, a minimalni promjer namotavanja je veći od 25 cm.

Slika 1 20 Šematski dijagram strukture laserskog lasera s vlaknima
Varijacija izlazne snage lasera ​​je prikazana na slici 2(a). Izlazna snaga 200 W od 1080 nm seed lasera nakon pojačala je 160 W. Kada je najveća snaga pumpe ubrizgana u TYDF 24,8 kW, izlazna snaga lasera je 20,2 kW, što odgovara ukupnoj efikasnosti nagiba od 80,8 %. Spektar pri najvećoj izlaznoj snazi ​​prikazan je na slici 2(b), gdje je omjer supresije SRS 33 dB i nema očigledne komponente Raman svjetlosti. M2 faktor kvaliteta zraka pri različitim snagama (mjeren Primes LQM 200 sa žižnom daljinom kolimatora od 120 mm) prikazan je na Sl. 2(c). M2 faktor od 2,18 pri 13,5 kW je značajno poboljšanje u poređenju sa rezultatima mjerenja Team 2022 na osnovu homogenog vlakna 48/400 μm pri istoj snazi ​​(M2=2.8).
Zbog male laserske mrlje (LQM 200 prečnik upadne tačke treba da bude manji od 15 mm), sa povećanjem izlazne snage, pojačava se termalni efekat kolimatorskog sočiva, što dovodi do očigledne aberacije faze van fokusa i aberacije tačke , tako da precizno mjerenje M2 pri izlaznoj snazi ​​od 20 kW za sada nije moguće. Faktor kvaliteta zraka je također testiran u eksperimentu korištenjem instrumenta za mjerenje kvaliteta zraka (GYM-100) koji je razvio Hefei Institute of Physical Sciences, Kineska akademija nauka, u skladu sa "GJB 7367-2011 metodom za mjerenje faktora kvalitete visokoenergetskih laserskih zraka". Zbog upotrebe velikog spotnog kolimatora sa velikom žižnom daljinom (190 mm), uticaj toplotnog efekta kolimatora na rezultate merenja je u izvesnoj meri ublažen. faktor pri 13,5 kW bio je 1,92, a rezultati ispitivanja pri 20 kW prikazani su na slici 2(d). minimalna vrijednost faktora bila je 1,93, maksimalna vrijednost 2,05, a prosječna vrijednost 1,99 na 150 s. Faktor je bio 1,99 na 13,5 kW, a prosječna vrijednost 1,99 na 20 kW.

Slika 2 Izlazna snaga lasera i rezultati ispitivanja
Budući izgledi
Budući da ne postoji precizna metoda konverzije između -faktora i M2-faktora, stvarna vrijednost M2-faktora na 20 kW za sada se ne može izvesti iz rezultata testa -faktora. Međutim, upoređujući laser od 20 kW koji je tim realizovao 2022. godine na osnovu uniformnog YDF od 48/400 μm (prosječna vrijednost -faktora je 2,94 na osnovu istog testnog sistema), kvalitet zraka je značajno poboljšan. Eksperimentalni rezultati potvrđuju izvodljivost konusnih vlakana za poboljšanje kvalitete zraka. U nastavku rada, tim će nastaviti da optimizuje strukturne parametre TYDF i fiber uređaja kako bi se postiglo dalje poboljšanje snage i kvaliteta zraka.