NUDT uppnår 20 kW lasereffekt med hög strålkvalitet baserad på konisk Ytterbium-dopad fiber

Icke-linjär effektundertryckning och lägeskontroll är de nuvarande tekniska utmaningarna för effektförbättring av ytterbiumdopad fiberlaser med hög effekt (YDFL). Att öka YDF-kärndiametern är fördelaktigt för att förbättra SRS-tröskeln, men leder till svårare kontroll av högre ordningsläge och svårigheter att uppnå hög strålkvalitet. Jämfört med enhetliga dubbelklädda fibrer har avsmalnande fibrer vissa fördelar när det gäller att balansera SRS-undertryckning och lägeskontroll. Den avsmalnande fiberns del med liten kärndiameter kan minska antalet styrningslägen för kärnan för att uppnå effektiv lägeskontroll, medan delen med stor kärndiameter bidrar till att minska kärnkrafttätheten för att förbättra SRS-tröskeln.2022, National University of Defense Teknik (NUDT) baserad på den enhetliga dubbelklädda ytterbiumdopade fibern har uppnått en lasereffekt på 20 kW, med en strålkvalitet M2-faktor på 3.3.2023, och för att ytterligare förbättra strålkvaliteten genomförde teamet teoretiska och praktiska studier av TYDF-lasern, TAPered Ytterbium-doped Fiber (TYDF) laser teoretisk och experimentell forskning.
Forskningsframsteg
För att förbättra SRS-tröskeln använder lasern en bakåtpumpad masteroscillatoreffektförstärkningsstruktur (MOPA), som visas i fig. 1. 1{{20}}80 nm fröljus injiceras från den lilla änden av TYDF sekventiellt genom lägesfältadaptern (MFA), tilted gitter (CTFBG) och beklädnadsoptiskt filter (CPS 1). 1018 nm pumpljus injiceras i den stora änden av TYDF genom den bakåtriktade (6 + 1) × 1 kombinerarstråle (PSC) pumparmen. injiceras i den stora änden av TYDF. Det förstärkta signalljuset matas ut genom det optiska kapslingsfiltret (CPS 2) och fiberändlocket (QBH). Flätan på CPS 1 är en 30/250 μm dubbelklädd energiöverföringsfiber. Flätarna i PSC, CPS 2 och QBH är alla 48/400 μm dubbelklädda energiöverföringsfibrer. TYDF är designad och utvecklad oberoende av National University of Defense Technology (NUDT). National University of Defense Technology oberoende design och utveckling av TYDF dess liten kärna diameter region av kärnan / inre beklädnad diameter på 30/250 μm, stor kärna diameter område av kärnan / inre beklädnad diameter på 48/400 μm, kärna numerisk öppning på 0,066, beklädnadsabsorptionskoefficient på cirka 0,36 dB/m @ 1018 nm, TYDF optisk fiber i området med liten kärndiameter, avsmalnande yta, längden på kärndiameterområdet för den stora kärndiametern på 15 m, 30 m, 15 m . TYDF-fiberlängden för området med liten kärndiameter, avsmalnande område, området med stor kärndiameter, respektive, TYDF är fixerad på den vattenkylda fiberplattan genom spirallindning, och den minsta lindningsdiametern är mer än 25 cm.

Figur 1 20 kW fiberlaserstruktur schematiskt diagram
Variationen i laserns uteffekt visas i fig. 2(a). 200 W av 1080 nm frölaseruteffekt efter förstärkare är 160 W. När den högsta pumpeffekten som injiceras i TYDF är 24,8 kW, är den utgående lasereffekten 20,2 kW, vilket motsvarar den totala lutningseffektiviteten på 80,8 %. Spektrum vid den högsta uteffekten visas i Fig. 2(b), där SRS-undertryckningsförhållandet är 33 dB och det inte finns någon tydlig Raman-ljuskomponent. M2-faktorn för strålkvaliteten vid olika effekter (mätt med en Primes LQM 200 med en kollimatorbrännvidd på 120 mm) visas i fig. 2(c). M2-faktorn på 2,18 vid 13,5 kW är en signifikant förbättring jämfört med resultaten från Team 2022-mätningarna baserade på en 48/400 μm homogen fiber vid samma effekt (M2=2.8).
På grund av den lilla laserfläcken (LQM 200 infallspunktens diameter måste vara mindre än 15 mm), med ökningen av uteffekten, förstärks den termiska effekten av kollimatorlinsen, vilket resulterar i uppenbar ofokuserad fasaberration och punktaberration , så noggrann mätning av M2 vid 20 kW uteffekt är inte möjlig för närvarande. Strålkvalitetsfaktorn testades också i experimentet med hjälp av ett strålkvalitetsmätinstrument (GYM-100) utvecklat av Hefei Institute of Physical Sciences, Chinese Academy of Sciences, i enlighet med "GJB 7367-2011-metoden för mätning av kvalitetsfaktor för högenergilaserstrålar". På grund av användningen av en stor punktkollimator med lång brännvidd (190 mm) lindrades påverkan av kollimatorns termiska effekt på mätresultaten i viss utsträckning. faktorn vid 13,5 kW var 1,92, och testresultaten vid 20 kW visas i fig. 2(d). det lägsta värdet på faktorn var 1,93, det maximala värdet var 2,05 och medelvärdet var 1,99 vid 150 s. Faktorn var 1,99 vid 13,5 kW, och medelvärdet var 1,99 vid 20 kW.

Figur 2 Laserutgångseffekt och testresultat
Framtida prospekt
Eftersom det inte finns någon exakt omvandlingsmetod mellan -faktor och M2-faktor, kan det verkliga värdet av M2-faktor vid 20 kW inte härledas från -faktortestresultaten för närvarande. Men om man jämför 20 kW-lasern som realiserades av teamet 2022 baserat på 48/400 μm enhetlig YDF (medelvärdet för -faktor är 2,94 baserat på samma testsystem), har strålkvaliteten förbättrats avsevärt. De experimentella resultaten validerar genomförbarheten av avsmalnande fiber för att förbättra strålkvaliteten. I uppföljningsarbetet kommer teamet att fortsätta att optimera de strukturella parametrarna för TYDF- och fiberanordningen för att uppnå ytterligare förbättring av effekt och strålkvalitet.