NUDT Mencapai Output Laser Kualitas Sinar Tinggi 20kW Berdasarkan Serat Doping Ytterbium Meruncing

Penekanan efek nonlinier dan kontrol mode adalah tantangan teknis saat ini untuk peningkatan daya laser serat doped ytterbium (YDFL) berdaya tinggi. Meningkatkan diameter inti YDF bermanfaat untuk meningkatkan ambang SRS, namun menyebabkan kontrol mode tingkat tinggi lebih sulit dan kesulitan dalam mencapai kualitas sinar tinggi. Dibandingkan dengan serat kelongsong ganda yang seragam, serat tirus memiliki keunggulan tertentu dalam menyeimbangkan penekanan SRS dan kontrol mode. Bagian diameter inti yang kecil dari serat runcing dapat mengurangi jumlah mode pemandu inti untuk mencapai kontrol mode yang efektif, sedangkan bagian diameter inti yang besar kondusif untuk mengurangi kepadatan daya inti guna meningkatkan ambang batas SRS.2022, Universitas Pertahanan Nasional Teknologi (NUDT) berdasarkan serat doped ytterbium berlapis ganda yang seragam telah mencapai keluaran laser sebesar 20 kW, dengan faktor M2 kualitas sinar sebesar 3.3.2023, dan untuk lebih meningkatkan kualitas sinar, tim melakukan penelitian teoritis dan studi praktis laser TYDF, penelitian teoritis dan eksperimental laser TAPered Ytterbium-doped Fiber ( TYDF).
Kemajuan Penelitian
Untuk meningkatkan ambang SRS, laser mengadopsi struktur amplifikasi daya osilator master yang dipompa mundur (MOPA), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. 1{{20}}cahaya benih 80 nm disuntikkan dari ujung kecil dari TYDF secara berurutan melalui mode field adapter (MFA), tilted grating (CTFBG), dan cladding optic filter (CPS 1). Lampu pompa 1018 nm disuntikkan ke ujung besar TYDF melalui lengan pemompaan ke belakang (6 + 1) × 1 Combiner beam (PSC). disuntikkan ke ujung besar TYDF. Cahaya sinyal yang diperkuat dikeluarkan melalui filter optik kelongsong (CPS 2) dan penutup ujung serat (QBH). Kuncir CPS 1 adalah serat transfer energi berlapis ganda berukuran 30/250 μm. Kuncir PSC, CPS 2 dan QBH semuanya merupakan serat transfer energi berlapis ganda berukuran 48/400 μm. TYDF dirancang dan dikembangkan secara independen oleh National University of Defense Technology (NUDT). Desain dan pengembangan independen Universitas Nasional Teknologi Pertahanan TYDF wilayah diameter inti kecil dari diameter inti / kelongsong bagian dalam 30/250 μm, wilayah diameter inti besar dari diameter inti / kelongsong bagian dalam 48/400 μm, bukaan numerik inti sebesar 0,066, koefisien serapan cladding sekitar 0,36 dB / m @ 1018 nm, serat optik TYDF pada daerah diameter inti kecil, luas meruncing, panjang daerah diameter inti inti besar diameter 15 m, 30 m, 15 m . Panjang serat TYDF dari daerah diameter inti kecil, daerah meruncing, daerah diameter inti besar, masing-masing, TYDF dipasang pada pelat serat berpendingin air dengan kumparan spiral, dan diameter kumparan minimum lebih dari 25 cm.

Gambar 1 20 kW diagram skema struktur laser serat
Variasi daya keluaran laser ditunjukkan pada Gambar 2 (a). Daya keluaran laser benih 1080 nm 200 W setelah penguat adalah 160 W. Ketika daya pompa tertinggi yang disuntikkan ke TYDF adalah 24,8 kW, daya laser keluaran adalah 20,2 kW, yang setara dengan efisiensi kemiringan keseluruhan sebesar 80,8%. Spektrum pada daya keluaran tertinggi ditunjukkan pada Gambar 2(b), di mana rasio penekanan SRS adalah 33 dB dan tidak ada komponen cahaya Raman yang jelas. Faktor M2 kualitas sinar pada kekuatan berbeda (diukur dengan Primes LQM 200 dengan panjang fokus kolimator 120 mm) ditunjukkan pada Gambar 2(c). Faktor M2 sebesar 2,18 pada 13,5 kW merupakan peningkatan yang signifikan dibandingkan dengan hasil pengukuran Tim 2022 berdasarkan serat homogen 48/400 μm dengan daya yang sama (M2=2.8).
Karena titik laser yang kecil (diameter titik kejadian LQM 200 harus kurang dari 15 mm), dengan peningkatan daya keluaran, efek termal lensa kolimator meningkat, menghasilkan aberasi fase di luar fokus dan aberasi titik yang jelas. , sehingga pengukuran M2 secara akurat pada daya keluaran 20 kW tidak memungkinkan untuk saat ini. Faktor kualitas sinar juga diuji dalam percobaan menggunakan alat ukur kualitas sinar (GYM-100) yang dikembangkan oleh Hefei Institute of Physical Sciences, Chinese Academy of Sciences, sesuai dengan Metode "GJB 7367-2011 untuk Pengukuran Faktor Kualitas Sinar Laser Berenergi Tinggi". Karena penggunaan kolimator titik besar dengan panjang fokus yang panjang (190 mm), pengaruh efek termal kolimator pada hasil pengukuran dikurangi sampai batas tertentu. faktor pada 13,5 kW adalah 1,92, dan hasil pengujian pada 20 kW ditunjukkan pada Gambar 2(d). nilai minimum faktor sebesar 1,93, nilai maksimum sebesar 2,05, dan nilai rata-rata sebesar 1,99 pada waktu 150 detik. Faktornya adalah 1,99 pada 13,5 kW, dan nilai rata-rata adalah 1,99 pada 20 kW.

Gambar 2 Daya keluaran laser dan hasil pengujian
Prospek masa depan
Karena tidak ada metode konversi yang tepat antara -faktor dan faktor M2-, nilai sebenarnya faktor M2-pada 20 kW tidak dapat diperoleh dari hasil pengujian -faktor untuk saat ini. Namun, dengan membandingkan laser 20 kW yang direalisasikan oleh tim pada tahun 2022 berdasarkan YDF seragam 48/400 μm (nilai rata-rata -faktor adalah 2,94 berdasarkan sistem pengujian yang sama), kualitas sinarnya telah meningkat secara signifikan. Hasil eksperimen memvalidasi kelayakan serat tirus untuk meningkatkan kualitas balok. Dalam pekerjaan selanjutnya, tim akan terus mengoptimalkan parameter struktural TYDF dan perangkat serat untuk mencapai peningkatan lebih lanjut dalam hal daya dan kualitas pancaran.