Moč laserskega vlakna, dopiranega s tulijem

V zadnjih letih so laserji z vlakni, dopiranimi s tulijem, pritegnili vse več pozornosti zaradi svojih prednosti, kot so kompaktna struktura, dobra kakovost žarka in visoka kvantna učinkovitost. Med njimi imajo visokozmogljivi neprekinjeni laserji z vlakni, dopiranimi s tulijem, pomembne aplikacije na številnih področjih, kot so medicinska oskrba, vojaška varnost, vesoljske komunikacije, zaznavanje onesnaženosti zraka in obdelava materialov. V zadnjih skoraj 20 letih so se zmogljivi neprekinjeni laserji z vlakni, dopiranimi s tulijem, hitro razvili in trenutna največja izhodna moč je dosegla raven kilovatov. Nato si oglejmo pot izboljšanja moči in razvojne trende laserjev z vlakni, dopiranimi s tulijem, z vidika oscilatorjev in ojačevalnih sistemov.

Vir črpalke zgodnjih laserjev z vlakni, dopiranimi s tulijem, je na splošno uporabljal laser nizke moči 1064 nm YAG ali 790 nm laser z barvilom. Zaradi nizke moči vira črpalke in omejitev takratnega postopka priprave vlaken, dopiranih nazaj, je bila izhodna moč laserjev z vlakni, dopiranimi s tulijem, le v vatih. Z uvedbo tehnologije črpalke z dvojno oblogo in naraščajočo zrelostjo tehnologije polprevodniških laserjev visoke moči nenehno narašča tudi izhodna moč laserjev z vlakni, dopiranimi s tulijem.

Leta 1998 sta Jackson et al. z Univerze v Manchestru v Združenem kraljestvu je uporabil 790 nm polprevodniški laser kot vir črpalke in uporabil tehnologijo črpanja obloge za izgradnjo prostorsko strukturiranega neprekinjeno nastavljivega laserja z vlakni, dopiranega s tulijem, z največjo izhodno močjo 5,4 W. Leta 2007 je tulij- je bil razvit laser z dopiranimi germanatnimi vlakni. Eksperimentalna naprava je prikazana na sliki 1. V načinu enosmernega črpanja je bil dosežen neprekinjen laserski izhod 64 W pri 1900 nm. Da bi dosegli večjo izhodno moč, so raziskovalci uporabili dvojno črpanje in uporabili 40 cm dolgo ojačano vlakno ter na koncu dosegli 1900 nm neprekinjeno lasersko moč 104 W.

Leta 2009 je Tehnološki inštitut v Harbinu razvil laser z vlakni, dopiranim s tulijem, s strukturo linearne votline iz vseh vlaken. Sestavljen je iz Braggove rešetke z odbojnimi vlakni in Fresnelovega odboja, ki ga tvori končna stran vlaken, dopiranih s tulijem, da tvori resonančno votlino. Črpa ga 793 nm LD. Končno smo dobili izhodno moč 39,4 W. Poleg tega so primerjali tudi izhodno moč in spektralne značilnosti, dobljene, ko so bila FBG in dihroična zrcala uporabljena kot sklopke z visokim odbojem, in ugotovili, da je bila učinkovitost nagiba strukture z vsemi vlakni nižja in je bila mejna moč višja. V primerjavi s prostorsko strukturo je bila struktura vseh vlaken sprva omejena z zmogljivostjo naprave z optičnimi vlakni in kakovostjo spajanja, njene prednosti pa niso bile očitne. Z nenehnim izboljševanjem tehnologije priprave naprav z optičnimi vlakni in stopnje spajanja so strukture iz vseh vlaken postopoma pokazale velike prednosti.

Istega leta je visoko zmogljiv laser s tulijem dopiranim vlaknom, ki temelji na prostorski strukturi, uporabil 793 nm LD za črpanje s tulijem dopiranega vlakna s premerom jedra 25 μm in numerično aperturo (NA) 0,08 ter dosegel enomodni laserski izhod 300 W. Kasneje je bilo s podobno strukturo uporabljeno velikomodno poljsko vlakno s premerom jedra 40 μm in numerično odprtino 0,2 za pridobitev 2040 nm večmodnega laserskega izhoda 885 W, kar je največja izhodna moč, pridobljena z enim oscilatorjem iz vlaken, dopiranih s tulijem.

Leta 2014 je Univerza Tsinghua poročala o visokozmogljivem laserju z vlakni, dopiranim s tulijem, s strukturo linearne votline iz vseh vlaken, sestavljeno iz vlaknene Braggove rešetke in 3 m dolgega ojačitvenega vlakna. Kot črpalni vir je bilo uporabljenih sedem 790 nm LD z največjo izhodno močjo 70 W. Končno smo dobili izhodno moč 227 W. Istega leta je Nacionalna univerza za obrambno tehnologijo uporabila dva visoko zmogljiva 1173 nm laserja z ramanskimi vlakni (RFL) kot vira črpalke za izdelavo visoko učinkovitega laserja z vlakni, dopiranega s tulijem, z ozko širino črte in strukturo z ravnimi votlinami iz vseh vlaken in končno dosegel izhodno moč 96 W. To je bil prvi poročani laser z vlakni, dopiranimi s tulijem, z valovno dolžino črpalke blizu 1200 nm in izhodno močjo reda stotine vatov. Zagotovil je tudi zelo obetavno črpalno rešitev za povečanje izhodne moči laserjev z vlakni, dopiranimi s tulijem.

Leta 2015 je Univerza za znanost in tehnologijo Huazhong uporabila lastno izdelana dvojno obložena vlakna iz silicijevega dioksida, dopirana s tulijem, za izdelavo laserja z vlakni, dopiranega s tulijem, s strukturo linearne votline iz vseh vlaken. Za črpanje je uporabil tri visoko zmogljive 793 nm LD-je in dosegel izhodno moč 121 W. To je prvič, da so uporabili domača optična vlakna, dopirana s tulijem, za pridobitev izhodne moči več sto vatov pri valovni dolžini 1915 nm. Poleg tega so s poskusi ugotovili, da lahko s povečanjem notranjega premera obloge ojačanega vlakna dosežemo boljše odvajanje toplote, kar daje tudi ideje za toplotno upravljanje in izboljšanje moči laserjev z vlakni, dopiranimi s tulijem.