NUDT erreicht eine Laserleistung mit hoher Strahlqualität von 20 kW auf Basis einer konischen Ytterbium-dotierten Faser

Die Unterdrückung nichtlinearer Effekte und die Modenkontrolle sind die aktuellen technischen Herausforderungen für die Leistungssteigerung von Hochleistungs-Ytterbium-dotierten Faserlasern (YDFL). Eine Vergrößerung des YDF-Kerndurchmessers trägt zur Verbesserung der SRS-Schwelle bei, führt jedoch zu einer schwierigeren Modensteuerung höherer Ordnung und zu Schwierigkeiten beim Erreichen einer hohen Strahlqualität. Im Vergleich zu gleichmäßigen Doppelmantelfasern bieten sich verjüngende Fasern gewisse Vorteile beim Ausgleich von SRS-Unterdrückung und Modenkontrolle. Der Teil mit kleinem Kerndurchmesser der konischen Faser kann die Anzahl der Kernführungsmoden reduzieren, um eine effektive Modensteuerung zu erreichen, während der Teil mit großem Kerndurchmesser zur Reduzierung der Kernleistungsdichte beiträgt, um den SRS-Schwellenwert zu verbessern.2022, National University of Defense Die auf der einheitlichen, doppelt ummantelten Ytterbium-dotierten Faser basierende Technologie (NUDT) hat eine Laserleistung von 20 kW mit einem Strahlqualitäts-M2-Faktor von 3,3.2023 erreicht. Um die Strahlqualität weiter zu verbessern, führte das Team theoretische und Praktische Studien zum TYDF-Laser, zum TAPered Ytterbium-dotierten Faserlaser (TYDF), theoretische und experimentelle Forschung.
Forschungsfortschritt
Um den SRS-Schwellenwert zu verbessern, verwendet der Laser eine rückwärtsgepumpte MOPA-Struktur (Master Oscillator Power Amplification), wie in Abb. 1 dargestellt. 1{{20}}80-nm-Seed-Licht wird vom kleinen Ende injiziert des TYDF nacheinander durch den Modenfeldadapter (MFA), das geneigte Gitter (CTFBG) und den optischen Mantelfilter (CPS 1). 1018-nm-Pumplicht wird durch den Rückwärts-Pumparm (6 + 1) × 1 Combiner Beam (PSC) in das große Ende des TYDF injiziert. in das große Ende des TYDF eingespritzt. Das verstärkte Signallicht wird durch den optischen Mantelfilter (CPS 2) und die Faserendkappe (QBH) ausgegeben. Der Pigtail von CPS 1 ist eine 30/250 μm doppelt ummantelte Energieübertragungsfaser. Die Pigtails von PSC, CPS 2 und Bei QBH handelt es sich ausschließlich um 48/400-μm-Doppelmantel-Energieübertragungsfasern. Die TYDF wurde unabhängig von der National University of Defense Technology (NUDT) entworfen und entwickelt. Unabhängiges Design und Entwicklung des TYDF der National University of Defense Technology mit einem kleinen Kerndurchmesserbereich des Kerns/Innenmanteldurchmesser von 30/250 μm, einem großen Kerndurchmesserbereich des Kerns/Innenmanteldurchmessers von 48/400 μm und einer numerischen Kernapertur von 0,066, Mantelabsorptionskoeffizient von etwa 0,36 dB/m bei 1018 nm, TYDF-Lichtwellenleiter im Bereich mit kleinem Kerndurchmesser, verjüngter Bereich, die Länge des Kerndurchmesserbereichs des großen Kerndurchmessers beträgt 15 m, 30 m, 15 m . Die Länge der TYDF-Faser liegt im Bereich mit kleinem Kerndurchmesser, im verjüngten Bereich bzw. im Bereich mit großem Kerndurchmesser. TYDF wird durch spiralförmiges Aufwickeln auf der wassergekühlten Faserplatte befestigt, und der minimale Aufwickeldurchmesser beträgt mehr als 25 cm.

Abbildung: Schematische Darstellung der Struktur eines 1 20-kW-Faserlasers
Die Variation der Laserausgangsleistung ist in Abb. 2(a) dargestellt. Die Ausgangsleistung des 200-nm-Seed-Lasers nach dem Verstärker beträgt 160 W. Wenn die höchste in den TYDF eingespeiste Pumpleistung 24,8 kW beträgt, beträgt die Ausgangslaserleistung 20,2 kW, was einem Gesamtsteilheitswirkungsgrad von 80,8 % entspricht. Das Spektrum bei der höchsten Ausgangsleistung ist in Abb. 2(b) dargestellt, wo das SRS-Unterdrückungsverhältnis 33 dB beträgt und keine offensichtliche Raman-Lichtkomponente vorhanden ist. Der M2-Faktor der Strahlqualität bei verschiedenen Leistungen (gemessen mit einem Primes LQM 200 mit einer Kollimatorbrennweite von 120 mm) ist in Abb. 2(c) dargestellt. Der M2-Faktor von 2,18 bei 13,5 kW ist eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu den Ergebnissen der Team 2022-Messungen basierend auf einer 48/400 μm homogenen Faser bei gleicher Leistung (M2=2.8).
Aufgrund des kleinen Laserflecks (der Durchmesser des einfallenden Lichtflecks beim LQM 200 muss weniger als 15 mm betragen) verstärkt sich mit zunehmender Ausgangsleistung der thermische Effekt der Kollimatorlinse, was zu offensichtlichen Phasenaberrationen außerhalb des Fokus und Punktaberrationen führt Daher ist die genaue Messung von M2 bei 20 kW Ausgangsleistung vorerst nicht möglich. Der Strahlqualitätsfaktor wurde im Experiment auch mit einem Strahlqualitätsmessgerät (GYM-100) getestet, das vom Hefei Institute of Physical Sciences der Chinesischen Akademie der Wissenschaften gemäß der „GJB 7367-2011-Methode entwickelt wurde zur Messung des Qualitätsfaktors hochenergetischer Laserstrahlen“. Durch den Einsatz eines großen Spotkollimators mit langer Brennweite (190 mm) wurde der Einfluss der thermischen Wirkung des Kollimators auf die Messergebnisse in gewissem Maße abgemildert. der Faktor bei 13,5 kW betrug 1,92, und die Testergebnisse bei 20 kW sind in Abb. 2(d) dargestellt. Der Minimalwert des Faktors betrug 1,93, der Maximalwert 2,05 und der Durchschnittswert 1,99 bei 150 s. Bei 13,5 kW betrug der Faktor 1,99, bei 20 kW lag der Mittelwert bei 1,99.

Abbildung 2 Laserausgangsleistung und Testergebnisse
Zukunftsaussichten
Da es keine genaue Umrechnungsmethode zwischen -Faktor und M2--Faktor gibt, kann der tatsächliche Wert des M2--Faktors bei 20 kW derzeit nicht aus den -Faktor-Testergebnissen abgeleitet werden. Vergleicht man jedoch den 20-kW-Laser, den das Team im Jahr 2022 auf der Basis von 48/400 μm einheitlichem YDF realisiert hat (der Durchschnittswert des -Faktors beträgt 2,94, basierend auf demselben Testsystem), wurde die Strahlqualität deutlich verbessert. Die experimentellen Ergebnisse bestätigen die Machbarkeit konischer Fasern zur Verbesserung der Strahlqualität. In den Folgearbeiten wird das Team die Strukturparameter des TYDF- und Fasergeräts weiter optimieren, um eine weitere Verbesserung der Leistung und Strahlqualität zu erreichen.