NUDT sasniedz 20 kW tālās gaismas kvalitatīvu lāzera izvadi, pamatojoties uz konusveida iterbija leģētu šķiedru

Nelineāra efekta slāpēšana un režīma kontrole ir pašreizējās tehniskās problēmas lieljaudas iterbija leģēta šķiedras lāzera (YDFL) jaudas palielināšanai. YDF serdes diametra palielināšana ir izdevīga, lai uzlabotu SRS slieksni, bet rada sarežģītāku augstākas pakāpes režīma vadību un grūtības sasniegt augstu staru kūļa kvalitāti. Salīdzinot ar viendabīgām dubultā apšuvuma šķiedrām, konusveida šķiedrām ir noteiktas priekšrocības SRS slāpēšanas un režīma kontroles līdzsvarošanā. Konusveida šķiedras mazā serdes diametra daļa var samazināt serdes virzošo režīmu skaitu, lai panāktu efektīvu režīma vadību, savukārt lielā serdes diametra daļa veicina serdes jaudas blīvuma samazināšanu, lai uzlabotu SRS slieksni.2022, Nacionālā aizsardzības universitāte. Tehnoloģija (NUDT), kuras pamatā ir vienota dubultā pārklājuma ar iterbija leģēta šķiedra, ir sasniegusi 20 kW lāzera jaudu ar staru kūļa kvalitātes M2 koeficientu 3.3.2023, un, lai vēl vairāk uzlabotu staru kūļa kvalitāti, komanda veica teorētiskās un TYDF lāzera praktiskie pētījumi, ar TAPered Ytterbium leģēta šķiedra (TYDF) lāzera teorētiskie un eksperimentālie pētījumi.
Pētniecības progress
Lai uzlabotu SRS slieksni, lāzers izmanto atpakaļsūknētu galvenā oscilatora jaudas pastiprināšanas (MOPA) struktūru, kā parādīts 1. attēlā. 1{{20}}80 nm sēklas gaisma tiek ievadīta no mazā gala. TYDF secīgi caur režīma lauka adapteri (MFA), slīpo režģi (CTFBG) un apšuvuma optisko filtru (CPS 1). 1018 nm sūkņa gaisma tiek ievadīta TYDF lielajā galā caur atpakaļgaitas (6 + 1) × 1 kombinētāja stara (PSC) sūknēšanas sviru. ievadīts TYDF lielajā galā. Pastiprinātā signāla gaisma tiek izvadīta caur apšuvuma optisko filtru (CPS 2) un šķiedras gala vāciņu (QBH). CPS 1 bize ir 30/250 μm dubultā pārklājuma enerģijas pārneses šķiedra. PSC, CPS 2 un Visas QBH ir 48/400 μm dubultā pārklājuma enerģijas pārneses šķiedras. TYDF ir izstrādājusi un neatkarīgi izstrādājusi Nacionālā Aizsardzības tehnoloģiju universitāte (NUDT). Nacionālās Aizsardzības tehnoloģiju universitātes neatkarīga TYDF projektēšana un izstrāde tās mazā serdes diametra apgabala serdeņa/iekšējā apšuvuma diametrs 30/250 μm, liela serdes diametra apgabals/iekšējais apšuvuma diametrs 48/400 μm, serdes skaitliskā apertūra 0,066, apšuvuma absorbcijas koeficients aptuveni 0,36 dB / m @ 1018 nm, TYDF optiskā šķiedra mazā serdeņa diametra reģionā, konusveida laukums, serdes diametra apgabala garums lielā serdeņa diametrā 15 m, 30 m, 15 m . TYDF šķiedras garums mazā serdes diametra apgabalā, konusveida laukums, liela serdes diametra apgabals, attiecīgi, TYDF ir piestiprināts pie šķiedras ar ūdeni dzesētas plāksnes ar spirālveida uztīšanu, un minimālais spoles diametrs ir lielāks par 25 cm.

Attēls 1 20 kW šķiedru lāzera struktūras shematiskā diagramma
Lāzera izejas jaudas izmaiņas ir parādītas 2(a) attēlā. 200 W no 1080 nm sēklu lāzera izejas jauda pēc pastiprinātāja ir 160 W. Kad lielākā sūkņa jauda, ​​kas ievadīta TYDF, ir 24,8 kW, lāzera izejas jauda ir 20,2 kW, kas atbilst kopējai slīpuma efektivitātei 80,8 %. Spektrs pie lielākās izejas jaudas ir parādīts 2. (b) attēlā, kur SRS slāpēšanas koeficients ir 33 dB un nav acīmredzamas Ramana gaismas komponentes. Stara kvalitātes M2 koeficients pie dažādām jaudām (mērīts ar Primes LQM 200 ar kolimatora fokusa attālumu 120 mm) parādīts 2. (c) attēlā. M2 koeficients 2,18 pie 13,5 kW ir būtisks uzlabojums salīdzinājumā ar Team 2022 mērījumu rezultātiem, kuru pamatā ir 48/400 μm viendabīga šķiedra ar tādu pašu jaudu (M2=2.8).
Mazā lāzera plankuma dēļ (LQM 200 krītošās vietas diametram jābūt mazākam par 15 mm), palielinoties izejas jaudai, pastiprinās kolimatora lēcas termiskais efekts, kā rezultātā rodas acīmredzama ārpusfokusa fāzes aberācija un vietas aberācija. , tāpēc precīzs M2 mērījums pie 20 kW izejas jaudas pagaidām nav iespējams. Eksperimentā tika pārbaudīts arī staru kūļa kvalitātes faktors, izmantojot staru kūļa kvalitātes mērinstrumentu (GYM-100), ko izstrādājis Ķīnas Zinātņu akadēmijas Hefei Fizisko zinātņu institūts, saskaņā ar "GJB 7367-2011 metodi augstas enerģijas lāzera staru kvalitātes faktora mērīšanai". Pateicoties liela punktveida kolimatora izmantošanai ar lielu fokusa attālumu (190 mm), kolimatora termiskā efekta ietekme uz mērījumu rezultātiem zināmā mērā tika mazināta. koeficients pie 13,5 kW bija 1,92, un testa rezultāti pie 20 kW ir parādīti 2(d) attēlā. faktora minimālā vērtība bija 1,93, maksimālā vērtība bija 2,05, un vidējā vērtība bija 1,99 pēc 150 sekundēm. Koeficients bija 1,99 pie 13,5 kW, un vidējā vērtība bija 1,99 pie 20 kW.

2. attēls Lāzera izejas jauda un testa rezultāti
Nākotnes perspektīvas
Tā kā nav precīzas pārveidošanas metodes starp -faktoru un M2-koeficientu, M2-faktora reālo vērtību pie 20 kW pagaidām nevar iegūt no -faktora testa rezultātiem. Tomēr, salīdzinot 20 kW lāzeru, ko komanda realizēja 2022. gadā, pamatojoties uz 48/400 μm vienotu YDF (vidējā koeficienta vērtība ir 2,94, pamatojoties uz to pašu testēšanas sistēmu), staru kūļa kvalitāte ir ievērojami uzlabojusies. Eksperimentālie rezultāti apstiprina konusveida šķiedras iespējamību uzlabot stara kvalitāti. Turpmākajā darbā komanda turpinās optimizēt TYDF un šķiedru ierīces strukturālos parametrus, lai panāktu turpmāku jaudas un staru kūļa kvalitātes uzlabošanos.