A vláknový laser používá jako zesilovací médium skleněné vlákno dopované vzácnými zeminami a vlákno dopované ytterbiem je jednou z hlavních součástí vysoce výkonných laserových systémů s vlákny dopovanými ytterbiem. Vzhledem k tomu, že výstupní výkon vláknové lasery zvyšuje, se objevily různé “zabijáky” stability, jako je příčná nestabilita (TMI), stimulovaný Ramanův rozptyl (SRS) a tepelné poškození.

Nedávno se Zhao Juyun, produktový ředitel společnosti Kepin Fiber Laser, podělil o své online postřehy na téma “Nejmodernější technologie a inovativní aplikace vysokovýkonných vláknových laserů”, kde podrobně popsal, jak bojovat proti “zabijákům” stability ve vláknové lasery. Zopakujme si hlavní body, o kterých jsme hovořili.

Princip a struktura vláknového laseru

A vláknový laser se skládá především ze tří komponent: zdroje čerpadla, zesilovacího média (aktivního vlákna) a dutiny rezonátoru.

Princip vláknového laseru s rezonátorovou dutinou: Výkon čerpacího polovodičového laseru je vstřikován do ytterbiem dopovaného dvouplášťového vlákna (YDF) přes vláknové mřížky (HR pro vysokou odrazivost, OC pro nízkou odrazivost). Vlákno dopované ytterbiem absorbuje světlo čerpadla, což vede k populační inverzi a generuje spontánní záření. Toto záření je pak zesíleno stimulovanou emisí v dutině tvořené vláknovými mřížkami, čímž vzniká laserový výstup, který je následně vyveden výstupním optickým kabelem.

Struktura zesilovače Princip vláknového laseru: Podobně jako u rezonátorové dutiny je rozdíl v zárodečném laseru z předchozího stupně, který snižuje nároky na výkon jednotlivých komponent, a umožňuje tak vyšší výstupní výkon.

Efekt příčné nestability módu (TMI) ve vláknových laserech

K nestabilitě v příčném módu (TMI) dochází, když se při vysokém výkonu vláknové lasery dosáhnout určité prahové hodnoty. S rostoucím výstupním výkonem nebo po určité době se výstupní režim přepne z ustáleného základního režimu na nestabilní režim vysokého řádu. To vede ke zhoršení kvality paprsku a omezuje zvyšování výstupního výkonu. V závažných případech to může narušit účinnost vláknový laser, takže je méně účinný, než je inzerováno.

Princip a experimentální údaje o nestabilitě režimu

Poté, co dojde k nestabilitě režimu, se výkon mezi základním a vyšším režimem nadále spojuje, čímž se udržuje konstantní celkový výkon. Pokud jsou přítomny mechanismy, jako je filtrování ohybů, má základní mód menší ztráty a u módů vyššího řádu dochází k výraznějším ztrátám ohybem, což má za následek, že módy vyššího řádu jsou odfiltrovány a výstup vykazuje v časové oblasti chvění základního módu.

Faktory ovlivňující nestabilitu režimu

Na rozdíl od tradičních vysokoenergetických laserů je nestabilita módu způsobena tepelnými efekty a vazbou mezi módy vlákna. Proto se faktory ovlivňující nestabilitu módu netýkají pouze odpadního tepla, ale také módových charakteristik vlákna. Hlavními ovlivňujícími faktory jsou:

Charakteristiky dopování vláken: Koncentrace dopování a poloměr dopované oblasti.

Účinky ztmavení: Vliv na světelný výkon signálu, šumovou sílu signálu a poměr počátečních režimů vysokého řádu signálu.

Charakteristika čerpadla: Výkon čerpadla, vlnová délka a modulace intenzity.

Metoda čerpadla: Čerpání vpřed, čerpání vzad, boční čerpání a obousměrné čerpání.

Materiál vláken: Průměr jádra vlákna, průměr pláště a numerická apertura.

Faktory ovlivňující režim vlákna: Módové ztráty vysokého řádu, schopnost chlazení systému a polarizační vlastnosti vlákna.

Metody potlačení nestability režimu

Opatření proti nestabilitě režimů se zaměřují na zlepšení tepelného managementu a možností řízení režimů.

Zlepšení tepelného managementu: Úpravou poměru jádra a pláště vlákna, změnou vlnové délky polovodičové pumpy, zvýšením výkonu vstřikování signálu a optimalizací směru světla pumpy lze zlepšit saturaci zisku a snížit tepelné poškození.

Zlepšení řízení režimu: Zvýšení ztrát v ohybu (zmenšením poloměru ohybu, snížením numerické apertury jádra vlákna a optimalizací metod navíjení vlákna) může pomoci potlačit módy vyššího řádu a zlepšit stabilitu výstupu.

Stimulovaný Ramanův rozptyl (SRS) ve vláknových laserech

Ke stimulovanému Ramanovu rozptylu (SRS) dochází při interakci laserového fotonu s prostředím, která způsobí posun k delším vlnovým délkám. SRS je hlavním nelineárním efektem, který omezuje nárůst vlnových délek. vláknový laser energie. U vláken dopovaných ytterbiem závisí efekt SRS na průměru jádra, délce vlákna, koncentraci dopování a způsobu čerpání.

Metody potlačení stimulovaného Ramanova rozptylu

Průměr jádra Náraz: S rostoucím výkonem čerpadla dochází k SRS při vyšších úrovních výkonu čerpadla. Zvětšování průměru jádra vlákna výrazně zvyšuje prahový výkon SRS.

Vliv délky vlákna: S rostoucí délkou vlákna se SRS snižuje. Snížením délky vlákna lze zvýšit výstupní výkon.

Dopingový dopad koncentrace: S rostoucí koncentrací dopování se snižuje práh SRS, což vede k nižšímu výstupnímu výkonu laseru. U vysoce výkonných vláknových laserů se pro zmírnění účinků SRS volí vlákna s nízkou koncentrací dopování.

Budoucí vývoj v oblasti vláknové laserové technologie

Díky pokrokům v technologii optických vláken s velkou oblastí zisku (Large Mode Area - LMA), vysoce výkonným polovodičovým zdrojům čerpadel s vysokým jasem a technologii spojování čerpadel s vysokým výkonem, vláknové lasery se očekává další vývoj směrem k vyšším výkonům a lepší kvalitě paprsků.