A fiber laser bruger glasfiber dopet med sjældne jordarter som forstærkningsmedium, og ytterbiumdopet fiber er en af ​​kernekomponenterne i ytterbiumdopede fiberlasersystemer med høj effekt. Da udgangseffekten af fiberlasere stigninger, er forskellige stabilitets-"dræbere" som transverse mode instability (TMI), stimuleret Raman scattering (SRS) og termisk skade dukket op som udfordringer.

For nylig delte Zhao Juyun, produktdirektør hos Kepin Fiber Laser, onlineindsigt om "Cutting-Edge Technologies and Innovative Applications of High-Power Fiber Lasers" og detaljerede, hvordan man bekæmper stabilitets"dræberne" i fiberlasereLad os gennemgå de vigtigste punkter, der blev diskuteret.

Fiberlaserprincip og -struktur

A fiber laser består primært af tre komponenter: pumpekilden, forstærkningsmediet (aktiv fiber) og resonatorhulrummet.

ResonatorhulrumsfiberlaserprincipPumpehalvlederlaserens effekt injiceres i den ytterbiumdopede dobbeltbeklædte fiber (YDF) via fibergitre (HR for højreflektivitet, OC for lavreflektivitet). Den ytterbiumdopede fiber absorberer pumpelyset, hvilket fører til en populationsinversion og genererer spontan stråling. Denne stråling forstærkes derefter ved stimuleret emission i hulrummet dannet af fibergitrene, hvilket skaber laseroutput, som efterfølgende ledes ud gennem det optiske outputkabel.

Forstærkerstruktur FiberlaserprincipI lighed med resonatorhulrummet ligger forskellen i frølaseren fra det foregående trin, hvilket reducerer strømkravene for de enkelte komponenter og dermed muliggør en højere effekt.

Effekt af tværgående modeinstabilitet (TMI) i fiberlasere

Transversal mode ustabilitet (TMI) opstår, når høj effekt fiberlasere når en bestemt tærskel. Når udgangseffekten stiger eller efter et vist tidsrum, skifter udgangstilstanden fra en stabil grundtilstand til en ustabil højordenstilstand. Dette fører til forringelse af strålekvaliteten og begrænser stigningen i udgangseffekten. I alvorlige tilfælde kan det underminere effektiviteten af ​​en fiber laserhvilket gør det mindre effektivt end annonceret.

Princip og eksperimentelle data om modeinstabilitet

Efter at der opstår mode-ustabilitet, fortsætter effekten mellem de grundlæggende og højere ordens modes med at kobles sammen, hvilket opretholder en konstant samlet effekt. Når mekanismer som bøjningsfiltrering er til stede, har den grundlæggende mode et mindre tab, og de højere ordens modes oplever mere betydelige bøjningstab, hvilket resulterer i, at de højere ordens modes filtreres fra, og outputtet viser fundamental mode-jitter i tidsdomænet.

Faktorer der påvirker tilstandsinstabilitet

I modsætning til traditionelle højenergilasere er modeinstabilitet forårsaget af termiske effekter og koblingen mellem fiberens modes. Derfor er de faktorer, der påvirker modeinstabilitet, ikke kun relateret til spildvarme, men også til fiberens modekarakteristika. De vigtigste påvirkende faktorer er:

FiberdopingegenskaberDopingkoncentration og dopingområdets radius.

MørkningseffekterIndvirkning på signallysets effekt, signalstyrkestøj og signalets initiale højordens modeforhold.

Pumpens egenskaberPumpeeffekt, bølgelængde og intensitetsmodulation.

PumpemetodeFremadgående pumpning, bagudgående pumpning, sidevejspumpning og tovejspumpning.

FibermaterialeFiberkernediameter, beklædningsdiameter og numerisk apertur.

Faktorer, der påvirker fibertilstandenTab i højordenstilstande, systemets køleevne og fiberpolarisationsegenskaber.

Metoder til at undertrykke tilstandsinstabilitet

For at modvirke ustabilitet i tilstanden fokuserer foranstaltningerne på at forbedre termisk styring og tilstandskontrolfunktioner.

Forbedring af termisk styringVed at justere forholdet mellem fiberkerne og -kappe, ændre halvlederpumpens bølgelængde, øge signalindsprøjtningseffekten og optimere pumpens lysretning kan forstærkningsmætningen forbedres og dermed reducere termisk skade.

Forbedring af tilstandskontrolØget bøjningstab (ved at reducere bøjningsradius, mindske fiberkernens numeriske apertur og optimere fiberviklingsmetoder) kan hjælpe med at undertrykke højere ordens tilstande og forbedre outputstabiliteten.

Stimuleret Raman-spredning (SRS) i fiberlasere

Stimuleret Raman-spredning (SRS) opstår, når en laserfoton vekselvirker med mediet, hvilket forårsager et skift til længere bølgelængder. SRS er en væsentlig ikke-lineær effekt, der begrænser stigningen i fiber laser For ytterbiumdopede fibre afhænger SRS-effekten af ​​kernediameter, fiberlængde, doteringskoncentration og pumpemetode.

Metoder til at undertrykke stimuleret Raman-spredning

KernediameterpåvirkningNår pumpeeffekten stiger, forekommer SRS ved højere pumpeeffektniveauer. Forøgelse af fiberkernediameteren øger SRS-effekttærsklen betydeligt.

FiberlængdepåvirkningSRS falder, når fiberlængden øges. Ved at reducere fiberlængden kan udgangseffekten øges.

Dopingkoncentrationens indvirkningNår dopingkoncentrationen stiger, falder tærsklen for SRS, hvilket resulterer i lavere laserudgangseffekt. I højtydende fiberlasere vælges fibre med lav dopingkoncentration for at afbøde SRS-effekter.

Fremtidig udvikling inden for fiberlaserteknologi

Takket være fremskridt inden for Large Mode Area (LMA) fiberteknologi, højtydende halvlederpumpekilder med høj lysstyrke og højtydende pumpekoblingsteknologi, fiberlasere forventes at fortsætte udviklingen mod højere effektniveauer og bedre strålekvalitet.