A Faserlaser Es verwendet mit Seltenerden dotierte Glasfasern als Verstärkungsmedium, und mit Ytterbium dotierte Fasern sind eine der Kernkomponenten in Hochleistungs-Ytterbium-dotierten Faserlasersystemen. Die Ausgangsleistung von Faserlaser Mit zunehmender Stabilität haben sich verschiedene Stabilitätsprobleme wie die Transversale Modeninstabilität (TMI), die stimulierte Raman-Streuung (SRS) und thermische Schäden als Herausforderungen herausgestellt.

Kürzlich teilte Zhao Juyun, Produktmanager bei Kepin Fiber Laser, online Einblicke in „Spitzentechnologien und innovative Anwendungen von Hochleistungsfaserlasern“ und erläuterte detailliert, wie die Stabilitätskiller bekämpft werden können. FaserlaserFassen wir die wichtigsten besprochenen Punkte zusammen.

Funktionsprinzip und Struktur des Faserlasers

A Faserlaser Besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten: der Pumpquelle, dem Verstärkungsmedium (aktive Faser) und dem Resonatorhohlraum.

Funktionsprinzip des Faserlasers mit ResonatorkavitätDie Leistung des Pump-Halbleiterlasers wird über Fasergitter (HR für hohe, OC für niedrige Reflektivität) in die Ytterbium-dotierte Doppelmantelfaser (YDF) eingekoppelt. Die Ytterbium-dotierte Faser absorbiert das Pumplicht, was zu einer Besetzungsinversion und zur Erzeugung spontaner Strahlung führt. Diese Strahlung wird anschließend durch stimulierte Emission im Resonator der Fasergitter verstärkt, wodurch Laserlicht entsteht, das dann über das optische Ausgangskabel abgeleitet wird.

Verstärkerstruktur FaserlaserprinzipÄhnlich wie beim Resonator liegt der Unterschied im Seed-Laser der vorherigen Stufe, wodurch der Leistungsbedarf der einzelnen Komponenten reduziert und somit eine höhere Ausgangsleistung ermöglicht wird.

Transversale Modeninstabilität (TMI)-Effekt in Faserlasern

Transversale Modeninstabilität (TMI) tritt auf, wenn Hochleistungs- Faserlaser Erreicht die Ausgangsleistung einen bestimmten Schwellenwert, wechselt der Ausgangsmodus mit steigender Leistung oder nach einer gewissen Zeit von einem stabilen Grundmodus zu einem instabilen Modus höherer Ordnung. Dies führt zu einer Verschlechterung der Strahlqualität und begrenzt die weitere Steigerung der Ausgangsleistung. In schweren Fällen kann dies die Effektivität eines Systems beeinträchtigen. Faserlaserwodurch es weniger effektiv ist als beworben.

Prinzip und experimentelle Daten zur Modeninstabilität

Nach Auftreten einer Modeninstabilität koppelt die Leistung zwischen der Grundmode und den höheren Moden weiterhin, wodurch die Gesamtleistung konstant bleibt. Sind Mechanismen wie die Biegefilterung vorhanden, weist die Grundmode geringere Verluste auf, während die höheren Moden deutlichere Biegeverluste erfahren. Dies führt dazu, dass die höheren Moden herausgefiltert werden und das Ausgangssignal im Zeitbereich ein Jitter der Grundmode zeigt.

Faktoren, die die Modeninstabilität beeinflussen

Anders als bei herkömmlichen Hochenergielasern wird die Modeninstabilität durch thermische Effekte und die Kopplung zwischen den Fasermoden verursacht. Daher hängen die Faktoren, die die Modeninstabilität beeinflussen, nicht nur von der Abwärme, sondern auch von den Modeneigenschaften der Faser ab. Die wichtigsten Einflussfaktoren sind:

Faserdotierungseigenschaften: Dotierungskonzentration und Radius der Dotierungsregion.

VerdunkelungseffekteAuswirkungen auf die Signallichtleistung, das Signalstärkerauschen und das anfängliche Verhältnis der höheren Moden des Signals.

PumpencharakteristikaPumpenleistung, Wellenlänge und Intensitätsmodulation.

Pumpmethode: Vorwärtspumpen, Rückwärtspumpen, Seitwärtspumpen und bidirektionales Pumpen.

Fasermaterial: Faserkerndurchmesser, Manteldurchmesser und numerische Apertur.

Einflussfaktoren auf den Fasermodus: Verluste höherer Moden, Kühlleistung des Systems und Faserpolarisationseigenschaften.

Methoden zur Unterdrückung von Modeninstabilität

Um der Instabilität der Moden entgegenzuwirken, konzentrieren sich die Maßnahmen auf die Verbesserung des Wärmemanagements und der Modensteuerung.

Verbesserung des WärmemanagementsDurch Anpassen des Kern-Mantel-Verhältnisses der Faser, Ändern der Wellenlänge des Halbleiterpumpstrahls, Erhöhen der Signalinjektionsleistung und Optimieren der Pumplichtrichtung kann die Verstärkungssättigung verbessert und thermische Schäden reduziert werden.

Verbesserung der ModussteuerungEine Erhöhung der Biegedämpfung (durch Verringerung des Biegeradius, Verringerung der numerischen Apertur des Faserkerns und Optimierung der Faserwickelmethoden) kann dazu beitragen, Moden höherer Ordnung zu unterdrücken und die Ausgangsstabilität zu verbessern.

Stimulierte Raman-Streuung (SRS) in Faserlasern

Die stimulierte Raman-Streuung (SRS) tritt auf, wenn ein Laserphoton mit dem Medium wechselwirkt und eine Verschiebung zu längeren Wellenlängen verursacht. SRS ist ein wichtiger nichtlinearer Effekt, der den Anstieg der Faserlaser Leistung. Bei Ytterbium-dotierten Fasern hängt der SRS-Effekt vom Kerndurchmesser, der Faserlänge, der Dotierungskonzentration und der Pumpmethode ab.

Methoden zur Unterdrückung der stimulierten Raman-Streuung

Kerndurchmesser-EinschlagMit steigender Pumpleistung tritt SRS bei höheren Pumpleistungsniveaus auf. Eine Vergrößerung des Faserkerndurchmessers erhöht die SRS-Leistungsschwelle deutlich.

Einfluss der FaserlängeDie SRS nimmt mit zunehmender Faserlänge ab. Durch Verkürzung der Faserlänge kann die Ausgangsleistung erhöht werden.

Auswirkungen der DopingkonzentrationMit steigender Dotierungskonzentration sinkt die Schwelle für die stimulierte Raman-Streuung (SRS), was zu einer geringeren Laserausgangsleistung führt. Bei Hochleistungsfaserlasern werden daher Fasern mit niedriger Dotierungskonzentration verwendet, um SRS-Effekte zu minimieren.

Zukünftige Entwicklungen in der Faserlasertechnologie

Dank der Fortschritte bei der Technologie von großflächigen Verstärkungsfasern (LMA), leistungsstarken und hochbrillanten Halbleiter-Pumpquellen sowie der Hochleistungs-Pumpkopplungstechnologie, Faserlaser Es wird erwartet, dass sie sich weiterhin in Richtung höherer Leistungsstufen und besserer Strahlqualität entwickeln werden.