A fiberlaser maakt gebruik van zeldzame aardmetaal-gedoteerde glasvezel als het versterkingsmedium en ytterbium-gedoteerde vezel is een van de kerncomponenten in ytterbium-gedoteerde vezellasersystemen met een hoog vermogen. Aangezien het uitgangsvermogen van fiberlasers neemt toe, zijn verschillende “stabiliteitskillers” zoals Transverse Mode Instability (TMI), Stimulated Raman Scattering (SRS) en thermische schade als uitdagingen naar voren gekomen.

Onlangs deelde Zhao Juyun, de productdirecteur van Kepin Fiber Laser, online inzichten over “Cutting-Edge Technologies and Innovative Applications of High-Power Fiber Lasers”, waarin gedetailleerd wordt beschreven hoe de “moordenaars” van de stabiliteit kunnen worden bestreden in fiberlasers. Laten we de belangrijkste besproken punten nog eens doornemen.

Vezellaserprincipe en structuur

A fiberlaser bestaat voornamelijk uit drie componenten: de pompbron, het versterkingsmedium (actieve vezel) en de resonatorholte.

Principe van fiberlaser met resonatorholte: Het vermogen van de pomphalfgeleiderlaser wordt geïnjecteerd in de ytterbium-gedoteerde dubbelwandige vezel (YDF) via vezelroosters (HR voor hoge reflectiviteit, OC voor lage reflectiviteit). De ytterbium-gedoteerde vezel absorbeert het pomplicht, wat leidt tot een populatie-inversie en spontane straling genereert. Deze straling wordt vervolgens versterkt door gestimuleerde emissie in de holte die wordt gevormd door de vezelroosters, waardoor laservermogen ontstaat dat vervolgens naar buiten wordt geleid via de optische uitgangskabel.

Principe van de vezellaser van de versterkerstructuur: Net als bij de resonatorholte zit het verschil in de zaadlaser van de vorige fase, waardoor het vermogen dat nodig is voor de afzonderlijke componenten wordt verlaagd en dus een hoger uitgangsvermogen mogelijk wordt.

TMI-effect (Transverse Mode Instability) in fiberlasers

Transverse Mode Instability (TMI) treedt op wanneer hoog vermogen fiberlasers een specifieke drempel bereiken. Als het uitgangsvermogen toeneemt of na een bepaalde tijd, schakelt de uitgangsmodus over van een stabiele fundamentele modus naar een onstabiele modus van hoge orde. Dit leidt tot een verslechtering van de straalkwaliteit en beperkt de toename van het uitgangsvermogen. In ernstige gevallen kan dit de effectiviteit van een fiberlaser, waardoor het minder effectief is dan geadverteerd.

Principe en experimentele gegevens over modusinstabiliteit

Nadat modusinstabiliteit optreedt, blijft het vermogen tussen de fundamentele en hoge-orde modi koppelen, waardoor het totale vermogen constant blijft. Wanneer mechanismen zoals buigingsfiltering aanwezig zijn, heeft de fundamentele modus een kleiner verlies en ondervinden de hogere-orde modi meer significante buigingsverliezen, wat ertoe leidt dat de hogere-orde modi worden uitgefilterd en de uitvoer jitter van de fundamentele modus in het tijdsdomein vertoont.

Factoren die instabiliteit van de modus beïnvloeden

In tegenstelling tot traditionele lasers met hoge energie wordt modusinstabiliteit veroorzaakt door thermische effecten en de koppeling tussen de vezeltypes. Daarom hebben de factoren die de modusinstabiliteit beïnvloeden niet alleen te maken met afvalwarmte, maar ook met de moduskarakteristieken van de vezel. De belangrijkste beïnvloedende factoren zijn:

Kenmerken van vezeldoping: Dopingconcentratie en de straal van het dopinggebied.

Verduisterende effecten: Invloed op het lichtvermogen van het signaal, de ruis in de signaalsterkte en de initiële high-order modusverhouding van het signaal.

Pompkenmerken: Pompvermogen, golflengte en intensiteitsmodulatie.

Pompmethode: Voorwaarts pompen, achterwaarts pompen, zijwaarts pompen en bidirectioneel pompen.

Vezelmateriaal: Vezelkerndiameter, bekledingsdiameter en numerieke apertuur.

Factoren die de vezelmodus beïnvloeden: Hoge-orde modusverliezen, systeemkoelvermogen en vezelpolarisatie-eigenschappen.

Methoden om modusinstabiliteit te onderdrukken

Om de instabiliteit van de modus tegen te gaan, richten de maatregelen zich op het verbeteren van het thermisch beheer en de moduscontrolecapaciteiten.

Thermisch beheer verbeteren: Door de verhouding tussen vezelkern en bekleding aan te passen, de golflengte van de halfgeleiderpomp te veranderen, het signaalinjectievermogen te verhogen en de richting van het pomplicht te optimaliseren, kan de verzadiging van de versterking worden verbeterd, waardoor thermische schade wordt beperkt.

Modusregeling verbeteren: Het buigverlies verhogen (door de buigradius te verkleinen, de numerieke apertuur van de vezelkern te verkleinen en de vezelwikkelmethoden te optimaliseren) kan helpen om hogere-orde modi te onderdrukken en de uitvoerstabiliteit te verbeteren.

Gestimuleerde Ramanverstrooiing (SRS) in fiberlasers

Gestimuleerde Ramanverstrooiing (SRS) treedt op wanneer een laserfoton interageert met het medium, waardoor een verschuiving naar langere golflengten optreedt. SRS is een belangrijk niet-lineair effect dat de toename in fiberlaser vermogen. Voor ytterbium-gedoteerde vezels is het SRS-effect afhankelijk van de kerndiameter, vezellengte, doteringsconcentratie en pompmethode.

Methoden om gestimuleerde ramanverstrooiing te onderdrukken

Kern Diameter Impact: Naarmate het pompvermogen toeneemt, treedt SRS op bij hogere pompvermogensniveaus. Het vergroten van de kerndiameter van de vezel verhoogt de SRS-vermogensdrempel aanzienlijk.

Vezellengte Impact: SRS neemt af naarmate de vezellengte toeneemt. Door de vezellengte te verminderen, kan het uitgangsvermogen worden verhoogd.

Invloed van dopingconcentratie: Naarmate de doteringsconcentratie toeneemt, neemt de drempel voor SRS af, wat resulteert in een lager uitgangslaservermogen. In vezellasers met hoog vermogen worden vezels met een lage doteringsconcentratie geselecteerd om SRS-effecten te verminderen.

Toekomstige ontwikkelingen in fiberlasertechnologie

Dankzij de vooruitgang in Large Mode Area (LMA) versterkingsvezeltechnologie, krachtige halfgeleiderpompbronnen met hoge helderheid en krachtige pompkoppelingstechnologie, fiberlasers zullen zich naar verwachting blijven ontwikkelen in de richting van hogere vermogens en een betere straalkwaliteit.