NUDT บรรลุเอาต์พุตเลเซอร์คุณภาพลำแสงสูง 20kW โดยใช้ไฟเบอร์เจืออิตเทอร์เบียมแบบเรียว

การปราบปรามเอฟเฟกต์แบบไม่เชิงเส้นและการควบคุมโหมดเป็นความท้าทายทางเทคนิคในปัจจุบันสำหรับการเพิ่มพลังงานของไฟเบอร์เลเซอร์เจืออิตเทอร์เบียมกำลังสูง (YDFL) การเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางแกน YDF มีประโยชน์ในการปรับปรุงเกณฑ์ SRS แต่จะนำไปสู่การควบคุมโหมดลำดับที่สูงขึ้นได้ยากขึ้น และความยากลำบากในการได้คุณภาพลำแสงสูง เมื่อเปรียบเทียบกับเส้นใยหุ้มสองชั้นที่สม่ำเสมอ เส้นใยเรียวมีข้อได้เปรียบบางประการในการสร้างสมดุลการปราบปราม SRS และการควบคุมโหมด ส่วนเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางขนาดเล็กของเส้นใยเรียวสามารถลดจำนวนโหมดการนำทางแกนเพื่อให้บรรลุการควบคุมโหมดที่มีประสิทธิภาพ ในขณะที่ส่วนเส้นผ่านศูนย์กลางแกนขนาดใหญ่มีส่วนช่วยในการลดความหนาแน่นของพลังงานแกนเพื่อปรับปรุงเกณฑ์ SRS ปี 2022 มหาวิทยาลัยกลาโหมแห่งชาติ เทคโนโลยี (NUDT) ซึ่งใช้เส้นใยเจืออิตเทอร์เบียมหุ้มสองชั้นที่สม่ำเสมอทำให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ 20 kW โดยมีปัจจัย M2 คุณภาพลำแสงเท่ากับ 3.3.2023 และเพื่อปรับปรุงคุณภาพลำแสงต่อไป ทีมงานได้ดำเนินการตามทฤษฎีและ การศึกษาภาคปฏิบัติของเลเซอร์ TYDF, การวิจัยเชิงทฤษฎีและการทดลองด้วยเลเซอร์ TAPered Ytterbium-doped Fiber (TYDF)
ความก้าวหน้าการวิจัย
เพื่อปรับปรุงเกณฑ์ SRS เลเซอร์จะใช้โครงสร้างการขยายกำลังของออสซิลเลเตอร์หลัก (MOPA) แบบปั๊มถอยหลัง ดังที่แสดงในรูปที่ 1 1{{20}}แสงจากเมล็ดขนาด 80 นาโนเมตรถูกฉีดจากปลายด้านเล็ก ของ TYDF ตามลำดับผ่านอะแดปเตอร์ฟิลด์โหมด (MFA), ตะแกรงเอียง (CTFBG) และตัวกรองแสงแบบหุ้ม (CPS 1) แสงปั๊ม 1,018 นาโนเมตรถูกฉีดเข้าไปในส่วนปลายขนาดใหญ่ของ TYDF ผ่านทางแขนสูบแบบย้อนกลับ (6 + 1) × 1 คานรวม (PSC) ฉีดเข้าที่ปลายใหญ่ของ TYDF ไฟสัญญาณที่ขยายจะถูกส่งออกผ่านแผ่นกรองแสงแบบหุ้ม (CPS 2) และฝาครอบปลายไฟเบอร์ (QBH) ผมเปียของ CPS 1 เป็นไฟเบอร์ถ่ายโอนพลังงานแบบหุ้มสองชั้นขนาด 30/250 μm ผมเปียของ PSC, CPS 2 และ QBH เป็นเส้นใยถ่ายโอนพลังงานหุ้มสองชั้นขนาด 48/400 μm ทั้งหมด TYDF ได้รับการออกแบบและพัฒนาโดยมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีป้องกันประเทศแห่งชาติ (NUDT) อย่างเป็นอิสระ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีกลาโหมแห่งชาติออกแบบและพัฒนาอย่างเป็นอิสระของ TYDF โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางเล็ก ๆ ของแกนกลาง / เส้นผ่านศูนย์กลางหุ้มด้านใน 30/250 μm พื้นที่เส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางขนาดใหญ่ของแกนกลาง / เส้นผ่านศูนย์กลางหุ้มด้านใน 48/400 μm รูรับแสงตัวเลขหลัก 0.066 ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงหุ้มประมาณ 0.36 dB / m @ 1,018 นาโนเมตร ใยแก้วนำแสง TYDF ในพื้นที่เส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางขนาดเล็ก พื้นที่เรียว ความยาวของบริเวณเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางของเส้นผ่านศูนย์กลางแกนขนาดใหญ่ 15 ม. 30 ม. 15 ม. . ความยาวเส้นใย TYDF ของบริเวณเส้นผ่านศูนย์กลางแกนเล็ก พื้นที่เรียว พื้นที่เส้นผ่านศูนย์กลางแกนขนาดใหญ่ ตามลำดับ TYDF ได้รับการแก้ไขบนแผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำไฟเบอร์โดยการขดเกลียว และเส้นผ่านศูนย์กลางขดขั้นต่ำคือมากกว่า 25 ซม.

รูปที่ 1 20 แผนผังโครงสร้างไฟเบอร์เลเซอร์กิโลวัตต์
ความแปรผันของกำลังเอาท์พุตเลเซอร์จะแสดงในรูปที่ 2(a) กำลังเอาต์พุตเลเซอร์เริ่มต้นที่ 1080 นาโนเมตร 200 วัตต์หลังแอมพลิฟายเออร์คือ 160 วัตต์ เมื่อกำลังปั๊มสูงสุดที่ฉีดเข้าไปใน TYDF คือ 24.8 kW กำลังเอาต์พุตเลเซอร์จะอยู่ที่ 20.2 kW ซึ่งสอดคล้องกับประสิทธิภาพความชันโดยรวมที่ 80.8 % สเปกตรัมที่มีกำลังเอาต์พุตสูงสุดจะแสดงในรูปที่ 2 (b) โดยที่อัตราส่วนการระงับ SRS อยู่ที่ 33 เดซิเบล และไม่มีส่วนประกอบของแสงรามานที่ชัดเจน ปัจจัย M2 ของคุณภาพลำแสงที่กำลังต่างกัน (วัดด้วย Primes LQM 200 ที่มีความยาวโฟกัสคอลลิเมเตอร์ 120 มม.) จะแสดงในรูปที่ 2(c) แฟกเตอร์ M2 ที่ 2.18 ที่ 13.5 kW เป็นการปรับปรุงที่สำคัญเมื่อเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ของการวัด Team 2022 โดยอิงตามไฟเบอร์เนื้อเดียวกัน 48/400 μm ที่กำลังไฟฟ้าเท่ากัน (M2=2.8)
เนื่องจากจุดเลเซอร์ขนาดเล็ก (เส้นผ่านศูนย์กลางจุดตกกระทบ LQM 200 ต้องน้อยกว่า 15 มม.) ด้วยกำลังเอาต์พุตที่เพิ่มขึ้น ผลกระทบด้านความร้อนของเลนส์คอลลิเมเตอร์จะรุนแรงขึ้น ส่งผลให้เกิดความคลาดเคลื่อนของเฟสนอกโฟกัสและความคลาดเคลื่อนของจุดอย่างเห็นได้ชัด ดังนั้นจึงไม่สามารถวัดค่า M2 ที่กำลังเอาต์พุต 20 kW ได้อย่างแม่นยำในขณะนี้ นอกจากนี้ ปัจจัยด้านคุณภาพลำแสงยังได้รับการทดสอบในการทดลองโดยใช้เครื่องมือวัดคุณภาพลำแสง (GYM-100) ที่พัฒนาโดยสถาบันวิทยาศาสตร์กายภาพเหอเฟย, Chinese Academy of Sciences ตามวิธี "GJB 7367-2011 สำหรับการวัดปัจจัยด้านคุณภาพของลำแสงเลเซอร์พลังงานสูง" เนื่องจากการใช้คอลลิเมเตอร์แบบจุดขนาดใหญ่ที่มีความยาวโฟกัสยาว (190 มม.) อิทธิพลของผลกระทบทางความร้อนของคอลลิเมเตอร์ที่มีต่อผลการวัดจึงบรรเทาลงได้ในระดับหนึ่ง ปัจจัยที่ 13.5 kW คือ 1.92 และผลการทดสอบที่ 20 kW แสดงในรูปที่ 2(d) ค่าตัวประกอบขั้นต่ำคือ 1.93 ค่าสูงสุดคือ 2.05 และค่าเฉลี่ยคือ 1.99 ที่ 150 วินาที ปัจจัยคือ 1.99 ที่ 13.5 กิโลวัตต์ และค่าเฉลี่ยคือ 1.99 ที่ 20 กิโลวัตต์

รูปที่ 2 กำลังขับเลเซอร์และผลการทดสอบ
อนาคตในอนาคต
เนื่องจากไม่มีวิธีการแปลงที่แม่นยำระหว่างปัจจัย -factor และ M2- ปัจจัย มูลค่าที่แท้จริงของปัจจัย M2- ที่ 20 kW ไม่สามารถหาได้จากผลการทดสอบ -factor ในขณะนี้ อย่างไรก็ตาม เมื่อเปรียบเทียบเลเซอร์ขนาด 20 kW ที่ทีมงานทำได้ในปี 2022 โดยใช้ YDF สม่ำเสมอ 48/400 μm (ค่าเฉลี่ยของ -factor คือ 2.94 ตามระบบการทดสอบเดียวกัน) คุณภาพของลำแสงได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ ผลการทดลองตรวจสอบความเป็นไปได้ของเส้นใยเรียวเพื่อปรับปรุงคุณภาพลำแสง ในงานติดตามผล ทีมงานจะยังคงปรับพารามิเตอร์โครงสร้างของ TYDF และอุปกรณ์ไฟเบอร์ให้เหมาะสมต่อไป เพื่อให้เกิดการปรับปรุงคุณภาพกำลังและลำแสงให้ดียิ่งขึ้น