Leistung eines Thulium-dotierten Faserlasers

Thulium-dotierte Faserlaser haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer Vorteile wie kompakter Struktur, guter Strahlqualität und hoher Quanteneffizienz immer mehr Aufmerksamkeit erregt. Darunter finden leistungsstarke kontinuierliche Thulium-dotierte Faserlaser wichtige Anwendungen in vielen Bereichen wie der medizinischen Versorgung, der militärischen Sicherheit, der Weltraumkommunikation, der Erkennung von Luftverschmutzung und der Materialverarbeitung. In den letzten fast 20 Jahren haben sich leistungsstarke kontinuierliche Thulium-dotierte Faserlaser rasant entwickelt, und die aktuelle maximale Ausgangsleistung hat das Kilowatt-Niveau erreicht. Als Nächstes werfen wir einen Blick auf den Weg zur Leistungsverbesserung und die Entwicklungstrends von Thulium-dotierten Faserlasern unter dem Gesichtspunkt von Oszillatoren und Verstärkungssystemen.

Die Pumpquelle früher Thulium-dotierter Faserlaser verwendete im Allgemeinen einen 1064-nm-YAG-Laser mit geringer Leistung oder einen 790-nm-Farbstofflaser. Aufgrund der geringen Leistung der Pumpquelle und der Einschränkungen des damaligen Vorbereitungsprozesses für rückwärts dotierte Fasern lag die Ausgangsleistung von Thulium-dotierten Faserlasern nur im Wattbereich. Mit der Einführung der Doppelmantel-Pumptechnologie und der zunehmenden Reife der Hochleistungs-Halbleiterlasertechnologie nimmt auch die Ausgangsleistung von Thulium-dotierten Faserlasern stetig zu.

Im Jahr 1998 stellten Jackson et al. von der Universität Manchester im Vereinigten Königreich verwendete einen 790-nm-Halbleiterlaser als Pumpquelle und nutzte die Mantelpumptechnologie, um einen räumlich strukturierten kontinuierlich durchstimmbaren Thulium-dotierten Faserlaser mit einer maximalen Ausgangsleistung von 5,4 W zu bauen. Im Jahr 2007 wurde ein Thulium- Dotierter Germanat-Faserlaser wurde entwickelt. Das Versuchsgerät ist in Abbildung 1 dargestellt. Im Single-End-Pumpmodus wurde eine kontinuierliche Laserleistung von 64 W bei 1900 nm erzielt. Um eine höhere Ausgangsleistung zu erzielen, verwendeten die Forscher Doppelendpumpen und eine 40 cm lange Verstärkungsfaser und erzielten schließlich eine kontinuierliche Laserleistung von 104 W bei 1900 nm.

Im Jahr 2009 entwickelte das Harbin Institute of Technology einen Thulium-dotierten Faserlaser mit einer linearen Hohlraumstruktur, die ausschließlich aus Fasern besteht. Es besteht aus einem reflektierenden Faser-Bragg-Gitter und der Fresnel-Reflexion, die durch die Thulium-dotierte Faserendfläche gebildet wird, um einen Resonanzhohlraum zu bilden. Es wird mit 793 nm LD gepumpt. Letztendlich wurde eine Ausgangsleistung von 39,4 W erreicht. Darüber hinaus verglichen sie auch die Ausgangsleistung und die spektralen Eigenschaften, die erhalten wurden, wenn FBG bzw. dichroitische Spiegel als hochreflektierende Koppler verwendet wurden, und stellten fest, dass die Steigungseffizienz der Vollfaserstruktur niedriger und die Schwellenleistung höher war. Im Vergleich zur räumlichen Struktur war die Vollfaserstruktur zunächst durch die Leistung des Glasfasergeräts und die Qualität des Spleißens begrenzt und ihre Vorteile waren nicht offensichtlich. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Vorbereitungstechnologie für Glasfasergeräte und des Spleißniveaus haben Vollfaserstrukturen nach und nach enorme Vorteile gezeigt.

Im selben Jahr wurde ein Hochleistungs-Thulium-dotierter Faserlaser basierend auf einer räumlichen Struktur mithilfe einer 793-nm-LD zum Pumpen einer Thulium-dotierten Faser mit einem Kerndurchmesser von 25 μm und einer numerischen Apertur (NA) von 0,08 entwickelt und erreicht eine Singlemode-Laserleistung von 300 W. Später wurde mit einer ähnlichen Struktur eine Großmoden-Feldfaser mit einem Kerndurchmesser von 40 μm und einer numerischen Apertur von 0,2 verwendet, um eine 2040-nm-Multimode-Laserleistung von 885 zu erhalten W, das ist die maximale Ausgangsleistung, die ein einzelner Thulium-dotierter Faseroszillator erhält.

Im Jahr 2014 berichtete die Tsinghua-Universität über einen leistungsstarken Thulium-dotierten Faserlaser mit einer linearen Hohlraumstruktur, die ausschließlich aus Fasern besteht und aus einem Faser-Bragg-Gitter und einer 3 m langen Verstärkungsfaser besteht. Als Pumpquellen wurden sieben 790-nm-LDs mit einer maximalen Ausgangsleistung von 70 W verwendet. Schließlich wurde eine Ausgangsleistung von 227 W erreicht. Im selben Jahr nutzte die National University of Defense Technology zwei leistungsstarke 1173-nm-Raman-Faserlaser (RFL) als Pumpquellen, um einen hocheffizienten Thulium-dotierten Faserlaser mit schmaler Linienbreite und einer reinen Faserstruktur mit geradem Hohlraum zu bauen erreichte schließlich eine Leistung von 96 W. Leistung. Dies war der erste gemeldete Thulium-dotierte Faserlaser mit einer Pumpwellenlänge nahe 1200 nm und einer Ausgangsleistung in der Größenordnung von Hunderten von Watt. Es lieferte auch eine vielversprechende Pumplösung zur Steigerung der Ausgangsleistung von Thulium-dotierten Faserlasern.

Im Jahr 2015 nutzte die Huazhong University of Science and Technology selbst hergestellte, mit Thulium dotierte, doppelt ummantelte Silica-Fasern, um einen Thulium-dotierten Faserlaser mit einer linearen Hohlraumstruktur aus reinen Fasern zu bauen. Es verwendete drei leistungsstarke 793-nm-LDs zum Pumpen und erreichte eine Ausgangsleistung von 121 W. Dies ist das erste Mal, dass heimische Thulium-dotierte optische Fasern verwendet wurden, um eine Ausgangsleistung von Hunderten von Watt bei einer Wellenlänge von 1915 nm zu erreichen. Darüber hinaus ergaben Experimente, dass eine Vergrößerung des Innenmanteldurchmessers der Verstärkungsfaser eine bessere Wärmeableitung erreichen kann, was auch Ideen für das Wärmemanagement und die Leistungsverbesserung von Thulium-dotierten Faserlasern liefert.