Moc lasera światłowodowego domieszkowanego tulem

W ostatnich latach lasery światłowodowe domieszkowane tulem cieszą się coraz większym zainteresowaniem ze względu na swoje zalety, takie jak zwarta konstrukcja, dobra jakość wiązki i wysoka wydajność kwantowa. Wśród nich lasery światłowodowe ciągłe domieszkowane tulem o dużej mocy mają ważne zastosowania w wielu dziedzinach, takich jak opieka medyczna, bezpieczeństwo wojskowe, komunikacja kosmiczna, wykrywanie zanieczyszczeń powietrza i obróbka materiałów. W ciągu ostatnich prawie 20 lat szybko rozwinęły się lasery światłowodowe o dużej mocy domieszkowane tulem, a obecna maksymalna moc wyjściowa osiągnęła poziom kilowatów. Następnie przyjrzyjmy się ścieżce poprawy mocy i trendom rozwojowym laserów światłowodowych domieszkowanych tulem od strony oscylatorów i układów wzmacniających.

Źródłem pompy wczesnych laserów światłowodowych domieszkowanych tulem był zazwyczaj laser YAG o niskiej mocy 1064 nm lub laser barwnikowy 790 nm. Ze względu na małą moc źródła pompy i ograniczenia ówczesnego procesu przygotowania włókien domieszkowanych wstecznie, moc wyjściowa laserów światłowodowych domieszkowanych tulem wynosiła jedynie waty. Wraz z wprowadzeniem technologii pomp z podwójnym płaszczem i rosnącą dojrzałością technologii laserów półprzewodnikowych dużej mocy, moc wyjściowa laserów światłowodowych domieszkowanych tulem również stale rośnie.

W 1998 roku Jackson i in. z Uniwersytetu w Manchesterze w Wielkiej Brytanii wykorzystał laser półprzewodnikowy 790 nm jako źródło pompy oraz technologię pompowania płaszczowego do zbudowania przestrzennie zorganizowanego, przestrajalnego w sposób ciągły lasera światłowodowego domieszkowanego tulem, o maksymalnej mocy wyjściowej 5,4 W. W 2007 r. opracowano domieszkowany laser światłowodowy z germanu. Urządzenie eksperymentalne pokazano na rysunku 1. W trybie pompowania z jednym końcem uzyskano ciągłą moc lasera 64 W przy 1900 nm. Aby uzyskać wyższą moc wyjściową, badacze zastosowali pompowanie dwustronne i włókno o wzmocnieniu 40 cm, w wyniku czego ostatecznie uzyskali ciągłą moc lasera o długości fali 1900 nm i mocy 104 W.

W 2009 roku Harbin Institute of Technology opracował laser światłowodowy domieszkowany tulem z liniową strukturą wnęki składającą się wyłącznie z włókien. Składa się z odblaskowej siatki Bragga z włókna i odbicia Fresnela utworzonego przez powierzchnię końcową włókna domieszkowanego tulem, tworząc wnękę rezonansową. Jest pompowany przez 793 nm LD. Ostatecznie uzyskano moc wyjściową 39,4 W. Ponadto porównali także moc wyjściową i charakterystykę widmową uzyskaną w przypadku zastosowania odpowiednio FBG i zwierciadeł dichroicznych jako sprzęgaczy o wysokim współczynniku odbicia i odkryli, że wydajność nachylenia struktury składającej się wyłącznie z włókien jest niższa, a moc progowa większa. W porównaniu ze strukturą przestrzenną, struktura całkowicie światłowodowa była początkowo ograniczona wydajnością urządzenia światłowodowego i jakością spawu, a jej zalety nie były oczywiste. Dzięki ciągłemu doskonaleniu technologii przygotowania urządzeń światłowodowych i poziomu łączenia, struktury całkowicie światłowodowe stopniowo wykazały ogromne zalety.

W tym samym roku wysokoenergetyczny laser światłowodowy domieszkowany tulem, oparty na strukturze przestrzennej, wykorzystał LD 793 nm do pompowania włókna domieszkowanego tulem o średnicy rdzenia 25 μm i aperturze numerycznej (NA) 0,08 i osiągnął moc lasera jednomodowego 300 W. Później, przy podobnej budowie, zastosowano włókno polowe wielkomodowe o średnicy rdzenia 40 µm i aperturze numerycznej 0,2, aby uzyskać moc lasera wielomodowego 2040 nm wynoszącą 885 W, czyli maksymalna moc wyjściowa uzyskana przez pojedynczy oscylator światłowodowy domieszkowany tulem.

W 2014 roku Uniwersytet Tsinghua zgłosił działanie lasera światłowodowego domieszkowanego tulem o dużej mocy z liniową strukturą wnęki składającą się wyłącznie z włókien, siatki Bragga i włókna wzmacniającego o długości 3 m. Jako źródła pompy wykorzystano siedem diod LD o długości fali 790 nm i maksymalnej mocy wyjściowej 70 W. Ostatecznie uzyskano moc wyjściową 227 W. W tym samym roku Narodowy Uniwersytet Technologii Obronnych wykorzystał dwa lasery światłowodowe Ramana (RFL) o dużej mocy 1173 nm jako źródła pomp do zbudowania wysokowydajnego lasera światłowodowego domieszkowanego tulem o wąskiej szerokości linii i prostej strukturze wnęki składającej się wyłącznie z włókien oraz ostatecznie osiągnął moc wyjściową 96 W. Był to pierwszy zgłoszony laser światłowodowy domieszkowany tulem o długości fali pompy bliskiej 1200 nm i mocy wyjściowej rzędu setek watów. Zapewniło także bardzo obiecujące rozwiązanie w zakresie pompowania, umożliwiające zwiększenie mocy wyjściowej laserów światłowodowych domieszkowanych tulem.

W 2015 roku Uniwersytet Naukowo-Technologiczny w Huazhong wykorzystał samodzielnie wykonane, podwójnie platerowane włókno krzemionkowe domieszkowane tulem do zbudowania lasera światłowodowego domieszkowanego tulem o liniowej strukturze wnęki składającej się wyłącznie z włókien. Do pompowania wykorzystano trzy diody LD o dużej mocy 793 nm i uzyskano moc wyjściową 121 W. Jest to pierwszy przypadek wykorzystania domowego światłowodu domieszkowanego tulem w celu uzyskania mocy wyjściowej setek watów przy długości fali 1915 nm. Ponadto eksperymenty wykazały, że zwiększenie wewnętrznej średnicy płaszcza włókna wzmacniającego może zapewnić lepsze rozpraszanie ciepła, co dostarcza również pomysłów na zarządzanie ciepłem i poprawę mocy laserów światłowodowych domieszkowanych tulem.