Evolução técnica dos lasers de fibra de alta potência

Evolução técnica dos lasers de fibra de alta potência

Otimização delaser de fibraestrutura

1, estrutura da bomba de luz espacial

Os primeiros lasers de fibra utilizavam principalmente a saída de bombeamento óptico.laserA potência de saída dos lasers de fibra é baixa, o que dificulta o aumento rápido da potência de saída em um curto período de tempo. Em 1999, a potência de saída de um laser de fibra ultrapassou os 10.000 watts pela primeira vez em pesquisa e desenvolvimento. A estrutura do laser de fibra utiliza principalmente bombeamento óptico bidirecional, formando um ressonador, e a eficiência diferencial do laser atingiu 58,3% durante as investigações.
Contudo, embora o uso de luz de bombeamento por fibra e a tecnologia de acoplamento a laser para desenvolver lasers de fibra possam melhorar efetivamente a potência de saída desses lasers, ao mesmo tempo apresentam complexidade, o que não é favorável à construção do caminho óptico por meio de lentes. Uma vez que o laser precisa ser movido durante o processo de construção do caminho óptico, este também precisa ser reajustado, o que limita a ampla aplicação de lasers de fibra com estrutura de bombeamento óptico.

2. Estrutura do oscilador direto e estrutura MOPA

Com o desenvolvimento dos lasers de fibra, os extratores de potência do revestimento substituíram gradualmente os componentes das lentes, simplificando as etapas de desenvolvimento dos lasers de fibra e, indiretamente, melhorando a eficiência de manutenção. Essa tendência de desenvolvimento simboliza a crescente praticidade dos lasers de fibra. As estruturas de oscilador direto e MOPA são as duas estruturas mais comuns de lasers de fibra no mercado. Na estrutura de oscilador direto, a grade seleciona o comprimento de onda durante o processo de oscilação e, em seguida, emite o comprimento de onda selecionado. Já no MOPA, o comprimento de onda selecionado pela grade é utilizado como luz de semente, que é amplificada pela ação de um amplificador de primeiro nível, aumentando assim a potência de saída do laser de fibra. Por um longo período, os lasers de fibra com estrutura MOPA foram considerados a estrutura preferida para lasers de fibra de alta potência. No entanto, estudos subsequentes descobriram que a alta potência de saída nessa estrutura pode facilmente levar à instabilidade da distribuição espacial dentro do laser de fibra, e o brilho do laser de saída será afetado até certo ponto, o que também tem um impacto direto no efeito de alta potência de saída.

Com o desenvolvimento da tecnologia de bombeamento

O comprimento de onda de bombeamento dos primeiros lasers de fibra dopada com itérbio era geralmente de 915 nm ou 975 nm, mas esses dois comprimentos de onda de bombeamento correspondem aos picos de absorção dos íons de itérbio, sendo por isso denominado bombeamento direto. O bombeamento direto não foi amplamente utilizado devido à perda quântica. A tecnologia de bombeamento em banda é uma extensão da tecnologia de bombeamento direto, na qual o comprimento de onda entre o comprimento de onda de bombeamento e o comprimento de onda de transmissão é semelhante, e a taxa de perda quântica do bombeamento em banda é menor do que a do bombeamento direto.

Laser de fibra de alta potênciagargalo no desenvolvimento tecnológico

Embora os lasers de fibra tenham alto valor de aplicação nas indústrias militar, médica e outras, e a China tenha promovido a ampla aplicação desses lasers por meio de quase 30 anos de pesquisa e desenvolvimento tecnológico, ainda existem muitos gargalos na tecnologia atual para que os lasers de fibra possam gerar maior potência. Por exemplo, se a potência de saída de um laser de fibra monomodo pode atingir 36,6 kW em uma única fibra; qual a influência da potência de bombeamento na potência de saída do laser de fibra; e qual a influência do efeito de lente térmica na potência de saída do laser de fibra.

Além disso, a pesquisa sobre tecnologias de laser de fibra com maior potência de saída também deve considerar a estabilidade do modo transversal e o efeito de escurecimento de fótons. Através de investigações, fica claro que o fator que influencia a instabilidade do modo transversal é o aquecimento da fibra, e o efeito de escurecimento de fótons refere-se principalmente ao fato de que, quando o laser de fibra emite continuamente centenas de watts ou vários quilowatts de potência, a potência de saída apresenta uma rápida tendência de declínio, havendo, portanto, um certo grau de limitação na emissão contínua de alta potência do laser de fibra.

Embora as causas específicas do efeito de escurecimento por fótons ainda não estejam claramente definidas, acredita-se que centros de defeito de oxigênio e absorção por transferência de carga possam levar à ocorrência desse efeito. Considerando esses dois fatores, propõem-se as seguintes maneiras de inibir o escurecimento por fótons: utilizar materiais como alumínio e fósforo para evitar a absorção por transferência de carga; em seguida, a fibra ativa otimizada é testada e aplicada, com o objetivo específico de manter uma potência de saída de 3 kW por várias horas e uma potência de saída estável de 1 kW por 100 horas.