Лазерна мощност с легирани влакна с тулий

През последните години влакнестите лазери с тулий привличат все повече и повече внимание поради своите предимства като компактна структура, добро качество на лъча и висока квантова ефективност. Сред тях високомощните непрекъснати оптични лазери с тулий имат важни приложения в много области като медицинска помощ, военна сигурност, космически комуникации, откриване на замърсяване на въздуха и обработка на материали. През последните почти 20 години високомощните непрекъснати оптични лазери, легирани с тулий, се развиха бързо и текущата максимална изходна мощност достигна ниво киловат. След това нека да разгледаме пътя за подобряване на мощността и тенденциите на развитие на легираните с тулий влакнести лазери от аспектите на осцилаторите и системите за усилване.

Източникът на помпата на ранните оптични лазери, легирани с тулий, обикновено използва нискомощен 1064 nm YAG лазер или 790 nm багрилен лазер. Поради ниската мощност на източника на помпа и ограниченията на процеса на подготовка на обратно легирани влакна по това време, изходната мощност на лазерите с легирани с тулий влакна беше само във ватово ниво. С въвеждането на технологията на помпата с двойна обвивка и нарастващата зрялост на високомощната полупроводникова лазерна технология, изходната мощност на легираните с тулий влакнести лазери също непрекъснато се увеличава.

През 1998 г. Джаксън и др. от университета в Манчестър в Обединеното кралство използва 790 nm полупроводников лазер като източник на помпа и използва технология за изпомпване на обвивка, за да изгради пространствено структуриран непрекъснато регулируем оптичен лазер с легиран тулий с максимална изходна мощност от 5,4 W. През 2007 г. тулий- е разработен лазер с легирани германатни влакна. Експерименталното устройство е показано на фигура 1. При режим на изпомпване с един край се получава непрекъснат лазерен изход от 64 W при 1900 nm. За да получат по-висока изходна мощност, изследователите са използвали двустранно изпомпване и са използвали 40 cm дълго усилващо влакно и накрая са получили 1900 nm непрекъснат лазерен изход от 104 W.

През 2009 г. Харбинският технологичен институт разработи влакнест лазер с легиран тулий с изцяло влакнеста линейна кухина. Състои се от брагова решетка с отразяващо влакно и отражението на Френел, образувано от крайната повърхност на влакното, легирано с тулий, за да образува резонансна кухина. Изпомпва се от 793 nm LD. Накрая се получава изходна мощност от 39,4 W. В допълнение, те също сравняват изходната мощност и спектралните характеристики, получени, когато FBG и дихроичните огледала са използвани съответно като съединители с висока степен на отражение, и откриват, че ефективността на наклона на структурата с всички влакна е по-ниска и праговата мощност е по-висока. В сравнение с пространствената структура, структурата от всички влакна първоначално беше ограничена от производителността на устройството с оптични влакна и качеството на снаждане и нейните предимства не бяха очевидни. С непрекъснатото подобряване на технологията за подготовка на устройства с оптични влакна и нивото на снаждане, структурите от всички влакна постепенно показаха огромни предимства.

През същата година високомощен лазер с легирани с тулий влакна, базиран на пространствена структура, използва 793 nm LD за изпомпване на легирани с тулий влакна с диаметър на сърцевината от 25 μm и числова апертура (NA) от 0,08 и постигна едномодов лазерен изход от 300 W. По-късно, с подобна структура, широкомодово полево влакно с диаметър на сърцевината 40 μm и числова апертура 0,2 беше използвано за получаване на 2040 nm многомодов лазерен изход от 885 W, което е максималната изходна мощност, получена от единичен осцилатор с легирано тулий влакно.

През 2014 г. университетът Цинхуа съобщи за високомощен влакнест лазер с легиран тулий с изцяло влакнеста линейна кухина, състояща се от влакнеста Bragg решетка и 3 m дълго влакно за усилване. Седем 790 nm LD с максимална изходна мощност от 70 W бяха използвани като източници на помпа. Накрая се получава изходна мощност от 227 W. През същата година Националният университет по отбранителни технологии използва два високомощни 1173 nm Raman влакнести лазера (RFL) като източници на помпа, за да изгради високоефективен влакнест лазер с тясна ширина на линията, легиран с тулий, с изцяло влакнеста структура с права кухина и накрая постигна мощност от 96 W. мощност. Това беше първият докладван влакнест лазер с добавка на тулий с дължина на вълната на помпата близо 1200 nm и изходна мощност от порядъка на стотици вата. Той също така предостави много обещаващо решение за изпомпване за увеличаване на изходната мощност на легирани с тулий влакнести лазери.

През 2015 г. Университетът за наука и технологии Huazhong използва самостоятелно изработени легирани с тулий силициеви влакна с двойно покритие, за да изгради лазер с легирани с тулий влакна с изцяло влакнеста линейна кухина. Той използва три високомощни 793 nm LDs за изпомпване и получи изходна мощност от 121 W. Това е първият път да се използва вътрешно оптично влакно, легирано с тулий, за да се получи изходна мощност от стотици вата при дължина на вълната от 1915 nm. В допълнение, експериментите установиха, че увеличаването на вътрешния диаметър на обвивката на усилващото влакно може да постигне по-добро разсейване на топлината, което също предоставя идеи за управление на топлината и подобряване на мощността на легираните с тулий влакнести лазери.