NUDT pasiekia 20 kW tolimosios šviesos kokybės lazerio išvestį, pagrįstą kūginiu iterbiu legiruotu pluoštu

Netiesinio efekto slopinimas ir režimo valdymas yra dabartiniai techniniai iššūkiai didinant didelės galios iterbiu legiruoto pluošto lazerio (YDFL) galią. YDF šerdies skersmens padidinimas yra naudingas siekiant pagerinti SRS slenkstį, tačiau dėl to pasunkėja aukštesnės eilės režimo valdymas ir sunku pasiekti aukštą pluošto kokybę. Palyginti su vienodais dvigubo apvalkalo pluoštais, kūginiai pluoštai turi tam tikrų pranašumų balansuojant SRS slopinimą ir režimo valdymą. Mažo šerdies skersmens kūginio pluošto dalis gali sumažinti šerdies nukreipimo režimų skaičių, kad būtų galima efektyviai valdyti režimą, o didelio šerdies skersmens dalis padeda sumažinti šerdies galios tankį, kad pagerintų SRS slenkstį.2022 m., Nacionalinis gynybos universitetas Technologija (NUDT), paremta vienodu dvigubu iterbiu legiruotu pluoštu, pasiekė 20 kW lazerio galią, o pluošto kokybės M2 koeficientas yra 3.3.2023, o siekdama toliau gerinti pluošto kokybę, komanda atliko teorinius ir praktinės TYDF lazerio studijos, TAPered Ytterbium-doped Fiber (TYDF) lazerio teoriniai ir eksperimentiniai tyrimai.
Tyrimų pažanga
Siekiant pagerinti SRS slenkstį, lazeris naudoja atgalinio siurblio pagrindinio generatoriaus galios stiprinimo (MOPA) struktūrą, kaip parodyta 1 pav. 1{{20}}80 nm sėklos šviesa įpurškiama iš mažojo galo TYDF nuosekliai per režimo lauko adapterį (MFA), pasvirusias groteles (CTFBG) ir apvalkalo optinį filtrą (CPS 1). 1018 nm siurblio šviesa įpurškiama į didįjį TYDF galą per atgalinę (6 + 1) × 1 kombinatoriaus pluošto (PSC) siurbimo rankenėlę. įšvirkščiama į didįjį TYDF galą. Sustiprinta signalinė šviesa išvedama per dengiamąjį optinį filtrą (CPS 2) ir pluošto galinį dangtelį (QBH). CPS 1 košelė yra 30/250 μm dvigubo apvalkalo energijos perdavimo pluoštas. PSC, CPS 2 ir QBH yra visi 48/400 μm dvigubai padengti energijos perdavimo pluoštai. TYDF yra suprojektuotas ir sukurtas nepriklausomai Nacionalinio gynybos technologijos universiteto (NUDT). Nacionalinis gynybos technologijos universitetas, nepriklausomas TYDF projektavimas ir tobulinimas, jo mažo šerdies skersmens sritis / vidinis apvalkalo skersmuo 30/250 μm, didelis šerdies skersmens sritis / vidinis apvalkalo skersmuo 48/400 μm, šerdies skaitmeninė apertūra 0,066, apvalkalo sugerties koeficientas apie 0,36 dB / m @ 1018 nm, TYDF optinis pluoštas mažo šerdies skersmens srityje, smailėjantis plotas, didelio šerdies skersmens šerdies skersmens srities ilgis 15 m, 30 m, 15 m . TYDF pluošto ilgis mažo šerdies skersmens srityje, smailėjantis plotas, didelio šerdies skersmens sritis, atitinkamai, TYDF yra pritvirtintas prie vandeniu aušinamos pluošto plokštės spiraliniu būdu, o mažiausias ritės skersmuo yra didesnis nei 25 cm.

1 20 pav. kW skaidulinio lazerio struktūros schema
Lazerio išėjimo galios kitimas parodytas 2(a) pav. 200 W iš 1080 nm sėklinio lazerio išėjimo galia po stiprintuvo yra 160 W. Kai didžiausia siurblio galia įpurškiama į TYDF yra 24,8 kW, išėjimo lazerio galia yra 20,2 kW, o tai atitinka bendrą 80,8 % nuolydžio efektyvumą. Spektras esant didžiausiai išėjimo galiai parodytas 2(b) pav., kur SRS slopinimo koeficientas yra 33 dB ir nėra akivaizdaus Ramano šviesos komponento. Spindulio kokybės M2 koeficientas esant skirtingoms galioms (išmatuotas Primes LQM 200, kurio kolimatoriaus židinio nuotolis yra 120 mm) parodytas 2 pav. (c). M2 koeficientas 2,18 esant 13,5 kW galiai yra reikšmingas patobulinimas, palyginti su Team 2022 matavimų rezultatais, remiantis 48/400 μm vienalyčiu pluoštu esant tokiai pat galiai (M2=2.8).
Dėl mažo lazerio taško (LQM 200 kritimo taško skersmuo turi būti mažesnis nei 15 mm), didėjant išėjimo galiai, kolimatoriaus lęšio šiluminis efektas sustiprėja, todėl atsiranda akivaizdi nefokusuoto fazės aberacija ir taško aberacija. , todėl tiksliai išmatuoti M2 esant 20 kW išėjimo galiai kol kas neįmanoma. Spindulio kokybės faktorius taip pat buvo išbandytas atliekant eksperimentą naudojant pluošto kokybės matavimo prietaisą (GYM-100), kurį sukūrė Kinijos mokslų akademijos Hefėjaus fizinių mokslų institutas pagal „GJB 7367-2011 metodą“. Didelės energijos lazerio spindulių kokybės koeficiento matavimui“. Naudojant didelį taškinį kolimatorių su dideliu židinio nuotoliu (190 mm), kolimatoriaus šiluminio efekto įtaka matavimo rezultatams tam tikru mastu sumažėjo. koeficientas esant 13,5 kW buvo 1,92, o bandymo rezultatai esant 20 kW galiai parodyti 2(d) pav. mažiausia faktoriaus reikšmė buvo 1,93, didžiausia – 2,05, o vidutinė reikšmė – 1,99 po 150 s. Koeficientas buvo 1,99 esant 13,5 kW, o vidutinė vertė buvo 1,99 esant 20 kW.

2 pav. Lazerio išėjimo galia ir bandymo rezultatai
Ateities perspektyvos
Kadangi nėra tikslaus perskaičiavimo metodo tarp koeficiento -factor ir M2-factor, tikrosios M2-faktoriaus vertės esant 20 kW kol kas negalima nustatyti pagal -factor testo rezultatus. Tačiau lyginant 2022 metais komandos realizuojamą 20 kW galios lazerį, pagrįstą 48/400 μm vienodu YDF (vidutinė koeficiento vertė yra 2,94 pagal tą pačią bandymų sistemą), spindulio kokybė gerokai pagerėjo. Eksperimentiniai rezultatai patvirtina kūginio pluošto galimybę pagerinti pluošto kokybę. Tolesniuose darbuose komanda ir toliau optimizuos TYDF ir šviesolaidžio įrenginio struktūrinius parametrus, kad toliau pagerintų galią ir pluošto kokybę.