NUDT atteint une sortie laser de qualité faisceau élevé de 20 kW basée sur une fibre conique dopée à l'ytterbium

La suppression des effets non linéaires et le contrôle de mode sont les défis techniques actuels pour l’amélioration de la puissance des lasers à fibre dopée à l’ytterbium (YDFL) de haute puissance. L'augmentation du diamètre du noyau YDF est bénéfique pour améliorer le seuil SRS, mais conduit à un contrôle de mode d'ordre supérieur plus difficile et à des difficultés pour obtenir une qualité de faisceau élevée. Par rapport aux fibres uniformes à double gaine, les fibres coniques présentent certains avantages pour équilibrer la suppression SRS et le contrôle de mode. La partie de petit diamètre de cœur de la fibre conique peut réduire le nombre de modes de guidage du cœur pour obtenir un contrôle de mode efficace, tandis que la partie de grand diamètre de cœur est propice à la réduction de la densité de puissance du cœur pour améliorer le seuil SRS.2022, l'Université nationale de la Défense. La technologie (NUDT) basée sur la fibre uniforme à double gaine dopée à l'ytterbium a atteint une puissance laser de 20 kW, avec un facteur M2 de qualité de faisceau de 3.3.2023, et afin d'améliorer encore la qualité du faisceau, l'équipe a réalisé des études théoriques et études pratiques du laser TYDF, recherche théorique et expérimentale du laser TAPered Ytterbium-doped Fiber (TYDF).
Progrès de la recherche
Pour améliorer le seuil SRS, le laser adopte une structure d'amplification de puissance d'oscillateur maître (MOPA) pompée vers l'arrière, comme le montre la figure 1. 1{{20}} une lumière de départ de 80 nm est injectée à partir de la petite extrémité. du TYDF séquentiellement via l'adaptateur de champ de mode (MFA), le réseau incliné (CTFBG) et le filtre optique de gaine (CPS 1). Une lumière de pompe de 1 018 nm est injectée dans la grande extrémité du TYDF à travers le bras de pompage du faisceau combinateur (PSC) arrière (6 + 1) × 1. injecté dans la grande extrémité du TYDF. Le signal lumineux amplifié est émis à travers le filtre optique de gaine (CPS 2) et le capuchon d'extrémité de la fibre (QBH). La queue de cochon du CPS 1 est une fibre de transfert d'énergie à double gaine de 30/250 μm. Les tresses du PSC, du CPS 2 et Les QBH sont toutes des fibres de transfert d'énergie à double gaine de 48/400 μm. Le TYDF est conçu et développé indépendamment par l'Université nationale de technologie de la défense (NUDT). Conception et développement indépendants de l'Université nationale de technologie de la défense du TYDF, sa région de petit diamètre de noyau/diamètre de gaine interne de 30/250 μm, région de grand diamètre de noyau du diamètre de noyau/gaine interne de 48/400 μm, ouverture numérique de noyau de 0,066, coefficient d'absorption de gaine d'environ 0,36 dB/m à 1018 nm, fibre optique TYDF dans la région du petit diamètre du noyau, zone conique, longueur de la région du diamètre du noyau du grand diamètre du noyau de 15 m, 30 m, 15 m . Longueur de fibre TYDF de la région de petit diamètre de noyau, zone conique, région de grand diamètre de noyau, respectivement, TYDF est fixé sur la plaque de fibre refroidie à l'eau par enroulement en spirale, et le diamètre d'enroulement minimum est supérieur à 25 cm.

Figure 1 20 Diagramme schématique de la structure du laser à fibre kW
La variation de la puissance de sortie du laser est illustrée sur la figure 2 (a). La puissance de sortie du laser à graine de 200 W de 1 080 nm après amplificateur est de 160 W. Lorsque la puissance de pompe la plus élevée injectée dans le TYDF est de 24,8 kW, la puissance du laser de sortie est de 20,2 kW, ce qui correspond à un rendement de pente global de 80,8 %. Le spectre à la puissance de sortie la plus élevée est illustré sur la figure 2 (b), où le taux de suppression SRS est de 33 dB et il n'y a pas de composante lumineuse Raman évidente. Le facteur M2 de la qualité du faisceau à différentes puissances (mesuré avec un Primes LQM 200 avec une distance focale de collimateur de 120 mm) est illustré à la figure 2 (c). Le facteur M2 de 2,18 à 13,5 kW est une amélioration significative par rapport aux résultats des mesures Team 2022 basées sur une fibre homogène 48/400 μm à la même puissance (M2=2.8).
En raison du petit point laser (le diamètre du point incident du LQM 200 doit être inférieur à 15 mm), avec l'augmentation de la puissance de sortie, l'effet thermique de la lentille du collimateur s'intensifie, entraînant une aberration de phase floue et une aberration de point évidentes. , la mesure précise de M2 ​​à une puissance de sortie de 20 kW n'est donc pas possible pour le moment. Le facteur de qualité du faisceau a également été testé dans l'expérience à l'aide d'un instrument de mesure de la qualité du faisceau (GYM-100) développé par l'Institut des sciences physiques de Hefei, Académie chinoise des sciences, conformément à la méthode « GJB 7367-2011. pour la mesure du facteur de qualité des faisceaux laser à haute énergie". Grâce à l'utilisation d'un collimateur à grand spot avec une longue focale (190 mm), l'influence de l'effet thermique du collimateur sur les résultats de mesure a été atténuée dans une certaine mesure. le facteur à 13,5 kW était de 1,92 et les résultats des tests à 20 kW sont présentés sur la figure 2 (d). la valeur minimale du facteur était de 1,93, la valeur maximale était de 2,05 et la valeur moyenne était de 1,99 à 150 s. Le facteur était de 1,99 à 13,5 kW et la valeur moyenne était de 1,99 à 20 kW.

Figure 2 Puissance de sortie du laser et résultats des tests
Perspectives d'avenir
Puisqu'il n'existe pas de méthode de conversion précise entre le facteur - et le facteur M2-, la valeur réelle du facteur M2- à 20 kW ne peut pas être dérivée des résultats des tests du facteur - pour le moment. Cependant, en comparant le laser de 20 kW réalisé par l'équipe en 2022 sur la base d'un YDF uniforme de 48/400 μm (la valeur moyenne du facteur est de 2,94 sur la base du même système de test), la qualité du faisceau a été considérablement améliorée. Les résultats expérimentaux valident la faisabilité de la fibre conique pour améliorer la qualité du faisceau. Dans les travaux de suivi, l'équipe continuera à optimiser les paramètres structurels du TYDF et du dispositif à fibre optique afin d'améliorer encore la puissance et la qualité du faisceau.