Výkon vláknového laseru dopovaného thuliem

V posledních letech přitahují vláknové lasery dopované thuliem stále více pozornosti díky svým výhodám, jako je kompaktní struktura, dobrá kvalita paprsku a vysoká kvantová účinnost. Mezi nimi vysoce výkonné kontinuální vláknové lasery dopované thuliem mají důležité aplikace v mnoha oblastech, jako je lékařská péče, vojenská bezpečnost, vesmírná komunikace, detekce znečištění ovzduší a zpracování materiálů. V posledních téměř 20 letech se vysoce výkonné kontinuální vláknové lasery dopované thuliem rychle rozvíjely a současný maximální výstupní výkon dosáhl úrovně kilowattů. Dále se podívejme na cestu ke zlepšení výkonu a vývojové trendy thuliem dopovaných vláknových laserů z hlediska oscilátorů a zesilovacích systémů.

Čerpací zdroj raných vláknových laserů dopovaných thuliem obecně používal nízkovýkonový 1064 nm YAG laser nebo 790 nm barvivový laser. Vzhledem k nízkému výkonu čerpacího zdroje a omezením tehdejšího procesu přípravy zpětně dotovaných vláken byl výstupní výkon thuliem dopovaných vláknových laserů pouze v úrovni wattů. Se zavedením technologie dvouplášťových čerpadel a zvyšující se vyspělostí technologie vysoce výkonných polovodičových laserů se také neustále zvyšuje výstupní výkon thuliem dopovaných vláknových laserů.

V roce 1998 Jackson a kol. z University of Manchester ve Velké Británii použil jako zdroj pumpy polovodičový laser o vlnové délce 790 nm a pomocí technologie čerpání pláště sestrojil prostorově strukturovaný kontinuálně laditelný vláknitý laser dopovaný thuliem s maximálním výstupním výkonem 5,4 W. V roce 2007 byl vytvořen Byl vyvinut dopovaný germanátový vláknový laser. Experimentální zařízení je znázorněno na obrázku 1. V režimu čerpání s jedním koncem bylo dosaženo kontinuálního laserového výkonu 64 W při 1900 nm. Aby bylo dosaženo vyššího výstupního výkonu, použili vědci dvojité čerpání a použili 40 cm dlouhé vlákno se ziskem a nakonec získali 1900 nm kontinuální laserový výkon 104 W.

V roce 2009 Harbin Institute of Technology vyvinul thuliem dopovaný vláknový laser s celovláknovou lineární strukturou dutiny. Skládá se z Braggovy mřížky s reflexním vláknem a z Fresnelova odrazu tvořeného koncovou plochou vlákna dotovaného thuliem pro vytvoření rezonanční dutiny. Je čerpáno 793 nm LD. Nakonec byl získán výstupní výkon 39,4 W. Kromě toho také porovnávali výstupní výkon a spektrální charakteristiky získané při použití FBG a dichroických zrcadel jako vysokoodrazových vazebných členů a zjistili, že sklonová účinnost celovláknové struktury byla nižší a prahový výkon byl vyšší. Ve srovnání s prostorovou strukturou byla celovláknová struktura zpočátku omezena výkonem zařízení s optickým vláknem a kvalitou spojování a její výhody nebyly zřejmé. S neustálým zlepšováním technologie přípravy zařízení s optickými vlákny a úrovně spojování se celovláknové struktury postupně ukázaly obrovské výhody.

Ve stejném roce vysoce výkonný vláknitý laser dotovaný thuliem založený na prostorové struktuře použil 793 nm LD k čerpání vlákna dotovaného thuliem s průměrem jádra 25 μm a numerickou aperturou (NA) 0,08 a dosáhl jednovidový laserový výkon 300 W. Později, s podobnou strukturou, bylo použito velkovidové polní vlákno s průměrem jádra 40 μm a numerickou aperturou 0,2 k získání 2040 nm multimódového laserového výkonu 885 W, což je maximální výstupní výkon získaný jediným thuliem dopovaným vláknovým oscilátorem.

V roce 2014 univerzita Tsinghua oznámila vysoce výkonný vláknitý laser dopovaný thuliem s celovláknovou lineární dutinovou strukturou, skládající se z vláknové Braggovy mřížky a 3 m dlouhého vlákna se ziskem. Jako čerpací zdroje bylo použito sedm 790 nm LD s maximálním výstupním výkonem 70 W. Nakonec byl získán výstupní výkon 227 W. Ve stejném roce National University of Defense Technology použila dva vysoce výkonné 1173 nm Ramanovy vláknové lasery (RFL) jako čerpací zdroje k vybudování vysoce účinného vláknového laseru s úzkou šířkou linie dopovaného thuliem s celovláknovou přímou dutinou a nakonec dosáhl výkonu 96 W. výkonu. Jednalo se o první hlášený vláknitý laser dopovaný thuliem s vlnovou délkou čerpadla blízko 1200 nm a výstupním výkonem v řádu stovek wattů. Poskytlo také velmi slibné čerpací řešení pro zvýšení výstupního výkonu thuliem dopovaných vláknových laserů.

V roce 2015 Huazhong University of Science and Technology použila vlastnoručně vyrobené thuliem dopované křemičité vlákno s dvojitým pláštěm k vybudování thuliem dopovaného vláknového laseru s celovláknovou lineární strukturou dutiny. K čerpání byly použity tři vysoce výkonné LD 793 nm a získal výstupní výkon 121 W. Jedná se o první použití domácího optického vlákna dopovaného thuliem k získání výstupního výkonu stovek wattů při vlnové délce 1915 nm. Kromě toho experimenty zjistily, že zvětšením vnitřního průměru pláště ziskového vlákna lze dosáhnout lepšího odvodu tepla, což také poskytuje nápady pro tepelné řízení a zlepšení výkonu thuliem dopovaných vláknových laserů.