Výkon vláknitého lasera dopovaného thúliom

V posledných rokoch vláknité lasery dopované thúliom priťahujú čoraz viac pozornosti vďaka svojim výhodám, ako je kompaktná štruktúra, dobrá kvalita lúča a vysoká kvantová účinnosť. Medzi nimi vysokovýkonné kontinuálne vláknité lasery dopované thúliom majú dôležité aplikácie v mnohých oblastiach, ako je lekárska starostlivosť, vojenská bezpečnosť, vesmírna komunikácia, detekcia znečistenia ovzdušia a spracovanie materiálov. Za posledných takmer 20 rokov sa vysokovýkonné kontinuálne vláknové lasery dopované thúliom rýchlo rozvíjali a súčasný maximálny výstupný výkon dosiahol úroveň kilowattov. Ďalej sa pozrime na cestu zvyšovania výkonu a vývojové trendy tuliom dopovaných vláknových laserov z aspektov oscilátorov a zosilňovacích systémov.

Zdroj pumpy skorých vláknitých laserov dopovaných thúliom vo všeobecnosti používal nízkovýkonný 1064 nm YAG laser alebo 790 nm farbivový laser. Vzhľadom na nízky výkon čerpacieho zdroja a obmedzenia vtedajšieho procesu prípravy spätne dopovaného vlákna bol výstupný výkon vláknitých laserov dopovaných thúliom len v úrovni wattov. So zavedením technológie dvojplášťových čerpadiel a zvyšujúcou sa vyspelosťou technológie vysokovýkonných polovodičových laserov sa výstupný výkon vláknových laserov dopovaných thúliom tiež neustále zvyšuje.

V roku 1998 Jackson a spol. z University of Manchester v Spojenom kráľovstve použil 790 nm polovodičový laser ako zdroj pumpy a pomocou technológie čerpania plášťa zostrojil priestorovo štruktúrovaný kontinuálne laditeľný vláknitý laser dopovaný thúliom s maximálnym výstupným výkonom 5,4 W. V roku 2007 bol vytvorený bol vyvinutý dopovaný germanátový vláknový laser. Experimentálne zariadenie je znázornené na obrázku 1. V režime čerpania s jedným koncom sa získal kontinuálny laserový výkon 64 W pri 1900 nm. Na získanie vyššieho výstupného výkonu výskumníci použili obojstranné čerpanie a použili 40 cm dlhé ziskové vlákno a nakoniec získali 1900 nm nepretržitý laserový výkon 104 W.

V roku 2009 Harbin Institute of Technology vyvinul vláknový laser dopovaný thúliom s celovláknovou lineárnou štruktúrou dutiny. Pozostáva z Braggovej mriežky s reflexným vláknom a z Fresnelovho odrazu, ktorý tvorí koncová plocha vlákna dopovaného thúliom, aby sa vytvorila rezonančná dutina. Je čerpaný 793 nm LD. Nakoniec bol získaný výstupný výkon 39,4 W. Okrem toho tiež porovnávali výstupný výkon a spektrálne charakteristiky získané pri použití FBG a dichroických zrkadiel ako vysokoodrazových spojok a zistili, že sklonová účinnosť celovláknovej štruktúry bola nižšia a prahová sila bola vyššia. V porovnaní s priestorovou štruktúrou bola celovláknová štruktúra spočiatku obmedzená výkonom zariadenia s optickými vláknami a kvalitou spájania a jej výhody neboli zrejmé. S neustálym zlepšovaním technológie prípravy zariadení s optickými vláknami a úrovne spájania, celovláknové štruktúry postupne ukázali obrovské výhody.

V tom istom roku vysokovýkonný vláknový laser dopovaný thúliom založený na priestorovej štruktúre použil 793 nm LD na čerpanie vlákna dopovaného thúliom s priemerom jadra 25 μm a numerickou apertúrou (NA) 0,08 a dosiahol jednovidový laserový výkon 300 W. Neskôr, s podobnou štruktúrou, sa použilo veľkovidové poľné vlákno s priemerom jadra 40 μm a numerickou apertúrou 0,2 na získanie 2040 nm multimódového laserového výkonu 885 W, čo je maximálny výstupný výkon získaný jediným oscilátorom s vláknom dopovaným thúliom.

V roku 2014 univerzita Tsinghua oznámila vysokovýkonný vláknový laser dopovaný thúliom s celovláknovou lineárnou dutinovou štruktúrou, ktorá pozostáva z vláknovej Braggovej mriežky a 3 m dlhého vlákna so ziskom. Ako čerpacie zdroje bolo použitých sedem 790 nm LD s maximálnym výstupným výkonom 70 W. Nakoniec bol získaný výstupný výkon 227 W. V tom istom roku Národná univerzita obrannej technológie použila dva vysokovýkonné 1173 nm Ramanove vláknové lasery (RFL) ako čerpacie zdroje na vybudovanie vysokoúčinného vláknového lasera s úzkou šírkou čiary dopovaného thúliom s celovláknovou priamou dutinovou štruktúrou a nakoniec dosiahol výkon 96 W. výkon. Toto bol prvý hlásený vláknitý laser dopovaný thúliom s vlnovou dĺžkou čerpadla blízko 1200 nm a výstupným výkonom rádovo stoviek wattov. Poskytol tiež veľmi sľubné čerpacie riešenie na zvýšenie výstupného výkonu tuliom dopovaných vláknových laserov.

V roku 2015 Huazhong University of Science and Technology použila vlastnoručne vyrobené vlákno z oxidu kremičitého s dvojitým plášťom s prímesou thúliom na vytvorenie vláknového lasera s prímesou celého vlákna s lineárnou dutinovou štruktúrou. Na čerpanie použil tri vysokovýkonné 793 nm LD a získal výstupný výkon 121 W. Toto je prvýkrát, čo sa používa domáce optické vlákno dopované théliom na získanie výstupného výkonu stoviek wattov pri vlnovej dĺžke 1915 nm. Okrem toho experimenty zistili, že zväčšením vnútorného priemeru plášťa ziskového vlákna možno dosiahnuť lepší odvod tepla, čo tiež poskytuje nápady na tepelné riadenie a zlepšenie výkonu vláknových laserov dopovaných thúliom.