Systemzusammensetzung eines Hochleistungsfaserlasers

Systemzusammensetzung eines Hochleistungsfaserlasers
1. Systemzusammensetzung
Der Hochleistungsfaserlaser besteht aus vier Teilen: Pumpquelle, Pumpkombinator, Verstärkungsfaser und Laserausgangskopf.
1.1 Pumpquelle: Die Ausgangsleistung eines einzelnen Laserchips beträgt lediglich 10–50 W. Je nach Bedarf werden 6–50 Chips integriert und verpackt. Bei einer großen Anzahl von Chips werden räumliche und polarisationsbasierte Strahlkombinationen eingesetzt, um die Leistung zu steigern. Die Leistung einer einzelnen Pumpquelle liegt im Bereich von mehreren zehn bis mehreren hundert Watt. Um eine Ausgangsleistung im Kilowattbereich zu erzielen, müssen mehr als 10 Pumpquellen in Reihe geschaltet werden (wie beispielsweise beim Ruike-Laser, der 11 Pumpquellen verwendet).
1.2 Pumpenkombinator: Mehrere Pumpenmodule werden mittels Faserfusionsspleißtechnologie hergestellt und optisch in dieselbe Faser eingekoppelt.
1.3 Verstärkungsfaser: Mit einer Länge von oft über 30 Metern wird sie aufgewickelt und auf der Kühlplatte befestigt. Häufig wird eine Ytterbium-dotierte Doppelmantelstruktur verwendet: Kerndurchmesser von 10-20 μm, Einmoden-/Wenigmoden-Wellenleiter, dotiert mit Ytterbiumionen; Der innere Manteldurchmesser erreicht 400 μm und wird zur Übertragung von Multimoden-Pumplicht verwendet.
1.4 Laserausgangskopf: Verantwortlich für die endgültige Laserausgabe und kann über eine Standardschnittstelle mit Bearbeitungsgeräten verbunden werden.
2. Kernfunktionsprinzip
2.1 Resonator zur optischen Verstärkung: Er besteht aus zwei Faser-Bragg-Gittern (FBGs): Ein hochreflektierendes Gitter (Reflektivität > 99 %) reflektiert Licht der Zielwellenlänge (z. B. 1080 nm) zurück in die Verstärkungsfaser. Das ausgangsgekoppelte Gitter (Reflektivität 10–50 %) reflektiert einen Teil des Lichts, um die Schwingung aufrechtzuerhalten, und transmittiert einen Teil zur Erzeugung des Ausgangssignals. Das Pumplicht regt Ytterbium-Ionen zur spontanen Emission an. Photonen, die die Wellenlängenanforderungen erfüllen, werden zwischen den Gittern wiederholt verstärkt und erzeugen so ein stabiles Lasersignal.
2.2 Modenselektion sichert Strahlqualität: Einerseits wird aufgrund der Wellenleiterbegrenzung der Kernschicht mit kleinem Durchmesser nur die verlustarme Übertragung des Grundmodus ermöglicht; andererseits wird durch die Nutzung der hohen Überlappung zwischen dem Grundmodus und dem Verstärkungsmedium (Ytterbium-Ionen) sowie der hohen Verluste höherer Moden, kombiniert mit einer Faserbiegung zur weiteren Filterung höherer Moden, letztendlich ein hochwertiger Grundmodusausgang mit einem M²-Wert nahe 1 erreicht.