Technische Weiterentwicklung von Hochleistungsfaserlasern

Technische Weiterentwicklung von Hochleistungsfaserlasern

Optimierung vonFaserlaserStruktur

1. Struktur einer Weltraumlichtpumpe

Frühe Faserlaser nutzten hauptsächlich optische Pumpleistung.LaserAufgrund der geringen Ausgangsleistung ist es schwierig, die Ausgangsleistung von Faserlasern in kurzer Zeit zu steigern. 1999 wurde im Bereich der Faserlaserforschung und -entwicklung erstmals die Marke von 10.000 Watt Ausgangsleistung überschritten. Die Struktur des Faserlasers basiert hauptsächlich auf der Verwendung von optischem bidirektionalem Pumpen und der Bildung eines Resonators. Untersuchungen ergaben einen differentiellen Wirkungsgrad von 58,3 %.
Obwohl die Verwendung von Faserpumplicht und Laserkopplungstechnologie zur Entwicklung von Faserlasern die Ausgangsleistung von Faserlasern effektiv verbessern kann, ist sie gleichzeitig komplex und erschwert den Aufbau des optischen Pfades mit optischen Linsen. Muss der Laser während des Aufbaus des optischen Pfades bewegt werden, muss der optische Pfad neu justiert werden, was die breite Anwendung von Faserlasern mit optischer Pumpstruktur einschränkt.

2, direkte Oszillatorstruktur und MOPA-Struktur

Mit der Entwicklung von Faserlasern haben Mantelstromabnehmer nach und nach die Linsenkomponenten ersetzt. Dies vereinfacht die Entwicklungsschritte von Faserlasern und verbessert indirekt deren Wartungseffizienz. Dieser Entwicklungstrend verdeutlicht die zunehmende Praxistauglichkeit von Faserlasern. Direktoszillator- und MOPA-Strukturen sind die beiden gängigsten Strukturen für Faserlaser auf dem Markt. Bei der Direktoszillatorstruktur wählt das Gitter während der Oszillation die Wellenlänge aus und gibt diese anschließend aus. MOPA hingegen nutzt die vom Gitter ausgewählte Wellenlänge als Anregungslicht. Dieses Anregungslicht wird durch einen Verstärker erster Stufe verstärkt, wodurch die Ausgangsleistung des Faserlasers erhöht wird. Faserlaser mit MPOA-Struktur gelten seit Langem als bevorzugte Struktur für Hochleistungs-Faserlaser. Allerdings haben nachfolgende Untersuchungen ergeben, dass die hohe Ausgangsleistung in dieser Struktur leicht zu einer Instabilität der räumlichen Verteilung innerhalb des Faserlasers führen kann und dass die Helligkeit des Ausgangslasers in gewissem Maße beeinträchtigt wird, was sich wiederum direkt auf den Effekt der hohen Ausgangsleistung auswirkt.

Mit der Entwicklung der Pumpentechnologie

Die Pumpwellenlänge früher Ytterbium-dotierter Faserlaser lag üblicherweise bei 915 nm oder 975 nm. Da diese beiden Wellenlängen den Absorptionsmaxima der Ytterbium-Ionen entsprechen, spricht man von direkter Anregung. Diese hat sich aufgrund der Quantenverluste nicht durchgesetzt. Die In-Band-Anregung ist eine Weiterentwicklung der direkten Anregung. Hierbei ist die Wellenlänge zwischen Anregungs- und Sendewellenlänge vergleichbar, und die Quantenverluste sind geringer als bei der direkten Anregung.

Hochleistungs-FaserlaserTechnologieentwicklungsengpass

Obwohl Faserlaser in Militär, Medizin und anderen Branchen ein hohes Anwendungspotenzial besitzen, hat China die breite Anwendung von Faserlasern durch fast 30 Jahre Forschung und Entwicklung vorangetrieben. Um jedoch höhere Ausgangsleistungen zu erzielen, bestehen in der bestehenden Technologie noch einige Herausforderungen. Beispielsweise ist unklar, ob die Ausgangsleistung eines Faserlasers 36,6 kW (Einzelfaser-Einmodenlaser) erreichen kann; welchen Einfluss die Pumpleistung auf die Ausgangsleistung hat; und welchen Einfluss der thermische Linseneffekt auf die Ausgangsleistung von Faserlasern hat.

Darüber hinaus sollte die Forschung an Hochleistungs-Faserlasertechnologien auch die Stabilität des Transversalmodus und den Photonendunkelungseffekt berücksichtigen. Untersuchungen zeigen, dass die Fasererwärmung den Einflussfaktor für die Transversalmodusinstabilität darstellt. Der Photonendunkelungseffekt beschreibt im Wesentlichen den rapiden Leistungsabfall des Faserlasers bei kontinuierlicher Abgabe von mehreren hundert Watt oder Kilowatt. Dies setzt der kontinuierlichen Hochleistungsabgabe von Faserlasern gewisse Grenzen.

Obwohl die genauen Ursachen des Photonendunkelungseffekts derzeit noch nicht vollständig geklärt sind, geht man allgemein davon aus, dass Sauerstoffdefektzentren und Ladungstransferabsorption zu diesem Effekt beitragen. Um den Photonendunkelungseffekt zu hemmen, werden folgende Maßnahmen vorgeschlagen: Die Verwendung von Materialien wie Aluminium und Phosphor soll die Ladungstransferabsorption verringern. Anschließend wird die optimierte aktive Faser getestet und angewendet. Die spezifischen Anforderungen sind eine kontinuierliche Leistungsabgabe von 3 kW über mehrere Stunden und eine stabile Leistungsabgabe von 1 kW über 100 Stunden.