Облако Тэгов

Мощные одномодовые волоконные лазеры

laser

Благодаря оптимизации оптического одномодового волокна для использования в волоконно-оптических лазерах достигнута выходная мощность 4,3 кВт с высокой масштабируемостью, а также определены основные направления дальнейших исследований в области разработки приложений для сверхбыстрых лазеров.

 

Одной из актуальных проблем развития лазерных технологий является рост мощности волоконных лазеров, которые уже «отвоевали» долю рынка у мощных CO2-лазеров, а также объемных твердотельных лазеров. В настоящее время крупные производители волоконных лазеров уделяют пристальное внимание разработке новых приложений, рассматривая на перспективу дальнейшее завоевание рынка. Среди представленных на рынке мощных лазеров одномодовые системы оснащены рядом функций, которые делают их наиболее востребованными — они обладают самой высокой яркостью излучения, их можно сфокусировать до нескольких микрон, что делает их более пригодными для бесконтактной обработки материалов. Производство таких систем довольно сложное. Компания IPG Photonics (Oxford, MA) предложила разработку одномодовой системы мощностью 10 кВт, но информация о характеристиках луча отсутствует и данные, в частности, о любых возможных многомодовых компонентах излучения, которые могут существовать наряду с одномодовым сигналом, также не представлены.

 

Немецкие ученые из Университета Фридриха Шиллера и Института прикладной оптики и точной инженерии Фраунгофера при финансовой поддержке правительства Германии, а также в сотрудничестве с TRUMPF, Active Fiber Systems, Jenoptik, Лейбницским институтом фотонных технологий проанализировали проблемы масштабирования таких лазеров и разработали новые волокна для преодоления ограничений мощности. Команда успешно завершила серию испытаний, продемонстрировав одномодовый выходной сигнал мощностью 4,3 кВт, в котором выходная мощность волоконного лазера ограничивалась только мощностью сигнала накачки.

 

Факторы, ограничивающие мощность излучения одномодового волоконного лазера

К основным задачам, требующим тщательной проработки можно отнести следующие: a) улучшенная накачка; б) разработка активного волокна с низкими оптическими потерями, работающими только в одномодовом режиме; в) более точное измерение полученного излучения. Предположим, что задача улучшенной накачки может быть решена с помощью сверхъярких лазерных диодов и соответствующих методов подвода накачки, и поэтому в данной статье более подробно рассмотрим две другие.

 

В рамках разработки активного волокна для высокомощного одномодового режима работы были выбраны два набора параметров оптимизации: легирование и геометрия. Все параметры должны быть четко определены для получения минимальных потерь, одномодового режима и мощного усиления. Идеальный волоконный усилитель должен обеспечить высокий коэффициент преобразования — более 90%, отличное качество луча и выходную мощность, ограниченную только доступной мощностью накачки. Однако модернизация одномодовой системы до более высоких мощностей может привести к большей плотности мощности внутри активной зоны самого волокна, увеличению тепловой нагрузки и ряду нелинейных оптических эффектов как, например, вынужденное Рамановское рассеяние (SRS) и вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS).

 

Наиболее примечательным является эффект фотозатемнения (характерен для кремниевых волокон, легированных иттербием). Эффект хорошо известен с первых дней появления волоконных лазеров, когда материал волокна не был еще таким чистым, как сегодня — в материале образуются дефектные центры или затемненные центры в результате взаимодействия лазерного излучения с материалом волокна. Этот эффект является паразитным, так как преобразует фотоны сигнала накачки в тепло, что, в свою очередь, приводит к меньшему усилению и увеличению тепловой нагрузки.

 

Поперечные моды могут усиливаться в зависимости от размера активной зоны волокна. Чем меньше активное сечение волокна, тем меньше количество таких мод — при заданном соотношении между сечениями волокна и оболочки. Однако меньший диаметр определяет и более высокую плотность мощности, а при сгибании волокна, например, добавляются еще и потери для более высоких мод. Тем не менее при большом диаметре ядра волокна и при тепловой нагрузке могут возникать другие моды излучения. Такие моды подвержены взаимодействию между собой во время усиления, а, следовательно, без оптимальных условий распространения, выходной профиль излучения может стать пространственно или временно неустойчивым.

 

Нестабильность поперечного режима

Волокна, легированные Иттербием (Yb), являются типичной рабочей средой для мощных одномодовых волоконных лазеров, но за пределами определенного порога они показывают совершенно новый эффект — так называемый эффект неустойчивости поперечной моды (TMI). При определенном уровне мощности внезапно могут появиться более высокие моды или даже моды оболочки. Энергия динамически перераспределяется между ними, а качество луча ухудшается. Проявляется флуктуация излучения на выходе (пучок начинает колебаться). Эффект TMI наблюдался в различных конструкциях волокон — от волокон с шаговым индексом преломления до фотонно-кристаллических волокон. Его пороговое значение зависит от геометрии и легирования, но грубая оценка свидетельствует о том, что этот эффект проявляется при выходной мощности, превышающей 1 кВт. В процессе исследования была выявлена зависимость TMI от фотозатемнения, его связь с тепловыми эффектами внутри волокна. Более того, восприимчивость волоконных лазеров к TMI также находится в зависимости от модального содержания ядра.

 

Геометрия волокна с шаговым индексом преломления дает возможность для оптимизации. Для накачки могут быть подобраны: диаметр волокна, размер оболочки волокна накачки и другие показатели преломления волокна и оболочки. Все эти параметры настройки зависят от концентрации легирующей примеси, то есть концентрация ионов Yb может быть использована для управления длиной участка поглощения излучения накачки в активном волокне. Другие же добавки могут быть введены в волокно для снижения тепловых эффектов и управления коэффициентом преломления. Однако имеют место некоторые противоречия. Чтобы уменьшить нелинейные эффекты, волокно должно быть короче, а для снижения тепловой нагрузки волокно должно быть длиннее. Фотопотемнение пропорционально концентрации легирующей примеси, поэтому более длинные волокна с более низкой концентрацией легирующего элемента определенно будут лучше. Представление о некоторых параметрах можно получить в ходе эксперимента. Тепловое поведение, например, можно моделировать, но довольно трудно предсказать, так как фотозатемнение является малым по определению и не может быть физически измерено при ускоренных испытаниях. Поэтому прямые измерения теплового поведения в волокнах могут быть полезны для планирования экспериментов. Для типичного активного волокна показаны в сравнении: измеренная тепловая нагрузка (получена от одновременно распределенных температурных измерений внутри волоконного усилителя) и моделируемая тепловая нагрузка (Рисунок 1).

laser 1

Рисунок 1. Измеренная тепловая нагрузка активного волокна по сравнению с моделируемой нагрузкой с дополнительной потерей и без нее

 

Еще одним важным для проектирования волокна параметром является длина волны отсечки, то есть самая большая длина волны, увеличивающая количество мод в волокне. Более этой длины волны моды высшего уровня не поддерживаются.

 

Испытание новых волокон на киловаттную мощность

В ходе эксперимента были исследованы два типа волокон, легированных Yb. Волокно №1 диаметром сердцевины 30 мкм с дополнительным легированием фосфором и алюминием. Волокно №2 меньшим диаметром — 23 мкм, было менее легировано, но содержало больше иттербия с целью достижения более высокого коэффициента профиля по сравнению с волокном №1 (Табл.1).

laser 2

Таблица 1. Параметры тестируемых волокон

 

Рассчитанная длина волны отсечки расположена около 1275 нм и 1100 нм для волокон 1 и 2 соответственно. Это намного ближе к одномодовому варианту излучения, чем типичному волокну с диаметром сердцевины 20 мкм и числовой апертурой (NA) 0.06, имеющей длину волны отсечки ~1450 нм. Усиленная длина волны лазера в результате была центрирована на 1067 нм.

 

Оба волокна были испытаны в схеме высокомощной накачки (Рис.2). Диодный лазер накачки и начальный сигнал были соединены в свободном пространстве в волокно с приваренными концевиками и соединителями, омываемые водой для охлаждения. Источником излучения был фазомодулированный диодный лазер с внешним резонаторным (ECDL), сигнал которого был предварительно усилен для достижения мощности входного сигнала до 10 Вт при длине волны 1067 нм и ширине спектра 180 мкм.

laser 3

Рисунок 2. Экспериментальная установка усилителя большой мощности, используемая для теста волоконного усилителя, где волокно накачивалось при 976 нм в направлении встречного распространения

 

В процессе тестирования первого волокна наблюдались внезапные колебания в миллисекундном масштабе при пороге 2,8 кВт, что можно отнести к TMI. Второе волокно длиной 30 м, на той же длине волны и ширине спектра, накачивалось до выходной мощности 3,5 кВт, ограниченной уже SBS, а не TMI.

 

В третьем эксперименте спектр лазера излучателя был изменен для увеличения порога SBS волокна посредством расширения спектра (выше, чем в предыдущем эксперименте). Для этого второй диодный лазер с центральной длиной волны 300 мкм совмещался с первым. Эта интерференция привела к временным колебаниям, которые позволили увеличить мощность сигнала вследствие автофазовой модуляции. В том же основном усилителе, что и раньше, были получены очень близкие значения выходной мощности при эффективности в 90 %, но их можно было увеличивать только до 4,3 кВт без проявления TMI (Табл. 2).

laser 4

Таблица 2. Результат тестирования волокна

 

Задачи измерения

Измерение всех параметров высокомощного волоконного лазера является одной из основных задач и требует специального оборудования для их решения. Для получения полной характеристики волокна определяли концентрацию легирующей примеси, профили показателя преломления и затухание сердечника волокна. К примеру, измерение потерь в сердечнике для разных диаметров изгиба является важным параметром для корреляции с порогом TMI.

laser 5

Рисунок 3. а) Трассировка интенсивности фотодиода при тестировании выходного сигнала с использованием волокна 1, ниже и выше порога ТМI. b) Нормализованное стандартное отклонение трасс фотодиода при разной выходной мощности

 

Во время тестирования волоконного усилителя порог TMI определен с помощью фотодиода путем отвода малой доли мощности. Начало колебаний мощности оказалось довольно резким и существенным (Рис.3), особенно значительным изменение сигнала было при тестировании волокна 1, но он не был обнаружен при тестировании волокна 2 до уровня мощности 4,3 кВт. Соответствующая зависимость показана на Рисунке 4а.

laser 6

Рисунок 4. а) Наклон эффективности волокна 2 до выходной мощности 4,3 кВт. b) Оптический спектр с выходной мощностью 3,5 кВт с отношением 75 дБ от выходного сигнала к ASE. Ширина спектра 180 мкм с выходной мощностью 4,3 кВт, расширенной до ширины полосы 7 нм

 

Спектральные и временные измерения могут быть выполнены с использованием традиционной технологии. Они позволяют обнаруживать такие эффекты, как начало SBS (временной фактор, отличный от TMI) или SRS (спектральный фактор). Проведение измерений с высоким динамическим диапазоном требует повышенного внимания, чтобы своевременно обнаружить увеличение паразитных спектральных признаков, как, например, усиленное спонтанное излучение или SRS. Такой высокий динамический спектр показан на Рисунке 4b и доказывает, что SRS не поддается обнаружению.

 

Измерения качества луча являются наиболее сложной частью характеристики волоконного лазера и заслуживают отдельного обсуждения. Вкратце, затухание без участия термических эффектов является ключевым и может быть организовано с использованием отражений Френеля или оптикой с малыми внутренними потерями. В экспериментах, представленных в данном обзоре, затухание вводилось с использованием клиновых пластин и импульсной накачки в масштабе времени, превышающем время наступления TMI.

 

Приложения в быстроразвивающейся науке

После десятилетнего затишья представляется вполне реальной разработка мощных одномодовых волоконных лазеров нового поколения киловаттного класса с отличным качеством луча. Уже достигнута выходная мощность 4.3 кВт, лимитированная только мощностью накачки, определены основные ограничения на пути дальнейшего развития и понятны способы их преодоления.

Мощность почти в 1 кВт уже была достигнута на одном волокне при усилении сверхбыстрыми лазерными импульсами, поэтому увеличение до 5 кВт вполне возможно благодаря комбинированию методов. В связи с тем, что системы разрабатываются для исследовательских центров, например, для ELI (Прага, Чешская Республика) — для промышленных систем остается еще непростой задачей дальнейшая разработка надежных средств передачи оптического сигнала.

 

Проделанная работа определила ряд интересных перспектив. С одной стороны, это передача результатов в производство, несмотря на то, что еще требуется приложить большие усилия в данном направлении, а с другой стороны, технология крайне важна для наращивания параметров других волоконно-оптических лазерных систем, например, для фемтосекундных волоконных усилителей.

 

По материалам http://www.lightwaveonline.com