Лазерный мир

Томас Шрайбер, Франц Бейер, Николетта Хаарламмер, Рамона Эберхардт и Андреас Тюнерманн

Улучшенное понимание возникновения неустойчивостей моды позволяет разрабатывать волокна, легированные иттербием, для мощных лазерных приложений.
18 апреля 2016 года, SPIE Newsroom. DOI: 10.1117 / 2.1201603.006360

Интенсивные недавние исследования были сосредоточены на масштабировании мощности для волоконных лазеров и усилительных систем, которые имеют с дифракционно-ограниченных качество луча и работают в области длины волны 1 мкм (1). Для нескольких приложений требуются такие высокие уровни мощности, но с 2010 года в масштабировании мощности одномодовых волоконных лазерныхсистем добились ограниченного прогресса. Этот недостаток прогресса обусловлен нестабильностью режима (MIs, mode instabilities), т. е. новым типом ограничения, где выше определенного порога мощности основная мода обменивается энергией с модами более высокого порядка на коротком временном масштабе и таким образом дестабилизирует профиль пучка (2, 3).
Эффект MI наблюдался во всех мощных системах, независимо от типа используемого активного волокна (например, волоконно-оптических волокон с шаговым индексом и фотонно-кристаллических волокон стержневого типа) (2-5). Недавние эксперименты (6) показали, что главной причиной эффекта является средняя тепловая нагрузка. Это в основном связано с потерями, вызванными фотопотемнением (явление потерь передачи от поглощения или рассеяния в прозрачных средах) и квантовый дефект лазерного процесса (отношение энергии фотона накачки к лазерному фотону, где разность переносится как тепло).
Основываясь на правилах фотопотемнения в волокнах, легированных иттербием, мы адаптировали наш внутренний процесс изготовления волокон для низко-числовых апертур (NA), низкофотопотемнющих волокон за счет уменьшения концентрации ионов иттербия. Наши полученные волокна имеют диаметр сердечника 22,5 мкм и сердечник накачки диаметром 450 мкм. Мы использовали эти волокна в мощной установке, которая обеспечивает одномодовый выход со средней мощностью 3,3 кВт с коэффициентом качества луча (М2) <1,3. Кроме того, наш лазерный выход не был ограничен возникновением нестабильности моды.
Мы использовали модифицированный процесс химического осаждения из паровой фазы и легирование раствором алюминия и иттербия для получения одного предварительно спроектированного слоя диоксида кремния, легированного фосфором, для нашей заготовки волокна. Известно, что совместное легирование фосфором снижает фотопотемнение (7) и поэтому выгодно для повышения порога MI. Кроме того, когда алюминиевые и фосфорные примеси смешиваются d одинаковой пропорции, они проявляют необычное поведение, которое приводит к почти неизменному показателю преломления (8). Наша изготовленная сердцевина с концентрациями легирования около 1 моль% фосфора, 1 моль% алюминия и 0,1 моль% иттербия — обеспечивает низкий NA 0,04 и сердечник диаметром 22,5 мкм. Мы выбрали восьмиугольную сердцевину накачки диаметром 450 мкм, в результате чего длина поглощения поглотителя составляла 30 м при длине волны 976 нм. Эта относительно большая длина также обеспечивала низкую тепловую нагрузку на метр.
Чтобы доказать применимость и производительность нашей конструкции волокна, мы использовали настройку усилителя обратной волны. Задатчик представляли собой узкополосный волоконно-усиленный лазер с внутренней полостью, который мы фазомодулировали перед усилением амплификации (до 170 ppm) для подавления вынужденного рассеяния Бриллюэна. Эта полоса частот адаптирована к таким приложениям, как спектральногообъединение лучей (9). Мощность задатчика составляла 10 Вт, которая направлялась в свободном пространстве в сердечник основного усилителя. Источником накачки был промышленный лазерный диод, который обеспечивал при стабилизации по температуре излучение около 976 нм. Выходная характеристика, которая показала очень хороший наклон графика для эффективности 90%, показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Выходная характеристика системы волоконного усилителя, в которую вошли волокна с низким фотопотемнением, легированные иттербий-алюминием.

Чтобы еще раз доказать, что выходная мощность нашего волокна не ограничена нестабильностью моды, мы направили часть вывода на фотодиод для надлежащего оценивания (10). Отмечено стандартное отклонение сигнала фотодиода относительно выходной мощности На рисунке 2. Эти результаты не показывают признаков MI. Измерение качества луча также показано на рисунке 3. Это измерение не зависит от выходной мощности. Наконец, мы использовали оптический анализатор спектра с высоким динамическим диапазоном для измерения спектра. Мы не обнаружили признаков вынужденного комбинационного рассеяния или усиленного спонтанного излучения вплоть до уровня -80 дБ (см. Рис. 4). Поэтому наши результаты показывают, что возможно дальнейшее масштабирование мощности волоконных лазеров.

Рисунок 2. Оценка сигнала фотодиода. Нет никаких признаков неустойчивости режима.

Рисунок 3. Измерение качества луча волоконного усилителя, приводящее к коэффициенту качества луча (М2) 1,27 в направлении координат х и М2 1,21 в направлении координат y, рассчитанном с использованием метода 4-Sigma.

Рисунок 4. Спектральное измерение при выходной мощности 3,3 кВт. Измерение проводилось с использованием анализатора оптического спектра с высоким динамическим диапазоном. ДБ: децибелы.

Таким образом, мы получили глубокое понимание происхождения нестабильности моды и объяснили возможности для разработки волокон, легированных иттербием. Таким образом, мы реализовали волокна, способные производить 3 кВт мощности или больше. Кроме того, наши волокна еще не ограничены модальными неустойчивостями мод или неупругим рассеянием для непрерывной волны, узким спектром излучения. В будущем мы планируем применять наши волокна в разных лазерных системах для дальнейшего увеличения их мощности.

Эта работа частично финансируется Федеральным министерством образования и исследований в рамках проекта TEHFA II (контракт FKZ 13N13652).

ССЫЛКИ:
1. A. Flores, I. Dajani, Kilowatt-class, all-fiber amplifiers for beam combining, SPIE Newsroom, 2016. doi:10.1117/2.1201512.006238
2. C. Jauregui, J. Limpert, A. Tünnermann, High-power fibre lasers, Nat. Photon. 7, p. 861-867, 2013.
3. N. Haarlammert, O. de Vries, A. Liem, A. Kliner, T. Peschel, T. Schreiber, R. Eberhardt, A. Tünnermann, Build up and decay of mode instability in a high power fiber amplifier, Opt. Express 20, p. 13274-13283, 2012.
4. T. Eidam, C. Wirth, C. Jauregui, F. Stutzki, F. Jansen, H.-J. Otto, O. Schmidt, T. Schreiber, J. Limpert, A. Tünnermann, Experimental observations of the threshold-like onset of mode instabilities in high power fiber amplifiers, Opt. Express 19, p. 13218-13224, 2011.
5. N. Haarlammert, B. Sattler, A. Liem, M. Strecker, J. Nold, T. Schreiber, R. Eberhardt, A. Tünnermann, K. Ludewigt, M. Jung, Optimizing mode instability in low-NA fibers by passive strategies, Opt. Lett. 40, p. 2317-2320, 2015.
6. C. Jauregui, H.-J. Otto, F. Stutzki, J. Limpert, A. Tünnermann, Simplified modelling the mode instability threshold of high power fiber amplifiers in the presence of photodarkening,Opt. Express 23, p. 20203, 2015.
7. D. J. DiGiovanni, J. B. MacChesney, T. Y. Kometani, Structure and properties of silica containing aluminum and phosphorus near the AlPO4 join, J. Non-Cryst. Sol. 113, p. 58-64, 1989.
8. O. Arnould, F. Hild, EPMA measurements of diffusion proles at the submicrometre scale,Mikrochim. Acta 139, p. 3-10, 2002.
9. C. Wirth, O. Schmidt, I. Tsybin, T. Schreiber, R. Eberhardt, J. Limpert, A. Tünnermann, et al., High average power spectral beam combining of four fiber amplifiers to 8.2kW, Opt. Lett. 36, p. 3118-3120, 2011.

Источник:

http://spie.org/newsroom/6360-single-mode-ytterbium-doped-fibers-for-3kw-lasers-and-beyond