A BWT a sűrű térbeli elrendezés (DSBC) elméletét javasolta, és a DSBC helyességét kilowatt-szintű szivattyúforrás kísérletével igazolta.Jelenleg egyetlen cső teljesítményét 15W-30W@BPP≈5-12mm*mrad-ra növelték, az elektrooptikai hatásfok pedig >60%, ami lehetővé teszi, hogy a nagy teljesítményű szivattyúforrás és a szálas kimenet magas szinten tartsa. fényerő, miközben csökkenti a hangerőt, csökkenthető a súly és javítható az elektro-optikai átalakítás hatékonysága.
A jelenlegi chip felhasználásával a BWT egy 135 μm magátmérőjű szivattyúforrást valósított meg, NA0.22 szálcsatolt kimenet, 420 W hullámhossz rögzítve 976 nm-en, minősége ≈ 500 g;és a mag átmérője 220 μm NA0.22 szálas csatolású kimenet 1000 W egy hullámhossz 976 nm (vagy 915 nm), minőség ≈ 400 g pumpaforrás.
A jövőben a félvezető chip fényerejének és az elektrooptikai hatékonyságának javításával a könnyű és nagy teljesítményű szivattyúforrások pótolhatatlan szerepet fognak játszani a kis volumenű, nagy teljesítményű szálas lézeres fényforrások gyártásában, és aktívan előmozdítják a fejlesztést. ipari alkalmazásokhoz.
Bevezetés
A szálas lézerek gyorsan növekedtek kiváló sugárminőségüknek és rugalmas teljesítménybővítési képességeiknek (szálkombinálóknak) köszönhetően.Az elmúlt években az egymódusú egyszálas szálas lézereket a TMI (transzverzális módusú instabilitás) és az SRS hatások korlátozzák, a félvezető direkt pumpáló szálas lézer-oszcillátorok teljesítménye pedig 5 kW-ra korlátozódik.
[1].A lézeres erősítő is leáll 10kW-on
[2].Bár a kimenő teljesítmény növelhető a magátmérő megfelelő növelésével, a kimeneti sugár minősége is -1-gyel csökken.Ennek ellenére továbbra is sürgető az igény a félvezető szivattyúforrások fényerejének javítására.
Az ipari feldolgozási alkalmazásokban a gerenda minőségére vonatkozó követelmények nem feltétlenül egymódusúak.Az egyszálas teljesítmény növelése érdekében néhány alacsony rendű mód megengedett.Eddig néhány üzemmódú, egyszálas és nyalábbal kombinált többmódusú lézerfényforrások 976 nm-es, több mint 5 kW-os szivattyúzáson alapuló, szakaszos alkalmazásokkal (főleg fémanyagok vágása és hegesztése), a megfelelő nagy teljesítményű szivattyúforrások gyártása kötegelt is.
Kisebb, könnyebb és stabilabb
A BPP félvezető chip és a szivattyúforrás fényereje közötti kapcsolat
Három évvel ezelőtt a 9xxnm-es chipek fényereje többnyire 3W/mm*mrad@12W-100μm szalagszélesség és 2W/mm*mrad@18W-200μm szalagszélesség szinten volt.Az ilyen chipek alapján a BWT 600 W-os és 1000 W-os 200 μm-es NA0.22 szálcsatolt kimenet-1-et ér el.
Jelenleg a 9xxnm-es chipek fényereje 3,75 W/mm*mrad@15W-100 μm szalagszélességet és 3 W/mm*mrad@30W-230 μm szalagszélességet ért el, és az elektrooptikai hatásfok alapvetően 60% körül van.
A sűrű térbeli elrendezés elmélete [6] szerint a 78%-os átlagos szálcsatolási hatásfok alapján számítják (lézeremisszió a chipről a szálcsatolás kimenetére: egyhullámú térnyaláb kombinálása és polarizációs nyaláb kombinálása VBG nélkül), és feltételezzük, hogy a chip a legnagyobb teljesítménnyel működik ( A chip BPP eltérő a különböző áramerősségeken), adattérképet állítottunk össze a következőképpen:
* Chip fényerő VS különböző mag átmérőjű szálcsatoló kimeneti teljesítmény
A fenti ábrán látható, hogy amikor egy bizonyos szál (a mag átmérője és NA rögzített) egy adott teljesítménycsatolási kimenetet ér el, különböző fényességű chipek esetén eltérő a chipek száma, valamint a szivattyúforrás térfogata és súlya. szintén különböznek.A szálas lézer szivattyúzási követelményeihez, ha a fenti, eltérő fényerősségű chipekből készült szivattyúforrást választjuk, az azonos teljesítményű szálas lézer tömege és térfogata teljesen eltérő, valamint a vízhűtő rendszer konfigurációja is. Eléggé különböző.
A jövő lézerfényforrásainak (legyen szó dióda lézerről, szilárdtestlézerről vagy szálas lézerről) fejlesztésének elkerülhetetlen trendje a nagy hatásfok, a kis méret és a könnyű súly, és ebben meghatározó szerepe van a félvezető chipek fényerejének, hatékonyságának és teljesítményének. .
Könnyű, nagy fényerejű, nagy teljesítményű szivattyúforrás
A szálkombinálóhoz való alkalmazkodás érdekében közös szálspecifikációkat választottunk: 135μm NA0.22 és 220μm NA0.22.A két szivattyúforrás optikai kialakítása sűrű térbeli elrendezést és polarizációs nyaláb kombinációt alkalmaz.
Ezek közül a 420WLD 3,75 W/mm*mrad@15W chipet és 135 μm NA0.22 szálat fogad be, és VBG hullámhossz-reteszeléssel rendelkezik, amely megfelel a 30-100%-os teljesítményhullám-reteszelés követelményeinek, az elektrooptikai hatásfok pedig 41%. .Az LD test alumíniumötvözet anyagból és szendvicsszerkezetből készül [5].A felső és alsó forgács megosztja a vízhűtő csatornát, ami javítja a helykihasználást.A fényfoltok elrendezése, spektruma és teljesítménye (teljesítmény a szálban) az ábrán látható:
*420W@135μm NA0.22 LD
6 LD-t választottunk ki a magas és alacsony hőmérsékletű lökés- és vibrációs tesztekhez.A tesztadatok a következők:
* Magas és alacsony hőmérsékletű ütési teszt
*Rezgésvizsgálat
Az 1000WLD egy 3W/mm*mrad@30W chipet és egy 220μm-es NA0.22 szálat tartalmaz, amelyek 915 nm-es, illetve 976 nm-es, 1000 W-os szálcsatolt kimenetet érnek el, az elektrooptikai hatásfok pedig >44%.Az LD test szintén alumíniumötvözetből készült.A nagyobb teljesítmény/tömeg arány elérése érdekében az LD héjat leegyszerűsítették azzal a feltétellel, hogy biztosítsák a szerkezeti szilárdságot.Az LD minőség, a pontelrendezés és a kimeneti teljesítmény (teljesítmény a szálban) a következők:
*1000W@220μm NA0.22 LD
A szivattyúforrás megbízhatóságának javítása érdekében a csatlakozóvégi szál kvarc végsapkás fúziós és burkolati fényszűrő technológiát alkalmaz, amely a szál hőmérsékletét a szivattyúforráson kívül szobahőmérséklethez közelíti.Hat 976 nmLD-t választottak ki a magas és alacsony hőmérsékletű sokk- és vibrációs tesztekhez.A teszt eredményei a következők:
* Magas és alacsony hőmérsékletű ütési teszt
* Magas és alacsony hőmérsékletű ütési teszt
*Rezgésvizsgálat
Következtetés
A nagy fényerejű kimenet elérése az elektrooptikai hatásfok rovására megy, vagyis nem érhető el egyszerre a legnagyobb kimeneti teljesítmény és a legmagasabb elektrooptikai hatásfok, amit a chip fényessége és a csatolás normalizált frekvenciája határoz meg. rost.A több egycsöves térnyaláb-kombinációs technológiában mindig a fényerő és a hatékonyság az a cél, amelyet egyszerre nem lehet elérni.Az elektrooptikai hatásfok és teljesítmény egyensúlyát az adott alkalmazásnak megfelelően kell meghatározni.
Hivatkozások
[1] Mller Friedrich, Krmer Ria G., Matzdorf Christian és munkatársai, „Multi-kW performance analysis of Yb-doped monolithic single-mode amplifier and oscillator setup”, Fiber Lasers XVI: Technology and Systems (2019).
[2] Gapontsev V, Fomin V, Ferin A és munkatársai, „Diffraction Limited Ultra-High-Power Fiber Lasers”, Advanced Solid-state Photonics (2010).
[3] Haoxing Lin, Li Ni, Kun Peng és munkatársai: „Kína hazai gyártású, YDF-vel adalékolt szálas lézere 20 kW teljesítményt ért el egyetlen szálból”, Chinese Journal of Lasers, 48(09), (2021).
[4] Cong Gao, Jiangyun Dai, Fengyun Li és munkatársai, „Homemade 10-kW Ytterbium-Doped Aluminophosphoslicate Fiber for Tandem Pumping”, Chinese Journal of Lasers, 47(3), (2020).
[5] Dan Xu, Zhijie Guo, Tujia Zhang és munkatársai, „600 W-os nagy fényerejű dióda lézeres pumpáló forrás”, Spie Laser, 1008603, (2017).
[6] Dan Xu, Zhijie Guo, Di Ma és munkatársai, "Nagy fényerejű KW-osztályú közvetlen diódalézer", Nagy teljesítményű Diode Laser Technology XVI, High-Power Diode Laser Technology XVI, (2018).
A 2003-ban alapított BWT globális lézeres megoldások szolgáltatója.A „Let the Dream Drive the Light” küldetése és a „Kiemelkedő innováció” értékei mellett a vállalat elkötelezett amellett, hogy jobb lézertermékeket hozzon létre, valamint diódalézereket, szálas lézereket, ultragyors lézertermékeket és megoldásokat biztosítson a globális ügyfelek számára.Eddig több mint 10 millió BWT lézer működik stabilan online a világ több mint 70 országában és régiójában.
Feladás időpontja: 2022. május 11