Công suất laser sợi pha tạp Thulium

Trong những năm gần đây, laser sợi quang pha tạp thulium ngày càng thu hút sự chú ý nhờ những ưu điểm như cấu trúc nhỏ gọn, chất lượng chùm tia tốt và hiệu suất lượng tử cao. Trong số đó, laser sợi quang pha tạp chất thulium liên tục công suất cao có ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực như chăm sóc y tế, an ninh quân sự, liên lạc không gian, phát hiện ô nhiễm không khí và xử lý vật liệu. Trong gần 20 năm qua, laser sợi quang pha tạp chất thulium liên tục công suất cao đã phát triển nhanh chóng và công suất đầu ra tối đa hiện nay đã đạt đến mức kilowatt. Tiếp theo, chúng ta hãy xem xét lộ trình cải thiện công suất và xu hướng phát triển của laser sợi quang pha tạp chất thulium từ khía cạnh bộ dao động và hệ thống khuếch đại.

Nguồn bơm của laser sợi quang pha tạp chất thulium đời đầu thường sử dụng laser YAG 1064 nm công suất thấp hoặc laser nhuộm 790 nm. Do công suất của nguồn bơm thấp và những hạn chế của quá trình chuẩn bị sợi pha tạp lạc hậu vào thời điểm đó, công suất đầu ra của laser sợi quang pha tạp chất thulium chỉ ở mức watt. Với sự ra đời của công nghệ bơm vỏ kép và sự trưởng thành ngày càng tăng của công nghệ laser bán dẫn công suất cao, công suất đầu ra của laser sợi pha tạp chất thulium cũng không ngừng tăng lên.

Năm 1998, Jackson và cộng sự. từ Đại học Manchester ở Anh đã sử dụng laser bán dẫn có bước sóng 790 nm làm nguồn bơm và sử dụng công nghệ bơm bọc để chế tạo một loại laser sợi quang pha tạp chất thulium có thể điều chỉnh liên tục có cấu trúc không gian với công suất đầu ra tối đa là 5,4 W. Năm 2007, một chất thulium- Laser sợi germanate pha tạp đã được phát triển. Thiết bị thí nghiệm được hiển thị trong Hình 1. Ở chế độ bơm một đầu, công suất laser liên tục 64 W thu được ở bước sóng 1900 nm. Để đạt được công suất đầu ra cao hơn, các nhà nghiên cứu đã sử dụng bơm hai đầu và sử dụng sợi quang dài 40 cm, và cuối cùng thu được công suất laser liên tục 1900 nm với công suất 104 W.

Năm 2009, Viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân đã phát triển laser sợi quang pha tạp thulium với cấu trúc khoang tuyến tính toàn sợi. Nó bao gồm một cách tử Bragg sợi phản xạ và sự phản xạ Fresnel được hình thành bởi mặt đầu sợi pha tạp chất thulium để tạo thành một khoang cộng hưởng. Nó được bơm bởi LD 793 nm. Cuối cùng, thu được công suất đầu ra là 39,4 W. Ngoài ra, họ cũng so sánh công suất đầu ra và các đặc tính quang phổ thu được khi FBG và gương lưỡng sắc lần lượt được sử dụng làm bộ ghép có độ phản xạ cao và nhận thấy rằng hiệu suất độ dốc của cấu trúc toàn sợi thấp hơn và công suất ngưỡng cao hơn. So với cấu trúc không gian, cấu trúc toàn sợi ban đầu bị hạn chế bởi hiệu suất của thiết bị sợi quang và chất lượng nối, và những ưu điểm của nó không rõ ràng. Với sự cải tiến liên tục của công nghệ chuẩn bị thiết bị sợi quang và trình độ nối, các cấu trúc toàn sợi đã dần thể hiện những ưu điểm rất lớn.

Cùng năm đó, laser sợi quang pha tạp chất thulium công suất cao dựa trên cấu trúc không gian đã sử dụng LD 793 nm để bơm sợi pha tạp chất thulium có đường kính lõi 25 μm và khẩu độ số (NA) là 0,08, và đã đạt được đầu ra laser đơn chế độ 300 W. Sau đó, với cấu trúc tương tự, sợi trường chế độ lớn có đường kính lõi 40 μm và khẩu độ số 0,2 đã được sử dụng để thu được đầu ra laser đa chế độ 2040 nm là 885 W, là công suất đầu ra tối đa thu được từ một bộ dao động sợi pha tạp chất thulium.

Vào năm 2014, Đại học Thanh Hoa đã báo cáo một loại laser sợi quang pha tạp chất thulium công suất cao với cấu trúc khoang tuyến tính toàn sợi, bao gồm một cách tử Bragg sợi và một sợi khuếch đại dài 3 m. Bảy LD 790nm có công suất đầu ra tối đa 70 W đã được sử dụng làm nguồn bơm. Cuối cùng, thu được công suất đầu ra là 227 W. Trong cùng năm đó, Đại học Công nghệ Quốc phòng đã sử dụng hai tia laser sợi quang Raman (RFL) công suất cao 1173nm làm nguồn bơm để chế tạo tia laser sợi quang pha tạp thulium băng thông hẹp hiệu suất cao với cấu trúc khoang thẳng toàn sợi, và cuối cùng đã đạt được công suất 96 W. Đây là laser sợi quang pha tạp chất thulium được báo cáo đầu tiên có bước sóng bơm gần 1200 nm và công suất đầu ra vào khoảng hàng trăm watt. Nó cũng cung cấp một giải pháp bơm rất hứa hẹn để tăng công suất đầu ra của laser sợi quang pha tạp chất thulium.

Vào năm 2015, Đại học Khoa học và Công nghệ Huazhong đã sử dụng sợi silica hai lớp pha tạp chất thulium tự chế tạo để chế tạo tia laser sợi pha tạp chất thulium với cấu trúc khoang tuyến tính toàn sợi. Nó sử dụng ba LD công suất cao 793nm để bơm và thu được công suất đầu ra là 121 W. Đây là lần đầu tiên sử dụng sợi quang pha tạp chất thulium trong nước để thu được công suất đầu ra hàng trăm watt ở bước sóng 1915 nm. Ngoài ra, các thí nghiệm còn phát hiện ra rằng việc tăng đường kính lớp bọc bên trong của sợi khuếch đại có thể tản nhiệt tốt hơn, điều này cũng mang lại ý tưởng về quản lý nhiệt và cải thiện công suất của laser sợi quang pha tạp chất thulium.