BWT предложи теорията за плътното пространствено подреждане (DSBC) и потвърди коректността на DSBC чрез експеримент с източник на помпа на ниво киловат.Понастоящем мощността на една тръба е увеличена до 15W-30W@BPP≈5-12mm*mrad, а електро-оптичната ефективност е >60%, което позволява на източника на помпа с висока мощност, съчетан с изход от влакна, да поддържа висока изходна яркост при намаляване на обема, Възможно е да се намали теглото и да се подобри ефективността на електрооптичното преобразуване.
Използвайки настоящия чип, BWT съответно е реализирал източник на помпа с диаметър на сърцевината от 135 μm NA0.22 свързан с влакно изход 420 W дължина на вълната, заключена при 976 nm, качество ≈ 500 g;и диаметър на сърцевината от 220μm NA0.22 влакнесто свързан изход 1000W единична дължина на вълната 976nm (или 915nm), качество ≈ 400g източник на помпа.
В бъдеще, с подобряването на яркостта на полупроводниковия чип и електрооптичната ефективност, леките и високомощни източници на помпа ще играят незаменима роля в производството на малки обеми на лазерни светлинни източници с висока мощност и активно ще насърчават развитието на индустриални приложения.
Въведение
Влакнестите лазери се разраснаха бързо поради отличното си качество на лъча и гъвкави възможности за разширяване на мощността (комбинатори на влакна).През последните години едномодовите едновлакнести влакнести лазери са ограничени от TMI (нестабилност на напречен режим) и SRS ефекти, а мощността на полупроводниковите лазерни осцилатори с директно изпомпване е ограничена до 5kW
[1].Лазерния усилвател също е спрян на 10kW
[2].Въпреки че изходната мощност може да се увеличи чрез подходящо увеличаване на диаметъра на сърцевината, качеството на изходния лъч също намалява -1.Независимо от това, търсенето за подобряване на яркостта на източниците на полупроводникова помпа все още е спешно.
Изискванията за качество на лъча в приложенията за промишлена обработка не са непременно едномодови.За да се увеличи мощността на единично влакно, се допускат няколко режима от нисък ред.Досега многомодови лазерни светлинни източници с няколко режима с едно влакно и комбинирани лъчи, базирани на 976nm изпомпване с повече от 5kW С партидни приложения (главно рязане и заваряване на метални материали), производството на съответните източници на помпа с висока мощност също е партидно мащабиран.
По-малък, по-лек и по-стабилен
Връзката между BPP на полупроводниковия чип и яркостта на източника на помпата
Преди три години яркостта на 9xxnm чипове беше предимно на ниво 3W/mm*mrad@12W-100μm ширина на лентата и 2W/mm*mrad@18W-200μm ширина на лентата.Базиран на такива чипове, BWT постига 600W и 1000W 200μm NA0.22 fiber-coupled output-1.
Понастоящем яркостта на 9xxnm чипове е постигнала 3,75 W/mm*mrad@15W-100μm ширина на лентата и 3W/mm*mrad@30W-230μm ширина на лентата, а електрооптичната ефективност основно се поддържа на около 60%.
Съгласно теорията за плътното пространствено подреждане [6], тя се изчислява според средната ефективност на свързване на влакна от 78% (лазерно излъчване от чипа към изход на свързване на влакна: комбиниране на пространствен лъч с една дължина на вълната и комбиниране на поляризационен лъч без VBG), и се предполага, че чипът работи при най-висока мощност (BPP на чипа е различен при различни токове), ние сме съставили карта на данните, както следва:
* Яркост на чипа СРЕЩУ различен диаметър на сърцевината на свързване на влакна Изходна мощност
От фигурата по-горе може да се установи, че когато определено влакно (диаметърът на сърцевината и NA е фиксиран) постигне специфична изходна мощност на свързване, за чипове с различна яркост, броят на чиповете е различен, а обемът и теглото на източника на помпата също са различни.За изискванията за изпомпване на влакнестия лазер, ако е избран източникът на помпа, направен от горните чипове с различна яркост, теглото и обемът на влакнестия лазер със същата мощност са напълно различни и конфигурацията на системата за водно охлаждане също е доста различен.
Високата ефективност, малкият размер и лекото тегло са неизбежните тенденции в развитието на бъдещи източници на лазерна светлина (независимо дали са диодни лазери, лазери в твърдо състояние или лазери с влакна), а яркостта, ефективността и мощността на полупроводниковите чипове играят решаваща роля в това .
Лек, високоярък източник на помпа с висока мощност
За да се адаптираме към комбинатора за влакна, ние избрахме общи спецификации на влакна: 135μm NA0.22 и 220μm NA0.22.Оптичният дизайн на двата източника на помпа приема плътно пространствено разположение и комбиниране на поляризационния лъч.
Сред тях 420WLD използва 3,75 W/mm*mrad@15 W чип и 135 μm NA0.22 влакно и има VBG заключване на дължината на вълната, което отговаря на изискванията за 30-100% мощност на заключване на вълната, а електрооптичната ефективност е 41% .Корпусът на LD е изработен от материал от алуминиева сплав и сандвич структура [5].Горните и долните чипове споделят канала за водно охлаждане, което подобрява оползотворяването на пространството.Разположението на светлинното петно, спектърът и изходната мощност (мощност във влакното) са показани на фигурата:
*420W@135μm NA0,22 LD
Избрахме 6 LDs за тестове за удар и вибрации при висока и ниска температура.Данните от теста са както следва:
*Тест за удар при висока и ниска температура
*Вибрационен тест
1000WLD приема 3W/mm*mrad@30W чип и 220μm NA0.22 влакно, което постига 915nm и 976nm свързана с влакна изходна мощност от 1000W съответно, а електро-оптичната ефективност е >44%.Корпусът на LD също е изработен от материал от алуминиева сплав.За да се постигне по-високо съотношение мощност към маса, обвивката на LD е опростена при условие за осигуряване на структурна здравина.Качеството на LD, разположението на спотовете и изходната мощност (мощност във влакното) са както следва:
*1000W@220μm NA0,22 LD
За да се подобри надеждността на източника на помпата, съединителното крайно влакно използва технология за сливане на кварцова крайна капачка и облицовъчна филтрираща светлина, което прави температурата на влакното извън източника на помпата близка до стайната температура.Бяха избрани шест 976nmLD за тестове за удар и вибрации при висока и ниска температура.Резултатите от теста са както следва:
*Тест за удар при висока и ниска температура
*Тест за удар при висока и ниска температура
*Вибрационен тест
Заключение
Постигането на висока яркост е за сметка на електрооптична ефективност, тоест най-високата изходна мощност и най-високата електрооптична ефективност не могат да бъдат получени едновременно, което се определя от яркостта на чипа и нормализираната честота на свързване фибри.В мулти-еднотръбната технология за комбиниране на пространствен лъч, яркостта и ефективността винаги са целите, които не могат да бъдат постигнати едновременно.Балансът между електрооптична ефективност и мощност трябва да се определи според конкретното приложение.
Препратки
[1] Mller Friedrich, Krmer Ria G., Matzdorf Christian, et al, „Multi-kW анализ на ефективността на монолитен едномодов усилвател и настройка на осцилатор с добавка Yb“, Fiber Lasers XVI: Technology and Systems (2019).
[2] Gapontsev V, Fomin V, Ferin A, et al, „Diffraction Limited Ultra-High-Power Fiber Lasers,“ Advanced Solid-state Photonics (2010).
[3] Haoxing Lin, Li Ni, Kun Peng, et al, „Произвежданият в Китай лазер с легирани влакна YDF постигна мощност от 20kW от едно влакно,“ Китайски журнал за лазери, 48(09),(2021).
[4] Cong Gao, Jiangyun Dai, Fengyun Li, et al, „Домашно 10-kW алуминофосфосиликатно влакно с добавка на итербий за тандемно изпомпване,“ Китайски журнал за лазери, 47(3), (2020).
[5] Dan Xu, Zhijie Guo, Tujia Zhang, et al, „600 W високоярък диоден лазерен изпомпващ източник,“ Spie Laser, 1008603, (2017).
[6] Dan Xu, Zhijie Guo, Di Ma, et al, „Директен диоден лазер с висока яркост KW-клас“, High-power Diode Laser Technology XVI, High-Power Diode Laser Technology XVI, (2018).
Основана през 2003 г., BWT е глобален доставчик на услуги за лазерни решения.С мисията „Нека мечтата да движи светлината“ и ценностите на „Изключителна иновация“ компанията се ангажира да създава по-добри лазерни продукти и да предоставя диодни лазери, лазери с влакна, ултрабързи лазерни продукти и решения за глобални клиенти.Досега повече от 10 милиона BWT лазери работят стабилно онлайн в повече от 70 страни и региони по света.
Време на публикуване: 11 май 2022 г