Potenza del laser a fibra drogata con tulio

Negli ultimi anni, i laser a fibra drogata con tulio hanno attirato sempre più attenzione grazie ai loro vantaggi come la struttura compatta, la buona qualità del raggio e l’elevata efficienza quantica. Tra questi, i laser a fibra continua drogata con tulio ad alta potenza hanno importanti applicazioni in molti campi come l’assistenza medica, la sicurezza militare, le comunicazioni spaziali, il rilevamento dell’inquinamento atmosferico e la lavorazione dei materiali. Negli ultimi quasi 20 anni, i laser a fibra continua drogati con tulio ad alta potenza si sono sviluppati rapidamente e l'attuale potenza di uscita massima ha raggiunto il livello di kilowatt. Successivamente, diamo uno sguardo al percorso di miglioramento della potenza e alle tendenze di sviluppo dei laser a fibra drogata al tulio dagli aspetti degli oscillatori e dei sistemi di amplificazione.

La sorgente di pompa dei primi laser a fibra drogata con tulio utilizzava generalmente laser YAG a bassa potenza da 1064 nm o laser a colorante da 790 nm. A causa della bassa potenza della sorgente della pompa e delle limitazioni del processo di preparazione della fibra drogata all'indietro, la potenza di uscita dei laser a fibra drogata al tulio era solo dell'ordine dei watt. Con l'introduzione della tecnologia delle pompe a doppio rivestimento e la crescente maturità della tecnologia laser a semiconduttore ad alta potenza, anche la potenza di uscita dei laser a fibra drogata con tulio è in costante aumento.

Nel 1998, Jackson et al. dell'Università di Manchester nel Regno Unito ha utilizzato un laser a semiconduttore da 790 nm come sorgente di pompaggio e ha utilizzato la tecnologia di pompaggio del rivestimento per costruire un laser a fibra drogato con tulio, strutturato spazialmente e sintonizzabile in continuo, con una potenza di uscita massima di 5,4 W. Nel 2007, un laser a semiconduttore è stato sviluppato il laser a fibra germanata drogata. Il dispositivo sperimentale è mostrato nella Figura 1. In modalità di pompaggio single-end, è stata ottenuta un'emissione laser continua di 64 W a 1900 nm. Per ottenere una maggiore potenza di uscita, i ricercatori hanno utilizzato il pompaggio double-end e una fibra di guadagno lunga 40 cm, ottenendo infine un'emissione laser continua a 1900 nm di 104 W.

Nel 2009, l'Harbin Institute of Technology ha sviluppato un laser a fibra drogata con tulio con una struttura a cavità lineare interamente in fibra. È costituito da un reticolo di Bragg in fibra riflettente e dalla riflessione di Fresnel formata dalla faccia terminale della fibra drogata con tulio per formare una cavità risonante. È pompato da 793 nm LD. Alla fine è stata ottenuta una potenza in uscita di 39,4 W. Inoltre, hanno anche confrontato la potenza di uscita e le caratteristiche spettrali ottenute quando gli specchi FBG e dicroici venivano usati rispettivamente come accoppiatori ad alta riflessione, e hanno scoperto che l’efficienza della pendenza della struttura interamente in fibra era inferiore e la potenza di soglia era maggiore. Rispetto alla struttura spaziale, la struttura interamente in fibra era inizialmente limitata dalle prestazioni del dispositivo in fibra ottica e dalla qualità della giunzione, e i suoi vantaggi non erano evidenti. Con il continuo miglioramento della tecnologia di preparazione dei dispositivi in ​​fibra ottica e del livello di giunzione, le strutture interamente in fibra hanno gradualmente mostrato enormi vantaggi.

Nello stesso anno, un laser a fibra drogata al tulio ad alta potenza basato su una struttura spaziale ha utilizzato un LD da 793 nm per pompare una fibra drogata al tulio con un diametro del nucleo di 25 μm e un'apertura numerica (NA) di 0,08, e ha ottenuto un'uscita laser monomodale di 300 W. Successivamente, con una struttura simile, una fibra di campo a modalità larga con un diametro del nucleo di 40 μm e un'apertura numerica di 0,2 è stata utilizzata per ottenere un'uscita laser multimodale da 2040 nm di 885 W, che è la massima potenza di uscita ottenuta da un singolo oscillatore in fibra drogata al tulio.

Nel 2014, l'Università di Tsinghua ha segnalato un laser a fibra drogato con tulio ad alta potenza con una struttura a cavità lineare interamente in fibra, costituita da un reticolo di Bragg in fibra e una fibra di guadagno lunga 3 m. Come sorgenti di pompaggio sono stati utilizzati sette LD da 790 nm con una potenza di uscita massima di 70 W. Alla fine è stata ottenuta una potenza in uscita di 227 W. Nello stesso anno, la National University of Defense Technology ha utilizzato due laser a fibra Raman (RFL) ad alta potenza da 1173 nm come sorgenti di pompa per costruire un laser a fibra drogato al tulio con larghezza di linea stretta e ad alta efficienza con una struttura a cavità diritta interamente in fibra, e ha finalmente raggiunto una potenza di 96 W. Questo è stato il primo laser a fibra drogata con tulio segnalato con una lunghezza d'onda della pompa vicina a 1200 nm e una potenza di uscita dell'ordine di centinaia di watt. Ha inoltre fornito una soluzione di pompaggio molto promettente per aumentare la potenza di uscita dei laser a fibra drogata con tulio.

Nel 2015, l'Università di Scienza e Tecnologia di Huazhong ha utilizzato fibra di silice a doppio rivestimento drogata con tulio autoprodotta per costruire un laser a fibra drogata con tulio con una struttura a cavità lineare interamente in fibra. Ha utilizzato tre LD ad alta potenza da 793 nm per il pompaggio e ha ottenuto una potenza di uscita di 121 W. Questa è la prima volta che utilizza fibra ottica domestica drogata con tulio per ottenere una potenza di uscita di centinaia di watt a una lunghezza d'onda di 1915 nm. Inoltre, gli esperimenti hanno scoperto che aumentando il diametro del rivestimento interno della fibra di guadagno si può ottenere una migliore dissipazione del calore, il che fornisce anche idee per la gestione termica e il miglioramento della potenza dei laser a fibra drogata con tulio.