Potência do laser de fibra dopada com túlio

Nos últimos anos, os lasers de fibra dopada com túlio têm atraído cada vez mais atenção devido às suas vantagens, como estrutura compacta, boa qualidade de feixe e alta eficiência quântica. Entre eles, os lasers de fibra dopada com túlio contínuos de alta potência têm aplicações importantes em muitos campos, como cuidados médicos, segurança militar, comunicações espaciais, detecção de poluição do ar e processamento de materiais. Nos últimos quase 20 anos, os lasers de fibra dopados com túlio contínuos de alta potência desenvolveram-se rapidamente e a potência máxima de saída atual atingiu o nível de quilowatts. A seguir, vamos dar uma olhada no caminho de melhoria de potência e nas tendências de desenvolvimento de lasers de fibra dopada com túlio nos aspectos de osciladores e sistemas de amplificação.

A fonte da bomba dos primeiros lasers de fibra dopada com túlio geralmente usava laser YAG de baixa potência de 1064 nm ou laser de corante de 790 nm. Devido à baixa potência da fonte da bomba e às limitações do processo de preparação de fibra dopada para trás na época, a potência de saída dos lasers de fibra dopada com túlio estava apenas no nível de watts. Com a introdução da tecnologia de bomba de revestimento duplo e a crescente maturidade da tecnologia de laser semicondutor de alta potência, a potência de saída dos lasers de fibra dopada com túlio também está aumentando constantemente.

Em 1998, Jackson et al. da Universidade de Manchester, no Reino Unido, usou um laser semicondutor de 790 nm como fonte de bomba e usou tecnologia de bombeamento de revestimento para construir um laser de fibra dopada com túlio continuamente sintonizável, espacialmente estruturado, com uma potência de saída máxima de 5,4 W. Em 2007, um laser de túlio- laser de fibra de germanato dopado foi desenvolvido. O dispositivo experimental é mostrado na Figura 1. No modo de bombeamento de extremidade única, uma saída contínua de laser de 64 W foi obtida em 1900 nm. Para obter maior potência de saída, os pesquisadores usaram bombeamento duplo e fibra de ganho de 40 cm de comprimento e, finalmente, obtiveram uma saída de laser contínua de 1900 nm de 104 W.

Em 2009, o Harbin Institute of Technology desenvolveu um laser de fibra dopada com túlio com uma estrutura de cavidade linear totalmente em fibra. Consiste em uma rede de Bragg de fibra reflexiva e a reflexão de Fresnel formada pela face final da fibra dopada com túlio para formar uma cavidade ressonante. É bombeado por 793 nm LD. Finalmente, foi obtida uma potência de saída de 39,4 W. Além disso, eles também compararam a potência de saída e as características espectrais obtidas quando FBG e espelhos dicróicos foram usados ​​​​como acopladores de alta reflexão, respectivamente, e descobriram que a eficiência de inclinação da estrutura totalmente em fibra era menor e a potência limite era maior. Em comparação com a estrutura espacial, a estrutura totalmente em fibra foi inicialmente limitada pelo desempenho do dispositivo de fibra óptica e pela qualidade da emenda, e suas vantagens não eram óbvias. Com a melhoria contínua da tecnologia de preparação de dispositivos de fibra óptica e do nível de emenda, as estruturas totalmente em fibra têm mostrado gradualmente enormes vantagens.

No mesmo ano, um laser de fibra dopada com túlio de alta potência baseado em uma estrutura espacial usou um LD de 793 nm para bombear uma fibra dopada com túlio com um diâmetro central de 25 μm e uma abertura numérica (NA) de 0,08, e alcançou uma saída de laser monomodo de 300 W. Mais tarde, com uma estrutura semelhante, uma fibra de campo de modo grande com um diâmetro de núcleo de 40 μm e uma abertura numérica de 0,2 foi usada para obter uma saída de laser multimodo de 2040 nm de 885 W, que é a potência máxima de saída obtida por um único oscilador de fibra dopada com túlio.

Em 2014, a Universidade de Tsinghua relatou um laser de fibra dopada com túlio de alta potência com uma estrutura de cavidade linear totalmente em fibra, consistindo em uma rede de Bragg de fibra e uma fibra de ganho de 3 m de comprimento. Sete LDs de 790 nm com potência máxima de saída de 70 W foram usados ​​como fontes de bomba. Finalmente, foi obtida uma potência de saída de 227 W. No mesmo ano, a Universidade Nacional de Tecnologia de Defesa usou dois lasers de fibra Raman (RFL) de alta potência de 1173 nm como fontes de bomba para construir um laser de fibra dopada com túlio de alta eficiência e largura de linha estreita com uma estrutura de cavidade reta toda em fibra, e finalmente alcançou uma potência de 96 W. Este foi o primeiro laser de fibra dopado com túlio relatado com um comprimento de onda de bomba próximo a 1200 nm e uma potência de saída da ordem de centenas de watts. Também forneceu uma solução de bombeamento muito promissora para aumentar a potência de saída de lasers de fibra dopada com túlio.

Em 2015, a Universidade de Ciência e Tecnologia Huazhong usou fibra de sílica dupla dopada com túlio para construir um laser de fibra dopada com túlio com uma estrutura de cavidade linear totalmente em fibra. Ele usou três LDs de 793 nm de alta potência para bombear e obteve uma potência de saída de 121 W. Esta é a primeira vez que usa fibra óptica dopada com túlio doméstica para obter potência de saída de centenas de watts em um comprimento de onda de 1915 nm. Além disso, experimentos descobriram que aumentar o diâmetro do revestimento interno da fibra de ganho pode alcançar melhor dissipação de calor, o que também fornece ideias para gerenciamento térmico e melhoria de potência de lasers de fibra dopada com túlio.