高出力ファイバーレーザーの技術進化

高出力ファイバーレーザーの技術進化

最適化ファイバーレーザー構造

1、宇宙光ポンプ構造

初期のファイバーレーザーは主に光ポンプ出力を使用していましたが、レーザ出力が低いため、短期間でファイバーレーザーの出力を急速に向上させることは困難です。1999年、ファイバーレーザーの研究開発分野における出力は初めて10,000ワットを突破しました。ファイバーレーザーの構造は主に光双方向ポンピングを用いて共振器を形成し、調査の結果、ファイバーレーザーのスロープ効率は58.3%に達しました。
しかし、ファイバーレーザーの開発にファイバーポンプ光とレーザー結合技術を使用すると、ファイバーレーザーの出力を効果的に向上させることができますが、同時に複雑さがあり、光学レンズを使用して光路を構築するのに適していません。光路を構築するプロセスでレーザーを移動する必要がある場合、光路も再調整する必要があり、光ポンプ構造のファイバーレーザーの幅広い応用が制限されます。

2、直接発振器構造とMOPA構造

ファイバーレーザーの発展に伴い、クラッドパワーストリッパーがレンズ部品に徐々に取って代わり、ファイバーレーザーの開発工程が簡素化され、間接的にファイバーレーザーのメンテナンス効率が向上しました。この開発動向は、ファイバーレーザーが徐々に実用化されつつあることを象徴しています。市場で最も一般的なファイバーレーザーの構造は、直接発振器構造とMOPA構造の2つです。直接発振器構造は、グレーティングが発振過程で波長を選択して出力する構造で、MOPA構造はグレーティングによって選択された波長をシード光として用い、シード光は第1レベルの増幅器の作用によって増幅されるため、ファイバーレーザーの出力もある程度向上します。長年にわたり、MPOA構造のファイバーレーザーは、高出力ファイバーレーザーの好ましい構造として使用されてきました。しかし、その後の研究では、この構造における高出力はファイバーレーザー内部の空間分布の不安定化につながりやすく、出力レーザーの輝度がある程度影響を受け、これも高出力効果に直接影響を与えることが判明しました。

ポンプ技術の発展により

初期のイッテルビウムドープ光ファイバーレーザーの励起波長は通常915nmまたは975nmでしたが、この2つの励起波長はイッテルビウムイオンの吸収ピークであるため、直接励起と呼ばれていました。しかし、量子損失が大きいため、直接励起は広く普及していませんでした。インバンド励起技術は、直接励起技術の発展形であり、励起波長と透過波長の波長差がほぼ一定であるため、量子損失率は直接励起よりも小さくなります。

高出力ファイバーレーザー技術開発のボトルネック

ファイバーレーザーは軍事、医療などの分野で高い応用価値を有していますが、中国は30年近くにわたる技術研究開発を通じてファイバーレーザーの幅広い応用を推進してきました。しかし、ファイバーレーザーの出力をさらに高めるには、既存の技術には依然として多くのボトルネックがあります。例えば、ファイバーレーザーの出力がシングルファイバーシングルモード36.6kWに達するかどうか、励起電力がファイバーレーザーの出力に与える影響、熱レンズ効果がファイバーレーザーの出力に与える影響などです。

さらに、ファイバーレーザーの高出力技術の研究では、横モード安定性と光子暗化効果も考慮する必要があります。調査の結果、横モード不安定性の影響要因はファイバーの加熱であることが明らかになっています。光子暗化効果とは、主にファイバーレーザーが数百ワットまたは数キロワットの電力を連続出力する際に​​出力が急激に低下する傾向を示し、ファイバーレーザーの連続高出力には一定の限界があることを指します。

フォトンダークニング効果の具体的な原因は現時点では明確に特定されていませんが、酸素欠陥中心と電荷移動吸収がフォトンダークニング効果の発生につながると多くの人が考えています。これらの2つの要因に基づき、フォトンダークニング効果を抑制するために、アルミニウム、リンなどを用いて電荷移動吸収を回避し、最適化された活性ファイバーを試験・適用することで、具体的な基準としては、3kWの出力を数時間維持し、1kWの出力を100時間安定維持することが挙げられます。