高出力ファイバーレーザーの技術的進化

高出力ファイバーレーザーの技術的進化

最適化ファイバーレーザー構造

1. 空間光ポンプ構造

初期のファイバーレーザーは主に光ポンピング出力を使用していた。レーザ出力は低いため、ファイバーレーザーの出力を短期間で急速に向上させることは困難である。1999年、ファイバーレーザーの研究開発分野で出力が初めて10,000ワットを超え、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使用し、共振器を形成し、ファイバーレーザーの傾斜効率を調査した結果、58.3%に達した。
しかしながら、ファイバーポンプ光とレーザー結合技術を用いてファイバーレーザーを開発することで、ファイバーレーザーの出力パワーを効果的に向上させることができる一方で、複雑さも伴います。これは、光路を構築するための光学レンズには適しておらず、光路構築の過程でレーザーを移動させる必要が生じた場合、光路も再調整する必要があるため、光ポンプ構造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開発に伴い、クラッドパワーストリッパーが徐々にレンズ部品に取って代わり、ファイバーレーザーの開発手順が簡素化され、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。この開発傾向は、ファイバーレーザーの実用化が徐々に進んでいることを象徴しています。直接発振器構造とMOPA構造は、市場で最も一般的なファイバーレーザーの構造です。直接発振器構造では、グレーティングが発振過程で波長を選択し、選択された波長を出力します。一方、MOPA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使用し、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パワーもある程度向上します。長期間にわたり、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、その後の研究により、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性を引き起こしやすく、出力レーザーの明るさが一定程度影響を受け、高出力効果にも直接的な影響を与えることが明らかになった。

ポンプ技術の発展に伴い

初期のイッテルビウム添加ファイバーレーザーの励起波長は通常915nmまたは975nmですが、これら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ませんでした。帯域内励起技術は直接励起技術の拡張であり、励起波長と伝送波長の波長差が小さいため、帯域内励起の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、その他の産業において高い応用価値を有しており、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たが、ファイバーレーザーの出力をさらに高めるには、既存の技術にはまだ多くのボトルネックが存在する。例えば、ファイバーレーザーの出力が単一ファイバー単一モードで36.6kWに達するかどうか、励起パワーがファイバーレーザーの出力に及ぼす影響、熱レンズ効果がファイバーレーザーの出力に及ぼす影響などである。

さらに、ファイバーレーザーの高出力技術の研究においては、横モードの安定性と光子減衰効果も考慮する必要がある。調査の結果、横モードの不安定性に影響を与える要因はファイバーの加熱であり、光子減衰効果とは、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出力を連続的に出力する際に​​、出力が急速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制限があることを意味することが明らかになった。

光子暗化効果の具体的な原因は現時点では明確に定義されていませんが、ほとんどの人は酸素欠陥中心と電荷移動吸収が光子暗化効果の発生につながると考えています。これらの2つの要因に基づいて、光子暗化効果を抑制するために次の方法が提案されています。アルミニウム、リンなどを使用して電荷移動吸収を回避し、最適化されたアクティブファイバーをテストして適用し、具体的な基準は、数時間にわたって3KWの出力を維持し、100時間にわたって1KWの安定した出力を維持することです。