قدرت لیزر فیبر دوپینگ تولیوم

در سال های اخیر لیزرهای فیبر دوپ شده با تولیوم به دلیل مزایایی مانند ساختار فشرده، کیفیت پرتو خوب و راندمان کوانتومی بالا توجه بیشتری را به خود جلب کرده اند. از این میان، لیزرهای فیبر دوپ شده با تولیوم پیوسته با قدرت بالا، کاربردهای مهمی در بسیاری از زمینه‌ها مانند مراقبت‌های پزشکی، امنیت نظامی، ارتباطات فضایی، تشخیص آلودگی هوا و پردازش مواد دارند. در نزدیک به 20 سال گذشته، لیزرهای فیبر تولیوم پیوسته دوپ شده با توان بالا به سرعت توسعه یافته اند و حداکثر توان خروجی فعلی به سطح کیلووات رسیده است. در مرحله بعد، بیایید نگاهی به مسیر بهبود توان و روند توسعه لیزرهای فیبر دوپ شده با تولیوم از جنبه‌های نوسانگرها و سیستم‌های تقویت کنیم.

منبع پمپ لیزرهای فیبر اولیه دوپ شده با تولیوم معمولاً از لیزر 1064 نانومتری YAG یا لیزر رنگی 790 نانومتری استفاده می‌کرد. با توجه به قدرت کم منبع پمپ و محدودیت‌های فرآیند آماده‌سازی فیبر دوپینگ به عقب در آن زمان، توان خروجی لیزرهای فیبر دوپ‌شده با تولیوم تنها در سطح وات بود. با معرفی فناوری پمپ دو روکش و افزایش بلوغ فناوری لیزر نیمه هادی پرقدرت، توان خروجی لیزرهای فیبر دوپ شده با تولیوم نیز به طور مداوم در حال افزایش است.

در سال 1998، جکسون و همکاران. از دانشگاه منچستر در بریتانیا از لیزر نیمه هادی 790 نانومتری به عنوان منبع پمپ استفاده کرد و از فناوری پمپاژ روکش فلزی برای ساخت یک لیزر فیبر تولیوم با قابلیت تنظیم پیوسته ساختار فضایی با حداکثر توان خروجی 5.4 وات استفاده کرد. در سال 2007، یک تولیوم- لیزر فیبر ژرمنات دوپ شده ساخته شد. دستگاه آزمایشی در شکل 1 نشان داده شده است. در حالت پمپاژ تک سر، یک خروجی لیزر پیوسته 64 وات در 1900 نانومتر به دست آمد. به منظور دستیابی به توان خروجی بالاتر، محققان از پمپاژ دو طرفه استفاده کردند و از فیبر گین به طول 40 سانتی متر استفاده کردند و در نهایت خروجی لیزر پیوسته 1900 نانومتری 104 وات را به دست آوردند.

در سال 2009، موسسه فناوری هاربین یک لیزر فیبر دوپ شده با تولیوم با ساختار حفره خطی تمام فیبر توسعه داد. این شامل یک توری الیاف بازتابنده براگ و انعکاس فرنل است که توسط صفحه انتهایی فیبر آغشته به تولیوم تشکیل شده است تا یک حفره تشدید ایجاد کند. توسط 793 نانومتر LD پمپ می شود. در نهایت توان خروجی 39.4 وات به دست آمد. علاوه بر این، آن‌ها همچنین توان خروجی و ویژگی‌های طیفی به‌دست‌آمده در هنگام استفاده از آینه‌های FBG و دو رنگی به‌ترتیب به عنوان جفت‌کننده‌های بازتابی بالا را مقایسه کردند و دریافتند که راندمان شیب ساختار تمام فیبر کمتر و توان آستانه بالاتر بود. در مقایسه با ساختار فضایی، ساختار تمام فیبر در ابتدا با عملکرد دستگاه فیبر نوری و کیفیت اتصال محدود بود و مزایای آن آشکار نبود. با بهبود مستمر فناوری آماده سازی دستگاه فیبر نوری و سطح اتصال، ساختارهای تمام فیبر به تدریج مزایای بزرگی را نشان دادند.

در همان سال، یک لیزر فیبر دوپ شده با تولیوم با قدرت بالا بر اساس ساختار فضایی از یک LD 793 نانومتر برای پمپاژ فیبر دوپ شده با تولیوم با قطر هسته 25 میکرومتر و دیافراگم عددی (NA) 0.08 استفاده کرد و به این نتیجه رسید. یک خروجی لیزر تک حالته 300 وات. بعداً، با ساختار مشابه، یک فیبر میدان بزرگ با قطر هسته 40 میکرومتر و دیافراگم عددی 0.2 برای به دست آوردن یک خروجی لیزر چند حالته 2040 نانومتری 885 استفاده شد. W، که حداکثر توان خروجی به دست آمده توسط یک نوسان ساز فیبر دوپ شده با تولیوم است.

در سال 2014، دانشگاه Tsinghua یک لیزر فیبر دوپ شده با تولیوم با قدرت بالا با ساختار حفره خطی تمام فیبر، متشکل از یک توری براگ فیبر و یک فیبر افزایش 3 متری گزارش کرد. هفت LD 790 نانومتر با حداکثر توان خروجی 70 وات به عنوان منبع پمپ استفاده شد. در نهایت توان خروجی 227 وات به دست آمد. در همان سال، دانشگاه ملی فناوری دفاع از دو لیزر پرقدرت 1173 نانومتری فیبر رامان (RFL) به عنوان منبع پمپ برای ساخت یک لیزر فیبر تولیوم با پهنای خط باریک با کارایی بالا با ساختار حفره مستقیم تمام فیبر استفاده کرد. سرانجام به توان خروجی 96 وات دست یافت. این اولین لیزر فیبر دوپ شده با تولیوم با طول موج پمپ نزدیک به 1200 نانومتر و توان خروجی در حد صدها وات بود. همچنین یک راه حل پمپاژ بسیار امیدوارکننده برای افزایش توان خروجی لیزرهای فیبر دوپ شده با تولیوم ارائه کرد.

در سال 2015، دانشگاه علم و صنعت Huazhong از فیبر سیلیسی دوپوش دوپه شده با تولیوم خودساخته برای ساخت لیزر فیبر دوپ شده با تولیوم با ساختار حفره خطی تمام فیبر استفاده کرد. این اولین بار است که از فیبر نوری دوپ شده با تولیوم خانگی برای بدست آوردن توان خروجی صدها وات در طول موج 1915 نانومتر استفاده می شود. علاوه بر این، آزمایش‌ها نشان داد که افزایش قطر روکش داخلی فیبر گین می‌تواند به اتلاف گرمای بهتری دست یابد، که همچنین ایده‌هایی برای مدیریت حرارتی و بهبود توان لیزرهای فیبر دوپ‌شده با تولیوم ارائه می‌دهد.