CC BY
6ВКВ0-2023- ЛАЗЕРЫ
УЗКОПОЛОСНЫЙ ОДНОМОДОВЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР И УСИЛИТЕЛЬ С ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТЬЮ ДО 2 КВТ И С СОХРАНЕНИЕМ СОСТОЯНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ
Колегов А.А. *, Абакшин А.А., Горбачев А.В., Василевич А.В., Фролов Д.А., Козляков М.С., Арсланов И.Р., Козлякова К.А., Баталин А.В.
ООО «Нордлэйз», г. Санкт-Петербург * E-mail: a.kolegov@nordlase.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-194-195
На сегодняшний момент высоким качеством излучения в сочетании с высоким КПД и высокой мощностью (до 10 кВт) обладают волоконные лазеры. Ряд физических факторов ограничивают выходную мощность одномодового излучения волоконного лазера до 10 кВт. Значительных успехов в наращивании мощности одномодовых узкополосных волоконных лазеров достигла азиатские группы ученых, среди которых можно отметить работы [1] 6 кВт и 0,86 нм ,[2] 5 кВт и 0,59 нм, [3] 4 кВт и 0,62 нм ,[4] 5 кВт и 0,37 нм, [5] 3 кВт и 0,2 нм, [6] 2,4 кВт и 0,24 нм, [7] 3,5 кВт и 0,175 нм, [8] 2 кВт и 0,29 нм, [9] 2,43 кВт и 0,25 нм. Как видно уровень мощности узкополосного лазерного излучения достиг 6 кВт. Поддержка состояния поляризации осуществлена в работах [3, 5, 9] и максимальная мощность при этом составляет 4 кВт. Привлекательными выглядят результаты с мощностью 6 и 5 кВт, но при такой мощности оказывается достаточно большая тепловая нагрузка на волокно и, как следствие, более выраженное проявление нелинейных и других эффектов, приводящих к модовой нестабильности, уширению спектра и ухудшению качества пучка. Снизить влияние негативных эффектов позволяют некоторые конструктивные приемы, обеспечивающие эффективный теплоотвод, использование низких температур охлаждающей жидкости на уровне 10 0С, использование малых радиусов укладки волокна (на уровне 5 см) для фильтрации мод высшего порядка. Все эти особенности требуют тщательной отработки и анализа надежности полученного решения. Целью настоящей работы является создание лазера с выходной мощностью до 2 кВт и шириной спектра излучения уровня 0.1 нм.
Для достижения узкополосного лазерного излучения высокой мощности необходимо использовать схему «задающий генератор - усилитель» (MOPA). В случае использования только генератора спектр излучения будет составлять более 3 нм, что сделает лазер не пригодным к когерентному сложению. В рассмотренных работах [1-9] в качестве задающего генератора используются два варианта лазеров:
1. Одночастотный лазер с использованием фазовых модуляторов для уширения спектра;
2. Генератор с резонатором Фабри-Перо.
В первом случае всегда обеспечивается узкий спектр, поскольку уширение излучения во время усиления во многом зависит от числа продольных мод [5, 6, 10 - 12]. Однако в схеме используются волоконные фазовые модуляторы, которые могут выйти из строя в случае распространения высокой мощности, кроме того для модулятора необходим ВЧ драйвер и усилитель.
Во втором случае задающий генератор будет прост в исполнении и обладать должным уровнем надежности. Но для обеспечения требуемой ширины спектра необходимо оптимально определить модовый состав изменяя длину резонатора и ширину спектра волоконных брэгговских решеток (ВБР).
Волокно с поддержкой состояния поляризации типа PANDA имеет наведенное двулучепреломление за счет внесения в конструкцию волокна стержней, создающих упругое
напряжение. В итоге в таком волокне появляется разница в показателе преломления относительно приложенного упругого напряжения, что приводит к возникновению разницы скоростей распространения света между двумя собственными поляризационными модами волновода. Вследствие разницы скоростей распространяющиеся моды соответствуют «быстрой» и «медленной» оси. В спектре излучения такая разница проявляется как показано на рисунке 1.
Наиболее практичный и надежный способ выделить одну
поляризационную моду заключается в записи ВБР
специальным образом, позволяющим осуществить селекцию мод [13, 14].
За основу задающего генератора воспользуемся
1062 5 1063.0 1063.5 1064 0 1064 5 Wavelength ímn)
Рис. 1. Спектр излучения при наличии «быстрой» и «медленной» поляризационной моды
ВКВО-2023- ЛАЗЕРЫ
решением работы [5] и внесем в схему некоторые изменения. Схема задающего генератора с модификациями представлена на рисунке 2.
Основной усилитель с выводным оптоволокном должен обладать
минимальной длиной для снижения уширения
спектра излучения, поэтому для накачки активного волокна будут использоваться лазерные диодные модули со стабилизацией спектра излучения. Кроме того, необходимо организовать двунаправленную накачку с преимущественно обратной, т.к. такой способ позволяет сосредоточить усиление сигнала в выходной части усилителя и минимизировать влияние нелинейных эффектов. Схема усилителя представлена на рисунке 3.
532 нм
140Вт 976 нм LD 140Вт 976 нм LD 10-20 мкм 140Вт 976 нм LD
I\IFA|- CPS j
10 Вт
BPD FPQ
14 х
140Вт 976 ни LD
140Вт 976 HMLD
140Вт 976 нм LD QBH
CPS —Ж- 1:5-2 кВт 140Вт 976 HMLD 140Вт 976 нм LD 140Вт 976 нм LD
Рис. 3. Схема основного усилителя
Таким образом, выполнена разработка и изготовление волоконного лазера и усилителя узкополосного сигнала с минимальной входной шириной спектра излучения 40 пм и входной мощностью до 2 кВт для многоканальных систем когерентного, спектрального сложения и других применений. Разработанный усилитель имеет эффективность «свет в свет» 75%. Повышение порогов ВРМБ и модовой нестабильности обеспечено путем организации обратной накачки, стабилизированной по длине волны, при этом максимальная мощность излучения достигается в конце каскада усиления. Паразитная генерация минимизирована путем организации косых сколов на свободных торцах волокон. Минимизация уширения спектра при усилении достигается за счет малого количества продольных мод задающего генератора и укорочением длины волокна в оптическом тракте.
Литература
1. Wang, G., et al, High Power Laser Science and Engineering 10, 1-6 (2022)
2. Ma, P., et al, High Power Laser Science and Engineering 9, 1-7 (2021)
3. Huang Z. -M, et al, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS 33, 1181- 1184 (2021)
4. Ren, S., et al, Nanomaterials 12, 2541-2548 (2022)
5. Wang Y., et al, Laser Phys. Lett. 17, 075101 -075108 (2020)
6. Wang Y., et al, Laser Phys. Lett. 17, 015102 -015108 (2020)
7. Tenglong Li, et al, Laser Phys. 28, 105101 -1051018 (2018)
8. Zhang L., et al, Proc. of SPIE11717, 117173H-1 (2020)
9. Su R., et al, Laser Phys. Lett. 14 085102 -085106 (2017)
10. Zhang L., et al, AIP Conf Proc. 2098, 020019-1-020019-7 (2019)
11. Feng Y., et al, Optics Communications 403, 155-161 (2017)
12. Huang Z., et al, Applied Optics 55, 297-302 (2016)
13. Shirakawa A., et al, CLEO, 1-2 (2007)
14. Jiang M., et al, High Power Laser Science and Engineering 5, e30 (2017)
