Крупный прорыв в области мощных лазеров в Китае 

Крупный прорыв в области мощных лазеров в Китае

Недавно компания Nanhu Light Laboratory Technology Co., Ltd. Национального университета оборонных технологий и Национальная ключевая лаборатория передовых технологий производства и применения оптического волокна и кабеля (National Key Laboratory of Advanced Manufacturing and Application Technology of Optical Fiber and Cable Co., Ltd.) из Optical Fiber and Cable Co., Ltd. добились крупного прорыва в технологии гибкой передачи мощного лазерного излучения на большие расстояния.

Исследовательская группа успешно использовала полое волокно для эффективной и стабильной передачи лазерного излучения мощностью 2 кВт по всему волокну на сверхбольшое расстояние 2,45 км. Выходной лазер сохранял превосходное качество луча, близкое к дифракционному пределу, что ознаменовало официальный переход мощного полого волокна для передачи энергии на большие расстояния от стадии теоретических исследований к стадии инженерного применения.

Мощные волоконные лазеры, благодаря своим значительным преимуществам, таким как превосходное качество луча, высокая эффективность преобразования, компактная структура и эффективное тепловое управление, широко используются в промышленной обработке, медицинской биотехнологии и научных исследованиях. В последние годы растёт спрос на гибкие системы передачи лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния. Однако передача лазерного излучения по сплошному волокну ограничена нелинейностью и тепловыми эффектами, что затрудняет одновременное поддержание высокого качества луча и высокой мощности. Традиционные сплошные оптические волокна обеспечивают дальность передачи 20 м при выходной мощности 5 кВт; однако при увеличении мощности до 8 кВт дальность передачи резко падает до всего 3 м, что серьёзно ограничивает их широкое промышленное применение.

Полые оптические волокна предлагают новый подход к решению этой проблемы. Антирезонансные полые волокна используют микроструктурированную оболочку для ограничения светового поля воздушной сердцевиной, уменьшая перекрытие с окружающим кварцевым стеклом примерно до 10⁻⁵, значительно снижая оптические нелинейные эффекты и повышая порог повреждения. Однако существующие системы передачи лазерного излучения высокой мощности по полому волокну в основном основаны на оптических компонентах, таких как линзы, которые подвержены влиянию окружающей среды и обладают низкой стабильностью.

Для решения этих задач исследовательская группа использовала коммерческий мощный лазер с центральной длиной волны 1080 нм и сплошное оптическое волокно 20/250 мкм в качестве выходного волокна. Для достижения эффективной связи в полностью волоконной структуре группа разработала пятитрубчатое двухгнездное антирезонансное полое волокно, согласованное по полю мод со сплошным волокном. Структура волокна показана на рисунке 1(a).

Для создания по-настоящему стабильной и эффективной «полностью волоконной» системы группа освоила несколько ключевых технологий. На рисунке 2 показана система передачи лазерного излучения на большие расстояния, полностью выполненная из полого волоконного лазера, в которой в качестве источника света используется лазер непрерывного излучения с длиной волны 1080 нм.

В экспериментах по передаче мощного лазера впервые наблюдалось вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) на кварцевой оболочке полого волокна. Для подавления этого эффекта после лазера была установлена ​​наклонная чирпированная брэгговская решетка (CTFBG), эффективно ограничивающая генерацию SRS в полом волокне. Это устройство CTFBG, изготовленное из волокна диаметром 20/250 мкм, имеет полосу затухания комбинационного рассеяния в диапазоне 1125–1150 нм и глубину затухания более 20 дБ.

Сплошное волокно, используемое для выхода волоконного лазера, имеет антибликовое покрытие, а сварка с малыми потерями в полом волокне достигается благодаря оптимизированному процессу сварки. В условиях испытаний на малой мощности потери в сварном соединении составили приблизительно 0,17 дБ, а обратные потери – приблизительно –28,5 дБ.