Прорыв в области ключевых компонентов для мощных волоконных лазеров 

Прорыв в области ключевых компонентов для мощных волоконных лазеров

В сфере мощных волоконных лазеров комбинер накачки типа (N+1)×1 уже давно является важнейшим компонентом, определяющим выходную мощность системы и качество лазерного луча. Долгое время на рынке мощных лазеров с сохранением поляризации (PM) доминировала конфигурация с торцевой накачкой (схема 6+1), что объяснялось отработанной технологией производства и высокой эффективностью ввода излучения.

Однако у схемы 6+1 с торцевой накачкой есть неизбежная проблема: сложность сварки сигнального волокна с выходным волокном. Для PM-волокон требуемая точность юстировки при сварке чрезвычайно высока; даже малейшее отклонение может привести к ухудшению коэффициента экстинкции и резкому росту вносимых потерь. Это не только значительно усложняет производство и повышает требования к выходу годной продукции, но и становится критическим препятствием для массового выпуска мощных PM-лазеров. Кроме того, в схемах с торцевой накачкой сигнальное волокно подвергается сужению (тейперированию), а искажения мод, вызванные деформацией сердцевины, могут негативно сказаться на конечном качестве луча. Существует ли решение, позволяющее сохранить высокие рабочие характеристики конфигурации 6+1 с торцевой накачкой, но при этом полностью исключить проблему сварки?

Сегодня мы официально представляем ответ: первый в Китае волоконный комбинер (4+1)×1 с боковой накачкой, который благодаря инновационным технологиям задает новые стандарты для ключевых компонентов мощных PM-лазеров.

Перекрестно-симметричное расположение (90°) и одностадийное сужение
Наш комбинер (4+1)×1 с боковой накачкой отличается уникальной перекрестно-симметричной компоновкой (угол 90°):
• В центре: одно сигнальное волокно с двойной оболочкой (типоразмер 20/400; доступно в версиях PM или non-PM).
• По периферии: четыре волокна накачки (типоразмер 220/242), расположенные сверху, снизу, слева и справа от сигнального волокна.
• Технология: изготовление методом одностадийного сплавления с вытяжкой (fused-tapering), что исключает необходимость сварки сигнального волокна.
Такая конструкция не только обеспечивает высокоэффективный ввод излучения накачки, но и позволяет добиться качественного скачка в характеристиках теплоотвода, механической стабильности и выходе годной продукции. 1. Сравнительный анализ характеристик
Тщательное тестирование опытных образцов подтверждает, что наш комбинер конфигурации «4+1» с боковой накачкой по ключевым показателям не уступает комбинерам конфигурации «6+1» с торцевой накачкой:

Несмотря на меньшее общее количество вводов накачки по сравнению с конфигурацией «6+1» (торцевая накачка), оптимизация распределения мощности накачки (например, за счет использования более мощных лазерных диодов с одним излучателем) позволяет конструкции «4+1» с боковой накачкой полностью удовлетворять требованиям большинства систем средней и высокой мощности.

2. Революционное преимущество: отсутствие необходимости в сварке
Производство комбинеров, сохраняющих поляризацию (PM), в конфигурациях с торцевой накачкой «6+1» обычно требует сварки сигнального волокна с выходным волокном. Поскольку PM-волокна крайне чувствительны к двулучепреломлению, вызванному механическими напряжениями, высокие температуры и требования к точности юстировки при сварке легко приводят к следующим проблемам:
• Снижение коэффициента экстинкции: падение с идеального уровня >21 дБ до 17 дБ или ниже.
• Нарушение состояния поляризации: влияет на равномерность усиления на последующих каскадах.
• Низкий выход годной продукции: доля успешных сварок PM-волокон обычно составляет лишь 60–80%, что значительно ниже показателей для обычных волокон.
В отличие от этого, конструкция «4+1» с боковой накачкой сохраняет целостность сигнального волокна по всей длине, исключая необходимость сварки. Излучение накачки вводится во внутреннюю оболочку сигнального волокна сбоку, тогда как сигнальное излучение распространяется по сердцевине без потерь. Такая конструкция кардинально устраняет все риски, связанные со сваркой PM-волокон, делая производство мощных PM-комбинеров простым, надежным и масштабируемым процессом. 3. Экономическое преимущество: снижение затрат на материалы
Конфигурация «4+1» с боковой накачкой обеспечивает значительные преимущества в части контроля затрат:
• Сокращение количества волокон накачки: уменьшение числа волокон с 6 до 4 обеспечивает прямую экономию на материалах.
• Упрощение системы оснастки: модульное расширение на базе существующих конструкций оснастки для конфигурации «2+1» исключает необходимость разработки совершенно нового комплекта инструментария.
• Снижение зависимости от оборудования для сварки: отпадает необходимость в высокоточных аппаратах для сварки PM-волокон, что сокращает капитальные вложения в дорогостоящее оборудование. • Повышенный выход годной продукции: Отсутствие этапов сварки оптических волокон существенно увеличивает выход годных изделий, косвенно снижая издержки, связанные с браком.

4. Долгосрочная надежность: простая конструкция, повышенная стабильность
Конструктивная простота схемы боковой накачки «4+1» обеспечивает превосходную долгосрочную надежность:
• Отсутствие точек сварки: Исключается риск деградации зоны сварного соединения в условиях высоких температур и высокой мощности.
• Равномерное распределение тепла: Симметричное расположение под углом 90° обеспечивает равномерный отвод тепла как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях, предотвращая локальный перегрев.
• Высокая механическая прочность: Цельная конструкция, полученная в результате одностадийного процесса формирования конического перехода (тейперирования), обладает исключительной стойкостью к вибрациям и ударам.

Внедрение сумматора с боковой накачкой «4+1» обеспечивает значительные преимущества в следующих сценариях применения:
1. Мощные волоконные усилители с сохранением поляризации (PM): В конфигурациях MOPA устройство «4+1» с боковой накачкой служит элементом ввода накачки для предварительных или промежуточных каскадов усиления, обеспечивая эффективный ввод излучения накачки с минимальными возмущениями для сигнального излучения, сохраняющего поляризацию.
2. Волоконные лазеры с узкой линией генерации: Лазеры с узкой линией генерации крайне чувствительны к состоянию поляризации и фазовому шуму; отсутствие сварных соединений делает устройство «4+1» с боковой накачкой идеальным выбором для таких систем.
3. Системы когерентного сложения пучков: В многоканальных системах когерентного сложения устройство «4+1» обеспечивает стабильную накачку каждого лазерного канала с сохранением поляризации, гарантируя высокое качество выходного пучка после сложения.
4. Промышленная обработка и научные исследования: Благодаря высокой надежности и экономической эффективности устройство «4+1» с боковой накачкой находит широкое применение в различных задачах — от прецизионной микрообработки до нелинейного преобразования частоты — в диапазоне средних и высоких мощностей.