Évolution technique des lasers à fibre de haute puissance

Évolution technique des lasers à fibre de haute puissance

Optimisation delaser à fibrestructure

1, structure de pompe à lumière spatiale

Les premiers lasers à fibre utilisaient principalement la sortie de pompage optique,laserLa puissance de sortie des lasers à fibre étant faible, il est difficile d'améliorer rapidement cette puissance. En 1999, la puissance de sortie des lasers à fibre a dépassé pour la première fois les 10 000 watts. Leur structure repose principalement sur un pompage optique bidirectionnel, formant un résonateur. Les recherches ont montré que leur rendement différentiel atteignait 58,3 %.
Cependant, bien que l'utilisation de la lumière de pompage de la fibre et de la technologie de couplage laser pour développer des lasers à fibre puisse améliorer efficacement la puissance de sortie de ces lasers, elle présente en même temps une complexité qui ne favorise pas la construction du chemin optique par lentille optique. En effet, si le laser doit être déplacé lors de la construction du chemin optique, ce dernier doit également être réajusté, ce qui limite l'application à grande échelle des lasers à fibre à structure de pompage optique.

2. Structure de l'oscillateur direct et structure MOPA

Avec le développement des lasers à fibre, les dispositifs de dénudage de puissance de la gaine ont progressivement remplacé les lentilles, simplifiant ainsi les étapes de fabrication et améliorant indirectement la facilité de maintenance. Cette évolution témoigne de la praticité croissante des lasers à fibre. Les structures à oscillateur direct et à MOPA sont les deux plus courantes sur le marché. Dans la structure à oscillateur direct, le réseau sélectionne la longueur d'onde lors de son oscillation, puis l'émet. La structure à MOPA, quant à elle, utilise cette longueur d'onde comme signal d'amorçage, lequel est amplifié par un amplificateur de premier niveau, ce qui permet d'accroître la puissance de sortie du laser. Pendant longtemps, les lasers à fibre à structure MOPA ont été privilégiés pour les applications de haute puissance. Cependant, des études ultérieures ont montré que la puissance de sortie élevée de cette structure peut facilement entraîner une instabilité de la distribution spatiale à l'intérieur du laser à fibre, et que la luminosité du laser de sortie sera affectée dans une certaine mesure, ce qui a également un impact direct sur l'effet de puissance de sortie élevée.

Avec le développement de la technologie de pompage

La longueur d'onde de pompage des premiers lasers à fibre dopée à l'ytterbium est généralement de 915 nm ou 975 nm. Cependant, ces deux longueurs d'onde correspondent aux pics d'absorption des ions ytterbium ; on parle alors de pompage direct. Ce type de pompage n'a pas été largement utilisé en raison des pertes quantiques. La technologie de pompage intrabande est une extension du pompage direct. Dans ce cas, la longueur d'onde entre la longueur d'onde de pompage et la longueur d'onde d'émission est proche, et le taux de pertes quantiques est inférieur à celui du pompage direct.

Laser à fibre haute puissancegoulot d'étranglement du développement technologique

Bien que les lasers à fibre présentent un grand intérêt applicatif dans les secteurs militaire, médical et autres, la Chine a favorisé leur large utilisation grâce à près de 30 ans de recherche et développement technologique. Cependant, l'augmentation de la puissance de sortie de ces lasers se heurte encore à de nombreux obstacles technologiques. Par exemple, la question de savoir si un laser à fibre monomode peut atteindre une puissance de 36,6 kW reste posée. L'influence de la puissance de pompage et celle de l'effet de lentille thermique sur la puissance de sortie restent également à élucider.

De plus, la recherche sur les technologies de laser à fibre à haute puissance doit également prendre en compte la stabilité du mode transverse et l'effet d'assombrissement photonique. Les investigations montrent clairement que l'instabilité du mode transverse est due à l'échauffement de la fibre, et que l'effet d'assombrissement photonique se traduit principalement par une diminution rapide de la puissance de sortie lorsque le laser à fibre délivre en continu des puissances de plusieurs centaines ou kilowatts, ce qui limite la puissance de sortie élevée continue de ce type de laser.

Bien que les causes exactes de l'assombrissement photonique ne soient pas encore clairement établies, la plupart des chercheurs pensent que les défauts d'oxygène et l'absorption par transfert de charge peuvent en être à l'origine. Afin d'inhiber cet assombrissement, plusieurs solutions sont proposées, notamment l'utilisation de matériaux tels que l'aluminium et le phosphore pour limiter l'absorption par transfert de charge. La fibre active ainsi optimisée est ensuite testée et mise en œuvre, avec pour objectif le maintien d'une puissance de sortie de 3 kW pendant plusieurs heures et d'une puissance de sortie stable de 1 kW pendant 100 heures.