พลังเลเซอร์ไฟเบอร์เจือทูเลียม

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เลเซอร์ไฟเบอร์ที่เจือด้วยทูเลียมได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากมีข้อดี เช่น โครงสร้างที่กะทัดรัด คุณภาพลำแสงที่ดี และประสิทธิภาพควอนตัมสูง ไฟเบอร์เลเซอร์เจือด้วยทูเลียมต่อเนื่องกำลังสูงมีการใช้งานที่สำคัญในหลายสาขา เช่น การรักษาพยาบาล ความมั่นคงทางทหาร การสื่อสารในอวกาศ การตรวจจับมลพิษทางอากาศ และการแปรรูปวัสดุ ในช่วงเกือบ 20 ปีที่ผ่านมา ไฟเบอร์เลเซอร์เจือทูเลียมต่อเนื่องกำลังสูงได้พัฒนาอย่างรวดเร็ว และกำลังขับสูงสุดในปัจจุบันสูงถึงระดับกิโลวัตต์ ต่อไป เรามาดูเส้นทางการปรับปรุงกำลังและแนวโน้มการพัฒนาของไฟเบอร์เลเซอร์ที่เจือด้วยทูเลียมจากแง่มุมของออสซิลเลเตอร์และระบบขยายสัญญาณ

แหล่งกำเนิดปั๊มของเลเซอร์ไฟเบอร์ที่เจือด้วยทูเลียมในยุคแรกๆ โดยทั่วไปจะใช้เลเซอร์ YAG 1064 นาโนเมตรพลังงานต่ำหรือเลเซอร์ย้อม 790 นาโนเมตร เนื่องจากแหล่งกำเนิดปั๊มมีพลังงานต่ำและข้อจำกัดของกระบวนการเตรียมไฟเบอร์แบบเจือย้อนกลับในขณะนั้น กำลังเอาต์พุตของไฟเบอร์เลเซอร์ที่เจือด้วยทูเลียมจึงอยู่ในระดับวัตต์เท่านั้น ด้วยการแนะนำเทคโนโลยีปั๊มหุ้มสองชั้นและอายุที่เพิ่มขึ้นของเทคโนโลยีเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง กำลังขับของเลเซอร์ไฟเบอร์ที่เจือด้วยทูเลียมก็เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเช่นกัน

ในปี 1998 แจ็คสันและคณะ จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ในสหราชอาณาจักรใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ขนาด 790 นาโนเมตรเป็นแหล่งปั๊มและใช้เทคโนโลยีการปั๊มแบบหุ้มเพื่อสร้างไฟเบอร์เลเซอร์ที่เจือด้วยทูเลียมที่มีโครงสร้างเชิงพื้นที่อย่างต่อเนื่องซึ่งมีกำลังขับสูงสุด 5.4 วัตต์ ในปี 2550 โรงผลิตทูเลียม ได้มีการพัฒนาเลเซอร์ไฟเบอร์เยอมาเนตเจือ อุปกรณ์ทดลองแสดงไว้ในรูปที่ 1 ภายใต้โหมดการปั๊มแบบ single-end จะได้เอาต์พุตเลเซอร์ต่อเนื่อง 64 W ที่ 1900 นาโนเมตร เพื่อให้ได้กำลังเอาต์พุตที่สูงขึ้น นักวิจัยได้ใช้การปั๊มแบบ double-end และใช้ไฟเบอร์เกนยาว 40 ซม. และสุดท้ายก็ได้เอาต์พุตเลเซอร์ต่อเนื่อง 1900 นาโนเมตรที่ 104 W

ในปี 2009 สถาบันเทคโนโลยีฮาร์บินได้พัฒนาไฟเบอร์เลเซอร์ที่เจือด้วยทูเลียมโดยมีโครงสร้างโพรงเชิงเส้นแบบไฟเบอร์ทั้งหมด ประกอบด้วยตะแกรงไฟเบอร์ Bragg สะท้อนแสงและการสะท้อนของ Fresnel ที่เกิดขึ้นจากปลายไฟเบอร์ที่เจือด้วยทูเลียมเพื่อสร้างช่องสะท้อน มันถูกสูบโดย 793 นาโนเมตร LD ในที่สุดก็ได้กำลังขับ 39.4 W นอกจากนี้ พวกเขายังเปรียบเทียบกำลังเอาท์พุตและคุณลักษณะสเปกตรัมที่ได้รับเมื่อใช้ FBG และกระจกไดโครอิกเป็นตัวเชื่อมต่อที่มีการสะท้อนแสงสูงตามลำดับ และพบว่าประสิทธิภาพความชันของโครงสร้างไฟเบอร์ทั้งหมดต่ำกว่า และกำลังเกณฑ์สูงกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างเชิงพื้นที่ โครงสร้างไฟเบอร์ทั้งหมดในตอนแรกถูกจำกัดโดยประสิทธิภาพของอุปกรณ์ไฟเบอร์ออปติกและคุณภาพของการต่อประกบ และข้อดีของมันยังไม่ชัดเจน ด้วยการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีการเตรียมอุปกรณ์ใยแก้วนำแสงและระดับการประกบ โครงสร้างไฟเบอร์ทั้งหมดจึงค่อยๆ แสดงให้เห็นข้อดีอย่างมาก

ในปีเดียวกันนั้น ไฟเบอร์เลเซอร์เจือด้วยทูเลียมกำลังสูงซึ่งมีโครงสร้างเชิงพื้นที่ใช้ LD 793 นาโนเมตรเพื่อปั๊มเส้นใยที่เจือด้วยทูเลียมซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางแกน 25 μm และรูรับแสงตัวเลข (NA) 0.08 และบรรลุผลสำเร็จ เอาต์พุตเลเซอร์โหมดเดียวที่ 300 วัตต์ ต่อมาด้วยโครงสร้างที่คล้ายกัน ไฟเบอร์ฟิลด์โหมดขนาดใหญ่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลาง 40 μm และรูรับแสงตัวเลข 0.2 ถูกนำมาใช้เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์หลายโหมด 2040 นาโนเมตรที่ 885 W ซึ่งเป็นกำลังเอาต์พุตสูงสุดที่ได้รับจากไฟเบอร์ออสซิลเลเตอร์ที่เจือด้วยทูเลียมตัวเดียว

ในปี 2014 มหาวิทยาลัย Tsinghua รายงานเกี่ยวกับไฟเบอร์เลเซอร์เจือด้วยทูเลียมกำลังสูงที่มีโครงสร้างโพรงเชิงเส้นแบบไฟเบอร์ทั้งหมด ซึ่งประกอบด้วยตะแกรงไฟเบอร์ Bragg และไฟเบอร์เกนยาว 3 ม. มีการใช้ LD 790 nm เจ็ดตัวที่มีกำลังเอาต์พุตสูงสุด 70 W เป็นแหล่งจ่ายปั๊ม ในที่สุดก็ได้กำลังขับ 227 W ในปีเดียวกันนั้น มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีการป้องกันประเทศแห่งชาติได้ใช้เลเซอร์ไฟเบอร์รามัน (RFL) กำลังสูง 1173 นาโนเมตรสองตัวเป็นแหล่งปั๊มเพื่อสร้างไฟเบอร์เลเซอร์เจือด้วยทูเลียมความกว้างเส้นตรงแคบที่มีประสิทธิภาพสูง พร้อมด้วยโครงสร้างช่องตรงแบบไฟเบอร์ทั้งหมด และ ในที่สุดก็ได้กำลังขับ 96 W. นี่เป็นครั้งแรกที่มีการรายงานไฟเบอร์เลเซอร์ที่เจือด้วยทูเลียม โดยมีความยาวคลื่นของปั๊มใกล้ 1200 นาโนเมตร และมีกำลังเอาท์พุตในระดับหลายร้อยวัตต์ นอกจากนี้ยังเป็นโซลูชันการปั๊มที่มีแนวโน้มมากในการเพิ่มกำลังเอาต์พุตของไฟเบอร์เลเซอร์ที่เจือด้วยทูเลียม

ในปี 2015 มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี Huazhong ใช้เส้นใยซิลิกาหุ้มสองชั้นที่เจือด้วยทูเลียมที่ผลิตขึ้นเอง เพื่อสร้างไฟเบอร์เลเซอร์ที่เจือด้วยทูเลียมด้วยโครงสร้างโพรงเชิงเส้นของเส้นใยทั้งหมด ใช้ LD กำลังสูง 793 นาโนเมตรสามตัวในการสูบน้ำและได้รับกำลังเอาต์พุต 121 วัตต์ นี่เป็นครั้งแรกที่ใช้ใยแก้วนำแสงที่เจือด้วยทูเลียมในประเทศเพื่อให้ได้กำลังเอาต์พุตหลายร้อยวัตต์ที่ความยาวคลื่น 1915 นาโนเมตร นอกจากนี้ การทดลองพบว่าการเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางการหุ้มด้านในของเส้นใยเกนสามารถกระจายความร้อนได้ดีขึ้น ซึ่งยังให้แนวคิดในการจัดการระบายความร้อนและการปรับปรุงกำลังของเลเซอร์ไฟเบอร์ที่เจือด้วยทูเลียม