BWT は高密度空間配置 (DSBC) の理論を提案し、キロワット レベルのポンプ源の実験を通じて DSBC の正しさを検証しました。現在、単一のチューブの出力は 15W-30W@BPP≈5-12mm*mrad に増加し、電気光学効率は 60% を超えており、これによりファイバー出力と結合された高出力ポンプ ソースを高い値に維持することができます。軽量化と高輝度化を実現し、軽量化と光電変換効率の向上を実現しました。
現在のチップを使用して、BWT はそれぞれ 135μm のコア直径を持つポンプ ソースを実現しました。コア径 220μm NA0.22 ファイバー結合出力 1000W 単一波長 976nm (または 915nm)、品質 ≈ 400g ポンプ光源。
今後、半導体チップの輝度と電気光学効率の向上に伴い、軽量で高出力の励起光源は、少量の高出力ファイバーレーザー光源の製造においてかけがえのない役割を果たし、開発を積極的に推進していきます。産業用アプリケーションの。
序章
ファイバーレーザーは、優れたビーム品質と柔軟な出力拡張機能 (ファイバーコンバイナー) により、急速に成長しています。近年、シングルモードシングルファイバーファイバーレーザーは、TMI（横モード不安定性）とSRS効果によって制限されており、半導体直接励起ファイバーレーザー発振器の出力は5kWに制限されています
[1]。レーザーアンプも10kWで停止
[2]。コア径を適切に大きくすることで出力パワーを高めることができますが、出力ビーム品質も-1低下します。とはいえ、半導体励起光源の輝度向上の要求は依然として急務です。
産業用処理アプリケーションにおけるビーム品質の要件は、必ずしもシングルモードではありません。シングルファイバーの出力を高めるために、いくつかの低次モードが許可されます。これまで、5kW以上の976nm励起をベースとした少数モードのシングルファイバーやビーム合成マルチモードのレーザー光源 バッチ用途（主に金属材料の切断・溶接）で、対応する高出力励起光源の製作もバッチスケールです。
より小さく、より軽く、より安定
半導体チップのBPPと励起光源の明るさの関係
3 年前、9xxnm チップの輝度は、ほとんど 3W/mm*mrad@12W-100μm ストリップ幅と 2W/mm*mrad@18W-200μm ストリップ幅のレベルでした。このようなチップに基づいて、BWT は 600W と 1000W 200μm NA0.22 ファイバー結合出力 1 を実現します。
現在、9xxnm チップの輝度は 3.75W/mm*mrad@15W-100μm ストリップ幅と 3W/mm*mrad@30W-230μm ストリップ幅を達成しており、電気光学効率は基本的に約 60% に維持されています。
高密度空間配置の理論 [6] に従って、78% の平均ファイバー結合効率 (チップからファイバー結合出力へのレーザー放射: 単一波長空間ビーム結合および VBG なしの偏光ビーム結合) に従って計算されます。そして、チップは最高の電力で動作すると想定されています (チップの BPP は電流によって異なります)。次のようにデータ マップをまとめました。
* チップの明るさ VS 異なるコア径のファイバーカップリングの出力パワー
上の図から、特定のファイバー (コア径と NA は固定) が特定のパワー結合出力を達成する場合、明るさが異なるチップの場合、チップの数が異なり、ポンプ光源の体積と重量が異なることがわかります。も異なります。ファイバーレーザーのポンピング要件については、上記の異なる明るさのチップで作られた励起光源を選択すると、同じ出力のファイバーレーザーの重量と体積がまったく異なり、水冷システムの構成も異なります。かなり違います。
高効率、小型化、軽量化は、将来のレーザー光源 (ダイオード レーザー、固体レーザー、ファイバー レーザーのいずれであっても) の開発において避けられない傾向であり、半導体チップの明るさ、効率、および出力が決定的な役割を果たします。 .
軽量・高輝度・ハイパワーのポンプ光源
ファイバーコンバイナーに適応させるために、共通のファイバー仕様、135μm NA0.22 と 220μm NA0.22 を選択しました。2 つのポンプ光源の光学設計には、高密度の空間配置と偏光ビームの結合が採用されています。
その中で、420WLD は 3.75W/mm*mrad@15W チップと 135μm NA0.22 ファイバーを採用し、30-100% の電力波ロックの要件を満たす VBG 波長ロックを備えており、電気光学効率は 41% です。 .LD本体はアルミ合金素材でサンドイッチ構造[5]。上部と下部のチップは水冷チャネルを共有するため、スペースの利用率が向上します。光スポットの配置、スペクトル、およびパワー出力 (ファイバー内のパワー) を図に示します。
*420W@135μm NA0.22 LD
高温および低温の衝撃および振動試験用に 6 つの LD を選択しました。テストデータは次のとおりです。
*高温および低温衝撃試験
※振動試験
1000WLD は 3W/mm*mrad@30W チップと 220μm NA0.22 ファイバーを採用し、それぞれ 1000W の 915nm と 976nm ファイバー結合出力を達成し、電気光学効率は >44% です。LD本体もアルミ合金素材を採用。より高い出力対質量比を追求するため、LDシェルは構造強度を確保することを条件に簡素化されています。LDの品質、スポット配置、出力パワー（ファイバー内のパワー）は以下の通りです。
*1000W@220μm NA0.22 LD
ポンプ源の信頼性を向上させるために、カップリング エンド ファイバーは石英エンド キャップ フュージョンとクラッド光フィルタリング技術を採用し、ポンプ源の外側のファイバーの温度を室温に近づけます。高温および低温の衝撃および振動試験用に、6 つの 976nmLD が選択されました。テスト結果は次のとおりです。
*高温および低温衝撃試験
*高温および低温衝撃試験
※振動試験
結論
高輝度出力を達成するには、電気光学効率が犠牲になります。つまり、最高の出力電力と最高の電気光学効率を同時に得ることはできません。これは、チップの輝度とカップリングの正規化された周波数によって決まります。ファイバ。マルチ単管空間ビーム結合技術では、明るさと効率が常に目標であり、同時に達成することはできません。電気光学効率と電力のバランスは、特定のアプリケーションに従って決定する必要があります。
参考文献
[1] Mller Friedrich、Krmer Ria G.、Matzdorf Christian、他、「Yb ドープ モノリシック シングルモード増幅器および発振器セットアップのマルチ kW 性能分析」、ファイバー レーザー XVI: テクノロジーとシステム (2019)。
[2] Gapontsev V、Fomin V、Ferin A、他、「回折限界超高出力ファイバーレーザー」、Advanced Solid-state Photonics (2010)。
[3] Haoxing Lin、Li Ni、Kun Peng、他、「中国の国産 YDF ドープファイバーレーザーは、単一ファイバーから 20kW 出力を達成」、Chinese Journal of Lasers、48(09)、(2021)。
[4] Cong Gao、Jiangyun Dai、Fengyun Li、他、「タンデム ポンピング用の自家製 10 kW イッテルビウム ドープ アルミノホスホシリケート ファイバー」、Chinese Journal of Lasers、47(3)、(2020)。
[5] Dan Xu、Zhijie Guo、Tujia Zhang、他、「600 W 高輝度ダイオード レーザー ポンピング ソース」、Spie Laser、1008603、(2017)。
[6] Dan Xu、Zhijie Guo、Di Ma、他、「高輝度 KW クラス ダイレクト ダイオード レーザー」、High-power Diode Laser Technology XVI、High-Power Diode Laser Technology XVI、(2018)。
2003 年に設立された BWT は、世界的なレーザー ソリューション サービス プロバイダーです。「Let the Dream Drive the Light」という使命と「Outstanding Innovation」という価値観を持つ同社は、より優れたレーザー製品を作成し、ダイオード レーザー、ファイバー レーザー、超高速レーザー製品、およびソリューションを世界中の顧客に提供することに取り組んでいます。これまでに、世界中の 70 以上の国と地域で、1,000 万台を超える BWT レーザーがオンラインで安定して稼働しています。
投稿時間: 2022 年 5 月 11 日