고출력 광섬유 레이저의 기술적 진화

고출력 광섬유 레이저의 기술적 진화

최적화파이버 레이저구조

1. 공간 조명 펌프 구조

초기 광섬유 레이저는 주로 광 펌프 출력을 사용했습니다.원자 램프광섬유 레이저는 출력이 낮기 때문에 단기간에 출력 전력을 빠르게 향상시키는 데 어려움이 있습니다. 1999년, 광섬유 레이저 연구 개발 분야에서 처음으로 1만 와트의 출력을 돌파했는데, 이 광섬유 레이저는 주로 양방향 광펌핑을 이용한 공진기 구조를 사용하며, 연구를 통해 기울기 효율이 58.3%에 달했습니다.
하지만 광섬유 펌프광과 레이저 결합 기술을 이용하여 광섬유 레이저를 개발하면 광섬유 레이저의 출력은 효과적으로 향상되지만, 동시에 구조가 복잡해져 광 렌즈를 이용한 광경로 구축에 적합하지 않습니다. 광경로 구축 과정에서 레이저를 이동해야 할 경우 광경로도 재조정해야 하므로, 광 펌프 구조 광섬유 레이저의 광범위한 적용을 제한하는 요인이 됩니다.

2. 직접 발진기 구조 및 MOPA 구조

광섬유 레이저의 발전과 함께 클래딩 전력 제거기가 렌즈 부품을 점차 대체하면서 광섬유 레이저 개발 단계를 간소화하고 간접적으로 유지보수 효율을 향상시켰습니다. 이러한 발전 추세는 광섬유 레이저의 점진적인 실용화를 상징합니다. 직접 발진기 구조와 MOPA 구조는 시중에서 가장 일반적인 광섬유 레이저 구조입니다. 직접 발진기 구조는 회절 격자가 발진 과정에서 파장을 선택하고 선택된 파장을 출력하는 방식이며, MOPA 구조는 회절 격자가 선택한 파장을 시드 광으로 사용하여 1차 증폭기를 통해 증폭함으로써 광섬유 레이저의 출력 파워를 일정 수준 향상시킵니다. 오랫동안 고출력 광섬유 레이저에는 MOPA 구조가 선호되는 구조로 사용되어 왔습니다. 하지만 후속 연구에 따르면 이러한 구조에서 고출력은 광섬유 레이저 내부의 공간 분포 불안정성을 유발하기 쉽고, 출력 레이저 밝기에 일정 부분 영향을 미쳐 고출력 효과에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

펌핑 기술의 발전과 함께

초기 이터븀 도핑 섬유 레이저의 펌핑 파장은 일반적으로 915nm 또는 975nm였지만, 이 두 펌핑 파장은 이터븀 이온의 흡수 피크였기 때문에 직접 펌핑이라고 불렸습니다. 그러나 직접 펌핑은 양자 손실 때문에 널리 사용되지 못했습니다. 대역 내 펌핑 기술은 펌핑 파장과 송신 파장 사이의 파장 간격이 유사한 직접 펌핑 기술의 확장으로, 양자 손실률이 직접 펌핑보다 작습니다.

고출력 파이버 레이저기술 개발 병목 현상

광섬유 레이저는 군사, 의료 및 기타 산업 분야에서 높은 응용 가치를 지니고 있으며, 중국은 약 30년간의 기술 연구 개발을 통해 광섬유 레이저의 광범위한 응용을 촉진해 왔습니다. 그러나 광섬유 레이저의 출력을 더욱 높이기 위해서는 기존 기술에 여전히 많은 난관이 존재합니다. 예를 들어, 단일 광섬유 단일 모드 레이저의 출력이 36.6kW에 도달할 수 있는지, 펌핑 전력이 광섬유 레이저 출력에 미치는 영향, 열 렌즈 효과가 광섬유 레이저 출력에 미치는 영향 등이 있습니다.

또한, 광섬유 레이저의 고출력 기술 연구에서는 횡모드 안정성과 광자 감쇠 효과를 고려해야 합니다. 조사 결과, 횡모드 불안정성의 주요 원인으로는 광섬유 발열이 있으며, 광자 감쇠 효과는 광섬유 레이저가 수백 와트 또는 수 킬로와트의 출력을 연속적으로 출력할 때 출력 전력이 급격히 감소하는 현상을 말하며, 이는 광섬유 레이저의 연속적인 고출력 구현에 일정 정도의 제약을 가합니다.

현재까지 광자 감쇠 현상의 구체적인 원인은 명확히 규명되지 않았지만, 산소 결함 중심과 전하 이동 흡수가 주요 원인으로 여겨지고 있습니다. 이러한 두 가지 요인을 억제하기 위해 알루미늄, 인 등을 첨가하여 전하 이동 흡수를 방지하는 방법이 제안되었으며, 최적화된 활성 광섬유를 제작하여 시험 및 적용했습니다. 구체적인 기준은 3kW 출력으로 수 시간 동안 안정적으로 작동하고, 1kW 출력으로 100시간 동안 안정적으로 작동하는 것입니다.