고출력 파이버 레이저의 기술적 발전

고출력 파이버 레이저의 기술적 발전

최적화파이버 레이저구조

1, 우주광펌프 구조

초기 파이버 레이저는 주로 광 펌프 출력을 사용했습니다.원자 램프출력이 낮고 출력 전력이 낮아 단시간 내에 광섬유 레이저의 출력 전력을 빠르게 개선하는 데 큰 어려움이 있었습니다. 1999년 광섬유 레이저 연구개발 분야에서 최초로 출력 전력이 10,000와트를 돌파했습니다. 광섬유 레이저는 주로 광 양방향 펌핑 방식을 사용하여 공진기를 형성하는 구조로, 광섬유 레이저의 경사 효율을 조사한 결과 58.3%에 도달했습니다.
그러나 파이버 펌프 광과 레이저 커플링 기술을 사용하여 파이버 레이저를 개발하더라도 파이버 레이저의 출력 전력을 효과적으로 향상시킬 수 있지만 동시에 복잡성이 있어 광학 렌즈가 광 경로를 구축하기에 적합하지 않습니다. 광 경로를 구축하는 과정에서 레이저를 이동해야 하면 광 경로도 다시 조정해야 하므로 광 펌프 구조 파이버 레이저의 폭넓은 응용이 제한됩니다.

2, 직접 발진기 구조와 MOPA 구조

파이버 레이저의 발전과 함께 클래딩 파워 스트리퍼가 렌즈 부품을 점차 대체하여 파이버 레이저의 개발 단계를 간소화하고 파이버 레이저의 유지 보수 효율을 간접적으로 향상시켰습니다. 이러한 발전 추세는 파이버 레이저의 점진적인 실용화를 상징합니다. 직접 발진기 구조와 MOPA 구조는 시중에 가장 널리 사용되는 두 가지 파이버 레이저 구조입니다. 직접 발진기 구조는 회절격자가 발진 과정에서 파장을 선택하여 출력하는 반면, MOPA는 회절격자가 선택한 파장을 시드 광으로 사용하고 1차 증폭기의 작용으로 시드 광을 증폭하여 파이버 레이저의 출력 전력도 어느 정도 향상됩니다. 오랫동안 MPOA 구조의 파이버 레이저는 고출력 파이버 레이저의 선호 구조로 사용되어 왔습니다. 그러나 후속 연구에서는 이 구조의 고출력은 파이버 레이저 내부의 공간 분포를 불안정하게 만들기 쉽고, 출력 레이저의 밝기가 어느 정도 영향을 받으며, 이는 고출력 출력 효과에 직접적인 영향을 미친다는 것을 발견했습니다.

펌핑 기술의 발전으로

초기 이터븀 도핑 광섬유 레이저의 펌핑 파장은 일반적으로 915nm 또는 975nm이지만, 이 두 펌핑 파장은 이터븀 이온의 흡수 피크이기 때문에 직접 펌핑이라고 합니다. 직접 펌핑은 양자 손실로 인해 널리 사용되지 않았습니다. 인밴드 펌핑 기술은 직접 펌핑 기술의 확장된 형태로, 펌핑 파장과 송신 파장 사이의 파장이 유사하고 인밴드 펌핑의 양자 손실률이 직접 펌핑보다 작습니다.

고출력 파이버 레이저기술 개발 병목 현상

파이버 레이저는 군사, 의료 등 다양한 산업 분야에서 높은 응용 가치를 지니고 있지만, 중국은 약 30년간의 기술 연구 개발을 통해 파이버 레이저의 폭넓은 활용을 촉진해 왔습니다. 하지만 파이버 레이저의 출력을 더욱 높이려면 기존 기술에는 여전히 많은 난관이 존재합니다. 예를 들어, 파이버 레이저의 출력 전력이 단일 파이버 단일 모드 36.6KW에 도달할 수 있는지, 펌핑 전력이 파이버 레이저 출력에 미치는 영향, 열 렌즈 효과가 파이버 레이저 출력에 미치는 영향 등이 있습니다.

또한, 파이버 레이저의 고출력 기술 연구는 횡모드 불안정성과 광자 암흑화 효과도 고려해야 합니다. 연구를 통해 횡모드 불안정성의 영향 요인은 파이버 가열이며, 광자 암흑화 효과는 주로 파이버 레이저가 수백 와트 또는 수 킬로와트의 출력을 연속적으로 출력할 때 출력 전력이 급격히 감소하는 경향을 보이며, 파이버 레이저의 연속 고출력 출력에 어느 정도 제약이 있음을 알 수 있었습니다.

광자 암화 현상의 구체적인 원인은 아직 명확하게 규명되지 않았지만, 대부분의 사람들은 산소 결함 중심과 전하 이동 흡수가 광자 암화 현상의 발생 원인이라고 생각합니다. 이 두 가지 요인에 대해 광자 암화 현상을 억제하기 위한 다음과 같은 방법들이 제안되었습니다. 알루미늄, 인 등과 같은 전하 이동 흡수를 방지하는 방법을 사용한 후, 최적화된 능동 광섬유를 시험 및 적용합니다. 구체적인 기준은 3KW의 출력을 수 시간 동안 유지하고, 1KW의 출력을 100시간 동안 안정적으로 유지하는 것입니다.