Непрерывный иттербиевый одномодовый лазер с мощностью излучения 1500 Вт

21.11.2022

Фотоника том 16 №3 2022

А. А.Колегов1 , А. А. Абакшин1, 2, А.В Горбачев1, 2, Д. А. Фролов1, 2, А. В.Чумаченко 1, 2
1 ООО «Нордлэйз», Санкт-Петербург, Россия
2 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия


В работе представлены результаты разработки и создания одномодового оптоволоконного лазера с высоким качеством излучения и мощностью 1500 Вт. Показаны перспективы дальнейшего увеличения мощности без ухудшения качества излучения.

Ключевые слова: волоконные лазеры, мощные лазеры, иттербиевые лазеры, одномодовые лазеры

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время одномодовые волоконные лазеры мощностью более 1 кВт стали очень востребованными во  многих отраслях промышленности (металлообработка, аддитивные технологии, объединение излучения и  др.). Во многом это стало возможным благодаря их преимуществам: компактность, высокий КПД и др. Одномодовые волоконные лазеры с качеством пучка М2<1,3 мощностью более 500 Вт попадают под санкции и ввести их в Россию не представляется возможным, а производства таких лазеров в России нет. Поэтому разработка и  производство отечественного одномодового волоконного лазера мощностью 1,5 кВт и более является актуальной задачей. Настоящая работа посвящена разработке и  созданию одномодового оптоволоконного лазера с  высоким качеством излучения и  мощностью 1500  Вт, который может использоваться как самостоятельно, так и  в  составе различных лазерных комплексов и систем.

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Как известно, с наращиванием выходной мощности излучения в волокне могут проявляться нелинейные эффекты, пороги возникновения которых зависят от длины волокна и диаметра сердцевины [1]. Лучшее сочетание диаметра сердцевины волокна и его числовой апертуры, обеспечивающее параметр М2 < 1,3 (можно считать близким к дифракционному) и выходную мощность 2–3 кВт [2–4], это значения 20 мкм с числовой апертурой NA=0,06. 

В основном на ограничение выходной мощности волоконного лазера оказывают влияние следующие факторы, проявление которых зависит от диаметра сердцевины и длины используемого волокна: совокупность термальных и нелинейных эффектов; оптический пробой; яркость диодов накачки; модовая нестабильность (TMI). 

Сердцевина диаметром 20 мкм с числовой апертурой NA = 0,06 дает лучшее сочетание, обеспечивающее параметр М2 < 1,3 (можно считать близким к дифракционному), и выходную мощность 2–3 кВт. Пороговую мощность оптического пробоя для такого волокна можно оценить по формуле [1]:

формула 1.png (1)

где a – радиус поля моды, Idamage – пороговая интенсивность. И при Idamage ≈ 13 Вт/мкм2 [5] пороговая мощность составит ≈4000 Вт. Таким образом, имеется возможность получить одномодовое излучение в полностью волоконной схеме мощностью до 4 кВт. Тем не менее исследований по определению пороговой интенсивности пробой кварца для непрерывного излучения не проводилось и этот вопрос остается открытым. 

В случае распространения излучения с широким спектром среди нелинейных эффектов самый низкий порог возникновения будет иметь эффект вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР). Его пороговую мощность можно оценить  [1] по формуле:

формула 2.png (2)

где L – длина оптического тракта, gr = 10–13 м/Вт [6]. В соответствии с формулой (2) построены графики пороговой мощности ВКР в зависимости от длины волокна для разных диаметров поля моды (рис. 1). Рисунок иллюстрирует тот факт, что длина оптического тракта волокна с диаметром поля моды 18 мкм для достижения лазерной мощности 1500 Вт не должна превышать примерного значения в 47 м.

Рис. 1. Пороговая мощность ВКР.png

Рис. 1. Пороговая мощность ВКР


Модовая нестабильность проявляется в перекачке энергии из основной моды в высшие и может приводить к флуктуациям выходной мощности и ухудшению качества излучения, что связано с наведенными изменениями показателя преломления волокна. Как показали результаты исследования [7], модовая нестабильность возникает при средней тепловой нагрузке Q = 34 Вт/м. Таким образом, необходимо обеспечить условия генерации лазерного излучения с меньшей тепловой нагрузкой. Здесь ключевыми факторами являются коэффициент поглощения и квантовый дефект. На рис. 2 представлено распределение излучения накачки по длине волокна, поглощенная часть излучения накачки и тепловая нагрузка, связанная с квантовым дефектом.

Рис. 2. Распределение излучения накачки по длине волокна (a, b), распределение поглощенного излучения накачки.png

Рис. 2. Распределение излучения накачки по длине волокна (a, b), распределение поглощенного излучения накачки по длине волокна (c), тепловая нагрузка, вызванная квантовым дефектом (d)

В соответствии с полученными результатами средняя тепловая нагрузка не превысила 9 Вт/м, что позволяет в дальнейшем увеличить мощность лазера до предельной величины тепловой нагрузки 32 Вт/м. 

Схема лазера (рис. 3) проста и принципиально не отличается от известных мировых производителей [2–4]. Специально подобранные компоненты с минимальными потерями обеспечивают высокую эффективность и надежность лазера. Накачка активного волокна осуществляется с двух сторон лазерными диодными модулями в количестве 7 шт. с длиной волны 915 нм и максимальной выходной мощностью 370 Вт. Такой способ накачки распределяет тепловую нагрузку по волокну и существенно снижает нагрузку с мест сварок и оптоволоконных компонентов.

Рис. 3. Схема лазер - HR FBG – глухая волоконная брегговская решетка, OC FBG – выходная волоконная брегговская.png

Рис. 3. Схема лазера: HR FBG – глухая волоконная брегговская решетка; OC FBG – выходная волоконная брегговская решетка; YB – активное иттербиевое волокно; QBH – волоконный кабель с оптическим коннектором типа QBH

Резонатор лазера образован парой волоконных брегговских решеток производства AFR, поддерживающей излучение сигнала до 3 кВт и  излучение накачки до 1,5 кВт. Активное иттербиевое волокно имеет диаметр сердцевины 19,5 мкм и числовую апертуру NA = 0,065. Поглощение излучения в активном волокне на длине волны 915 нм составляет 0,39 дБ/м. Длина активного волокна в  резонаторе составила 35 м. Излучение накачки в  активное волокно вводится с  помощью объединителей накачки Lightcomm типа (6 + 1) × 1. Со стороны глухой решетки HR FBG вводится примерно 1200 Вт излучения накачки (использовано 4 диодных модуля), а со стороны выходной решетки OC FBG – примерно 900 Вт (использовано 3 диодных модуля). Вывод излучения обеспечивается кабелем длиной 7 м с оптическим разъемом типа QBH. 

Особую роль в создании мощного волоконного лазера играет эффективный теплоотвод. Так, для отвода тепла в разработанном лазере используются специальные водоохлаждаемые алюминиевые плиты. Для отвода тепла от активного волокна последнее размещается в V-канавках (рис. 4) и заливается специальным теплоотводящим компаундом для фиксации и обеспечения теплового контакта между волокном и теплоотводящей поверхностью.

Рис. 4. Укладка.png

Рис. 4. Укладка активного волокна: d – диаметр волокна; h – шаг между канавками


2. ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ

На  рис. 5 представлена зависимость выходной мощности лазерного излучения от мощности излучения накачки. Видно, что эффективность «свет в свет» составляет примерно 70%.

Рис. 5. Зависимость выходной мощности излучения.png

Рис. 5. Зависимость выходной мощности излучения от мощности излучения накачки

Спектр выходного излучения для разной мощности представлен на рис. 6. Из рис. 6 видно, что с увеличением мощности спектр уширяется. Ширина спектра на полувысоте для мощности 1500 Вт составляет примерно 3 нм, а  для 500 Вт  – примерно 1 нм, для 100 Вт – 0,6 нм.

Рис. 6. Спектр выходного излучения.png

Рис. 6. Спектр выходного излучения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы была создана высокоэффективная конструкция системы охлаждения, позволяющая эффективно отводить тепло от компонентов лазера, в свою очередь активное волокно укладывается в V-канавку с теплопроводящим материалом.

В результате работ достигнута мощность 1500 Вт с эффективностью «свет в свет» 70% и коэффициентом качества пучка не менее, чем М2<1,3. Ширина спектра на максимальной мощности составила 3 нм.

Разработанная конструкция позволяет обеспечить мощность выходного излучения до 2 кВт добавлением модулей накачки с использованием той же компонентной базы. Применение специальных методик по фильтрации мод высшего порядка позволяет достичь мощности излучения до 4–5 кВт с М2 не хуже 1,3 [8, 9], что является предметом следующей разработки.

REFERENCES

1. Dawson J. et al. Analysis of the scalability of diffraction-limited fiber lasers and amplifiers to high average power. Opt. Express. 2008; 16:13240–13266. DOI: 10.1364/OE.16.013240. 

2. Ikoma S. et al. 3 kW single stage all-fiber Yb-doped single-mode fiber laser for highly reflective and highly thermal conductive materials processing. Proc. SPIE. 2017;1008: 100830Y. DOI: 10.1117/12.2250294. 

3. Zhang F., Zhang X. 2 kW single-mode fiber laser employing bidirectional pump scheme. Opto-Electronic Engineering. 2017;44:953–956.DOI: 10.3969/j.issn.1003-501X.2017.10.002. 

4. Mashiko Y. et al. 2 kW single-mode fiber laser with 20-m long delivery fiber and high SRS suppression. Proc. of SPIE. 2016; 9728:972805. DOI: 10.1117/12.2212049. 

5. Gapontsev V., Gapontsev D., Platonov N. et al. 2 kW CW ytterbium fiber laser with record diffraction limited brightness. Proceedings of the Conference on Lasers and Electro-Optics Europe (Optical Society of America, 2005) (Note: Used 14µm MFD fiber implying 13W/µm2 power handling capability without damage). DOI: 10.1109/CLEOE.2005.1568286. 

6. Smith A., Do B., Soderlund M. Deterministic nanosecond laser-induced breakdown thresholds in pure and Yb3+ doped fused silica. Proc. SPIE. 2007; 6453:645317 DOI: 10.1117/12.701399. 

7. Jauregui C., Otto H., Breitkopf S., Limpert J., Tünnermann A. Optimizing high-power Yb-doped fiber amplifier systems in the presence of transverse mode instabilities. Opt. Express. 2018; 24:7879–7892. DOI: 10.1364/OE.24.007879. 

8. Beier F. et al. Single mode 4.3 kW output power from a diode-pumped Yb-doped fiber amplifier. Optics Express. 2017; 25:14892–14899. DOI: 10.1364/OE.25.014892. 

9. Shima K. et al. 5-kW single stage all-fiber Yb-doped single-mode fiber laser for materials processing. Proc. of SPIE. 2018;10512:105120C. DOI: 10.1117/12.2287624.

АВТОРЫ 

Колегов Алексей Анатольевич, к.т. н., главный конструктор по волоконным лазерам, ООО «Нордлэйз», a.kolegov@nordlase.ru, Санкт-Петербург, Россия. 

Абакшин Алексей Александрович, ведущий инженер-конструктор, ООО «Нордлэйз», a.abakshin@nordlase.ru, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия. 

Андрей Владимирович Чумаченко, ведущий инженер-конструктор, ООО «Нордлэйз», a.kolegov@nordlase.ru, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия. 

Горбачев Александр Викторович, начальник конструкторского отдела, ООО «Нордлэйз», a.gorbachev@nordlase.ru, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия. 

Фролов Дмитрий Александрович, ведущий инженер-технолог, ООО «Нордлэйз», d.frolov@nordlase.ru, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия. 

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы декларируют отсутствие конфликта интересов