Непрерывный иттербиевый одномодовый лазер с мощностью излучения 1500 Вт

Фотоника том 16 №3 2022

А. А.Колегов¹ , А. А. Абакшин^{1, 2}, А.В Горбачев^{1, 2}, Д. А. Фролов^{1, 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]:

 (1)

где a – радиус поля моды, I_damage – пороговая интенсивность. И при I_damage ≈ 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:

 (2)

где L – длина оптического тракта, g_r = 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

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 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 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 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 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

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