툴륨 첨가 광섬유 레이저 출력

최근 몇 년 동안 툴륨 첨가 광섬유 레이저는 컴팩트한 구조, 우수한 빔 품질 및 높은 양자 효율과 같은 장점으로 인해 점점 더 많은 주목을 받고 있습니다. 그중에서도 고출력 연속 툴륨 첨가 광섬유 레이저는 의료, 군사 보안, 우주 통신, 대기 오염 감지 및 재료 처리와 같은 다양한 분야에서 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다. 지난 20년 동안 고출력 연속 툴륨 첨가 광섬유 레이저가 급속히 발전해 현재 최대 출력이 킬로와트 수준에 도달했습니다. 다음으로 툴륨 첨가 광섬유 레이저의 전력 개선 경로와 개발 동향을 발진기 및 증폭 시스템 측면에서 살펴보겠습니다.

초기 툴륨 첨가 파이버 레이저의 펌프 소스는 일반적으로 저전력 1064nm YAG 레이저 또는 790nm 염료 레이저를 사용했습니다. 펌프 소스의 낮은 출력과 당시 역방향 도핑 파이버 준비 프로세스의 한계로 인해 툴륨 도핑 파이버 레이저의 출력은 와트 수준에 불과했습니다. 이중 클래딩 펌프 기술의 도입과 고출력 반도체 레이저 기술의 성숙도가 높아짐에 따라 툴륨 첨가 파이버 레이저의 출력도 지속적으로 증가하고 있습니다.

1998년에 Jackson et al. 영국 맨체스터 대학의 연구진은 790nm 반도체 레이저를 펌프 소스로 사용하고 클래딩 펌핑 기술을 사용하여 최대 출력 5.4W의 공간 구조로 연속적으로 조정 가능한 툴륨 도핑 파이버 레이저를 구축했습니다. 2007년에 툴륨-첨가 파이버 레이저를 개발했습니다. 도핑된 게르마네이트 파이버 레이저가 개발되었습니다. 실험 장치는 그림 1에 나와 있습니다. 단일 엔드 펌핑 모드에서 1900nm에서 64W의 연속 레이저 출력을 얻었습니다. 더 높은 출력 전력을 얻기 위해 연구진은 더블 엔드 펌핑을 사용하고 40cm 길이의 이득 광섬유를 사용하여 최종적으로 104W의 1900nm 연속 레이저 출력을 얻었습니다.

2009년에 Harbin Institute of Technology는 전체 섬유 선형 공동 구조를 갖춘 툴륨 첨가 광섬유 레이저를 개발했습니다. 이는 공진 공동을 형성하기 위해 툴륨 첨가 섬유 끝면에 의해 형성된 반사 섬유 브래그 격자와 프레넬 반사로 구성됩니다. 793nm LD로 펌핑됩니다. 최종적으로 39.4W의 출력을 얻었습니다. 또한 FBG와 이색성 거울을 고반사 커플러로 각각 사용했을 때 얻은 출력 전력과 스펙트럼 특성을 비교한 결과, 전체 광섬유 구조의 기울기 효율이 더 낮고 임계 전력이 더 높은 것을 확인했습니다. 공간 구조와 비교하여 전체 섬유 구조는 처음에는 광섬유 장치의 성능과 접속 품질에 의해 제한되었으며 그 장점은 분명하지 않았습니다. 광섬유 장치 준비 기술 및 접합 수준의 지속적인 개선으로 전체 섬유 구조는 점차 큰 이점을 보여 왔습니다.

같은 해, 공간 구조를 기반으로 한 고출력 툴륨 도핑 파이버 레이저는 793nm LD를 사용하여 코어 직경 25μm, 개구수(NA) 0.08의 툴륨 도핑 파이버를 펌핑하여 달성했습니다. 300W의 단일 모드 레이저 출력. 나중에 유사한 구조로 코어 직경이 40μm이고 개구수가 0.2인 대형 모드 필드 광섬유를 사용하여 885의 2040nm 다중 모드 레이저 출력을 얻었습니다. W는 단일 툴륨 첨가 광섬유 발진기로 얻은 최대 출력 전력입니다.

2014년에 칭화대학교는 섬유 브래그 격자와 3m 길이의 이득 섬유로 구성된 전체 섬유 선형 공동 구조를 갖춘 고출력 툴륨 첨가 광섬유 레이저를 보고했습니다. 최대 출력 전력이 70W인 7개의 790nm LD가 펌프 소스로 사용되었습니다. 최종적으로 227W의 출력을 얻었습니다. 같은 해 국립국방기술대학교에서는 2개의 고출력 1173nm 라만 파이버 레이저(RFL)를 펌프 소스로 사용하여 전체 파이버 직선 캐비티 구조를 갖춘 고효율 좁은 선폭 툴륨 첨가 파이버 레이저를 구축했으며, 마침내 96W의 출력을 달성했습니다. 이것은 펌프 파장이 1200 nm에 가깝고 출력 전력이 수백 와트 정도인 최초의 보고된 툴륨 첨가 광섬유 레이저였습니다. 또한 툴륨 첨가 광섬유 레이저의 출력 전력을 높이기 위한 매우 유망한 펌핑 솔루션을 제공했습니다.

2015년에 화중과학기술대학교는 자체 제작한 툴륨 첨가 이중 클래드 실리카 섬유를 사용하여 전체 섬유 선형 공동 구조를 갖춘 툴륨 첨가 광섬유 레이저를 구축했습니다. 펌핑용으로 고출력 793nm LD 3개를 사용해 121W의 출력을 얻었다. 국내 툴륨 첨가 광섬유를 이용해 1915nm 파장에서 수백와트의 출력을 얻은 것은 이번이 처음이다. 또한, 실험에 따르면 이득 광섬유의 내부 클래딩 직경을 늘리면 더 나은 열 방출을 달성할 수 있으며, 이는 툴륨 첨가 광섬유 레이저의 열 관리 및 전력 향상에 대한 아이디어도 제공합니다.