Thulium-seostettu kuitulaserteho

Tuliumilla seostetut kuitulaserit ovat viime vuosina herättäneet yhä enemmän huomiota etujensa ansiosta, kuten kompakti rakenne, hyvä säteen laatu ja korkea kvanttitehokkuus. Niiden joukossa suuritehoisilla, jatkuvilla tuliumilla seostetuilla kuitulasereilla on tärkeitä sovelluksia monilla aloilla, kuten sairaanhoidossa, sotilasturvallisuudessa, avaruusviestinnässä, ilmansaasteiden havaitsemisessa ja materiaalinkäsittelyssä. Viimeisen lähes 20 vuoden aikana suuritehoiset jatkuvatoimiset tuliuumaseostetut kuitulaserit ovat kehittyneet nopeasti, ja nykyinen maksimilähtöteho on saavuttanut kilowattitason. Katsotaan seuraavaksi tuliumseostettujen kuitulaserien tehon parannuspolkua ja kehitystrendejä oskillaattorien ja vahvistusjärjestelmien näkökulmasta.

Varhaisten tuliumilla seostettujen kuitulaserien pumppulähteenä käytettiin yleensä pienitehoista 1064 nm:n YAG-laseria tai 790 nm:n värilaseria. Pumppulähteen alhaisesta tehosta ja taaksepäin seostetun kuidun valmistusprosessin rajoituksista johtuen tuliuumaseostettujen kuitulaserien lähtöteho oli vain wattitasolla. Kaksoispäällysteisen pumpputekniikan käyttöönoton ja suuritehoisen puolijohdelaserteknologian kypsymisen myötä myös tuliumilla seostettujen kuitulaserien lähtöteho kasvaa jatkuvasti.

Vuonna 1998 Jackson et ai. Manchesterin yliopistosta Iso-Britanniasta käytettiin 790 nm:n puolijohdelaseria pumppulähteenä ja suojakuoren pumppausteknologiaa rakentaakseen tilarakenteellisen jatkuvasti viritettävän tuliumilla seostetun kuitulaserin, jonka suurin lähtöteho oli 5,4 W. Vuonna 2007 tuliuuma- seostettu germanaattikuitulaser kehitettiin. Koelaite on esitetty kuvassa 1. Yksipään pumppaustilassa saatiin jatkuva 64 W laserteho 1900 nm:ssä. Suuremman lähtötehon saavuttamiseksi tutkijat käyttivät kaksipäätä pumppausta ja 40 cm pitkää vahvistuskuitua ja lopulta saivat 1900 nm:n jatkuvan lasertehon 104 W.

Vuonna 2009 Harbin Institute of Technology kehitti tuliumilla seostetun kuitulaserin, jossa on kokonaan kuitua sisältävä lineaarinen ontelorakenne. Se koostuu heijastavasta Bragg-kuidusta ja Fresnel-heijastuksesta, joka muodostuu tuliumilla seostetusta kuidun päätypinnasta resonanssiontelon muodostamiseksi. Sitä pumpataan 793 nm LD:llä. Lopuksi saatiin 39,4 W:n lähtöteho. Lisäksi he myös vertasivat lähtötehoa ja spektriominaisuuksia, jotka saatiin, kun FBG:tä ja dikroisia peilejä käytettiin heijastavina liittiminä, ja havaitsivat, että kokokuiturakenteen kaltevuustehokkuus oli pienempi ja kynnysteho suurempi. Tilarakenteeseen verrattuna kokokuiturakennetta rajoitti alun perin valokuitulaitteen suorituskyky ja jatkosten laatu, eivätkä sen edut olleet ilmeisiä. Optisten kuitulaitteiden valmistustekniikan ja jatkostason jatkuvan parantamisen myötä kaikki kuiturakenteet ovat vähitellen osoittaneet valtavia etuja.

Samana vuonna tilarakenteeseen perustuva suuritehoinen tuliumilla seostettu kuitulaser käytti 793 nm:n LD:tä pumppaamaan tuliumilla seostettua kuitua, jonka sydämen halkaisija oli 25 μm ja numeerinen aukko (NA) 0,08. yksimuotoinen laserteho 300 W. Myöhemmin samankaltaisella rakenteella suurimuotoista kenttäkuitua, jonka sydämen halkaisija oli 40 μm ja numeerinen aukko 0,2, käytettiin 2040 nm:n monimuotolaserin tehon saamiseksi 885 W, joka on yksittäisen tuliumilla seostetun kuituoskillaattorin suurin lähtöteho.

Vuonna 2014 Tsinghuan yliopisto raportoi suuritehoisesta tuliuumaseostetusta kuitulaserista, jossa oli lineaarinen ontelorakenne, joka koostuu Bragg-kuituhilasta ja 3 metrin pituisesta vahvistuskuidusta. Pumppulähteinä käytettiin seitsemän 790 nm LD:tä, joiden suurin lähtöteho oli 70 W. Lopuksi saatiin 227 W:n lähtöteho. Samana vuonna Kansallinen puolustusteknologiayliopisto käytti kahta suuritehoista 1173 nm:n Raman-kuitulaseria (RFL) pumppulähteenä tehokkaan kapean viivanleveyden tuliumilla seostetun kuitulaserin rakentamiseen, jossa oli täysin kuituinen suora ontelorakenne, ja saavutti lopulta 96 W:n tehon. Tämä oli ensimmäinen raportoitu tuliumilla seostettu kuitulaser, jonka pumpun aallonpituus oli lähellä 1200 nm ja lähtöteho satojen wattien luokkaa. Se tarjosi myös erittäin lupaavan pumppausratkaisun tuliumseostettujen kuitulaserien lähtötehon lisäämiseen.

Vuonna 2015 Huazhongin tiede- ja teknologiayliopisto käytti itse valmistettua tuliumilla seostettua kaksinkertaista piidioksidikuitua rakentaakseen tuliumilla seostetun kuitulaserin, jossa oli lineaarinen ontelorakenne. Se käytti kolmea suuritehoista 793 nm:n LD:tä pumppaamiseen ja sai 121 W:n lähtötehon. Tämä on ensimmäinen kerta, kun käytetään kotimaista tuliumilla seostettua optista kuitua tuottaakseen satojen wattien lähtötehoa 1915 nm:n aallonpituudella. Lisäksi kokeissa havaittiin, että vahvistuskuidun sisäkuoren halkaisijan kasvattaminen voi saavuttaa paremman lämmönpoiston, mikä tarjoaa myös ideoita tuliumilla seostettujen kuitulaserien lämmönhallintaan ja tehon parantamiseen.