قوة ليزر ألياف الثوليوم

في السنوات الأخيرة، اجتذبت ليزرات الألياف المشبعة بالثوليوم المزيد والمزيد من الاهتمام نظرًا لمزاياها مثل البنية المدمجة وجودة الشعاع الجيدة والكفاءة الكمية العالية. من بينها، تتمتع أجهزة ليزر الألياف المستمرة عالية الطاقة والمطعمة بالثوليوم بتطبيقات مهمة في العديد من المجالات مثل الرعاية الطبية والأمن العسكري والاتصالات الفضائية واكتشاف تلوث الهواء ومعالجة المواد. في العشرين عامًا الماضية تقريبًا، تطورت أجهزة ليزر الألياف المستمرة عالية الطاقة والمطعمة بالثوليوم بسرعة، وقد وصلت الطاقة الإنتاجية القصوى الحالية إلى مستوى الكيلووات. بعد ذلك، دعونا نلقي نظرة على مسار تحسين الطاقة واتجاهات تطوير ليزر الألياف المشبع بالثوليوم من جوانب المذبذبات وأنظمة التضخيم.

يستخدم مصدر المضخة لأشعة الليزر الليفية المشبعة بالثوليوم بشكل عام ليزر YAG منخفض الطاقة 1064 نانومتر أو ليزر صبغ 790 نانومتر. نظرًا لانخفاض طاقة مصدر المضخة والقيود المفروضة على عملية تحضير الألياف المخدرة بالخلف في ذلك الوقت، كانت طاقة خرج ليزر الألياف المشبعة بالثوليوم في مستوى الواط فقط. مع إدخال تقنية المضخة ذات الكسوة المزدوجة والنضج المتزايد لتقنية ليزر أشباه الموصلات عالية الطاقة، تتزايد أيضًا طاقة الخرج من ليزر الألياف المغطى بالثوليوم باستمرار.

في عام 1998، جاكسون وآخرون. من جامعة مانشستر في المملكة المتحدة استخدم ليزر أشباه الموصلات بطول 790 نانومتر كمصدر للمضخة واستخدم تقنية ضخ الكسوة لبناء ليزر ألياف مصنوع من الثوليوم ومُنظم بشكل مكاني وقابل للضبط المستمر مع طاقة إنتاجية قصوى تبلغ 5.4 واط. تم تطوير ليزر الألياف الجرثومية المخدر. يظهر الجهاز التجريبي في الشكل 1. في ظل وضع الضخ أحادي الطرف، تم الحصول على خرج ليزر مستمر قدره 64 واط عند 1900 نانومتر. من أجل الحصول على طاقة خرج أعلى، استخدم الباحثون ضخًا مزدوجًا واستخدموا أليافًا بطول 40 سم، وحصلوا أخيرًا على خرج ليزر مستمر بطول 1900 نانومتر بقوة 104 وات.

في عام 2009، قام معهد هاربين للتكنولوجيا بتطوير ليزر ألياف مشبع بالثوليوم مع بنية تجويف خطية بالكامل من الألياف. وهو يتألف من شبكة من الألياف العاكسة Bragg وانعكاس فريسنل الذي يتكون من الوجه النهائي للألياف المطلية بالثوليوم لتشكيل تجويف رنين. يتم ضخه بمقدار 793 نانومتر LD. وأخيرًا، تم الحصول على طاقة خرج تبلغ 39.4 واط. بالإضافة إلى ذلك، قاموا أيضًا بمقارنة طاقة الخرج والخصائص الطيفية التي تم الحصول عليها عند استخدام FBG والمرايا ثنائية اللون كمقرنات عالية الانعكاس على التوالي، ووجدوا أن كفاءة المنحدر للهيكل المصنوع من الألياف بالكامل كانت أقل وكانت قدرة العتبة أعلى. بالمقارنة مع الهيكل المكاني، كان هيكل الألياف بالكامل محدودًا في البداية بأداء جهاز الألياف الضوئية وجودة الربط، ولم تكن مزاياه واضحة. مع التحسين المستمر لتكنولوجيا إعداد جهاز الألياف الضوئية ومستوى الربط، أظهرت هياكل الألياف بالكامل مزايا هائلة تدريجيًا.

في نفس العام، استخدم ليزر ألياف عالي الطاقة مُطعم بالثوليوم يعتمد على بنية مكانية، 793 نانومتر LD لضخ ألياف مُطعمة بالثوليوم بقطر أساسي يبلغ 25 ميكرومتر وفتحة عددية (NA) تبلغ 0.08، وتم تحقيقه خرج ليزر أحادي الوضع بقدرة 300 وات. وفي وقت لاحق، وبهيكل مماثل، تم استخدام ألياف مجال كبيرة الوضع يبلغ قطرها الأساسي 40 ميكرومتر وفتحة عددية قدرها 0.2 للحصول على خرج ليزر متعدد الأوضاع بطول 2040 نانومتر يبلغ 885 W، وهي أقصى طاقة خرج يتم الحصول عليها بواسطة مذبذب ألياف واحد مشبع بالثوليوم.

في عام 2014، أعلنت جامعة تسينغهوا عن ليزر ليفي عالي الطاقة مطلي بالثوليوم مع بنية تجويف خطية من الألياف بالكامل، تتكون من شبكة ألياف براغ وألياف كسب بطول 3 أمتار. تم استخدام سبعة 790 نانومتر LDs بقدرة خرج قصوى تبلغ 70 وات كمصادر للمضخة. وأخيرًا، تم الحصول على طاقة خرج قدرها 227 وات. في نفس العام، استخدمت الجامعة الوطنية لتكنولوجيا الدفاع اثنين من ليزر ألياف رامان عالي الطاقة (RFL) بطول 1173 نانومتر كمصادر للمضخة لبناء ليزر ألياف ضيق وعالي الكفاءة ومطعم بالثوليوم مع هيكل تجويف مستقيم من الألياف بالكامل، و أخيرًا حقق إنتاجًا قدره 96 واط. كان هذا أول ليزر ألياف مشبع بالثوليوم مع طول موجة للمضخة يقارب 1200 نانومتر وقدرة خرج تصل إلى مئات الواط. كما أنها توفر حلاً واعدًا جدًا للضخ لزيادة الطاقة الناتجة من ليزر الألياف المشبع بالثوليوم.

في عام 2015، استخدمت جامعة هواتشونغ للعلوم والتكنولوجيا ألياف سيليكا مزدوجة الطبقة ومطعمة بالثوليوم لبناء ليزر ألياف مطلي بالثوليوم مع هيكل تجويف خطي مصنوع بالكامل من الألياف. لقد استخدمت ثلاث LDs عالية الطاقة 793 نانومتر للضخ وحصلت على طاقة خرج تبلغ 121 واط. وهذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام الألياف الضوئية المحلية المطلية بالثوليوم للحصول على طاقة خرج تبلغ مئات الواط عند طول موجة يبلغ 1915 نانومتر. بالإضافة إلى ذلك، وجدت التجارب أن زيادة قطر الكسوة الداخلية لألياف الكسب يمكن أن يحقق تبديدًا أفضل للحرارة، مما يوفر أيضًا أفكارًا للإدارة الحرارية وتحسين طاقة ليزر الألياف المشبع بالثوليوم.