通过光谱束组合克服Tm掺杂光纤激光器的性能瓶颈

弗劳恩霍夫光学与精密技术研究所（IOF）创新 光子学、精密技术及光学创新 处于顶创新 。该研究所位于德国耶拿——这座光学科学中心，专注于为工业、科研及科学领域的挑战开发先进解决方案。 该研究所注重跨学科合作，以开发定制化光学系统、激光器及测量解决方案而著称，这些产品在效率、精度和可扩展性方面树立了行业标杆。作为知名的弗劳恩霍夫协会的一员，IOF架起了学术研究与工业应用之间的桥梁，推动技术进步，并促进全球经济增长。

弗里德里希·穆勒（Friedrich Möller）是该研究所激光与光纤技术部的科学家，主要致力于高功率激光系统的规模化研究。 他和同事们开发了基于钬（Tm）掺杂光纤的激光器，该光纤通常可在1850-2100纳米的光谱范围内发射光，从而为从医疗程序、聚合物加工到自由空间通信等广泛应用提供了显著优势。

挑战

Tm掺杂光纤激光器在多种应用中具有显著优势。然而，提高此类激光器的平均输出功率一直是一个持续的挑战。

通常在790 nm波长下泵浦的Tm掺杂光纤激光器在运行过程中会产生巨大的热负荷。这种热量会影响光纤的传输特性，从而导致横向模不稳定性（TMI）并可能造成光纤损坏。 近十年来，这些问题一直将近衍射波长的钬掺杂光纤激光器的输出功率限制在约1 kW。在保持光束质量和运行效率的同时突破这一功率极限，是推动该技术进一步发展的关键挑战。

解决方案

为了克服功率扩展的限制，必须开发创新的热管理策略和新型高功率光学器件，同时确保保持出色的光束质量。该解决方案包括开发一种双光栅光谱束组合系统（SBC），该系统能够整合多个高功率Tm掺杂光纤放大器的输出功率。

该方案的核心是三台专门定制的千瓦级Tm掺杂光纤放大器，每台均工作在针对高大气传输效率进行优化的特定波长下。这些放大器采用了 高意专为高效运行而设计的NuTDF LMA-TDF-25P/400-M光纤。LMA-TDF-25P

一种用于光束合成的双光栅配置，最大限度地降低了对激光器的要求，从而确保了近乎衍射级的光束质量。 SBC系统的核心光学元件 （IOF）开发的一种新型反射光栅。这些专为随机输入偏振设计的光栅实现了超过94%的衍射效率，并能实现精确的光谱束合，总束合效率达90%。

结果

该先进单板计算机（SBC）系统的实施取得了突破性成果：

• 创纪录的输出功率：总输出功率达到1.91 kW，这标志着Tm掺杂光纤激光器在功率方面取得了一个重要里程碑。

• 高光束质量与效率：每个放大器均提供了超过 700 W 的无 TMI 单模输出功率，放大效率约为 60%，光谱线宽小于 115 pm。

• 可扩展性：该双光栅系统展现出超过 20 kW 平均输出功率的可扩展潜力。热性能指标显示，组合光栅处的热阻仅为 6.8 K/kW，这凸显了其适用于苛刻的高功率应用。

这一成就为Tm掺杂激光技术领域的进一步发展铺平了道路，并为其在需要高功率和卓越光束质量的下一代医疗、工业及国防系统中的应用开辟了可能性。

参考资料：

[1] T. Ehrenreich、R. Leveille、I. Majid 和 K. Tankala，《1 kW 全玻璃钽钼酸钨（Tm）光纤激光器》，发表于 SPIE Photonics West：光纤激光器 VII：技术、系统与应用（2010）。

[2] B. M. Anderson、J. Solomon 和 A. Flores，《1.1 kW 可束合的钬掺杂全光纤放大器》，SPIE 会议论文集 11665，《第十五届光纤激光器会议 III：技术与系统》，116650B（2021年3月5日）。

[3]    R. Sims、C. Dies、P. Kadwani、T. McComb、L. Shah、V. Sudesh、Z. Roth、M. Poutous、E. Johnson 和 M. Richardson，"2μm Tm 光纤激光器系统的光谱束组合"，光学元件 ，284(7)，1988-1991 (2011)。

[4] L. Shah、R. Sims、P. Kadwani、C. - „Attenis、J. B. Bradford、A. Sincore 和 M. Richardson“，〈高功率线性偏振 Tm:光纤激光器光谱束组合〉，《应用光学》54(4)，757–762 (2015)。

[5] F. Möller, T. Lühder, B. Yildiz, T. Walbaum, T. Schreiber, “千瓦级钬掺杂光纤激光器的光谱束组合”，SPIE会议论文集 12865，《光纤激光器 XXI：技术与系统》，128650S（2024年3月12日）

[6] P. Madasamy、D. Jander、C. Colleges、T. Loftus、A. Thomas、P. College 和 E.激光器雙光柵光譜束激光器，載於《IEEE 量子電子學精選主題期刊》，15(2)，337-343，(2009)。