В настоящее время существует три основные длины волны накачки иттербиевых волоконных лазеров: 915 нм, 976 нм и 1018 нм. Первые две используются в основном в промышленных лазерах, а 1018нм — в сверхмощных научных исследовательских лазерах. Выбор длины волны накачки иттербиевого волоконного лазера в основном определяется спектром поглощения и излучения волокна легированного иттербием (YDF).
Волокно легированное иттербием имеет пик поглощения вблизи 915 нм и 976 нм, при этом поперечное сечение поглощения пика поглощения на 915 нм составляет 1/3 пика поглощения от 976 нм, а ширина пика поглощения на 915 нм намного больше, чем у пика поглощения на 976 нм.
Характеристики пика поглощения также определяют, почему большинство промышленных лазеров используют 915 нм вместо 976 нм в качестве источника накачки.
В процессе производства полупроводниковых лазерных чипов существует определенное распределение холодных длин волн (рабочие длины волн малой мощности), как правило, около 10 нм. Если используется пик поглощения 976 нм, длина волны лазерного чипа должна быть экранирована, что приводит к снижению выхода годных.
Выходная длина волны полупроводникового лазера положительно коррелирует с его температурой (связанной с температурой рассеивания тепла, рабочим током и мощностью), то есть, чем выше температура, тем больше длина волны смещается в сторону большей длины волны, а дрейф на градус составляет 0,3 нм, поэтому при использовании длины волны накачки 976 нм предъявляются более высокие требования к охлаждению и контролю температуры лазера. Хотя интенсивность поглощения накачки 915 нм составляет всего 1/3 от интенсивности накачки 976 нм, длина YDF, используемого в лазере накачки 915 нм, в три раза больше, чем у накачки 976 нм, но конструкция лазера проще и надежнее.
Накачка волной 976 нм была основным техническим направлением в исследованиях научно-исследовательских институтов, в основном с использованием диодов накачки 976 нм или даже источников накачки с синхронизацией длины волны, то есть путем вставки решетки обратной связи по длине волны в оптический путь генерации полупроводникового лазера для стабилизации выходной длины волны и напряжения. Этот вид источников накачки имеет высокую стоимость и не подходит для промышленной лазерной области с чрезвычайно высокими требованиями к стоимости.
В последние годы, с развитием технологии лазерных диодов с длиной волны 976 нм, технология накачки постепенно начала применяться в больших масштабах в промышленной области. Особенно для сверхмощных лазеров с водяным охлаждением.
Преимущества лазеров с накачкой 976нм:
- Квантовая эффективность накачки 976 нм почти на 10% выше, чем у 915 нм, что делает систему более электрооптической, то есть мощность накачки может быть снижена на 10% при той же выходной мощности, что способствует контролю затрат;
- Из-за постоянного снижения цены за единицу мощности CW-лазеров доля стоимости источника накачки постепенно снижается, в то время как доля стоимости активного волокна имеет тенденцию к росту. По сравнению с 915 нм, для накачки 976 нм требуется только 1/3 длины волокна, стоимость волокна снижается, а сокращение длины волокна делает общую структуру лазера более компактной. В то же время для мощных лазеров нелинейные эффекты подавляются;
- Согласно данным лазерной динамики и спектра поглощения и испускания YDF, уровень заполнения частиц верхнего энергетического уровня намного ниже, чем у накачки 915 нм при накачке на 976 нм, что снижает риск фотозатемнения YDF.
Конечно, накачка 976 нм также имеет определенные риски и проблемы:
- Точность контроля температуры чиллера выше, поскольку для промышленных изделий невозможно использовать дорогостоящий источник накачки с синхронизацией по длине волны 976 нм;
- Нестабильность режима высокомощных одномодовых лазеров ограничена. Из-за более высокой мощности, поглощаемой светом накачки на единицу длины и более высокой тепловой нагрузки, когда мощность достигает определенного уровня, будет вызван TMI, что значительно ухудшит качество пучка M2 выходного лазера;
- Процесс сборки сложнее и сварка волокна сложнее для обеспечения стабильной и надежной работы в условиях высокой тепловой нагрузки.
В связи с непрерывным улучшением мощности лазера яркость обычной полупроводниковой накачки перестала соответствовать требованиям сверхмощного одноволоконного выхода. Поэтому IPG предложила каскадную схему накачки на основе 1018 нм и на основе этой схемы была реализована схема накачки. Выходная мощность 20 кВт.
Основная идея каскадной накачки 1018 нм заключается в том, чтобы сначала использовать накачку полупроводникового лазера 976 нм для генерации лазерного излучения с длиной волны 1018 нм, увеличить яркость лазера на несколько порядков, а затем объединить лазер 1018 нм и использовать его для накачки лазера с длиной волный 1080 нм. Включен предел яркости накачки для повышения мощности лазера.