اقترحت BWT نظرية الترتيب المكاني الكثيف (DSBC) وتحققت من صحة DSBC من خلال تجربة مصدر مضخة على مستوى كيلو واط.في الوقت الحالي ، تمت زيادة طاقة الأنبوب الفردي إلى 15W-30W @ BPP≈5-12mm * mrad وتبلغ الكفاءة الكهروضوئية أكثر من 60٪ ، مما يتيح لمصدر المضخة عالي الطاقة المقترن بإخراج الألياف الحفاظ على ارتفاع إخراج السطوع مع تقليل الحجم ، من الممكن تقليل الوزن وتحسين كفاءة التحويل الكهروضوئي.
باستخدام الرقاقة الحالية ، أدركت BWT على التوالي مصدر مضخة بقطر أساسي يبلغ 135 ميكرومتر NA0.22 مخرج مقترن بالألياف 420 واط بطول موجي مغلق عند 976 نانومتر ، جودة ≈ 500 جرام ؛وقطر أساسي يبلغ 220 ميكرومتر NA0.22 ناتج مقترن بالألياف 1000 واط بطول موجي واحد 976 نانومتر (أو 915 نانومتر) ، مصدر مضخة عالي الجودة ≈ 400 جرام.
في المستقبل ، مع تحسين سطوع رقاقة أشباه الموصلات والكفاءة الكهروضوئية ، ستلعب مصادر المضخات خفيفة الوزن وعالية الطاقة دورًا لا يمكن الاستغناء عنه في تصنيع مصادر ضوء الليزر عالية الطاقة صغيرة الحجم ، وستعزز التطوير بنشاط من التطبيقات الصناعية.
مقدمة
نمت الليزرات الليفية بسرعة بسبب جودة الحزمة الممتازة وقدرات توسيع الطاقة المرنة (مجمعات الألياف).في السنوات الأخيرة ، تم تقييد الليزر أحادي الألياف أحادي الألياف بواسطة تأثيرات TMI (عدم استقرار الوضع العرضي) وتأثيرات SRS ، وتقتصر قوة مذبذبات الليزر الليفي ذات الضخ المباشر لأشباه الموصلات على 5 كيلو واط
[1].مكبر الليزر متوقف أيضًا عند 10kW
[2].على الرغم من أنه يمكن زيادة طاقة الخرج عن طريق زيادة قطر النواة بشكل مناسب ، فإن جودة حزمة الإخراج تنخفض أيضًا -1.ومع ذلك ، فإن الطلب على تحسين سطوع مصادر مضخة أشباه الموصلات لا يزال ملحًا.
متطلبات جودة الحزمة في تطبيقات المعالجة الصناعية ليست بالضرورة أحادية الوضع.من أجل زيادة قوة الألياف المفردة ، يُسمح ببعض أوضاع الترتيب المنخفض.حتى الآن ، هناك عدد قليل من مصادر ضوء الليزر متعددة الأنماط أحادية الألياف وشعاع مدمجة على أساس ضخ 976 نانومتر لأكثر من 5 كيلو وات مع تطبيقات دفعية (بشكل أساسي قطع ولحام المواد المعدنية) ، إنتاج مصادر المضخات عالية الطاقة المقابلة يتم أيضًا تحجيم الدُفعة.
أصغر وأخف وزنًا وأكثر استقرارًا
العلاقة بين رقاقة أشباه الموصلات BPP وسطوع مصدر المضخة
قبل ثلاث سنوات ، كان سطوع رقائق 9xxnm في الغالب عند مستوى 3W / mm * mrad @ 12W-100μm عرض الشريط و 2W / mm * mrad @ 18W-200μm عرض الشريط.بناءً على هذه الرقائق ، تحقق BWT خرجًا مقترنًا بالألياف بمقدار 600 وات و 1000 وات 200 ميكرومتر NA0.22.
في الوقت الحاضر ، حقق سطوع رقائق 9xxnm 3.75W/mm*mrad@15W-100μm عرض الشريط و 3W / mm * mrad @ 30W-230μm عرض الشريط ، ويتم الحفاظ على الكفاءة الكهروضوئية بشكل أساسي عند حوالي 60٪.
وفقًا لنظرية الترتيب المكاني الكثيف [6] ، يتم حسابه وفقًا لمتوسط كفاءة اقتران الألياف بنسبة 78٪ (انبعاث الليزر من الشريحة إلى خرج اقتران الألياف: تجميع الحزمة المكانية ذات الطول الموجي الفردي وتجميع حزمة الاستقطاب بدون VBG) ، ومن المفترض أن تعمل الشريحة بأعلى طاقة (تختلف الشريحة BPP في التيارات المختلفة) ، قمنا بتجميع خريطة البيانات على النحو التالي:
* سطوع رقاقة مقابل قوة إخراج الألياف قطرها الأساسية مختلفة
يمكن العثور من الشكل أعلاه على أنه عندما يحقق ليف معين (القطر الأساسي و NA ثابتًا) خرجًا محددًا لاقتران الطاقة ، بالنسبة للرقائق ذات السطوع المختلف ، يختلف عدد الرقائق وحجم ووزن مصدر المضخة هي أيضا مختلفة.بالنسبة لمتطلبات الضخ الخاصة بليزر الألياف ، إذا تم تحديد مصدر المضخة المصنوع من الرقائق المذكورة أعلاه ذات السطوع المختلف ، فإن وزن وحجم ليزر الألياف بنفس الطاقة مختلفان تمامًا ، كما أن تكوين نظام التبريد المائي يكون أيضًا مختلف تماما.
الكفاءة العالية والحجم الصغير والوزن الخفيف هي الاتجاهات الحتمية في تطوير مصادر ضوء الليزر في المستقبل (سواء كانت ليزرات الصمام الثنائي أو ليزر الحالة الصلبة أو ليزر الألياف) ، ويلعب سطوع وكفاءة وقوة رقائق أشباه الموصلات دورًا حاسمًا فيها .
خفيفة الوزن ، وسطوع عالي ، مصدر مضخة عالي الطاقة
من أجل التكيف مع مجمع الألياف ، اخترنا مواصفات الألياف المشتركة: 135 ميكرومتر NA0.22 و 220 ميكرومتر NA0.22.يعتمد التصميم البصري لمصدري المضخات على الترتيب المكاني الكثيف والجمع بين حزمة الاستقطاب.
من بينها ، يستخدم 420WLD شريحة 3.75W/mm*mrad@15W و 135μm من الألياف NA0.22 ، ولديه قفل الطول الموجي VBG ، والذي يلبي متطلبات قفل موجة الطاقة بنسبة 30-100٪ ، والكفاءة الكهروضوئية هي 41٪ .يتكون جسم LD من مادة سبائك الألومنيوم وهيكل شطيرة [5].تشترك الرقائق العلوية والسفلية في قناة تبريد الماء ، مما يحسن استخدام المساحة.ترتيب بقعة الضوء والطيف وخرج الطاقة (الطاقة في الألياف) موضحة في الشكل:
* 420 واط @ 135 ميكرومتر NA0.22 LD
اخترنا 6 LDs لاختبارات الصدمات والاهتزاز في درجات الحرارة العالية والمنخفضة.بيانات الاختبار هي كما يلي:
* اختبار تأثير درجات الحرارة العالية والمنخفضة
*اختبار الاهتزاز
يعتمد 1000WLD شريحة 3W / mm * mrad @ 30W وألياف 220μm NA0.22 ، والتي تحقق 915nm و 976nm مخرجات مقترنة بالألياف 1000W على التوالي ، والكفاءة الكهروضوئية> 44٪.جسم LD مصنوع أيضًا من مادة سبائك الألومنيوم.من أجل تحقيق نسبة طاقة إلى كتلة أعلى ، تم تبسيط هيكل LD في ظل شرط ضمان القوة الهيكلية.جودة LD ، وترتيب البقعة ، وطاقة الإخراج (الطاقة في الألياف) هي كما يلي:
* 1000 واط @ 220 ميكرومتر NA0.22 LD
من أجل تحسين موثوقية مصدر المضخة ، تتبنى ألياف طرف التوصيل تقنية انصهار غطاء نهاية الكوارتز وتقنية ترشيح ضوء الكسوة ، مما يجعل درجة حرارة الألياف خارج مصدر المضخة بالقرب من درجة حرارة الغرفة.تم اختيار ستة 976nmLDs لاختبارات الصدمات والاهتزاز في درجات الحرارة العالية والمنخفضة.نتائج الاختبار كالتالي:
* اختبار تأثير درجات الحرارة العالية والمنخفضة
* اختبار تأثير درجات الحرارة العالية والمنخفضة
*اختبار الاهتزاز
خاتمة
يأتي تحقيق خرج عالي السطوع على حساب الكفاءة الكهروضوئية ، أي لا يمكن الحصول على أعلى طاقة إخراج وأعلى كفاءة كهروضوئية في نفس الوقت ، والتي يتم تحديدها من خلال سطوع الشريحة والتردد الطبيعي للاقتران الأساسية.في الشعاع المكاني متعدد الأنبوب الذي يجمع بين التكنولوجيا ، يكون السطوع والكفاءة دائمًا الأهداف التي لا يمكن تحقيقها في نفس الوقت.يجب تحديد توازن الكفاءة الكهروضوئية والقوة وفقًا للتطبيق المحدد.
مراجع
[1] Mller Friedrich ، Krmer Ria G. ، Matzdorf Christian ، وآخرون ، "تحليل أداء متعدد كيلووات لمضخم أحادي الوضع ومذبذب Yb-doped" ، ليزر الألياف XVI: التكنولوجيا والأنظمة (2019).
[2] Gapontsev V ، Fomin V ، Ferin A ، وآخرون ، "Diffraction Limited Ultra-Power Fiber Fiber Lasers" ، ضوئيات الحالة الصلبة المتقدمة (2010).
[3] Haoxing Lin ، Li Ni ، Kun Peng ، وآخرون ، "حقق ليزر الألياف المخدر YDF المنتج محليًا في الصين إنتاج 20 كيلو وات من ألياف مفردة ،" المجلة الصينية لليزر ، 48 (09) ، (2021).
[4] Cong Gao ، Jiangyun Dai ، Fengyun Li ، وآخرون ، "ألياف الإيتربيوم المخدرة بالألمنيوم المخدر بقدرة 10 كيلو وات من أجل الضخ الترادفي" ، المجلة الصينية لليزر ، 47 (3) ، (2020).
[5] Dan Xu ، Zhijie Guo ، Tujia Zhang ، وآخرون ، "مصدر ضخ ليزر ديود عالي السطوع 600 واط ،" Spie Laser ، 1008603 ، (2017).
[6] Dan Xu ، Zhijie Guo ، Di Ma ، وآخرون ، "ليزر ديود مباشر عالي السطوع من فئة KW" ، تقنية ليزر الصمام الثنائي عالي الطاقة XVI ، تقنية ليزر الصمام الثنائي عالي الطاقة XVI ، (2018).
تأسست BWT في عام 2003 ، وهي مزود عالمي لخدمات حلول الليزر.من خلال مهمة "دع الحلم يقود الضوء" وقيم "الابتكار المتميز" ، تلتزم الشركة بابتكار منتجات ليزر أفضل وتوفير ليزرات الصمام الثنائي والليزر الليفي ومنتجات وحلول الليزر فائقة السرعة للعملاء العالميين.حتى الآن ، يعمل أكثر من 10 ملايين جهاز ليزر BWT بثبات عبر الإنترنت في أكثر من 70 دولة ومنطقة حول العالم.
الوقت ما بعد: 11 مايو - 2022