Puissance laser à fibre dopée au thulium

Ces dernières années, les lasers à fibre dopée au thulium ont attiré de plus en plus d'attention en raison de leurs avantages tels qu'une structure compacte, une bonne qualité de faisceau et une efficacité quantique élevée. Parmi eux, les lasers à fibre continue dopés au thulium de haute puissance ont des applications importantes dans de nombreux domaines tels que les soins médicaux, la sécurité militaire, les communications spatiales, la détection de la pollution atmosphérique et le traitement des matériaux. Au cours des 20 dernières années, les lasers à fibre continue dopée au thulium de haute puissance se sont développés rapidement et la puissance de sortie maximale actuelle a atteint le niveau du kilowatt. Examinons ensuite la voie d'amélioration de la puissance et les tendances de développement des lasers à fibre dopée au thulium du point de vue des oscillateurs et des systèmes d'amplification.

La source de pompe des premiers lasers à fibre dopée au thulium utilisait généralement un laser YAG de faible puissance de 1 064 nm ou un laser à colorant de 790 nm. En raison de la faible puissance de la source de pompage et des limites du processus de préparation des fibres dopées vers l'arrière à l'époque, la puissance de sortie des lasers à fibre dopée au thulium n'était que de l'ordre du watt. Avec l’introduction de la technologie des pompes à double gaine et la maturité croissante de la technologie des lasers à semi-conducteurs de haute puissance, la puissance de sortie des lasers à fibre dopée au thulium augmente également constamment.

En 1998, Jackson et coll. de l'Université de Manchester au Royaume-Uni a utilisé un laser à semi-conducteur de 790 nm comme source de pompage et a utilisé la technologie de pompage de gaine pour construire un laser à fibre dopée au thulium accordable en continu et structuré spatialement avec une puissance de sortie maximale de 5,4 W. En 2007, un laser à fibre dopée au thulium et réglable en continu. Un laser à fibre de germanate dopé a été développé. Le dispositif expérimental est illustré à la figure 1. En mode de pompage à une extrémité, une puissance laser continue de 64 W a été obtenue à 1 900 nm. Afin d'obtenir une puissance de sortie plus élevée, les chercheurs ont utilisé un pompage à double extrémité et une fibre à gain de 40 cm de long, pour finalement obtenir une puissance laser continue de 1 900 nm de 104 W.

En 2009, l'Institut de technologie de Harbin a développé un laser à fibre dopé au thulium avec une structure de cavité linéaire entièrement en fibres. Il se compose d'un réseau de Bragg à fibre réfléchissante et de la réflexion de Fresnel formée par la face d'extrémité de la fibre dopée au thulium pour former une cavité résonante. Il est pompé par 793 nm LD. Finalement, une puissance de sortie de 39,4 W a été obtenue. En outre, ils ont également comparé la puissance de sortie et les caractéristiques spectrales obtenues lorsque les miroirs FBG et dichroïques étaient utilisés respectivement comme coupleurs à haute réflexion, et ont constaté que l'efficacité de pente de la structure entièrement fibreuse était inférieure et que la puissance de seuil était plus élevée. Par rapport à la structure spatiale, la structure entièrement fibreuse était initialement limitée par les performances du dispositif à fibre optique et la qualité de l'épissure, et ses avantages n'étaient pas évidents. Avec l'amélioration continue de la technologie de préparation des dispositifs à fibres optiques et du niveau d'épissage, les structures entièrement en fibres ont progressivement montré d'énormes avantages.

La même année, un laser à fibre dopée au thulium de haute puissance basé sur une structure spatiale a utilisé un LD de 793 nm pour pomper une fibre dopée au thulium avec un diamètre de cœur de 25 μm et une ouverture numérique (NA) de 0,08, et a obtenu une puissance laser monomode de 300 W. Plus tard, avec une structure similaire, une fibre de champ grand mode avec un diamètre de noyau de 40 μm et une ouverture numérique de 0,2 a été utilisée pour obtenir une puissance laser multimode de 2040 nm de 885 W, qui est la puissance de sortie maximale obtenue par un seul oscillateur à fibre dopée au thulium.

En 2014, l'Université Tsinghua a signalé un laser à fibre dopé au thulium de haute puissance avec une structure de cavité linéaire entièrement fibreuse, composée d'un réseau de Bragg à fibre et d'une fibre à gain de 3 m de long. Sept LD de 790 nm avec une puissance de sortie maximale de 70 W ont été utilisés comme sources de pompe. Finalement, une puissance de sortie de 227 W a été obtenue. La même année, l'Université nationale de technologie de la défense a utilisé deux lasers à fibre Raman (RFL) haute puissance de 1 173 nm comme sources de pompage pour construire un laser à fibre dopé au thulium à largeur de raie étroite à haut rendement avec une structure à cavité droite entièrement en fibres, et a finalement atteint une puissance de 96 W. puissance. Il s’agit du premier laser à fibre dopé au thulium avec une longueur d’onde de pompage proche de 1 200 nm et une puissance de sortie de l’ordre de plusieurs centaines de watts. Il constitue également une solution de pompage très prometteuse pour augmenter la puissance de sortie des lasers à fibre dopée au thulium.

En 2015, l'Université des sciences et technologies de Huazhong a utilisé une fibre de silice à double gaine dopée au thulium pour construire un laser à fibre dopée au thulium avec une structure de cavité linéaire entièrement en fibres. Il a utilisé trois LD haute puissance de 793 nm pour le pompage et a obtenu une puissance de sortie de 121 W. C'est la première fois que l'on utilise une fibre optique domestique dopée au thulium pour obtenir une puissance de sortie de centaines de watts à une longueur d'onde de 1915 nm. En outre, des expériences ont montré que l'augmentation du diamètre de la gaine interne de la fibre à gain permet d'obtenir une meilleure dissipation thermique, ce qui fournit également des idées pour la gestion thermique et l'amélioration de la puissance des lasers à fibre dopée au thulium.