Τα thulium fiber lasers, που λειτουργούν σε μήκος κύματος 2 μικρόμετρα, είναι ιδιαίτερα πολύτιμα σε εφαρμογές ιατρικής, επεξεργασίας υλικών και άμυνας. Το μεγαλύτερο μήκος κύματος τα καθιστά το διαφυγόν φως λιγότερο επικίνδυνο σε σύγκριση με τους πιο συνηθισμένους τύπους «ytterbium» στο 1 μικρόμετρο.
Παρά τα πλεονεκτήματα, τα thulium lasers έχουν «κολλήσει» γύρω στο 1 kW ισχύος για πάνω από μια δεκαετία, περιοριζόμενοι από μη γραμμικά φαινόμενα και συσσώρευση θερμότητας. Μία πολλά υποσχόμενη μέθοδος για υπέρβαση αυτού του ορίου είναι το inband pumping, δηλαδή η αλλαγή από διόδους στο 793 nm σε laser pumping στο 1,9 μm, που βελτιώνει την αποδοτικότητα και μειώνει τη θερμότητα, αλλά δημιουργεί νέες προκλήσεις για τα συστατικά οπτικών ινών, κυρίως για το cladding light stripper (CLS).
Προβλήματα των παραδοσιακών CLS
Οι συσκευές CLS αφαιρούν ανεπιθύμητο φως που ταξιδεύει στο εξωτερικό περίβλημα της ίνας, το οποίο αλλιώς υποβαθμίζει την ποιότητα της δέσμης και μπορεί να προκαλέσει ζημιά στα συστατικά. Οι συμβατικοί πολυμερικοί CLS δεν αντέχουν υψηλές ισχείς στα μακρά μήκη κύματος, καθώς η έντονη απορρόφηση στο 2 μm προκαλεί τοπική υπερθέρμανση και γρήγορη καταστροφή με λίγα μόλις watts.
Αντίθετα, άλλες τεχνικές όπως laser-processed ή «etched» ίνες αντέχουν μεγαλύτερη ισχύ αλλά δυσκολεύονται να αφαιρέσουν φως χαμηλής γωνίας, κρίσιμο για τις αντλίες. Υπάρχουν και πολυϋλικές CLS, με στρώματα αυξανόμενου δείκτη διάθλασης κατά μήκος της ίνας, αλλά είναι περίπλοκες στην εφαρμογή.
Αυτοπροσαρμοζόμενο CLS μονής ύλης
Όπως αναφέρει το Advanced Photonics Nexus, οι ερευνητές του Fraunhofer IOF στη Γερμανία ανέπτυξαν ένα απλούστερο σχέδιο: ένα μονοϋλικό CLS με αυτοπροσαρμοζόμενη συμπεριφορά.
Το υλικό ξεκινά με δείκτη διάθλασης λίγο υψηλότερο από το γυαλί, ο οποίος μειώνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, χάρη στον έντονα αρνητικό thermo-optical συντελεστή. Σε χαμηλή ισχύ, το CLS αφαιρεί φως αποτελεσματικά. Καθώς η ισχύς αυξάνεται, τα θερμαινόμενα τμήματα γίνονται λιγότερο αποτελεσματικά, περνώντας το υπόλοιπο φως σε πιο δροσερές περιοχές. Αυτό διαχέει τη θερμότητα κατά μήκος της ίνας αντί να συγκεντρώνεται στην αρχή, αποτρέποντας υπερθέρμανση και καταστροφή.
Όπως δηλώνει ο επικεφαλής ερευνητής, Δρ. Tilman Lühder: «Αυτό είναι ένα πραγματικό ”game-changer” για γρήγορα εργαστηριακά πειράματα σε μέσες ισχείς».
Πειραματικά αποτελέσματα και μελλοντικές εφαρμογές
Με υποστήριξη προσομοιώσεων και πειραμάτων, η ομάδα έδειξε την έννοια σε ίνες 125 μm και 400 μm για όλα τα σχετικά μήκη κύματος thulium. Τα αποτελέσματα έδειξαν πάνω από 20 W σήμα αφαιρεμένου φωτός στα 2 μm και έως 675 W στα 793 nm, σημειώνοντας νέο ρεκόρ για μονής ύλης CLS. Η κάμψη της ίνας βελτιώνει ακόμη περισσότερο την απόδοση, με αποτελεσματικότητα πάνω από 40 dB.
Παρά το ότι σχεδιάστηκε για thulium lasers, η προσέγγιση είναι προσαρμόσιμη: με ρύθμιση του δείκτη διάθλασης μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε erbium (1,5 μm) και ytterbium (1 μm) lasers.
Η τεχνολογία αυτή μπορεί να ξεπεράσει το παλαιό όριο ισχύος για thulium fiber lasers, ειδικά σε inband-pumped αρχιτεκτονικές, επιτρέποντας αξιόπιστη και υψηλής αποδοτικότητας αφαίρεση φωτός σε δύσκολα μήκη κύματος και ανοίγοντας το δρόμο για συστήματα επόμενης γενιάς.
Περισσότερες πληροφορίες: Tilman Lühder et al, Απογυμνωτής φωτός επένδυσης με προσαρμογή δείκτη για λέιζερ ινών θουλίου υψηλής ισχύος, Advanced Photonics Nexus (2025). DOI: 10.1117/1.apn.4.6.066005
Παρέχεται από την SPIE