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프라운호퍼 광학 및 정밀 공학 연구소(IOF)는 포토닉스, 정밀 기계 및 광학 기술 분야의 최첨단 연구 및 혁신의 선두에 서 있습니다. 광학 과학의 역사적 중심지인 독일 예나에 위치한 Fraunhofer IOF는 산업, 과학, 사회적 과제에 대한 고급 솔루션 개발을 전문으로 합니다. 학제간 협력에 초점을 맞춘 이 연구소는 효율성, 정밀도 및 확장성의 기준을 설정하는 맞춤형 광학 시스템, 레이저 기술 및 측정 솔루션을 만드는 데 탁월합니다. 유명한 프라운호퍼 협회(Fraunhofer Society)의 일부인 IOF는 학술 연구와 산업 응용 간의 격차를 해소하여 기술 발전을 촉진하고 전 세계적으로 경제 성장을 촉진합니다.

연구소 레이저 및 섬유 기술 부서의 과학자인 Friedrich Möller는 고출력 레이저 시스템의 확장에 중점을 두고 있습니다. 그와 그의 동료들은 다음을 기반으로 레이저를 개발했습니다.툴륨(Tm) 첨가 섬유일반적으로 1850-2100nm의 스펙트럼 범위에서 빛을 방출할 수 있으며 의료 절차, 폴리머 처리, 자유 공간 통신 등 다양한 응용 분야에 상당한 이점을 제공합니다.

도전

Tm 첨가 광섬유 레이저는 다양한 응용 분야에서 상당한 이점을 제공하지만, 이러한 레이저의 평균 출력 전력을 확장하는 것은 지속적인 과제로 남아 있습니다.

Tm 첨가 광섬유 레이저는 일반적으로 790nm로 펌핑되며 작동 중에 상당한 열 부하를 생성합니다. 이 열은 섬유의 안내 특성을 손상시켜 TMI(횡 모드 불안정성) 및 섬유 손상 가능성을 초래합니다. 거의 10년 동안 이러한 문제로 인해 거의 회절이 제한된 Tm 도핑 광섬유 레이저의 출력 전력이 약 1kW로 제한되었습니다. 빔 품질과 운영 효율성을 유지하면서 이러한 전력 한도를 돌파하는 것은 기술 발전에 있어 중요한 과제였습니다.

해결책

전력 스케일링 제한을 해결하려면 우수한 빔 품질을 유지하도록 설계된 열과 새로운 고성능 조합 광학을 관리하는 혁신적인 전략이 필요했습니다. 이 솔루션에는 여러 고성능 Tm 도핑 광섬유 증폭기의 출력을 통합할 수 있는 이중 격자 스펙트럼 빔 결합(SBC) 시스템을 개발하는 것이 포함되었습니다.

이 접근 방식은 맞춤 설계된 kW급 Tm 도핑 광섬유 증폭기 3개에 중점을 두었으며, 각각은 높은 대기 전송에 최적화된 특정 파장에서 작동합니다. 이 증폭기는 통합되었습니다.일관적인 NuTDFLMA-TDF-25P/400-M 광섬유는 고효율 작동을 위해 설계되었습니다.

빔 결합을 위한 이중 격자 구성은 레이저 대역폭 요구 사항을 최소화하여 거의 회절이 제한된 빔 품질을 보장합니다. SBC 시스템의 핵심에는 독일 예나에 있는 프라운호퍼 광학 및 정밀 공학 연구소(IOF)에서 개발한 새로운 반사 격자가 있습니다. 무작위 입력 편광을 위해 설계된 이 격자는 94% 이상의 회절 효율을 달성하여 90%의 전체 결합 효율로 정밀한 스펙트럼 빔 결합을 가능하게 합니다.

결과

이 고급 SBC 시스템의 구현으로 획기적인 결과가 나왔습니다.

• 기록적인 출력 전력: 총 출력 전력은 1.91kW에 이르렀으며, 이는 다음과 같은 중요한 이정표를 나타냅니다.Tm 첨가 광섬유 레이저 성능.

• 높은 빔 품질 및 효율성: 각 증폭기는 약 60%의 증폭 효율과 오후 115시 미만의 스펙트럼 선폭으로 700W를 초과하는 단일 모드, TMI 없는 출력 전력을 제공했습니다.

• 확장성: 이중 격자 시스템은 평균 출력 전력 20kW를 초과하는 확장 가능성을 보여주었습니다. 열 성능 측정법에 따르면 결합 격자에서 6.8K/kW의 낮은 열 기울기가 나타나 까다로운 고전력 애플리케이션에 대한 적합성을 강조했습니다.

이 성과는 Tm 도핑 광섬유 레이저 기술의 추가 발전을 위한 명확한 경로를 설정하여 높은 출력과 탁월한 빔 품질이 요구되는 차세대 의료, 산업 및 국방 시스템에 배치할 수 있는 기회를 열어줍니다.

참조:

[1]    T. Ehrenreich, R. Leveille, I. Majid 및 K. Tankala, "1 kW, 전체 유리 Tm: 섬유 레이저," SPIE Photonics West: 섬유 레이저 VII: 기술, 시스템 및 응용(2010)에서 발표.

[2]    B. M. Anderson, J. Solomon 및 A. Flores, "1.1 kW, 빔 결합 가능 툴륨 첨가 전섬유 증폭기", Proc. SPIE 11665, 파이버 레이저 XVIII: 기술 및 시스템, 116650B(2021년 3월 5일).

[3]    R. Sims, C. Willis, P. Kadwani, T. McComb, L. Shah, V. Sudesh, Z. Roth, M. Poutous, E. Johnson 및 M. Richardson, "2μm Tm 광섬유 레이저 시스템의 스펙트럼 빔 결합", Optics Communications,284(7), 1988-1991 (2011).

[4]    L. Shah, R. Sims, P. Kadwani, C. Willis, J. B. Bradford, A. Sincore 및 M. Richardson, "선형 편광 Tm:섬유 레이저의 고출력 스펙트럼 빔 결합", Appl. 고르다.54(4), 757-762 (2015).

[5]    F. Möller, T. Lühder, B. Yildiz, T. Walbaum, T. Schreiber, "kW급 툴륨 첨가 광섬유 레이저의 스펙트럼 빔 결합", Proc. SPIE 12865, 파이버 레이저 XXI: 기술 및 시스템, 128650S(2024년 3월 12일)

[6]    P. Madasamy, D. Jander, C. Brooks, T. Loftus, A. Thomas, P. Jones 및 E. Honea, "고출력 광섬유 레이저의 이중 격자 스펙트럼 빔 조합", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,15(2), 337-343, (2009).