Advanced power scaling techniques for multi-kW SM fiber MOPA: Glass-cladding technology and in-band pumping

Abstract

Son yıllarda yüksek güçlü fiber lazerler, verimlilikleri, mükemmel ışın kaliteleri, kompakt yapıları, kolay termal yönetimi, hizalama gerektirmemesi ve esnek çalışma avantajları sebebiyle bir çok alanda tercih edilir. Ancak doğrusal olmayan etkiler, yüksek güçlü fiber lazerlerin gücünü arttırmada en sınırlayıcı faktörlerden biridir. Genel olarak enerjiyi istenmeyen spektral alanlara kaydırırlar ve lazer çalışma dengesini bozabilirler. Bu etkilerin üstesinden gelmek için uygun pompalama yöntemleri kullanılır. Yüksek güçlü fiber lazerlerin çoğu, lazer diyot (LD) pompalama yöntemini kullanmıştır. Bu lazerlerde güç ölçeklendirme, pompa kaynağının parlaklığı doğrusal olmayan etkiler, optik hasar ve termal olarak indüklenen mod dengesizlikleri ile sınırlandırılabilir. Bant içi (tandem) pompalama, pompanın parlaklığını arttırmayı sağlayan değerli bir tekniktir. Mod alanı ölçeklemesini, ısı yönetimini, ışık karartmasını azaltmayı ve mod kararsızlığını iyileştirebilir. Direkt diyot pompalama daha düşük ışık gücüne sahip olsada, bant içi pompalama daha yüksek priz verimliliğine ve daha az bileşen gerektirdiğinden daha küçük alana sahiptir. Üç katmanlı fiberlerdeki son gelişmeler, yüksek parlaklığa sahip pompa diyotlar, ve çoklu kW güç kapasitesine sahip düşük kayıplı pompa-sinyal kombinerlar sayesinde, diyot pompalama fiber lazerler de kW gücünde çıkış seviyelerinde daha pratik hale geliyor. Bu tezde iki farklı yaklaşım kullanılarak, yüksek güçlü fiber lazer literatürüne katkıda bulunulmuştur. İlk bölümde, çoklu kW seviyelerinde ana osilatör güç yükselteç sistemi (MOPA) kazanç ortamında üç katmanlı Yb katkılı fiber kullanılarak direct diyot pompalama tekniği ile gerçekleştirilmiştir. MOPA sistemi, kompleks bant içi pompalama tabanlı MOPA sistemlerine kıyasla daha az bileşen kullanarak, çoklu kW lazer performansına ulaşmak için daha iyi mod kılavuzlama, yüksek güç kapasitesi ve termal ve mekanik dayanıklılığı sağlamak için kazanç ortamında üç katmanlı fiber yapısını kullanır. İkinci bölümde, endüstri tarafından güvenilirliğiyle tercih edilen kendi yaptığımız pompa kaynaklarının kullanıldığı, bant içi pompalı MOPA sisteminin tasarımı, analizi ve deneysel olarak gerçekleştirilmesi yer almaktadır.In recent years, due to their efficiency, excellent beam quality, compactness, easy thermal management, freedom from alignment, and flexible working advantages, high-power fiber lasers (HPFL) have become the most preferred laser system in many areas. But nonlinear effects are one of the most limiting factors in scaling up the power of HPFLs. Generally, they shift energy into undesirable spectral areas and might potentially destabilize laser operation. Appropriate pumping methods are used to overcome these effects. Most HPFLs have used the laser diode (LD) pumping method. Power scaling in HPFLs may be constrained by the brightness of the pump source, the nonlinear effects, optical damage, and thermally-induced modal instability. In-band pumping (tandem) is a valuable technical method for enhancing the brightness of the pump. In addition to increasing the pump's brightness, it can improve mode-area scaling, heat management, photodarkening mitigation, and modal instability. In-band pumping has been a focus of research recently and has been implemented in nearly all fiber lasers. Although direct diode pumping has lower output power, in-band pumping has higher wall-plug efficiency and a smaller footprint since it requires fewer components. Due to recent advancements in triple-clad fibers (TCF), high-brightness pump diodes, and low-loss pump-signal combiners with multi-kW power handling, diode-pumped fiber lasers are also becoming more practical at kW output levels. This thesis contributed to HPFL literature by using two distinct approaches. In the first section, a Ytterbium-doped (YD) TCF is utilized as the gain medium in a direct diode-pumped, multi-kW-level master oscillator power amplifier (MOPA) system. As a result, this MOPA system employs TCF structure for better mode-guiding properties, high power handling, and enhanced thermal and mechanical strength to reach multi-kW lasing performance using fewer components compared to complex in-band pump-based MOPA systems. In the second section of the thesis, design, analysis, and experimental realization of an in-band pumped MOPA system utilizing home-built pump sources, which the industry prefers for its reliability.