La giunzione a fusione di fibre determina il limite superiore delle prestazioni per i laser ad alta potenza.

Negli ultimi anni, i laser a livello di kilowatt sono diventati gradualmente più diffusi. L'attenzione del settore è sempre stata rivolta alla potenza di uscita, alla qualità del raggio e all'efficienza di conversione luce-luce dei laser, ma spesso trascura il processo centrale nascosto che determina il limite di vita e di morte della giunzione di fusione laser-fibra ottica.

Una scarsa qualità di giunzione può portare a una diminuzione dell'efficienza di conversione della luce del laser e causare instabilità della modalità trasversale (TMI). Nei casi più gravi, ciò può provocare direttamente la combustione e la distruzione della fibra ottica e persino causare danni permanenti all'intera piattaforma laser.

Questo articolo discute l'influenza delle prestazioni di giunzione laser ad alta potenza ed esplora come selezionare una giuntatrice a fusione affidabile per fibra ottica.

1. Perché la fusione delle fibre unisce la 'linea della vita o della morte' per i laser ad alta potenza?

Il controllo della fusione delle fibre prevede semplicemente l'utilizzo di un arco elettrico ad alta tensione per fondere le estremità di due fibre ottiche, quindi l'utilizzo di un meccanismo di movimento altamente preciso per spingerle insieme dolcemente, consentendo alle due fibre di fondersi in una sola, ottenendo la connessione delle fibre ottiche e la completa trasmissione chiusa del percorso ottico. Per i laser con struttura interamente in fibra, l'intero percorso ottico è interamente composto da fibre ottiche e componenti in fibra e tutti i componenti devono essere collegati tramite fusione. La qualità della fusione determina direttamente il limite inferiore delle prestazioni e il limite superiore della durata dell'intero laser.

Negli scenari tradizionali delle fibre di comunicazione a bassa potenza, una perdita di giunzione a fusione inferiore a 0,2 dB è sufficiente per soddisfare i requisiti di utilizzo. Tuttavia, nei laser a fibra a cavità risonante ad alta potenza con potenza superiore a 3 kW, anche una perdita di giunzione di fusione di 0,1 dB può portare ad un accumulo termico fatale, diventando il fattore scatenante del guasto del laser.

1. Riduzione diretta delle prestazioni principali del laser: perdita anomala di potenza ed efficienza

I laser a fibra con struttura di risonatore ad alta potenza hanno requisiti molto più elevati per la qualità della fusione delle fibre rispetto agli scenari a bassa potenza e alle strutture di amplificatori. La fusione di fibre attive e passive a doppio rivestimento drogate con itterbio comporta inevitabilmente alcune perdite intrinseche e una scarsa qualità della fusione farà sì che queste perdite vengano amplificate in modo esponenziale.

Secondo i dati di misurazione effettivi, quando la giunzione non è buona, in condizioni di alta potenza, l'efficienza di conversione da ottico a ottico del laser sarà inferiore dall'1% al 3% e la temperatura superficiale dello stripper di rivestimento (CPS) sarà maggiore di 5-10 gradi Celsius.

Nell'esperimento, per il campione con la qualità di fusione più scarsa, l'efficienza di conversione da ottico a ottico è scesa del 2,28% e la temperatura del CPS è aumentata di 11,2 ℃. Nei casi più gravi, quando la potenza della pompa raggiunge i 3800 W, la potenza del segnale luminoso ristagna, la temperatura del CPS aumenta rapidamente, innescando direttamente l'effetto TMI, facendo perdere completamente al laser la capacità di emettere stabilmente alta potenza. Qui si aggiunge un concetto fondamentale del settore: l’instabilità della modalità laterale.

(TMI) è uno dei principali colli di bottiglia affinché i laser a fibra ad alta potenza raggiungano una potenza di oltre diecimila watt. In termini semplici, all’aumentare della potenza della pompa, la modalità fondamentale del laser subirà un accoppiamento non lineare con modalità di ordine superiore, con conseguente netto deterioramento della qualità del raggio e fluttuazioni significative nella potenza di uscita. E l'effetto termico causato dal difetto di giunzione a fusione è uno dei principali fattori scatenanti del TMI.

2. Rischio fatale: l'incendio del punto di rottura della fibra ottica e il danno alla piattaforma sono più gravi delle anomalie di alimentazione. Sono causati da una scarsa qualità di fusione, che provoca la rottura e la bruciatura della fibra ottica. Questa è anche una delle modalità di guasto più comuni nella produzione e nel collaudo dei laser ad alta potenza.

Il punto di fusione si trova all'interno del risonatore laser, ad entrambe le estremità della fibra ottica attiva. È proprio la posizione all'interno dell'intero percorso ottico dove la densità di energia è più alta e l'uniformità dell'indice di rifrazione e dello stress è la più scarsa. Quando la qualità della fusione si deteriora ulteriormente, un'energia locale eccessiva causerà un brusco riscaldamento del nucleo, con conseguenti effetti termici intensi, che alla fine innescano l'effetto del fusibile del nucleo, portando alla frammentazione dello strato centrale nella sezione di fusione, alla comparsa di cavità a forma di proiettile o addirittura alla fusione diretta.

Da ciò possiamo concludere che una buona macchina per la fusione delle fibre ottiche dovrebbe avere le seguenti caratteristiche: 1. Immagine chiara, in grado di visualizzare i dettagli delle fibre ottiche, preparando per un buon allineamento. 2. Il sistema e il sistema di bloccaggio richiedono un'elevata precisione. Durante il processo di allineamento preciso delle fibre ottiche, queste devono rimanere stabili e ridurre al minimo gli errori. 3. La precisione strutturale è estremamente impegnativa. La macchina per la fusione della fibra ottica ha numerosi componenti e, se la precisione è bassa, causerà errori fatali nel processo complessivo di posizionamento e regolazione del nucleo. 4. Il design della struttura è ragionevole e ha una forte resistenza alle alte temperature e alle vibrazioni. Garantire robustezza per un uso a lungo termine.