[논문 리뷰] Influences of pump transitions on thermal effects of multi-kilowatt thulium-doped fiber lasers

Jianlong Yang, Yao Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 25.

Photonic Crystal and Fiber Optics참고 문헌 6인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 열 부하를 극도로 줄이고 다키로와트 수준의 2μm 출력을 가능하게 하기 위해, 특히 1.9μm에서의 $^{3}H_{6}\rightarrow^{3}F_{4}$ 내부 펌프 전이를 사용하는 탄덤 펌프 툰뮴 도핑된 섬유 레이저(TDFLs)를 제안한다. 전력 충진 인자 최적화와 고열전도성 플루오르화물 유리로 된 삼중 코어 섬유를 사용함으로써, 레이저는 93.2%의 기울기 효율을 달성하였으며, 이는 95%의 양자 효율에 매우 가까운 수준이다. 이는 고출력 확장을 위한 초저항량 결함 작동의 실현 가능한 길을 보여준다.

ABSTRACT

Thermal effects are critical constrains for developing high-power thulium-doped fiber lasers (TDFLs). In this paper, we numerically investigate the lasing and thermal characteristics of the TDFLs under different pump transitions. Our results show, the widely-used pump transition $^3H_6 ightarrow^3H_4$, taking advantages of high-power high-efficiency laser diodes at $\sim$0.8 $μ$m, may not be a superior choice for directly outputting multi-kilowatt at 2 $μ$m because of severe thermal problems. Meanwhile, using other pump transitions resulting 2-$μ$m emissions, especially the in-band pump transition $^3H_6 ightarrow^3F_4$, will decrease the generated heat to a large extent. By optimizing the power filling factor of the gain fiber, we find a 2-$μ$m TDFL cladding-pumped at 1.9 $μ$m will lead to the laser slope efficiency close to its quantum efficiency (95\%). The induced ultra-low quantum defect would be of great importance for power scaling. We thus propose tandem-pumped TDFLs for reducing the heat at high powers and discuss the related issues of design. Besides, we also explore the differences of the thermal characteristics between laser and superfluorescent operations, which will contribute to deepening the understanding of the thermal effects in high-power thulium-doped fiber amplifiers.

연구 동기 및 목표

• 다양한 펌프 전이 조건에서 다키로와트 수준의 툰뮴 도핑 섬유 레이저(TDFLs)의 열적 영향을 조사하기 위해.
• 고출력 2μm 작동을 위한 가장 열적 효율이 높은 펌프 전이를 규명하기 위해.
• 1.9μm 펌프를 사용한 탄덤 펌프 TDFL 설계를 제안하고, 양자 결함과 열 발생을 최소화하기 위해 분석하기 위해.
• 섬유 기하학적 구조와 냉각 조건이 열 성능과 효율성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 열적 영향을 더 잘 이해하기 위해 레이저 작동 모드와 슈퍼불순성 방출 작동 모드 간의 열 특성을 비교하기 위해.

제안 방법

• 에너지 준위 역학과 열 효과를 포함한 실험적으로 검증된 비율 방정식 모델을 사용한 TDFL의 수치 모델링.
• 세 가지 펌프 전이 조건에서의 레이저 작동 및 열 특성 시뮬레이션: $^{3}H_{6}\rightarrow^{3}H_{4}$ (0.8μm), $^{3}H_{6}\rightarrow^{3}H_{5}$ (1.2μm), $^{3}H_{6}\rightarrow^{3}F_{4}$ (1.9μm).
• 기울기 효율과 섬유 길이 간의 균형을 맞추기 위해 내부 코어 직경(60μm에서 800μm까지 변동)을 변화시켜 전력 충진 인자를 최적화.
• 이중 코어 및 삼중 코어 섬유에서의 열 프로파일 모델링을 수행하였으며, 고열전도성 플루오르화물 유리로 고무 코팅을 대체하여 열전도성을 향상시켰다.
• 다른 냉각 조건(H = 1000 Wm⁻¹K⁻¹)에서의 온도 분포와 열 방출 특성을 비교.
• 레이저 작동 모드와 슈퍼불순성 방출 작동 모드 간의 열적 행동 차이를 분석하여 열 기여 요소를 분리.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 펌프 전이($^{3}H_{6}\rightarrow^{3}H_{4}$, $^{3}H_{6}\rightarrow^{3}H_{5}$, $^{3}H_{6}\rightarrow^{3}F_{4}$)가 다키로와트 수준의 TDFL에서 열 부하와 효율성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 1.9μm 클러스터 펌프 TDFL에서 기울기 효율을 극대화하고 열 부하를 최소화하기 위한 최적의 전력 충진 인자와 섬유 기하학적 구조는 무엇인가?
• RQ3 1.9μm 펌프를 사용한 탄덤 펌프 TDFL이 기존의 0.8μm 펌프 방식에 비해 근접 양자 한계 효율을 달성하고 열 발생을 크게 줄일 수 있는가?
• RQ4 삼중 코어 섬유에서 고열전도성 플루오르화물 유리를 고무 코팅으로 대체함으로써 열 방출과 열 안정성은 어떻게 향상되는가?
• RQ5 고출력 TDFAs에서 레이저 작동과 슈퍼불순성 방출 작동 간의 주요 열적 차이는 무엇인가?

주요 결과

• 0.8μm에서의 전통적인 $^{3}H_{6}\rightarrow^{3}H_{4}$ 전이에 비해 1.9μm에서의 $^{3}H_{6}\rightarrow^{3}F_{4}$ 전이를 통한 펌프는 열 발생을 극적으로 감소시킨다.
• 내부 코어 직경 60μm, 전력 충진 인자 0.44를 갖는 1.9μm 클러스터 펌프 TDFL은 기울기 효율 93.2%를 달성하였으며, 이는 95%의 양자 효율에 매우 가까운 수준이다.
• 1.9μm 펌프를 위한 최적화된 증폭 섬유 길이는 단지 0.6m이며, 이는 비선형 효과와 전파 손실을 최소화한다.
• 삼중 코어 섬유에서 고열전도성 플루오르화물 유리를 열전도성 층으로 사용함으로써, 고무 코팅 이중 코어 섬유에 비해 코어 및 내부 코어 온도가 8 °C 감소한다.
• 초저항량 결함 덕분에 1.9μm 펌프 시스템에서는 증폭 섬유의 온도 상승이 상당히 낮아져 안정적인 고출력 작동이 가능하다.
• 레이저 작동과 슈퍼불순성 방출 작동 간의 열 프로파일은 상당히 다름을 보이며, 레이저 작동은 국소적 가열이 더 두드러지게 나타나 열 관리 설계에 유용한 정보를 제공한다.