[論文レビュー] Influences of pump transitions on thermal effects of multi-kilowatt thulium-doped fiber lasers

Jianlong Yang, Yao Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2015

Photonic Crystal and Fiber Optics参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、1.9 μmにおけるインバンドポンプ遷移、特に$^{3}H_{6}\rightarrow^{3}F_{4}$を用いたタンドムポンプ方式のイットルニウムドープ光ファイバー lasers (TDFLs) を提案し、熱負荷を著しく低減し、2-μm出力で数kW級を実現する。パワー充填率の最適化と高熱伝導性を示すフラウロアパクトルガラスを用いた三重コアファイバーを採用することで、93.2%のスロープ効率を達成し、量子効率の95%に近く、高出力スケーリングに向けた超低量子欠陥動作の実現可能性を示した。

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.

研究の動機と目的

• 異なるポンプ遷移における数kW級イットルニウムドープ光ファイバー lasers (TDFLs) の熱的影響を調査すること。
• 高出力2-μm動作に最適な熱的効率の良いポンプ遷移を同定すること。
• 1.9 μmポンピングを用いたタンドムポンプ方式TDFL設計の提案と、量子欠陊と熱発生の最小化に向けた解析を行うこと。
• ファイバーの幾何形状と冷却条件が熱的性能と効率に与える影響を評価すること。
• 熱的影響をより深く理解するために、レーザー動作とスーパーフルオアレンスセント出力モードの間の熱的特性を比較すること。

提案手法

• 実験的に検証されたレート方程式モデルを用いたTDFLの数値モデリング。エネルギー準位のダイナミクスと熱的効果を組み込んだもの。
• 3種類のポンプ遷移（$^{3}H_{6}\rightarrow^{3}H_{4}$：0.8 μm、$^{3}H_{6}\rightarrow^{3}H_{5}$：1.2 μm、$^{3}H_{6}\rightarrow^{3}F_{4}$：1.9 μm）におけるレーザー発振および熱的特性のシミュレーション。
• スロープ効率とファイバー長のバランスを図るために、内コア径（60 μm ～ 800 μm）を変化させたパワー充填率の最適化。
• 二重コアおよび三重コアファイバーにおける熱的プロファイルのモデリング。熱伝導性を高めるために、ポリマー被覆の代わりにフラウロアパクトルガラスを採用。
• 冷却条件（H = 1000 Wm⁻¹K⁻¹）の違いによる温度分布と熱放出の比較。
• 熱的寄与を分離するために、レーザー動作とスーパーフルオアレンスセント動作モードにおける熱的挙動の差異の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるポンプ遷移（$^{3}H_{6}\rightarrow^{3}H_{4}$、$^{3}H_{6}\rightarrow^{3}H_{5}$、$^{3}H_{6}\rightarrow^{3}F_{4}$）が、数kW級TDFLにおける熱負荷と効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 1.9 μmクラッドポンプ方式TDFLにおいて、スロープ効率を最大化し、熱負荷を最小化する最適なパワー充填率とファイバー幾何形状は何か？
• RQ3 1.9 μmポンピングを用いたタンドムポンプ方式TDFLは、従来の0.8 μmポンピングと比較して、量子限界に近い効率を達成し、熱発生を顕著に低減できるか？
• RQ4 三重コアファイバーにおいて、ポリマー被覆を高熱伝導性フラウロアパクトルガラスに置き換えることで、熱放出と熱的安定性がどのように向上するか？
• RQ5 高出力TDFAsにおける、レーザー動作とスーパーフルオアレンスセント動作の主な熱的差異は何か？

主な発見

• 0.8 μmでの従来の$^{3}H_{6}\rightarrow^{3}H_{4}$遷移と比較して、1.9 μmにおける$^{3}H_{6}\rightarrow^{3}F_{4}$遷移によるポンピングは、熱発生を顕著に低減する。
• パワー充填率0.44（内コア径60 μm）の1.9 μmクラッドポンプ方式TDFLは、93.2%のスロープ効率を達成し、量子効率の95%に非常に近い。
• 1.9 μmポンピングにおける最適化された増幅ファイバー長はわずか0.6 mであり、非線形効果と伝送損失を最小限に抑える。
• 三重コアファイバーにフラウロアパクトルガラスを熱伝導層として用いることで、ポリマーコatingの二重コアファイバーと比較して、コアおよび内コア温度が8 °C低下する。
• 1.9 μmポンピングでは、超低量子欠陊のため、増幅ファイバー内の温度上昇が顕著に低減し、安定した高出力動作が可能になる。
• レーザー動作とスーパーフルオアレンスセント動作の間では、熱的プロファイルに顕著な差が認められ、レーザー動作では局所的加熱が顕著に現れる。これは、熱管理設計に有用な知見を提供する。