[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文提出采用1.9 μm带内泵浦跃迁（特别是$^{3}H_{6}\rightarrow^{3}F_{4}$）的级联泵浦铥掺杂光纤激光器（TDFLs），以显著降低热负荷，并实现多千瓦级2-μm输出。通过优化功率填充因子并采用高热导率氟化物玻璃包层的三包层光纤，激光器实现了93.2%的斜率效率——接近95%的量子效率——展示了实现高功率扩展中极低量子缺陷运行的可行路径。

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.

研究动机与目标

• 研究不同泵浦跃迁下多千瓦级铥掺杂光纤激光器（TDFLs）中的热效应。
• 识别适用于高功率2-μm运行的最热效率泵浦跃迁。
• 提出并分析一种采用1.9 μm泵浦以最小化量子缺陷和热生成的级联泵浦TDFL设计。
• 评估光纤几何结构和冷却条件对热性能和效率的影响。
• 比较激光与超荧光工作模式下的热特性，以更深入理解热效应。

提出的方法

• 采用实验验证的速率方程模型对TDFLs进行数值建模，该模型结合了能级动力学与热效应。
• 模拟三种泵浦跃迁下的激光与热特性：$^{3}H_{6}\rightarrow^{3}H_{4}$（0.8 μm）、$^{3}H_{6}\rightarrow^{3}H_{5}$（1.2 μm）和$^{3}H_{6}\rightarrow^{3}F_{4}$（1.9 μm）。
• 通过改变内包层直径（60 μm至800 μm）优化功率填充因子，以平衡斜率效率与光纤长度。
• 对双包层与三包层光纤中的热分布进行建模，用氟化物玻璃替代聚合物包覆层以增强热导率。
• 在不同冷却条件（H = 1000 Wm⁻¹K⁻¹）下比较温度分布与散热性能。
• 分析激光与超荧光工作模式下热行为的差异，以分离热贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同泵浦跃迁（$^{3}H_{6}\rightarrow^{3}H_{4}$、$^{3}H_{6}\rightarrow^{3}H_{5}$、$^{3}H_{6}\rightarrow^{3}F_{4}$）如何影响多千瓦级TDFLs中的热负荷与效率？
• RQ2 在1.9 μm包层泵浦TDFLs中，实现最大斜率效率并最小化热负荷的最优功率填充因子与光纤几何结构为何？
• RQ3 采用1.9 μm泵浦的级联泵浦TDFLs是否能实现接近量子极限的效率，并显著降低与传统0.8 μm泵浦相比的热生成？
• RQ4 在三包层光纤中，用高热导率氟化物玻璃替代聚合物包覆层如何改善散热与热稳定性？
• RQ5 在高功率TDFAs中，激光与超荧光工作模式之间的关键热差异是什么？

主要发现

• 通过1.9 μm处的$^{3}H_{6}\rightarrow^{3}F_{4}$跃迁泵浦，与传统的0.8 μm处的$^{3}H_{6}\rightarrow^{3}H_{4}$跃迁相比，显著降低了热生成。
• 采用1.9 μm包层泵浦、功率填充因子为0.44（内包层直径60 μm）的TDFL实现了93.2%的斜率效率，接近95%的量子效率。
• 1.9 μm泵浦的最优增益光纤长度仅为0.6 m，有效抑制了非线性效应与传输损耗。
• 在三包层光纤中使用氟化物玻璃作为导热层，相比聚合物包覆的双包层光纤，核心与内包层温度降低了8 °C。
• 由于量子缺陷极低，1.9 μm泵浦下增益光纤的温升显著降低，从而实现了稳定的高功率运行。
• 激光与超荧光工作模式下的热分布存在显著差异，激光工作模式表现出更集中的局部加热，为热管理设计提供了重要参考。