Накачка лазера: согласуйте активную среду до выбора мощности накачки

Согласуйте активную среду до выбора мощности накачки

Волоконно-связанный лазер накачки преобразует электрическую мощность в полосу поглощения лазерного кристалла или легированного волокна. Поэтому правильный источник — это не просто модуль с наибольшей мощностью. Длина волны, спектральная ширина, мощность в полезной полосе поглощения, диаметр сердцевины волокна, числовая апертура, контроль обратного отражения и охлаждение должны работать совместно в заданной рабочей точке.

Lumexis разрабатывает платформы мощных волоконно-связанных диодных лазеров для накачки твердотельных лазеров, накачки тулиевых волоконных лазеров, накачки иттербиевых волоконных лазеров и OEM-научных приборов. Текущие конфигурации включают семейства 792/793 нм, 808 нм, стабилизированных по длине волны 878,6/885/888 нм и 915/976 нм, с выходными интерфейсами и корпусировкой, выбранными под основную систему.

Используйте эту страницу как первое инженерное согласование, когда проекту требуется:

• источник накачки 792/793 нм для тулиевого волоконного лазера или усилителя;
• практичный источник накачки 808 нм для неодимового твердотельного лазера;
• узкий, стабилизированный по длине волны источник 878,6, 885 или 888 нм для внутриполосной накачки неодима;
• источник 915 или 976 нм для иттербиевого волоконного лазера или усилителя;
• волоконная доставка, отделяющая модуль накачки от головки усиления;
• заданная комбинация оптической мощности, диаметра сердцевины волокна и числовой апертуры пучка;
• OEM-конфигурация с согласованными электрическими, тепловыми, механическими и контрольными интерфейсами.

Быстрое правило выбора: Сначала определите активный материал и его спектр поглощения. Затем выберите длину волны накачки и требование к стабилизации. Только после этого мощность, сердцевина волокна, NA, разъем, ток драйвера и охлаждение должны быть рассчитаны как одна рабочая точка.

Быстрое согласование применения и длины волны

Соответствие приложению

Согласуйте оптический источник с реальной задачей измерения

Четыре промышленных и научных применения лазерной накачки: накачка твердотельных кристаллов, накачка тулиевых волокон, накачка иттербиевых волокон и OEM-исследовательский прибор

Таблица является отправной точкой, а не универсальным руководством по замене. Особенности поглощения варьируются в зависимости от легирующей примеси, состава основы, концентрации, температуры и поляризации. Окончательная длина волны должна быть проверена на фактическом активном материале, используемом в производственной системе.

Где волоконно-связанные лазеры накачки добавляют ценность системе

Лазеры на диодной накачке с твердотельным активным элементом

Волоконная доставка позволяет упаковать источник накачки, электрические соединения и оборудование отвода тепла отдельно от резонатора. Это может сделать лазерную головку меньше, упростить доступ для обслуживания и дать оптическому конструктору больше свободы для формирования пятна накачки на кристалле. Преимущество зависит от согласования мод: свет накачки вне полезного объема усиления добавляет тепло, не внося эффективного вклада в желаемую лазерную моду.

808 нм лазер с волоконным выводом является практичным базовым уровнем для многих неодимовых систем. Варианты со стабилизацией длины волны 878,6, 885 и 888 нм предназначены для конструкций, использующих более длинную длину волны накачки для уменьшения квантового дефекта и тепловой нагрузки. Такие конструкции с более длинной длиной волны требуют активной среды и оптического тракта, разработанных для выбранной линии поглощения; они не являются взаимозаменяемыми заменами для каждой полости 808 нм.

Тулиевые волоконные лазеры

Вблизи 792/793 нм фотон накачки может участвовать в процессе кросс-релаксации в соответствующим образом легированном тулиевом волокне, позволяя одному возбужденному иону передавать энергию соседнему иону. Это может улучшить использование накачки, но результат зависит от концентрации тулия, состава стекла, геометрии активного волокна и условий эксплуатации. Мощность накачки должна быть согласована с поглощением оболочки и объединителем, а не выбрана только по длине волны.

Иттербиевые волоконные лазеры и усилители

Мощные иттербиевые системы обычно вводят накачку во внутреннюю оболочку активного волокна с двойной оболочкой. Объединители накачки объединяют несколько подающих волокон, сохраняя достаточную яркость для входа в оболочку накачки. Активное ядро генерирует сигнал, а более крупная внутренняя оболочка принимает многомодовую накачку.

На длине волны 976 нм поглощение иттербия сильное, но спектрально узкое. Это может уменьшить длину активного волокна, необходимую для поглощения накачки, при условии, что источник остаётся хорошо выровненным по полосе поглощения. Около 915 нм поглощение слабее и шире. Это может потребовать больше активного волокна, но может обеспечить другие допуски и варианты объединения длин волн. Правильный выбор следует из модели распространения, тепловых и нелинейных эффектов полного волоконного лазера.

Научные и OEM лазерные приборы

Исследовательские и промышленные приборы часто накладывают дополнительные ограничения на модуляцию, стабильность мощности, размер корпуса, электрический шум, доступ для обслуживания и тепловой дрейф. Поэтому пользовательский волоконно-связанный модуль накачки должен быть специфицирован в соответствии с рабочей последовательностью прибора и его планом производственных испытаний, а не только по целевой оптической мощности при комнатной температуре.

Отправные точки насосных лазеров Lumexis

Следующие значения обобщают локально задокументированные конфигурации Lumexis для первичного выбора. Опубликованные модели продуктов отличаются от более широких инженерных семейств. Окончательные значения для заказа должны быть подтверждены в применимом чертеже и спецификации для конкретного заказа.

Соответствие представительной опубликованной модели

Не интерполируйте не указанные комбинации. Меньшее ядро волокна при той же выходной мощности требует более высокой яркости источника и создаёт другую нагрузку на оптику связи и торец волокна. Выбор соединителя также меняется в зависимости от мощности и условий обратного света.

Как модуль накачки встраивается в лазер

Архитектура системы

Проверьте полную оптическую и измерительную цепочку

Концептуальная архитектура волоконно-связанной системы накачки с ответвлением к твердотельному кристаллическому лазеру и волоконному лазеру с двойной оболочкой

Типичная цепь накачки содержит больше, чем диодный корпус:

1. Драйвер постоянного тока: обеспечивает регулируемый ток и управляет запуском, выключением и поведением при неисправностях.
2. Модуль диода с волоконным выводом: объединяет мощность излучателей в определённое доставленное волокно.
3. Тепловой интерфейс: отводит электрическую мощность, которая не преобразуется в полезное оптическое излучение.
4. Доставленное волокно и выходной интерфейс: транспортирует многомодовую накачку и определяет принятые сердцевину, NA, радиус изгиба и оконечность.
5. Оптика накачки или комбайнер: преобразует накачку в кристалл или объединяет несколько накачек в волокно с двойной оболочкой.
6. Активная среда: поглощает фотоны накачки и создаёт инверсную населённость.
7. Резонатор или усилительный тракт: преобразует запасённое возбуждение в требуемую длину волны сигнала и формат пучка.
8. Мониторинг и защита: могут включать термисторы, фотодиоды, логику наличия волокна, блокировки и управление обратным светом.

Каждый интерфейс может потреблять запас. Потери связи, загрязнение соединителя, переполненная NA, остаточная накачка, рассогласование поглощения и повышенная температура перехода могут снизить полезную эффективность, даже когда модуль накачки соответствует своей номинальной оптической мощности.

Почему спектральное перекрытие важно

Спектральное проектирование

Согласуйте длину волны, фильтрацию и отклик детектора

Концептуальное сравнение смещающегося спектра свободно работающего диода и стабилизированной по длине волны накачки, выровненной по полосе поглощения активной среды

Длина волны полупроводникового лазера изменяется с температурой перехода и током накачки. Широкий или смещающийся спектр может вывести часть оптической мощности за пределы узкой особенности поглощения. Модуль всё ещё может выдавать свою номинальную общую мощность в ваттах, но доставлять меньше полезной мощности в активную среду.

По этой причине системные инженеры могут указывать:

• центральную длину волны и допуск при определённой температуре основания;
• спектральную ширину, обычно с указанием определения измерения;
• дрейф длины волны с током и температурой;
• долю мощности внутри согласованной полосы длин волн;
• диапазон тока или мощности, в котором поддерживается захват длины волны;
• поведение поляризации, когда активная среда чувствительна к поляризации.

Стабилизация объёмной брэгговской решёткой образует селективный по длине волны внешний резонатор для диодных излучателей. Она может сузить спектр и уменьшить смещение длины волны, чтобы больше мощности накачки оставалось внутри полезной полосы поглощения. Lumexis рассмотрел конфигурации на 878,6, 885 и 888 нм, указывающие работу с захватом в течение определённой доли номинальной мощности; точный диапазон должен быть подтверждён для выбранной модели.

Захват длины волны не устраняет необходимость терморегулирования. Он изменяет чувствительность и рабочий диапазон, но температура основания, распределение тока, оптическая юстировка и материал усиления всё ещё определяют производительность системы.

Квантовый дефект объясняет часть теплового бюджета

Для длины волны накачки (λ_p) и длины волны лазера (λ_l) полезная доля квантового дефекта за первый проход составляет:

Для неодимового лазера на 1064 нм разница энергии фотонов составляет приблизительно 24,1% при накачке 808 нм и 16,8% при накачке 885 нм. Более длинная длина волны накачки, следовательно, может уменьшить один фундаментальный вклад в нагрев активной среды.

Эти проценты не являются полными КПД от розетки и не гарантируют снижение тепловыделения. Поглощение накачки, флуоресценция, апконверсия, безызлучательный распад, потери резонатора, непоглощённая накачка, эффективность диода и охлаждение остаются в системном бюджете. Меньший квантовый дефект также может сопровождаться более узкой или более слабой особенностью поглощения, повышая важность спектрального контроля и геометрии накачки.

Мощность, сердцевина волокна и NA должны выбираться вместе

Оптическая доставка

Балансируйте мощность, доставку пучка и геометрию мишени

Инженерное сравнение, показывающее, как диаметр сердцевины волокна и числовая апертура влияют на полезную яркость лазера накачки

Оптическая мощность описывает энергию в единицу времени. Она не описывает, насколько плотно эта мощность может быть доставлена. Для сравнения яркости многомодового источника за первый проход можно использовать:

где (P) — доставленная мощность, (d) — диаметр сердцевины волокна, а (NA) — числовая апертура пучка при согласованном определении содержания мощности.

Это соотношение объясняет, почему 200 Вт в меньшей сердцевине и с меньшей NA не эквивалентны 200 Вт в большей сердцевине или с более широким угловым распределением. Более высокая яркость может поддерживать более плотную фокусировку в кристалл или лучшее согласование с комбайнером накачки. Её также труднее достичь надёжно, и она может изменить интенсивность на торце волокна, выбор соединителя и чувствительность к загрязнению.

При сравнении модулей спросите, является ли указанная NA:

• номинальной приёмной NA волокна;
• измеренной NA пучка, содержащей 90%, 95% или другую долю мощности;
• измеренной на выходе волокна при номинальном токе;
• стабильной по мощности, температуре и производственным единицам.

Для торцевой накачки твердотельного лазера распространите измеренное распределение ближнего и дальнего поля через согласующую оптику и сравните объём накачки с модой резонатора. Для накачки волоконного лазера сравните сердцевину и NA доставленного волокна с каждым входом комбайнера и оболочкой накачки активного волокна.

Электрическая эффективность становится входным параметром теплового проектирования

Электрооптическая эффективность составляет:

The approximate heat that must be removed from the pump module is then:

This simple expression does not replace a detailed thermal model, but it prevents a common integration error. A 750 W optical source at 48% electro-optical efficiency would require roughly 1.56 kW of electrical input and reject roughly 0.81 kW as heat at that operating point. The calculation is illustrative; final voltage, current and efficiency must come from the approved specification and test condition.

Size the baseplate, coolant loop, power supply, conductors and protection around the worst qualified operating condition—not a typical room-temperature value. Record coolant inlet temperature, flow, pressure drop, baseplate flatness, interface material and fastener preload so the laboratory result can be reproduced in production.

Back reflection and the fiber interface

Pump light reflected from a combiner, crystal face, connector or damaged fiber end can return to the diode emitters. Depending on wavelength and architecture, it can disturb the spectrum, create local heating or damage optical surfaces.

Define these items before design release:

• fixed pigtail, bare fiber or detachable connector;
• fiber core, cladding, coating, jacket and length;
• output-end geometry and cleaning method;
• minimum bend radius and strain relief;
• permitted return wavelength and maximum return level;
• whether isolation or a protective termination is integrated;
• connector temperature monitoring for higher-power systems;
• handling procedure with the driver disabled and the fiber protected.

An SMA905 interface can be practical at some power levels, while higher-power architectures often use a fixed pigtail into a pump combiner. The choice must follow the delivered intensity, service model and back-reflection risk of the complete laser.

Контрольный список интеграции для инженерных команд OEM

Оптические

• Confirm gain material, dopant concentration, host and measured absorption spectrum.
• Define pump wavelength, tolerance, spectral width and required power in band.
• Specify CW, quasi-CW or modulated operation and the complete duty cycle.
• Match delivery-fiber core and beam NA to the pump optics or combiner.
• Calculate absorbed rather than merely launched pump power.
• Define return-light conditions and residual-pump handling.

Electrical and control

• Use a low-ripple constant-current driver with controlled rise and fall behaviour.
• Define maximum current, compliance voltage, startup sequence and fault response.
• Confirm whether the module contains a thermistor, monitor photodiode or other sensors.
• Prevent current overshoot during enable, modulation and fault recovery.
• Coordinate pump shutdown with coolant, fiber and host interlocks.

Thermal

• Specify the allowed baseplate or coolant temperature, not only room ambient.
• Model heat from the pump module, driver, combiner and gain medium separately.
• Validate temperature distribution at the longest sustained operating sequence.
• Monitor for reduced flow, blocked channels and connector heating.
• Include fouling, coolant quality and service interval in the life-cycle design.

Mechanical and fiber routing

• Use the controlled mounting surface and approved fastener pattern.
• Protect the fiber exit from side load, shock and enclosure tolerances.
• Maintain bend radius through assembly, transport and service positions.
• Provide access for inspection and cleaning without moving the resonator datum.
• Freeze the pigtail length and connector orientation before production validation.

Qualification should reproduce the final laser operating point

Pump-module qualification and host-laser qualification answer different questions. The module test proves the source under defined conditions. The host test proves absorption, coupling, laser output, thermal stability and protection as one system.

What to include in a fiber-coupled pump laser RFQ

If the laser design is still early, send the gain material, target output wavelength and power, preferred pump geometry and available cooling first. Those inputs expose the most important wavelength, brightness and thermal decisions.

Часто задаваемые вопросы

Build the pump around absorbed power, not catalogue watts

Reliable laser pumping starts with the gain medium and ends with an operating point that the driver, fiber, optics, combiner and cooling system can reproduce. Selecting those interfaces together reduces redesign, protects useful efficiency and gives production teams a clearer acceptance test.

Lumexis works with OEM laser builders to configure fiber-coupled pump lasers across 792/793 nm, 808 nm, wavelength-stabilized 878.6/885/888 nm and 915/976 nm families for civil, industrial and scientific laser systems.

Discuss your laser-pumping requirements with our engineering team.

Please include the gain medium, target laser output, required pump wavelength and power, fiber core and NA, operating mode, cooling conditions and expected production volume.

Lumexis — прецизионные лазерные источники, созданные для реального мира.

Технические ссылки

1. Coherent: FACTOR Series fiber-coupled diode laser module — representative matching of 808/88x, 793 and 9xx nm pump bands to neodymium-, thulium- and ytterbium-doped materials.
2. RP Photonics: Neodymium-doped laser gain media — 808 nm pumping and longer-wavelength direct pumping of neodymium gain media.
3. RP Photonics: Quantum defect — definition and the 808 nm to 1064 nm Nd:YAG example.
4. nLIGHT: Wavelength-stabilized fiber-coupled modules for DPSS and fiber-laser pumping — spectral overlap, power in band and volume Bragg grating stabilization.
5. Optica: Wavelength stabilization and spectrum narrowing by volume Bragg gratings — peer-reviewed demonstration of spectral narrowing and stabilization for high-power diode sources.
6. Coherent: Improved DPSS laser performance with 880 nm pump diodes — 878.6, 885 and 888 nm wavelength-stabilized pumping and system-efficiency context.
7. Lumentum: Optical pumping — system-level role of fiber-coupled diode sources in solid-state and fiber-laser pumping.
8. Coherent: New FACTOR Series diode pumps — current 793 nm thulium pump and locked 878.6/885/888 nm industry context.
9. Coherent: Matched thulium-doped double-clad optical fiber — 793 nm pumping, thulium cross-relaxation and active-fiber design context.