Hochleistungsfaserlaser und Verstärker

Für besonders hohe Leistungen muss die Kernfläche groß genug sein, da die Lichtintensität sehr hoch ist. Ein weiterer Grund besteht darin, dass das Verhältnis von Mantel- zur Kernfläche in Doppelmantelfasern groß ist, was zu einer geringen Pumpabsorption führt. Wenn die Kernfläche in der Größenordnung von mehreren tausend Quadratmikrometern liegt, ist es möglich, einen Singlemode-Faserkern zu verwenden. Wenn bei Verwendung von Multimode-Fasern die Modenfläche relativ groß ist, kann ein Ausgangsstrahl mit guter Qualität erhalten werden, und die Lichtwelle ist hauptsächlich die Grundmode. (Eine Anregung von Moden höherer Ordnung ist teilweise auch durch Wickeln der Faser möglich, außer bei starker Modenkopplung bei hohen Leistungen) Mit zunehmender Modenfläche kann die Strahlqualität nicht mehr beugungsbegrenzt, sondern verglichen bleiben Bei Stablasern, die mit ähnlichen Leistungsintensitäten arbeiten, ist die resultierende Strahlqualität immer noch recht gut.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Pumplicht mit sehr hoher Leistung einzuspeisen. Am einfachsten ist es, den Mantel direkt am Faseranschluss zu pumpen. Für diese Methode sind keine speziellen Faserkomponenten erforderlich, aber das leistungsstarke Pumplicht muss sich in der Luft ausbreiten, insbesondere an der Luft-Glas-Grenzfläche, die sehr empfindlich auf Staub oder Fehlausrichtung reagiert. In vielen Fällen ist es vorzuziehen, eine fasergekoppelte Pumpdiode zu verwenden, damit das Pumplicht immer in der Faser übertragen wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Pumplicht in eine passive Faser (undotiert) einzuspeisen und die passive Faser um die dotierte Faser zu wickeln, sodass das Pumplicht allmählich in die dotierte Faser übertragen wird. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, ein spezielles Pumpkombinationsgerät zu verwenden, um einige Pumpfasern und dotierte Signalfasern miteinander zu verschmelzen. Es gibt andere Methoden, die auf seitlich gepumpten Faserspulen (Faserscheibenlasern) oder Rillen im Pumpmantel basieren, damit das Pumplicht eingekoppelt werden kann. Die letztere Technik ermöglicht eine Mehrpunktinjektion von Pumplicht und sorgt so für eine bessere Verteilung der Wärmelast.

Abbildung 2: Diagramm eines leistungsstarken Doppelmantel-Faserverstärkeraufbaus mit Pumplicht, das durch den freien Raum in den Faseranschluss eintritt. Die Gasglasschnittstelle muss streng ausgerichtet und sauber sein.

Der Vergleich zwischen allen Methoden zur Einspeisung von Pumplicht ist kompliziert, da viele Aspekte eine Rolle spielen: Übertragungseffizienz, Helligkeitsverlust, einfache Verarbeitung, flexibler Betrieb, mögliche Rückreflexionen, Lichtverlust vom Faserkern zur Pumplichtquelle. Behalten Sie die Wahl der Polarisation usw.
Obwohl die jüngste Entwicklung von Hochleistungs-Glasfasergeräten sehr schnell voranschritt, gibt es immer noch einige Einschränkungen, die die weitere Entwicklung behindern:
Die Lichtintensität von Hochleistungs-Glasfasergeräten wird deutlich verbessert. Sachschadensschwellen können mittlerweile in der Regel erreicht werden. Daher besteht die Notwendigkeit, die Modenfläche zu vergrößern (Fasern mit großer Modenfläche), diese Methode weist jedoch Einschränkungen auf, wenn eine hohe Strahlqualität erforderlich ist.
Der Leistungsverlust pro Längeneinheit hat die Größenordnung von 100 W/m erreicht, was zu starken thermischen Effekten in der Faser führt. Durch den Einsatz einer Wasserkühlung kann die Leistung deutlich verbessert werden. Längere Fasern mit niedrigeren Dotierungskonzentrationen lassen sich leichter kühlen, allerdings verstärken sich dadurch nichtlineare Effekte.
Bei nicht reinen Singlemode-Fasern kommt es zu einer modalen Instabilität, wenn die Ausgangsleistung einen bestimmten Schwellenwert, typischerweise einige hundert Watt, überschreitet. Modeninstabilitäten verursachen einen plötzlichen Abfall der Strahlqualität, der auf thermische Gitter in der Faser zurückzuführen ist (die im Raum schnell oszillieren).
Die Nichtlinearität der Faser beeinflusst viele Aspekte. Selbst in einem CW-Aufbau ist die Raman-Verstärkung so hoch (sogar in Dezibel), dass ein erheblicher Teil der Leistung auf die längerwellige Stokes-Welle übertragen wird, die nicht verstärkt werden kann. Der Einzelfrequenzbetrieb wird durch die stimulierte Brillouin-Streuung stark eingeschränkt. Natürlich gibt es einige Messmethoden, die diesen Effekt bis zu einem gewissen Grad ausgleichen können. Die ultrakurzen Impulse, die in modengekoppelten Lasern erzeugt werden, erzeugen durch Selbstphasenmodulation einen starken spektralen Verbreiterungseffekt. Darüber hinaus gibt es andere Probleme bei der Einführung einer nichtlinearen Polarisationsdrehung.
Aufgrund der oben genannten Einschränkungen gelten Hochleistungs-Glasfasergeräte im Allgemeinen nicht unbedingt als skalierbare Leistungsgeräte, zumindest nicht außerhalb des erreichbaren Leistungsbereichs. (Bisherige Verbesserungen wurden nicht durch eine einzelne Leistungsskalierung erreicht, sondern durch verbesserte Faserdesigns und Pumpdioden.) Dies hat wichtige Konsequenzen beim Vergleich der Faserlasertechnologie mit dünnen Scheibenlasern. Es wird im Beitrag Laserleistungskalibrierung ausführlicher beschrieben.
Auch ohne echte Leistungsskalierung kann viel getan werden, um Hochleistungslaseraufbauten zu verbessern. Einerseits ist es notwendig, das Faserdesign zu verbessern, beispielsweise durch die Verwendung einer großen Fasermodenfläche und einer Einzelmodenführung, was normalerweise durch den Einsatz photonischer Kristallfasern erreicht wird. Viele Faserkomponenten sind sehr wichtig, wie zum Beispiel spezielle Pumpkoppler, Fasertaper zum Verbinden von Fasern mit unterschiedlichen Modengrößen und spezielle Faserkühlvorrichtungen. Sobald die Leistungsgrenze einer bestimmten Faser erreicht ist, sind Verbundstrahlen eine weitere Option, und es gibt geeignete Faseraufbauten, um diese Technik umzusetzen. Für Ultrakurzpuls-Verstärkersysteme gibt es viele Ansätze, die nichtlinearen Effekte optischer Fasern, wie etwa Spektrumsverbreiterung und anschließende Pulskompression, zu reduzieren oder sogar teilweise auszunutzen.