Was ist ein Faserlaser?

Definition: Ein Laser, der eine dotierte Faser als Verstärkungsmedium verwendet, oder ein Laser, dessen Laserresonator größtenteils aus Fasern besteht.

Unter Faserlasern versteht man normalerweise Laser, die Fasern als Verstärkungsmedium verwenden. Einige Laser, die Halbleiterverstärkungsmedien (optische Halbleiterverstärker) und Faserresonatoren verwenden, können jedoch auch als Faserlaser (oder optische Halbleiterlaser) bezeichnet werden. Darüber hinaus werden auch einige andere Arten von Lasern (z. B. fasergekoppelte Halbleiterdioden) und Faserverstärker als Faserlaser (oder Faserlasersysteme) bezeichnet.

In den meisten Fällen handelt es sich bei dem Verstärkungsmedium um eine mit Seltenerdionen dotierte Faser wie Erbium (Er3+), Ytterbium (Yb3+), Thorium (Tm3+) oder Praseodym (Pr3+), und es sind eine oder mehrere fasergekoppelte Laserdioden erforderlich zum Pumpen. Obwohl das Verstärkungsmedium von Faserlasern dem von Festkörperlasern ähnelt, führen der Wellenleitereffekt und die kleine effektive Modenfläche zu Lasern mit unterschiedlichen Eigenschaften. Beispielsweise weisen sie normalerweise eine hohe Laserverstärkung und hohe Resonatorhohlraumverluste auf. Siehe die Einträge Faserlaser und Massenlaser.

Abbildung 1

Faserlaserresonator

Um einen Laserresonator mithilfe einer optischen Faser zu erhalten, können mehrere Reflektoren verwendet werden, um einen linearen Resonator zu bilden, oder um einen Faserringlaser zu erzeugen. In einem linearen optischen Laserresonator können verschiedene Arten von Reflektoren verwendet werden:

Figur 2

1. In Laboraufbauten können gewöhnliche dichroitische Spiegel an den Enden senkrecht gespaltener Fasern verwendet werden, wie in Abbildung 1 dargestellt. Diese Lösung kann jedoch nicht in der Massenproduktion eingesetzt werden und ist nicht langlebig.

2. Die Fresnel-Reflexion am Ende einer blanken Faser reicht aus, um als Ausgangskoppler für einen Faserlaser zu dienen. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel.

3. Dielektrische Beschichtungen können auch direkt auf die Faserenden aufgebracht werden, meist durch Aufdampfen. Mit solchen Beschichtungen kann über einen weiten Bereich ein hohes Reflexionsvermögen erreicht werden.

4. In kommerziellen Produkten werden üblicherweise Faser-Bragg-Gitter verwendet, die direkt aus dotierten Fasern oder durch Spleißen von undotierten Fasern mit aktiven Fasern hergestellt werden können. Abbildung 3 zeigt einen verteilten Bragg-Reflektorlaser (DBR-Laser), der zwei Fasergitter enthält. Es gibt auch einen Laser mit verteilter Rückkopplung mit einem Gitter in der dotierten Faser und einer Phasenverschiebung dazwischen.

5. Wenn das von der Faser emittierte Licht durch eine Linse kollimiert und durch einen dichroitischen Spiegel zurückreflektiert wird, kann eine bessere Belastbarkeit erreicht werden. Das vom Spiegel empfangene Licht weist aufgrund der größeren Strahlfläche eine stark verringerte Intensität auf. Allerdings können leichte Fehlausrichtungen erhebliche Reflexionsverluste verursachen und zusätzliche Fresnel-Reflexionen an den Faserendfacetten können Filtereffekte hervorrufen. Letzteres kann durch die Verwendung abgewinkelter, gespaltener Faserenden unterdrückt werden, allerdings führt dies zu wellenlängenabhängigen Verlusten.

6. Es ist auch möglich, einen optischen Schleifenreflektor unter Verwendung eines Faserkopplers und passiver Fasern zu bilden.

Die meisten optischen Laser werden von einem oder mehreren fasergekoppelten Halbleiterlasern gepumpt. Das Pumplicht wird direkt in den Faserkern oder mit hoher Leistung in den Pumpmantel (siehe Doppelmantelfasern) eingekoppelt, worauf weiter unten noch näher eingegangen wird.

Es gibt viele Arten von Faserlasern, von denen einige im Folgenden beschrieben werden.

Es gibt viele Arten von Faserlasern, von denen einige im Folgenden beschrieben werden.

Hochleistungsfaserlaser

Faserlaser konnten zunächst nur Ausgangsleistungen von wenigen Milliwatt erreichen. Hochleistungsfaserlaser können heute Ausgangsleistungen von mehreren hundert Watt, aus Singlemode-Fasern teilweise sogar mehrere Kilowatt erreichen. Dies wird durch die Erhöhung des Aspektverhältnisses und Wellenleitereffekte erreicht, die thermooptische Effekte vermeiden.

Weitere Einzelheiten finden Sie im Beitrag Hochleistungsfaserlaser und -verstärker.

Upconversion-Faserlaser

Faserlaser eignen sich besonders zur Realisierung von Upconversion-Lasern, die üblicherweise mit relativ seltenen Laserübergängen arbeiten und sehr hohe Pumpintensitäten erfordern. Bei Faserlasern können hohe Pumpintensitäten über große Distanzen aufrechterhalten werden, so dass die erzielte Verstärkungseffizienz auch bei Übergängen mit sehr geringer Verstärkung problemlos erreicht wird.

In den meisten Fällen sind Silica-Fasern nicht für Upconversion-Faserlaser geeignet, da der Upconversion-Mechanismus eine lange Zwischenzustandslebensdauer im elektronischen Energieniveau erfordert, die bei Silica-Fasern aufgrund der hohen Phononenenergie normalerweise sehr klein ist (siehe Multiphotonenübergänge). Daher werden üblicherweise einige Schwermetallfluoridfasern verwendet, wie beispielsweise ZBLAN (ein Fluorzirkonat) mit niedriger Phononenenergie.

Die am häufigsten verwendeten Upconversion-Faserlaser sind Thorium-dotierte Fasern für blaues Licht, Praseodym-dotierte Laser (manchmal mit Ytterbium) für rotes, oranges, grünes oder blaues Licht und Erbium-dotierte Laser für Trioden.

Faserlaser mit schmaler Linienbreite

Faserlaser können nur in einem einzigen Longitudinalmodus (siehe Single-Frequenz-Laser, Single-Mode-Betrieb) mit einer sehr schmalen Linienbreite von einigen Kilohertz oder sogar weniger als 1 kHz arbeiten. Für einen langzeitstabilen Einzelfrequenzbetrieb und ohne zusätzliche Anforderungen unter Berücksichtigung der Temperaturstabilität sollte der Laserhohlraum kurz sein (z. B. 5 cm), obwohl grundsätzlich das Phasenrauschen umso geringer und die Länge des Hohlraums umso schmaler ist, je länger der Hohlraum ist Linienbreite. Das Faserende enthält ein schmalbandiges Faser-Bragg-Gitter (siehe verteilter Bragg-Reflektorlaser, DBR-Faserlaser) zur Auswahl eines Hohlraummodus. Die Ausgangsleistung liegt typischerweise im Bereich von wenigen Milliwatt bis zu mehreren zehn Milliwatt. Es sind auch Einzelfrequenz-Faserlaser mit Ausgangsleistungen bis zu 1 W erhältlich.

Eine extreme Form ist der Distributed-Feedback-Laser (DFB-Laser), bei dem der gesamte Laserhohlraum in einem Faser-Bragg-Gitter mit einer Phasenverschiebung dazwischen enthalten ist. Hier ist der Hohlraum relativ kurz, was Ausgangsleistung und Linienbreite beeinträchtigt, der Einzelfrequenzbetrieb ist jedoch sehr stabil.

Faserverstärker können auch zur weiteren Verstärkung auf höhere Leistungen verwendet werden.

Gütegeschaltete Faserlaser

Faserlaser können mithilfe verschiedener aktiver oder passiver Güteschalter Impulse mit einer Länge von mehreren zehn bis Hunderten von Nanosekunden erzeugen. Pulsenergien von wenigen Millijoule können mit Fasern mit großer Modenfläche erreicht werden und können in extremen Fällen mehrere zehn Millijoule erreichen, begrenzt durch die Sättigungsenergie (selbst mit Fasern mit großer Modenfläche) und der Schadensschwelle (ausgeprägter bei kürzeren Pulsen). Bei allen Fasergeräten (mit Ausnahme der Freiraumoptik) ist die Impulsenergie begrenzt, da sie normalerweise keine Fasern mit großer Modenfläche und kein effektives Q-Switching implementieren können.

Aufgrund der hohen Laserverstärkung unterscheidet sich die Güteschaltung bei Faserlasern stark von der bei Massenlasern und ist komplexer. Im Zeitbereich gibt es normalerweise mehrere Spitzen, und es ist auch möglich, gütegeschaltete Impulse mit einer Länge zu erzeugen, die kürzer als die Resonator-Umlaufzeit ist.

Modengekoppelte Faserlaser nutzen komplexere Resonatoren (ultrakurze Faserlaser), um Pikosekunden- oder Femtosekundenpulse zu erzeugen. Dabei enthält der Laserresonator einen aktiven Modulator oder einige gesättigte Absorber. Gesättigte Absorber können durch nichtlineare Polarisationsrotationseffekte oder durch die Verwendung eines nichtlinearen Faserschleifenspiegels realisiert werden. Nichtlineare Schleifenspiegel können beispielsweise im „Achterlaser“ in Abbildung 8 verwendet werden, wo die linke Seite einen Hauptresonator und einen nichtlinearen Faserring zur Verstärkung, Formung und Stabilisierung der ultrakurzen Hin- und Rückimpulse enthält. Insbesondere bei der harmonischen Modenkopplung sind zusätzliche Geräte erforderlich, beispielsweise Unterkavitäten, die als optische Filter verwendet werden.