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Hintergrundwissen

Von der Lichtleitung zur Laserfaser


Lichtleitung durch optische Fasern hat mittlerweile viele Lebensbereiche enorm verändert. Zu nennen sind hier unter anderem Telekommunikation, Prozesstechnik und Spektroskopie, faseroptische Sensorik und medizinische Diagnostik über Katheter.
Ein wichtiger Bereich ist auch die Lasertechnik, wo Faserlaser andere Laserarten nach und nach verdrängen. Zu all diesen Anwendung finden Sie Beispiele an anderer Stelle in diesem Journal.

Eine typische Lichtleitfaser besteht aus einer Kernfaser (Core) umgeben von einem Mantel (Cladding) mit im Vergleich zum Kern kleinerem Brechnungsindex. Durch Totalreflexion wird das Licht im Core geführt.

In der Lasertechnik wird eine weitere Eigenschaft der Fasern genutzt. Wird ein Quarzfaserkern mit Ionen dotiert, kann er Licht verstärken und so als aktives Lasermedium eingesetzt werden.

Die gebräuch-lichsten Dotierungen mit typischen Emissionslinien sind:

Erbium (1550nm), Ytterbium (1030nm), Neodymium (1064nm) und Thullium (1500nm). Um das Pumplicht von Hochleistungsdioden effizient in eine dotierte Faser einzukoppeln, haben sich Doppelcladding-Fasern durchgesetzt.
Hier verläuft das Pumplicht in einem zusätzlichen Mantel um den Core entlang der Faser. Auf diese Weise wird eine lange Wechselwirkungsstrecke für effizientes Pumpen der Kernfaser erreicht.

Faserlaser


Ein herkömmlicher Festkörperlaser besteht aus Pumpdiode, Laserkristall und Spiegelresonator. Ersetzt man den Laserkristall durch eine dotierte Faser und die Spiegel durch in die Faser eingebrachte Fiber Bragg Gitter (FBG), welche selektiv die Laserwellenlänge in der Kernfaser reflektieren, erhält man den Faserlaser-oszillator. Die Vorteile dabei sind:

  • hohe Stabilität, da keine Justage der Spiegel mehr notwendig
  • hoher Gain aufgrund der langen Wechselwirkungsstrecke entlang der Faser. Bis zu 70% des Pumpdiodenlichts werden in
    beugungsbegrenztes Laserlicht übertragen.

Faserverstärker


Wenn heute von Faserlasern gesprochen, wird verbirgt sich dahinter oft eine Kombination aus Seedlaser und mehreren Faserlaserverstärkern, sogenannten EDFAs oder YDFAs.

Diese verstärken das Ausgangssignal eines Laseroszillators in mehreren Stufen. Die erreichbare Laserleistung ist limitiert durch die Zerstörschwelle der Endverstärkerfaser. Diese liegt für Singlemode-Fasern typisch bei 10kW und für Multimode-Fasern bei 50kW.
Wegen des hohen Gains in den Fasern müssen Rückkopplungen verhindert werden. Dazu werden meist Faraday Isolatoren eingesetzt.

 

 

 

Dauerstrich Faserlaser


Aus Anwendersicht unterscheiden wir hier Hochleistungslaser für die Materialbearbeitung (Metallschneiden, Schweißen, ...) und Kleinleistungslaser für verschiedene Anwendungen, z.B. in der Telekommunikation oder auch in der Biotechnologie.

Im Hochleistungsbereich konnte die Firma IPG jüngst einen Faserlaser mit 18kW Strahlleistung demonstrieren. Für Anwendungen in der Biotechnologie werden die frequenzverdoppelten Faserlaser von MBP Communications immer interessanter, da mittlerweile viele Farben im sichtbaren Bereich mit ausreichenden Leistungen zur Verfügung stehen.
Oft werden gezielt mehrere Wellenlängen im sichtbaren Bereich benötigt, z.B. für Flusszytometrie oder Fluoreszenz-Mikroskopie, um die verschiedenen Fluoreszenzmarker anzuregen.

Neben klassischen Diodenlasern sind hier vermehrt Faserlaser im Einsatz, deren Ausgang über periodisch gepolte Kristalle, sogenannte PPLNs, effizient frequenzverdoppelt werden kann. Mit dieser Technik erreichen die Faserlaser von MBP Communications heute mit 1-5W deutlich höhere Leistungen als entsprechende Diodenlaser.

 

Gepulste Faserlaser und MOPAs


Für den Pulsbetrieb werden Faserlaser modenkoppelt (50fsek-50psek), güteschaltet (10-500nsek) oder als MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) eingesetzt. Kompakte, wartungsfreie, modengekoppelte Faserlaser mit 50-100fsek und 100mW finden sich z.B. in unseren Time-Domain THz-Spektrometern.

Den ersten Kurzpulsfaserlaser mit 700fsek und 5W für industrielle Anwendungen hat die Firma Raydiance vorgestellt. Im Nanosekunden- Bereich für die Materialbearbeitung setzen sich langsam die MOPA-Designs durch. Hier wird der Ausgang eines Seedlasers (Laserdiode, Festkörperlaser oder Faserlaser) in mehreren Faserverstärkern hochverstärkt. Dieses Konzept bringt einen unschätzbaren Vorteil gegenüber klassischen güte- geschalteten Lasern. Deren Pulsdauer ist durch den Gain im Resonator bestimmt und variiert dadurch stark mit der Wiederholrate, typisch zwischen 10-300nsek.

Im MOPA definiert der Seedlaser die Pulsdauer und die Faserverstärker liefern die Energie ohne die Pulsdauer zu verändern. Der Seed laser kann eine Laserdiode sein, deren Pulsdauer einstellbar ist. Es kann aber entsprechend der oben stehenden Abbildung auch eine cw-Diode gekoppelt mit einem schnellen elektrooptischen Schalter sein. Dieser schneidet aus dem cw-Signal variable Stücke heraus, die dann in den Fasern verstärkt werden.

In diesem von der Firma ESI-PyroPhotonics Lasers realisierten Konzept ist auch die Transmission des Modulators ansteuerbar und es können verschiedene Pulszüge erzeugt werden, auch Mehrfachpulse mit beliebigen Delays dazwischen.
Der einmal eingestellte Pulszug kann dann über einen externen Trigger abgerufen werden und behält seine Form unabhängig von der gewählten Wiederholrate bei, im Fall des Pyrophotonics Lasers bis 500kHz. Für die Optimierung bestimmter Laserprozesse in der Materialbearbeitung ist diese Eigenschaft sehr viel wert.

 

Limitierungen der Faserlaser


Drei Eigenschaften müssen beim Design von Faserlasern sorgfältig beachtet werden, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten:

  • die Zerstörschwelle des Endverstärkers
  • die hohe ASE (attenuated spontaneous emission) aufgrund des hohen Gains
  • nichtlineare Effekte in der Faser wie SRS (stimulierte Raman Streuung), SBS (stimulierte Brillouin Streuung) und SPM (self phase modulation).

Die ASE lässt sich durch geeignete Maßnahmen gut beherrschen. Nichtlineare Effekte steigen mit der Pulspitzenleistung deutlich an und beeinträchtigen gepulste Anwendungen. Aus diesem Grund werden die Faserlaser ihre Stärken vor allem bei cw-Anwendungen ausspielen, sowie bei gepulsten Anwendungen mit hohen Wiederholraten (> 10kHz) und entsprechend geringer  Einzelpulsenergie.
Dagegen werden Anwendungen mit hohen Einzelpulsenergien (> 1mJ) und niedrigen Wiederholraten (1-10kHz) weiterhin den Festkörperlasern vorbehalten bleiben.