{"id":4860,"date":"2022-12-08T02:23:42","date_gmt":"2022-12-08T02:23:42","guid":{"rendered":"https:\/\/martin.elvers.website\/?p=4860"},"modified":"2022-12-16T12:30:30","modified_gmt":"2022-12-16T12:30:30","slug":"von-der-lichtleitung-zur-laserfaser","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/martin.elvers.website\/en\/von-der-lichtleitung-zur-laserfaser\/","title":{"rendered":"From the light line to the laser fiber"},"content":{"rendered":"
Lichtleitung durch optische Fasern hat mittlerweile viele Lebensbereiche enorm ver\u00e4ndert. Zu nennen sind hier unter anderem Telekommunikation, Prozesstechnik und Spektroskopie, faseroptische Sensorik und medizinische Diagnostik \u00fcber Katheter. Ein wichtiger Bereich ist auch die Lasertechnik, wo Faserlaser andere Laserarten nach und nach verdr\u00e4ngen. Zu all diesen Anwendung finden Sie Beispiele an anderer Stelle in diesem Journal.<\/p>\n\n\n\n
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 gef\u00fchrt.<\/p>\n\n\n\n
In der Lasertechnik wird eine weitere Eigenschaft der Fasern genutzt. Wird ein Quarzfaserkern mit Ionen dotiert, kann er Licht verst\u00e4rken und so als aktives Lasermedium eingesetzt werden.<\/p>\n\n\n\n
Die gebr\u00e4uch-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 verl\u00e4uft das Pumplicht in einem zus\u00e4tzlichen Mantel um den Core entlang der Faser. Auf diese Weise wird eine lange Wechselwirkungsstrecke f\u00fcr effizientes Pumpen der Kernfaser erreicht.<\/p>\n\n\n\n<\/figure>\n\n\n\n
Faserlaser<\/strong><\/h4>\n\n\n\n
Ein herk\u00f6mmlicher Festk\u00f6rperlaser 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 Laserwellenl\u00e4nge in der Kernfaser reflektieren, erh\u00e4lt man den Faserlaser-oszillator. Die Vorteile dabei sind:<\/p>\n\n\n\n
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hohe Stabilit\u00e4t, da keine Justage der Spiegel mehr notwendig<\/li>\n\n\n\n
hoher Gain aufgrund der langen Wechselwirkungsstrecke entlang der Faser. Bis zu 70% des Pumpdiodenlichts werden in beugungsbegrenztes Laserlicht \u00fcbertragen.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n<\/figure>\n\n\n\n
Faserverst\u00e4rker<\/strong><\/h4>\n\n\n\n
Wenn heute von Faserlasern gesprochen, wird verbirgt sich dahinter oft eine Kombination aus Seedlaser und mehreren Faserlaserverst\u00e4rkern, sogenannten EDFAs oder YDFAs.<\/p>\n\n\n\n
Diese verst\u00e4rken das Ausgangssignal eines Laseroszillators in mehreren Stufen. Die erreichbare Laserleistung ist limitiert durch die Zerst\u00f6rschwelle der Endverst\u00e4rkerfaser. Diese liegt f\u00fcr Singlemode-Fasern typisch bei 10kW und f\u00fcr Multimode-Fasern bei 50kW. Wegen des hohen Gains in den Fasern m\u00fcssen R\u00fcckkopplungen verhindert werden. Dazu werden meist Faraday Isolatoren eingesetzt.<\/p>\n\n\n\n<\/figure>\n\n\n\n
Dauerstrich Faserlaser<\/strong><\/h4>\n\n\n\n
Aus Anwendersicht unterscheiden wir hier Hochleistungslaser f\u00fcr die Materialbearbeitung (Metallschneiden, Schwei\u00dfen, …) und Kleinleistungslaser f\u00fcr verschiedene Anwendungen, z.B. in der Telekommunikation oder auch in der Biotechnologie.<\/p>\n\n\n\n
Im Hochleistungsbereich konnte die Firma IPG j\u00fcngst einen Faserlaser mit 18kW Strahlleistung demonstrieren. F\u00fcr Anwendungen in der Biotechnologie werden die frequenzverdoppelten Faserlaser von MBP Communications immer interessanter, da mittlerweile viele Farben im sichtbaren Bereich mit ausreichenden Leistungen zur Verf\u00fcgung stehen. Oft werden gezielt mehrere Wellenl\u00e4ngen im sichtbaren Bereich ben\u00f6tigt, z.B. f\u00fcr Flusszytometrie oder Fluoreszenz-Mikroskopie, um die verschiedenen Fluoreszenzmarker anzuregen.<\/p>\n\n\n\n
Neben klassischen Diodenlasern sind hier vermehrt Faserlaser im Einsatz, deren Ausgang \u00fcber periodisch gepolte Kristalle, sogenannte PPLNs, effizient frequenzverdoppelt werden kann. Mit dieser Technik erreichen die Faserlaser von MBP Communications heute mit 1-5W deutlich h\u00f6here Leistungen als entsprechende Diodenlaser.<\/p>\n\n\n\n
Gepulste Faserlaser und MOPAs<\/strong><\/h4>\n\n\n\n
F\u00fcr den Pulsbetrieb werden Faserlaser modenkoppelt (50fsek-50psek), g\u00fcteschaltet (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.<\/p>\n\n\n\n
Den ersten Kurzpulsfaserlaser mit 700fsek und 5W f\u00fcr industrielle Anwendungen hat die Firma Raydiance vorgestellt. Im Nanosekunden- Bereich f\u00fcr die Materialbearbeitung setzen sich langsam die MOPA-Designs durch. Hier wird der Ausgang eines Seedlasers (Laserdiode, Festk\u00f6rperlaser oder Faserlaser) in mehreren Faserverst\u00e4rkern hochverst\u00e4rkt. Dieses Konzept bringt einen unsch\u00e4tzbaren Vorteil gegen\u00fcber klassischen g\u00fcte- geschalteten Lasern. Deren Pulsdauer ist durch den Gain im Resonator bestimmt und variiert dadurch stark mit der Wiederholrate, typisch zwischen 10-300nsek.<\/p>\n\n\n\n
Im MOPA definiert der Seedlaser die Pulsdauer und die Faserverst\u00e4rker liefern die Energie ohne die Pulsdauer zu ver\u00e4ndern. 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 St\u00fccke heraus, die dann in den Fasern verst\u00e4rkt werden.<\/p>\n\n\n\n
In diesem von der Firma ESI-PyroPhotonics Lasers realisierten Konzept ist auch die Transmission des Modulators ansteuerbar und es k\u00f6nnen verschiedene Pulsz\u00fcge erzeugt werden, auch Mehrfachpulse mit beliebigen Delays dazwischen. Der einmal eingestellte Pulszug kann dann \u00fcber einen externen Trigger abgerufen werden und beh\u00e4lt seine Form unabh\u00e4ngig von der gew\u00e4hlten Wiederholrate bei, im Fall des Pyrophotonics Lasers bis 500kHz. F\u00fcr die Optimierung bestimmter Laserprozesse in der Materialbearbeitung ist diese Eigenschaft sehr viel wert.<\/p>\n\n\n\n
Limitierungen der Faserlaser<\/strong><\/h4>\n\n\n\n
Drei Eigenschaften m\u00fcssen beim Design von Faserlasern sorgf\u00e4ltig beachtet werden, um einen zuverl\u00e4ssigen Betrieb zu gew\u00e4hrleisten:<\/p>\n\n\n\n
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die Zerst\u00f6rschwelle des Endverst\u00e4rkers<\/li>\n\n\n\n
die hohe ASE (attenuated spontaneous emission) aufgrund des hohen Gains<\/li>\n\n\n\n
nichtlineare Effekte in der Faser wie SRS (stimulierte Raman Streuung), SBS (stimulierte Brillouin Streuung) und SPM (self phase modulation).<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
Die ASE l\u00e4sst sich durch geeignete Ma\u00dfnahmen gut beherrschen. Nichtlineare Effekte steigen mit der Pulspitzenleistung deutlich an und beeintr\u00e4chtigen gepulste Anwendunge<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Lichtleitung durch optische Fasern hat mittlerweile viele Lebensbereiche enorm ver\u00e4ndert. Zu nennen sind hier unter anderem Telekommunikation, Prozesstechnik und Spektroskopie, faseroptische Sensorik und medizinische Diagnostik \u00fcber Katheter.Ein wichtiger Bereich ist auch die Lasertechnik, wo Faserlaser andere Laserarten nach und nach verdr\u00e4ngen. Zu all diesen Anwendung finden Sie Beispiele an anderer Stelle in diesem Journal. Eine …<\/p>\n
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