Faserlaser. Abbildung 1: Prinzipieller Aufbau des Faserlasers

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1 Faserlaser Faserlaser sind eine spezielle Art der All-Solid-State-Laser, d.h. diodengepumpte Festkörperlaser. Durch den Aufbau des Lasern mit dem aktiven Medium in einem Wellenleiter (Faser) können die thermischen Probleme herkömmlicher Festkörperlaser bei der Erzeugung hoher Leistungen umgangen werden. Im Folgenden soll die Entwicklung der Faserlaser, die besonders mit der Entwicklung der Glasfaser verbunden ist, dargestellt werden. Darüber hinaus werden Vor- und Nachteile bzw. Probleme einiger Faserlaseraufbauten und des Faserlaserkonzeptes im Allgemeinen diskutiert. 1 Funktionsweise und prinzipieller Aufbau In Abbildung 1 ist der prinzipelle Aufbau eines Faserlasers dargesttelt. Dabei wird die Strahlung eines Diodenlasers über eine Koppeloktik in den Wellenleiter - die Faser - eingespeist. Diese Faser enthält das aktive Medium, in dem die Laserverstärkung stattfindet. Sie bestimmt zudem die Strahleigenschaften und -qualität anhand ihrer Geometrie. Damit ist diese Laserart weitgehend unabhängig von äußeren Einflüssen. Das große Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen bietet eine gute Wärmeabfuhr, obwohl das Glasmaterial der Faser nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Somit ist der Laser ebenfalls unabhängig von thermischen Effekten und benötigt (zumeist) keine aktive Kühlung. Spiegel Spiegel Faser (20..50m) Diodenlaser Koppeloptik Laserstrahl Abbildung 1: Prinzipieller Aufbau des Faserlasers 1.1 Aufbau der Faser Die Faser stellt einen optischen Wellenleiter dar in dem sich Pumplicht und erzeugte Laserstrahlung als geführte Wellen ausbreiten. Dazu besteht die Faser aus einem Kern mit

2 Brechzahl n co im Inneren, der das Licht führt und einem Mantel mit Brechzahl n c. Die Ummantelung besteht aus einem Polymer und dient vor allem dem mechanischen Schutz der Faser. Dieser Aufbau ist in Abbildung 2, in der auch die geometrischen Dimensionen und das Brechzahlprofil wiedergegeben ist, verdeutlicht. Kern (core) Mantel (cladding) Ummantelung (coating) Pumplicht Laser 3..8µm 125µm r n c nco n Abbildung 2: Aufbau der Faser des Faserlasers Der Kern besteht aus Silizium-, Phosphat- bzw. Fluoridglas mit einer sehr geringen Dämpfung (< 3dB/km), so dass sich das Pumplicht hierin ausbreiten kann bis es vollständig absorbiert wurde. Um als aktives Medium dienen zu können wird der Kern mit Selternerdionen dotiert, typischerweise in der Größenordnung ppm. In der folgenden Tabelle ist eine Auswahl an Dotierungsmöglichkeiten und ihre Emissionswellenlänge zusammengestellt. Er Nd Yb Tm Pr Er Tm λ 3400nm 1340nm 975nm 800nm 635nm 546nm 455nm Durch die Wechselwirkung der eingebrachten Seltenerden mit dem umgebenden Glas kommt es zu einer spektralen Verbreiterung der Absorptions- und Emissionsbanden (typisch 15nm). Dies stellt einen Vorteil für den Faserlaser dar, da damit für die Pumplichtquelle eine geringere Frequenzstabilität und keine Temperaturstabilisierung notwendig ist. Außerdem kann sie eine größere Bandbreite besitzen. Wie bereits erwähnt wird die Strahlqualität der Laserstrahlung allein durch die Faser bestimmt. Um eine bestmögliche Strahlqualität zu erhalten werden die Fasern zu konstruiert, dass sich in ihnen nur die transversale Grundmode aus-

3 breiten kann. Ein Kriterium dafür ist der V-Parameter: V SI = 2π r co n 2 λ co n 2 c = 2π r co λ NA mit NA... numerische Apertur der Faser V SI < 2, 405 single-mode Faser V SI > 2, 405 multi-mode Faser Aufgrund der technisch realisierbaren Brechzahlunterschiede wird somit ein kleiner Kernradius r co benötigt, um eine single-mode Faser zu realisieren, in welcher nur die transversale Grundmode ausbreitungsfähig ist. Allerdings sind in diesem Fall auch Pumpquellen mit einer hohen Strahlqualität notwendig, um diese in eine solche Faser einkoppeln zu können. Pumpquellen mit entsprechenden Strahlqualitäten besitzen jedoch nur eine geringe Leistung. Da man den Kernradius jedoch nicht vergrößern will - sonst würde eine multi-mode Faser mit geringerer Strahlqualität entstehen - wurde das Konzept der Doppelkernfaser entwickelt. 2 Doppelkernfasern (double-clad fibers) Doppelkernfasern besitzen um den eigentlichen laseraktiven Kern herum noch einen zweiten Kern für das Pumplicht, wie dies in Abbildung 3 dargestellt ist. Der Pumplichtkern ist hierbei so groß, dass sich auch höhere Moden ausbreiten können. Damit ist es möglich die Strahlung von Hochleistungslaserdioden in die Faser einzukoppeln. Die Ummantelung dient nun ihrerseits als Mantel für den Pumpkern und muss einen entsprechend niedrigeren Brechungsindex (n c < n pco )aufweisen. Laserkern Pumpkern Pumplicht Laser 5µm bis 400µm cladding / coating r n c n pco nlco n Abbildung 3: Aufbau der Doppelkernfasern

4 Das Problem bei diesem Faserdesign besteht darin, dass es nur zu einer geringen Absorption des Pumplichtes kommt. Im Strahlenbild (für λ Faserdimension) in Abbildung 4 wird ersichtlich, dass es neben den Meridionalstrahlen, die durch den Laserkern gehen, ebenfalls Strahlen (Helixstrahlen) gibt, welche den Kern niemals treffen und daher nicht absorbiert werden können. Meridionalstrahl Helixstrahl Abbildung 4: Strahlenverlauf des Pumplichts in der Faser Zur Vermeidung dieser Verluste existieren grundsätzlich zwei Konzepte. Zum einen kann man die Symmetrie der Faserkonstruktion aufbrechen und spezielle Querschnittsformen für den Pumplichtkern verwenden, z.b. D-Form, Rechteckform oder einen dezentrierten Laserkern. Durch die damit erreichte chaotische Ausbreitung des Pumplichts kommt es bereits bei kurzen Faserlängen zu einem hohen Absorptionsgrad wie in Abbildung 5 zu sehen. Nachteil dieser Vorgehensweise sind die hohen Kosten für die speziell anzufertigenden Fasern. Abbildung 5: Absorption verschiedener Doppelkernformen bzgl. der Faserlänge, aus [1] Eine Methode unter Verwendung herkömmlicher Doppelkernfasern einen hohes Absorptionsvermögen zu erzielen besteht in der Krümmung der Faser. Hierbei wird dann ebenfalls eine Wechselwirkung der Strahlen des Pumplichtes mit dem laserkern erreicht. Besonders wirksam hat sich die Krümmung in Form einer Niere (kidney) erwiesen. Abbildung 6 zeigt den Absorptionsgrad für verschiedene Krümmungen und abhängig von der Faserlänge. Im Vergleich zu dem oben vorgestellten Konzept werden hierbei jedoch größere Faserlängen für gleiche Absorption benötigt.

5 Abbildung 6: Absorption verschiedener Faserkrümmungen bzgl. der Faserlänge, aus [1] 3 Large-Mode-Area Fasern und Photonic-Crystal-Fibers Die Grenzen für die Leistungsskalierung der oben beschriebenen Faserlaser liegen bei ca. 100W (cw-betrieb). Bei diesen Leistungen kann es zur Zerstörung der Faserendflächen kommen, außerdem treten zunehmend nichtlineare Effekte wie stimulierte Brillouin-Streuung (SBS), stimulierte Raman-Streuung (SRS) und Selbstphasenmodulation (SPM, Selbstfokussierung) auf. Um solche Einflüsse zu vermeiden verwendet man größere Kerndurchmesser, so dass geringere Leistungsdichten auftreten. Solche Large-Mode-Area Fasern (LMA) würden jedoch auch zur Ausbreitung höherer Moden und damit zu der bereits erwähnten Verringerung der Strahlqualität führen. Man bedient sich daher einem ähnlichen Konzept wie bei der Erhöhung der Absorption in Doppelkernfasern, indem man durch entsprechende Krümmung der Fasern für hohe Verluste bei höheren Moden sorgt und die single-mode Eigenschaft der Faser somit wiederherstellt. L Glas Luft Ein anderer Ansatz sind Photonic-Crystal-Fibers (PCF), diese mikrostrukturierten Fasern zeigen die single-mode Eigenschaft für einen großen Wellenlängenbereich bzw. einen großen Kerndurchmesser. Wie in Abbildung *** gezeigt befinden sich Luftlöcher innerhalb des Mantels, woraus ein geringer mittlerer Brechungsindex resultiert. Damit lassen sich Brechzahlunterschiede in der Größenordnung 10 4 realisieren. Für den V-Parameter dieser Fasern gilt hierbei unabhängig vom Kernradius r co : Abbildung 7: Aufbau einer Photonic- Crystal-Fiber (PCF), aus [3] V P CF = 2π Λ n 2 λ co n 2 c = 2π r co λ NA mit Λ... Abstand der Luftlöcher in der Faser V P CF < π single-mode Faser V P CF > π multi-mode Faser

6 PCF mit einer sogenannten Air-Clad-Struktur erlauben bei diesen Fasern ebenfalls den Aufbau einer Doppelkernfaser. Dabei werden für den äußeren Mantel größere Luftlöcher in die Faser eingebracht, um einen entsprechend niedrigeren Brechungsindex für den äußeren Pumpkern gegenüber dem Pumplichtkern zu gewährleisten. Abbildung 8 zeigt eine Elektronenmikroskopische Aufnahme des Querschnitts einer solchen Faser. Abbildung 8: Quershnitt einer PCF mit Air-Clad-Struktur, aus [4] Auf der Grundlage dieser neu entwickelten Konzepte konnten Hochleistungsfaserlaser mit einer Leistung von bis zu 2000W (Stand: Anfang 2005) experimentell betrieben werden. 4 Vorteile und Nachteile von Faserlasern Die hier behandelten Vor- und Nachteile von Faserlasern sind in folgender Tabelle zusammengefasst (ohne Anspruch auf Vollständigkeit). Vorteile Nachteile - kompakter Aufbau, wenig mechanische Komponenten - große Bandbreite - keine guten Pumplichtquellen notwendig - hohe Leistung ohne thermo-optische Probleme - Möglichkeit für up-conversion-laser - hohe Strahlqualität - Leistungsbegrenzung durch nichtlineare Effekte (SBS, SRS, SPM, Pulsverbreiterung) - Zerstörung der Faser bei hohen Leistungen (aktive Kühlung notwendig) - große cavity-längen - chromatische Dispersion

7 Literatur [1] A. Tünnermann, H. Zellmer, W. Schöne, A. Giesen, K. Contag. New Concepts for Diode-Pumped Solid-State Lasers. Topics Appl. Phys. 78, (2000) [2] J. Limpert, T. Schreiber, A. Tünnermann. Fiber based high power laser systems. URL=< [3] A. Tünnermann, T. Schreiber, F. Röser, A. Liem, S. Höfer, H. Zellmer, S. Nolte, W. Limpert. The renaissance and bright future of fibre lasers. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. 38, (2005) [4] J. Limpert, T. Schreiber, A. Liem, S. Nolte, H. Zellmer Thermo-optical properties of air-clad photonic crystal fiber lasers in high power operation. OPTICS EXPRESS. 11, Nr. 22, (2003) [5] A. Tünnermann, H. Zellmer, H. Welling. Faserlaser. Physikalische Blätter 52, Nr. 11, (1996) [6] H. Zellmer, S. Nolte, A. Tünnermann. Faserlaser. Physik Journal 4, Nr. 6, (2005)