Faserlaser. IAP, Friedrich-Schiller-Universität Jena

Transkript

1 Faserlaser Faserlaser Erbium Thulium IAP, Friedrich-Schiller-Universität Jena - Aufbau des Faserlasers - Aufbau und Entwicklung verschiedener Faserarten - Leistungssteigerung und Grenzen

2 Faserlaser Stablaser [3] [3] Scheibenlaser

3 Faserlaser Stablaser [3] [3] [3] Scheibenlaser Faserlaser

4 Faserlaser - Aufbau Faser optischer Wellenleiter für Pump- und Laserlicht Strahleigenschaften und -qualität von Faser bestimmt, unabhängig von äußeren Einflüssen großes Oberfläche-Volumen-Verhältnis gute Wärmeabfuhr

5 Aufbau der Faser Kern aktives Medium und Wellenleiter für Pumplicht Dotierung mit Seltenerden ( ppm) Er 3400nm Pr 635nm Nd 1340nm Er 546nm Yb 975nm Tm 455nm Tm 800nm

6 Eigenschaften der Faser spektrale Verbreiterung der Absorption- und Emissionsbanden für Pumplichtquelle: - geringere Frequenzstabilität - größere Bandbreite - keine Temperaturstabilisierung nur Ausbreitung transversaler Grundmode rco V = 2π n λ < 2,405 V = > 2,405 2 co 2 rco nc = 2π NA λ single - mode Faser multi - mode Faser hohe Strahlqualität für single-mode Fasern

7 Eigenschaften der Faser kleiner Kern für single-mode Eigenschaft Einkopplung nur für Pumplichtquellen mit hoher Strahlqualität möglich geringe Leistung Konzept der Doppelkernfaser

8 Doppelkernfaser getrennte Kerne für Pump- und Laserlicht größerer Pumplichtkern (Hochleistungslaserdioden anwendbar)

9 Doppelkernfaser Problem: geringe Absorption des Pumplichts

10 Doppelkernfaser Symmetriebruch verschiedene Kernformen chaotische Ausbreitung Faserkrümmung Nieren-Form D-Form Rechteckform dezentrierter Laserkern [3] [2]

11 Doppelkernfaser Symmetriebruch verschiedene Kernformen chaotische Ausbreitung Faserkrümmung Nieren-Form [1] [1] kostenintensiv längere Fasern

12 Leistungsbegrenzung Grenze der Leistungsskalierung bei ca. 100W (cw) durch nichtlineare Effekte: n = n + ( 1 n2 I ) stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) stimulierte Raman-Streuung (SRS) Selbstfokussierung Selbstphasenmodulation (SPM) Zerstörung der Faserendflächen neue Konzepte: Large-Mode-Area Fasern Photonic Crystal Fibers

13 LMA-Fasern Large-Mode-Area Fasern (LMA) Vermeidung nichtlinearer Effekte durch geringere Leistungsdichte größerer Kerndurchmesser Verschlechterung der Strahlqualität durch Mitführung höherer Moden Wiederherstellung der single-mode Eigenschaft durch stärkere Krümmungsverluste höherer Moden

14 PCF Photonic Crystal Fibers (PCF) mikrostrukturierte Fasern mit Luftlöchern im Mantel V V = = Λ 2 2 2π nco nc λ < π single - mode Faser > π multi - mode Faser [3] großer Kerndurchmesser und single-mode Eigenschaft

15 Air-Clad Fasern Air-Clad-Struktur größere Luftlöcher für äußeren Mantel [4] Doppelkernprinzip realisierbar

16 Leistungssteigerung experimenteller Betrieb von Faserlasern bis 2000W möglich (cw-betrieb) [2]

17 Zusammenfassung Vorteile Nachteile - hohe Strahlqualität - hohe Leistung ohne thermooptische Probleme - hohe optische Effizienz (bis 80%) - kompakter Aufbau, wenig mechanische Komponenten - Leistungsbegrenzung durch nichtlineare Effekte (SBS, SRS, SPM, Selbstfokussierung) - Zerstörung der Faser bei hohen Leistungen (aktive Kühlung notwendig) - große Bandbreite - große cavity-längen - Möglichkeit für up-conversion- Laser - chromatische Dispersion

18 Anwendung Ultrakurzpulslasersysteme zur Mikromaterialbearbeitung - Modifizierung optischer Eigenschaften dielektrischer Medien Wellenleiter - Bohren ohne thermische Effekte [6]

19 Literatur Literatur H. Zellmer, S. Nolte, A. Tünnermann. Faserlaser. Physik Journal 4, Nr. 6, (2005) J. Limpert, T. Schreiber, A. Tünnermann. Fiber based high power laser systems. URL=< 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)