Mit seltenen Erden dotierte Fasern ermöglichen NIR-Laser und -Verstärker

Laser und Lasersysteme, die auf mit seltenen Erden dotierten optischen Spezialfasern basieren, stellen eine der erfolgreichsten photonischen Technologien mit doppeltem Verwendungszweck der letzten Zeit dar. Ihre Anwendungen reichen vom Schweißen „schwieriger“ Metalle in Elektrofahrzeugen über das präzise Laserzielen bis hin zu schneidenden medizinischen Geräten. In diesem Dokument beschreiben wir einige der Spezialfaseroptionen, die in einem kompletten Faserlasersystem eine wichtige Rolle spielen.

Seltene Erden ermöglichen Laserbetrieb im nahen Infrarot-Spektrum

Dotierte Materialien, die positive Ionen eines Elements seltener Erden enthalten, z. B. Ytterbium (Yb), Neodym (Nd), Holmium (Ho), Thulium (Tm) und Erbium (Er), liefern eine Leistung im nahen Infrarot-Wellenlängenbereich (NIR) von 1–2 Mikrometer. Dies ist ein nützlicher Betriebsbereich, da viele Materialien hier stark absorbieren und dadurch werden effiziente Materialbearbeitungsanwendungen, einschließlich Bohren, Schneiden, Schweißen und Laser-Beschriften, ermöglicht. Da darüber hinaus die starke Lichtabsorption durch Wasser bei Wellenlängen um 1400 nm einsetzt, sind Wellenlängen, die länger als diese sind, für medizinische Anwendungen (z. B. chirurgische Ablation) nützlich und ermöglichen gleichzeitig die Fernübertragung von Fasern. Aufgrund dieser Wasserabsorption wird 1400 nm im Allgemeinen als Grenzwellenlänge für augensichere Laser betrachtet. Längere Wellenlängen werden sicher vom Wasser auf der Außenseite des Auges absorbiert und dringen nicht zur Netzhaut vor. Hierdurch erweisen sich diese unsichtbaren Wellenlängen in Anwendungen wie Lidar-Bildgebung und Entfernungsmessung als nützlich. Die Laserwellenlänge kann auch mit nichtlinearen optischer Kristalle in den sichtbaren bzw. ultavioletten Bereich verschoben werden.

Faserlaser vermeiden Probleme mit dem Wärmemanagement

Während diese Ionen in eine Vielzahl von Kristall- und Glasmaterialien dotiert werden können, verwenden die meisten ihrer Laseranwendungen heute ein Faserlaserformat, bei dem die Ionen in eine optische Faser aus Quarzglas dotiert werden. Neben der Bereitstellung mechanischer Stabilität haben Faserlaser im Vergleich zu Freiraumoptiken nicht die Wärmeableitungsprobleme von Massenformaten wie Stäbe und Platten. Dadurch konnte die Ausgangsleistung von Faserlasern von einigen Watt auf über 10 Kilowatt skaliert werden. Ihr großer Leistungsbereich ist ein Hauptgrund für die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten dieser Laser.

Abbildung 1 stellt schematisch die Hauptkomponenten eines verstärkten Faserlasersystems dar. Das Verstärkungsmedium ist eine aktive Faser, die mit positiven Ionen eines Elements seltener Erden dotiert ist, z. B. Nd, Er, Yb, Tm oder Ho. Diese werden direkt von Diodenlaser gepumpt und ermöglichen so kompakte und elektrisch effiziente Lasersysteme. Andere Schlüsselkomponenten umfassen zusätzliche Längen aktiver (dotierter) Fasern, die als Verstärkungsstufen fungieren,optische Isolatoren um schädliche Rückreflexionen zu vermeiden, Faserbraggitter, die als Hohlraumspiegel zur Unterstützung der Laseroszillation, Kristalle zur Erzeugung von Oberwellen oder verschobenen Wellenlängen und passive Übertragungsfasern fungieren.

Dotierungsoptionen für seltene Erden

Glasfasern (Silizium) können mit Ionen mehrerer Elemente seltener Erden dotiert werden. Coherent bietet ein umfassendes Spektrum an Dotierungen und Optionen, da die optimale Wahl sowohl von der gewünschten Wellenlänge, dem Leistungspegel als auch von den Pulsparametern abhängt. Abbildung 2 fasst die Wellenlängeneigenschaften der fünf häufig verwendeten Ionen seltener Erden Nd, Er, Yb, Tm oder Ho zusammen: sowohl die Emissionswellenlängen als auch die erforderlichen Pumpwellenlängen. Yb wird in Ultrakurzpulslasern (USP) immer beliebter, da seine relativ große Emissionsbandbreite modengekoppelte Faserlaser mit Pulsen von bis zu 50 Femtosekunden und verstärkte (d. h. leistungsstarke) Systeme mit Pulsen von nur einigen hundert Femtosekunden (fs) unterstützt.

Coherent bietet auch optische Spezialfasern an, die sowohl mit Er als auch mit Yb co-dotiert sind. Das Er wirkt als Verstärkungsmedium und führt zu einer Emission um 1550 nm, abhängig von der Dotierungskonzentration. Das Yb wirkt als Lichtabsorber und verhindert eine unerwünschte verstärkte spontane Emission im Bereich von 1 Mikron, sodass das Lasersystem für die Augen völlig ungefährlich ist.

Mit seltenen Erden dotierte Fasern können auch zusätzlich mit einem „Modifizierungs"-Element wie Aluminium (Al), Germanium (Ge) oder Phosphor (P) dotiert werden. Diese werden hauptsächlich verwendet, um den Brechungsindex der Faser zu manipulieren. Dies ermöglicht, die numerische Apertur (NA) in gewisser Weise unabhängig vom Kerndurchmesser der Faser zu modifizieren. Die Numerische Apertur definiert den Ausbreitungswinkel des von der Faser emittierten Lichts und den Winkelbereich, über den Licht in die Faser fokussiert werden kann. Es ist wichtig, da dies oft der limitierende Faktor dafür ist, wie der Laser durch nachgeschaltete Optiken fokussiert oder projiziert werden kann.

Vielfältige Faseroptionen

Genau wie andere optische Fasern werden auch mit seltenen Erden dotierte aktive Fasern nach ihrem Übertragungsmodus klassifiziert, der durch die optischen Details ihres Kerns und ihres Mantels bestimmt wird. 

Kern: Der Kern hat einen Durchmesser von 10 bis 200 Mikron und ist von einem Mantel aus Glas mit etwas niedrigerem Brechungsindex umgeben. Diese Anordnung begrenzt das Licht aufgrund der internen Totalreflexion auf die Faser und nur der Kern ist mit Ionen seltener Erden dotiert. Die meisten Fasern können einem von drei Typen zugeordnet werden: Single-Mode (SM), Multi-Mode (MM) und Large Area Mode (LMA). SM-Fasern haben den Innenkern mit dem kleinsten Durchmesser, sodass es nur einen Übertragungsmodus gibt. Dies ist oft wünschenswert, weil dies zu einem Ausgangsstrahl mit der besten Fokussierbarkeit führt, d.h. zum kleinsten Punkt. MM-Fasern sind der zweithäufigste Fasertyp und unterstützen ungefähr 1000 verschiedene Übertragungsmodi. Dies unterstützt eine höhere Ausgangsleistung, allerdings mit einem weniger fokussierbaren Strahl und so wird dies hauptsächlich verwendet, um das Pumplicht von den Dioden zu handhaben. LMA-Fasern sind ein wichtiger Nischentyp für den Einsatz in Systemen mit sehr hoher Leistung.

Ummantelung: Dotierte Fasern sind mit zwei verschiedenen Manteloptionen erhältlich. Das einfachste Format wird als einfach ummantelte Faser bezeichnet, bei der der Kern einen etwas höheren Index als der Mantel hat, der dann von einer schützenden Beschichtung aus einem Indexpolymer umgeben ist. Bei doppelt ummantelten Fasern ist die innere Ummantelung von einer zweiten Ummantelung aus einem Polymer mit niedrigem Brechungsindex umgeben. Doppelt ummantelte Fasern erhöhen die Fähigkeit des Kerns, Licht zu absorbieren, indem sie höhere Eingangspumpleistungen zulassen und die Wechselwirkung zwischen dem Pumplicht und den aktiven Ionen seltener Erden im Kern verbessern. Coherent bietet auch dreifach ummantelte Fasern an, die die meisten Faserverbindungssysteme und Diodenlaser-Stromversorgungssysteme unterstützen und Strahlungsbeständigkeit in weltraumgestützten Anwendungen bieten. 

Umfassendes Angebot an Optionen für optische Spezialfasern

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit seltenen Erden dotierte Fasern als Standardprodukte von Coherent mit einer Auswahl von fünf verschiedenen Ionen seltener Erden erhältlich sind: Dotierte Fasern von Coherent sind als Singlemode (SM)-, Multimode (MM)- und Large-Area-Mode (LMA)-Fasern erhältlich, die alle mehrere Wahlmöglichkeiten hinsichtlich der numerischen Apertur (NA) und des Kerndurchmessers bieten. Außerdem beinhaltet die gesamte Produktlinie einfach, doppelt und dreifach ummantelte Fasern. Insgesamt umfasst dies Tausende von verschiedenen als Standard dotierten Fasern. Für OEM-Systemhersteller besteht auch die Möglichkeit, durch Zusammenarbeit mit Coherent die Glasfaserspezifikationen für kundenspezifische Anwendungen zu definieren.

Überlegene Leistung für anspruchsvolle Anwendungen 

Die mit seltenen Erden dotierten Fasern von Coherent sind ideal für Laser- und Laserverstärkeranwendungen über einen breiten Leistungsbereich. Beispielsweise beseitigen unsere hochwertigen Fasern zwei der bekannten Herausforderungen bei der Leistungsskalierung von Faserverstärkern: Stimulierte Raman-Streuung (SRS) und Transversalmodus-Instabilität (TMI). Sie zeichnen sich durch eine hohe Modenqualität, eine hervorragende Pumplichtabsorption, eine lange Lebensdauer und ein außergewöhnlich geringes Photodarkening aus. Daher bieten sie selbst in den anspruchsvollsten Industrie-, Medizin-, Raumfahrt- und Lidar-Anwendungen einen zuverlässigen, erweiterten Betrieb.