Faserlasertechnologie: Wichtige Prinzipien und Einsatzmöglichkeiten

1. Einleitung

Die Forschung zu dotierten Faserlasern mit Verstärkungsmedien reicht bis in die 1960er Jahre zurück, als Snitzer 1963 über die Entwicklung eines Faserlasers mit Neodym-Ionen (Nd³⁺) in einer Glasmatrix dotiert.

Seit den 1970er Jahren wurden erhebliche Fortschritte in der Faserpräparationstechnologie und bei der Erforschung von Pump- und Resonanzraumstrukturen für Faserlaser erzielt.

Mitte der 1980er Jahre gelang ein Durchbruch bei dotierten Fasern (Er³⁺) an der Universität Southampton im Vereinigten Königreich hat die Praxistauglichkeit von Faserlasern erheblich verbessert und vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten aufgezeigt.

Im Vergleich zu herkömmlichen Festkörper- und Gaslasern haben Faserlaser viele einzigartige Vorteile, wie z. B. hohe Strahlqualität, geringe Größe, geringes Gewicht, Wartungsfreiheit, Luftkühlung, einfache Bedienung, niedrige Betriebskosten und langfristige Nutzung in industriellen Umgebungen.

Sie bieten außerdem hohe Bearbeitungspräzision, hohe Geschwindigkeit, lange Lebensdauer, Energieeinsparung und ausgezeichnete Flexibilität für Intelligenz und Automatisierung. Daher haben sie die traditionellen YAG- und CO2-Laser in vielen Bereichen ersetzt.

Der Ausgangswellenlängenbereich von Faserlasern liegt zwischen 400 und 3400 nm und kann in verschiedenen Bereichen wie optische Datenspeicherung, optische Kommunikation, Sensorik, Spektroskopie und medizinische Anwendungen eingesetzt werden.

Derzeit ist eine rasante Entwicklung bei dotierten Faserlasern, Faser-Bragg-Gitter-Lasern, abstimmbaren Faserlasern mit geringer Linienbreite und Hochleistungs-Faserlasern mit doppelter Ummantelung zu beobachten.

2. Grundlegender Aufbau und Funktionsprinzip von Faserlasern

2.1 Grundlegende Struktur von Faserlasern

Der Faserlaser besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: dem Verstärkungsmedium, das Photonen erzeugen kann, dem optischen Resonanzraum, der die Photonenrückkopplung und Resonanzverstärkung im Verstärkungsmedium ermöglicht, und der Pumpquelle, die das Lasermedium anregen kann.

Der grundlegende Aufbau des Faserlasers ist in Abbildung 2.1 dargestellt.

Das Verstärkungsmedium ist ein mit Seltenerd-Ionen dotierter Faserkern. Die dotierte Faser befindet sich zwischen zwei Spiegeln mit ausgewähltem Reflexionsvermögen. Das Pumplicht wird vom linken Spiegel des Faserlasers in die Faser eingekoppelt und gibt das Laserlicht über ein kollimierendes optisches System und einen Filter ab.

Theoretisch sind die Pumpquelle und die Verstärkungsfaser die wesentlichen Komponenten des Faserlasers, und der Resonanzraum ist nicht unbedingt erforderlich. Die Modenselektion des Resonanzraums und die Verlängerung des Verstärkungsmediums sind bei Faserlasern nicht notwendig, da die Faser selbst sehr lang sein kann, wodurch eine sehr hohe Single-Pass-Verstärkung erzielt wird, und der Wellenleitereffekt der Faser eine Modenselektionsrolle spielen kann.

In der Praxis werden jedoch in der Regel kürzere Fasern bevorzugt, so dass in den meisten Fällen ein Resonanzraum für die Rückkopplung verwendet wird.

Aufgrund der Wellenleiterstruktur von Faserlasern können sie stark gepumpt werden und haben eine hohe Verstärkung (Single-Pass-Verstärkung bis zu 50 dB). Seltene Erden in der Glasmatrix haben eine große Linienbreite und einen großen Abstimmbereich (Yb³⁺ ist 125nm, Tm³⁺ >300nm).

Die besonderen Merkmale sind wie folgt:

1) Die Faser dient als Wellenleitermedium und bietet eine hohe Kopplungseffizienz, einen kleinen Kerndurchmesser und eine hohe Leistungsdichte in der Faser. Sie lässt sich problemlos an aktuelle faseroptische Kommunikationssysteme anschließen. Die daraus resultierenden Laser haben einen hohen Umwandlungswirkungsgrad, eine niedrige Laserschwelle, eine hervorragende Strahlqualität und eine schmale Linienbreite.

2) Angesichts des hohen "Oberflächen/Volumen"-Verhältnisses der Faser hat sie eine gute Wärmeableitung. Die Umgebungstemperatur kann von -20 bis 70 °C reichen, so dass kein großes Wasserkühlsystem, sondern nur eine einfache Luftkühlung erforderlich ist.

3) Der Faserlaser kann unter rauen Bedingungen arbeiten, z. B. bei starken Stößen, starken Vibrationen, hohen Temperaturen und unter staubigen Bedingungen.

4) Aufgrund der ausgezeichneten Flexibilität der Faser kann der Laser recht klein und flexibel gestaltet werden, hat eine kompakte Form und ein geringes Volumen, was die Systemintegration erleichtert und ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis bietet.

5) Der Faserlaser verfügt über eine Vielzahl von abstimmbaren Parametern und Selektivität, so dass er einen großen Abstimmbereich, hervorragende Monochromatizität und hohe Stabilität abdecken kann. Es hat eine lange Lebensdauer der Pumpe, mit einer durchschnittlichen fehlerfreien Arbeitszeit von 10kh oder sogar über 100kh.

2.2 Arbeitsprinzip des Faserlasers

Die derzeit entwickelten Faserlaser verwenden hauptsächlich mit Seltenen Erden dotierte Fasern als Verstärkungsmedium.

Das Funktionsprinzip des Faserlasers besteht darin, dass das Pumplicht durch den vorderen Reflektor (oder das vordere Gitter) auf die dotierte Faser fällt und die Seltenerd-Ionen, die die Photonenenergie absorbiert haben, Energieniveauübergänge durchlaufen, wodurch eine "Teilchenzahlumkehr" erreicht wird.

Die invertierten Teilchen gehen nach der Relaxation in Form von Strahlung in den Grundzustand zurück, wobei gleichzeitig Energie in Form von Photonen freigesetzt wird, und geben den Laser über den hinteren Reflektor (hinteres Gitter) ab.

Der mit Seltenen Erden dotierte Faserverstärker hat die Entwicklung von Faserlasern gefördert, da Faserverstärker durch geeignete Rückkopplungsmechanismen Faserlaser bilden können.

Wenn das Pumplicht die Seltenerd-Ionen in der Faser durchdringt, wird es von den Seltenerd-Ionen absorbiert. Zu diesem Zeitpunkt werden die Seltenerdatome, die die Photonenenergie absorbieren, auf ein höheres Laserenergieniveau angeregt, wodurch eine Ionenzahlumkehr erreicht wird.

Die umgekehrte Ionenzahl geht in Form von Strahlung vom hohen Energieniveau in den Grundzustand über und gibt Energie ab, wodurch die stimulierte Strahlung vervollständigt wird. Es gibt zwei Arten der Strahlung vom angeregten Zustand zum Grundzustand: spontane Strahlung und stimulierte Strahlung.

Unter ihnen ist die stimulierte Strahlung eine Strahlung gleicher Frequenz und Phase, die einen sehr kohärenten Laser bilden kann. Die Laseremission ist ein physikalischer Prozess, bei dem die stimulierte Strahlung die spontane Strahlung weit übertrifft.

Damit dieser Prozess fortgesetzt werden kann, muss eine Inversion der Ionenzahl erfolgen. Daher sollten die an diesem Prozess beteiligten Energieniveaus größer als zwei sein, und es muss auch eine Pumpquelle vorhanden sein, die Energie liefert.

Der Faserlaser kann eigentlich als Wellenlängenkonverter bezeichnet werden, durch den das Licht der Pumpwellenlänge in das Licht der erforderlichen Laserwellenlänge umgewandelt werden kann.

Ein Erbium-dotierter Faserlaser pumpt beispielsweise Licht mit einer Wellenlänge von 980 nm und gibt einen Laser mit einer Wellenlänge von 1550 nm ab. Die Leistung des Lasers kann kontinuierlich oder gepulst sein.

Faserlaser haben zwei Laserzustände, Drei-Niveau- und Vier-Niveau-Laser. Die Laserprinzipien von Drei-Niveau- und Vier-Niveau-Lasern sind in Abbildung 2.2 dargestellt.

Die Pumpe (kurzwelliges, hochenergetisches Photon) bewirkt, dass das Elektron vom Grundzustand in den hochenergetischen Zustand übergeht E4⁴ oder E3³und wechselt dann in das obere Laserniveau E4³ oder E3² durch nicht-radiative Übergänge.

Wenn das Elektron weiter vom oberen Laserniveau zum unteren Energieniveau übergeht E4² oder E3¹die Laserverfahren auftreten wird.

3. Arten von Glasfaserlasern

Es gibt verschiedene Arten von Glasfaserlasern, die in verschiedene Kategorien eingeteilt werden können, wie in Tabelle 3.1 dargestellt. Die folgenden Abschnitte geben eine Einführung in verschiedene Arten dieser Laser.

Tabelle 3.1 Klassifizierung von faseroptischen Lasern

3.1 Seltenerd-dotierte Faserlaser

Zu den Seltenen Erden gehören 15 Elemente, die in der fünften Reihe des Periodensystems stehen.

Zu den ausgereiften Seltenen Erden, die in aktiven Fasern enthalten sind, gehören derzeit Er³⁺, Nd³⁺, Pr³⁺, Tm³⁺und Yb³⁺.

In den letzten Jahren haben doppelt ummantelte dotierte Faserlaser, die die Mantelpumptechnologie nutzen, die Ausgangsleistung erheblich gesteigert und sind zu einem weiteren Forschungsschwerpunkt im Bereich der Laser geworden.

Diese Art von Faserstruktur, wie in Abbildung 3.1 dargestellt, besteht aus einem äußeren Mantel, einem inneren Mantel und einem dotierten Kern.

Der Brechungsindex des Außenmantels ist kleiner als der des Innenmantels, der wiederum kleiner ist als der Brechungsindex des Faserkerns, so dass eine zweischichtige Wellenleiterstruktur entsteht.

Die dotierte Doppelmantelfaser ist eine Schlüsselkomponente bei der Konstruktion von Faserlasern. Zu ihren Hauptaufgaben in einem Faserlaser gehören:

1) Umwandlung der Pumplichtleistung in das Arbeitsmedium des Lasers;

2) Zusammenarbeit mit anderen Geräten zur Bildung eines Laserresonators.

Das Funktionsprinzip besteht im Wesentlichen darin, das Pumplicht entweder seitlich oder von der Endfläche her in die Faser zu injizieren. Da der Brechungsindex des Außenmantels viel niedriger ist als der des Innenmantels der Faser, kann der Innenmantel Multimode-Pumplicht übertragen.

Die Querschnittsabmessung des inneren Mantels ist größer als die des Kerns. Somit bilden der innere Mantel und der mit seltenen Erden dotierte Kern für die erzeugte Laserwellenlänge einen perfekten Monomode-Wellenleiter, während er und der äußere Mantel einen Multimode-Wellenleiter für die Übertragung der Pumplichtleistung bilden.

Dadurch kann Multimode-Pumplicht mit hoher Leistung in den inneren Mantel eingekoppelt werden. Das Multimode-Pumplicht wird auf seinem Weg durch die Faser mehrfach absorbiert und durchquert dabei den Kern. Durch die Anregung von Seltenerd-Ionen im Kern wird ein Signallaser mit hoher Leistung erzeugt.

Das Funktionsprinzip ist in Abbildung 3.1 dargestellt.

3.2 Faser-Bragg-Gitter-Laser

Die zunehmende Reife der UV-geschriebenen Faser-Bragg-Gitter-Technologie in den 1990er Jahren hat dazu geführt, dass Faser-Bragg-Gitter-Laser, vor allem Distributed-Bragg-Reflector- (DBR) und Distributed-Feedback- (DFB) Faser-Gitter-Laser, zunehmend Beachtung finden.

Der Hauptunterschied zwischen den beiden besteht darin, dass der DFB-Faserlaser nur ein Gitter für die optische Rückkopplung und die Wellenlängenauswahl verwendet und somit eine bessere Stabilität bietet und den Fusionsverlust zwischen der Er-dotierten Faser und dem Gitter vermeidet.

Während das Gitter mit UV direkt in die Er-dotierte Faser geschrieben werden kann, ist die praktische Herstellung des DEB-Faserlasers aufgrund des geringen Ge-Gehalts im Faserkern und der geringen Lichtempfindlichkeit nicht einfach.

Im Gegensatz dazu kann der DBR-Faserlaser einfacher hergestellt werden, indem ein Ge-dotiertes Fasergitter an beiden Enden der Er-dotierten Faser verschmolzen wird, um einen resonanten Hohlraum zu bilden.

DBR- und DFB-Fasergitterlaser sind mit mehreren Problemen konfrontiert, wie z. B. einer geringen Pumpabsorptionseffizienz aufgrund kurzer Resonanzräume, breiteren Spektrallinien als bei Ringlasern und Modensprüngen.

Es werden ständig Anstrengungen unternommen, um diese Probleme zu lösen. Zu den vorgeschlagenen Verbesserungen gehören die Verwendung von Er:Yb-codotierten Fasern als Verstärkungsmedium, die Anwendung einer Intrakavitäts-Pumpmethode und die Integration von Oszillator und Leistungsverstärker.

3.3 Ultrakurzpuls-Faserlaser

Ultrakurzpulslaser sind derzeit ein heißes Forschungsthema im Bereich der Faserlaser, wobei hauptsächlich passive Modenkopplungstechniken eingesetzt werden.

Ähnlich wie Festkörperlaser erzeugen Faserlaser Kurzpulslaser nach dem Prinzip der Modenverriegelung. Wenn ein Faserlaser mit einer großen Anzahl von longitudinalen Moden innerhalb der Verstärkungsbandbreite arbeitet, wird die Modenkopplung erreicht, wenn jede longitudinale Mode phasensynchron ist und die Phasendifferenz zwischen zwei benachbarten longitudinalen Moden konstant ist.

Der Einzelpuls, der im Resonanzraum zirkuliert, gibt seine Energie über den Auskoppler ab. Faserlaser werden in aktive modengekoppelte Faserlaser und passive modengekoppelte Faserlaser unterteilt.

Die aktive Modulationsfähigkeit begrenzt die Pulsbreite des modengekoppelten Pulses, die im Allgemeinen in der Größenordnung von Pikosekunden liegt. Passive modengekoppelte Faserlaser nutzen die nichtlinearen optischen Effekte der Faser oder anderer optischer Komponenten, um die Modenkopplung zu erreichen.

Die Laserstruktur ist einfach und kann unter bestimmten Bedingungen ohne Modulationskomponenten selbststartende Modenkopplung erreichen. Mit passiv modengekoppelten Faserlasern können ultrakurze Pulse in der Größenordnung von Femtosekunden erzeugt werden.

Ultrakurzpulslaser wurden in ultraschnellen Lichtquellen eingesetzt, was zu einer Vielzahl von zeitaufgelösten Spektroskopie- und Pumpverfahren führte. Die Ultrakurzpuls-Erzeugungstechnologie ist der Schlüssel zum Erreichen von optischem Zeitmultiplexing (OTDM) mit ultrahoher Geschwindigkeit. Ultrakurzpuls-Faserlaser sind in verschiedenen Bereichen wie Materialien, Biologie, Medizin, Chemie und Militär weit verbreitet.

4. Zukunftsperspektiven

Laser sind das Herzstück der Lasertechnologie, und die künftige Entwicklungsrichtung der Faserlaser wird darin bestehen, die Leistung der Faserlaser weiter zu verbessern, z. B. durch eine weitere Erhöhung der Ausgangsleistung und eine Verbesserung der Strahlqualität, die Ausweitung neuer Laserwellenlängen, die Erweiterung des abstimmbaren Bereichs der Laser, die Verengung des Laserspektrums, die Entwicklung ultrakurzer Pulse (ps- und fs-Niveau) von Lasern mit hoher Helligkeit und die Durchführung von Forschungsarbeiten zur allgemeinen Miniaturisierung, Praktikabilität und Intelligenz.

In den letzten Jahren hat sich die Entwicklung hauptsächlich auf drei Aspekte konzentriert:

(1) Verbesserung der Leistung von Faser-Bragg-Gittern, so dass sie gut in Faserlasern eingesetzt werden können;

(2) Faserlaser mit engeren Puls- und Spektrallinienbreiten, höherer Ausgangsleistung, größerem Abstimmbereich usw;

(3) Faserlaser praktischer zu machen.

Industrielle Anwendungen: Die bemerkenswerteste Anwendung der Faser Laser in der Industrie ist die Materialbearbeitung. Dank seiner ständig steigenden Leistung werden Faserlaser inzwischen in großem Umfang für das industrielle Schneiden eingesetzt.

Faserlaser sind ideal für das Schneiden, Bearbeiten und die Handhabung von metallischen und nicht-metallische Materialien. Sie können für die Kalibrierung von Laserprodukten, Präzisionsschneiden und Lasergravur verwendet werden, LaserschweißenPräzisionsbohren, Lasererkennung, Mikrobiegen, Lasermessung und andere technische Aspekte.

Anwendungen in der Telekommunikation: Um den aktuellen Anforderungen an eine hochleistungsfähige Kommunikation gerecht zu werden, hat sich der Einsatz von Faserlasern zu einer neuen Technologie in der Kommunikation entwickelt.

Die Kommunikationstechnologie der Zukunft wird schrittweise von der elektrischen zur optischen Kommunikation übergehen. Faserlaser können nicht nur kontinuierliche Laserleistung erzeugen, sondern auch ultrakurze Laserpulse von Pikosekunden (ps) oder sogar Femtosekunden (fs).

Faserlaser haben große Fortschritte bei der Verringerung der Schwellenwerte, der Erweiterung des Wellenlängenbereichs und der Abstimmbarkeit der Wellenlänge gemacht. Die Soliton-Kommunikation, eine praktische Technologie, kann eine Übertragungsdistanz von Millionen von Kilometern, eine Übertragungsrate von 20 Gb/s und eine Bitfehlerrate von weniger als 10-13 erreichen und damit eine schnelle und hochwertige Signalübertragung ermöglichen.

Militärische Anwendungen: Da die Leistung von Faserlasern ständig zunimmt, wird ihr Einsatz im militärischen Bereich immer weiter verbreitet.

Um den Zweck von gerichteten Energiewaffen zu erreichen, werden mehrere Faserlaser zu einer kohärenten Array-Struktur kombiniert, wodurch die Leistung von Faserlasern erhöht werden kann.

Am Air Force Research Laboratory in den Vereinigten Staaten wird derzeit an 100-kW-Faserlasern geforscht, um militärische Anwendungsziele zu erreichen.