Faserlaser - Friedrich-Schiller-Universität Jena
Faserlaser - Friedrich-Schiller-Universität Jena
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<strong>Faserlaser</strong><br />
<strong>Faserlaser</strong><br />
Erbium Thulium<br />
- Aufbau des <strong>Faserlaser</strong>s<br />
© IAP, <strong>Friedrich</strong>-<strong>Schiller</strong>-<strong>Universität</strong> <strong>Jena</strong><br />
- Aufbau und Entwicklung verschiedener Faserarten<br />
- Leistungssteigerung und Grenzen
<strong>Faserlaser</strong><br />
Scheibenlaser<br />
[3]<br />
Stablaser<br />
[3]
<strong>Faserlaser</strong><br />
Stablaser<br />
[3] [3]<br />
Scheibenlaser <strong>Faserlaser</strong><br />
[3]
<strong>Faserlaser</strong> - Aufbau<br />
Faser – optischer Wellenleiter für Pump- und Laserlicht<br />
Strahleigenschaften und -qualität von Faser bestimmt,<br />
unabhängig von äußeren Einflüssen<br />
großes Oberfläche-Volumen-Verhältnis ⇒ gute Wärmeabfuhr
Aufbau der Faser<br />
Kern aktives Medium und Wellenleiter für Pumplicht<br />
→ Dotierung mit Seltenerden (1000 .. 1500ppm)<br />
Er 3400nm<br />
Nd 1340nm<br />
Yb 975nm<br />
Tm 800nm<br />
Pr 635nm<br />
Er 546nm<br />
Tm 455nm
Eigenschaften der Faser<br />
spektrale Verbreiterung der Absorption- und Emissionsbanden<br />
für Pumplichtquelle: - geringere Frequenzstabilität<br />
nur Ausbreitung transversaler Grundmode<br />
V<br />
V<br />
rco<br />
= 2π<br />
n<br />
λ<br />
⎧<<br />
2,<br />
405<br />
= ⎨<br />
⎩><br />
2,<br />
405<br />
2<br />
co<br />
- größere Bandbreite<br />
- keine Temperaturstabilisierung<br />
2 rco<br />
− nc<br />
= 2π<br />
NA<br />
λ<br />
single - mode Faser<br />
multi - mode Faser<br />
hohe Strahlqualität für single-mode Fasern
Eigenschaften der Faser<br />
kleiner Kern für single-mode Eigenschaft<br />
Einkopplung nur für Pumplichtquellen mit<br />
hoher Strahlqualität möglich<br />
↑↓<br />
geringe Leistung<br />
Konzept der Doppelkernfaser
Doppelkernfaser<br />
getrennte Kerne für Pump- und Laserlicht<br />
→ größerer Pumplichtkern<br />
(Hochleistungslaserdioden anwendbar)
Doppelkernfaser<br />
Problem: geringe Absorption des Pumplichts
Doppelkernfaser<br />
Symmetriebruch Faserkrümmung<br />
verschiedene Kernformen<br />
→ chaotische Ausbreitung<br />
D-Form<br />
Rechteckform<br />
dezentrierter<br />
Laserkern<br />
Nieren-Form<br />
[3] [2]
Doppelkernfaser<br />
Symmetriebruch Faserkrümmung<br />
verschiedene Kernformen<br />
→ chaotische Ausbreitung<br />
Nieren-Form<br />
[1] [1]<br />
kostenintensiv längere Fasern
Leistungsbegrenzung<br />
Grenze der Leistungsskalierung bei ca. 100W (cw)<br />
durch nichtlineare Effekte: stimulierte Brillouin-Streuung (SBS)<br />
n =<br />
n1<br />
+ n2(<br />
I)<br />
stimulierte Raman-Streuung (SRS)<br />
Zerstörung der Faserendflächen<br />
Selbstfokussierung<br />
Selbstphasenmodulation (SPM)<br />
neue Konzepte: Large-Mode-Area Fasern<br />
Photonic Crystal Fibers
LMA-Fasern<br />
Large-Mode-Area Fasern (LMA)<br />
Vermeidung nichtlinearer Effekte durch geringere Leistungsdichte<br />
→ größerer Kerndurchmesser<br />
↓↑<br />
Verschlechterung der Strahlqualität durch Mitführung höherer Moden<br />
Wiederherstellung der single-mode Eigenschaft<br />
durch stärkere Krümmungsverluste höherer Moden
PCF<br />
Photonic Crystal Fibers (PCF)<br />
mikrostrukturierte Fasern mit Luftlöchern im Mantel<br />
Λ 2 2<br />
V = 2π<br />
nco<br />
− nc<br />
λ<br />
⎧<<br />
π single - mode Faser<br />
V = ⎨<br />
⎩ > π multi - mode Faser<br />
großer Kerndurchmesser<br />
und single-mode Eigenschaft<br />
[3]
Air-Clad Fasern<br />
Air-Clad-Struktur<br />
größere Luftlöcher für äußeren Mantel<br />
Doppelkernprinzip realisierbar<br />
[4]
Leistungssteigerung<br />
experimenteller Betrieb von <strong>Faserlaser</strong>n bis 2000W möglich<br />
(cw-Betrieb)<br />
[2]
Zusammenfassung<br />
- hohe Strahlqualität<br />
Vorteile Nachteile<br />
- hohe Leistung ohne thermo-<br />
optische Probleme<br />
- hohe optische Effizienz (bis 80%)<br />
- kompakter Aufbau, wenig<br />
mechanische Komponenten<br />
- Leistungsbegrenzung durch<br />
nichtlineare Effekte (SBS, SRS,<br />
SPM, Selbstfokussierung)<br />
- Zerstörung der Faser bei hohen<br />
Leistungen<br />
(aktive Kühlung notwendig)<br />
- große Bandbreite - große cavity-Längen<br />
- Möglichkeit für up-conversion-<br />
Laser<br />
- chromatische Dispersion
Anwendung<br />
Ultrakurzpulslasersysteme<br />
zur Mikromaterialbearbeitung<br />
- Modifizierung optischer Eigenschaften<br />
dielektrischer Medien → Wellenleiter<br />
- Bohren ohne thermische Effekte<br />
[6]
Literatur<br />
Literatur<br />
H. Zellmer, S. Nolte, A. Tünnermann. <strong>Faserlaser</strong>.<br />
Physik Journal 4, Nr. 6, 29-34 (2005)<br />
J. Limpert, T. Schreiber, A. Tünnermann. Fiber based high power laser systems.<br />
URL=. 03.12.2005.<br />
A. Tünnermann, T. Schreiber, F. Röser, A. Liem, S. Höfer, H. Zellmer, S. Nolte,<br />
W. Limpert. The renaissance and bright future of fibre lasers.<br />
Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. 38, 681-693 (2005)
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