optolines No. 9

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CHeCKUP Neuentwicklung aus dem Institut für Laser Physik der Uni Hamburg Umschaltbare Faserlaser um 10 mW von Ortwin Hellmig, Jörg Schwenke, Dr. Valery Baev und Professor Dr. Klaus Sengstock Ein wenig Luft bringt Farbe ins Spiel: Mit technischen Tricks lassen sich mit dotierten Fluoridfasern Laser realisieren, die verschiedene Farben gleichzeitig emittieren können. Spiegel mit veränderlichen Reflexionsverläufen ermöglichen dabei effiziente und kompakte Rot-Grün-Blau-Laser. Am Institut für Laser-Physik der Universität Hamburg werden unter anderem Vielmodenfaserlaser entwickelt. In diesem Artikel stellen wir aktuelle Ent- wicklungen unserer Arbeiten zu „umschaltbaren Faserlasern“ im Leistungsbereich um 10 mW vor. Innerhalb der internationalen Entwicklung der Lasertechnologie nimmt die Sparte der Faserlaser neben den Festkörper- und Halbleiterlasern inzwischen eine feste Position am Markt ein. Es gibt vielfältige Einsatzmöglichkeiten für Faserlaser in Forschung und Technik, häufig ersetzen sie aufwändige vorhergehende Lasersysteme und finden intensiven Einsatz auch in der Grundlagenforschung. Bei Faserlasern wird das Licht durch Totalreflexion im Kernbereich einer optischen Glasfaser geführt. Der Faserkern wird dotiert, sodass er als aktives Lasermedium dient. Die Lichtführung im Kern ist für das Pump- und das Laserlicht gleich, und es entsteht ein großer Überlapp der Moden im Lasermedium (Abb.1). Die dadurch hohe Pumplichtintensität über lange Strecken gewährleistet, dass angeregte Ionen zu einem großen Anteil am aktiven Laserbetrieb teilnehmen und die Faser eine hervorragende Verstärkung des Laserlichts bietet: Dadurch können auch schwache und schwächste Laserübergänge angeregt Abb. 1: Prinzip eines Faserlasers. werden. Dotierte Fasern dienen jedoch nicht nur als aktives Medium für Laser. Geeignete Dotierungen machen Glasfasern zu interessanten Optischen Verstärkern in der Telekommunikation, da sich auf diese Weise die Dämpfung herkömmlicher Glasfasern zum Teil kompensieren lässt. In diesem Bereich werden dotierte Fasern bereits seit vielen Jahren kommerziell eingesetzt. Fluoreszenzmarker anregen Die genannten Vorteile gelten natürlich auch im sichtbaren Spektralbereich, in dem insbesondere Dotierungen mit Lanthanoid- Ionen eine Auswahl sichtbarer Fluoreszenzen anbieten: Es handelt sich dabei um Fasern auf der Basis von Zirkoniumfluorid (ZBLAN), die mit Praseodym und Ytterbium dotiert sind. Bei entsprechenden Dotierungsverhältnissen sind bis zu 8 verschiedene Laserübergänge im sichtbaren Spektralbereich und im nahen infrarot nutzbar. > Kontakt sengstock@physnet.uni-hamburg.de Diese Lasersysteme zeichnen sich zudem durch einen äußerst kompakten Aufbau aus und können in Analysesystemen in der Mikrobiologie, z.B. bei der Fluoreszenz- Mikroskopie, genutzt werden. Bei dieser Methode werden speziell gefertigte Farbstoffe als Fluoreszenzmarker verwendet, um z.B. dynamische Prozesse in Gewebe oder Zellen bis hinunter zu molekularen Skalen in situ sichtbar zu machen. Dafür werden dann geeignete Laserlichtquellen z.B. im sichtbaren Spektralbereich benötigt, die spezifisch die jeweiligen Fluoreszenzmarker anregen können. Speziell für diese Anwendungen eignen sich die von uns untersuchten Faserlaser gut, da sie verschiedene Übergänge etwa bei 492 nm, 520 nm, 635 nm und 717 nm bieten, die exakt geeignet sind, bekannte, viel genutzte Fluoreszenzmarker anzuregen. Besonders interessant ist dabei der Laserübergang bei 492 nm, um herkömmliche Argon-Gaslaser abzulösen, die im Vergleich ineffizient und sperrig sind. Ebenfalls existiert ein Übergang bei 635 nm, der z.B. Helium-Neon-Laser (633 nm) ersetzen kann. Es gibt zudem die Option, mehrere Laserübergänge gleichzeitig anzuregen: Somit können mehrere Fluoreszenzmarker gleichzeitig mit einer einzigen Lichtquelle beleuchtet werden. Insbesondere die Laserübergänge bei 492 nm, 520 nm und 635 nm lassen sich außerdem zu einem RGB-Laser integrieren. � 12 optolines No. 9 | 1. Quartal 2006
CHeCKUP Abb. 2: Farbumschaltung mittels luftspalt (d). Abb. 3: der Versuchslaser emittiert gleichzeitig rot (635 nm), grün (520 nm) und blau (492 nm), getrennt nach Prisma. Zwischen Farben frei wählen Mit Hilfe eines von uns neu entwickelten Konzepts lässt sich nun auch zwischen diesen Farben frei wählen und umschalten, und man kann nahezu beliebige Mischzustände mit einer einzigen Faser realisieren. Dafür ist es notwendig, während des Betriebes dynamisch die Resonatorbedingungen zu verändern, in unserem Verfahren durch Beeinflussung der Resonatorspiegel. Wir setzen dafür dichroitische Spiegel ein, bei denen eine Vielzahl von dünnen Schichten unterschiedlicher Brechzahlen auf einem Substrat aufgebracht wird (Abb.2). An den Grenzübergängen der verschiedenen Schichtmaterialien wird Licht teilweise reflektiert. Die entstehenden vielen Teilstrahlen können – je nach Schichtsystem – konstruktiv oder destruktiv interferieren, so dass der Spiegel mehr oder weniger Licht reflektiert. Da sich die Interferenzbedingungen für verschiedene Lichtwellenlängen stark voneinander unterscheiden, wird ein solcher Spiegel auch ein Reflektionsverhalten haben, das stark von der Wellenlänge des einfallenden Lichts abhängig ist. Das Verblüffende an einem solchen Schichtsystem ist nun, dass, selbst bei Änderung von nur einer einzelnen Schicht, sich die optischen Eigenschaften bezüglich Reflexion mehrerer Wellenlängen sehr stark ändern lassen. Der Resonator „speichert“ das umlaufende Laserlicht für verschiedene Wellenlängen somit völlig unterschiedlich, und der Laser wird nur auf den Wellenlängen laufen, die besonders gut an den Spiegeln reflektiert werden. Die Veränderung einer einzelnen Schicht an einem der Spiegel genügt somit, um den Resonator auf eine bestimmte Wellenlänge abzustimmen und die Emissionswellenlänge des Lasers zu wechseln. Reflexionsänderungen mehr als 50 % Im Versuchsaufbau wird eine veränderliche Spiegelschicht – erstaunlich einfach – durch das Einfügen eines Luftspalts erreicht. Luft als Medium hat eine Brechzahl von n = 1, und verändert somit als variabler Abstand zwischen Faserendfläche und dem speziell berechneten dielektrischen Spiegel die Gesamtreflexion. Bei dieser Konfiguration lassen sich mit geeigneten Schichtsystemen Änderungen in der Reflexion von mehr als 50% erreichen! Solche speziell berechneten Spiegel können auf beiden Seiten der aktiven Glasfaser angebracht werden und erlauben dementsprechend eine dynamische Steuerung von mehreren Farbkomponenten gleichzeitig. Bei geeigneten Abständen der Spiegel zu den Faserendflächen kann man neben einfarbigem auch mehrfarbigen Laserbetrieb beobachten. Abbildung 3 zeigt Laseremission bei drei verschiedenen Wellenlängen (492 nm, 520 nm, 635 nm). Man erhält auf diese Weise eine Laserlichtquelle, die auf einer Strahlachse Laserlicht verschiedener Wellenlängen zur Verfügung � Abb. 4: Gleichzeitige emission bei 635, 520 und 492 nm überlagert sich zu „weißem laserlicht“. No. 9 | 1. Quartal 2006 optolines 1
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