Tutorial: Grundlagen zum Faserlaser

Faserlaser: Dieses Tutorial bietet einen Überblick über die technischen Ansätze, die am häufigsten zur Herstellung eines Faserlasers verwendet werden. Es erläutert die Komponentenauswahl und verschiedene Architekturen, die im Allgemeinen für die Entwicklung von CW- oder gepulsten Faserlasern verwendet werden.

PDF-Version: Faserlaser

Prinzipien des Faserlasers:

Ein Faserlaser ist ein Laser, bei dem das verstärkende Medium eine optische Faser ist. Es ist ein aktives Modul (wie eine aktive elektronische Komponente in der Elektronik), das mit Strom versorgt werden muss und das die Eigenschaften der optischen Verstärkung von Seltenerdionen nutzt.

Das Pumpmedium ist im Allgemeinen eine fasergekoppelte Laserdiode. Es können zwei Arten von Architekturen verwendet werden (Abbildung 1 und 2):

Laserkavitätskonfigurationen bei denen das Licht in beide Richtungen durch das Faserverstärkungsmedium geht.
MOPA – Konfigurationen: (Master Oscillator Power Amplifier), bei denen ein oszillierendes Medium ein kleines „Seeder“-Signal erzeugt, das durch das faserverstärkende Medium verstärkt wird.

Schlüsselkomponenten von Faserlasern:

In diesem Abschnitt werden die verschiedenen in Abbildung 1 und Abbildung 2 gezeigten Elemente erläutert. Es enthält einige Beispiele für alternative Lieferanten Kategorien und Auswahlmöglichkeiten.

Faserverstärkte Medien

Wie jeder Laser arbeitet auch ein Faserlaser nach dem Prinzip der stimulierten Emission. Die meisten Faserlaser bestehen aus einer Verkettung von fasergekoppelten Komponenten.

Die den verschiedenen Komponenten zugeordneten Fasern werden als „passive Fasern“ bezeichnet. Passive Fasern haben keine Verstärkungseigenschaften. Die Fasern im Herzen des Verstärkermediums werden „aktive Fasern“ genannt. Aktive Fasern sind mit Seltenerdelementen (wie Erbium, Ytterbium oder Thulium) dotiert, die die stimulierte Emission durchführen, indem sie die Pumpleistung der Laserdiode in die Laserleistung umwandeln.

Die für Ytterbium (Yb³⁺ ) oder Erbium (Er³⁺ ) erforderliche Pumpwellenlänge beträgt typischerweise 915 oder 976 nm, während die Emissionswellenlänge von Er³⁺ bei etwa 1.5 µm und Yb³⁺ zwischen 1030–1100 nm liegt.

Üblicherweise werden zwei Arten von aktiven Fasern verwendet:

Einfach ummantelte/Singlemode-Fasern, wenn die gewünschte Laserdioden-Pumpleistung mit fasergekoppelten Singlemode-Laserdioden kompatibel ist (typischerweise< 1W)
Doppelt ummantelte Fasern, wenn die Pumpleistung der Laserdiode typischerweise höher als 1 W ist

Zu den vier namhaften Herstellern von aktive Fasern gehören:

iX-Blue: Französischer Anbieter
Nufern: Lieferant aus den USA (CT).
Coractive: Kanadischer Anbieter
NKT: Lieferant aus Dänemark [for very special PCFs – Photonics Crystal Fibers]

Pumplaserdioden

Pumplaserdioden, die für Faserlaser verwendet werden, sind fasergekoppelte Bauelemente, die im Allgemeinen auf der AlGaAs III-V-Halbleitertechnologie basieren und im Bereich von 800–1000 nm emittieren (meistens 915 oder 976 nm – siehe Absorptionsspektrum, Abbildung 3).

Sie können in zwei große Familien unterteilt werden:

1- Fasergekoppelte Singlemode-Laserdioden, bei denen das von einer kleinen kantenemittierenden Laserdiode kommende Licht in einen ~6-µm-Faserkern fokussiert wird. Diese Art von Laserdiode wird im Allgemeinen in einem Butterfly-Gehäuse mit einem in das Gehäuse integrierten TEC-Kühler montiert (der Trend geht heute zu kleineren Formfaktoren). Diese fasergekoppelten Laserdioden können im Allgemeinen zwischen 300 mW und 1.5 W Ausgangsleistung erreichen. Sie werden verwendet, um einfach ummantelte aktive Fasern zu pumpen (siehe Abbildung 4).

Die Hauptlieferanten für 915/976 nm Einzelmodemode-Pumplaserdioden sind Unternehmen, die ihr Geschäft Ende der neunziger Jahre für Faserverstärker entwickelt haben, die auf dem Telekommunikationsmarkt verwendet werden (EDFAs: Erbium Doped Fiber Amplifiers). Sie bieten aufgrund ihrer hohen Produktionsmengen sowohl ein hohes Maß an Zuverlässigkeit als auch moderate Kosten.

Fasergekoppelte multimode Laserdioden, die in Faserlasern verwendet werden, basieren im Allgemeinen auf breitflächigen, seitlich emittierenden Laserdiodenchips. Auch diese lassen sich in zwei Kategorien einteilen:

Einzelemitter-Laserdioden, bei denen ein einzelner Laserdiodenchip mit bis zu 20 W in eine typischerweise 105 (Kern)/125 µm (Mantel)-Laserdiode gekoppelt wird.
Multiemitter– Laserdioden, die auf mehreren Laserdiodenchips basieren, die in eine ähnliche Faser eingekoppelt sind, und Leistungsstufen bieten, die bis zu mehreren hundert Watt skalierbar sind.

Beachten Sie, dass, wie in Abbildung 3 zu sehen, das Absorptionsspektrum eines Seltenerdionen wie Yb³⁺ bei 976 nm schmal ist und ein stabilisiertes Laserdioden-Absorptionsspektrum erfordert. Diese Wellenlängenstabilität erfordert, dass die Laserdiodentemperatur gesteuert wird, und oft muss die Laserdiode ein zusätzliches wellenlängenstabilisierendes Element enthalten. Dieses Element ist im Allgemeinen ein FBG (Faser-Bragg-Gitter) für Einzelmode-Laserdioden (ein spezialisiertes Faserstück, das sich etwa 1 Meter von der Laserdiode entfernt befindet) oder ein VBG (Volumen-Bragg-Gitter) für Mehrmoden-Laserdioden. Das VBG ist im Wesentlichen ein spezielles Stück Glas, das in das Laserdiodengehäuse integriert ist.

Der Preis dieser Dioden liegt typischerweise im Bereich von 1500 $ für Einzelmodemode-Laserdioden, 500 $ für Multimode-Einzelemitter und 2000 $ für Multiemitter-Laserdioden.

Das Betreiben einer Laserdiode und das Berücksichtigen aller Einschränkungen und Anforderungen, die für einen Faserlaser spezifisch sind, ist eine schwierige Aufgabe, die spezialisierte Produkte erfordert. Hier sind zwei Laserdiodentreiber, die speziell für die Ansteuerung von Faserlaserdioden entwickelt wurden und sowohl mit der F&E als auch mit der vollständigen Integration von Faserlaserprodukten kompatibel sind:

Das zentrale Board von AeroDIODE (Link: Faserlaserdiodentreiber), das als Steuerzentrum für fast alle Arten von Faserlaserarchitekturen fungiert. Diese Treiberplatine enthält 2 Einzelmode-Laserdiodentreiber und TEC-Controller, die sowohl im CW- als auch im gepulsten Regime arbeiten, sowie 6 Fotodioden-Messkreise für die Leistungsüberwachung von Faserlasern.
Der CCM (Cool and Control Multimode) von AeroDIODE (Link : Hochleistungs-Laserdiodentreiber) ist vollständig für den Betrieb einer oder mehrerer Multimode-Pumplaserdioden (entweder Einzelelement- oder Mehrelementgeräte) optimiert, einschließlich des Hochleistungs-TEC-Controllers und des Luftkühlungsaufbaus.

Optische Seeder

Faserlaser mit MOPA-Architekturen haben einen Seeder-Abschnitt, der die anfänglichen optischen Eigenschaften bestimmt, die durch die verschiedenen Verstärkungsstufen verstärkt werden sollen (Abbildung 2).

Im Bereich des optischen Seeders treten die Hauptunterschiede in Faserlaserarchitekturen auf. Es gibt viele Seeder-Architekturen. Dazu gehören eine im CW- oder gepulsten Modus betriebene Laserdiode, eine Laserdiode, die ein externes Hochgeschwindigkeits-Modulationsgerät speist (siehe unser Tutorial: Faseroptischer Modulator), ein spezieller Güteschalter-Hohlraum, ein modengekoppelter Hohlraum, ein quarzbasierter Oszillator wie ein Mikrochip und viele andere Ansätze. Diese verschiedenen Seeder-abhängigen Architekturen werden weiter in Paragraf III (Seite 9) beschrieben. In diesem Abschnitt wird nur der direkte Laserdiodenteil beschrieben.

Wie in Abbildung 3 beschrieben, ist nur die mit dem Verstärkungsmedium des Verstärkers kompatible Wellenlänge als Laserdioden-Seeder relevant. Die folgende Tabelle gibt die verschiedenen Wellenlängenbereiche an, die durch die typischerweise in das aktive Fasermedium eingebetteten Dotierstoffe verstärkt werden:

Tabelle 1: Der Verstärkungsbereich des Faserlasers hängt vom Seltenerd-Dotierstoff der aktiven Faser ab

Dotierstoff	Wellenlängenbereich der Laserverstärkung
Yb³⁺	1030-1100 nm
Er³⁺	1530-1620 nm
Tm³⁺	1800-1900 nm
Nd³⁺	1050-1090 nm

Es folgt eine Zusammenfassung verschiedener gebräuchlicher Arten von Laserdioden-Seedern (weitere Informationen finden Sie in unserem ausführlichen Tutorial zu fasergekoppelten Laserdioden):

Ein „normaler“ Laserdioden-Seeder ist ein gewöhnlicher teilreflektierender Halbleiterhohlraum, der in ein 14 Pin Butterfly-Gehäuse integriert ist. Das Wellenlängen-Emissionsspektrum ist stark von einem zusätzlichen Bragg-Gitter abhängig. Die Emissionsbandbreite beträgt typischerweise 3-5 nm ohne Bragg-Gitter, während sie viel schmaler ist (~< 0,1 nm) mit einem Bragg-Gitter. Der Temperaturabstimmungskoeffizient des Wellenlängenspektrums beträgt typischerweise 0,35 nm/°C ohne Bragg, während er mit einem Bragg-Gitter viel geringer ist.

Bei DFB- oder DBR-Laserdioden-Seeder-Geräten ist der Bragg-Gitter-Wellenlängenstabilisierungsabschnitt direkt in den Laserdioden-Chip-Abschnitt des Seeder-Geräts integriert. Dies stellt eine schmalere Emissionswellenlänge von typischerweise 2 MHz für einen DFB (dh ~10^–5 nm) und eine sofortige Verriegelung der Wellenlänge bereit.

Wenn sie im Pulsbereich verwendet werden, können diese Laserdioden bis zu sehr hohen Verstärkungspegeln verstärkt werden.

Dioden-/Faserkombinierer

Das Einkoppeln des Lichts einer fasergekoppelten Laserdiode in eine aktive Faser ist ein komplizierter Prozess. Dies gilt insbesondere für MOPA-Konfigurationen (Abbildung 2), bei denen sowohl die Seeder-Eingangsquelle als auch das Pumplicht eingespeist werden müssen.

Die bei diesem Kopplungsprozess verwendeten Komponenten sind für eine fasergekoppelte Einmoden-Laserdiode anders als für eine fasergekoppelte multimode Laserdiode.

Für das Einzelmode-Laserdiodenpumpen werden im Allgemeinen zwei Arten von Komponenten verwendet:

TAP-Koppler/WDM’s: Diese basieren auf dem Prinzip, zwei Fasern miteinander zu verschmelzen und zu drehen, so dass die Moden beider Fasern bis zum Erreichen der angestrebten Leistung gekoppelt werden können. Eine große Einschränkung ergibt sich hier aus der minimalen Wellenlängentrennung, die erforderlich ist, um eine gute Kopplungsleistung von zwei verschiedenen Wellenlängen zu erreichen. Im Allgemeinen sind mehrere hundert Nanometer Unterschied erforderlich.

Dünnschicht-WDMs (Wavelength Division Multiplexers): Dies sind die einzusetzenden Lösungen, wenn Tap-Koppler nicht funktionieren. Diese Komponenten basieren auf der Technologie von dichroitischen Dünnschichtfiltern. Das Licht befindet sich nicht wirklich in der Faser, wenn es sich innerhalb des Bauteils befindet, aber wir betrachten es als ein faseriges Bauteil.

Das Licht einer oder mehrerer fasergekoppelter multimode Laserdioden mit einem Singlemode-Seeder zu kombinieren, ist eine sehr schwierige Aufgabe. Noch schwieriger wird es bei der Verwendung von Spezialfasern wie PCFs (Photonics Crystal Fibers). Viele Technologien nutzen das Prinzip, mehrere Fasern in einem speziellen Glasröhrchen miteinander zu verschmelzen.

Viele asiatische Anbieter bieten solche Komponenten an. Nachfolgend sind vier renommierte Anbieter aufgeführt. Die beiden ersten Anbieter sind eher auf Einzelmode-Komponenten spezialisiert, während die beiden letzten eher für ihre multimode Kombinerer bekannt sind:

DK Photonik (China)
ITF-Technologien (Kanada)
Lightcom (China)
Alphanov (Frankreich) auch einige Spezialkomponenten im Zusammenhang mit komplexen Hochleistungs-PCF-Fasern.

Reflektierende Medien / Filtermedien

Reflektierende Medien – Spiegel mit Bragg-Gitter

Eine Schlüsselkomponente, die in Faserlasern weit verbreitet ist, ist ein Bragg-Gitter, das eine periodische oder aperiodische Störung des Brechungsindex im Kern einer optischen Faser ist. Diese werden im Allgemeinen durch Bestrahlen einer Germanosilikatfaser mit UV-Licht hergestellt.

Das Bragg-Gitter ermöglicht jede Art von Reflexions-/Transmissionsspektrum, abhängig von der Art und Weise, wie die Faser-UV-Beleuchtung hergestellt wird.

Für Laserresonatoren, wie in Abbildung. 1 beschrieben, wird ein Bragg-Gitter verwendet, um einen vollständig oder teilweise reflektierenden Spiegel bereitzustellen, um einen Laserresonator aufzubauen.

Filtermedien – Bragg-Gitter-Filter

Faserlaser (insbesondere MOPA-Konfigurationen) sind mit einem unerwünschten Effekt konfrontiert, der als ASE (Amplified Spontaneous Emission) bezeichnet wird. Dies ist ein bidirektionaler Verstärkungseffekt, der von einem niedrigen Lichtniveau ausgeht und mit der Verstärkung des Seeder-Lichts negativ konkurriert. Eine ASE hat ein Spektrum, das mit dem Verstärkungsspektrum des Seltenerd-Dotierstoffs korreliert ist. Sie ist somit sehr breit und die Intensität nimmt nichtlinear entlang der Faserlänge zu.

Da das Seeder-Spektrum im Allgemeinen viel schmaler ist als das ASE-Spektrum, ist es wichtig, einige Filtervorrichtungen entlang der Faserlaserlänge hinzuzufügen, damit die Verluste entlang des ASE-Spektrums höher sind als die Verstärkung bei diesen Wellenlängen, aber dennoch das Seeder-Licht zulassen durchgehen.

Schaltmedium

In der Vergangenheit wurden die beiden alternativen Konfigurationen von Abbildung 1 (Hohlraum) und Abbildung 2 (MOPA) jeweils mit CW-Faserlasern und gepulsten Faserlasern in Verbindung gebracht. Dies ist nicht mehr der Fall, da viele Hochleistungs-CW-Architekturen das Prinzip der MOPA-Verstärkung verwenden und einige gepulste Konfigurationen in einem einzigartigen Hohlraum ohne nachträglichen Verstärker hergestellt werden.

Die Herstellung eines gepulsten Faserlasers in einer Resonatorkonfiguration erfordert ein zeitkorreliertes Verlustmedium, das entweder ein sättigbarer Absorber (wie die in Paragraf III beschriebenen Güteschalter- oder modengekoppelten Architekturprinzipien) oder ein Schaltmedium zur aktiven Verlustsynchronisation ist.

Schaltmedien können entweder ein AOM (Acousto-Optic Modulator), ein EOM (Electro-Optic Modulator) oder ein SOA (Semiconductor Optical Modulator) sein, die in einem gepulsten Regime betrieben werden. Diese 3 Hochgeschwindigkeits-Fasermodulationstechnologien werden in einem anderen Tutorial verglichen„ Faseroptik-Modulator “.

Andere Komponenten

Faserlaser enthalten im Allgemeinen auch einige Überwachungskomponenten, um ihre Leistung in jeder Phase permanent zu überprüfen. Faserfotodioden sind solche Komponenten. Oft ist es notwendig zu verstehen, wie sich eine Fotodiode mit der Zeit (Geschwindigkeit) und anderen Parametern wie Temperatur usw. verhält. Ein gut detailliertes Referenzdatenblatt ist nützlich, da viele technische Parameter von Fotodioden ähnlich sind. Ein gut detailliertes 10-seitiges Referenzdatenblatt für InGaAs-Fotodioden ist die EPM 6xx-Serie von Lumentum.

Typischerweise benötigt ein gepulster MOPA-Hochleistungs-Faserlaser mindestens 5 Fotodioden, die an der Faserlaserüberwachung beteiligt sind, sowie verschiedene Sicherheits- und interne Verriegelungen:

1 Fotodiode zur Steuerung der mittleren Leistung von Seeder
1 schnelle Fotodiode, um die Impulse des Seeders zu „überwachen“ und einige schnelle Sicherheiten zu starten, wenn ein Impuls fehlt.
1 Fotodiode in jeder Stufe, die die mittlere Leistung steuert, und insbesondere auf beiden Seiten einer Impulsaufnahmeeinheit, wenn sie Teil des Lasers ist
1 „BRM“ (Back-Reflection Monitor) zur Steuerung der Leistung, die zum Faserlaser zurückfließt
Fotodioden mit 1 oder 2 Ausgängen (mit oder ohne Faser, wenn der Leistungspegel keine Geräte mit Faser zulässt).

Alle diese Fotodioden unterliegen einem speziellen Start- und Abschaltvorgang, um eine Beschädigung des Faserlasers zu vermeiden.

Der größte zerstörerische Effekt, der innerhalb einer ein- oder mehrstufigen MOPA-Konfiguration gut kontrolliert werden muss, ergibt sich aus einer möglichen Situation, in der die Pumplaserdiode noch eingeschaltet ist, während der Seeder keine Emission hat. Dadurch entstehen sofort riesige Pulse, die im Faserlaser eine dauerhafte Schädigung hervorrufen.

Die zentrale Platine von AeroDIODE verfügt über ca. 50 spezielle Elektronikfunktionen, die mit allen oben beschriebenen Faserlaserkomponenten korrelieren, um nahezu jede Art der unten beschriebenen Faserlaserarchitekturen herzustellen:

Faserlaserarchitekturen:

Einführung

Die unten gezeigten verschiedenen Architekturen sollen dem Leser einen Überblick über die typischen Beschränkungen geben, die einige typische Faserlaserarchitekturen diktieren. Natürlich gibt es viele Varianten und eine gute Simulationssoftware wie RP-Fiber-Power ist zwingend erforderlich, um die beste Architektur zu ermitteln.

Beachten Sie, dass aus Gründen der Übersichtlichkeit die Isolatoren (in jeder Phase) und die Überwachungsfotodioden in den Abbildungen unten nicht dargestellt sind.

CW-Faserlaser

CW-Faserlaser werden im Allgemeinen durch einen endgepumpten einfachen Bragg-Gitter-basierten Resonator mit einigen Verstärkungsstufen hergestellt, wenn es spezifische Anforderungen gibt, die die optischen Ausgangseigenschaften einschränken (z. B. Wellenlänge usw.).

Eine typische CW-Faserlaserarchitektur ist in Abbildung 14 unten dargestellt. Ein mehrfach gepumpter Hohlraum wird verwendet, um einen hohen Leistungspegel zu erzeugen. Es ist im Allgemeinen vorzuziehen, eine sehr lange Faserlänge zu verwenden, um die Absorption zu maximieren und jegliches Restlicht auf beiden Seiten des Gitters zu vermeiden, das von den Pumpen auf der anderen Seite kommen könnte.

Die Wahl einer langen Faserlänge reduziert das gesamte Inversionsniveau innerhalb der aktiven Faser. Wie in Abbildung 3 erläutert, ergibt der kombinierte Effekt von Absorption und Emission den günstigsten Emissionsbereich für Yb ³⁺ zwischen 1030 und 1100 nm, abhängig vom Verhältnis der Besetzungsinversion der Ionen. Je niedriger das Inversionsniveau ist, desto stärker nimmt die Wellenlänge zu. Aus diesem Grund ist die Wellenlänge eines CW-Faserlasers der KW-Klasse im Allgemeinen höher als 1080 bis 1100 nm.

Ein typischer Hochleistungs-Faserlaser ist in Abbildung 15 dargestellt. Es wird eine Seeder-Laserdiodenquelle verwendet, und es sind mehrere Verstärkungsstufen erforderlich, um einen hohen Leistungspegel zu erreichen. Beachten Sie, dass häufig ein Modenabstreifer erforderlich ist, um die verbleibende Pumpleistung nach der aktiven Faser zu entfernen. Oft sind auch ein oder mehrere ASE-Filter erforderlich, um verstärkte Spontanemission zu entfernen und ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis aufrechtzuerhalten.

Gepulste Faserlaser (Millisekunden-/Mikrosekundenbereich)

Die Zeitskala der Besetzungsinversion von Yb ³⁺-Ionen beim Anlegen einer hohen Pumpleistung liegt typischerweise im Bereich von 20–200 µsec (typischerweise ~10 % der Yb ³⁺ -Lebensdauer). Das bedeutet, dass, wenn man einige Pulse erhalten möchte, die länger als dieser Bereich sind, die Pumpleistung elektronisch gepulst werden kann und während dieser Pulse das gleiche Verhalten wie bei einem CW-Laser erreicht wird. Dies bedeutet, dass die typischen optischen Architekturen, die für Millisekunden- oder Mikrosekunden-Faserlaser verwendet werden, die gleichen sind wie für CW-Faserlaser. Nur die thermischen Gesamteigenschaften sind unterschiedlich, was die Auswahl unterschiedlicher Komponenten bei der Entwicklung von Faserlasern mit niedrigem Arbeitszyklus erfordern kann.

Gepulster Faserlaser (Nanosekundenbereich)

Wenn man kurze Pulse im Bereich von 1 ns-10 µs erzeugen will, betritt man die Welt der Nanosekunden-gepulsten Faserlaser.

Wie oben beschrieben, reichen die Eigenschaften von Yb³⁺-ionen nicht aus, um solche Pulse durch Einstellen der Pumpleistung zu erzeugen. Daher ist es notwendig, eine kontinuierliche Pumpleistung aufrechtzuerhalten und einen Weg zu finden, die Impulse unterschiedlich zu erzeugen.

Hier ist der Vergleich mit der Spülung einer Toilette relevant. Optisches Pumpen ist das Wasser, das in den Spültank kommt, und eine Technik wird verwendet, um es mit einer gewünschten Frequenz zu spülen (in diesem Vergleich ist die Spülung der optische Impuls). Der Vergleich ermöglicht es uns, einige wichtige Elemente zu verstehen:

Betrachtet man CW-Pumpen (kontinuierlicher Wasserfluss), kann man sich vorstellen, dass eine Mindestspülfrequenz erforderlich ist, da sonst das kontinuierlich einströmende Wasser überläuft. Diese Mindestfrequenz für einen Faserlaser beträgt typischerweise 5 kHz. Unterhalb dieser Frequenz beginnt zwischen den Impulsen etwas ASE-Leistung aus der Faser zu kommen.

Wir können auch feststellen, dass ein wichtiger Parameter die Anzahl der ionen in der aktiven Faser ist. Diese Zahl steht in direktem Zusammenhang mit der absoluten maximalen Energie, die bei jedem Impuls gewonnen werden kann (die Größe des Toilettentanks bestimmt das absolute Maximum an Wasser, das gewonnen werden kann, während oft weniger Wasser gewonnen wird, da ein separater Mechanismus verhindert, dass das Wasser die Toilettenschüssel füllt ).
Die neueste Generation elektronischer Faserlaserschaltungen wird verwendet, um Pumpimpuls in MOPA (verstärkten) Nanosekunden-Faserlaserarchitekturen anzuwenden (siehe eine Beschreibung solcher Elektronik in Paragraf IV). Auch hier ist der Vergleich mit einer Toilettenspülung relevant, wenn man die beiden Wirkungen einer Tankfüllung betrachtet, die getrennt von der Aktion zum Spülen zum Füllen des Toilettenbeckens beginnen und enden.

Es gibt zwei sehr unterschiedliche Arten von Architekturen, wie bereits zu Beginn dieses Dokuments beschrieben (Abbildung 1 und Abbildung 2): Einzelfaser-Laserkavität und MOPA (Master Oscillator Power Amplifier). Die meisten Architekturen von Nanosekunden-Faserlasern basieren auf MOPA-Architekturen, mit Ausnahme der Güteschalter-Architektur mit einem Hohlraum.

Nanosekunden-Faserlaser mit Güteschalter

Güteschalter-Faserlaser werden erhalten, wenn eine spezialisierte schnell schaltende/modulierende Komponente in den Faserlaserhohlraum integriert wird. Diese Komponente kann entweder ein AOM (Acousto-Optic Modulator), EOM (Electro-Optic Modulator) oder ein SOA (Semiconductor Optical Modulator) sein, der im Impulsbetrieb betrieben wird. Eine detaillierte Beschreibung solcher Komponenten finden Sie in unserem Tutorial: „ Faserintensität Modulator “. Das Schalten der Komponente auf einen niedrigen Verlustpegel setzt einen Hochenergieimpuls von typischerweise einigen Nanosekunden frei.

Ein Beispiel für eine Güteschalter-Architektur ist in Abbildung 18 dargestellt. Ein schnelles AOM wird verwendet, um den Verlust anzuwenden.

Der Vorteil einer solchen Architektur ist, dass sie recht einfach ist, da sie nur wenige Komponenten benötigt. Allerdings ist die Modularität und die Fähigkeit, optische Parameter zu steuern, eher gering.

MOPA Nanosekunden-Faserlaser

Die meisten der heute verkauften Faserlaser für Gravur basieren auf dieser Architektur. Eine Seed-Laserdiode mit z. B. 1064 nm wird von einer spezialisierten schnellen Stromimpuls-Elektronikschaltung gepulst, bevor sie mit mehreren Stufen aktiver Fasern verstärkt wird. Eine typische Verstärkungsstufe erzeugt zwischen 10 und 20 dB Verstärkung. Oberhalb dieses Verstärkungsniveaus verstärken einige unerwünschte ASE-Effekte (Amplified Spontaneous Emission) unerwünschte Wellenlängen. Es ist daher erwünscht, einen mehrstufigen Verstärker mit ASE-Filtern zwischen jeder Stufe zu haben, anstatt den Verstärkungsfaktor einer gegebenen Stufe zu maximieren.

Wichtige Effekte für Nanosekunden-Faserlaser

Bei der Betrachtung der Faserlaserverstärkung von gepulsten Laserdioden müssen vier wichtige Effekte berücksichtigt werden:

Laserdiodenverstärkung-Umschalteffekt: Beim Anlegen von Strom an eine Laserdiode wird eine gewisse Energiemenge im Verstärkungsmedium gespeichert. Diese Energie wird anschließend in Form eines kurzen Impulses im Anfangsteil des Impulses (im Bereich von Pikosekunden) realisiert. Dieser Impuls liegt typischerweise in der Größenordnung einer Impulsdauer von 100 ps. Dieser kurze Puls kann entweder als Chance angesehen werden, wenn man versucht, sehr kurze Pulse zu erzeugen, oder als Problem, wenn man bedenkt, dass Pulse im Nanosekundenbereich auf hohe Energieniveaus verstärkt werden (Abbildung 20 zeigt einen typischen 3 ns Puls mit Verstärkungsschaltung-Spitze) generiert mit AeroDIODE Impulslaserdiodentreiber) .

Entwicklung des Emissionsspektrums von gepulsten Laserdioden: Beim direkten Pulsen einer Laserdiode sollte der Anwender zwei unerwünschte spektrale Effekte beachten:

- 1- Die erste korreliert mit der Zeit, die die Laserdiode benötigt, um mit ihrem Bragg modengekoppeltes Element zu koppeln„“. Diese Verriegelung erfolgt unmittelbar für einen DFB, erfordert jedoch häufig mehr als 100 ns für eine auf Bragg-Gittern basierende Laserdiode. Mit anderen Worten, wenn Bragg-Gitter-stabilisierte Laserdioden gepulst werden, erzeugt die erste Nanosekunde ein breites Emissionsspektrum, als ob es kein Bragg-Gitter gäbe. Einige Anbieter bieten eine Zwischenlösung namens „Bragg close to the Chip“ an, deren Verriegelung nur wenige Nanosekunden dauert.

- 2- Ein weiterer unvermeidbarer Effekt ergibt sich aus der Kopplung des Frequenz-/Phasenspektrums und des Intensitätsprofils. Genauer gesagt ändert sich das Emissionsspektrum über die Pulslänge und dies kann manchmal ein Problem sein. Eine externe Modulation mit beispielsweise einer SOA bietet eine smarte Lösung, um diesen Effekt zu vermeiden. In unserem Tutorial: Grundlagen des Faserintensitätsmodulators finden Sie einen detaillierten Vergleich der vier häufig verwendeten Technologien zur externen Modulation von Laserlicht.

Verformung der Impulsform: Wenn MOPA-Faserlaserarchitekturen mit mehrstufigen Konfigurationen mit hoher Verstärkung (wie in Abbildung 17) betrachtet werden, hängt die Verstärkung der aktiven Faser von den Inversionsniveaus der Dotierstoffbesetzung ab. Diese Niveaus nehmen über die Pulsdauer ab.

Daher tritt eine Verformung des Impulses auf, die eine schöne rechteckige Impulsform am Ausgang verhindert. Einige Impulslaserdiodentreiber können die Form eines gegebenen Impulses anpassen, um diesen Effekt vorzukompensieren und die gewünschte Impulsform am Ausgang der letzten Verstärkungsstufe zu erreichen.

Nichtlineare Fasereffekte: Faserverstärker konzentrieren das Licht in einem Kern mit kleinem Durchmesser und ermöglichen es uns, die Leistungsdichte auf sehr hohe Niveaus zu erhöhen. Dies kann zu einem großen Problem werden, wenn hohe Impulsspitzenleistungen berücksichtigt werden, da viele optische nichtlineare Effekte oberhalb eines bestimmten Niveaus von Spitzenleistung und spektralen Dichten auftreten. Diese Effekte, wie SBS (stimulierte Brillouin-Streuung) oder SRS (stimulierte Raman-Streuung), neigen dazu, sowohl das Emissionsspektrum als auch die Impulsdauer zu verbreitern. SBS ist ein Effekt, der nichtlinear von der spektralen Dichte abhängt. Die Wahl eines breiteren Emissionsseeders und die Vermeidung von DFBs mit schmaler Spektralbreite kann eine gute Wahl sein, um höhere Spitzenleistungen zu erreichen, wenn Nanosekunden Pulse verwendet werden. Eine andere Lösung ist die Verwendung eines EOM (elektrooptischen) Fasermodulators. Dies verbreitert das Emissionsspektrum, während die schöne spektrale Stabilität eines DFB beibehalten wird.

Die zentrale Platine von AeroDIODE hat einen Laserdiodenkanal, der für rauscharmen CW-Betrieb optimiert ist, und einen Kanal, der sowohl für CW- als auch für Nanosekunden Pulse optimiert ist. Es enthält auch viele für Faserlaser relevante Funktionen, wie z. B. mehrere Photodiodeneingänge. Die zentrale Platine fungiert als „Schaltzentrale“ für einen Faserlaser. Zentralplatinen sind auch in der Lage, Impulspumpfunktionen zu handhaben, die beim Entwerfen von Systemen mit niedriger Wiederholungsrate und hoher Energie sehr hilfreich sind. Siehe diese Produktseite: Treiber für Faserlaserdioden.

Das Pulformer Platine ist ein weiterer von AeroDIODE angebotener Treiber, der zwei der vier in den obigen Abschnitten beschriebenen Probleme lösen kann: Es kann die Impulsform vorkompensieren und verfügt über eine spezielle Verstärkungsschaltung-Unterdrückungsfunktion. Die Form kann bis hin zu sehr kurzen Pulsbreiten angepasst werden, da sein interner AWG (Arbitrary Waveform Generator) alle 500 ps einen Punkt mit 48 dB Dynamikbereich erzeugt. Es enthält auch 3 Verzögerungsgeneratorausgänge. Siehe diese Produktseite: Hochgeschwindigkeits-Laserdiodentreiber .

Das CCM-Modul ist der dritte von AeroDIODE angebotene Laserdiodentreiber. Dieser Hochleistungstreiber wurde entwickelt, um die multimode Laserdioden mit einem und mehreren Emittern zu steuern, auf die in allen oben beschriebenen Faserlaserarchitekturen Bezug genommen wird. Es ist vollständig für die Ansteuerung einer oder mehrerer multimode Pumplaserdioden (entweder einzelne Elemente oder mehrere Elemente) einschließlich des Hochleistungs-TEC-Controllers mit einem Luftkühlungsaufbau bestimmt. Es enthält viele Funktionen, um alle Laser dieser Klasse in einem optimierten und kompakten Luftkühlungs-Aufbau anzutreiben. Siehe Produktseite: Hochleistungslaserdiodentreiber .

Gepulste Faserlaser (Im Bereich von Pikosekunden)

Pikosekunden-Faserlaser arbeiten im Impulsbreitenbereich von 10 Pikosekunden bis 1 Nanosekunde. Diese werden nicht als „Ultraschnell“ eingestuft. Ultraschnell wird im Allgemeinen mit speziellen Architekturen in Verbindung gebracht, die Pulsbreiten unter 10 Pikosekunden und meistens im Bereich von Femtosekunden erzeugen.

Diese Pikosekundenlaser sind den in Abbildung 17 beschriebenen MOPA-Nanosekunden-Faserlaserarchitekturen sehr ähnlich. Der einzige große Unterschied ergibt sich aus dem Seeder, da es sehr schwierig wird, einen sehr kurzen Puls zu erhalten, indem man die Laserdiode direkt pulst. Daher können wir Pikosekunden-Faserlaserarchitekturen in 3 Kategorien einteilen:

Verstärkerschalter-Direktdioden-Seeder:

Die einfachste Konfiguration, um einen Pikosekunden Faserlaser zu erhalten, besteht darin, den Verstärkerschaltung Effekt einer Laserdiode zu nutzen (siehe oben). Dieser Effekt tritt während der ersten 100 Pikosekunden des optischen Impulses auf, wenn ein kurzer elektronischer Impuls an die Laserdiode angelegt wird (siehe Abbildung 18). Firmen wie Picoquant oder NKT (ehemals Onefive) sind dafür bekannt, diesen Effekt vor der Verstärkung zu nutzen.

Es ist schwierig, einen stabilen Puls zu erhalten, wenn man den Verstärkerschaltung-Ansatz verwendet. Dies erzeugt viele Einschränkungen bei der Wahl der Laserdiode, der Laserdiodenintegration (Faserkopplung) und der Leistungsfähigkeit der Treiberelektronik. Die von diesen Laserdioden erreichte Energie liegt typischerweise in der Größenordnung von 10 Picojoule, sodass das Erreichen von 1 mJ eine Verstärkung von 80 dB erfordert. Wenn man weiß, dass eine typische Verstärkerstufenverstärkung ungefähr 15 dB beträgt, kann es ungefähr 5 Verstärkungsstufen mit all den Isolatoren, ASE-Filtern und Laserdiodenpumpen dauern, die jede Stufe enthalten muss, um mit diesem Ansatz eine Pikosekunde zu erzeugen Faserlaser.

Externer Modulationsseeder:

Eine andere Möglichkeit, kurze Pulse zu erreichen, ist die Verwendung sehr schneller externer Fasermodulatoren wie EOMs (Electro-Optics Modulators), wie in unserem Tutorial „Grundlagen des Faserlasers“ beschrieben. Es ist möglich, die Spitzenleistungsbegrenzung solcher Komponenten zu überwinden, indem die Laserdiode der Quelle gepulst wird. In jedem Fall machen die mit diesem Ansatz verbundenen Verluste die Energie jedes Seeder-Impulses sehr niedrig, was den Verstärkungsteil sehr kostspielig macht.

Mikrochip-Seeder:

Ein dritter Weg zur Herstellung von Seedern mit kurzen Impulsen für Faserlaser verwendet den Güteschalter-Effekt in einem Kristallhohlraum. Diese Elemente verwenden ein Kristallverstärkungsmedium (wie Nd:YAG oder Nd:YVO4) mit einem sättigbaren Absorber.

Diese als „Microchip-Seeder“ bezeichneten Komponenten wurden in der Vergangenheit für die Nanosekunden-Pulserzeugung (mit Cr4+:YAG als sättigbarer Absorber) verwendet, wobei typischerweise 3-10 ns Impulse bei einer bestimmten Wiederholungsrate erzeugt wurden.

In jüngerer Zeit wurden unter Verwendung der Halbleitertechnologie sehr schnell sättigbare Absorber entwickelt. Diese werden allgemein als SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Media) bezeichnet. Komponenten wie die von Batop werden jetzt umfassend verwendet und liefern Pulse von weniger als 30 Pikosekunden. Das 808 nm Pumpen wird im Allgemeinen für das Nd³⁺-Pumpen verwendet. Das Pulsieren der Pumpe im Bereich von Hunderten von Nanosekunden ist eine gute Möglichkeit, die Wiederholungsrate zu steuern.

Gepulste Faserlaser (im Bereich von Femtosekunden: „Ultraschnell“)

Die letzte Kategorie von Faserlasern, die in diesem Tutorial besprochen wird, führt uns in die sehr komplizierte Welt der ultraschnellen Laser. Ultraschnelle Laser liegen typischerweise im Impulsbreitenbereich von 10 Femtosekunden bis 10 Pikosekunden.

Diese Quellen sind heute für viele Laser-Material-Wechselwirkung Anwendungen von großem Interesse, da der Laser-Material-Effekt „athermisch“ ist. Die Materie wird direkt vom festen Zustand in den Plasmazustand umgewandelt, ohne den flüssigen Zustand zu durchlaufen. Dies ermöglicht eine Bearbeitung mit sehr hoher Auflösung und wird heute in großem Umfang in der Halbleiter-, Augenchirurgie- und Smartphone-Industrie eingesetzt.

Auch hier kommen typische verstärkte MOPA-Architekturen zum Einsatz. Es gibt jedoch zwei wichtige Prinzipien, die es zu beachten gilt:

Das Modenkopplung Prinzip ist die Grundlage des Seeder-„Oszillators“:

Das Heisenberg-Prinzip besagt, dass das Produkt aus spektraler Verstärkungsbandbreite und Pulsdauer einen bestimmten Wert nicht unterschreiten kann. Mit anderen Worten, ultrakurze Pulse bedeuten eine breite spektrale Emissionsbandbreite. Hunderte von Femtosekunden Pulsen bedeuten 10 nm spektrale Bandbreite. Ultrakurzlaser haben immer eine breite Emissionsbandbreite mit vielen Resonatormoden.

Die Fourier-Transformation eines gegebenen Kamms von Emissionsmoden ergibt nur dann einen ultrakurzen Impuls, wenn die verschiedenen Moden alle in Phase sind. Daher besteht die Herstellung eines Ultrakurzpulslasers darin, einen breiten Verstärkungsresonator zu bauen und einige Elemente hinzuzufügen, die die Resonatormoden dazu bringen, in Phase zu emittieren, indem sie die Verluste innerhalb des Resonators modulieren. Es können aktive Modulatoren wie ein AOM (Acousto-Optic Modulator) oder ein EOM (Electro-Optic Modulator) verwendet werden. Passive Versionen wie das SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Media) sind im Allgemeinen die beste Lösung für den Bau eines industriellen Faserlaser basierten ultraschnellen Oszillators.

Modengekoppelte Kavitäten haben eine direkte Beziehung zwischen der Kavitätslänge und der ultrakurzen Impulswiederholungsrate. Typische modengekoppelte Oszillatoren haben eine Pulswiederholrate im Bereich von 1–100 MHz.

Optische parametrische Verstärkung (OPCPA):

Das Verstärken eines modengekoppelten Oszillatorsignals erfordert die Verstärkung eines Hochfrequenzsignals mit sehr kurzen Impulsen. Es erzeugt drei Hauptschwierigkeiten:

1. Erstens, wenn man genügend Energie erhalten möchte, um einen Einfluss auf die Materie zu haben (dh mehr als 1 Mikrojoule), würde das Aufrechterhalten einer Wiederholungsrate von 50 MHz 50 W erfordern, was wahrscheinlich mehrere hundert Watt Pumpleistung für eine sehr geringe Auswirkung auf die Materie. Es ist daher vorzuziehen, die Impulsfolgefrequenz des Oszillators zu reduzieren, indem einige Impulse ausgewählt und die Folgefrequenz auf den kHz-Bereich reduziert werden.

Eine Sache, an die man sich erinnern sollte, ist, dass ultraschnelle Oszillatoren im Allgemeinen im Bereich von MHz/nJ liegen, während verstärkte Laser, die für die Lasermikrobearbeitung nützlich sind, im Allgemeinen im Bereich von kHz/µJ liegen.

Das Pulse-Picking wird im Allgemeinen durch einen faserigen oder nicht faserigen AOM (Acousto Optic Modulator) betrieben.

AeroDIODE hat ein universelles Tool für die Pulse-Picking-Synchronisation entwickelt. Es ermöglicht dem Konstrukteur, ein Trigger mit einer gewünschten niedrigen Frequenz zu erzeugen, die mit einem Eingangstaktsignal synchronisiert ist, das von einer Fotodiode kommt.

2. Zweitens kann die Verstärkung sehr kurzer Pulse zwei Konsequenzen haben. Bei Quarzverstärkern erreicht die Spitzenleistung schnell die Zerstörschwelle. Bei Betrachtung eines Faserverstärkermediums können einige nichtlineare Effekte die Impulseigenschaften schnell zerstören. Daher ist es notwendig, die Pulsbreite so zu strecken, dass nach dem Verstärkungsvorgang wieder auf einen kurzen Puls zurückgegangen werden kann. Der dabei ausgenutzte Effekt wird als “Dispersion” bezeichnet. Es dehnt den Impuls, indem es seine spektralen und zeitlichen Eigenschaften koppelt (eine „Farbe“ am Anfang des Pulses und die andere „Farbe“ am Ende des Pulses). Eine spezielle „Hohlkern“-Faser kann verwendet werden, um den Impuls vor der Verstärkung zu strecken, während räumliche Gitter im Allgemeinen verwendet werden, um den verstärkten Impuls zu komprimieren und die Eigenschaften ultraschneller verstärkter Impulse zu erreichen.

3. Drittens erzeugen ultrakurze Impulsbreiten innerhalb einer Faser sehr schnell nichtlineare Effekte, und alle ultraschnellen verstärkten Faserlaser kombinieren einige Faserteile und einige Teile, die nicht mit Fasern versehen sind. Eine gute Simulationssoftware für nichtlineare Effekte wie Faserdesk ist hier eindeutig Pflicht.

Eine modulare Faserlaserelektronik zur Herstellung nahezu aller Faserlaserarchitekturen:

AeroDIODE hat eine ganze Reihe elektronischer Treiber entwickelt, mit denen nahezu jede der oben beschriebenen Faserlaserarchitekturen aufgebaut werden kann. Diese Treiber können miteinander kommunizieren und jede Art von Laserdioden und viele Fotodioden entweder im gepulsten oder CW-Modus steuern. Sie sind so konzipiert, dass sie einfach in einen kompakten Prototyp integriert werden können. Dies ermöglicht dem Designer einen viel schnelleren Faserlaser-Produkt- und Entwicklungszeitrahmen.