Wat is een fiberlaser?

Definitie: Een laser die een gedoteerde vezel als versterkingsmedium gebruikt, of een laser waarvan de laserresonator grotendeels uit vezels bestaat.

Vezellasers verwijzen meestal naar lasers die vezels als versterkingsmedium gebruiken, hoewel sommige lasers die halfgeleiderversterkingsmedia (optische halfgeleiderversterkers) en vezelresonatoren gebruiken, ook vezellasers (of optische halfgeleiderlasers) kunnen worden genoemd. Daarnaast worden sommige andere typen lasers (bijvoorbeeld vezelgekoppelde halfgeleiderdiodes) en vezelversterkers ook wel fiberlasers (of fiberlasersystemen) genoemd.

In de meeste gevallen is het versterkingsmedium een ​​met zeldzame aarde-ionen gedoteerde vezel, zoals erbium (Er3+), ytterbium (Yb3+), thorium (Tm3+) of praseodymium (Pr3+), en zijn een of meer vezelgekoppelde laserdiodes vereist voor pompen. Hoewel het versterkingsmedium van fiberlasers vergelijkbaar is met dat van bulklasers in vaste toestand, resulteren het golfgeleidereffect en het kleine effectieve modusgebied in lasers met verschillende eigenschappen. Ze hebben bijvoorbeeld gewoonlijk een hoge laserversterking en hoge verliezen in de resonatorholte. Zie de rubrieken fiberlaser en bulklaser.

Figuur 1

Vezellaserresonator

Om een ​​laserresonator te verkrijgen met behulp van een optische vezel, kunnen een aantal reflectoren worden gebruikt om een ​​lineaire resonator te vormen, of om een ​​vezelringlaser te creëren. In een lineaire optische laserresonator kunnen verschillende soorten reflectoren worden gebruikt:

Figuur 2

1. In laboratoriumopstellingen kunnen gewone dichroïsche spiegels worden gebruikt aan de uiteinden van loodrecht gespleten vezels, zoals weergegeven in figuur 1. Deze oplossing kan echter niet worden gebruikt bij grootschalige productie en is niet duurzaam.

2. De Fresnel-reflectie aan het uiteinde van een kale vezel is voldoende om als uitgangskoppelaar voor een fiberlaser te dienen. Figuur 2 toont een voorbeeld.

3. Diëlektrische coatings kunnen ook rechtstreeks op de vezeluiteinden worden afgezet, meestal door verdamping. Dergelijke coatings kunnen een hoge reflectiviteit over een breed bereik bereiken.

4. In commerciële producten worden meestal Bragg-vezelroosters gebruikt, die rechtstreeks uit gedoteerde vezels kunnen worden vervaardigd of door ongedoteerde vezels tot actieve vezels te splitsen. Figuur 3 toont een gedistribueerde Bragg-reflectorlaser (DBR-laser), die twee vezelroosters bevat. Er is ook een gedistribueerde feedbacklaser met een rooster in de gedoteerde vezel en een faseverschuiving ertussen.

5. Als het door de vezel uitgezonden licht wordt gecollimeerd door een lens en teruggekaatst door een dichroïsche spiegel, kan een betere belastbaarheid worden bereikt. Het door de spiegel ontvangen licht zal een sterk verminderde intensiteit hebben vanwege het grotere straaloppervlak. Kleine verkeerde uitlijningen kunnen echter aanzienlijke reflectieverliezen veroorzaken, en extra Fresnel-reflecties aan de vezeleindfacetten kunnen filtereffecten veroorzaken. Dit laatste kan worden onderdrukt door onder een hoek gespleten vezeluiteinden te gebruiken, maar dit introduceert golflengte-afhankelijke verliezen.

6. Het is ook mogelijk om een ​​optische lusreflector te vormen met behulp van een vezelkoppelaar en passieve vezels.

De meeste optische lasers worden gepompt door een of meer vezelgekoppelde halfgeleiderlasers. Het pomplicht wordt rechtstreeks in de vezelkern of met hoog vermogen in de pompbekleding (zie dubbel beklede vezels) gekoppeld, wat hieronder in detail zal worden besproken.

Er zijn veel soorten fiberlasers, waarvan er hieronder een paar worden beschreven.

Er zijn veel soorten fiberlasers, waarvan er hieronder een paar worden beschreven.

Fiberlasers met hoog vermogen

Aanvankelijk konden fiberlasers slechts een uitgangsvermogen van enkele milliwatt bereiken. Tegenwoordig kunnen vezellasers met hoog vermogen een uitgangsvermogen van enkele honderden watt bereiken, en soms zelfs enkele kilowatt uit single-mode vezels. Dit wordt bereikt door de aspectverhouding en golfgeleidereffecten te vergroten, waardoor thermo-optische effecten worden vermeden.

Zie het artikel Krachtige fiberlasers en versterkers voor meer details.

Upconversie fiberlasers

Vezellasers zijn bijzonder geschikt voor het realiseren van opconversielasers, die doorgaans op relatief zeldzame laserovergangen werken en zeer hoge pompintensiteiten vereisen. Bij fiberlasers kunnen hoge pompintensiteiten over lange afstanden worden gehandhaafd, zodat de verkregen versterkingsefficiëntie gemakkelijk wordt bereikt voor overgangen met een zeer lage versterking.

In de meeste gevallen zijn silicavezels niet geschikt voor opconversievezellasers, omdat het opconversiemechanisme een lange tussenliggende levensduur op het elektronische energieniveau vereist, die meestal erg klein is in silicavezels vanwege de hoge fononenergie (zie multifotonovergangen). Daarom worden gewoonlijk enkele fluoridevezels van zware metalen gebruikt, zoals ZBLAN (een fluorzirkonaat) met lage fononenergie.

De meest gebruikte upconversion-vezellasers zijn thorium-gedoteerde vezels voor blauw licht, praseodymium-gedoteerde lasers (soms met ytterbium) voor rood, oranje, groen of blauw licht, en erbium-gedoteerde lasers voor triode.

Fiberlasers met smalle lijnbreedte

Vezellasers kunnen slechts in een enkele longitudinale modus werken (zie laser met enkele frequentie, single-mode werking) met een zeer smalle lijnbreedte van enkele kilohertz of zelfs minder dan 1 kHz. Voor langdurige stabiele werking op één frequentie, en zonder aanvullende eisen na het overwegen van de temperatuurstabiliteit, moet de laserholte kort zijn (bijvoorbeeld 5 cm), hoewel hoe langer de holte in principe hoe lager de faseruis en hoe smaller de laserholte. lijnbreedte. Het vezeluiteinde bevat een smalbandig Bragg-vezelrooster (zie gedistribueerde Bragg-reflectorlaser, DBR-vezellaser) om een ​​holtemodus te selecteren. Het uitgangsvermogen varieert doorgaans van enkele milliwatt tot tientallen milliwatt, en fiberlasers met één frequentie met een uitgangsvermogen tot 1 W zijn ook beschikbaar.

Een extreme vorm is de gedistribueerde feedbacklaser (DFB-laser), waarbij de gehele laserholte zich bevindt in een vezel-Bragg-rooster met daartussen een faseverschuiving. Hier is de holte relatief kort, wat ten koste gaat van het uitgangsvermogen en de lijnbreedte, maar de werking met één frequentie is zeer stabiel.

Vezelversterkers kunnen ook worden gebruikt om verder te versterken tot hogere vermogens.

Q-geschakelde fiberlasers

Vezellasers kunnen pulsen genereren met lengtes variërend van tientallen tot honderden nanoseconden, met behulp van verschillende actieve of passieve Q-schakelaars. Pulsenergieën van enkele millijoules kunnen worden bereikt met vezels met een groot modusgebied, en kunnen in extreme gevallen tientallen millijoules bereiken, beperkt door de verzadigingsenergie (zelfs met vezels met een groot modusgebied) en de schadedrempel (meer uitgesproken voor kortere pulsen). Alle glasvezelapparaten (behalve optica in de vrije ruimte) zijn beperkt in pulsenergie, omdat ze doorgaans geen vezels met een groot modusgebied en effectieve Q-schakeling kunnen implementeren.

Vanwege de hoge laserversterking is de Q-schakeling bij fiberlasers heel anders van aard dan die bij bulklasers en complexer. Er zijn gewoonlijk meerdere pieken in het tijdsdomein, en het is ook mogelijk Q-geschakelde pulsen te produceren met een lengte die korter is dan de retourtijd van de resonator.

Mode-locked fiberlasers gebruiken complexere resonatoren (ultrakorte fiberlasers) om picoseconde- of femtosecondepulsen te produceren. Hier bevat de laserresonator een actieve modulator of enkele verzadigde absorbers. Verzadigde absorbers kunnen worden gerealiseerd door niet-lineaire polarisatierotatie-effecten of door gebruik te maken van een niet-lineaire vezellusspiegel. Niet-lineaire lusspiegels kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt in de "achtvormige laser" in figuur 8, waarbij de linkerkant een hoofdresonator en een niet-lineaire vezelring bevat voor het versterken, vormgeven en stabiliseren van de ultrakorte retourpulsen. Vooral bij vergrendeling in harmonische modus zijn extra apparaten vereist, zoals subholtes die als optische filters worden gebruikt.