Üblicherweise verwenden Hochleistungs-Faserlaser und -Verstärker seltenerddotierte Doppelmantelfasern und werden von fasergekoppelten Hochleistungs-Diodenbarren oder anderen Laserdioden gepumpt. Das Pumprohr tritt nicht in den Faserkern, sondern in den Innenmantel ein und erzeugt auch Laserlicht im Innenmantel. Die Qualität des erzeugten Laserstrahls ist sehr gut, und es kann sogar die Strahlqualität der Beugungsgrenze erreicht werden, und es ist eine Einmodenfaser erforderlich. Daher ist die Helligkeit des Ausgangslichts des Faserlasers um mehrere Größenordnungen höher als die des Pumplichts, obwohl die Ausgangsleistung niedriger als die des Pumplichts ist. (In der Regel ist der Pumpwirkungsgrad größer als 50 %, manchmal sogar größer als 80 %) Dieser Faserlaser kann also als Helligkeitskonverter verwendet werden, dh als Gerät zur Erhöhung der Helligkeit des Lichts.
Für besonders hohe Leistungen muss die Kernfläche groß genug sein, da die Lichtintensität sehr hoch sein wird, und ein weiterer Grund ist, dass das Verhältnis von Mantel- zu Kernfläche in Doppelmantelfasern groß ist, was zu einer geringen Pumpabsorption führt. Wenn die Kernfläche in der Größenordnung von mehreren tausend Quadratmikrometern liegt, ist es machbar, einen Monomode-Faserkern zu verwenden. Unter Verwendung von Multimode-Fasern kann bei relativ großem Modenbereich ein Ausgangsstrahl von guter Qualität erhalten werden, und die Lichtwelle ist hauptsächlich die Grundmode. (Eine Anregung von Moden höherer Ordnung ist teilweise auch durch Wickeln der Faser möglich, außer bei starker Modenkopplung bei hohen Leistungen) Bei größer werdender Modenfläche kann die Strahlqualität nicht mehr beugungsbegrenzt bleiben, sondern verglichen Für zB Stablaser, die mit ähnlichen Leistungsstärken arbeiten, ist die resultierende Strahlqualität immer noch recht gut.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, Pumplicht mit sehr hoher Leistung einzuspeisen. Am einfachsten ist es, den Mantel direkt am Faseranschluss zu pumpen. Dieses Verfahren erfordert keine speziellen Faserkomponenten, aber das Hochleistungspumplicht muss sich in Luft ausbreiten, insbesondere an der Luft-Glas-Grenzfläche, die sehr empfindlich gegenüber Staub oder Fehlausrichtung ist. In vielen Fällen ist es vorzuziehen, eine fasergekoppelte Pumpdiode zu verwenden, damit das Pumplicht immer in der Faser übertragen wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Pumplicht in eine passive Faser (undotiert) einzuspeisen und die passive Faser um die dotierte Faser zu wickeln, so dass das Pumplicht allmählich in die dotierte Faser übertragen wird. Es gibt einige Möglichkeiten, eine spezielle Pumpkombinationsvorrichtung zu verwenden, um einige Pumpfasern und dotierte Signalfasern miteinander zu verschmelzen. Es gibt andere Verfahren, die auf seitengepumpten Faserspulen (Faserscheibenlasern) oder Rillen im Pumpmantel basieren, damit das Pumplicht eingekoppelt werden kann. Die letztgenannte Technik ermöglicht eine Mehrpunktinjektion von Pumplicht, wodurch die Wärmelast besser verteilt wird.
Abbildung 2: Diagramm eines Aufbaus eines doppelt ummantelten Hochleistungs-Faserverstärkers mit Pumplicht, das durch freien Raum in den Faseranschluss eintritt. Die Gas-Glas-Schnittstelle muss genau ausgerichtet und sauber sein.
Der Vergleich zwischen allen Methoden zum Einspeisen von Pumplicht ist kompliziert, da viele Aspekte eine Rolle spielen: Übertragungseffizienz, Helligkeitsverlust, einfache Verarbeitung, flexibler Betrieb, mögliche Rückreflexionen, Lichtleckage vom Faserkern zur Pumplichtquelle, Behalten Sie die Wahl Polarisation usw.
Obwohl die jüngste Entwicklung von Hochleistungs-Glasfasergeräten sehr schnell war, gibt es immer noch einige Einschränkungen, die die weitere Entwicklung behindern:
Die Lichtintensität von faseroptischen Hochleistungsgeräten wird stark verbessert. Sachschadensschwellen können mittlerweile in der Regel erreicht werden. Daher muss die Modenfläche vergrößert werden (Fasern mit großer Modenfläche), aber dieses Verfahren hat Einschränkungen, wenn eine hohe Strahlqualität erforderlich ist.
Der Leistungsverlust pro Längeneinheit hat die Größenordnung von 100 W/m erreicht, was zu starken thermischen Effekten in der Faser führt. Die Verwendung einer Wasserkühlung kann die Leistung erheblich verbessern. Längere Fasern mit niedrigeren Dotierungskonzentrationen lassen sich leichter kühlen, was jedoch nichtlineare Effekte verstärkt.
Für nicht streng monomodale Fasern gibt es eine modale Instabilität, wenn die Ausgangsleistung größer als ein bestimmter Schwellenwert ist, typischerweise einige hundert Watt. Modeninstabilitäten verursachen einen plötzlichen Abfall der Strahlqualität, der auf thermische Gitter in der Faser zurückzuführen ist (die schnell im Raum oszillieren).
Faser-Nichtlinearität beeinflusst viele Aspekte. Selbst in einem CW-Setup ist die Raman-Verstärkung so hoch (sogar in Dezibel), dass ein erheblicher Teil der Leistung auf die längerwellige Stokes-Welle übertragen wird, die nicht verstärkt werden kann. Der Einzelfrequenzbetrieb wird durch die stimulierte Brillouin-Streuung stark eingeschränkt. Natürlich gibt es einige Messmethoden, die diesen Effekt bis zu einem gewissen Grad ausgleichen können. Die ultrakurzen Pulse, die in modengekoppelten Lasern erzeugt werden, werden durch Selbstphasenmodulation eine starke spektrale Verbreiterungswirkung auf sie ausüben. Zusätzlich gibt es andere Probleme des Einführens einer nichtlinearen Polarisationsdrehung.
Aufgrund der obigen Einschränkungen werden faseroptische Hochleistungsgeräte im Allgemeinen streng genommen nicht als skalierbare Leistungsgeräte angesehen, zumindest nicht außerhalb des erreichbaren Leistungsbereichs. (Bisherige Verbesserungen wurden nicht mit Einzelleistungsskalierung erreicht, sondern mit verbesserten Faserdesigns und Pumpdioden.) Dies hat wichtige Konsequenzen, wenn man die Faserlasertechnologie mit dünnen Scheibenlasern vergleicht. Sie ist im Beitrag Laserleistungskalibrierung näher beschrieben.
Auch ohne wirkliche Leistungsskalierung kann viel Arbeit geleistet werden, um Hochleistungslaseraufbauten zu verbessern. Einerseits ist es notwendig, das Faserdesign zu verbessern, wie z. B. die Verwendung einer großen Fasermodenfläche und einer Singlemode-Führung, was normalerweise durch den Einsatz von photonischen Kristallfasern erreicht wird. Viele Faserkomponenten sind sehr wichtig, wie z. B. spezielle Pumpenkoppler, Faserverjüngungen zum Verbinden von Fasern mit unterschiedlichen Modengrößen und spezielle Faserkühlgeräte. Sobald die Leistungsgrenze einer bestimmten Faser erreicht ist, sind Verbundträger eine weitere Option, und es gibt geeignete Faseraufbauten, um diese Technik zu implementieren. Für Ultrakurzpuls-Verstärkersysteme gibt es viele Ansätze, die nichtlinearen Effekte von Lichtwellenleitern, wie etwa Spektrumsverbreiterung und anschließende Pulskompression, zu reduzieren oder sogar teilweise auszunutzen.
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