Um einen Laserresonator unter Verwendung einer optischen Faser zu erhalten, können eine Reihe von Reflektoren verwendet werden, um einen linearen Resonator zu bilden oder einen Faserringlaser zu erstellen. In einem linearen optischen Laserresonator können verschiedene Arten von Reflektoren verwendet werden:
1. In Laboraufbauten können gewöhnliche dichroitische Spiegel an den Enden senkrecht gespaltener Fasern verwendet werden, wie in Abbildung 1 gezeigt. Diese Lösung kann jedoch nicht in der Großserienproduktion eingesetzt werden und ist nicht langlebig.
2. Die Fresnel-Reflexion am Ende einer nackten Faser reicht aus, um als Ausgangskoppler für einen Faserlaser zu dienen. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel.
3. Dielektrische Beschichtungen können auch direkt auf den Faserenden abgeschieden werden, normalerweise durch Verdunstung. Solche Beschichtungen können eine hohe Reflektivität über einen weiten Bereich erreichen.
4. In kommerziellen Produkten werden normalerweise Faser-Bragg-Gitter verwendet, die direkt aus dotierten Fasern oder durch Spleißen von undoteten Fasern zu aktiven Fasern hergestellt werden können. Abbildung 3 zeigt einen verteilten Bragg-Reflektorlaser (DBR-Laser), der zwei Fasergitter enthält. Es gibt auch einen verteilten Feedback-Laser mit einem Gitter in der dotierten Faser und einer Phasenverschiebung dazwischen.
5. Wenn das von der Faser emittierte Licht von einer Linse kollimiert und von einem dichroitischen Spiegel zurückgespiegelt wird, kann eine bessere Leistungshandhabung erreicht werden. Das vom Spiegel empfangene Licht hat aufgrund der größeren Strahlfläche eine stark reduzierte Intensität. Leichte Fehlausrichtungen können jedoch zu erheblichen Reflexionsverlusten führen, und zusätzliche Fresnel-Reflexionen an den Faserendfacetten können Filtereffekte erzeugen. Letzteres kann durch die Verwendung abgewinkelter gespaltener Faserenden unterdrückt werden, dies führt jedoch zu wellenlängenabhängigen Verlusten.
6. Es ist auch möglich, einen optischen Schleifenreflektor mit einem Faserkoppler und passiven Fasern zu bilden.
Die meisten optischen Laser werden von einem oder mehreren fasergekoppelten Halbleiterlasern gepumpt. Das Pumpenlicht wird direkt in den Faserkern oder mit hoher Leistung in die Pumpenverkleidung gekoppelt (siehe doppelt plattierte Fasern), was nachfolgend ausführlich besprochen wird.
Es gibt viele Arten von Faserlasern, von denen einige unten beschrieben werden.
Hochleistungsfaserlaser
Anfangs konnten Faserlaser nur Ausgangsleistungen von wenigen Milliwatt erreichen. Heute können Hochleistungsfaserlaser Ausgangsleistungen von mehreren hundert Watt und manchmal sogar von mehreren Kilowatt aus Singlemode-Fasern erreichen. Dies wird durch Erhöhung des Seitenverhältnisses und der Wellenleitereffekte erreicht, die thermooptische Effekte vermeiden.
Weitere Details finden Sie im Eintrag Hochleistungsfaserlaser und -verstärker.
Upconversion Faserlaser
Faserlaser eignen sich besonders zur Realisierung von Upconversion-Lasern, die in der Regel an relativ seltenen Laserübergängen arbeiten und sehr hohe Pumpenintensitäten erfordern. In Faserlasern können hohe Pumpenintensitäten über große Entfernungen aufrechterhalten werden, so dass die erzielte Verstärkungseffizienz für Übergänge mit sehr geringem Gewinn leicht erreicht wird.
Faserlaser können nur in einem einzigen Längsmodus (siehe Einfachfrequenzlaser, Einfachmodenbetrieb) mit einer sehr schmalen Linienbreite von wenigen Kilohertz oder sogar unter 1 kHz arbeiten. Für langfristigen stabilen Einfachfrequenzbetrieb und ohne zusätzliche Anforderungen nach Berücksichtigung der Temperaturstabilität sollte der Laserkavität kurz sein (z.B. 5 cm), obwohl je länger der Hohlraum prinzipiell desto geringer das Phasenrauschen und desto schmaler die Linienbreite ist. Das Faserende enthält ein schmalbandiges Faser-Bragg-Gitter (siehe verteilter Bragg-Reflektorlaser, DBR-Faserlaser), um einen Kavitätenmodus auszuwählen. Die Ausgangsleistung reicht typischerweise von wenigen Milliwatt bis zu zehn Milliwatt, und auch einfarbige Faserlaser mit Ausgangsleistungen bis zu 1 W stehen zur Verfügung.
Eine extreme Form ist der verteilte Rückkopplungslaser (DFB-Laser), bei dem der gesamte Laserkavität in einem Faser-Bragg-Gitter mit einer Phasenverschiebung dazwischen enthalten ist. Hier ist der Hohlraum relativ kurz, was Ausgangsleistung und Linienbreite opfert, aber der Einfachfrequenzbetrieb ist sehr stabil.
Faserverstärker können auch verwendet werden, um höhere Leistungen weiter zu verstärken.
Q-geschaltete Faserlaser
Faserlaser können mit verschiedenen aktiven oder passiven Q-Schaltern Impulse mit Längen von zehn bis hundert Nanosekunden erzeugen. Pulsenergien von wenigen Millijoule können mit Fasern mit großer Modenfläche erreicht werden, und im Extremfall können Dutzende von Millijoule erreicht werden, begrenzt durch die Sättigungsenergie (selbst bei Fasern mit großer Modenfläche) und die Schadensschwelle (ausgeprägter bei kürzeren Pulsen). Alle Fasergeräte (außer Freiraumoptiken) sind in der Pulsenergie begrenzt, da sie normalerweise keine großmodalen Fasern und effektives Q-Schalten implementieren können.
Aufgrund der hohen Laserverstärkung unterscheidet sich die Q-Schaltung in Faserlasern stark von der bei Bulk-Lasern und ist komplexer. Es gibt in der Regel mehrere Spitzen im Zeitbereich, und es ist auch möglich, Q-geschaltete Impulse mit einer Länge kleiner als die Resonator-Roundtrip-Zeit zu erzeugen.
Mode-locked Faserlaser verwenden komplexere Resonatoren (Ultrakurzfaserlaser), um Pikosekunden- oder Femtosekunden-Impulse zu erzeugen. Hier enthält der Laserresonator einen aktiven Modulator oder einige gesättigte Absorber. Gesättigte Absorber können durch nichtlineare Polarisationsrotationseffekte oder durch Verwendung eines nichtlinearen Faserschleifenspiegels realisiert werden. Nicht-lineare Schleifenspiegel können beispielsweise im "Figure-of-Eight-Laser" in Abbildung 8 verwendet werden, wo die linke Seite einen Hauptresonator und einen nichtlinearen Faserring zur Verstärkung, Formung und Stabilisierung der ultrakurzen Rundimpulse enthält. Insbesondere bei der Harmonic Mode Arretierung sind zusätzliche Geräte erforderlich, wie z.B. Unterkabinen, die als optische Filter eingesetzt werden.
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