Hvad er en fiberlaser?

Definition: En laser, der bruger en doteret fiber som et forstærkningsmedium, eller en laser, hvis laserresonator for det meste består af fiber.

Fiberlasere refererer normalt til lasere, der bruger fiber som forstærkningsmedium, selvom nogle lasere, der bruger halvlederforstærkningsmedier (halvlederoptiske forstærkere) og fiberresonatorer også kan kaldes fiberlasere (eller halvlederoptiske lasere). Derudover kaldes nogle andre typer lasere (for eksempel fiberkoblede halvlederdioder) og fiberforstærkere også fiberlasere (eller fiberlasersystemer).

I de fleste tilfælde er forstærkningsmediet en sjælden jordart ion-doteret fiber, såsom erbium (Er3+), ytterbium (Yb3+), thorium (Tm3+) eller praseodym (Pr3+), og der kræves en eller flere fiberkoblede laserdioder til pumpning. Selvom forstærkningsmediet for fiberlasere ligner det for solid-state bulklasere, resulterer bølgeledereffekten og det lille effektive tilstandsområde i lasere med forskellige egenskaber. For eksempel har de normalt høj laserforstærkning og høje resonatorhulrumstab. Se indlæggene fiberlaser og bulklaser.

figur 1

Fiber laser resonator

For at opnå en laserresonator ved hjælp af en optisk fiber kan et antal reflektorer bruges til at danne en lineær resonator eller til at skabe en fiberringlaser. Forskellige typer reflektorer kan bruges i en lineær optisk laserresonator:

Figur 2

1. I laboratorieopsætninger kan almindelige dikroiske spejle bruges i enderne af vinkelret spaltede fibre, som vist på figur 1. Denne løsning kan dog ikke bruges i storskalaproduktion og er ikke holdbar.

2. Fresnel-reflektionen for enden af ​​en blottet fiber er tilstrækkelig til at tjene som en udgangskobler for en fiberlaser. Figur 2 viser et eksempel.

3. Dielektriske belægninger kan også afsættes direkte på fiberenderne, sædvanligvis ved fordampning. Sådanne belægninger kan opnå høj reflektionsevne over et bredt område.

4. I kommercielle produkter anvendes sædvanligvis fiber-Bragg-riste, som kan fremstilles direkte af doterede fibre eller ved at splejse udopede fibre til aktive fibre. Figur 3 viser en fordelt Bragg-reflektorlaser (DBR-laser), som indeholder to fibergitre. Der er også en distribueret feedback-laser med et gitter i den dopede fiber og et faseskift imellem.

5. Hvis lyset, der udsendes fra fiberen, kollimeres af en linse og reflekteres tilbage af et dikroisk spejl, kan der opnås bedre effekthåndtering. Lyset modtaget af spejlet vil have en stærkt reduceret intensitet på grund af det større stråleareal. Små forskydninger kan dog forårsage betydelige reflektionstab, og yderligere Fresnel-refleksioner ved fiberendefacetterne kan frembringe filtereffekter. Sidstnævnte kan undertrykkes ved at bruge vinklede kløvede fiberender, men dette introducerer bølgelængdeafhængige tab.

6. Det er også muligt at danne en optisk sløjfereflektor ved hjælp af en fiberkobler og passive fibre.

De fleste optiske lasere pumpes af en eller flere fiberkoblede halvlederlasere. Pumpelyset kobles direkte ind i fiberkernen eller ved høj effekt ind i pumpebeklædningen (se dobbeltbeklædte fibre), som vil blive diskuteret i detaljer nedenfor.

Der findes mange typer fiberlasere, hvoraf nogle få er beskrevet nedenfor.

Der findes mange typer fiberlasere, hvoraf nogle få er beskrevet nedenfor.

Fiberlasere med høj effekt

Oprindeligt var fiberlasere kun i stand til at opnå udgangseffekter på få milliwatt. I dag kan højeffektfiberlasere opnå udgangseffekter på flere hundrede watt, og nogle gange endda flere kilowatt fra single-mode fibre. Dette opnås ved at øge billedformatet og bølgeledereffekterne, som undgår termoptiske effekter.

Se indgangen Højeffektfiberlasere og forstærkere for flere detaljer.

Opkonverteringsfiberlasere

Fiberlasere er særligt velegnede til at realisere opkonverteringslasere, som normalt opererer på relativt sjældne laserovergange og kræver meget høje pumpeintensiteter. I fiberlasere kan høje pumpeintensiteter opretholdes over lange afstande, så den opnåede forstærkningseffektivitet let opnås ved overgange med meget lav forstærkning.

I de fleste tilfælde er silicafibre ikke egnede til opkonverteringsfiberlasere, fordi opkonverteringsmekanismen kræver en lang mellemtilstandstid i det elektroniske energiniveau, som normalt er meget lille i silicafibre på grund af den høje fononenergi (se multifotonovergange). Derfor bruges der normalt nogle tungmetalfluoridfibre, såsom ZBLAN (et fluorozirconat) med lav fononenergi.

De mest almindeligt anvendte opkonverteringsfiberlasere er thorium-dopede fibre til blåt lys, praseodym-dopede lasere (nogle gange med ytterbium) til rødt, orange, grønt eller blåt lys og erbium-dopede lasere til triode.

Fiberlasere med smal linjebredde

Fiberlasere kan kun fungere i en enkelt langsgående tilstand (se enkeltfrekvenslaser, enkelttilstandsdrift) med en meget smal linjebredde på nogle få kilohertz eller endda mindre end 1 kHz. For langsigtet stabil enkeltfrekvensdrift og uden yderligere krav efter overvejelse af temperaturstabilitet, bør laserhulrummet være kort (f.eks. 5 cm), selvom jo længere hulrummet i princippet er, jo lavere fasestøj og jo smallere linjebredde. Fiberenden indeholder et smalbåndet fiber Bragg-gitter (se distribueret Bragg-reflektorlaser, DBR-fiberlaser) for at vælge en hulrumstilstand. Udgangseffekten spænder typisk fra nogle få milliwatt til titusvis af milliwatt, og enkeltfrekvente fiberlasere med udgangseffekter op til 1 W er også tilgængelige.

En ekstrem form er den distribuerede feedback-laser (DFB-laser), hvor hele laserhulrummet er indeholdt i et fiber Bragg-gitter med en faseforskydning imellem. Her er hulrummet relativt kort, hvilket ofrer udgangseffekt og linjebredde, men enkeltfrekvensdrift er meget stabil.

Fiberforstærkere kan også bruges til at forstærke yderligere til højere kræfter.

Q-switched fiberlasere

Fiberlasere kan generere pulser med længder fra tiere til hundredvis af nanosekunder ved hjælp af forskellige aktive eller passive Q-switche. Pulsenergier på nogle få millijoule kan opnås med fibre med stort modeareal, og kan i ekstreme tilfælde nå op på tiere af millijoule, begrænset af mætningsenergien (selv med fibre med stort modeareal) og skadetærsklen (mere udtalt for kortere impulser). Alle fiberenheder (undtagen frirumsoptik) er begrænset i pulsenergi, fordi de normalt ikke kan implementere fibre med stort areal og effektiv Q-switch.

På grund af den høje laserforstærkning er Q-switching i fiberlasere meget anderledes end i bulklasere og er mere kompleks. Der er normalt flere spidser i tidsdomænet, og det er også muligt at producere Q-switchede impulser med en længde, der er mindre end resonatorens tur-retur-tid.

Mode-locked fiber lasere bruger mere komplekse resonatorer (ultrashort fiber lasere) til at producere picosekund eller femtosekund pulser. Her indeholder laserresonatoren en aktiv modulator eller nogle mættede absorbere. Mættede absorbere kan realiseres ved ikke-lineære polarisationsrotationseffekter eller ved at bruge et ikke-lineært fiberløkkespejl. Ikke-lineære sløjfespejle kan f.eks. bruges i "ottetal-laseren" i figur 8, hvor venstre side indeholder en hovedresonator og en ikke-lineær fiberring til at forstærke, forme og stabilisere de ultrakorte tur-retur-impulser. Især i harmonisk tilstandslåsning kræves yderligere enheder, såsom underhulrum, der bruges som optiske filtre.