Hva er en fiberlaser?

Definisjon: En laser som bruker en dopet fiber som forsterkningsmedium, eller en laser hvis laserresonator for det meste består av fiber.

Fiberlasere refererer vanligvis til lasere som bruker fiber som forsterkningsmedium, selv om noen lasere som bruker halvlederforsterkningsmedier (halvlederoptiske forsterkere) og fiberresonatorer også kan kalles fiberlasere (eller halvlederoptiske lasere). I tillegg kalles noen andre typer lasere (for eksempel fiberkoblede halvlederdioder) og fiberforsterkere også fiberlasere (eller fiberlasersystemer).

I de fleste tilfeller er forsterkningsmediet en ion-dopet fiber med sjeldne jordarter, slik som erbium (Er3+), ytterbium (Yb3+), thorium (Tm3+) eller praseodym (Pr3+), og en eller flere fiberkoblede laserdioder kreves for pumping. Selv om forsterkningsmediet til fiberlasere ligner det for solid-state bulklasere, resulterer bølgeledereffekten og lite effektivt modusområde i lasere med forskjellige egenskaper. For eksempel har de vanligvis høy laserforsterkning og høye resonatorhulromstap. Se oppføringene fiberlaser og bulklaser.

Figur 1

Fiberlaserresonator

For å oppnå en laserresonator ved bruk av en optisk fiber, kan en rekke reflektorer brukes til å danne en lineær resonator, eller for å lage en fiberringlaser. Ulike typer reflektorer kan brukes i en lineær optisk laserresonator:

Figur 2

1. I laboratorieoppsett kan vanlige dikroiske speil brukes i endene av vinkelrett spaltede fibre, som vist i figur 1. Denne løsningen kan imidlertid ikke brukes i storskala produksjon og er ikke holdbar.

2. Fresnel-refleksjonen ved enden av en bar fiber er tilstrekkelig til å tjene som en utgangskobling for en fiberlaser. Figur 2 viser et eksempel.

3. Dielektriske belegg kan også avsettes direkte på fiberendene, vanligvis ved fordampning. Slike belegg kan oppnå høy reflektivitet over et bredt område.

4. I kommersielle produkter brukes vanligvis fiber Bragg-rister, som kan fremstilles direkte fra dopede fibre eller ved å skjøte udopede fibre til aktive fibre. Figur 3 viser en distribuert Bragg-reflektorlaser (DBR-laser), som inneholder to fiberrister. Det er også en distribuert feedback-laser med et gitter i den dopede fiberen og en faseforskyvning i mellom.

5. Hvis lyset som sendes ut fra fiberen kollimeres av en linse og reflekteres tilbake av et dikroisk speil, kan bedre krafthåndtering oppnås. Lyset som mottas av speilet vil ha en sterkt redusert intensitet på grunn av det større stråleområdet. Imidlertid kan små feiljusteringer forårsake betydelige refleksjonstap, og ytterligere Fresnel-refleksjoner ved fiberendefasettene kan gi filtereffekter. Sistnevnte kan undertrykkes ved å bruke vinklede spaltede fiberender, men dette introduserer bølgelengdeavhengige tap.

6. Det er også mulig å danne en optisk sløyfereflektor ved bruk av en fiberkobling og passive fibre.

De fleste optiske lasere pumpes av en eller flere fiberkoblede halvlederlasere. Pumpelyset kobles direkte inn i fiberkjernen eller med høy effekt inn i pumpekledningen (se dobbeltkledde fibre), som vil bli diskutert i detalj nedenfor.

Det finnes mange typer fiberlasere, noen av dem er beskrevet nedenfor.

Det finnes mange typer fiberlasere, noen av dem er beskrevet nedenfor.

Fiberlasere med høy effekt

I utgangspunktet var fiberlasere bare i stand til å oppnå utgangseffekter på noen få milliwatt. I dag kan fiberlasere med høy effekt oppnå utgangseffekter på flere hundre watt, og noen ganger til og med flere kilowatt fra enkeltmodusfibre. Dette oppnås ved å øke sideforholdet og bølgeledereffektene, som unngår termoptiske effekter.

Se oppføringen Høyeffektfiberlasere og forsterkere for flere detaljer.

Oppkonvertering av fiberlasere

Fiberlasere er spesielt egnet for å realisere oppkonverteringslasere, som vanligvis opererer på relativt sjeldne laseroverganger og krever svært høye pumpeintensiteter. I fiberlasere kan høye pumpeintensiteter opprettholdes over lange avstander, slik at oppnådd forsterkningseffektivitet lett oppnås for overganger med svært lav forsterkning.

I de fleste tilfeller er ikke silikafibre egnet for oppkonverteringsfiberlasere, fordi oppkonverteringsmekanismen krever en lang mellomtilstandstid i det elektroniske energinivået, som vanligvis er svært lite i silikafibre på grunn av den høye fononenergien (se multifotonoverganger). Derfor brukes vanligvis noen tungmetallfluoridfibre, for eksempel ZBLAN (et fluorozirkonat) med lav fononenergi.

De mest brukte oppkonverteringsfiberlaserne er thorium-dopete fibre for blått lys, praseodym-dopede lasere (noen ganger med ytterbium) for rødt, oransje, grønt eller blått lys, og erbium-dopet lasere for triode.

Fiberlasere med smal linjebredde

Fiberlasere kan fungere i bare en enkelt langsgående modus (se enkeltfrekvenslaser, enkeltmodusdrift) med en veldig smal linjebredde på noen få kilohertz eller til og med mindre enn 1 kHz. For langsiktig stabil enkeltfrekvensdrift, og uten tilleggskrav etter å ha vurdert temperaturstabilitet, bør laserhulrommet være kort (f.eks. 5 cm), selv om jo lengre hulrommet i prinsippet er, jo lavere fasestøy og smalere linje bredde. Fiberenden inneholder et smalbåndet fiber Bragg-gitter (se distribuert Bragg-reflektorlaser, DBR-fiberlaser) for å velge en hulromsmodus. Utgangseffekten varierer vanligvis fra noen få milliwatt til titalls milliwatt, og enkeltfrekvente fiberlasere med utgangseffekter på opptil 1 W er også tilgjengelige.

En ekstrem form er distributed feedback-laser (DFB-laser), der hele laserhulrommet er inneholdt i et fiber Bragg-gitter med en faseforskyvning i mellom. Her er hulrommet relativt kort, noe som ofrer utgangseffekt og linjebredde, men enkeltfrekvensdrift er meget stabil.

Fiberforsterkere kan også brukes til å forsterke ytterligere til høyere styrker.

Q-svitsjede fiberlasere

Fiberlasere kan generere pulser med lengder fra titalls til hundrevis av nanosekunder, ved hjelp av ulike aktive eller passive Q-brytere. Pulsenergier på noen få millijoule kan oppnås med fibre med stort modusareal, og kan i ekstreme tilfeller nå titalls millijoule, begrenset av metningsenergien (selv med fibre med stort modusareal) og skadeterskelen (mer uttalt for kortere pulser). Alle fiberenheter (unntatt ledig plassoptikk) er begrenset i pulsenergi, fordi de vanligvis ikke kan implementere fibre med stort modusareal og effektiv Q-svitsjing.

På grunn av den høye laserforsterkningen er Q-switchingen i fiberlasere svært forskjellig fra den i bulklasere og er mer kompleks. Det er vanligvis flere topper i tidsdomenet, og det er også mulig å produsere Q-svitsjede pulser med en lengde som er mindre enn resonatorens tur-retur-tid.

Moduslåste fiberlasere bruker mer komplekse resonatorer (ultrakorte fiberlasere) for å produsere pikosekund- eller femtosekundpulser. Her inneholder laserresonatoren en aktiv modulator eller noen mettede absorbere. Mettede absorbere kan realiseres ved ikke-lineære polarisasjonsrotasjonseffekter eller ved å bruke et ikke-lineært fiberløkkespeil. Ikke-lineære sløyfespeil kan brukes for eksempel i "åtte-figur laseren" i figur 8, hvor venstre side inneholder en hovedresonator og en ikke-lineær fiberring for å forsterke, forme og stabilisere de runde ultrakorte pulsene. Spesielt i harmonisk moduslåsing kreves det ekstra enheter, for eksempel underhulrom som brukes som optiske filtre.