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RP Fiber Power: Simulations- und Design-Software für Faseroptik, Faserverstärker und Faserlaser

Fallstudie: Ytterbium-Faserlaser mit Emission bei 975 nm

Aufgabenstellung

Hier wollen wir erkunden, wie man Ytterbium-dotierte Faserlaser mit Emission bei 975 nm realisieren kann. Diese Laserwellenlänge ist ziemlich speziell: Wir haben hier den maximalen Emissionswirkungsquerschnitt der Ytterbium-Ionen, aber auch starke Reabsorption:

cross-sections of Yb-doped glass
Abbildung 1: Absorptions- und Emissionswirkungsquerschnitte von Ytterbium-dotiertem Germanosilikatglas, wie es typischerweise im Kern von Yb-dotierten Glasfasern verwendet wird. (Die Daten stammen von spektroskopischen Messungen von Dr. Paschotta, Ref. [1].)

Unter diesen Verhältnissen erhalten wir positive Verstärkung nur, wenn mehr als 50 % des Ytterbium angeregt sind – wir haben eine starke Drei-Niveau-Lasercharacteristik). Das hat wichtige Folgen für das Laserdesign, die sich insbesondere für Doppelkernfasern als problematisch erweisen.

Wir setzen hier die Power Form für Laser und Verstärker ein. Wir nutzen nur den Teil für Laser und deaktivieren die Verstärkerstufen.

Laser mit Kern-gepumpter Faser

Für einmodige Fasern, die direkt in den Faserkern gepumpt wird, ist die Designaufgabe einfach. Wir wählen die kommerzielle Faser Yb 103 von CorActive, geben Reflektivitäten der Enden an (10 % und 99 %), um einen Laserresonator zu definieren, und konfigurieren eine Pumpquelle mit 250 mW bei 940 nm. Natürlich muss die Pumpwellenlänge kürzer sein als die Laserwellenlänge, weil wir nur so genügend Yb-Anregung für Verstärkung bei der Laserwellenlänge erzielen können.

Wir finden, dass es z. B. mit 3 m Faserlänge gut funktioniert. Betrachten wir die optischen Leistungen und die Yb-Anregung entlang der Faser:

Powers vs. position in the Yb-doped fiber
Abbildung 2: Optische Leistungen und Yb-Anregung entlang der Faser für einen einfachen Faserlaser, gepumpt bei 940 nm.

Wir können auch den Einfluss der Faserlänge anzeigen lassen:

Laser output power vs. fiber length
Abbildung 3: Die Laserleistung als Funktion der Faserlänge für das Pumpen bei 940 nm.

Wir sehen, dass 3 m Faserlänge nur wenig unter dem Optimum liegen und dass die erzielte Leistungseffizienz ordentlich ist, wenn auch nicht perfekt, weil selbst bei der optimalen Faserlänge ein Teil der Pumpleistung nicht absorbiert werden kann. Das liegt im Kern daran, dass man mit einer noch längeren Faser zwar eine effizientere Pumpabsorption erzielt, aber auch noch mehr Reabsorption bei der Laserwellenlänge. Am Ende muss mehr Ytterbium im angeregten Zustand gehalten werden, und dies resultiert in stärkeren Verlusten durch Spontanemission und folglich in einer höheren Laserschwelle.

Mit Pumpen bei 920 nm funktioniert es wegen der stärkeren Pumpabsorption etwas besser, trotz des höheren Quantendefekts:

Laser output power vs. fiber length
Abbildung 4: Die Laserleistung als Funktion der Faserlänge für das Pumpen bei 920 nm.

In jedem Fall bleiben Verluste durch verstärkte Spontanemission (ASE) ziemlich gering, trotz des gewählten starken Auskoppelgrads. Übrigens enthält das Modell keine Reflexion von ASE-Licht am Auskoppler – was realistisch ist, z. B. mit Verwendung eines Faser-Bragg-Gitters. Wir können die ASE-Spektren und das Verstärkungsspektren inspizieren:

ASE output spectra and gain spectrum
Abbildung 5: ASE-Spektren und Verstärkungsspektrum des 975-nm-Faserlasers.

Wir sehen, dass die Verstärkung bei 1030 nm etwas größer ist als die Laserverstärkung, aber nicht groß genug, um starke Verluste durch ASE zu verursachen.

Es wäre einfach, den Auskoppelgrad noch zu optimieren, aber das hätte hier keine große Auswirkung.

Wir sehen, dass es gar nicht schwer ist, einen solchen 975-nm-Faserlaser mit ordentlicher Effizienz zu realisieren. Die Effizienz fällt nur ein wenig niedriger aus als bei Faserlasern für längere Wellenlänge, wo die Laser-Reabsorption schwächer ist.

Laser mit Doppelkernfaser

Nun wählen wir eine Doppelkernfaser – die DCF-YB-6/128 von CorActive – und versuchen, einen 975-nm-Laser mit viel höherer Leistung zu realisieren. Nehmen wir an, dass wir 50 W Pumpleistung haben.

Wir sehen dann schnell, dass dieser Ansatz komplett scheitert. Wenn wir es zunächst mit einer relativ kurzen Faserlänge von 3 m versuchen, erhalten wir sehr unvollständige Pumpabsorption und bekommen nur starke ASE, aber keinen Laserbetrieb, da wir die Laserschwelle nicht erreichen:

double-clad fiber laser with 3 m length
Abbildung 6: Laser mit einer Doppelkernfaser von 3 m Länge.

Wir sehen, dass ASE nun das große Problem ist. Soweit nahmen wir immer noch 99 % Reflektivität am rückwärtigen Reflektor auch für ASE an. Das können wir ändern: Wir beschränken diese Reflektivität auf einen Bereich von 0,1 nm Breite um 975 nm. Das ändert in der Tat viel, ohne aber das Problem zu lösen:

double-clad fiber laser with 3 m length
Abbildung 7: Laser mit einer Doppelkernfaser von 3 m Länge, nun mit schmalbandiger Reflexion auf der Seite, wo das Pumplicht eintritt.

Wir bekommen nun starke ASE in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung, und die Laserschwelle können wir weiterhin nicht erreichen.

Wenn wir die Faserlänge auf 10 m erhöhen, bekommen wir bessere Pumpabsorption, aber erzeugen lediglich die ASE noch effizienter:

double-clad fiber laser with 10 m length
Abbildung 8: Doppelkernfaser mit 10 m Länge.

Wir bekommen ASE nun praktisch nur bei Wellenlängen jenseits von 1030 nm:

ASE output spectra of 10 m long laser
Abbildung 9: ASE-Spektren für den 10 m langen Faserlaser. ASE gibt es praktisch nur bei langen Wellenlängen.

Das Problem kann folgendermaßen verstanden werden:

  • Um genügend starke Pumpabsorption zu erhalten (trotz des geringen räumlichen Überlapps von Pumplicht in der Doppelkernfaser), müssen wir ziemlich viel Ytterbium im System haben (indem wir eine recht lange Faser verwenden).
  • Wenn wir nun die Yb-Anregung durch Pumpen allmählich erhöhen, erhalten wir bald sehr viel Verstärkung in der Region bei 1030 nm, also auch viel ASE – schon lange bevor wir positive Verstärkung bei der Laserwellenlänge haben.

Deswegen können wir solche Laser mit dieser Art von Doppelkernfaser nicht realisieren.

Laser mit Ring-dotierter Faser

Es gibt aber eine Problemlösung, basierend auf einem Faserdesign mit Ring-Dotierung [2]:

  • Wir platzieren das Ytterbium nicht im Faserkern wie üblich, sondern in einem Ring um den Kern herum. Die Dotierung sitzt nun also dort, wo die Laserintensität schon stark abfällt.
  • So können wir eine stärkere Anregung des Ytterbiums haben, ohne zu viel Verstärkung bei 1030 nm zu erhalten.

Das Problem ist nur, eine solche Faser zu beschaffen. Es gibt vermutlich gar keinen kommerziellen Anbieter dafür, weil die Nachfrage fehlt. Wir können aber zumindest ein passendes Faserdesign mit RP Fiber Power entwickeln in der Hoffnung, dann jemanden zu finden, der so etwas herstellen kann. Oder Sie stellen die Faser selbst her, wenn Sie über einen Ziehturm und alles andere für die Faserherstellung verfügen.

Für unser Beispiel erzeugen wir eine Datei mit Faserdaten, die eine abgewandelte Version der vorher verwendeten Doppelkernfaser ist. Hier verwenden wir eine konstante Yb-Dichte in einem Ring mit Radien zwischen 4,5 μm und 5 μm. Das funktioniert gut mit 20 m Faserlänge:

powers vs. position for ring-doped fiber
Abbildung 10: Powers vs. position in the ring-doped fiber.

ASE wird nun stark unterdrückt. Die Leistungseffizienz ist allerdings noch nicht perfekt. Erhebliche Leistungsverluste verusachen zwei Dinge:

  • Die Pumpabsorption ist ordentlich effizient, aber nicht perfekt. Das könnte man noch weiter optimieren.
  • Wir bekommen eine hohe Laserschwelle, da wir viel Ytterbium im System haben. Das verursacht starke Verluste durch Spontanemission, also eine hohe Laserschwelle. Dieses Problem ist schwieriger zu lösen; es resultiert im Kern daraus, dass wir einen schwachen räumlichen Überlapp von Pumplicht und Dotierung haben – eine Folge des großen Durchmessers des Pumpkerns (hier 128 μm). Ein kleinerer Pumpkern könnte realisiert werden, indem man entweder einfach die Faser dünner macht (was aber nicht praktikabel sein mag) oder einen Ring mit reduziertem Brechungsindex um den Pumpkern herum erzeugt. In jedem Fall bräuchten wir dann eine Pumpquelle mit höherer Strahlqualität.

Fazit

Sie können von dieser Demonstration einiges lernen:

  • Mit solchen Simulationen werden Sie oft finden, dass das System nicht so funktioniert, wie sie erwartet hatten. Umgekehrt kommt es auch vor, dass etwas funktioniert, wie Sie es nicht für möglich gehalten hätten. Die Simulationen ermöglichen es Ihnen, Ihre Erwartungen und Vorstellungen zu testen und ggf. zu korrigieren. Auf diese Weise entwickeln Sie ein weit solideres Verständnis der Sachlage, als Sie es je durch Lektüre von Fachbüchern und Artikel erreichen könnten. Übrigens helfen wir Ihnen auch gerne dabei!
  • Mit so einem Simulationsmodell können Sie funktionierende Designs für Ihre Geräte auf schnelle und effiziente Weise finden. Würden Sie stattdessen die Teile bestellen, den Verstärker aufbauen und testen, dann die auftretenden Probleme analysieren und lösen, wäre das sehr viele mühsamer, kostspieliger und zeitraubender!
  • Die Simulation von Faserlasern ist mit der Software RP Fiber Power schnell zu bewerkstelligen: einfach die Parameter eingeben und die erhaltenen numerischen und grafischen Ausgaben inspizieren. Sie können rasch ausprobieren, wie sich geänderte Parameter und Konfigurationen auswirken würden. Die Power Form gibt Ihnen viele Möglichkeiten, beispielsweise mehrere Verstärkerstufen, mehrere Signale und Pumpquellen, etc., und eine große Zahl nützlicher Diagramme steht zur Verfügung.

Bibliography

[1]R. Paschotta et al., “Ytterbium-doped fiber amplifiers”, IEEE J. Quantum Electron. 33 (7), 1049 (1997); https://doi.org/10.1109/3.594865
[2]J. Nilsson, J. D. Minelly, R. Paschotta, A. C. Tropper, and D. C. Hanna, “Ring-doped cladding-pumped single-mode three-level fiber laser”, Opt. Lett. 23 (5), 355 (1998); https://doi.org/10.1364/OL.23.000355