Tutorial: Faserverstärker

Dies ist Teil 7 eines Tutorials über Faserverstärker von Dr. Paschotta.

Teil 7: Faserverstärker für Nanosekunden-Pulse

Wege zur Erzeugung energiereicher Nanosekunden-Pulse

Seltenerd-dotierte Lasermedien wie dotierte Glasfasern haben lange Lebensdauern des oberen Laserniveaus. Das bedeutet, dass wir in einem solchen Bauelement erhebliche Energie speichern können, indem wir es ohne Signaleingang pumpen, und die gesamte gespeicherte Energie dann mit einem einzigen kurzen Puls entnehmen können. Indem man die gespeicherte Energie zeitlich in einen Puls mit einer Dauer von etwa nur wenigen Nanosekunden konzentriert, lassen sich erhebliche Spitzenleistungen erreichen.

Herkömmlich werden intensive Nanosekunden-Pulse mit gütegeschalteten Bulk-Lasern erzeugt. Ein völlig anderer Ansatz besteht darin, eine billige gepulste Seed-Quelle geringer Leistung zu verwenden – etwa eine gainschaltete Laserdiode – und ihre Ausgangsleistung mit einem Faserverstärkersystem auf erhebliche Energien zu verstärken. Reizvoll an diesem Ansatz ist, dass sich Pulswiederholrate und Pulsenergie am Ausgang leicht ändern lassen, ohne die Pulsdauer zu ändern, oder dass man Pulsdauer und Pulsform ändern kann, ohne andere Pulsparameter zu beeinflussen. Ebenso ließen sich zwei oder mehr Seed-Laser mit verschiedenen Wellenlängen kombinieren. In einem gütegeschalteten Laser ist eine so flexible Parametersteuerung nicht möglich; eine geringere Pulsenergie bedeutet dort etwa meist längere Pulse.

Die geringe Spitzenleistung eines gepulsten einmodigen Diodenlasers (typischerweise unter 1 W) bedeutet, dass wir eine recht hohe Verstärkung brauchen, um zu Mikrojoule oder gar Millijoule zu kommen. Mit einer einzelnen Verstärkerstufe, die etwa 40 dB Verstärkung liefert, erhalten wir einige zehn Mikrojoule. Tatsächlich erfordern viele Anwendungen erheblich höhere Pulsenergien, sodass man dann mindestens zwei Verstärkerstufen braucht.

Grenzen durch Faser-Nichtlinearitäten

Obwohl es vergleichsweise einfach ist, viel Verstärkung aus einer Faser zu bekommen, können die Nichtlinearitäten der Faser viele Probleme bereiten:

• Eine harte Grenze ergibt sich aus der katastrophalen Selbstfokussierung bei Spitzenleistungen von einigen Megawatt. Die Faser würde mit einem einzigen Schuss zerstört, wenn man versucht, über diese Grenze hinauszugehen. Bemerkenswerterweise lässt sie sich nicht durch eine Vergrößerung der effektiven Modenfläche der Faser anheben.
• Lange bevor die Selbstfokussierung kritisch wird, kann die Selbstphasenmodulation (SPM) zu erheblichen Effekten führen, wenn auch nicht zur Selbstzerstörung. Sie kann das optische Spektrum erheblich verbreitern – was für manche Anwendungen allerdings keine Rolle spielt, etwa in der Lasermaterialbearbeitung.
• Für schmalbandiges Licht ist die stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) ein sehr stark begrenzender Faktor. Selbst mit einer relativ großen effektiven Modenfläche von 1000 μm² wird die maximal akzeptable Brillouin-Verstärkung von ≈90 dB schon etwa bei nur 400 W über 1 m Faser erreicht (für hinreichend schmalbandige Pulse). Bei zu hoher SBS-Verstärkung setzt eine starke nichtlineare Reflexion ein, das heißt, die Leistung wird zum Seed-Laser zurückgeschickt und kann ihn zerstören.
  Die SBS-Leistungsgrenze lässt sich stark anheben, wenn die Seed-Pulse mit einer großen optischen Bandbreite von vielen Gigahertz oder mehr erzeugt werden können. Leider lässt sich das mit einer Laserdiode allein nicht leicht kontrollieren. Beachten Sie, dass es nicht genügt, ein Spektrum mit mehreren Maxima im Abstand von vielen Gigahertz zu haben; man sollte eine hohe spektrale Leistungsdichte bei jeder Wellenlänge vermeiden. Eine Superlumineszenzdiode wäre in dieser Hinsicht besser, doch ist ihre Spitzenleistung noch geringer.
• Schließlich können Probleme durch die stimulierte Raman-Streuung (SRS) entstehen. Übersteigt die Raman-Verstärkung etwa 70 dB, so wird viel Leistung auf langwelligere Komponenten übertragen, die typischerweise einige zehn Nanometer gegenüber der Signalwellenlänge verschoben sind. Typischerweise beginnt dieses Problem bei etwa 100 kW Spitzenleistung über einige Meter Faser, wenn die Modenfläche relativ groß ist.

Fasern mit größeren Modenflächen helfen, alle diese Grenzen anzuheben, mit Ausnahme der Grenze durch Selbstfokussierung. Leider sind den praktisch erreichbaren Modenflächen Grenzen gesetzt, da man irgendwann in eine zu schwache Führung mit übermäßiger Empfindlichkeit gegenüber Biegeverlusten und Faserunvollkommenheiten gerät.

Beachten Sie, dass Teil 11 unseres Tutorials über passive Faseroptik die Faser-Nichtlinearitäten genauer erklärt.

Grenzen durch Verstärkungssättigung

Bei der Verstärkung von Pulsen auf hohe Energien müssen wir auch die Verstärkungssättigung berücksichtigen. Für Verstärkerfasern mit kleinen Modenflächen liegt die Sättigungsenergie der Verstärkung oft in der Größenordnung einiger zehn Mikrojoule. Mit großen Modenflächen lässt sich das auf einige hundert Mikrojoule steigern. Dennoch ist die gewünschte Energie der verstärkten Pulse oft noch höher, und daraus ergeben sich erhebliche Effekte der Verstärkungssättigung: Die Verstärkung fällt während des Pulses deutlich ab. Da diese Verstärkung die Ausgangsleistung stark beeinflusst, kann die Pulsform stark verzerrt werden. Abbildung 1 zeigt einen Beispielfall, in dem die Ausgangs-Pulsenergie 112 μJ und die Sättigungsenergie der Verstärkung 32 μJ beträgt.

Die strichpunktierte Kurve zeigt die Ausgangsleistung in einem hypothetischen Fall ohne Verstärkungssättigung. In Wirklichkeit erhält man den unteren, verzerrten Puls, da die Verstärkung während der Verstärkung abfällt.

Andererseits müssen wir natürlich im Bereich starker Verstärkungssättigung arbeiten, wenn wir den größten Teil der gespeicherten Energie mit einem einzigen Puls entnehmen wollen. Für eine effiziente Entnahme sollte die Verstärkungssättigung schon am Verstärkereingang stark sein. Das ist oft bei der letzten Verstärkerstufe eines Verstärkersystems der Fall. Für diesen Bereich legt man eine relativ geringe Verstärkung aus, doch erhebliche Pulsverzerrungen sind dennoch unvermeidlich. Beachten Sie allerdings, dass diese bei glatter geformten Pulsen, etwa mit gaußförmigem Verlauf, weniger auffällig und weniger problematisch sind als bei rechteckigen Formen.

Beispiel: Yb-dotierter Verstärker für Nanosekunden-Pulse

Als Zahlenbeispiel für verschiedene Grenzen können wir einen zweistufigen Yb-dotierten Verstärker für super-gaußförmige (nahezu rechteckige) 100-ns-Pulse mit 100 mW Spitzenleistung bei 1060 nm betrachten. Die Energie der Seed-Pulse beträgt dann 10 nJ.

Die erste Verstärkerstufe hat eine Faser mit kleiner Modenfläche von 80 μm², sodass wir mit einer geringen Pumpleistung von 500 mW, wie sie von einer üblichen fasergekoppelten Laserdiode geliefert wird, eine hohe Verstärkung erhalten. Die Seed-Pulse lassen sich auf eine Energie von 4,5 μJ verstärken, was deutlich unter der Sättigungsenergie von 52 μJ liegt. Auch Faser-Nichtlinearitäten sind bei diesen Leistungen kein Problem. Deshalb sind die Pulsverzerrungen schwach, und die Leistungseffizienz ist bei niedrigen Pulswiederholraten gering – was für einen Vorverstärker geringer Leistung normalerweise kaum eine Rolle spielt. Übrigens wird die erreichbare Verstärkung dieses Vorverstärkers durch verstärkte Spontanemission (ASE) begrenzt und könnte bei einer kürzeren Signalwellenlänge wie 1030 nm höher sein.

Für die zweite Stufe verwenden wir eine Doppelmantelfaser (siehe Teil 6) mit einer viermal größeren Modenfläche, da wir wissen, dass die Verstärkungssättigung stark sein wird und eine hohe Verstärkungseffizienz für diese Stufe nicht nötig ist. Mit 5 W Pumpleistung in Rückwärtsrichtung erhalten wir eine Kleinsignalverstärkung von 32 dB, ebenfalls durch ASE begrenzt. Da der Kern leicht mehrmodig ist, ist die ASE verstärkt.

Ohne einen Filter zwischen den beiden Stufen würde die Vorwärts-ASE aus Stufe 1 als Saat für die ASE in Stufe 2 wirken. Das würde die ASE in Stufe 2 sehr stark machen, und wir könnten dort niemals die 32 dB Verstärkung erreichen. Um dieses Problem zu lösen, müssen wir den größten Teil der ASE zwischen den Stufen herausfiltern, mit einem Bandpassfilter der Bandbreite von etwa 5 nm oder weniger. Außerdem verwenden wir einen Faraday-Isolator, der jeden ASE-Übertritt von Stufe 2 nach Stufe 1 verhindert und einen gewissen Schutz gegen zurückreflektiertes Licht bietet.

Nun betrachten wir die zeitliche Entwicklung der Ausgangsleistung und der Ytterbium-Anregung in den beiden Verstärkerstufen (Abbildung 2). Wie zu erwarten war, ist die Verstärkungssättigung in der zweiten Stufe stark, da die Pulsenergie 710 μJ erreicht, weit über der Sättigungsenergie der Verstärkung von 206 μJ. Wir wollen tatsächlich in diesem Bereich arbeiten, um effizient eine hohe Energie zu entnehmen.

Die Verstärkungssättigung ist in Stufe 1 schwach, in Stufe 2 dagegen stark, trotz der höheren Sättigungsenergie.

Aus den zeitabhängigen optischen Leistungen kann man die maximale Raman-Verstärkung in Stufe 2 berechnen und findet 30 dB. Das ist noch auf einem akzeptablen Niveau, das die Effizienz nicht wesentlich beeinträchtigt. Würden wir jedoch vorwärts statt rückwärts pumpen, so würde die Raman-Verstärkung weit höher ausfallen, da die Pulsenergie früher in der Faser auf hohe Werte ansteigen würde, wenn die Verstärkung am Eingangsende der Faser höher ist.

Die zuvor gezeigten Ergebnisse beruhten auf der Annahme, dass wir die beiden Stufen vor der Pulsverstärkung lange pumpen (mehrere Male die Lebensdauer des oberen Laserniveaus von ≈1 ms). (Der stationäre Zustand ist schon nach der Verstärkung sehr weniger Pulse erreicht.) Abbildung 3 zeigt die zeitabhängigen Leistungen im stationären Zustand bei einer Pulsverstärkung mit einer Wiederholrate von 10 kHz. Die Verstärkung ist dann auf ein niedrigeres Niveau gesättigt, besonders in Stufe 2. Die Pulsverzerrung ist nun schwächer, und die Raman-Verstärkung ist weit geringer. Auch der Leistungsverlust durch ASE (nicht gezeigt) wird sehr klein.

Würden wir die Eingangs-Signalleistung verdoppeln, so würde sich der Ausgang der ersten Verstärkerstufe nahezu verdoppeln, da die Sättigung dort schwach ist. Dennoch würde der endgültige Ausgang aus Stufe 2 nur von 344 μJ auf 359 μJ steigen; sie war bereits recht stark gesättigt. Es gibt jedoch andere Fälle, in denen eine erste Stufe stark gesättigt ist, sodass ein stärkeres Eingangssignal auch dann nicht hilft, wenn die zweite Stufe noch nicht gesättigt ist.

Lässt sich die Pulsform der Seed-Quelle mit geeigneter Diodentreiber-Elektronik steuern, so kann man die Eingangs-Pulsform so optimieren, dass eine gewünschte Ausgangs-Pulsform erreicht wird. Man möchte etwa rechteckige Pulse erhalten, also solche mit über eine gewisse Zeit näherungsweise konstanter Leistung. Auch solche Möglichkeiten sind solchen Verstärkersystemen eigen; mit gütegeschalteten Lasern wären sie nicht möglich.

Gepulstes Pumpen?

Für energiereiche Bulk-Verstärker verwendet man oft gepulstes Pumpen. Dabei wird die Pumpenergie kurz vor der Einkopplung des zu verstärkenden Pulses geliefert. Auf diese Weise minimiert man Energieverluste durch spontane Emission und ASE sowie thermische Effekte wie die thermische Linsenwirkung.

Bei Faserverstärkern wird gepulstes Pumpen selten eingesetzt. Das liegt im Wesentlichen daran, dass die Pulsenergie durch andere Faktoren begrenzt wird, etwa durch nichtlineare Effekte, die sich durch gepulstes Pumpen nicht abmildern lassen. Faserverstärker verwendet man meist für höhere Pulswiederholraten, oft deutlich über der inversen Lebensdauer des oberen Laserniveaus, wo gepulstes Pumpen tatsächlich keine wesentlichen Vorteile bietet.

Schlussfolgerungen

Wir haben gesehen, dass gepulste Faserverstärkersysteme eine interessante Alternative zu gütegeschalteten Bulk-Lasern sein können, da sie verschiedene interessante Möglichkeiten eröffnen. Es ist aber auch klar, dass die Entwicklung eines solchen Systems erheblich komplizierter ist. Man muss sich mit vielen möglichen Themen befassen, etwa mit Verstärkungssättigung, ASE und Faser-Nichtlinearitäten. Eine solche Entwicklung ohne gründliche Untersuchungen auf Basis numerischer Simulationen zu versuchen, würde wahrscheinlich scheitern oder zumindest höchst ineffizient sein und nicht zu optimaler Leistungsfähigkeit führen.

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