Vad är en fiberlaser?

Definition: En laser som använder en dopad fiber som ett förstärkningsmedium, eller en laser vars laserresonator mestadels består av fiber.

Fiberlasrar avser vanligtvis lasrar som använder fiber som förstärkningsmedium, även om vissa lasrar som använder halvledarförstärkningsmedia (halvledaroptiska förstärkare) och fiberresonatorer också kan kallas fiberlasrar (eller optiska halvledarlasrar). Dessutom kallas vissa andra typer av lasrar (till exempel fiberkopplade halvledardioder) och fiberförstärkare även fiberlasrar (eller fiberlasersystem).

I de flesta fall är förstärkningsmediet en sällsynt jordartsmetalljondopad fiber, såsom erbium (Er3+), ytterbium (Yb3+), torium (Tm3+) eller praseodym (Pr3+), och en eller flera fiberkopplade laserdioder krävs för pumpning. Även om förstärkningsmediet för fiberlasrar liknar det för solid-state bulklasrar, resulterar vågledareffekten och liten effektiv modarea i lasrar med olika egenskaper. Till exempel har de vanligtvis hög laserförstärkning och höga resonatorkavitetsförluster. Se inläggen fiberlaser och bulklaser.

Figur 1

Fiberlaserresonator

För att erhålla en laserresonator med användning av en optisk fiber kan ett antal reflektorer användas för att bilda en linjär resonator, eller för att skapa en fiberringlaser. Olika typer av reflektorer kan användas i en linjär optisk laserresonator:

figur 2

1. I laboratorieuppställningar kan vanliga dikroiska speglar användas i ändarna av vinkelrätt kluvna fibrer, som visas i figur 1. Denna lösning kan dock inte användas i storskalig produktion och är inte hållbar.

2. Fresnelreflektionen vid änden av en blottad fiber är tillräcklig för att fungera som en utgångskopplare för en fiberlaser. Figur 2 visar ett exempel.

3. Dielektriska beläggningar kan också avsättas direkt på fiberändarna, vanligtvis genom avdunstning. Sådana beläggningar kan uppnå hög reflektivitet över ett brett område.

4. I kommersiella produkter används vanligtvis fiber-Bragg-galler, som kan framställas direkt av dopade fibrer eller genom att skarva odopade fibrer till aktiva fibrer. Figur 3 visar en distribuerad Bragg-reflektorlaser (DBR-laser), som innehåller två fibergitter. Det finns även en distribuerad återkopplingslaser med ett gitter i den dopade fibern och en fasförskjutning däremellan.

5. Om ljuset som emitteras från fibern kollimeras av en lins och reflekteras tillbaka av en dikroisk spegel, kan bättre effekthantering uppnås. Ljuset som tas emot av spegeln kommer att ha en kraftigt reducerad intensitet på grund av den större strålarean. Emellertid kan små felinriktningar orsaka betydande reflektionsförluster, och ytterligare Fresnel-reflektioner vid fiberändfasetterna kan ge filtereffekter. Det senare kan undertryckas genom att använda vinklade kluvna fiberändar, men detta introducerar våglängdsberoende förluster.

6. Det är också möjligt att bilda en optisk slingreflektor med användning av en fiberkopplare och passiva fibrer.

De flesta optiska lasrar pumpas av en eller flera fiberkopplade halvledarlasrar. Pumpljuset kopplas direkt in i fiberkärnan eller med hög effekt in i pumpbeklädnaden (se dubbelklädda fibrer), vilket kommer att diskuteras i detalj nedan.

Det finns många typer av fiberlasrar, varav några beskrivs nedan.

Det finns många typer av fiberlasrar, varav några beskrivs nedan.

Fiberlasrar med hög effekt

Till en början kunde fiberlasrar endast uppnå uteffekter på några milliwatt. Idag kan högeffektfiberlasrar uppnå uteffekter på flera hundra watt, och ibland till och med flera kilowatt från singelmodsfibrer. Detta uppnås genom att öka bildförhållandet och vågledareffekterna, vilket undviker termoptiska effekter.

Se posten Högeffektfiberlasrar och förstärkare för mer information.

Uppkonverteringsfiberlasrar

Fiberlasrar är särskilt lämpliga för att realisera uppkonverteringslasrar, som vanligtvis arbetar på relativt sällsynta laserövergångar och kräver mycket höga pumpintensiteter. I fiberlasrar kan höga pumpintensiteter bibehållas över långa avstånd, så att den erhållna förstärkningseffektiviteten lätt uppnås för övergångar med mycket låg förstärkning.

I de flesta fall är kiseldioxidfibrer inte lämpliga för uppkonverteringsfiberlasrar, eftersom uppkonverteringsmekanismen kräver en lång mellantillståndslivslängd i den elektroniska energinivån, som vanligtvis är mycket liten i kiseldioxidfibrer på grund av den höga fononenergin (se multifotonövergångar). Därför används vanligtvis vissa tungmetallfluoridfibrer, såsom ZBLAN (ett fluorozirkonat) med låg fononenergi.

De mest använda uppkonverteringsfiberlasrarna är toriumdopade fibrer för blått ljus, praseodymdopade lasrar (ibland med ytterbium) för rött, orange, grönt eller blått ljus och erbiumdopade lasrar för triod.

Fiberlasrar med smal linjebredd

Fiberlasrar kan endast fungera i ett enda longitudinellt läge (se enkelfrekvenslaser, enkellägesdrift) med en mycket smal linjebredd på några kilohertz eller till och med mindre än 1 kHz. För långsiktigt stabil enkelfrekvensdrift, och utan ytterligare krav efter att ha beaktat temperaturstabilitet, bör laserkaviteten vara kort (t.ex. 5 cm), även om ju längre kaviteten i princip är desto lägre fasbrus och desto smalare linjebredd. Fiberänden innehåller ett smalbandigt fiber Bragg-gitter (se distribuerad Bragg-reflektorlaser, DBR-fiberlaser) för att välja ett kavitetsläge. Uteffekten sträcker sig vanligtvis från några milliwatt till tiotals milliwatt, och enkelfrekvensfiberlasrar med uteffekter upp till 1 W finns också tillgängliga.

En extrem form är den distribuerade återkopplingslasern (DFB-lasern), där hela laserkaviteten är innesluten i ett fiber Bragg-gitter med en fasförskjutning däremellan. Här är kaviteten relativt kort, vilket offrar uteffekt och linjebredd, men enkelfrekvensdrift är mycket stabil.

Fiberförstärkare kan också användas för att ytterligare förstärka till högre effekter.

Q-switchade fiberlasrar

Fiberlasrar kan generera pulser med längder från tiotals till hundratals nanosekunder, med hjälp av olika aktiva eller passiva Q-switchar. Pulsenergier på några millijoule kan uppnås med fibrer med stor modarea, och kan i extrema fall nå tiotals millijoule, begränsad av mättnadsenergin (även med fibrer med stor modarea) och skadetröskeln (mer uttalad för kortare pulser). Alla fiberenheter (förutom optik med fritt utrymme) är begränsade i pulsenergi, eftersom de vanligtvis inte kan implementera fibrer med stor yta och effektiv Q-omkoppling.

På grund av den höga laserförstärkningen är Q-switching i fiberlasrar mycket annorlunda än den i bulklasrar och är mer komplex. Det finns vanligtvis flera toppar i tidsdomänen, och det är också möjligt att producera Q-switchade pulser med en längd som är mindre än resonatorns tur och returtid.

Mode-locked fiberlasrar använder mer komplexa resonatorer (ultrashort fiber-lasrar) för att producera pikosekund- eller femtosekundpulser. Här innehåller laserresonatorn en aktiv modulator eller några mättade absorbatorer. Mättade absorbatorer kan realiseras genom olinjära polarisationsrotationseffekter eller genom att använda en olinjär fiberöglespegel. Icke-linjära slingspeglar kan användas till exempel i "åtta-lasern" i figur 8, där den vänstra sidan innehåller en huvudresonator och en icke-linjär fiberring för att förstärka, forma och stabilisera de ultrakorta tur-och returpulserna. Speciellt vid låsning av harmoniskt läge krävs ytterligare anordningar, såsom subkaviteter som används som optiska filter.