Motivation
Die Anforderungen an optische Komponenten für industrielle Faserlaser im Kilowatt-Bereich sind hoch: Sie müssen einer hohen Temperatur und Photonendichte standhalten, verlustarm, unempfindlich gegenüber Erschütterungen und anderen Umwelteinflüssen sein. Daher gewinnen immer mehr monolithische Faserlaserkonzepte an Bedeutung.
Faser-Bragg-Gitter (FBG) bieten eine Möglichkeit, schmalbandige Reflektoren direkt in der Faser zu realisieren. Sie bestehen aus tausenden streifenförmigen Brechzahländerungen im Kern der Faser, senkrecht zu deren Achse. Diese Streifen sind weniger als ein Mikrometer dick.
Die Leistungsgrenze der Herstellungstechniken für FBGs, die in Hochleistungslasern verbaut werden, sind bei aktiven Großkernfasern erreicht.
Lösung
Die Verwendung von Ultrakurzpulslasern zur Einschreibung der FBG heben die Limitierungen auf. Dabei wird die Brechzahländerung nicht durch photosensitives Material gesteuert, sondern das Glas punktuell aufgeschmolzen.
Dies ist durch nichtlineare Absorption aufgrund der hohen Lichtintensitäten im Fokus des Ultrakurzpulslasers möglich. Die Pulsdauer muss dafür im Femtosekundenbereich liegen. Femtosekundenpuls-geschriebene FBG zeichnen sich durch hervorragende Eigenschaften aus: Sie können direkt ohne Vorbehandlung der Faser in seltenerddotierten Fasern eingeschrieben werden und sind unempfindlich gegenüber Temperaturen bis zu 1.000 °C.
Mittels der Technik des Phasenmasken-Scanning ist es möglich, großflächige FBG in Large Mode Area (LMA) Fasern einzuschreiben. Hierzu wird der Laserstrahl eines nachverstärkten Ultrakurzpuls-Lasersystems durch eine Zylinderoptik auf den Faserkern fokussiert. Die streifenförmige Änderung der Brechzahl wird durch ein Transmissionsgitter aus geätztem Quarzglas – der Phasenmaske – zwischen Faser und Optik erreicht. Um großflächige Strukturen einzuschreiben, werden Faser und Phasenmaske starr zueinander fixiert und unter dem Laserstrahl bewegt.
Auf diese Weise wurden Gitter mit Reflektivitäten von über 95 % bei einer Wellenlänge von 1075 nm direkt in seltenerddotierten LMA-Fasern realisiert. Die FBG wurden anschließend in einem Faserlaseraufbau charakterisiert. Die Kavität bestand dabei aus dem FBG an einem Ende und der Fresnelreflexion (ca. 4 %) am anderen Ende.
Die verwendete Ytterbium-dotierte Faser (Nufern 20/400) ist bei 1075 nm schwach multimodig. Das spezielle FBG Design sorgte für ein stabilen Faserlaserbetrieb. Auf diese Weise wurde im kontinuierlichen Betrieb eine Leistung von 230 W erreicht, wobei die Maximalleistung durch die verwendete Pumpdiode begrenzt war.