Was ist ein Faserlaser? Faserlaser. Faserlaser, seine Hauptmerkmale

Die Untersuchung des Problems des Laserschneidens von Metallen muss mit einer Betrachtung der physikalischen Prinzipien des Laserbetriebs beginnen. Da im weiteren Verlauf der Arbeit alle Untersuchungen zur Genauigkeit des Laserschneidens dünner Blechmaterialien an einem Laserkomplex unter Verwendung eines Ytterbium-Faserlasers durchgeführt werden, werden wir uns mit dem Design von Faserlasern befassen.

Ein Laser ist ein Gerät, das Pumpenergie (Licht, elektrisch, thermisch, chemisch usw.) in die Energie eines kohärenten, monochromatischen, polarisierten und gezielten Strahlungsflusses umwandelt.

Faserlaser wurden erst vor relativ kurzer Zeit, in den 1980er Jahren, entwickelt. Derzeit sind Modelle fasertechnologischer Laser mit einer Leistung von bis zu 20 kW bekannt. Ihre spektrale Zusammensetzung reicht von 1 bis 2 μm. Der Einsatz solcher Laser ermöglicht es, unterschiedliche zeitliche Strahlungscharakteristiken bereitzustellen.

In letzter Zeit ersetzen Faserlaser aktiv traditionelle Laser in Anwendungsbereichen der Lasertechnologie wie beispielsweise dem Laserschneiden und -schweißen von Metallen, der Markierung und Oberflächenbehandlung, dem Drucken und dem Hochgeschwindigkeitslaserdruck. Sie werden in Laser-Entfernungsmessern und dreidimensionalen Ortungsgeräten, Telekommunikationsgeräten, medizinischen Anlagen usw. eingesetzt.

Die Haupttypen von Faserlasern sind Dauerstrich-Einmodenlaser, einschließlich Einzelpolarisations- und Einzelfrequenzlaser; gepulste Faserlaser, die in den Modi Güteschaltung, Modenkopplung und Zufallsmodulation arbeiten; abstimmbare Faserlaser; superlumineszierende Faserlaser; leistungsstarke kontinuierliche Multimode-Faserlaser.

Das Funktionsprinzip des Lasers basiert auf der Übertragung von Licht von einer Fotodiode durch eine lange Faser. Ein Faserlaser besteht aus einem Pumpmodul (meist Breitband-LEDs oder Laserdioden), einem Lichtleiter, in dem die Laserung erfolgt, und einem Resonator. Der Lichtleiter enthält eine aktive Substanz (dotierte optische Faser – ein Kern ohne Mantel, im Gegensatz zu herkömmlichen optischen Wellenleitern) und Pumpwellenleiter. Das Design des Resonators wird in der Regel durch die technischen Spezifikationen bestimmt, die gängigsten Klassen können jedoch unterschieden werden: Resonatoren vom Fabry-Perot-Typ und Ringresonatoren. In Industrieanlagen werden manchmal mehrere Laser in einer Anlage kombiniert, um die Ausgangsleistung zu erhöhen. In Abb. Abbildung 1.2 zeigt ein vereinfachtes Diagramm eines Faserlasergeräts.

Reis. 1.2. Typische Faserlaserschaltung.

1 - aktive Faser; 2 - Bragg-Spiegel; 3 - Pumpblock.

Das Hauptmaterial für aktive optische Fasern ist Quarz. Die hohe Transparenz von Quarz wird durch die gesättigten Zustände der Energieniveaus der Atome gewährleistet. Durch Dotierung eingebrachte Verunreinigungen verwandeln Quarz in ein absorbierendes Medium. Durch Auswahl der Pumpstrahlungsleistung ist es in einer solchen Umgebung möglich, einen umgekehrten Zustand der Besetzung von Energieniveaus zu erzeugen (d. h. Hochenergieniveaus werden stärker gefüllt als das Bodenniveau). Aufgrund der Anforderungen an die Resonanzfrequenz (Infrarotbereich für Telekommunikation) und die niedrige Pumpleistung erfolgt die Dotierung in der Regel mit Seltenerdelementen der Lanthanoidengruppe. Einer der gebräuchlichsten Fasertypen ist Erbium, das in Laser- und Verstärkersystemen verwendet wird und dessen Arbeitsbereich im Wellenlängenbereich von 1530–1565 nm liegt. Aufgrund der unterschiedlichen Wahrscheinlichkeit von Übergängen zur Hauptebene von Unterebenen der metastabilen Ebene unterscheidet sich die Effizienz der Erzeugung oder Verstärkung für verschiedene Wellenlängen im Betriebsbereich. Der Grad der Dotierung mit Seltenerdionen hängt in der Regel von der Länge der herzustellenden aktiven Faser ab. Innerhalb eines Bereichs von bis zu mehreren zehn Metern kann der Wert zwischen zehn und tausend ppm liegen, bei kilometerlangen Längen beträgt er 1 ppm oder weniger.

Bragg-Spiegel – ein verteilter Bragg-Reflektor – sind eine Schichtstruktur, bei der sich der Brechungsindex des Materials periodisch in einer Raumrichtung (senkrecht zu den Schichten) ändert.

Für das Pumpen optischer Wellenleiter gibt es verschiedene Bauformen, am häufigsten handelt es sich um reine Faserbauformen. Eine Möglichkeit besteht darin, die aktive Faser in mehreren Hüllen zu platzieren, von denen die äußere schützend ist (die sogenannte doppelt beschichtete Faser). Die erste Schale besteht aus reinem Quarz mit einem Durchmesser von mehreren hundert Mikrometern, die zweite aus einem Polymermaterial, dessen Brechungsindex deutlich niedriger als der von Quarz gewählt ist. Somit bilden der erste und der zweite Mantel einen Multimode-Wellenleiter mit großem Querschnitt und numerischer Apertur, in den die Pumpstrahlung eingekoppelt wird. In Abb. Abbildung 1.3 zeigt das Pumpdiagramm eines Lasers auf Basis einer doppelt beschichteten Faser.

Reis. 1.3. Pumpschaltung für einen Laser auf Basis einer doppelt beschichteten Faser.

Zu den Vorteilen von Faserlasern gehört traditionell ein signifikantes Verhältnis der Resonatorfläche zu ihrem Volumen, das eine hochwertige Kühlung, thermische Stabilität von Silizium und kleine Gerätegrößen in ähnlichen Leistungsklassen und Qualitätsanforderungen gewährleistet. Für die spätere Nutzung in der Technik muss ein Laserstrahl in der Regel in eine optische Faser eingekoppelt werden. Dies erfordert bei Lasern anderer Bauart spezielle optische Kollimationssysteme und macht die Geräte vibrationsempfindlich. Bei Faserlasern wird die Strahlung direkt in der Faser erzeugt und weist eine hohe optische Qualität auf. Die Nachteile dieses Lasertyps sind die Gefahr nichtlinearer Effekte aufgrund der hohen Strahlungsdichte in der Faser und die relativ geringe Ausgangsenergie pro Puls aufgrund des geringen Volumens des Wirkstoffs.

Faserlaser sind Festkörperlasern in Anwendungen unterlegen, bei denen eine hohe Polarisationsstabilität erforderlich ist und die Verwendung polarisationserhaltender Fasern aus verschiedenen Gründen schwierig ist. Festkörperlaser können im Spektralbereich von 0,7–1,0 Mikrometer nicht durch Faserlaser ersetzt werden. Sie bieten im Vergleich zu Glasfaserkabeln auch ein größeres Potenzial zur Steigerung der Impulsausgangsleistung. Faserlaser funktionieren jedoch gut bei Wellenlängen, bei denen es für andere Laserdesigns keine ausreichend guten aktiven Medien oder Spiegel gibt, und ermöglichen eine einfachere Implementierung einiger Laserdesigns wie der Aufwärtskonvertierung.

Ein Laser ist ein Gerät, das Pumpenergie (Licht, elektrisch, thermisch, chemisch usw.) in die Energie eines kohärenten, monochromatischen, polarisierten und gezielten Strahlungsflusses umwandelt.

Reis. 1.2. Typische Faserlaserschaltung.

1 - aktive Faser; 2 - Bragg-Spiegel; 3 - Pumpblock.

Bragg-Spiegel – ein verteilter Bragg-Reflektor – sind eine Schichtstruktur, bei der sich der Brechungsindex des Materials periodisch in einer Raumrichtung (senkrecht zu den Schichten) ändert.

Reis. 1.3. Pumpschaltung für einen Laser auf Basis einer doppelt beschichteten Faser.

Unter Faserlasern versteht man optisch gepumpte Festkörperlaser, deren aktives Element ein Faserlichtleiter mit Zusätzen von Laseraktivatoren ist. Am vielversprechendsten für Lichtleitersysteme sind Laser, die auf durch Neodym-Ionen aktivierten Fasern basieren. Neodym-Ionen haben zwei Hauptlaserlinien mit zentralen Wellenlängen µm und µm, die im Spektralbereich liegen, in dem Verluste und Streuung des Lichts in Quarzfasern minimal sind.

Reis. 4.11. Abhängigkeit der Länge des Relaisabschnitts von der Informationsübertragungsrate für eine Stufenfaser mit Dämpfung für Mikrometer:

1 – für eine Laserdiode (der charakteristische Abfall im BC-Abschnitt ist auf die Intermode-Dispersion zurückzuführen) 2 – für eine Sbeto-emittierende Diode (der charakteristische Abfall ist auf das breite Spektrum der Diode im Abschnitt zurückzuführen und zusätzlich zu der Abnahme der Frequenzcharakteristik im Abschnitt)

Die spektralen Eigenschaften der Verstärkung von Neodym sind praktisch unabhängig von äußeren Bedingungen; die Temperaturdrift der Wellenlänge, die der maximalen Verstärkung von Neodymionen entspricht, ist gleich, während dieser Parameter für Halbleitermedien gleich ist. Das Faserdesign des Emitters ermöglicht die Verwendung von Standardanschlüssen Führen Sie Strahlung effektiv in Faserlichtleiter ein, einschließlich Singlemode-Lichtleitern.

Trotz dieser Vorteile und, wie weiter unten gezeigt wird, einer breiten Funktionalität haben Faserlaser das Forschungsstadium noch nicht verlassen. Dies erklärt sich dadurch, dass bei der Erstellung faseroptischer Systeme viele Probleme mit ausgereiften Halbleiteremittern gelöst wurden, insbesondere bei relativ einfachen Systemen, die überhaupt erst realisiert werden, wo einer der Hauptvorteile von Halbleiterquellen eine entscheidende Rolle spielt - die Möglichkeit der direkten Modulation der Strahlungsintensität durch den Pumpstrom. Bei Festkörperlasern, insbesondere bei Lasern auf Basis von Neodym-aktivierten Medien, ist eine schnelle Modulation der Strahlungsintensität durch Änderung der Pumpleistung aufgrund der relativ langen longitudinalen Relaxationszeit grundsätzlich nicht möglich. Die Unfähigkeit, die invertierte Population schnell „einzuschalten“, begrenzt die direkten Modulationsfrequenzen auf Hz-Werte. Entwicklung von Lichtleitersystemen, insbesondere vielversprechenden Systemen der nahen Zukunft mit kohärentem Empfang und Mehrkanalspektral

Die Verdichtung fördert die Entwicklung von Faserlasern, die nicht nur als Generatoren, sondern auch als Lichtverstärker eingesetzt werden können.

Bestehende Faserlaserkonstruktionen lassen sich in drei Gruppen einteilen. Faserlaser der ersten Gruppe nutzen Bündel aus mehreren langen Fasern und starkes Pumpen mit gepulsten Gasentladungslampen. In solchen Strukturen entsteht eine positive Rückkopplung durch die Reflexion des Lichts an den Enden der Fasern und die Rückstreuung an Mikrokrümmungen und Inhomogenitäten.

Reis. 4.12. Ausführungen von Faserlasern: a – mit Endpumpen; b – mit Querpumpen für Fasern mit kleinem Durchmesser, c – mit direkter Verlegung der Fasern auf einem Lineal – emittierende Plattform – Laserresonatorspiegel, strahlungsdurchlässig, 13 – aktive Faser, 5 – Resonatorspiegel; 6 – optischer Kleber, 8 – Reflektor, 9 – Glaszylinder, 10, 12 – Strahler; 11, 14 - LED-Linien

Das Rohrpumpen ermöglicht die Erzielung hoher Gewinne in einem einzigen Durchgang, erfordert jedoch den Einsatz von Zwangsflüssigkeitskühlsystemen und sperrigen Netzteilen, was die Entwicklung kleiner Geräte offenbar unrealistisch macht. Gewisse Aussichten in diesem Sinne könnten im Einsatz von Gasentladungs-Mikrolampen liegen. Zu den Vorteilen lampengepumpter Designs gehört die Möglichkeit, sie als optische Wanderwellenverstärker und regenerative Verstärker mit einer relativ hohen Verstärkung (~ 30–40 dB) zu verwenden.

Die zweite Gruppe von Faserlaserdesigns verwendet kurze Längen monokristalliner Fasern und Glasfasern, die mit Neodymionen dotiert sind. Das Pumpen erfolgt durch das Ende der Faser mit einem Halbleiterlaser oder einer LED. Eine ausreichend hohe Pumpeffizienz wird erreicht, indem das Emissionsspektrum eines Halbleiteremitters auf Basis eines GaAlAs-GVD mit einer der intensiven Absorptionslinien von Neodym mit einer Zentralwellenlänge von ca

0,81 µm. Der Aufbau von Faserlasern der zweiten Gruppe ist in Abb. schematisch dargestellt. 4.12, a. Aufgrund der geringen Verstärkung des aktiven Mediums entsteht der Laserhohlraum

dielektrische Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen. Diesen Aufbau haben Laser auf Basis monokristalliner Fasern aus Yttrium-Aluminium-Granat mit Neodym und Glasquarzfasern mit Neodym. Es gibt Berichte über die Erzeugung mit Endpumpen durch einen Kryptonlaser in einer kristallinen Faser und mit Pumpen durch einen Argonlaser in einer Rubinfaser. Die besten Ergebnisse wurden bei Verwendung eines Kristalls mit einer Fasergeometrie von 0,5 cm Länge und 80 cm erzielt μm im Durchmesser. Der externe Resonator (Abb. 4.12, a) wurde durch Spiegel mit dielektrischer Beschichtung gebildet, von denen einer ein Reflexionsvermögen für Laserstrahlung im Mikrometerbereich und nur für Pumpstrahlung aufwies, der zweite Spiegel mit dem gleichen hohen Reflexionsvermögen für Laserstrahlung reflektierte die Pumpe Licht recht gut. Die Spiegel befanden sich fast nahe an den Enden der Faser. Das Pumpen erfolgte durch eine Oberflächen-LED mit einem emittierenden Flächendurchmesser von 85 μm. Der Schwellenwert der Pumpenleistung betrug

Die Hauptvorteile von Faserlasern dieser Bauart sind der geringe Stromverbrauch und die Gesamtabmessungen. Hauptnachteile: Der Endpumpkreislauf erlaubt keine Verwendung von Fasersegmenten mit einer Länge von mehr als 1 cm, was die Ausgangsleistung begrenzt. Darüber hinaus ist die Herstellungs- und Ausrichtungstechnologie dieser Laser komplex und das Vorhandensein einer Pump-LED an einem der Enden erschwert die Verwendung des Lasers als optischer Signalverstärker.

Multiturn-Faserlaser mit Querpumpen durch LED-Balken (Abb. stellt die Designs der dritten Gruppe dar. Auf dem LED-Balken sind mehrere Glasfaserwindungen platziert, deren Kern durch Neodym-Ionen aktiviert wird. Das Design gewissermaßen vereint die Vorteile von Faserlasern der ersten und zweiten Gruppe und weist die meisten ihrer Nachteile nicht auf. Die Verwendung von Halbleiteremittern als Pumpquellen macht solche Systeme recht klein, die Verwendung eines Querpumpschemas und langer Faserabschnitte macht sie recht klein Es ist möglich, in einem Durchgang einen ziemlich großen Gewinn zu erzielen. Aufgrund des geringen Durchmessers von Faserlichtleitern in einem transversal gepumpten Schema ist die Verwendung von Glasfasern mit einer hohen Ionenkonzentration effektiv Neodym und dementsprechend mit einem hohen Absorptionskoeffizienten von Pumplicht. Solche Eigenschaften besitzen Fasern aus Neodym-Ultraphosphaten. Die mehrgängige Faserverlegung auf LED-Streifen kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Dabei wird ein Stück Faser wiederholt durch einen Glaszylinder mit einem Durchmesser von etwa 1 mm gezogen (Abb. 4.12, b), auf dessen Außenfläche eine reflektierende Beschichtung aufgebracht ist

Steigerung der Effizienz der Pumpstrahlung. Diese Methode wird für Fasern mit einem kleinen Außendurchmesser (µm) bevorzugt. Fasern mit größerem Durchmesser können Windung für Windung auf die LED-Linie gelegt werden (Abb. 4.12, c). Beide Designs können als optische Wanderwellenverstärker verwendet werden, wobei ein Ende des Lichtleiters als Verstärkereingang und das andere als Ausgang dient. Das Aufbringen von Spiegelbeschichtungen auf die Enden der Fasern ermöglicht das Lasern mit einem Fabry-Perot-Faserresonator.

Die Eigenschaften von Laserprozessen in aktiven optischen Fasern werden durch das Vorhandensein einer spezifischen Lasererzeugung ohne positive Rückkopplung bestimmt.

Reis. 4.13. Faserlichtleiter: a – mit einem aktiven Kern und einem passiven Mantel; b – mit einem passiven Kern und einer aktiven Hülle (2)

Dies ist der Hauptunterschied zwischen Faserlasern und Lasern, die auf volumetrischen aktiven Elementen basieren. Um das Wesen dieses Prozesses zu erklären, der dem Superlumineszenzregime in Halbleiter-LEDs nahe kommt, betrachten wir einen elementaren Abschnitt des Lichtleiters, in dem eine invertierte Population erzeugt wird (Abb. 4.13, a). Die spontane Emission tritt mit gleicher Wahrscheinlichkeit in alle Richtungen auf, aber die Strahlung, die in zwei Winkelkegeln konzentriert ist, die eine gemeinsame Achse mit der Faser haben und durch einen Öffnungswinkel von 20 bestimmt werden, verlässt den Kern nicht. Hier

Wo sind die Brechungsindizes des Kerns bzw. des Mantels? Diese Strahlung regt Eigenschwingungen (Moden) der Faser an, die durch stimulierte Emission während der Ausbreitung entlang der Faser nach rechts und links verstärkt werden (Abb. 4.13, a). Das gleiche Bild ergibt sich für jeden anderen Elementarabschnitt des aktiven Faserkerns. Am Ausgang einer solchen Faserlichtquelle wird die Strahlungsdivergenz näherungsweise durch die numerische Apertur der Faser bestimmt

Solange die Intensität der Lichtwellen, die sich in einem aktiven Lichtleiter aufeinander zu ausbreiten, deutlich geringer ist als der Wert, der die Verstärkung sättigt, sind die sich gegenläufig ausbreitenden Wellen unabhängig, ebenso wie die von verschiedenen Moden des Lichtleiters übertragenen Energien. Unter diesen Bedingungen wird der Prozess der Verstärkung der spontanen Emission aufgrund der stimulierten Emission durch die bekannten Gleichungen eines Laserverstärkers ohne Sättigung und unter Berücksichtigung der spontanen Emission beschrieben. Die spektrale Leistungsdichte der Strahlung in einem Modus am Ausgang des aktiven Abschnitts einer Faser der Länge (Abb. 4.13, a) ist gleich

Hier ist die Plancksche Konstante; - Frequenz der Lichtschwingungen; - Population der oberen und unteren Laserebene; - Gewinn pro Längeneinheit, wobei es sich um den Einstein-Koeffizienten für den erzwungenen Übergang handelt; – normalisierte Form der spektralen Verstärkungslinie; c ist die Lichtgeschwindigkeit. Die maximal erzeugte Leistung kann entweder durch die Länge der Faser oder, wie bei Lasern mit Resonatoren, durch die Sättigung begrenzt werden. Naturgemäß verengt sich während des Verstärkungsprozesses das Erzeugungsspektrum im Vergleich zum Lumineszenzspektrum, da die Spektralkomponenten in der Mitte der Linie stärker verstärkt werden. Die Breite des Spektrums wird durch die Verstärkung und Form bestimmt, und das Emissionsspektrum ist aufgrund des Fehlens eines Resonators kontinuierlich.

Der betrachtete spezifische Faserlaserprozess weist drei wesentliche Aspekte auf.

1. Aktiver Faserlichtleiter kann als Lichtquelle ohne optischen Resonator verwendet werden.

2. Bei der Herstellung von Faserlasern mit herkömmlichem Hohlraumdesign muss berücksichtigt werden, dass der betrachtete Prozess in einem Durchgang zu einer Sättigung führen kann, wodurch die Rückkopplung ihre Bedeutung verliert. In diesem Fall müssen die Werte von und so gewählt werden, dass sie weit von dem Wert entfernt sind, der die Verstärkung sättigt.

3. Bei faseroptischen Verstärkern ist die Erzeugung von Licht als Ergebnis des besprochenen Prozesses die Hauptrauschquelle. Die spektrale Rauschleistungsdichte in einem Modus, umgerechnet auf den Verstärkereingang, wie aus Formel (4.12) folgt, ist gleich

In einem Vier-Ebenen-System wie der Neodym-Laser-Ebenenschaltung normalerweise mit hohen Verstärkungen

Bei volumetrischen Verstärkern galt das Rauschen der verstärkten Spontanemission lange Zeit als grundsätzlich unentfernbar (siehe z. B. Arbeit), bei Faserverstärkern kann sein Pegel jedoch bei Verwendung des in Abb. gezeigten Lichtleiters deutlich reduziert werden. 4.13, 6. Singlemode-Faser, deren Kern beispielsweise aus Quarzglas mit einem den Brechungsindex erhöhenden Zusatz besteht, weist eine Ummantelung aus durch Neodym-Ionen aktiviertem Glas auf. Die Erzeugung einer inversen Besetzung im Mantel führt zu einer Verstärkung des Kernmodus mit einem effektiven Gewinn

wo ist der Gewinn in der Schale; - Teil der Kernmodenleistung, die sich im Mantel ausbreitet; P ist die Gesamtleistung, die in diesem Modus übertragen wird. Das Verhältnis ändert sich von 0,99 auf 0,1, wenn sich der Faserparameter von 0,6 auf 2,4048 ändert. Wenn der Kern beginnt, den Hauptmodus effektiv zu lenken, indem er sein Feld in seiner Nähe lokalisiert, wird der zweite Modus angeregt. Die Formel wurde auf die gleiche Weise erhalten wie der Ausdruck für den Dämpfungskoeffizienten einer Faser mit einem Mantel, in dem Strahlungsverluste auftreten, deren Qualität denen der Faser unterlegen ist. Wesentliche Nachteile ersterer sind die Temperaturinstabilität der Verstärkungsleitung (für Mikrometer), erhebliche Verluste beim Anschluss von Singlemode-Faserlichtleitern an den planaren Lichtleiter des Verstärkers und eine hohe Rauschleistung – Superlumineszenzstrahlung.

Faserlaser eröffnen die Möglichkeit, neuartige FODs zu erzeugen. Das empfindliche Element, ein Faserlichtleiter, ist hier Teil eines Faserrings oder linearen Laserresonators.

Reis. 4.14. Einzelfrequenz-Faserlaser mit verteilter Rückkopplung (a) und Bragg-Spiegeln (b): 1 – aktiver Kern; 2 - Schale mit periodischer Struktur

Eine Änderung der Phase von Lichtschwingungen unter dem Einfluss äußerer Faktoren führt zu einer Änderung der Erzeugungsfrequenzen verschiedener Moden in Lasern. Informationen über äußere Einflüsse sind in der Änderung der Frequenz von Intermode-Schlägen enthalten. Basierend auf einem Faserlaser mit Ringresonator, der durch Verschweißen oder Lösen der Enden des Lichtleiters realisiert wird, lässt sich ganz einfach ein kleiner Laserfaserkreisel erstellen.

Stabile Einzelfrequenz-Faserlaser können als Design mit verteilter Rückkopplung oder verteilter Bragg-Reflexion implementiert werden. Dazu wird in bestimmten Abschnitten der Faser ein faserreflektierender Spektralfilter mit einer der nachfolgend beschriebenen Methoden erzeugt (siehe Abschnitt 4.8) (Abb. 4.14). Solche Quellen können in Phasenwasserdioden verwendet werden.

Der Einsatz superlumineszierender Faserlaser ermöglicht es, das Design passiver Fasergyroskope zu vereinfachen und ihre Empfindlichkeit zu erhöhen, indem der durch das Vorhandensein volumetrischer Elemente verursachte Geräuschpegel reduziert wird. Bei Ringinterferometern und Gyroskopen nimmt der Rauschpegel mit abnehmender Kohärenzlänge der Quellstrahlung und der Anzahl der volumetrischen Elemente ab (siehe Abschnitt 3.6). In einer Faserquelle lässt sich aufgrund von Rotation und nichtreziproken Effekten leicht sicherstellen, dass die Kohärenzlänge der Strahlung größer ist als der Wegunterschied zwischen den sich gegenläufig ausbreitenden Wellen des Interferometers. Superlumineszierende Faserlaser haben eine Spektrumsbreite von nm und eine ziemlich hohe Pulsleistung. Eine solche Quelle

Wird über Standardkoppler mit einem Faserringinterferometer verbunden.

Diodenlasermodule Diodenlasermodule der DLM-Serie werden mit einer Ausgangsleistung von bis zu 100 W hergestellt. Diese Laser zeichnen sich durch ihre kompakte Bauweise, hohe Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit aus. Sie arbeiten bei einer Wellenlänge von etwa 970 nm, haben einen Plug-in-Wirkungsgrad von 40–45 %, sind für konduktive oder forcierte Luftkühlung ausgelegt und erfordern während ihrer gesamten Lebensdauer keinen Austausch von Elementen. Die Strahlungsausgabe erfolgt über eine flexible Lichtleitfaser mit einem Durchmesser von 0,1...0,3 mm, geschützt durch ein Metallgehäuse. Zur einfacheren Bedienung der Module kann der unsichtbaren Betriebsstrahlung eine leistungsschwache Strahlung eines Pilotlasers im roten oder grünen Bereich beigemischt werden.

Der Steuerkreis des Lasermoduls bietet Funktionen zum Ein-/Ausschalten der Ausgangsstrahlung, zur Steuerung der Ausgangsleistung, zur Überwachung der Modulparameter und zur Steuerung des Pilotlasers. Zulässige Modulationsfrequenzen der Ausgangsstrahlung betragen bis zu 50 kHz. Die Stromversorgung der Module erfolgt über Niederspannungs-Gleichstromquellen.

Hauptvorteile
- Kompaktes Design
- Abgabe von Glasfaserstrahlung
- Wirkungsgrad bis zu 45 %
- Konduktions- oder Luftkühlung
- Strahlungsmodulation mit Frequenzen bis 50 kHz
- Hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer
- Keine Wartung erforderlich

Einsatzgebiete
- Löten
- Schweißen von Kunststoffen
- Wärmebehandlung
- Oberflächenreinigung
- Medizinische Geräte
- Laserpumpen
- Wissenschaftliche Forschung

Optionen
- Grün/roter Pilotlaser

Typische Spezifikation

Optionen	DLM-5	DLM-10	DLM-15	DLM-30	DLM-50	DLM-75	DLM-100
Betriebsart	Kontinuierlich, modulierend bis 50 kHz
Maximale Ausgangsleistung	5	10	15	30	50	75	100
Strahlungswellenlänge	970
Fasereigenschaften
Optischer Ausgang	Glasfaser mit blankem Ende/geschützte Endfläche/optischer Stecker					Geschützter Rand/optischer Anschluss
Faserlänge, m	bis zu 20 m
Betriebsarten
Temperaturbedingungen, °C	0…+40
Maße
Größe, mm	130 x 230 x 36,5					252 x 220 x 75
Gewicht (kg	3	3	3	5	5	7	8

CW-Ytterbium-Laser

Die Ytterbium-Dauerstrichlaser der ILM-Serie sind für die Integration in Endbenutzergeräte für verschiedene Anwendungen konzipiert und für raue Betriebsbedingungen ausgelegt – mit hohem Vibrations- und Verschmutzungsgrad, Luftfeuchtigkeit bis zu 90 % und großen Temperaturunterschieden. Kompakte, wartungsfreie, diodengepumpte Ytterbium-Faserlaser erzeugen Strahlung im Spektralbereich von 1030–1080 nm, die über eine Singlemode-Faser in einer schützenden Metallhülse direkt an den betroffenen Bereich abgegeben wird. Auf Kundenwunsch kann am Ende der Faser eine Kollimationslinse oder ein optischer Stecker angebracht werden.

Geringer Stromverbrauch (Wirkungsgrad „aus der Steckdose“ beträgt mehr als 25–30 %), kompakte Bauweise, fehlende einstellbare Elemente, Luftkühlung, hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer bei extremen Betriebsbedingungen bieten grundlegende Vorteile von Ytterbium-Faserlasern gegenüber Lasern anderer Typen für diesen Spektralbereich. Die Ausgangsleistung der Strahlung kann mit einer Frequenz von bis zu 5 kHz in der Amplitude moduliert werden. Die Laser der ILM-Serie werden über ein 24-V-Gleichstromnetz mit Strom versorgt.

Hauptvorteile
- Ausgangsleistung bis 120 W
- Strahlqualität M2

Optionen
- Lineare Polarisation
- Faserlänge bis 20 m

Einsatzgebiete
- Löten
- Mikroschweißen
- Wärmebehandlung
- Gravur
- Medizinische Geräte
- Wissenschaftliche Instrumentierung

Typische Spezifikation

Optionen	ILM-1	ILM-5	ILM-10	ILM-20	ILM-50	ILM-100
Betriebsart	Kontinuierlich, modulierend bis 5 kHz
Maximale Ausgangsleistung, W	1	5	10	20	50	100
Strahlungswellenlänge, nm	1030 – 1080 (bei Bestellung angeben)
Polarisation	Zufällig
Strahlqualität, M 2	1,05
Betriebsarten
Temperaturbedingungen, °C	0…+40
Stromverbrauch, W	25	60	90	125	150	240
Fasereigenschaften
Optischer Ausgang	Kollimator
Faserlänge, m	2 – 20 m
Maße
Größe, mm	165 x 70 x 230				252 x 75 x 220
Gewicht (kg	3	3	5	7	8	8

CW-Erbiumlaser

Für den 1,5 Mikrometer Spektralbereich bietet NTO IRE-Polyus ein breites Spektrum an Geräten für verschiedene Anwendungsbereiche der Lasertechnik – von der Telekommunikation bis zur Medizin. Verstärker und Laser in diesem Spektralbereich nutzen Erbium-dotierte Quarzfasern und Laserpumpdioden mit hoher Lebensdauer.

Erbium-Faserlaser der ELM-Serie sind einzigartige Instrumente, die alle Vorteile von Faserlasern bieten und in einem augensicheren Spektralbereich (1530–1620 nm) arbeiten. Aufgrund ihres breiten Ausgangsleistungsbereichs, ihrer hohen Effizienz, ihrer hohen Zuverlässigkeit und einer Vielzahl von Optionen sind diese Laser die beste Lösung für eine Vielzahl von Aufgaben in der Materialbearbeitung, Telekommunikation, Medizin und wissenschaftlichen Instrumentierung. Die Steuerung der Geräte erfolgt über eine Schnittstelle, die den Einsatz des ELM als Teil einer technologischen Anlage, eines medizinischen oder wissenschaftlichen Komplexes ermöglicht.

Hauptvorteile
- Emissionswellenlänge von 1530 bis 1620 nm
- Der Wirkungsgrad am Auslass beträgt mehr als 10 %
- Hervorragende Strahlqualität
- Luft- oder Wasserkühlung

Optionen
- Leistungsmodulation
- Lineare Polarisation
- Ausgangsfaserlänge bis zu 20 m

Einsatzgebiete
- Materialverarbeitung
- Telekommunikation
- Medizinische Geräte

- Umweltüberwachung
- Wissenschaftliche Instrumentierung

Typische Spezifikation

Optionen	ULME-5	ULME-10	ULME-20	ULME-30	ELM-50
Betriebsart	Kontinuierlich
Kraft, W	5	10	20	30	50
Strahlungswellenlänge, nm	1550 – 1570
Polarisation	Zufällig
Strahlqualität, M 2	1,05	1,05	1,05	1,05	1,05
Betriebsarten
Temperaturbedingungen, °C	0…+40
Stromverbrauch, W	50	90	160	240	330
Fasereigenschaften
Optischer Ausgang	Kollimator
Faserlänge, m	2
Maße
Größe, mm	130 x 230 x 70		252 x 220 x 75
Gewicht (kg	5	5	8	8	10

CW-Thulium-Laser

Auf Thulium-aktivierten Fasern basierende Lasersysteme wurden von NTO IRE-Polyus speziell entwickelt, um den gestiegenen Bedarf an leistungsstarken, kompakten Singlemode-Strahlungsquellen im Spektralbereich von 1800–2100 nm in Anwendungen wie der Materialbearbeitung und der Medizin zu decken . Diese Systeme haben grundlegende Vorteile gegenüber herkömmlichen Festkörperlasern, da sie eine hohe Leistung und Qualität der Ausgangsstrahlung bieten, einen hohen Wirkungsgrad haben (mehr als 5 % „aus der Steckdose“), kompakt sind und keine Anpassungen und Wartung erfordern. Die Strahlung wird über eine Singlemode-Faser geliefert, die durch ein Metallgehäuse geschützt ist. Laser der TLM-Serie lassen sich problemlos in verschiedene Kundenkomplexe und -systeme integrieren.

Thulium-Faserlaser der TLM-Serie arbeiten im kontinuierlichen Modus im niedrigsten Transversalmodus (M2).

Hauptvorteile
- Singlemode-Betriebsart (M2

Optionen
- Lineare Polarisation
- Ausgangsfaserlänge bis zu 20 m

Einsatzgebiete
- Materialverarbeitung
- Medizinische Geräte
- Pumpen von Festkörperlasern im mittleren Infrarotbereich und optischen parametrischen Oszillatoren
- Umweltüberwachung
- Wissenschaftliche Instrumentierung

Typische Spezifikation

Optionen	TLM-5	TLM-10	TLM-30
Betriebsart	Kontinuierlich
Kraft, W	5	10	30
Strahlungswellenlänge, nm	1800-2100
Polarisation	Zufällig
Fasereigenschaften
Optischer Ausgang	Kollimator
Faserlänge, m	2 — 20
Betriebsarten
Temperaturbedingungen, °C	0…+40
Stromverbrauch, W	60	120	350
Maße
Größe, mm	130 x 230 x 36,5	215 x 95 x 286
Gewicht (kg	5	8	10

Gepulste Ytterbiumlaser

Gepulste Faserlaser der ILI-Serie liefern gepulste Strahlung mit einer mittleren Leistung von bis zu 50 W und einer Pulsdauer von 80 bis 120 ns. Die Betriebsmodulationsfrequenzen reichen von 20 kHz bis 100 kHz. Die Strahlungsabgabe erfolgt über ein bis zu 6 Meter langes Glasfaserkabel. Der Ausgangskollimator ist mit einem optischen Isolator ausgestattet, der Schutz vor Rückreflexion bietet. Die zentrale Erzeugungslinie liegt im Bereich von 1060–1070 nm. Laser der ILI-Serie sind mit einem roten Pilotlaser geringer Leistung ausgestattet.

Gepulste Laser der ILI-Serie zeichnen sich durch einen geringen Verbrauch aus einem 24-V-DC-Netz aus und werden durch eingebaute Lüfter luftgekühlt.

Das Haupteinsatzgebiet der Laser der ILI-Serie ist die Laserbeschriftung und -gravur. Sie werden auch zum Präzisionsschneiden, zur Mikrobearbeitung und zum Laserfräsen verwendet.

Hauptvorteile:
- Ausgangsleistung bis 50 W
- Strahlqualität M2

Einsatzgebiete:
- Gravur
- Markierung
- Mikroverarbeitung
- Präzises Schneiden
- Wissenschaftliche Instrumentierung

Typische Spezifikation

Optionen	ODER-0,5-10	ODER-1-20	ODER-1-50
Betriebsart	Impuls
Pulsenergie, mJ	0,5	1	1
Strahlungswellenlänge, nm	1062
Polarisation	Zufällig
Durchschnittliche Ausgangsleistung, W	10	20	50
Impulsdauer, ns	90 — 120
Strahlqualität, M 2	1,4	1,8	1,8
Betriebsarten
Temperaturbedingungen, °C	0…+40
Stromverbrauch, W	120	150	240
Fasereigenschaften
Optischer Ausgang	Kollimator mit eingebautem Isolator
Faserlänge, m	3
Maße
Größe, mm	215 x 95 x 286
Gewicht (kg	8	9	12

Diese Laser können sehr bedingt als eigenständiger Typ unterschieden werden, da sie zur Anregung des aktiven Mediums (Pumpen) in etwa den gleichen Mechanismus nutzen wie Gas- oder Festkörperlaser.

Zum Pumpen werden auch Laserdioden eingesetzt. Diese Quellen wurden für Glasfaser-Telekommunikationssysteme entwickelt, wo sie als Signalverstärker eingesetzt werden. Stellen Sie sich vor, dass der Kristall, in dem nützliche Laserstrahlung erzeugt wird, sich über mehrere zehn Meter erstreckt und einen Faserkern mit einem Durchmesser von mehreren Mikrometern darstellt, der sich im Inneren einer Quarzfaser befindet. Die Diodenstrahlung wird in die Quarzfaser geleitet und der Kern wird über seine gesamte Länge optisch gepumpt.

Der Einsatz von Laserglas als aktives Element in Festkörperlasern ist seit langem bekannt. Im Gegensatz zu Kristallen haben Lasergläser eine ungeordnete innere Struktur. Neben den glasbildenden Komponenten SiO 2, B 2 O 3, P 2 O 5, BeF 2 enthalten sie Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, MgO, CaO, BaO, Al 2 O 3, Sb 2 O 3 . Als aktive Verunreinigungen dienen am häufigsten Neodymionen Nd 3+; Gadolinium Gd 3+, Erbium Er 3+, Holmium Ho 3+, Ytterbium Yb 3+ werden ebenfalls verwendet. Die Konzentration an Neodymionen Nd 3+ in Gläsern erreicht 6 % (nach Gewicht).

Lasergläser erreichen eine hohe Konzentration aktiver Partikel. Ein weiterer Vorteil solcher Gläser ist die Möglichkeit, großformatige Aktivelemente nahezu beliebiger Form und mit sehr hoher optischer Homogenität herzustellen. Gläser werden in Platin- oder Keramiktiegeln gewonnen. Zu den Nachteilen der Verwendung von Gläsern als Lasermaterialien gehören ein relativ breites Laserband (310 nm) und eine geringe Wärmeleitfähigkeit, die eine schnelle Wärmeabfuhr bei optischem Hochleistungspumpen verhindert.

Faserlaser haben einen sehr hohen Wirkungsgrad (bis zu 80 %) bei der Umwandlung von Laserdiodenstrahlung in nutzbare Strahlung. Um ihren Betrieb sicherzustellen, ist eine Luftkühlung ausreichend. Für Systeme zur digitalen Erfassung gedruckter Formulare sind diese Laserquellen vielversprechend.

In Abb. Abbildung 3.22 zeigt ein Diagramm der Funktionsweise eines halbleitergepumpten Faserlasers und allgemein des gesamten optischen Pfades bis zum zu bearbeitenden Material. Das Hauptmerkmal dieses Lasers besteht darin, dass die Strahlung hier in einer dünnen Faser (Kern; das aktive Medium kann beispielsweise Ytterbium sein) mit einem Durchmesser von nur 68 Mikrometern erzeugt wird, die sich im Inneren einer Quarzfaser mit einem Durchmesser befindet von 400-600 Mikrometern. Strahlung von Laserpumpdioden wird in eine Quarzfaser eingeleitet und breitet sich entlang der gesamten komplexen Verbundfaser aus, die mehrere Dutzend Meter lang ist.

Abbildung 3.22 – Optisches System mit Faserlaser:

1 – Kern, dotiert mit Ytterbium, Durchmesser 6–8 Mikrometer; 2 – Quarzfaser, Durchmesser 400–600 Mikrometer; 3 – Polymerschale; 4 – äußere Schutzbeschichtung; 5 – optische Pumplaserdioden; 6 – optisches Pumpsystem; 7 – Glasfaser (bis zu 40 m); 8 – Kollimator; 9 – Lichtmodulator; 10 – Fokussierungsoptik

Die Strahlung pumpt den Kern optisch, und hier, an den Ytterbiumatomen, finden physikalische Umwandlungen statt, die zum Auftreten von Laserstrahlung führen. In der Nähe der Enden der Faser werden auf dem Kern zwei sogenannte Beugungsspiegel in Form einer Reihe von Kerben auf der zylindrischen Oberfläche des Kerns angebracht (Beugungsgitter) – so entsteht ein Faserlaserresonator. Die Gesamtlänge der Faser und die Anzahl der Laserdioden werden entsprechend der erforderlichen Leistung und Effizienz ausgewählt. Das Ergebnis ist ein idealer Single-Mode-Laserstrahl mit einer sehr gleichmäßigen Leistungsverteilung, der es ermöglicht, die Strahlung auf einen kleinen Punkt zu fokussieren und eine größere Tiefenschärfe zu erzielen als im Fall von Hochleistungs-Festkörper-Nd:YAG Laser.

Es ist auch erwähnenswert, dass eine Reihe von Eigenschaften der Faserlaserstrahlung, wie z. B. die Art der Strahlpolarisation, eine bequeme und zuverlässige Steuerung dieser Strahlung mit akustooptischen Geräten ermöglichen und die Implementierung von Mehrstrahl-Bildaufzeichnungsschemata ermöglichen.

Da das optische Pumpen über die gesamte Länge der Faser erfolgt, gibt es keine für herkömmliche Festkörperlaser typischen Effekte, wie z. B. eine thermische Linse im Kristall, Wellenfrontverzerrung aufgrund von Defekten im Kristall selbst, Instabilität des Strahls im Laufe der Zeit, usw., die immer das Erreichen der maximalen Leistungsfähigkeit von Festkörpersystemen verhindert haben. Die Prinzipien des Aufbaus und der Funktionsweise eines Faserlasers garantieren jedoch hohe Leistungseigenschaften und machen diese Geräte zu perfekten Konvertern von Lichtstrahlung in Laserstrahlung.

Der nur wenige Mikrometer dicke Kern des Lasers besteht aus Ytterbium und fungiert als Resonator. Die beste Qualität kann mit einer Strahlungswellenlänge von 1110 nm erreicht werden, wobei die Länge des Glasfaserkabels bis zu 40 m betragen kann. Kommerziell werden Laser mit Leistungen von 1 bis 100 W hergestellt, mit einem Wirkungsgrad von etwa 50 %. Faseroptische Laser benötigen im Allgemeinen keine spezielle Kühlung. Die minimale Punktgröße moderner faseroptischer Laser beträgt etwa 20 Mikrometer und kann durch den Einsatz von Korrekturmechanismen auf 5 Mikrometer reduziert werden. Die Fokustiefe beträgt 300 Mikrometer, wodurch Sie ohne Autofokus-Mechanismus erfolgreich mit Plattenmaterialien unterschiedlicher Dicke arbeiten können.