Seltene Erdenfasern treiben Fortschritte in der Laser- und Verstärkertechnik voran

Fast alle Faserlaser und Verstärker setzen auf Glasfasern, die mit laseraktiven Seltenerd-Ionen, insbesondere in der Faserkernregion, doppiert sind.Diese Ionen absorbieren das Pumpenlicht, typischerweise bei kürzeren Wellenlängen als die Wellenlänge des Lasers oder des Verstärkers (außer bei Upconversion-Lasern), und erregen sie auf metastabile Energieniveaus.Diese spezialisierten Fasern werden allgemein als "aktive Fasern" oder "Laser- und Verstärkerfasern" bezeichnet." die als hocheffiziente Verstärkungsmedien dienen, aufgrund der starken optischen Einschränkung in der Faserwellenleiterstruktur.

In den Faserkernen der seltenerddichten Fasern befinden sich Ionen wie Iterbium (Yb), Erbium (Er) und Thulium (Tm), die ihnen einzigartige laseraktiven Eigenschaften verleihen.Diese Fasern bieten:

• Hohe Gewinnwirksamkeit:Die Wellenleiterstruktur verbessert die Licht-Ionen-Interaktion.
• Kompaktes Design:Ihre schlanke Form ermöglicht eine einfache Integration.
• Überlegene thermische Steuerung:Ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen erleichtert die Wärmeableitung.
• Ausgezeichnete Lichtqualität:Die Ausgangsstrahlen erhalten eine hohe Kohärenz für die optische Verarbeitung.

Technisch gesehen sind die wichtigsten Implementierungen hierbei erbium-doppierte Faserverstärker (EDFAs) für die Telekommunikation und ytterbium-doppierte Fasern für leistungsstarke Industrielaser.

Die chemische Zusammensetzung des Gastglases beeinflusst die Faserleistung durch:

• Beschränkungen des Transparenzbereichs
• Höchst erreichbare Dopingkonzentrationen
• Eigenschaften des optischen Übergangs
• Energieübertragungsraten zwischen Ionen
• Phononenergieeffekte auf nichtstrahlende Übergänge

Zu den gängigen Gastgebergläsern gehören Silikate (mechanische Robustheit), Phosphat (niedrige Phononenenergie) und Fluorid (Mitte-IR-Transparenz), die jeweils unterschiedliche Kompromisse haben.

Ingenieure verwenden häufig Co-Doping-Techniken, um die Leistungsfähigkeit der Fasern zu verbessern:

• Aluminium-Coping:Erhöht die Löslichkeit von Seltenerdstoffen in Silikatglas
• Phosphor-Kopoping:Verringert die Phononenergie zur Verbesserung der Emissionseffizienz
• Ytterbiumsensibilisierung:Ermöglicht eine effiziente Energieübertragung in Er:Yb-Systemen

Besonders Er:Yb-koppierte Fasern ermöglichen kürzere Gerätelangen, indem sie die 980 nm-Pumpenabsorption (über Yb) mit einer Emission von 1,5 μm (von Er) kombinieren, ideal für kompakte Einfrequenzlaser.

Aktive Fasern erfordern eine spezielle Charakterisierung jenseits der Standardoptikfasern:

• Dopingkonzentration (normalerweise in ppm Gewicht)
• Wellenlängenabhängige Absorptions-/Emissionsquerschnitte
• Metastabile Lebensdauer
• Energieübertragungsparameter für koppierte Systeme

Zu den Messtechniken gehören die Weißlichtabsorptionsspektroskopie, die Fluoreszenzanalyse über die McCumber-Theorie und die Messungen des Fluoreszenzverfalls durch Pumpenspulse.

Die Optimierung von Geräten erfordert die Bewältigung mehrerer Komplexitäten:

• Starke Pump- und Gewinnsättigungswirkungen
• Verstärkte Auswirkungen spontaner Emissionen
• Quasi-Drei-Level-Verhalten in den meisten Übergängen

Daher sind ausgeklügelte Modellierungswerkzeuge mit umfassenden Faserdaten für die Entwicklung effizienter Laser- und Verstärkerkonstruktionen unerlässlich.

Die fortschreitenden Fortschritte bei seltenerd-doppierten Fasern werden den Fortschritt in Richtung höherer Leistung, breiterer Spektraldeckung und kompakteren Geräten in den Bereichen Telekommunikation, industrielle Verarbeitung,Medizinische Anwendungen und wissenschaftliche Forschung