Abstimmbare Faserlaser ermöglichen eine variable Anpassung der Laserwellenlänge λL. Am Leibniz-IPHT wurde basierend auf Faser-Bragg-Gitter Arrays ein Abstimmkonzept entwickelt, dass mittels einer elektrischen Ansteuerung flexibel zwischen einer und mehreren unabhängig abstimmbaren λL schalten kann. Damit lassen sich neue Anwendungen in den Lebenswissenschaften und der Spektroskopie adressieren.

Von TOBIAS TIESS // MARTIN BECKER // MANFRED ROTHHARDT // HARTMUT BARTELT // MATTHIAS JÄGER

Durchstimmbare Laser sind durch eine abstimmbare Emissionswellenlänge λL gekennzeichnet, die innerhalb des Verstärkungsbereiches des laseraktiven Mediums an die Bedürfnisse von verschiedenen Anwendungen anpassbar ist. Das ist von entscheidender Bedeutung für spektral anspruchsvolle Applikationen wie beispielsweise in der Telekommunikation, der Materialbearbeitung und speziell in der Biophotonik. Faserlaser überzeugen für diese Anwendungsfelder nicht nur mit einer sehr hohen Effizienz und exzellenten Strahlqualität, sondern zeichnen sich insbesondere im faserintegrierten Layout durch einen sehr robusten, kompakten und wartungsarmen Aufbau aus. Hinzu kommen typischerweise sehr breite Verstärkungsregionen aktiver Laserfasern, die für λL ein großes Arbeitsfenster zulassen. Mit einem kosteneffizienten Layout zeigen Faserlaser damit ein großes Potential auf, teure Schlüsseltechnologien basierend auf freistrahlgekoppelten Festkörperlasern in den schnell wachsenden Feldern der Biophotonik und Medizintechnik zu ersetzen.

In den vergangenen Jahren wurde am IPHT ein neues Abstimmkonzept für Faserlaser entwickelt, das Faser-Bragg-Gitter (FBG) als schmalbandige Spiegel eingeschrieben in den Faserkern zur flexiblen spektralen Filterung verwendet. Durch das Zusammenfügen von vielen dieser Gitter zu einem FBG Array bietet der Filter nicht nur einmalige spektrale Freiheiten für maßgeschneiderte Abstimmbereiche sowie große Bandbreiten, sondern erhält mit der monolithischen Struktur auch die Vorteile faserintegrierter Aufbauten. Die Herstellung dieser vielfältigen Filterstrukturen basiert auf dem breiten technologischen Fundament des IPHT, das u.a. sowohl eine direkte Herstellung während des Faserziehens als auch das Einschreiben der Gitter mit einem Ultrakurzpulslaser umfasst.

Damit der breitbandige Filter zur aktiven Steuerung der Emissionswellenlänge von Faserlasern verwendet werden kann, nutzt man die Verteilung der Gitter entlang der Faserachse des FBG Array (siehe Abb. 1). Aufgrund der unterschiedlichen Propagationsstrecken besitzt damit jede Wellenlänge des diskreten Filters eine andere Antwortzeit. Integriert in einen Theta-Ring-Resonator lässt sich λL des Lasers durch ein elektronisches Steuersignal mit zwei kurzen Transmissionsfenstern an einem optischen Modulator kontrollieren (linker Teil der grünen Box in Abb. 1). Der zeitliche Abstand  zwischen den beiden Transmissionsfenstern gibt eine Antwortzeit des FBG Array bezüglich des Modulators vor, die eindeutig mit einer Gitterposition und damit einer Antwortwellenlänge des spektralen Filters verknüpft ist. Entsprechend gibt diese Wellenlänge durch minimierte Umlaufverluste im Resonator die spektralen Emissionseigenschaften des Lasers vor. Über den Parameter τ1-2 des periodischen Modulationssignals koppelt man die Laseremission gezielt auf ein ausgewähltes Antwortgitter und stimmt damit λL (1-λ Mode) diskret ab.

Das Konzept in Abb. 1 wurde basierend auf einem Ytterbium dotierten Lasersystems untersucht. Abb. 2a) zeigt das Tuningspektrogramm des Lasers. Durch ein Messen des Spektrums in Abhängigkeit vom Tuningparameter τ1-2 stellt der Graph das spektrale Emissionsverhalten über den Abstimmbereich dar. Es konnte ein diskreter Abstimmbereich von bis zu 50 nm um 1,06 µm realisiert werden, der derzeit einzig durch die Bandbreite des FBG Arrays limitiert ist. Über den kompletten Abstimmbereich zeichnet sich das System durch exzellente Emissionseigenschaften wie schmale Linienbreite von <200 pm sowie hoher Signalkontrast von meist >40 dB aus.

Als einzigartige Eigenschaft des Abstimmkonzeptes erlaubt der Theta-Ring-Resonator in Kombination mit dem zeitlichen Steuersignal einen weiteren Betriebsmodus mit mehreren vom Laser emittierten und abstimmbaren Emissionswellenlängen. Dies wurde experimentell mit einem synchronen 2-Wellenlängenbetrieb (2-λ Mode) realisiert. Wie in Abb. 1 (grüne Box, rechter Teil) dargestellt, hängt man im zeitlichen Ansteuersignal ein drittes Transmissionsfenster an. Damit begünstigt man zwei Antwortzeiten des FBG Arrays und wählt somit zwei Emissionswellenlängen λL1 und λL2 aus. Diese können spektral unabhängig voneinander über die zeitlichen Abstände τ1-3 sowie τ2-3 abgestimmt werden und geben damit eine bisher unerreichte Freiheit für die spektralen Emissionseigenschaften des Systems. Die spektralen Amplituden lassen sich bequem über die elektronischen Amplitudenparameter A1, A2 und A3 ausgleichen. Mit der einzigartigen Flexibilität des Laseraufbaus lassen sich durch ein angepasstes elektrisches Ansteuersignal sowohl ein abstimmbarer 1-Wellenlängenbetrieb (1-λ Mode), als auch ein unabhängig abstimmbarer 2-Wellenlängenbetrieb (2-λ Mode) bzw. Mehrwellenlängenbetrieb realisieren.

Die experimentelle Demonstration des 2-Wellenlängenbetriebes basiert auf dem Ytterbium-dotierten Faserlaser aus Abb. 1. Basierend auf einem FBG Array mit 11 verschiedenen Gittern wurden für die Prinzipdemonstration verschiedene Kombinationen von Ansteuerparametern eingestellt und das zugehörige 2-Wellenlängenspektrum aufgenommen. Es ergeben sich insgesamt 55 verschiedene Wellenlängenpaare im Emissionsspektrum. Im Tuningspektrogramm in Abb. 2b sind die zugehörigen Emissionsspektren (in Spalten) im 2-λ Mode dargestellt. Der Nachweis von 55 Wellenlängenpaaren demonstriert die einzigartige unabhängige Abstimmbarkeit von beiden Wellenlängen λL1 und λL2. Die ausgezeichneten spektralen Eigenschaften aus dem 1-Wellenlängenbetrieb mit einer schmalen Linienbreite sowie einem exzellenten Signalkontrast bleiben dabei auch im Mehrwellenlängenmodus erhalten.

Das neue Abstimmungskonzept bietet großes Potential, mit Faserlasern neue Anwendungszweige zu erschließen. Neben den vielen Vorteilen eines faserintegrierten Lasers ermöglicht die Flexibilität von FBG Arrays sowie des neuen Abstimmungskonzeptes maßgeschneiderte spektrale Emissionseigenschaften. Speziell der unabhängig abstimmbare 2-Wellenlängenmodus bietet für spektroskopische Anwendungen großes Potential.

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