Das Konzept kurzer adiabatischer Taper zur Skalierung der Peakleistung in Large-Mode-Area (LMA) Faserverstärkern unter Erhaltung hoher Strahlqualität wurde an Stufenindexfasern untersucht. Um modale Störungen zu vermeiden, werden Kernmaterialien mit hervorragender Brechzahlhomogenität benötigt, welche mittels Pulver-Sinter-Technologie (REPUSIL) realisiert wurden. Hohe Peakleistungen von über 500kW bei 1,4 mJ Pulsenergie konnten für ungetaperte und 230 kW Peakleistung für getaperte Fasern demonstriert werden. Dabei konnte die Strahlqualität durch Tapern von M2≈10 auf M2≈3.5 deutlich verbessert werden.

Von MARTIN LEICH // YUAN ZHU // TINA ESCHRICH // STEPHAN GRIMM // JENS KOBELKE // HARTMUT BARTELT // MATTHIAS JÄGERFaserlaser und -verstärker finden derzeit vielfältigen Einsatz in den Forschungsbereichen Materialbearbeitung, Spektroskopie, Sensorik und Medizintechnik. In der industriellen Fertigung (z.B. Automobilbau) findet der Faserlaser aufgrund seiner hohen Strahlqualität und Leistungsdichte bereits zahlreiche Anwendungen. Besondere Herausforderungen werden an einen Laser bei Remote-Verfahren gestellt, mit welchen beispielsweise die Strukturierung bzw. Funktionalisierung von großen Oberflächen verschiedenster Materialien (Metall, Solarmodule) sehr schnell und effizient erfolgen soll. Dieser Thematik widmet sich das europäische Verbundprojekt SurLas (M-Eranet, finanziell gefördert durch das BMBF). Dabei soll eine neuartige ps-Faserlaserquelle entwickelt werden, welche für hocheffiziente Produktionsverfahren der Industrie geeignet ist. Sie muss daher robust sein, ultrakurze Pulse bei sehr hoher Peakleistung und Strahlqualität erzeugen und darüber hinaus kostengünstig zu realisieren sein. Kernkomponente dieser Quelle (bzw. des Faserverstärkers) ist die Ytterbium-dotierte Laserfaser, welche mit Hilfe der am IPHT in Zusammenarbeit mit Heraeus Quarzglas entwickelten REPUSIL- (Reaktiv-Pulver-Sinter-Verfahren) Technologie realisiert werden soll.

Um sehr hohe Peakleistungen in einem Faserlaser zu erreichen, müssen nichtlineare Prozesse, insbesondere Ramanstreuung, und optische Limits (Zerstörschwelle des Glases) unterdrückt werden. Unser Konzept basiert dabei vor Allem auf der Vergrößerung des Kerndurchmessers bzw. der Fläche des Modenfeldes der aktiven Faser, wodurch die Laserintensität und damit auch die nichtlinearen Prozesse verringert werden. Eine zusätzliche Verringerung der Nichtlinearität erreicht man durch die Verwendung sehr kurzer Faserlängen (ca. 0,5 bis 0,8 m), was jedoch eine hohe Verstärkung und damit auch Seltenerd-Dotierung und ein spezielles Faserdesign mit großem Kern/Mantel-Verhältnis erfordert. Um auf diesem Weg eine kostengünstige und robuste Strahlquelle zu realisieren, werden Yb-dotierte Großkern-Stufenindexfasern entwickelt. Für die notwendige Homogenität des Brechzahlprofils ist die REPUSIL-Technologie hervorragend geeignet.

Abb. 1 zeigt schematisch die Herstellung einer Faserpreform durch „Stack-and-Draw“ – das Packen von Glasstäben in der gewünschten Anordnung und nachfolgendes Verschmelzen beim Faserziehen. Dafür wurden für den Kernstab REPUSIL-Quarzglas mit sehr hoher Kodotierung von Ytterbium (0,6 mol% Yb2O3) und Aluminium und für das Pumpcladding Stäbe mit hoher Aluminiumkonzentration (0,8 mol% Al2O3) verwendet. Mit der Wahl der Dotierung wird gleichzeitig die Verstärkung als auch das Brechzahlprofil der Faser eingestellt.

Die Fasern sind zunächst aufgrund des großen Kerndurchmessers und der relativ hohen numerischen Apertur des Kerns (NA=0,15) hochgradig multimodig. Um damit dennoch eine hohe Strahlqualität aus dieser Faser erreichen zu können, ist es nötig, vorrangig deren Fundamentalmode anzuregen und zu verstärken. Für diesen Zweck wurde im Projekt ein kurzer adiabatischer Taper entwickelt, wobei die Laserfaser innerhalb einer Länge von 5 cm um den Faktor 9 auf 6,4 µm Kerndurchmesser verjüngt wird. Dieser Taper wird innerhalb eines mehrstufigen Verstärkeraufbaus (MOPA) mit einem grundmodigen Kurzpulssignal (seed) angeregt. Innerhalb der aktiven Großkernfaser (56 µm Kern) wird das Signal dann auf bis zu 230 kW Peakleistung (0,5 mJ Pulsenergie) verstärkt.

In Abb. 2 ist die gemessene Strahlqualität (Bewertungsgröße M2) nach Signalverstärkung einer nicht getaperten Faser (Einfügung Abb. 2) und einer getaperten Faser aufgetragen. Während sich über den untersuchten Leistungsbereich bei der ungetaperten Faser ein mittlerer Wert bei M2≈10 einstellt, konnte durch einen getaperten Verstärker mit M2≈3,5 eine deutliche Verbesserung erreicht werden. Damit konnte das Konzept des adiabatischen Tapers zur Verbesserung der Strahlqualität und der robusten Signaleinkopplung erfolgreich demonstriert werden.

Weiterer Gegenstand der Forschung ist die Herstellung von Fasern mit niedrigerer Kern-NA und verbesserter Materialhomogenität mit der Zielsetzung, sehr hohe Peakleistungen bei nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität (M2<1,3) zu erreichen.

Gefördert von: BMBF, CHINA SCHOLARSHIP COUNCIL