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Diffusionsreduzierte Large-Mode-Area Yb-Faser für Hochleistungsverstärker exzellenter Strahlqualität

Aufgrund von Diffusionsuntersuchungen an getaperten Yb-dotierten REPUSIL-Fasern wurde durch Modifikation der Glasviskositäten ein neues Faserdesign entwickelt, um ultrakurze Pulse bei hoher Strahlqualität zu verstärken. Bisher wurden mit einem lokal getaperten Faserverstärker 375kW Pulsspitzenleistung bei einer Strahlqualität von M2=1.3…1.7 erreicht. Die vorgestellte Methode bietet Potenzial für Pulsspitzenleistungen >1 Megawatt.

Konzept des getaperten Faserverstärkers

Brechzahlprofil der Sockelfaser und Mikroskopaufnahme des Faserquerschnitts

Charakteristik der mittleren Ausgangsleistung und Strahlqualität der Faser

Von Yuan Zhu // Martin Leich // Martin Lorenz //Tina Eschrich //Anka Schwuchow // Jens Kobelke // Hartmut Bartel // Matthias Jäger

Für eine Vielzahl von Laseranwendungen, insbesondere die Remote-Bearbeitung und Strukturierung großer Oberflächen wie bspw. Solarmodule, ist der Einsatz kurzer Laserpulse sehr hoher Pulsspitzenleistung und hoher Strahlqualität essentiell. Für diesen Zweck sind Faserlaser bzw. -verstärker nicht zuletzt aufgrund ihrer Flexibilität, Kompaktheit und ihres guten thermischen Managements hervorragend geeignet.

Am Leibniz-IPHT werden innovative Materialien und Strukturkonzepte entwickelt, um industrietaugliche, robuste Faserlaserquellen möglichst kostengünstig zu machen. Ein aktuelles Beispiel sind Large-Mode-Area (LMA) Fasern mit „klassischem“ Stufenindexprofil, deren Strahlqualität durch lokale Taper deutlich verbessert werden kann. Hauptkomponente einer solchen LMA-Faser ist das großvolumig über die hauseigene REPUSIL-Technologie herstellbare Ytterbium-dotierte Kernglas.

Um nichtlineare Prozesse in Hochleistungsverstärkern zu unterdrücken, sind neben großen Faserkernen auch kurze Faserlängen notwendig. Die dafür erforderliche hohe Ytterbium/Aluminium -Dotierung im Faserkern steht normalerweise  im Widerspruch zur niedrigen Numerischen Apertur (NA) des Faserkernes zur Erreichung einer exzellenten Strahlqualität.  Mit einem Brechzahl-angepassten Sockel aus rein Aluminium-dotiertem REPUSIL-Glas können hohe Kerndotierung und niedrige NA des Kernes  gleichzeitig in einer Faser realisiert werden. Ein derartiger Sockel ist in der klassischen Fasertechnologie (MCVD-Prozess) nicht herstellbar. Er dient gleichzeitig als innerer Pumplichtmantel, über den Pumplicht in die Verstärkerfaser eingekoppelt und das Signallicht im Laserkern verstärkt wird (Abb.1). Um aus der dennoch hoch multimodigen Faser in einem Verstärker exzellente Strahlqualität zu erzeugen, wird ein kurzer Taper verwendet. Dabei wird ein nur wenige Zentimeter langer Teil der Verstärkerfaser nachträglich adiabatisch auf etwa  1/4 des Ausgangsdurchmessers verjüngt. Dieser Taper ermöglicht es, monomodiges Signallicht in die Grundmode der Verstärkerfaser zu koppeln und schafft somit die Voraussetzung für eine hohe Strahlqualität und gleichzeitig einen monolithischen und damit robusten Signalpfad.

In Abb.2 ist das gesamte Brechzahlprofil der komplexen LMA-Verstärkerfaser schematisch dargestellt. Die Kern/Sockel Struktur wird durch das Stapeln vieler einzelner, sorgfältig aus REPUSIL-Materialien hergestellter Stäbe realisiert. Dadurch bekommt der Sockelbereich (Pumpmantel) der Faser automatisch eine nichtzirkulare, hexagonale  Struktur, was von Vorteil für eine gute Durchmischung der Mantelmoden ist und somit für eine hohe Pumpabsorption sorgt (Foto in Abb. 2).  Der Sockel wird von einem stark Fluor dotierten Hüllrohr (F520) umschlossen, wodurch für den Sockel (Pumpmantel) eine hohe Numerische Apertur von >0.2 erzeugt wird.

Das Tapern und anschließende Spleißen der Sockelfaser an die Signalfaser des Vorverstärkers läuft jeweils bei sehr hohen Temperaturen ab und kann lokale Veränderungen der Dotandenkonzentrationen durch Diffusionsprozesse auslösen. Dadurch „verschmiert“  das Brechzahlprofil der Faser und es ändern sich ihre Strahleigenschaften, da eine ideale Signalkopplung in die Grundmode des Hauptverstärkers beeinträchtigt wird. Im vorliegenden neu entwickelten Faserdesign konnte die Diffusion durch 2 Strategien nahezu unterdrückt werden:

  • Durch Verwendung ähnlicher Dotandenkonzentrationen von 2.5 bzw. 3mol% Al2O3für Kern- und Sockelglas läuft die Materialdiffusion zwischen beiden stark verlangsamt ab.
  • Durch Verwendung eines hoch-F-dotierten und damit niedriger viskosen Hüllrohrmaterials, welches den Großteil des Faservolumens ausmacht, konnten die Prozesstemperaturen beim Ziehen, Tapern und Spleißen der Faser deutlich verringert werden.

Abschließend wurde am Leibniz-IPHT eine Faser mit 45µm Kern- und 200µm Pumpmanteldurchmesser hergestellt und damit ein getaperter Verstärker einschließlich einer Endkappe realisiert.  Dieser wurde innerhalb eines monolithischen, mehrstufigen Nanosekunden-Verstärkersystems (MOPA) mit 2 ns Pulsdauer getestet.

Bis zu einer mittleren Leistung von 15.5W und einer entsprechenden Pulsspitzenleistung von 375kW konnte eine nahezu beugungsbegrenzte Strahlqualität mit einem gemessenen M2von 1.3 bis 1.7 demonstriert werden (Abb. 3). Dagegen liefert die ungetaperte Faser mit M2≈3.5 eine deutlich geringere Strahlqualität, was den Erfolg des Taperkonzepts in Verbindung mit der neuen Stufenindex-Sockel-Faser unterstreicht. Bei der erreichten Signalleistung gab es keine Anzeichen für verstärkte nichtlineare Prozesse. Eine weitere Erhöhung der Pulsspitzenleistung verspricht die Verwendung von Pikosekundenpulsen.

Gefördert von: BMBF, China Scholarship Council

Zugehörige Publikationen

Yuan Zhu, Martin Leich, Martin Lorenz, Tina Eschrich, Claudia Aichele, Jens Kobelke, Hartmut Bartelt, and Matthias Jäger, "Yb-doped large mode area fiber for beam quality improvement using local adiabatic tapers with reduced dopant diffusion," Opt. Express 26, 17034-17043 (2018)

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