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Messung von Dispersionseigenschaften in einem abstimmbaren Faserlaser

Die Dispersionseigenschaften von Fasern beschreiben die Wellenlängenabhängigkeit der Lichtausbreitung in Wellenleitern. Das ist von besonderem Interesse für die Optimierung der Propagationseigenschaften von ultrakurzen Laserpulsen entlang der Faser. Am Leibniz-IPHT wurde eine laserintegrierte Messmethode für die Dispersionseigenschaften von Fasern entwickelt, die auf einem speziellen Resonatoraufbau eines abstimmbaren Lasers beruht

Aufbau des wellenlängenabstimmbaren Theta-Ring-Faserlasers zur Messung der Dispersion einer Testfaser (Fiber under Test, FUT). Der Aufbau umfasst eine äußere Ringstruktur mit einem Laserausgang (Output Coupler) sowie die Ytterbium-dotierte Laserfaser samt Pumpeinkopplung (Pump Coupler). Der doppelt durchlaufene Mittelzweig ist über 2 Zirkulatoren an die Ringstruktur angekoppelt und beinhaltet den FBG Array als spektralen Filter sowie den Modulator zum Pulsen des Lasers sowie zur Steuerung des Abstimmkonzeptes. Durch eine Analyse der Pulsform am Laserausgang wird die Pulsumlaufzeit im Resonator präzise im Pikosekundenbereich gemessen. Daraus lässt sich die Dispersion der FUT extrahieren.

Der untere Graph zeigt die normalisierte Selbst-Faltungskurve zur Analyse der Pulssymmetrie in Abhängigkeit von der eingestellten Modulationsperiode TMP. Die 3 oberen Graphen zeigen die zugehörige Pulsform. Das Maximum der Selbst-Faltungskurve stimmt mit einer symmetrischen Pulsform überein und gibt die exakte Pulsumlaufzeit TMP,0 bei der eingestellten Emissionswellenlänge von 1062nm aus.

Die Tabelle zeigt die mit dem TCFL gemessenen Dispersionsparameter Dλ,exp. für zwei FUT Samples der Nufern PM980-XP. Als Referenz wurde ein interferometrisches Verfahren zur Dispersionsmessung implementiert, welches durch die Werte Dλ,exp.2 repräsentiert ist. Die Übereinstimmung zwischen der Messung mit dem TCFL und der interferometrischen Messung verifiziert das vorgestellte Messverfahren mit dem TCFL.

Der Graph zeigt spektral aufgelöste Dispersionsmessungen mit dem TCFL und vergleicht sie zu einem interferometrischen Messverfahren (schwarze und graue Messkurve) sowie zu einer numerischen Modenanalyse mit COMSOL (grün). Die experimentellen Methoden zeigen eine sehr gute Übereinstimmung, wobei der TCFL eine begrenzte spektrale Auflösung vorweist.

Die beiden Graphen stellen jeweils die Pulsform am Laserausgang in Abhängigkeit von der eingestellten Modulationsperiode TMP (bzw. deren Abweichung ΔTMP von der präzisen Pulsumlaufzeit im Resonator TMP,0 ) dar. Man erkennt, dass die Pulsform bei Variationen in TMP asymmetrische Deformationen aufweisen. Über den Abstimmbereich der Emissionswellenlänge λL von 50nm verändern sich die Werte für TMP,0 um 156ps.

Von T. Tiess // A. Hartung // M. Becker // C. Chojetzki // M. Rothhardt // H. Bartelt // M. Jäger

Abstimmbare Laser sind durch eine durchstimmbare Emissionswellenlänge λLgekennzeichnet, 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.

In dieser Arbeit wird mit der Messung von Dispersionseigenschaften faseroptischer Komponenten ein neues Anwendungsfeld für abstimmbare Laser adressiert. Das Verfahren basiert auf einem am Leibniz-IPHT entwickelten Abstimmkonzept basierend auf einem Theta-Ring Resonator (TCFL, siehe Abb. 1), der einen diskreten Faser-Bragg-Gitter Array als spektralen Filter zum Einstellen von λL nutzt. Dieser faserintegrierte Filter ermöglicht maßgeschneiderte Abstimmbereiche über große spektrale Bandbreiten. Die Wellenlängenverstimmung basiert auf einem zeitlichen Steuermechanismus. Mittels Optical Gating (Schalten kurze Transmissionsfenster) wird die Pulslaufzeit im Resonator gesteuert und damit sowohl die Emissionswellenlänge des Lasers auf eine spezifische Antwortlinie des Filter gekoppelt, als auch die Pulsdauer (im niedrigen Nanosekundenbereich) und die Repetitionsrate elektrisch eingestellt. Das Theta-Layout des Faserlasers gleicht die Resonatorlängen für alle Emissionswellenlängen ab, sodass die Repetitionsrate über den kompletten Abstimmbereich konstant ist. Allerdings führen die Dispersionseigenschaften der Resonatorkomponenten zu minimalen wellenlängenabhängigen Variationen der exakten Pulsumlaufzeit TMP,0. Diese bilden die Basis zur Messung von Dispersionseigenschaften über den Abstimmbereich des Lasers.

In Abb. 2 sind zwei Graphen dargestellt, die die Pulsform des Lasersignals für leicht unterschiedliche Repetitionsraten (äquivalent zur Modulationsperiode TMP) für zwei unterschiedliche Emissionswellenlängen zeigen. Die Messungen der grünen Linien sind dabei bei der exakten Pulsumlaufzeit im Resonator gemessen und zeigen eine hohe Symmetrie. Die roten und blauen Messungen sind mit leicht verstimmter Modulationsperiode TMPaufgenommen und zeigen eine asymmetrische Aufsteilung von jeweils einer Pulsseite. In diesem Regime arbeitet der Laser mit einer Repetitionsrate, die leicht verstimmt zur präzisen Pulsumlaufzeit TMP,0bei der jeweiligen Wellenlänge ist. Hervorzuheben ist die Sensitivität dieses Effekts im niedrigen Pikosekundenbereich von TMP(trotz Messelektronik mit einer Auflösung im Bereich von 1ns). Vergleicht man die beiden Graphen, so erkennt man, dass die präzise Pulsumlaufzeit TMP,0durch die Verstimmung der Wellenlänge um 156ps variiert. 

Dieser Effekt bietet die Grundlage für die Analyse von Dispersionseigenschaften.  Er ermöglicht die präzise Messung der Pulsumlaufzeit im Resonator in Abhängigkeit von der Emissionswellenlänge des Lasers. Durch die Korrelation zur Gruppengeschwindigkeit der Pulse kann so der effektive Dispersionsparameter Dλdes Gesamtresonators innerhalb des Abstimmbereiches untersucht werden. Die Analyse einzelner Faserkomponenten, wie Beispielsweise einer Testfaser (FUT), basiert auf vergleichenden Messungen im Resonator mit und ohne Sample (siehe Abb. 1).

Für dieses Konzept wurde die Pulsformveränderungen in Abhängigkeit von TMPund λLüber eine Faltungsanalyse quantifiziert. Eine beispielhafte Messung dieser Selbst-Faltungsfunktion für eine Wellenlänge ist in Abb. 3 dargestellt. Die Funktion erreicht ihr Maximum bei einer symmetrischen Pulsform, sodass TMP,0vom Peak dieser Kurve für die zugehörige Wellenlänge bestimmt wird. Damit hat man eine automatisierte Prozedur zum Messen der Pulsumlaufzeit in Abhängigkeit von der Wellenlänge, sowohl im Referenzresonator, als auch im Aufbau mit einer FUT. Als Ergebnis erhält man die Dispersionsparameter Dλ für die Testfaser.

Dieses Szenario wurde auf zwei FUT Segmente (FUT1 und FUT2) angewendet. Beide beschreiben den gleichen Fasertyp (Nufern PM980-XP), stammen aber mit leicht unterschiedlichen Spezifikationen von unterschiedlichen Herstellungszyklen. Die Messergebnisse zur Dispersionsanalyse über den vollen Abstimmbereich von 50nm sind in der Tabelle aus Abb. 4 dargestellt. Während Dλ,exp.bei FUT1 mit  gemessen wurde, zeigt FUT2 mit  eine reproduzierbare Abweichung auf. Als Referenz wurden beide Samples auch mit einem herkömmlichen, freistrahlgekoppelten interferometrischen Ansatz untersucht. Die zugehörigen Werte für Dλ,exp.2in der Tabelle aus Abb. 4 zeigen eine sehr gute Übereinstimmung und verifizieren die Messung mit dem TCFL. Durch die Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Segmente FUT1 und FUT2 desselben Fasertyps herstellungsbedingte Abweichungen aufweisen, die leichte Unterschiede in der Dispersion zur Folge haben.

Wertet man die Messung der Pulsumlaufzeit im TCFL über Teilbereiche der Abstimmbandbreite aus, so erhält man spektral aufgelöste Werte Dλ,exp.(λ). Dies ist in Abb. 5 für verschiedene Inkremente dargestellt. Während die Messungen innerhalb ihrer Fehlerbalken durchweg mit der Referenzmessung übereinstimmen, limitieren jedoch die ansteigenden Fehlerbalken für höhere spektrale Auflösungen die Aussagekraft der Messung. In diesem Bereich zeigen interferometrische Verfahren eine bessere Eignung.

Die Vorteile der Dispersionsmessung mit dem TCFL beruhen hingegen auf einer automatisierten Messung in einem faserintegrierten stabilen Aufbau ohne Justageaufwand. Damit ist es besonders für industrielle Bereiche im Qualitätsmanagement sowie für Faserlaseranwendungen von hohem Interesse.

Gefördert von: BMBF, DFG

Zugehörige Publikationen

Tiess, T., Hartung, A., Becker, M., Chojetzki, C., Rothhardt, M., Bartelt, H., & Jäger, M. (2019). Intra-cavity measurement concept of dispersion properties with a tunable fiber-integrated laser. 

Laser Physics Letters, 16(2), 025101

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