Untersuchungen zur Herstellung von mikrostrukturierten Laserfasern über Multifilament-Glaspreformen

in: Temporal Proceedings (2013)
Bierlich, Jörg; Grimm, Stephan; Kobelke, Jens; Schuster, Kay; Leich, Martin; Töpfer, Jörg; Brand, David
Die Verbreitung von glasfaserbasierten Festkörperlasern, den Faserlasern, vor allem in den Anwendungsgebieten der Produktionstechnik, der Medizintechnik und der Kommunikationstechnik, sowie die gestiegenen Anforderungen an die optischen und energetischen Leistungsparameter solcher Lasersysteme, machen eine Weiterentwicklung der laseraktiven Glasfasern erforderlich. Die Einführung von bestimmten Typen von Doppelmantel-Laserfasern (double clad laser fibers), den X-LMA Fasern, erlaubte eine Erhöhung der auskoppelbaren Laserleistungen, bei gleichzeitiger Verringerung der Anforderungen an die Strahlqualität der Pumplichtquellen. Ein beschränkender Faktor der effektiven Pumplichtabsorption in Doppelmantel-Laserfasern mit zentralen, laseraktiven Faserkern, ist die Ausbreitung der Pumplichtstrahlung im Fasermantel in sogenannten Helixmoden. Hierbei handelt es sich um Pumpstrahlanteile, die sich spiralförmig um den Faserkern ausbreiten, ohne mit diesem in Wechselwirkung zu treten und somit zur Laseraktivität beizutragen. Eine Möglichkeit die Ausbreitung von Helixmoden zu unterdrücken, besteht darin, von einem zirkularen Querschnitt des Pumplichtmantels der Laserfaser abzuweichen. Da bei Laserfasern mit achteckigem Querschnitt die höchsten Pumpabsorptionen bei Querschnitten mit gebrochener Fasersymmetrie zu erwarten sind, bestanden die Ziele der vorgestellten Untersuchungen in der Realisierung und Charakterisierung von oktogonalen Laserfasern über die Stack-and-Draw Technologie. Diese gestattet es, im Gegensatz zu mechanischen Formgebungsverfahren, wie z. B. Schleifen, zum einen verschiedenste Mikrostrukturen im Faserquerschnitt zu realisieren und zum anderen sehr lange Glaspreformen kostengünstig herzustellen. Im Rahmen der Untersuchungen konnte nun gezeigt werden, dass mittels einer dichtesten Anordnung zylindrischer Glasstäbe zu einem Stabbündel, Multifilament-Glaspreformen mit einem oktogonalen Querschnitt realisiert werden können. Entsprechend eines entwickelten Konstruktionsalgorithmus wurde dabei ein zentraler, laseraktiver Kernstab ringförmig mit undotierten Quarzglasstäben unterschiedlicher Durchmesser umgeben. Anschließend wurde die Stabpackung in einem thermischen Konsolidierungsprozess mit einem dünnen Glasmantelrohr umhüllt und zur oktogonalen Faserpreform überführt. Im abschließenden Faserziehprozess gelang es, die Glaspreformen unter Aufrechterhaltung ihrer Querschnittsform zu oktogonalen Laserfasern zu verziehen. Die Grunddämpfung der gefertigten optischen Fasern von 38 dB/km und die erzielten Pumpabsorptionen von bis zu 66 % des theoretischen Maximums, zeigten eine hervorragende Eignung zum Betrieb in Faserlasern im Kilowattbereich. Die Verwendung eines oktogonalen Faserquerschnittes ist, neben der Steigerung der Pumplichtabsorption, ebenso vorteilhaft in weiteren Verarbeitungsschritten, z. B. durch eine verbesserte Spleißbarkeit der Glasfasern und eine hohe Ausbeute bei nachgestellten Plasmabeschichtungsprozessen.

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