Das zugrunde liegende Konzept der Lichtleitung innerhalb einer photonischen Kristallfaser wurde bereits in Abschnitt 2.3.2 dargestellt. In dem hier vorgestellten Aufbau wird eine kommerziell erhältliche PCF verwendet, die nach dem Prinzip des effektiven Brechungsindex aufgebaut ist. In Abbildung 4.1(a) ist der schematische Querschnitt der verwendeten PCF
200µm
450µm
Mantel Airclad
Kanäle
Kern (Signallicht)
(a) (b)
Spannung induzie- (c) rende Strukturen langsame
Achse
Pumpkern Mantelkante
Abbildung 4.1: Aufbau der in dieser Arbeit verwendeten photonischen Kristallfaser.
(a) Schematischer Querschnitt der Faser. Im Kern propagiert das Signallicht mono-modig. Spannung induzierende Strukturen führen zur Erhaltung der Polarisation des geführten Lichts. Dabei wird Licht mit linearer Polarisation in der eingezeichneten, so genannten langsamen Achse, geführt. Der Pumpkern wird durch ein Airclad begrenzt. Dieses besteht aus wenige Nanometer dicken Glasbrücken, zwischen denen sich Luft befindet. Die Mantelkanten zwingen die Faser durch induzierte Spannung im Material in die korrekte Ausrichtung bezüglich der Polarisation. (b) Vergrößerte Aufnahme des Signalkerns und (c) Nahfeldaufnahme der Feldverteilung bei einer Wellenlänge von 1,06 µm. Entnommen aus [NKT14].
gezeigt. Der Signalkern ist mit Yb3+-Ionen dotiert und hat einen Durchmesser von 40 µm bei einer numerischen Apertur von 0,03. Ihn umgeben zahlreiche symmetrisch angeordnete und mit Luft gefüllte Kanäle entlang der gesamten Faser. Die Kanäle sind dabei in Größe und Abstand zueinander so angeordnet, dass die PCF bis zu einer Wellenlänge von etwa 1,12 µm monomodig Licht führt und für höhere Moden bei einem Krümmungsradius von mehr als 14 cm eine Dämpfung größer als 24 dB auftritt [Lau11]. Das Licht der fundamentalen Mode erfährt hingegen eine geringe Dämpfung von weniger als 1 dB m−1 bei Krümmungsradien größer als 12,5 cm [NKT13]. Abbildung 4.1(b) zeigt eine mikroskopische Aufnahme des Signalkerns. In Abbildung 4.1(c) ist zudem eine Nahfeldaufnahme der Feldverteilung für Signallicht mit einer Wellenlänge von 1,06 µm gezeigt.
Zur Realisierung polarisationserhaltender Lichtleitung in einer photonischen Kristallfaser werden Spannung induzierende Strukturen beim Herstellungsprozess eingebracht [Fol04].
Solche Strukturen sind in der verwendeten PCF ebenfalls vorhanden. Das Glas dieser Strukturen ist mit Bor dotiert, um den Brechungsindex zu verringern und ihn so an den effektiven Brechungsindex der photonischen Kristallstruktur anzupassen. Die auf diese Weise durch die Material-Anisotropie induzierte Doppelbrechung im Kern von etwa 10−4 führt zu einer erhöhten Brechungsindexkomponente in Richtung der langsamen Achse im Vergleich zur senkrecht dazu stehenden Polarisationsebene. Daher ist die numerische Apertur des Kerns für die langsame Achse höher als die der senkrecht dazu stehenden Achse.
Bei der vorliegenden PCF wird im Wellenlängenbereich von 1,0 µm bis 1,2 µm lediglich eine Polarisationsrichtung geführt, während die senkrecht dazu stehenden Komponenten
unterdrückt werden [NKT13]. Dieses Verhalten verringert ein Übersprechen der Anteile und führt zu einer stabilen Polarisation am Ende der Faser. Eine solche PCF wird polarisierend bezeichnet [Nol04; Sch05]. Das Verhältnis der Auslöschung der nicht geführten zu geführten Feldkomponenten beträgt mehr als 15 dB [NKT14].
Die verwendete PCF verfügt zudem über eine Doppelmantelstruktur, um das Pumpen mit multimodigem Licht zu ermöglichen. Der innere Mantel aus Quarzglas wird von einem Airclad umgeben [Han11]. Dabei handelt es sich um luftgefüllte Kanäle entlang der Faser, die lediglich durch schmale Glasbrücken im Bereich weniger Nanometer voneinander getrennt sind. Das Airclad ist wiederum von einem Quarzglasmantel umgeben. Da der Brechungsindex im Airclad sehr nahe bei eins liegt, funktioniert die Lichtleitung des Pumplichts im inneren Mantel über Totalreflexion. Der Durchmesser des so gebildeten Pumpkerns beträgt 200 µm und hat eine numerische Apertur von 0,60. Die vergleichsweise hohe numerische Apertur bietet dabei den Vorteil, multimodiges Pumplicht einfacher in den Pumpkern fokussieren zu können. Pumplicht bei einer Wellenlänge von 976 nm wird mit etwa 10 dB m−1 im Kern der Faser absorbiert. Der äußere Quarzglasmantel weist einen Durchmesser von 450 µm auf. Die Form des Mantels ist dabei nicht zylindrisch, sondern besitzt Kanten, die ausgerichtet an der Polarisationsrichtung der Faser aufpoliert werden, wie sie in Abbildung 4.1(a) eingezeichnet sind. Die so induzierte Spannung im Material zwingt die Faser in die korrekte horizontale Ausrichtung. Ein Verdrillen der Faser um nur wenige Grad führt zu Beschädigungen der empfindlichen Struktur der PCF. Das Auskoppeln von Pumplicht an einer beschädigten Stelle wäre die Folge, was die Effizienz der Faser deutlich herabsetzt und gegebenenfalls sogar zu thermischen Schäden an der äußeren Hülle der Faser führen kann. Der Durchmesser dieser äußeren Hülle aus Acrylat beträgt etwa 540 µm. Sie bietet mechanischen Schutz für die Faser, hat dabei jedoch keinen Einfluss auf die Lichtleitung.
Am Ende der Faser werden die Luftkanäle kollabiert und damit von der Umgebung abgeschlossen. In Abbildung 4.2 ist eine schematische Darstellung eines solchen Faserendes ist gezeigt. Weiterhin ist an der Endfacette der Faser ein Winkelschnitt von etwa 5°
angebracht, der dafür sorgt, dass Rückreflexe des Signallichts nicht wieder in den Kern geleitet werden. Wäre dies der Fall, hätten die Reflexe eine derart hohe Leistung, dass die Besetzungsinversion innerhalb der Faser größtenteils in Rückwärtsrichtung abgeräumt
mikrostrukturierter Kollabie-rungszone
geführter Strahl Bereich
Winkelschnitt
Abbildung 4.2: Schematischer Aufbau des Faserendes einer PCF. Die Kanäle werden am Ende der Faser kollabiert, um sie von der Umgebung abzudichten. Ein Winkel-schnitt sorgt dafür, dass Rückreflexe des Signallichts von der Glas-Luft-Grenzfläche nicht im Kern zurückgeführt werden.
würde. Eine Verstärkung von Signallicht in der eigentlichen Strahlrichtung wäre damit nicht mehr möglich. Zusätzlich wird die Endfacette hochrein poliert, um eine möglichst saubere Oberfläche zu erhalten, an der das Licht nicht gestreut wird, und um die Zerstörschwelle zu erhöhen. Für die hier beschriebene PCF liegt die Zerstörschwelle laut Hersteller bei einer Energiedichte von etwa 170 J/cm2 für eine Wellenlänge von 1064 nm und einer Impulslänge von 10 ns [NKT12].