Im vorgestellten Aufbau wird in einem Verstärker basierend auf einer mit Ytterbium dotier-ten PCF die Impulsenergie auf 7,2 µJ erhöht. Dazu werden besondere Anforderungen an die verwendeten Bauteile und die effiziente Kühlung der Bauteile gestellt. Andernfalls kann kein dauerhaft stabiler Betrieb sichergestellt werden. Außerdem sind spezielle fasergekoppelte Laserdioden notwendig, um hinreichend Pumplicht zur Verfügung zu stellen.
4.2.1 Fasergekoppelte Hochleistungs-Pumpdioden
Der Pumpmechanismus im Ytterbium-Absorptionsband bei einer Wellenlänge von 975 nm stellt eine besondere Herausforderung dar. Aufgrund der vergleichsweise geringen Bandbrei-te ist eine exakBandbrei-te Wellenlängenstabilisierung des Pumplichts von entscheidender Bedeutung, damit es zu keinen Amplitudenschwankungen im Signallicht kommt. Bei einer Repetiti-onsrate von 10 MHz ist eine beträchtliche Durchschnittsleistung für die Steigerung der Impulsenergie im Signallicht auf mehrere Mikrojoule notwendig. Für das effiziente Pumpen der Yb:PCF ist zudem eine gute Strahlqualität gefordert, um möglichst viel Licht in den Pumpkern einzukoppeln. Zur Erfüllung dieser Anforderungen werden im hier beschriebenen
974 975 976
Abbildung 4.3: Charakteristik der verwendeten Pumpdioden. (a) Spektrum der wellenlängenstabilisierten Hochleistungs-Laserdiode. Die Zentralwellenlänge liegt bei 974,8 nm bei einer vollen Halbwertsbreite von 0,3 nm. (b) Optische Ausgangsleistung abhängig vom injizierten Pumpstrom. Die maximale Ausgangsleistung einer Diode beträgt 55 W. Die lineare Anpassung (rot) weist eine Steigung von 5,2 W A−1 auf.
System zwei fasergekoppelte Hochleistungs-Laserdioden im Dauerstrichbetrieb verwendet, die über ein Volumen-Bragg-Gitter in der Wellenlänge stabilisiert sind. In Abbildung 4.3(a) ist das Ausgangsspektrum einer solchen Diode gezeigt. Dieses ist um eine Wellenlänge von 974,8 nm zentriert mit einer vollen Halbwertsbreite von 0,3 nm und stellt damit ei-ne ideales Pumpspektrum dar. Laut Hersteller liegt eiei-ne temperaturabhängige Drift der Wellenlänge von lediglich 0,01 nm K−1 vor. Da die Temperatur der Dioden durch aktive Wasserkühlung auf 21◦C gehalten wird, sind keine signifikanten Abweichungen vorhanden.
Die Diodenkennlinie, also die optische Ausgangsleistung in Abhängigkeit des injizierten Pumpstroms, ist in Abbildung 4.3(b) aufgetragen. Die maximale Ausgangsleistung beträgt 55 W. Eine lineare Anpassung weist eine Steigung von 5,2 W A−1 auf. Aus der an der Diode anliegenden Spannung und dem Pumpstrom ergibt sich ein Wirkungsgrad elektrischer zu optischer Leistung von 42,9 %. Das Licht der beiden verwendeten Pumpdioden wird über einen fasergekoppelten Kombinierer in einer Faser mit einem Kerndurchmesser von 200 µm und einer numerischen Apertur von 0,22 zusammengefügt. Am Ende der Faser ist ein Winkelschnitt angebracht, der Rückreflexe an der Endfacette in die Diode vermeidet.
Durch den Winkelschnitt reflektiert jedoch ein Teil des Lichts in den Mantel zurück. Da die Gesamtleistung von beiden Dioden kombiniert bei 106 W liegt, ist die thermische Last derart hoch, dass es in dem Fall zu Verbrennungen der äußeren Polymer-Hülle kommt.
Um dies zu vermeiden, wird Gel mit angepasstem Brechungsindex verwendet. Damit wird dieses Licht gezielt an einer Stelle ausgekoppelt, an der zuvor die Hülle entfernt wurde.
Eine schematische Darstellung des Verfahrens ist in Abbildung 4.4 gezeigt. Da das so ausgekoppelte Licht prinzipiell in alle Raumrichtungen abstrahlt, ist dieser Bereich in einem Gehäuse untergebracht, das gleichzeitig als Staubschutz fungiert und an dem die notwendige Kollimationslinse gehaltert wird. Eine Wasserkühlung hält das Gehäuse auf eine Temperatur von 21◦C, um thermisch bedingte Drifts des ausgekoppelten Lichts vermieden.
Mantel
Polymer-hülle
Winkel-schnitt Gel
Kern
Abbildung 4.4: Faserende der Pumplicht führen-den Faser. Ein Winkelschnitt verhindert, dass Rückreflexe an der Endfacette Richtung Laser-dioden propagieren. Gel mit angepasstem Bre-chungsindex koppelt reflektiertes Licht aus, da-mit es an der Polymerhülle nicht zu thermischen Schäden kommt.
4.2.2 Aufbau des Hauptverstärkers basierend auf einer Yb:PCF
Die im Abschnitt 4.1 vorgestellte mit Ytterbium dotierte PCF wird zur Erhöhung der Lichtimpulse auf Energien von einigen Mikrojoule verwendet. Aufgrund der komplexen Struktur einer solchen Faser lässt sich diese nur sehr schwer spleißen oder präzise ab-schneiden, weshalb die PCF in eine Freistrahlgeometrie integriert ist. In Abbildung 4.5
ist der schematische Aufbau dieses Hauptverstärkers dargestellt. Die Impulse aus dem Vorverstärker, beschrieben in Abschnitt 3.4, werden über einen dichroitischen Strahlteiler und eine Linse der Brennweite 20 mm in den Kern der PCF geleitet. Der Strahlteiler ist dabei so aufgebaut, dass dieser hoch reflektierend für den Wellenlängenbereich um 1,03 µm ist, während die Pumpwellenlänge nahezu vollständig transmittiert. Damit wird auf der Seite der Einkopplung des Signallichts in die PCF sicher gestellt, dass restliches Pumplicht in einer Strahlfalle deponiert wird, ohne dass dieses Licht in den Vorverstärker gelangt. Eine λ/2-Verzögerungsplatte dient zusätzlich zur Ausrichtung der Polarisation auf die langsame Achse der PCF, um die Einkopplung zu optimieren. Das Pumplicht wird entgegengesetzt der Propagationsrichtung des Signallichts in die PCF eingekoppelt. Dazu kollimiert eine Linse der Brennweite 20 mm das Pumplicht am Ende der Faser. Über zwei dielektrische Spiegel wird das Licht auf eine weitere Linse mit einer Brennweite 12,7 mm geleitet, die den Strahl auf den Pumpkern der PCF fokussiert. Diese Linse dient gleichzeitig der Kollimation des Signallichts. Beide Komponenten werden über einen weiteren, baugleichen dichroiti-schen Strahlteiler voneinander getrennt. Die dielektridichroiti-schen Spiegel im Strahlengang des Pumplichts sind transparent für den Wellenlängenbereich um 1,03 µm und dienen damit als Filter, um zu verhindern, dass übriges Signallicht in die Dioden gelangt, was zur deren Beschädigung führen würde. Im Strahlengang nach der PCF befindet sich eine Kombination
Yb:PCF
Abbildung 4.5: Schematischer Aufbau des Hauptverstärkers basierend auf einer mit Ytterbium dotierten photonischen Kristallfaser (Yb:PCF). Das Signallicht aus dem Vorverstärker wird über eine λ/2-Verzögerungsplatte in Polarisation parallel zur langsamen Achse der PCF gebracht und über einen dichroitischen Strahlteiler (DBS) in diese eingekoppelt. Der Strahlteiler ist für restliches Pumplicht transparent, sodass dieses gezielt in einer Strahlfalle aufgenommen wird. Gepumpt wird der Verstärker über zwei kombinierte, fasergekoppelte Hochleistungs-Laserdioden mit einer Ausgangsleistung von jeweils 55 W. Dielektrische Spiegel (DM) verhindern dabei die Reflexion von übrigem Signallicht, da dieses die Dioden beschädigen könnte. Auch hier wird über einen Strahlteiler Signal- von Pumplicht getrennt.
Über eine Kombination ausλ/2-Verzögerungsplatte und einem Dünnfilmpolarisator wird die Polarisation des Signallichts auf senkrechte Polarisation bezüglich der Einfallsebene eingestellt und bereinigt.
aus λ/2-Verzögerungsplatte und Dünnfilmpolarisator. Damit wird einerseits das Licht auf senkrechte Polarisation bezüglich der Einfallsebene eingestellt und andererseits die Polarisation bereinigt. Zudem ist somit ein Mechanismus installiert, der eine stufenlose Abschwächung des Signallichts zulässt, ohne den Pumpstrom zu ändern.
4.2.3 Anforderungen an Komponenten des Hochleistungs-Verstärkers
Bei Impulsenergien im Mikrojoule-Bereich mit einer hier beschriebenen Repetitionsrate von 10 MHz liegt eine Durchschnittsleistung von bis zu 106 W für das Pumplicht und 72 W im Signallicht vor. Für einen stabilen Betrieb müssen thermische Belastungen reduziert werden, um temperaturabhängige Drifts sowie thermisch bedingte Schäden zu vermeiden.
Außerdem gilt es, optische Störeffekte durch Rückkopplung von Licht hoher Leistung zu verhindern.
Abbildung 4.6: Temperaturentwicklung an der PCF des Hochleistungs-Verstärkers.
Gezeigt ist in (a) ein Bild des Konnektors auf der Seite, auf der das Pumplicht in die PCF geleitet wird. In (b) ist der gleiche Ausschnitt gezeigt als Thermogramm aufge-nommen mit einer Wärmebildkamera. Faser und Konnektor erwärmen sich schon bei einer vergleichsweise geringen Pumpleistung von 8 W. Ein Thermogramm des Über-gangs von Konnektor zur Faser ist in (c) im Detail gezeigt. Die Spitzentemperatur bei voller Pumpleistung beträgt 163◦C.
Die höchste thermische Belastung im Gesamtsystem liegt an der Einkopplung des Pumplichts in die PCF vor. Die Faser ist mit speziell angefertigten Konnektoren an beiden Seiten ausgestattet, die Pumplicht, welches im äußeren Mantel propagiert, auskoppeln. Um die thermische Belastung des Bauteils und der anschließenden Faser festzustellen, wurde die Temperatur im laufenden Betrieb mit einer Wärmebildkamera untersucht. In Abbildung 4.6 sind diese Aufnahmen gezeigt. Anhand des Realbildes des Konnektors in Abbildung 4.6(a) ist im aufgenommenen Thermogramm in (b) zu erkennen, welche Bereiche an Temperatur gewinnen. Der Thermalisierungsprozess ist aufgrund des geringen Volumens der Faser in wenigen Sekunden abgeschlossen, sodass die Temperatur danach annähernd konstant bleibt. In Abbildung 4.6(b) ist zu erkennen, dass bereits bei einer vergleichsweise geringen Pumpleistung von 8 W sich die PCF auf Temperaturen bis annähernd 40◦C erwärmt. In
Abbildung 4.6(c) ist ein Thermogramm vom Detailausschnitt des Übergangs von Konnektor zur Faser gezeigt. Bei voller Pumpleistung erwärmt sich die Faser auf Temperaturen über 160◦C. Ohne aktive Kühlung dieses Bereichs führen derartig hohe Temperaturen bei längerem Betrieb dazu, dass die Acrylathülle der Faser zu Brennen beginnt, was einen irreparablen Schaden nach sich zieht. Daher wird die Faser auf einem aktiv wassergekühlten Aluminiumträger auf einer Temperatur von unter 50◦C gehalten. Der Konnektor und die direkt folgende Faser werden dabei gesondert gekühlt, da die thermische Last hier deutlich höher ist. Dazu wird der Konnektor in einen speziell gefertigten Kupferhalter eingebettet, welcher durch eine Wasserkühlung auf eine Temperatur von 21◦C gehalten wird. Dieser Halter und das bereits in Abschnitt 4.2.1 beschriebene Gehäuse für die Endfacette der Faser, in der das Pumplicht geführt wird, sind in Abbildung 4.7 gezeigt. Die Kühlung schützt einerseits die Faser vor Schäden und verhindert andererseits das Aufwärmen von Komponenten im Aufbau, was zu Abweichungen der Strahlrichtung führen würde. Spezielle Optomechaniken für die Einkopplung in die PCF erhöhen die mechanische Stabilität weiter.
Diese weisen eine thermische Drift von lediglich 1 µm/◦C auf. Dabei kann die Endfacette der PCF mit einer Genauigkeit von 0,5 µm in allen drei Raumrichtungen positioniert werden.
Einkopplung PCF
Auskopplung Pumplicht
Abbildung 4.7: Bild der Pumplicht-Einkopplung der PCF. Zu erkennen ist der was-sergekühlte Kupferblock, in dem der in Abbildung 4.6(a) erkennbare Konnektor eingebracht ist. Konnektor und die ersten 5 cm der Faser werden so aktiv auf eine Temperatur von 21◦C gehalten. Zudem ist das Gehäuse der Auskopplung des Pum-plichts erkennbar. Auch dieses wird aktiv auf eine Temperatur von 21◦C gehalten.
Das restliche Pumplicht, sowie das ausgekoppelte Signallicht, welches entlang der lang-samen Achse polarisiert ist, wird in einer ebenfalls aktiv gekühlten Strahlfalle geblockt, sodass thermisch bedingte Drifts des Strahlengangs vermieden werden. Zudem sind war-me Komponenten, wie etwa die Pumpdioden des Vorverstärkers, vom restlichen System weitestgehend entkoppelt. Dies verringert thermisch bedingte Konvektionsströmungen der Luft, die einen negativen Einfluss auf die Strahlstabilität hätten. Um optimal konstante
Bedingungen zu erhalten, wird die Umgebungsluft zudem temperaturstabilisiert.
Neben den thermisch bedingten Herausforderungen im Betrieb eines Lasersystems mit derartig hohen Leistungen spielen auch optische Effekte eine Rolle. Die Endfacette der PCF stellt eine Glas-Luft-Grenzfläche dar, an der Reflexion stattfindet. Durch den angebrachten Winkelschnitt wird das Signallicht am Ende der PCF jedoch nicht in den Kern, sondern in den inneren Mantel zurück reflektiert. Das Licht wird darin multimodig entgegengesetzt zur eigentlichen Strahlrichtung geführt. Insgesamt verlässt auf diese Weise Signallicht mit einer Leistung von bis zu 3 W die Faser in Rückwärtsrichtung. Dieses Licht koppelt stark divergent und unpolarisiert aus. Dennoch sind die vorliegenden Leistungen derartig hoch, dass der Vorverstärker davor geschützt werden muss. Selbst eine ineffiziente Einkopplung des Lichts in den Vorverstärker reicht aus, dass in diesem die Besetzungsinversion in Rückwärts-richtung abgeräumt wird. Dazu sind lediglich wenige hundert Mikrowatt mittlerer Leistung notwendig. Das vermindert einerseits die Effizienz des Verstärkers und führt andererseits zu Instabilitäten im Betrieb. Aus diesem Grund sind zwischen den beiden Verstärkerstufen zwei Isolatoren eingebracht, die mit einer Isolation von −38 dB beziehungsweise −42,8 dB für ausreichend Abschwächung des von der PCF rückreflektierten Lichts sorgen. Zwei Glan-Taylor-Prismen, die im Isolator als Polarisatoren eingesetzt werden, sorgen dafür, dass rückreflektiertes Licht beider Polarisationsrichtungen gezielt ausgekoppelt wird. Dieses Licht wird auf eine Strahlfalle geführt, damit sich die Isolatoren im laufenden Betrieb nicht erwärmen.
Durch die zeitliche Streckung der Impulse, liegt am Ende der PCF eine Spitzenleistung von 18 kW vor, die hinreichend weit entfernt von der physikalischen Grenze der Selbstfokus-sierung bei etwa 4 MW liegt [Sch09]. Die Energiedichte am Ende der Faser liegt bei maximal 1,1 J/cm2. Auch hier liegt der Wert deutlich unter der angegebenen Zerstörschwelle von 170 J/cm2 [NKT12], sodass im normalen Betrieb keine Gefahr für optische Schäden an der Glasfaser auftreten. Bricht jedoch die Versorgung mit Signallicht ab, während weiterhin Pumplicht in die Faser eingekoppelt wird, kommt es durch Güteschaltung bedingt zu Impulsen mit extrem hoher Spitzenleistung, die ausreicht, um die Endfacette der Faser massiv zu beschädigen, wie bereits in Abschnitt 2.2.3 beschrieben.