Bei der Erhöhung der Impulsenergie in den Mikrojoule-Bereich treten insbesondere bei der Verwendung von Glasfasern Effekte auf, die für einen dauerhaft stabilen Betrieb verhindert werden müssen, da sie zu Instabilitäten oder Beschädigungen an den verwendeten Komponenten führen. Diese lassen sich in drei Kategorien aufteilen: thermische Effekte, die mechanische Drifts bis hin zu Beschädigungen der Bauteile verursachen können, nichtlineare Effekte, welche die Parameter der Ausgangsimpulse negativ beeinflussen, und optische Schäden, die aufgrund zu hoher Leistung beispielsweise an der Glas-Luft-Grenzfläche einer Faser-Endfacette auftreten können.
2.2.1 Thermische Effekte
Mit Hochleistungs-Laser und -Verstärker kommt es bei der Erhöhung der Impulsenergie bei gleichbleibender Repetitionsrate zwangsläufig zu gesteigerten Durchschnittsleistungen.
Durch das Deponieren einer dafür nötigen hohen Pumpleistung wird unweigerlich das aktive Medium erwärmt. Maßgeblich verantwortlich für die Menge an deponierter Leistung ist die Quanteneffizienz. Bei Yb:Fasern liegt der Verlust der optischen Leistung durch Umwandlung in thermische Leistung bei 8 % bis 12 % [Zer14]. Glasfasern eigenen sich jedoch aufgrund des hohen Verhältnisses von Volumen zu Oberfläche sehr gut für Hochleistungs-Anwendungen, da Wärme gut von der Oberfläche abtransportiert werden kann. Im Dauerstrichbetrieb sind bei monomodiger Strahlführung Durchschnittsleistungen im Bereich einiger Kilowatt umsetzbar [Jeo04].
Die thermischen Belastungen eines Lasersystems können zu mechanischen Drifts der verwendeten Komponenten führen, was die Stabilität der Ausgangsleistung insbesondere auf langen Zeitskalen mindert. Strahlversatz und erhöhte Verluste durch ineffiziente
Ein-kopplung von Licht in Komponenten sind die Folgen, die sich als Leistungsverlust direkt bemerkbar machen. Neben einer mechanischen Drift führt eine zu hohe Temperatur zu Beschädigungen der äußeren Schutzhülle, welche häufig aus Acrylaten besteht und damit nur begrenzt thermischen Lasten standhält.
Die obere Grenze der möglichen Durchschnittsleistung in einer Verstärkerfaser sind thermisch bedingte Fluktuationen des Strahlprofils auf Millisekunden-Zeitskalen, welche als Modeninstabilitäten bezeichnet werden [Smi11; Jau13]. Dabei kommt es durch Interferenz der fundamentalen Mode mit höheren Moden, was eine quasi-periodische Intensitätsvertei-lung nach sich zieht, welche die Besetzungsinversion der Faser beeinflusst [Jau12a]. Durch ein so entstehendes Temperaturprofil und dem thermo-optischen Effekt bildet sich eine Modulation des Brechungsindex aus, die als Gitter wirkt, sodass Energieübertragung zwi-schen den Moden stattfinden kann. Oberhalb bestimmter Leistungen kommt es so zu einer chaotischen Fluktuation der Mode [Ott12]. Der physikalische Ursprung einer dazu notwendigen Phasenverschiebung ist noch nicht vollständig geklärt und mehrere Ansätze werden in der Literatur diskutiert [Jau12b; War12; Han13; Nad13].
2.2.2 Nichtlineare optische Effekte
Insbesondere bei Faserlasern stellt die Erzeugung von Impulsen mit hoher Spitzenintensität und hohen Spitzenleistungen, eine besondere Herausforderung dar. Diese überschreiten im räumlich stark begrenzten Kern schnell den Bereich der linearen Impulspropagation im Medium. Die Folge ist ein Energietransfer in zusätzliche Frequenzkomponenten durch nichtlineare Effekte. Die dabei aufgeprägte Phase und Strukturierung des Spektrums lässt sich mitunter nicht mehr ausgleichen. Infolgedessen ist die Kompression zu kurzen Impulsen nicht mehr möglich.
Bei der Propagation intensiver Impulse finden in Glasfasern unelastische, nichtlineare Streuprozesse statt, bei denen Energie zwischen Photonen und Vibrationen des Glas-Gitters ausgetauscht wird. Bei der stimulierten Raman-Streuung [Sto72; Smi72] handelt es sich um eine Wechselwirkung zwischen Photonen und optischen Phononen, bei der die gestreuten Anteile rotverschoben werden. Das gestreute Signal propagiert dabei in beide Richtungen entlang der Faser. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei der stimulierten Brillouin-Streuung [Ipp72] um die Streuung an akustischen Phononen. Auch hier wird die Energie in ein Signal mit niedrigerer Frequenz übertragen, jedoch propagiert das gestreute Signal entgegengesetzt zum Signallicht. Im Extremfall kann es zur zeitlichen Aufspaltung der Impulse kommen, sodass sich Unterimpulse mit extrem großen Spitzenleistungen ausbilden, die zum Schaden der Faser führen können [Zer14]. Der Effekt der stimulierten Brillouin-Streuung ist invers proportional zur Bandbreite der Impulse und spielt daher bei ultrakurzen Impulsen eine untergeordnete Rolle [Kob10]. Beide Effekte können beispielsweise durch eine Vergrößerung des Modenfelddurchmessers minimiert werden.
Unabhängig von Streuprozessen kommt es bei der Propagation intensiver Lichtimpulse
zu weiteren nichtlinearen Effekten, die von der elektrischen Polarisation abhängig sind.
Nach Gleichung 1.14 lässt sich die elektrische Polarisation durch einen linearen und einen nichtlinearen Anteil darstellen. Für symmetrische Gitterpotenziale verschwinden Beiträge gerader Ordnungen. Da es sich bei Quarzglas (SiO2) um zentrosymmetrische Moleküle handelt, sind diese Beiträge bei den betrachteten Glasfasern daher irrelevant. Beiträge der vierten und höheren Ordnung sind in der Praxis ohnehin vernachlässigbar klein, sodass es genügt, ausschließlich die Polarisation dritter Ordnung zu betrachten. Das bedeutet, dass Effekte wie Summen- oder Differenzfrequenzerzeugung, die Erzeugung der zweiten Harmonischen sowie optische Gleichrichtung in Glasfasern typischerweise keine Rolle spielen.
Bei intensiven Impulsen tritt jedoch ein nichtlinearer Effekt dritter Ordnung auf: der Kerr-Effekt. Er beschreibt die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Leistung. Dieser lässt sich ausdrücken als [Agr07]
n(ω, I) =n0(ω) +n2I. (2.1)
n0 bezeichnet dabei den linearen und n2 den nichtlinearen Anteil des Brechungsindex, der mit der Intensität skaliert. Für den nichtlinearen Anteil gilt:
n2 = 2π
n0 2
χ(3)(ω). (2.2)
Dabei istχ(3)(ω) die Suszeptibilität dritter Ordnung in Abhängigkeit der Kreisfrequenz. Der Kerr-Effekt hat eine nichtlineare Phasenverschiebung des elektrischen Feldes innerhalb eines Impulses zur Folge und ist damit für die Selbstphasenmodulation verantwortlich [Sto78].
Diese Phasenverschiebung kann über das B-Integral abgeschätzt werden. Es beschreibt die akkumulierte Phasenverschiebung beim Durchgang durch eine Faser:
B = 2π λ
Z
n2I(z)dz. (2.3)
Dabei ist λ die Wellenlänge und I(z) die Intensität entlang der Propagationsrichtung.
Allgemein gilt, je größer der Wert des B-Integrals ist, desto schlechter lassen sich die Impulse im Nachhinein komprimieren. Da n2 durch das Material vorgegeben ist, muss die Intensität verringert oder die Faser verkürzt werden, um das Integral zu minimieren. Eine Herabsetzung der Intensität des Lichts innerhalb der Faser lässt sich entweder durch einen größeren Modenfelddurchmesser (Abschnitt 2.3) oder durch zeitliches Strecken der Impulse (Abschnitt 2.4) erreichen.
Ein Extremfall des Kerr-Effekts und gleichzeitig eine physikalische Grenze für die um-setzbare Leistung in einer Glasfaser ist die Selbstfokussierung [Chi64; Fib00]. Durch die Änderung des Brechungsindex kann sich eine Linse innerhalb der Faser bilden, sodass der Strahl kollabiert. In einem solchen Fall liegt derart viel Leistung auf kleinstem Volumen vor,
dass es zu dauerhaften Beschädigungen der Faser kommt [Far06]. Dabei ist dieser Effekt ausschließlich von der Spitzenleistung abhängig, jedoch nicht von der Spitzenintensität, sodass beispielsweise eine Vergrößerung der Mode keine Abhilfe verschafft. Die Grenze der maximalen Spitzenleistung liegt bei etwa 4 MW für linear polarisiertes Licht bei einer Wellenlänge um 1 µm [Sch09].
2.2.3 Optische Schäden
Bei Impulsen mit einer Dauer von einigen hundert Pikosekunden bis wenige Nanosekunden kann es bei hohen Leistungen zu einer Beschädigung der Glasfaser kommen, verursacht durch Elektronen-Lawinen. Die Beschädigung startet bei einer Elektronendichte von mehr als 2·108µm−3 [Zer14]. Oberhalb dieser Dichte erreicht die Plasmafrequenz den Bereich der optischen Frequenzen und das Signallicht wird stark absorbiert. Die so deponierte Energie ist ausreichend hoch, um das Glas der Faser zu schmelzen oder zu brechen. Bei einer Impulslänge von beispielsweise 500 ps liegt die Zerstörschwelle bei reinem Quarzglas bei etwa 30 J/cm2 [Stu96; Smi08]. Für Impulsdauern unterhalb von 50 ps entwickelt sich der Lawineneffekt langsamer als die Impulseinhüllende. Die Zerstörschwelle steigt damit an und verhält sich nicht mehr linear mit der Impulsdauer. Bei Impulslängen kleiner als 0,6 ps wird das Material kaum noch geschmolzen, es findet eine schnelle Ablation oder Verdampfung des Materials statt [Stu96].
Abbildung 2.2: Mikroskop-Aufnahme einer optisch beschä-digten Faser-Endfacette. Durch Ausbleiben des Signallichts kommt es im Hochleistungs-Verstärker zu einer Güteschal-tung der verstärkten spontanen Emission. Die LeisGüteschal-tung wird dabei so hoch, dass die Zerstörschwelle überschritten wird.
Die Folge ist eine massive Beschädigung der Endfacette.
Glas-Oberflächen, wie etwa Faserendfacetten, sind deutlich anfälliger für optische Schäden.
Rauigkeit oder Verschmutzungen an der Oberfläche führen zu einer deutlichen Verringerung der Zerstörschwelle. Sind die Endfacetten einer Glasfaser jedoch hinreichend gut poliert, verhält sich die Beschädigung an der Oberfläche sehr ähnlich im Vergleich zu einem größeren Volumen aus gleichem Material [Smi08]. Auch die Dotierung mit Ytterbium zieht keine nennenswerten Änderungen an diesem Verhalten nach sich [Smi09].
Eine Überschreitung der Zerstörschwelle bei Hochleistungs-Verstärkern basierend auf Glasfasern ist innerhalb weniger Millisekunden möglich, wenn die Versorgung mit Signallicht unterbrochen, der Verstärker jedoch weiterhin mit Pumplicht versorgt wird. In einem solchen Fall wird in der Faser genügend Energie gespeichert, um sich durch Impulsbildung
durch eine Güteschaltung, so genanntes Q-switching [McC62], selbst zu zerstören. So entstehen innerhalb der Faser extrem hohe Spitzenleistungen, die sowohl die Faser als auch Komponenten vor und nach dem Verstärker zerstören. Das Schadensbild an der Endfacette einer Glasfaser nach einem solchen Vorgang ist in Abbildung 2.2 gezeigt.