Das Grundprinzip von Einmoden-Faserlasern

Das Grundprinzip vonEinmoden-Faserlaser

Die Erzeugung von Laserlicht erfordert die Erfüllung dreier grundlegender Bedingungen: Besetzungsinversion, einen geeigneten Resonator und das Erreichen derLaserSchwellenleistung (die Lichtverstärkung im Resonator muss größer sein als die Verluste). Der Funktionsmechanismus von Einmoden-Faserlasern basiert genau auf diesen fundamentalen physikalischen Prinzipien und erzielt Leistungsoptimierung durch die spezielle Struktur der Faserwellenleiter.

Stimulierte Strahlung und Besetzungsinversion bilden die physikalische Grundlage der Lasererzeugung. Wird die Lichtenergie einer Pumpquelle (üblicherweise einer Halbleiterlaserdiode) in eine mit Seltenerdionen (wie Ytterbium Yb³⁺, Erbium Er³⁺) dotierte Verstärkungsfaser eingekoppelt, absorbieren die Seltenerdionen Energie und gehen vom Grundzustand in den angeregten Zustand über. Übersteigt die Anzahl der Ionen im angeregten Zustand die Anzahl im Grundzustand, entsteht eine Besetzungsinversion. In diesem Zustand regt das einfallende Photon die stimulierte Strahlung der angeregten Ionen an und erzeugt neue Photonen mit derselben Frequenz, Phase und Richtung wie das einfallende Photon. Dadurch wird eine optische Verstärkung erzielt.

Das Kernmerkmal des EinzelmodusFaserlaserDer Vorteil liegt in ihrem extrem geringen Kerndurchmesser (typischerweise 8–14 μm). Gemäß der Wellenoptik ermöglicht ein so feiner Kern die stabile Übertragung nur eines elektromagnetischen Feldmodus (d. h. des Grundmodus LP₀₁ oder HE₁₁), also des Einzelmodus. Dadurch wird das in Multimodefasern auftretende Problem der Intermodaldispersion, d. h. die durch die Ausbreitung verschiedener Moden mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten verursachte Pulsverbreiterung, eliminiert. Hinsichtlich der Übertragungseigenschaften ist der Wegunterschied des Lichts in axialer Richtung in Einzelmode-Glasfasern extrem gering. Dies führt zu einer perfekten räumlichen Kohärenz des Ausgangsstrahls und einer Gaußschen Energieverteilung, wodurch der Strahlqualitätsfaktor M² sich 1 annähern kann (M² = 1 für einen idealen Gaußschen Strahl).

Faserlaser sind herausragende Vertreter der dritten GenerationLasertechnologieEinmoden-Faserlaser, die mit Seltenerdelementen dotierte Glasfasern als Verstärkungsmedium nutzen, haben sich im letzten Jahrzehnt dank ihrer einzigartigen Leistungsvorteile einen immer wichtigeren Anteil am globalen Lasermarkt erobert. Im Vergleich zu Multimode-Faserlasern oder herkömmlichen Festkörperlasern erzeugen Einmoden-Faserlaser einen idealen Gaußschen Strahl mit einer Strahlqualität nahe 1. Dies bedeutet, dass der Strahl nahezu den theoretisch minimalen Divergenzwinkel und den minimalen Fokuspunkt erreicht. Diese Eigenschaft macht ihn in Bereichen der Bearbeitung und Messung, die hohe Präzision und geringe thermische Belastung erfordern, unverzichtbar.