Hybrid-Faserpumpenkombinator könnte Lasersysteme im mittleren Infrarotbereich voranbringen

In den letzten zwei Jahrzehnten hat der rasante Fortschritt bei Anwendungen wie Umweltüberwachung, medizinischer Diagnostik und globaler Positionierung den Fokus auf die Entwicklung neuartiger Lichtquellen im mittleren Infrarotbereich verstärkt. Als besonders vielversprechende Lichtquellen mit hoher Helligkeit haben sich faserbasierte Laser im mittleren Infrarotbereich erwiesen, die über 2,5 μm hinaus arbeiten. Die Ausweitung der Lasererzeugung auf den mittleren IR-Wellenlängenbereich stellt jedoch erhebliche Herausforderungen dar, vor allem aufgrund der extremen Absorption in Quarzfasern, die aus der hohen Phononenenergie von Glasmatrizen resultiert.

Um dies zu überwinden, mussten Forscher auf weiche Glasfasern zurückgreifen, die aufgrund ihrer hohen Wärmeausdehnung, niedrigen Schmelzpunkte und Zerbrechlichkeit eine völlige Neubewertung des Faserlaser-Entwicklungsprozesses erfordern. Folglich basieren die meisten Faserlaseraufbauten im mittleren Infrarotbereich bisher stark auf Massenkomponenten, wobei das Verstärkungsmedium der einzige Faserabschnitt ist.

Ein aktuelles Papier veröffentlicht In Licht: Fortschrittliche Fertigung von einem Wissenschaftlerteam um Dr. Maria Chernysheva vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien stellt eine innovative Lösung für eine der entscheidenden Herausforderungen in diesem Bereich vor. Die Forscher haben ein neuartiges Konzept für einen Hybrid-Faser-Pump-Kombinator entwickelt, der eine entscheidende Komponente für Vollfaser-Lasersysteme ist.

Die Autoren stellen fest: „Derzeit sind alle Pumplaser mit Quarzfaserausgängen ausgestattet. Die größte Herausforderung bei der Integration dieser Pumpquellen in Faserlasersysteme im mittleren Infrarotbereich liegt in der Inkompatibilität von Quarzfasern mit weichen Glasfasern wie Fluoridglas. Diese.“ Fasern haben fast den halben Schmelzpunkt und den 30-fachen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Siliziumdioxid, was herkömmliche Spleißmethoden zu einer großen Herausforderung macht. Folglich war die Herstellung von verschmolzenen Hybridfaserkomponenten nahezu unmöglich.

Um dieses Problem anzugehen, untersuchte das Forschungsteam einen alternativen Ansatz: Seitenkopplung basierend auf dem evaneszenten Feld. Durch das Polieren der Fasern über eine Länge von ca. 1 cm und deren Ausrichtung nebeneinander konnte eine Kopplungseffizienz von über 80 % erreicht werden, ohne dass ein direktes Spleißen erforderlich war. Diese innovative Methode nutzt das evaneszente Feld, um Licht von der Silica-Pumpenfaser in die Fluorid-Signalfaser zu übertragen und überwindet so die Einschränkungen, die durch die Eigenschaften weicher Glasfasern entstehen.

Bemerkenswert ist, dass dieses neue Design die Wärmelast effektiv über den erweiterten polierten Faserbereich verteilt und so einen leistungsstarken, langzeitstabilen Betrieb mit einer RMS-Stabilität von 0,09 % ermöglicht. Die nachgewiesenen übermäßigen Verluste betragen weniger als 0,9 dB, was mit kommerziell erhältlichen Wellenlängenmultiplexern (WDMs) auf Quarzfaserbasis vergleichbar ist, die in längeren Signalwellenlängenbereichen arbeiten. Darüber hinaus ist das Design vielseitig, es gibt keine Einschränkungen hinsichtlich der im Combiner verwendeten Fasertypen – ob aktiv oder passiv – und kann an verschiedene Glasmaterialien oder optische Fasern auf Polymerbasis angepasst werden.

Die Forscher kommen zu dem Schluss: „Diese Arbeit eröffnet neue und aufregende Wege für die Entwicklung von Vollfaserlasern im mittleren Infrarotbereich und bietet erhebliche Vorteile gegenüber bestehenden Stoßkopplungstechniken. Das Design ermöglicht anspruchsvollere Laserkonfigurationen mit erweiterter Funktionalität und Erzeugungsregimen.“ Darüber hinaus , es hat das Potenzial, für andere Komponenten angepasst zu werden, einschließlich materialsättigbarer Absorber oder Sensoren.“