Forschung & Entwicklung

Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge

Ein neues Abstimmkonzept erzeugt verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeitlich synchron. Dies macht Faserlaser für spektroskopische Anwendungen interessant.

Faserlaser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern eine höhere Strahlqualität und Energieeffizienz. Grundlage der Lichtquellen sind optische Glasfasern, deren Kern geringe Mengen Seltenerd-Ionen enthält. Diese Dotierung erzeugt in der Faser als aktives Lasermedium hochintensives Licht über einen bestimmten Wellenlängenbereich. Für eine breite Anwendung der Systeme mangelte es bisher an einem in die Faserarchitektur integrierbarem Konzept, um einzelne Wellenlängen flexibel über die komplette Verstärkungsbandbreite der Laser einzustellen.

„Die Basis für abstimmbare Laser sind spektrale Filter, sogenannte Faser-Bragg-Gitter. Mit einem am Institut entwickelten Verfahren haben wir die Möglichkeit während des Faserziehens die Gitter schnell und kostengünstig in fast unbegrenzter Anzahl in den Kern einzuschreiben und so ein Gitter-Array zu erzeugen“, beschreibt Tobias Tieß vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) die Funktionsweise. Jedes Gitter besitzt eine andere Brechzahlstruktur und reflektiert dadurch Licht mit einer spezifischen Wellenlänge wie ein Spiegel.

Indem die Laufzeit der Lichtpulse durch die Faser im Nanosekundenbereich gesteuert wird, können einzelne Gitter des Arrays angesteuert und damit die Wellenlänge des Laserlichts wie gewünscht eingestellt werden. Dazu mussten die Forscher bisher die Pulsschussrate des Lasers verändern, was Anwendungen in der Spektroskopie erschwert, da diese oft auf synchronisierten Prozessen beruhen.

Diese Lücke haben Wissenschaftler des Leibniz-IPHT nun geschlossen. Ein neuer, im Rahmen des Projekts „Flexibel abstimmbare gepulste Faserlaser mittels FBG-Arrays (FlexTune)“ konzipierter Laserresonator grenzt bei gleichbleibender Pulsrate das emittierte Licht auf die Antwort eines einzelnen Gitters, das heißt eine Wellenlänge, ein. Der Resonator arbeitet mit einer zeitlich variablen Schleife, die einzelne Wellenlängen über die spektral abhängigen Laufzeitunterschiede der Lichtpulse filtert. Das Abstimmkonzept erlaubt es, eine beliebige Wellenlänge mit konstanter Pulsschussrate und stabilen Pulseigenschaften über den kompletten Arbeitsbereich einzustellen. Die Flexibilität legt zudem die Grundlage für einen abstimmbaren Mehrwellenlängenbetrieb. Damit können erstmals verschiedene Emissionslinien unabhängig voneinander und zeitlich synchron erzeugt werden. Die Forscher demonstrierten den Betrieb des Lasers mit bis zu drei Wellenlängen und hoher Synchronisierung (Pulsüberlapp von > 99 % im 2-Wellenlängenbetrieb) über eine Abstimmbandbreite von 50 Nanometern. Mit den flexiblen, gepulsten Faserlasern öffnet sich ein perspektivisches Anwendungsspektrum für die Lebenswissenschaften und Biophotonik.

Das Projekt „FlexTune“ wurde von Februar 2016 bis April 2018 im Rahmen der Initiative „Wissenschaftliche Vorprojekte (WiVoPro)“ innerhalb des Programms Photonik Forschung Deutschland vom BMBF gefördert. Ziel der Initiative ist es, mittelfristig den Transfer neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse in innovative Produkte zu erleichtern.

Originalveröffentlichungen:

[T. Tiess, M. Becker, M. Rothhardt, H. Bartelt, M. Jäger, Discrete tuning concept for fiber-integrated lasers based on tailored FBG arrays and a theta cavity layout, Opt. Lett. 42 (2017), DOI: 10.1364/OL.42.001125]

[T. Tiess, M. Becker, M. Rothhardt, H. Bartelt, M. Jäger, Independently tunable dual-wavelength fiber oscillator with synchronized pulsed emission based on a theta ring cavity and a fiber Bragg grating array, Opt. Express 25 (2017), DOI: 10.1364/OE.25.026393]

von mn

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