Faser-Bragg-Gitter für die Frequenzstabilisierung multimodiger Hochleistungslaserdioden und -faserlaser

Klein, Sarah; Schmitt, Robert H.; Loosen, Peter

doi:42821

Faser-Bragg-Gitter für die Frequenzstabilisierung multimodiger Hochleistungslaserdioden und -faserlaser = Fiber bragg gratings for the frequency stabilization of high-power laser diodes and fiber lasers

Klein, Sarah^RWTH*

2023 & 2024

VerantwortlichkeitsangabeSarah Klein

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-183-5

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Loosen, Peter (Thesis advisor)^RWTH* ; Schmitt, Robert H. (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-04-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-00165
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/976351/files/976351.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Technologie optischer Systeme (418910)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Diode (frei) ; FBG (frei) ; Fiber (frei) ; Laser (frei) ; frequency stabilization (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Faser-Bragg-Gitter (FBG) bestehen aus einer periodischen Modulation des Brechungsindex des Faserkerns entlang der Propagationsrichtung der geführten Strahlung und fungieren als faserintegrierte, wellenlängenselektive Spiegel. Für monomodige Fasern sind sie kommerziell verfügbar und werden bspw. als Temperatursensoren oder für die Frequenzstabilisierung von Laserdioden eingesetzt. In aktive Fasern geschrieben dienen sie als Endspiegel des Faserlaserresonators. Verglichen mit konventionellen, dichroitischen Resonatorend spiegeln vereinfachen FBG den Resonatoraufbau, da sie faserintegriert sind. Durch den Wegfall der zusätzlichen, externen Elemente wird der Justageaufwand reduziert und die mechanische Robustheit des Systems steigt. FBG für hochmodige Fasern sind Gegenstand der aktuellen Forschung. In dieser Arbeit wird ein Schreibverfahren für FBG in hochmodigen Faserkernen erarbeitet und die Anwendungsmöglichkeiten als Resonatorendspiegel für Faserlaser sowie für die Frequenzstabilisierung von fasergekoppelten, hochmodigen Laserdiodenmodulen untersucht. Das Schreibverfahren basiert auf einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, in dem die Brechungsindexmodifikationen über ultra-kurz gepulste Laserstrahlung induziert werden. Um große Faserkernquerschnitte bis 125 μm zu adressieren, wird das Schreibverfahren um lineare und rotationssymmetrische Scan-Verfahren erweitert. Bei der Untersuchung der Auswirkungen der verwendeten Schreibprozessparameter auf die erzielte FBG-Reflektivität wurde u.a. gezeigt, dass die Reflektivität mit dem FBG-Durchmesser, der Gitterebenenhomogenität und der Laserpulsenergieskaliert. Mit dem entwickelten Schreibverfahren wurden reproduzierbar FBG mit einer Reflektivität bis zu 0,2 in hochmodige, passive Faserkerne mit 125 μm Durchmessergeschrieben. Zur Untersuchung der Rückkopplungseigenschaften des FBG auf die spektrale Emissionseigenschaften von Laserdioden wurden die geschriebenen FBG zur Frequenzstabilisierung in die passive Transportfaser von fasergekoppelten Einzelemittermodulen geschrieben. Hierbei wurde die Stabilisierungswellenlänge entsprechend der Bragg-Wellenlänge des FBG auf 976nm ±1nm eingestellt. Im Vergleich zum Betrieb ohne FBG ist die spektrale Halbwertsbreite um etwa den Faktor 4 von typischerweise4,6nm auf 1,1nm reduziert und die thermische Drift sinkt um den Faktor 5,5 von1,1nm/Wauf 0,2nm/W. Die am Faserausgang zur Verfügung stehende optische Ausgangsleistung sinkt typischerweise um den Betrag der FBG-Reflektivität. Zusätzlich wurde gezeigt, dass FBG für die Frequenzstabilisierung von fasergekoppelten Multiemittermodulen geeignet sind. In aktiven, hochmodigen Faserkernen fungieren die geschriebenen FBG als faserintegrierter Resonatorspiegel. Ihr Einsatz als gering-reflektierende Auskoppelspiegel von Faserlaserresonatoren wurde bis zur optischen Ausgangsleistung von über 8 kW erprobt. Im Vergleich zu einem Faserlaseraufbau mit breitbandig beschichtetem, dichroitischem Spiegel als Auskoppelelement, sinkt die spektrale Halbwertsbreite von über 7nm auf unter 1nm mit der Zentralwellenlänge bei der Bragg-Wellenlänge des FBG. Schließlich wurde mit dem entwickelten Schreibverfahren ein vollständig faserintegrierter Faserresonator realisiert, bei dem durch die Erhöhung der FBG Reflektivität auf über 70% auch der hoch-reflektierende Endspiegel über ein FBG realisiert ist. Bezogen auf die absorbierte Pumpleistung beträgt die Resonatoreffizienz0,53.

Fiber Bragg gratings (FBG) act as fiber-integrated, wavelength-selective mirrors and consist of a periodic modulation of the refractive index of an optical fiber core along the propagation direction of the guided radiation. They are commercially available for monomode fibers and are used, for example, as temperature sensors or for frequency stabilization of laser diodes. Written into active fibers, they serve as end mirrors of the fiber laser resonator. Compared to conventional dichroic resonator mirrors, FBG simplify the resonator design because they are fiber-integrated. The elimination of the additional, external elements reduces the alignment effort and increases the mechanical robustness of the system. FBG for multimode fibers with larger core diameters are the subject of current research. This work presents a new writing method for FBG in multimode fiber cores and the investigation of their applications as resonator mirrors for fiber lasers and for frequency stabilization of fiber-coupled multimode diode laser modules. The writing method is based on a state-of-the-art writing technique in which the refractive index modifications are induced via ultra-short pulsed laser radiation. To address large fiber core cross sections up to 125 μm, the writing method is extended to include linear and rotationally symmetric scanning techniques. By systematically changing the writing laser process parameter and analysizing the resulting FBG, it was shown, among other things, that the reflectivity scales with FBG diameter, grating plane homogeneity, and laser pulse energy. Using the developed writing method, FBG with reflectivity up to 0.2 were reproducibly written into multimode passive fiber cores with 125 μm diameters. To investigate the impact of the spectral feedback of FBG on the spectral emission characteristics of laser diodes, they are used for frequency stabilization of fiber coupled, single-emitter laser diode modules. Here, the stabilization wavelength was set to 976nm ±1nm in accordance to the Bragg wavelength of the FBG. Compared to operation without FBG, the spectral full width at half maximum (FWHM)is reduced by a factor of about 4 from typically 4,6nm to 1,1nm and the thermal drift decreases by a factor of 5.5 from 1,1nm/W to 0,2nm/W. The optical power available at the fiber output typically decreases by the amount of the FBG reflectivity. In addition, FBGs have been shown to be suitable for frequency stabilization of fiber-coupled, multi-emitter modules. In active high-mode fiber cores, the written FBG acts as fiber-integrated resonator mirrors. Its use as low-reflectivity output couplers of fiber laser resonators was demonstrated up to the optical output power of more than 8 kW. Compared to a fiberlaser setup with broadband coated, dichroic mirror as the outcoupling element, the spectral half-width decreases from above 7nm to below 1nm with the center waveleng that the Bragg wavelength of the FBG. Finally, the developed writing method was used to realize a fully fiber-integrated fiber resonator, in which the highly reflective end mirror is also realized via an FBG with a reflectivity increased to above70%. In terms of absorbed pump power, the resonator efficiency is 0,53.

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