Erhöhung der durch nichtlineare Effekte verursachten Leistungsgrenzen von Faserlasern durch besondere Fasergeometrien

Baer, Patrick Helmut Bernd; Häfner, Constantin Leon; Graf, Thomas

doi:43177

Erhöhung der durch nichtlineare Effekte verursachten Leistungsgrenzen von Faserlasern durch besondere Fasergeometrien = Increase of power limits due to non-linear effects of fiber lasers by special fiber geometries

Baer, Patrick Helmut Bernd^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabePatrick Baer

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-207-8

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

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

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Häfner, Constantin Leon (Thesis advisor)^RWTH* ; Graf, Thomas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-09-07

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-03643
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/983709/files/983709.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Faser (frei) ; Faser-Bragg-Gitter (frei) ; Fasergeometrie (frei) ; Faserlaser (frei) ; Faserverstärker (frei) ; fiber (frei) ; fiber amplifier (frei) ; fiber geometry (frei) ; fiber laser (frei) ; fiber-Bragg-grating (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Ausgangsleistung von Faserlasern mit beugungsbegrenztem Strahlprofil ist unter anderem durch nichtlineare Effekte, wie stimulierte Raman-Streuung, stimulierte Brillouin-Streuung, und transversale Modeninstabilitäten, sowie thermische Effekte, wie die thermische Linsenwirkung limitiert. Um die weitere Leistungsskalierbarkeit von Faserlasersystemen zu ermöglichen, werden im Rahmen dieser Arbeit mehrere Konzepte analysiert: Singlemode-Fasern mit rechteckiger, bzw. ringförmiger Kerngeometrie, um transversale Modeninstabilitäten zu unterdrücken, sowie Faser-Bragg-Gittern in hoch-multimodigen Fasern, um durch eine hohe Anzahl von Moden den Einfluss leistungslimitierender Effekte zu verringern. Zur Erhöhung der Schwellen nichtlinearer Effekte bei gleichzeitiger Unterdrückung von transversalen Modeninstabilitäten werden Singlemode-Fasern mit unkonventionellen Kerngeometrien untersucht, wodurch sich andere Intensitätsverteilungen der geführten Mode im Vergleich zu den in konventionellen, zylindersymmetrischen Fasern geführten Moden ergeben können. Für Singlemode-Fasern mit eckiger Kerngeometrie ergeben sich dabei leichte, aber keine deutlichen Vorteile. Durch den Vergleich der simulierten und der experimentellen Ergebnisse hergestellter Fasern z.B. zur modalen Verteilung und zur Biegeempfindlichkeit kann eine hohe Übereinstimmung demonstriert und dadurch die Simulation validiert werden. Durch ein Brechzahlpodest als zusätzliche Struktur innerhalb der Faser wird die Biegeempfindlichkeit der Fasern verbessert, was simuliert sowie experimentell validiert wird. Mithilfe der validierten Simulation werden Singlemode-Fasern mit ringförmiger Kerngeometrie untersucht, wobei sich deutliche Vorteile ergeben. Für den analysierten Parameterraum kann die Schwelle nichtlinearer Effekte für passive und aktive Fasern um circa den Faktor 7, bzw. 25 angehoben werden. Die thermische und optische Analyse von daraus resultierenden Faserverstärkern zeigt eine potenzielle Leistungsskalierung in den Bereich von 60 kW bis über 100 kW. Durch ein Faserkonzept, in dem weitere Moden höherer transversaler Ordnung geführt werden können, kann Schwelle für das Einsetzen nichtlinearer Effekte um weitere 30 % erhöht werden. Mithilfe einer Toleranzanalyse werden die zur Fertigung nötigen Genauigkeiten identifiziert. Faser-Bragg-Gitter (FBG) in Multimode-Fasern ermöglichen faserintegrierte Resonatoren, in denen nichtlineare Effekte sowohl durch größere Modenfeldflächen als auch durch die hohe Anzahl von Moden unterdrückt werden. Zur Analyse von Multimode-FBGs wird eine Simulation basierend auf der Theorie gekoppelter Moden entwickelt. Um hochreflektierende Multimode-FBGs zu ermöglichen, wird ein Konzept auf Grundlage einer gechirpten Gitterperiode entwickelt, wodurch alle geführten Moden bei einer gewählten Wellenlänge reflektiert werden können. Ein solches FBG wird hergestellt und die Funktion in einem Multimode-Resonator mit circa 60 Moden demonstriert. Weiterhin werden inhomogene FBGs zur Beeinflussung der Strahlqualität im Resonatorbetrieb untersucht, und für niedrig-modige Fasern experimentell validiert. Darauf aufbauend werden neuartige Multimode-Resonatoren entwickelt und vorgestellt.

The output power of diffraction limited single-mode fiber lasers is fundamentally limited by several effects, such as nonlinear effects, thermal effects, and transverse mode instabilities. In this work, several main concepts are analyzed for the further power scaling of fiber laser systems: single-mode fibers with rectangular and annular core geometries to suppress transverse mode instabilities, and fiber-Bragg-gratings (FBG) in highly multi-mode fibers to lower the influence of power-limiting effects by a high number of modes.To increase nonlinear thresholds and simultaneously suppress transverse mode instabilities, single-mode fibers with unconventional core geometries are investigated, which can enable modal distributions that differ from those of conventional, cylindrically symmetric fibers. For single-mode fibers with a rectangular core geometry small, but no fundamental advantages can be observed. Since e.g., the modal distribution and the bending characteristics are in high accordance between simulated and experimental results of manufactured fibers, the simulation can be validated. When a pedestal is used as an additional structure within the fiber, the bending sensitivity can be improved, which is simulated and experimentally validated.The validated simulation is used to investigate single-mode fibers with an annular core geometry. Here, fundamental differences are demonstrated in comparison to fibers with conventional, cylindrically symmetric core geometry. For the examined parameters, the nonlinear threshold of passive fibers is improved by a factor of approximately 8, while the nonlinear threshold for actively doped fibers is enhanced by a factor of approximately 25 due to the high core area. Fiber amplifiers are analyzed thermally and optically, which results in a potential for power scaling up to 60 kW or to more than 100 kW with respect to the chosen fiber design. For a few-mode fiber concept the nonlinear threshold can be further improved by 30 %, while transverse mode instabilities are no longer fundamentally suppressed. A tolerance analysis is performed to identify the required accuracy for the manufacturing of such a fiber.FBGs in multi-mode fibers can be used to enable fully fiber-integrated resonators, which have a higher non-linear threshold due to a larger mode field area and a higher number of modes. For the analysis, a simulation based on the coupled-mode-theory is developed. To enable multi-mode FBGs with a high spectral reflectivity a concept based on a chirped lattice constant is developed. With this concept, a high modal reflectivity can be achieved at a chosen wavelength for all guided modes of the fiber. To experimentally verify the concept, a highly reflective FBG is manufactured and used to setup a monolithic multi-mode resonator with more than 60 modes. Additionally, inhomogeneous FBGs are investigated to influence the beam quality of resonators, which is experimentally validated in a few-mode fiber. Based on these concepts, novel multimode resonators are developed.

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