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13.06.2016

Hybrid aus Gas- und Faserlaser

Mikroskopische Aufnahme einer Hohlkernfaser, die dank ihrer Struktur ultraviolettes Licht verlustarm leitet, ohne Schaden zu nehmen.

Ein Forscherteam der britischen University of Bath arbeitet an hybriden Laserkonzepten, die Brücken zwischen Gas-, Festkörper- und Faserlasertechnologie schlagen.

Das ganze Potential photonischer Kristallfasern (PCF) ist auch 20 Jahre nach ihrer Erfindung kaum absehbar. Prof. Philip Russell hatte Mitte der 90er Jahre die zündende Idee: Man könnte optische Fasern aus gebündelten Glasröhrchen ziehen, statt aus Glasstäben. Denn dann bilden sich um einen wahlweise festen oder hohlen Kern Dutzende längs gerichtete Hohlräume. Diese halten das Licht im Kern gefangen; es kann sich – anders als in einer reinen Glasfaser – nicht im Raum ausbreiten. Das Licht wird von den Wänden des Kerns reflektiert und millionenfach auf seine enge Bahn zurückgeworfen. Die Absorptionsverluste sind minimal. Damit sind PCFs für Einsätze mit hohen Leistungsanforderungen prädestiniert. Obendrein lassen sie sich beinahe beliebig modifizieren; sei es durch gezieltes Einbetten von Metalldrähten, dotierten Glasfasern oder das Befüllen der Hohlräume mit Fluiden oder Gasen.

Russel ist heute Direktor des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts in Erlangen. Die Grundlagen der PCF-Technologie legte er einst an der englischen University of Bath. Dort hat nun eine Forschergruppe auf der Basis von Hohlkern-PCFs einen neuartigen Faser-Gas-Laser entwickelt. Das hybride Lasersystem bringt die beschriebenen Vorteile von PCF mit der engen Linienbreite und dem hohen Leistungsoutput von Gaslasern zusammen. Dafür befüllt das Team um Prof. Jonathan Knight und Dr. William Wadsworth die Hohlräume einer aus Quarzglas gezogenen PCF bei 0,3 mbar Druck mit Acetylen (C2H2), dessen Moleküle im mittleren IR-Bereich mit 3,16 µm Wellenlänge emittieren. Anders als bei Gaslasern üblich, wird das System nicht elektrisch sondern mit einer 1,53-µm-Diode aus dem Telekom-Bereich gepumpt. Deren auf 40 Nanosekunden gepulstes Licht und das Gas interagieren in einer 10 Meter langen, gasgefüllten Verstärkerfaser. Im gepulsten Betrieb runden eine über 100 Meter lange Hohlkern-PCF als Rückkopplungsfaser und dichroitische Spiegeln den Ringresonator-Aufbau ab. Die Spiegel weisen bei 1,53 µm hohe Durchlässigkeit auf, reflektieren aber infrarotes Licht mit 3,16 µm. Damit es zur Oszillation kommt, sind Pumpfrequenz und Kreislaufdauer exakt abgestimmt. Alternativ ist der Betrieb als Dauerstrichlaser möglich, dann aber mit einer 3 m langen Rückkopplungsfaser.

Noch im Forschungsstadium
Die Leistung des Hybrid-Lasers bewegt sich bisher im niedrigen Milliwatt-(mW)-Bereich. „Wir haben eine nicht verstärkte Diode mit unter 20 mW Leistung und einen Ausgangskoppler mit 7 Prozent Reflektivität eingesetzt“, so Wadsworth. Durch den Einsatz leistungsstarker Pumpdioden und effizienterer Koppler sei die Laserleistung einfach skalierbar. Schlüsselkomponente sind ohnehin die robusten Quarzglas-Hohlkernfasern, deren Verluste auch im schwierigen mid-IR-Bereich unter 30 Dezibel pro Kilometer liegen. Um weitere Wellenlängenbereiche zu erschließen, erwägen die Briten den Einsatz alternativer Gase. „Wir gehen davon aus, mit dem neuen Design des Gas-Faserlasers in Wellenlängenbereiche bis 5 µm vorstoßen zu können“, so der Forscher. Das flexible und kompakte System könne helfen, die Problematik hoher Absorptionsverluste herkömmlicher Fasern im mittleren Infrarotbereich zu lösen. Gelingen die Skalierung und das Erschließen neuer Wellenlängenbereiche, dürfte der Gas-Faserlaser für Anwender in Materialbearbeitung, Fertigung und Forschung interessant werden. „Im Bereich der Hohlkernfasern arbeiten wir bereits mit diversen Herstellern zusammen“, erklärt Wadsworth, „nun sind wir gespannt darauf, wie die Branche auf unser neues Laserkonzept reagiert“.

„Spannend“, sagt Dr. Mo Zoheidi, Chief Technology Officer der OBERON GmbH Fiber Technologies, zu den Forschungen der Briten. Der Experte forscht und entwickelt seit fast 20 Jahren im Bereich Faseroptik und blickt auf Stationen bei führenden Faserherstellern und in der Wissenschaft zurück. Bis zur Vermarktung des Konzepts sei es allerdings noch ein weiter Weg zu gehen. Erst recht, wenn es um den Medizinbereich gehe, wo aufwändige Zulassungsverfahren zu absolvieren sind. OBERON verfolge derzeit andere Konzepte: „Neben der Therapie tut sich für unsere Fasern ein neues Feld in der Diagnostik auf“, erklärt er. Etwa um per Raman-Spektroskopie und Fluoreszenzmikroskopie Leukozyten im Blut zu detektieren oder um Tumore im Frühstadium von gesundem Gewebe zu unterschieden. Zoheidis Antwort ist typisch für den Faserbereich. Die Vielfalt der Anwendungen ist nahezu unbegrenzt – und diese Vielfalt befördert die ständige Neu- und Weiterentwicklung optischer Fasern. Ein Ende dieser Dynamik ist nicht abzusehen.


Bildquelle: Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts Erlangen

 
 
 
 
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