All-Fiber Fluoride Fiber Lasers (English shop)

Preview

Extract, PDF (250 KB)
Table of Contents, PDF (57 KB)

The goal of this work was to develop and optimize fiber lasers in the visible range, based on Pr3+/Yb3+-doped fluoride fibers, which delivered their output power in a fiber. Some of the fiber laser setups did not contain any optical free-space device. So time and effort could be spared to adjust these optical devices. Furthermore, using a diode laser instead of the Titanium-Sapphire laser allowed to place all these laser setups in a small box.

In the beginning a short overview on the important laser transitions was given, as well as lifetime measurements of the important energy level 1G4 of praseodymium. Thereafter, I tried to treat the problem to connect fluoride with silica fibers by using a new thermal splicing method. It was shown that low-loss thermal splices are possible. Due to experimental limitations the splice quality was not very reproducible. Therefore, a glue splicing method was developed and found to be more stable and flexible. Moreover, the glue splice with index matching gel was found to be easier to fabricate, but less resistant to high optical power.

The glue and thermal splices were employed in a simple fiber laser setup. Different fluoride fibers lengths were compared, as well as different loop mirror reflectivities to obtain maximum output power for the red laser, which was more than 10 mW. About 22 mW was achieved in a linear laser configuration using FC/PC connectors between silica and fluoride fibers. A ring laser was also presented and improved by using an additional mirror, which was replaced later by a loop mirror. In total, the maximum laser output power was increased to more than 20 mW, and the smallest laser threshold decreased to less than 35 mW.

The tunable fiber laser played a significant role in our research, because it can be used in medicine for example by cytology, the study of the properties of single cells. The red and orange spectrum was covered using a 40 cm long Pr3+/Yb3+-doped ZBLAN fiber. To increase the output power, two active fibers were inserted in one tunable fiber laser setup. The resulting output power was 18 and 9 mW for the red and the orange laser, respectively. Moreover, the setup contained no optical free-space devices except of the grating block.

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Optimierung von Faserlasern, die im sichtbaren Bereich emittieren. In dieser Arbeit konzentriere ich mich auf Pr3+/Yb3+-dotierte Fluoridglasfasern. Das wichtigste Ziel war es, die gesamte Ausgangsleistung in einer Faser zu liefern. Es spart Zeit und Justieraufwand, Faserlaser ohne optische Komponenten zu bauen. Durch das Ersetzen des Titan-Saphir Lasers durch eine Laserdiode könnte der Laseraufbau in einen Kasten eingebaut werden.
Nach einem kurzen Überblick über die wichtigsten Laserübergänge werden Lebensdauermessungen für die Energieniveaus von Praseodym gezeigt. In der Arbeit versuchte ich, die Probleme beim Verbinden von Fluorid- mit Quarzglasfasern mittels einer neuen thermischen Spleißmethode zu lösen. Leider konnten beim thermischen Spleißen keine reproduzierbaren Ergebnisse erzielt werden. Alternativ wurde eine Klebespleißmethode entwickelt. Diese ermöglicht flexible und stabile Verbindungen. Die Verwendung von Immersionsgel führte zu Klebespleißen mit geringer Reflexion, die deutlich einfacher herzustellen waren, als Klebespleiße mit schräg geschnittenen Faserenden.
Danach wurden Klebespleiße und thermische Spleiße in einfachen Faserlaseraufbauten eingesetzt. Durch den Vergleich unterschiedlicher Fluoridfaserlängen und Faserspiegelschleifen mit unterschiedlicher Reflektivität konnten Laserleistungen von mehr als 10 mW im roten Spektralbereich erzielt werden. Durch die Verwendung von FC/PC-Steckern zum Verbinden von Fluorid- mit Quarzglasfasern konnten rote Laser mit Ausgangsleistungen von 22 mW erreicht werden. Ringlaser wurden ebenfalls untersucht und durch die Verwendung eines zusätzlichen Spiegels, der später durch eine Faserspiegelschleife ersetzt wurde, verbessert. So konnte die Laserleistung auf mehr als 20 mW erhöht und die Laserschwelle auf weniger als 35 mW abgesenkt werden.
Durchstimmbare Laser waren ein weiterer Schwerpunkt meiner Arbeit. Der rote und orange Spektralbereich wurde mit einer 40 cm langen, mit Pr3+/Yb3+-dotierten ZBLAN-Faser erreicht. Zur Erhöhung der Ausgangsleistung wurden zwei aktive Fasern in einem durchstimmbaren Faserlaseraufbau eingesetzt. Damit stieg die Laserleistung bis etwa 18 mW für den roten bzw. 9 mW für den orangen Laser. Außer dem optischen Gitter enthielt der Aufbau kein Freistrahlelement. Außerdem wurde bei diesem Laser fast die gesamte Ausgangsleistung in einer Faser abgegeben.