Gegenstand dieser Dissertation ist die Entwicklung und Charakterisierung mehrfarbig emittierender Faserlaser auf der Basis von Pr,Yb-dotierten Fluoridglasfasern. Die Anregung erfolgt über einen mehrstufigen Prozess durch handelsübliche, im nahen Infraroten emittierende Laserdioden. Es wird Laseremission bei 635, 521 und 492 nm (RGB) mit jeweils mehr als 10 mW Emissionsleistung und stufenlose Umschaltung zwischen blauer und roter Laseremission demonstriert.
Die physikalischen und technischen Grundlagen der Faserlaser werden dargestellt: Betrachtet werden Lichtführung und Dämpfung in Glasfasern, die Besonderheiten des Wirtsmaterials Fluoridglas und die Funktionsweise optisch aktiver Fasern. Die Eigenschaften der laseraktiven Pr3+ und Yb3+-Ionen werden im Zusammenhang mit dem mehrstufigen Anregungsprozess beschrieben. Es folgen eine Diskussion der Anforderungen an die Laserfasern und an die übrigen optischen Komponenten und Erläuterungen zur technischen Realisierung der Laser.
Für die Lasereffizienz relevante Parameter wurden durch umfangreiche Messungen bestimmt und durch Modelle beschrieben. Dies ermöglicht die numerische Simulation des Laserprozesses und eine weitere Steigerung der Lasereffizienz.
Durch geeignete Anpassung der Faserparameter und der übrigen optischen Komponenten wurde auch bei dem schwachen, für Anwendungen jedoch sehr interessanten Laserübergang bei 492 nm ein differentieller Wirkungsgrad von mehr als 10 % erreicht, so dass im roten, grünen und blauen Spektralbereich jeweils mehr als 10 mW Laseremission bei 200 mW Pumpleistung erzielt werden.
Die Kombination direkt verspiegelter Faserendflächen mit externen Rückkoppeloptiken und die direkte Veränderung des Reflexionsverlaufs der Resonatorspiegel durch Variation der Dicke einer dielektrischen Spiegelschicht (einstellbarer Luftspalt zwischen Faserende und Resonatorspiegel) ermöglichen es, die wellenlängenabhängigen Umlaufverluste des Laserresonators zu variieren und so im Laserbetrieb kontinuierlich zwischen verschiedenen Emissionsfarben umzuschalten oder gleichzeitige Emission unterschiedlicher Laserwellenlängen einzustellen.
Farbumschaltung und zweifarbiger Laserbetrieb werden für rote und blaue Laseremission demonstriert. Das Verfahren lässt sich zur Anregung weitere Emissionswellenlängen einsetzen, so dass gleichzeitige Emission bei 635, 521 und 492 nm (oder anderen Wellenlängen) mit einstellbaren Farbanteilen erzielt werden kann.
Durch eine auf die Pumpleistung wirkende elektronische Rückkopplung wurde das Emissionsrauschen reduziert und die Ausgangsleistung stabilisiert.
Object of this thesis is the development and characterisation of multi-colour fibre lasers based on Pr,Yb-doped fluoride glass fibres. Inversion is achieved via a multistage pump process using ordinary laser diodes emitting in the near infrared spectral range (typically 180 mW pump power at 840 nm excitation wavelength). Laser emission of more than 10 mW output power at 635, 521 and 492 nm (RGB) and stepless switching between blue and red laser emission is demonstrated.
The fundamental physics and technical aspects of fibre lasers are presented: Light guidance and attenuation in glass fibres, the characteristics of the host material fluoride glass and the operation of optically active fibres are discussed. The properties of the laser-active Pr3+- and Yb3+-ions are described in combination with the multistage excitation process. A discussion of the requirements of laser fibres and other optical components for stable laser operation is followed by explanations about the technical realization of the lasers.
Various fibre parameters relevant for the laser efficiency were determined in extensive measurements and described by theoretical models. This allows numerical simulations of the laser process and a further increase of laser efficiency.
By suitable design of fibre parameters and other optical components the laser output power was optimised especially at the weak, but for applications very important laser transition at 492 nm, so that even for this emission line a differential efficiency factor above 10 % was reached and more than 10 mW laser emission at 200 mW of pumping power is obtained in the red, green and blue spectral range.
A combination of dielectric mirrors mounted on the fibre end faces with external feedback optics together with direct modification of mirror reflectivity by variation of the thickness of a dielectric mirror-layer (adjustable air gap between fibre end face and cavity mirror) enables a variation of the wavelength dependant circulation losses of the laser resonator and to switch continuously between different colours of laser emission or even to achieve simultaneously operation at different wavelengths. Colour switching and simultaneous operation is demonstrated for red and blue laser emission. This method can be used for excitation of further emission wavelengths, so that simultaneous emission at 635, 521 and 492 nm (or other wavelengths) with adjustable colour components can be obtained.
The output power was stabilised and the emission noise was reduced using electronic feedback on the pumping power.