Bernd-Michael Dicks, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2001

"Optische Verstärker bei 1.06 mm für die Weltraumkommunikation"

Schlagwörter: Weltraumkommunikation, Freistrahlkommunikation, Faserverstärker

PACS: 42.60 Laser Systems

Summary

Kurzfassung

Ziel der vorliegenden Arbeit war die grundlegende Charakterisierung von Laser- und Verstärkermaterialien bei 1.06 mm hinsichtlich einer zukünftigen Verwendbarkeit im erdnahen Weltraum. In diesem Zusammenhang war insbesondere der Einfluss der Strahlungsumgebung auf die Laserparameter von Interesse. Darüber hinaus sollte eine geeignete Verstärkeranordnung für ein optisches Kommunikationsterminal gefunden und ebenfalls charakterisiert werden.

Die schädigende Wirkung der Strahlungsumgebung auf Laser- und Verstärkermaterialien beruht hauptsächlich auf der Bildung von Farbzentren mit breitbandigen Absorptionsbanden, die zu optischen Verlusten auf der Laser- und Verstärkerwellenlänge 1.06 mm führen.

Schwerpunktmäßig wurden die Materialien Nd:YAG, Nd:YVO₄ und Yb³⁺-dotiertes Aluminosilikatglas betrachtet. Im Hinblick auf eine Verringerung der strahlungsinduzierten Absorption von Nd:YAG und Yb³⁺-dotiertem Aluminosilikatglas im sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich wurde der Einfluss einer zusätzlichen Ce³⁺-Dotierung untersucht.

In vergleichenden Absorptionsmessungen vor und nach Bestrahlung stellte sich eine Kodotierung von Nd(1%):YAG mit 0.2 % Ce³⁺ als günstig heraus. Nd:YVO₄ zeigte eine geringere strahlungsinduzierte Absorption im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich als Nd:YAG. Außerdem wurde in Lasertransmissionsmessungen bei 1.06 mm keine Verschlechterung der Transmission durch Bestrahlung nachgewiesen.

In vergleichenden Verstärkerexperimenten bei 1.06 mm vor und nach Bestrahlung wurden verschiedene Nd- und Yb-dotierte Silikatglasfasern untersucht. Als Anregungslichtquelle diente ein Ti:Al₂O₃ Laser, dessen Strahlung direkt in den Laserkern der zu untersuchenden Faser eingekoppelt wurde. Es stellte sich heraus, dass die Yb³⁺-dotierten Fasern sowohl vor als auch nach Bestrahlung höhere Effizienzen aufwiesen als die Nd³⁺-dotierten Fasern. Die insgesamt besten Ergebnisse wurden mit einer Silikat-Germanat-Glasfaser und mit einer Ce-kodotierten Aluminosilikatglasfaser erzielt (beide Yb³⁺-dotiert).

In diodengepumpten Experimenten wurde eine strahlungsharte Yb³⁺-dotierte Silkatglasfaser (mit Ce-Kodotierung) in D-förmiger Doppelkerngeometrie als Verstärker bei 1.06 µm eingehend charakterisiert. Der Faserverstärker zeigte eine maximale extrahierte Ausgangsleistung von 2.2 W bei einer einfallenden Pumpleistung von 3.9 W, was einer optisch-optischen Effizienz von 55 % entspricht. Die maximale extrahierte Ausgangsleistung war pumpleistungsbegrenzt und konstant für einfallende Signalleistungen ab 5 mW. Der im transversalen Grundmode emittierende Verstärker wies eine auflösungsbegrenzte Linienbreite von 21 MHz in 2.5 ms auf. Die Länge der Verstärkerfaser wurde mit 5 m möglichst niedrig gewählt, um das strahlungsempfindliche Volumen zu minimieren und das Einsetzen von stimulierter Brillouin-Streuung zu vermeiden.

Darüber hinaus wurde auch ein endgepumpter Nd:YAG Kristallverstärker untersucht. Es stellte sich heraus, dass dieser zur Erzielung effizienter Verstärkertätigkeit einfallende Signalleistungen von mehreren Watt benötigt. Dementsprechend eignet sich der Kristallverstärker eher als Leistungsverstärker für eine spätere Ausbaustufe des optischen Terminals.

Titel

Kurzfassung