Raman-Faserlaser

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Ein Raman-Faserverstärker funktioniert vergleichbar mit einem normalen optischen Verstärker, basiert aber auf dem nichtlinearen Raman-Effekt. Die Energie eines eingekoppelten Pumplichts wird über eine bestimmte Faserstrecke auf ein ebenfalls eingekoppeltes Signallicht (Stokes, Anti-Stokes) übertragen. Das Pumplicht interagiert mit vielen Molekülen, hebt diese auf energetisch höhere Energieniveaus an und erzeugt somit im Vergleich zum vorherigen Zustand eine Inversion. Durch den Effekt der stimulierten Emission wird die Strahlung mit der Frequenz der ersten Stokeslinie verstärkt, welche somit vergleichbare Leistungen wie das Pumplicht erhält. Als aktives Medium werden Glasfasern oder Kristalle verwendet, wodurch sich ein Raman-Frequenzversatz von ca. 10–15 THz ausbildet und somit das Ausgangslicht eine ca. 60 nm längere Wellenlänge besitzt (bei 1000 nm).

Wird in einem Raman-Faserverstärker durch den Prozess der stimulierten Emission Raman-frequenzverschobenes Licht erzeugt, so lässt sich der Zusammenhang zwischen der Pumpleistung P_p und der Signalleistung P_s durch ein Differentialgleichungssystem beschreiben.

Um einen Raman-Faserlaser zu konstruieren, werden ausgehend von der jeweiligen Pumpwellenlänge frequenzselektive Bragg-Gitter in die Faser geschrieben, die z. B. die Grundwellenlänge oder die jeweiligen durch den Raman-Effekt entstehenden Stokes-Ordnungen resonant reflektieren. Zwischen diesen Spiegeln koppelt die Leistung des Pumplichtes auf die Signalwelle über. Auf diese Weise können kaskadierte Raman-Laser konstruiert werden, indem die entstehende erste Stokes-Ordnung eine zweite Stokes-Ordnung pumpt, und so weiter. Raman-Faserlaser lassen sich wie normale Faserlaser vorwärts oder rückwärts pumpen, je nachdem, an welcher Stelle das Pumplicht eingekoppelt wird. Sie bieten eine sehr gute Lösung, um Lichtleistung in einem sehr großen Wellenlängenbereich frequenzselektiv bereitzustellen.

Entwickelt wurde der Raman-Faserlaser um 1975. Sein Einsatzbereich ist vor allem das Hochleistungsschneiden und -schweißen in der Metallbearbeitung.

Literatur

Rainer Engelbrecht: Nichtlineare Faseroptik. Springer Verlag 2015, S. 431–492 (Kapitel Raman-Faserlaser).