Seltenerden bringen neue Möglichkeiten für optische Fasern

Glasfaserkabel sind allgegenwärtig – unser heimisches Internet, Autos, Arztpraxen, Telekommunikation und vieles mehr nutzen Glasfaserkabel, um Dienste bereitzustellen, auf die wir uns verlassen. 

Heute ermöglichen spezielle optische Fasern die Kollisionsvermeidung in Ihrem Auto, Präzisionsoperationen mit minimaler Narbenbildung, die Diagnose von Augenkrankheiten und die Fernerkennung von Temperaturschwankungen in Kraftwerken oder von physischen Belastungen in großen Brücken. In vielen dieser Anwendungen hat die Glasfaser den Kupferdraht ersetzt, weil sie höhere Datenraten und/oder ein geringeres Gewicht bietet. 

Alles begann, als Ingenieure erkannten, dass Licht effizient durch eine Glasfaser geschickt werden kann: ein dünner Strang Glas.

Es gibt viele verschiedene Arten von Glasfasern, die für diese unterschiedlichen Anwendungen benötigt werden. Die Fasern, die nicht für die Telekommunikationsübertragung verwendet werden, werden oft als „Spezialfasern“ bezeichnet.

Eine der wichtigsten Anwendungen von Spezialfasern ist die Erzeugung von Laserlicht und die Verstärkung von Laserlicht, die sich auf viele Branchen und Technologien auswirken. 

Diese Spezialisierung wird in der Regel durch ein Seltenerd-Element realisiert. Das Glas enthält eine kleine Menge von einem oder mehreren dieser Elemente. Die Verwendung von Dotierstoffen aus Seltenerdmetallen ermöglicht eine größere Präzision und Kontrolle über die erforderliche Wellenlänge und Leistung bei einer Vielzahl von Anwendungen, die auf spezielle Glasfasern angewiesen sind.

Die wachsende Nachfrage nach speziellen Glasfasern

Seltenerdmetalle sind eine Gruppe von Metallelementen wie Neodym (Nd), Erbium (Er), Thulium (Tm), Holmium (Ho) und Ytterbium (Yb). 

Mit Seltenerdmetallen dotierte Fasern dienen als Verstärkungsmedium in Lasern, die für industrielle, wissenschaftliche, medizinische und Raumfahrtanwendungen optimiert sind. 

Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten dieser Laser reichen vom Schweißen „schwieriger“ Metalle in Elektrofahrzeugen über die Präzisionslaserchirurgie und die Beschriftung medizinischer Geräte bis hin zur Fernbildgebung. 

Coherent ist ein weltweit führender Hersteller dieser Art von Spezialglasfasern und bedient die ständig wachsende Nachfrage mit über 11.000 km Glasfasern pro Jahr – mehr als die Entfernung vom Nordpol zum Äquator!

Herkömmliche Festkörperlaser und das Wärmeproblem

Insbesondere Neodym wird schon seit Jahrzehnten in Lasern verwendet. 

In den Anfängen des Lasers fanden Wissenschaftler heraus, dass Neodym-Ionen in Glas oder bestimmten Kristallmaterialien wie Granat oder Vanadat Licht absorbieren und die Energie dann als intensives Laserlicht wieder abgeben können. Die Absorption wird als „Pumpen“ bezeichnet, und jahrelang wurde das Pumplicht durch intensive Blitzlampen erzeugt. 

Um die problematische Abwärme dieser Laser zu reduzieren, haben Coherent und andere Laserhersteller die Lampen durch Halbleiterchips (Diodenlaser) ersetzt und damit den diodengepumpten Festkörperlaser (DPSS) geschaffen.

Aber auch wenn die Hitze reduziert wurde, wurde sie keineswegs beseitigt. Und die Wärme musste immer noch aus der Mitte des Kristalls in das umgebende Kühlwasser fließen. 

Dann wies der Bereich der Telekommunikation auf eine innovative Lösung hin.

Faser – die Form der Dinge, die kommen werden

Denn in der Welt der Telekommunikation über große Entfernungen, die auf Glasfasern basiert, hatten die Ingenieure inzwischen festgestellt, dass es eine weitere – scheinbar nicht damit zusammenhängende – photonische technologische Herausforderung zu bewältigen gab. Die Übertragung über große Entfernungen, d. h. über Ozeane hinweg, war ein Problem, da das Lichtsignal nur begrenzt über eine Glasfaser übertragen werden konnte, bevor die geringen Verluste es schließlich töteten.

Eine Lösung kam 1987 in Form des Erbium-dotierten Faserverstärkers (EDFA). 

Ingenieure zeigten, dass eine mit Erbium-Ionen dotierte Faser das Licht eines Diodenlasers absorbieren und als Laserverstärker fungieren kann. Genauer gesagt, der EDFA verstärkt direkt jedes Lichtsignal, das durch die Faser läuft. Diese rein optische Signalverstärkung hat sich als Schlüssel zu der digital vernetzten globalen Welt erwiesen, in der wir heute leben.

Faserlaser und Verstärker

Der Faserlaserverstärker zeigte den Laseringenieuren auch einen Weg zu Lasern mit höherer Leistung für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen auf – ohne all die Kühlungsprobleme. Bald wurde eine Reihe von Spezialfasern entwickelt, die auf der gleichen Art von Dotierung mit Seltenerdmetallen basieren und zur Herstellung von Faserlasern und Hochleistungsverstärkern verwendet wurden. Mit einer Leistung von wenigen Watt bis hin zu Kilowatt unterstützen diese faserbasierten Lasersysteme jetzt eine unglaublich vielfältige Welt von Anwendungen, darunter effiziente Materialbearbeitungsanwendungen wie Bohren, Schneiden, Schweißen und Beschriften. Einige dieser Anwendungen werden sogar von Faserlasern dominiert.

Abbildung 1. (oben) zeigt das Spektrum der sichtbaren, infraroten und augensicheren Wellenlängen.

Ein weiterer Bereich, in dem Faserlaser dominieren, sind medizinische Anwendungen. Thulium-dotierte Fasern sind in der Urologie und bei der Lithotripsie-Behandlung weit verbreitet, da der Tm-Faserlaser höhere Pulsraten erzeugt, was zu kleineren Steinfragmenten führt und dadurch die Beschwerden des Patienten verringert und die Genesung beschleunigt.  
 
Da die starke Lichtabsorption durch Wasser bei Wellenlängen um 1400 nm einsetzt, sind Wellenlängen, die länger als diese sind, für medizinische Anwendungen (z. B. chirurgische Ablation) nützlich und ermöglichen gleichzeitig die Fernübertragung von Fasern. Aufgrund dieser Wasserabsorption wird 1400 nm im Allgemeinen als Grenzwellenlänge für augensichere Laser betrachtet. Längere Wellenlängen werden sicher vom Wasser auf der Außenseite des Auges absorbiert und dringen nicht zur Netzhaut vor. Das macht diese unsichtbaren Wellenlängen auch für innovative Anwendungen wie Lidar-Bildgebung, Kfz-Sicherheitssysteme und autonome (selbstfahrende) Autos nützlich.

Tausende von verschiedenen dotierten Fasern

Abbildung 2 fasst die Wellenlängeneigenschaften der fünf häufig verwendeten Ionen seltener Erden Nd, Er, Yb, Tm oder Ho zusammen: sowohl die Emissionswellenlängen als auch die erforderlichen Pumpwellenlängen. Yb wird in Ultrakurzpulslasern (USP) immer beliebter, da seine relativ große Emissionsbandbreite modengekoppelte Faserlaser mit Pulsen von bis zu 50 Femtosekunden und verstärkte (d. h. leistungsstarke) Systeme wie die Monaco-Serie von Coherent mit Pulsen von nur einigen hundert Femtosekunden (fs) unterstützt.

Abbildung 2. Die Wellenlängencharakteristiken der fünf häufig verwendeten Seltenerdionen Nd, Er, Yb, Tm und Ho. Die rote Kurve zeigt die Dämpfung des in der Faser verwendeten Glaswirts.

Zusätzlich zu den fünf einzelnen Dotierungen bietet Coherent auch spezielle Glasfasern an, die sowohl mit Er als auch mit Yb kodotiert sind. Das Er wirkt als Verstärkungsmedium und führt zu einer Emission um 1550 nm, abhängig von der Dotierungskonzentration. Das Yb wirkt als Lichtabsorber und verhindert unerwünschte verstärkte spontane Emission im Bereich von 1 Mikron, so dass das Lasersystem für die Augen völlig ungefährlich ist.

Dotierte Fasern von Coherent sind als Singlemode- (SM), Multimode- (MM), polarisationserhaltende (PM) und Large-Area-Mode(LMA)-Fasern erhältlich, die alle mehrere Wahlmöglichkeiten hinsichtlich der numerischen Apertur (NA) und des Kerndurchmessers bieten. Außerdem umfasst die gesamte Produktlinie einfach, doppelt und dreifach ummantelte Fasern. Insgesamt umfasst dies Tausende von verschiedenen dotierten Fasern. Darüber hinaus stellen wir auch maßgeschneiderte Fasern her, die großer Hitze standhalten, bei der Flugzeugnavigation helfen, die Satellitenkommunikation unterstützen und vieles mehr.

Nicht so seltene Erdmetalle

Die Geschichte der dotierten Fasern und ihrer Verwendung in Lasern und Laserverstärkern ist eine Geschichte, die clevere Ingenieure mit einem Quäntchen Glück verbindet, bei der sich eine Lösung für eine Herausforderung als ideal für ein anderes Problem erwies. Das Ergebnis ist eine wichtige leistungsskalierbare Laserarchitektur, die durch Dotierung mit diesen nicht so seltenen Erdmetallen unterstützt wird.  

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