FIBERLASER. [Reviderad version] Datum för genomförande:

PROJEKTRAPPORT MODERN FYSIK SH1012 FIBERLASER [Reviderad version] Datum för genomförande: 2016-05-06 940809-9217 940411-3178 931021-5877

Innehåll 1 Inledning 3 2 Teori 3 2.1 Lasrar............................................ 3 2.2 Fiberlasrar......................................... 4 2.3 Fiber-Bragg-gitter (FBG)................................. 5 3 Experimentuppställning 5 4 Metod 6 5 Resultat 8 6 Diskussion 11

1 Inledning Syftet med laborationen var att undersöka egenskaper hos en fiberlaser som verkar som pump till en annan laser. Egenskaper som undersöktes var laserns effektivitet ( slope efficiency ) och våglängder vid varierande ström och med och utan fiber-bragg-gitter. 2 Teori 2.1 Lasrar Figur 1: Schematisk bild av en laser (wikipedia.org) En laser är en apparat som utsänder ljus genom en process som kallas optisk förstärkning och består principiellt av 3 delar: pump, aktivt medium och optisk resonator [1]. Pumpen fungerar som laserns energikälla och kan anta olika former. Den kan exempelvis fungera genom elektriska urladdningar, blinkande ljus eller ljus från en annan laser [2] [3]. Det aktiva mediet består av ett material som kan stimuleras av pumpen så att partiklarna exciteras och de-exciteras, vilket utsänder fotoner. De-excitationen kan ske antingen spontant eller genom att fotoner växelverkar med de exciterade partiklarna. Processerna kallas spontan respektive stimulerad emission. [2] [4] Runt det aktiva mediet placeras två speglar som fungerar som en den optiska resonatorn. Ljuset som utsänds från det aktiva mediet genom spontan eller stimulerad emission reflekteras tillbaka av speglarna så att det stimulerar till ännu mer emission. En av speglarna släpper vanligen igenom delar av ljuset, vilket bildar laserstrålen. [2] Sida 3 av 14

Till en början går fotonerna från pumpen främst till att excitera partiklar som de-exciterar spontant, men i takt med att mer ljus samlas i resonatorn kommer fler partiklar exciteras av det reflekterade ljuset. Större andel av partiklarna kommer då befinna sig i exciterat tillstånd och mer stimulerad emission kommer ske, vilket leder till att mer ljus sänds ut från det aktiva mediet. När ljusförstärkningen (gain) i ett ögonblick är lika stor som ljuset som sänds ut från lasern har lasertröskeln (lasing threshold) uppnåtts. [5] Då är fler partiklar i ett förhöjt energitillstånd än i grundtillståndet, vilket kallas inverterad population. Därefter är stimulerad emission dominerande över spontan, vilket leder till att laserns uteffekt ökar betydligt när excitationsnivån i det aktiva mediet stiger. [6] 2.2 Fiberlasrar är en typ av laser som använder optisk fiber som aktivt medium. Ofta är fibern dopad med joner av sällsynta jordartsmetaller exempelvis erbium, neodym och ytterbium. Optiska fibrer består av en tunn inre kärna omgiven av en plätering vars brytningsindex är lägre än kärnans. Det innebär att ljus som skickas in i kärnan totalreflekteras i gränsövergången och således följer fiberns bana. [7] [8] Den ena spegeln i den optiska resonatorn i en fiberlaser kan utgöras av enbart fiberns ena ände. Om ändytan är plan och vinkelrät mot utsträckningen så kommer ungefär 4% av ljuset reflekteras genom Fresnelreflektion. Även olika komponenter och konstruktioner kan användas för att uppnå önskad reflektion på olika platser i en fiberlaser. Exempelvis är fiber-bragg-gitter (FBG) vanliga sådana. [7] Det finns både fördelar och nackdelar med att använda en fiberlaser istället för andra typer av lasrar med fasta aktiva medium. En fördel kommer av att de typiskt har hög ljusförstärkning och höga resonatorförluster, vilket gör att de inte är lika känsliga för ytterligare förluster exempelvis genom fler komponter i resonatorn. Fiberlasrar kyls också effektivt tack vare den stora begränsningsarean relativt volymen. Det gör att störningar från värmeeffekter undviks och fiberlasern kan användas vid höga effekter. Vanligen används då fiber av en typ som har både inre och yttre plätering (double clad fibers) där det i huvudsak är den inre som leder pumpljuset och kärnan leder signalen. Den större diametern gör det lättare att koppla in högeffektsdioden som verkar som pump och som generellt har för dålig strålkvalitet för att kopplas direkt till den avsevärt mycket mindre kärnan. Sida 4 av 14

Generellt är fiberlaserkomponenter billigare vilket gör att en uppställning med enbart fiberkomponenter kan kosta avsevärt mycket mindre. De behöver oftast heller inte underhållas, men vid defekter kan det vara svårt att lokalisera fel och byta ut trasiga komponenter. [9] 2.3 Fiber-Bragg-gitter (FBG) Ett fiber-bragg-gitter är en optisk fiber vars kärna har periodiskt varierande brytningsindex. Typiskt är att variationen är fördelad på några millimeter eller centimeter där perioden är av storleksordningen några hundra nanometer. Skillnaderna i brytningsindex gör att ljus dels transmitteras och dels reflekteras i varje gränsövergång. Periodiciteten väljs så att ljus av specifik våglängd i båda riktningarna hamnar i fas och interfererar konstruktivt. Effekten av detta blir att FBG:t fungerar som en spegel som reflekterar ljus av vissa våglängder och släpper igenom andra. Gittret fungerar därför som både en högreflektiv spegel och som ett filter. [10] 3 Experimentuppställning Figur 2: Experimentuppställning. Illustratör: Sida 5 av 14

Projektrapport Vid försöket användes en pump i form av en halvledarlaser med våglängden 976 nm. Denna var i sin tur kopplad till ett pumpskydd som förhindrade att reflekterande strålar nådde denna. En loop mirror användes för att förstärka strålen och fungerade som en reflektor [11]. Med hjälp av en IR-kamera undersöktes änden 6 och det visade sig att knappt inget ljus släpptes igenom den. Fibrerna kopplades samman med en pump combiner varefter ljuset leddes vidare till den del av fibern som innehöll laserns aktiva medium. Detta bestod av ytterbium och erbium. Därefter kunde ljuset passera genom en öppen fiberände eller genom ett monterat FBG beroende på vad som undersöktes. Figur 3: Fotografi av experimentuppställnnigen genom en IR-kamera. I den högra figuren visas FBG:t. I figuren ovan kan man se på experimentuppställningen genom en IR-kamera. I den vänstra figuren ser vi en del av fibern som har lindats för att spara plats och till höger ser man på när man sammansvetsat FBG. Vi ser att mycket av ljuset reflekteras ifrån fibern. 4 Metod Mätningarna utfördes på ett systematiskt sätt. Den lösa fiberänden som släppte igenom laserstrålen fixerades med tejp. En optisk lins placerades (och fixerades i bordet) så att ljuset kollimerades. Därefter placerades en apertur i ljusets bana för att kunna skärma av ljus som hade reflekterats inuti pläteringen istället för i kärnan. Slutligen placerades två detektorer i strålens bana. Effektdetektorn fixerades i bordet, medan spektrometerns detektor monterades på en konstruktion så att den kunde fällas in i ljusets bana när mätningar med denna skulle göras, utan att störa ljusets linjering. Mätningarna gjordes på allt inkommet ljus, men i verkligheten absorberas inte allt ljus av kärnan utan en viss del fortsätter ut i pläteringen. För att bara få fram hur mycket ljus som Sida 6 av 14

färdas i kärnan får detta kompenseras för i beräkningarna. Därför mättes både totalt ljus och enbart ljus från kärnan. Det senare genom att skärma av ljus från pläteringen med en apertur. Resultatet plottas i figur 5 och 6 där in-effekten har beräknats som pumpens effekt minus skillnaden av ut-effekterna med och utan aperturen. Mätningarna gjordes systematiskt genom att först låta aperturen vara nästan stängd och variera in-strömmen mellan 1,5 och 6 A. Vid varje halvt steg registrerades strålens effekt och vid varje helt steg dess spektrum. Därefter öppnades aperturen helt och effektmätningar gjordes igen för varje halvt A-steg. Denna procedur utfördes totalt två gånger - en gång med ett FBG monterat och en gång utan FBG. För att kunna plotta sambandet mellan ingående och utgående effekt måste sambandet mellan ström och effekt vara känt, varför detta också har mätts. Sida 7 av 14

5 Resultat Nedan följer figur som visar sambandet mellan strömmen och den effekt som verkligen går in i lasern som används som pump. Detta förhållande mättes inte, utan datan var given. 6 5 Samband mellan ström och effekt f(x) = 0,8905 x 0,2649 R 2 = 0,9995 4 Effekt [W] 3 2 1 0 Mätdata Linjär anpassning -1 0 1 2 3 4 5 6 7 Ström [A] Figur 4: Samband mellan ström och ingående effekt. Utgående effekt mättes med och utan FBG och med öppen och stängd apertur. Resultaten och linjära anpassningar till dessa följer i figurerna nedan. Sida 8 av 14

0.05 0.045 0.04 Samband mellan in- och uteffekt - med FBG Mätdata med FBG Anpassning: f(x)= 0,007694 x - 0,008577 Utgående effekt [W] 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 Effektiv ineffekt [W] Figur 5: Effektivitet ( slope efficiency ) med FBG. 1.2 1 Samband mellan in- och uteffekt - utan FBG Mätdata utan FBG Anpassning: f(x)= 0,2277 x - 0,2786 Utgående effekt [W] 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Effektiv ineffekt [W] Figur 6: Effektivitet ( slope efficiency ) utan FBG. Sida 9 av 14

Vidare mättes även spektrumet för olika strömmar. Resultaten följer nedan. -50-55 -60-65 Effekt som en funktion av våglängd för olika strömmar utan fiber Bragg-gitter I = 6.00 A I = 5.00 A I = 4.00 A I = 3.00 A I = 2.00 A Effekt [dbm] -70-75 -80-85 -90-95 1563.5 1564 1564.5 1565 1565.5 1566 1566.5 1567 1567.5 1568 1568.5 Våglängd [nm] Figur 7: Antal punkter på spektrometern som funktion av våglängd utan fiber Bragg-gitter. -50-55 I = 5.00 A I = 6.00 A -60-65 Effekt [dbm] -70-75 -80-85 -90-95 1563.5 1564 1564.5 1565 1565.5 1566 1566.5 1567 1567.5 1568 1568.5 Våglängd [nm] Figur 8: Förtydligande av spektrumet för strömmarna 5.00 A och 6.00 A. Sida 10 av 14

-50-55 -60-65 Effekt som en funktion av våglängd för olika strömmar med fiber Bragg-gitter I = 6.00 A I = 5.00 A I = 4.00 A I = 3.00 A I = 2.00 A Effekt [dbm] -70-75 -80-85 -90-95 1546.651546.71546.751546.81546.851546.91546.95 1547 1547.051547.11547.15 Våglängd [nm] Figur 9: Antal punkter på spektrometern som funktion av våglängd med fiber Bragg-gitter. 6 Diskussion Resultaten visar ett linjärt beroende mellan ut- och in-effekt, P ut och P in. Verkningsgraden (slope effiency) ges som lutningen av linjeanpassningarna, alltså 0,0077 med FBG och 0,23 utan. Att verkningsgraden blir större utan FBG är rimligt. Dels för att FBG:t har högre reflektivitet än den lösa fiberänden och därför transmitterar mindre ljus. Dessutom visar figur 3 att FBG:t innebär vissa förluster då det strålar ut ljus. Orsaken till detta kan vara att ljuset som faller in i FBG:t inte är parallellt med fiberns bana och därför kommer ha en infallsvinkel till varje brytningsindex-skifte i gittret. Ljuset kommer därför spridas i olika riktningar och blir vinkeln mot fibern tillräckligt stor kommer totalreflektion inte ske. Istället kommer en viss mängd ljus kunna transmitteras ut ur fibern. Det syns även i laserns spektra att närvaro av FBG leder till lägre uteffekt. De detekterade topparna blir då smalare och mer distinkta toppar registreras. Där syns också att topparnas bredd och höjd ökar när ingående effekt ökar. Sida 11 av 14

Under mätningarna av uteffekten med stängd apertur och utan FBG registrerades en oväntad oregelbundenhet i resultaten, se figur 6. Det syns tydligt att de första 6 mätvärdena tycks ligga på en linje och nästkommande 4 på en annan. Detta påverkar linjeanpassningen och således den beräknade verkningsgraden. Skillnaden syns även i figur 8 där toppens area tycks växa avsevärt mellan mätningarna med 4,00 A respektive 5,00 A. Orsaken till avvikelsen kan vara ett fenomen som som engelska kallas mode competition (mode-konkurrens) och som innebär att flera olika moder konkurrerar om förstärkningen i laserns resonator. Vid olika in-effekter kan således olika moder vara dominerande, vilket bland annat har följden att sambandet mellan in- och ut-effekt blir icke-linjärt. [12] Teoretiskt fås en viss slope efficiency på grund av våglängdsskillnaden mellan lasern som användes som pump och den laser som mätningarna gjordes på. Mätningarna gav att den förra hade en våglängd på 976 nm medan den senare hade en våglängd på ca 1547 nm. Skillnaden i fotonenergi, kvantdefekten, ges då procentuellt av ( ) ( h νpump h ν laser [13] q återstående = 1 q förlust = 1 = 1 1 h ν ) laser h ν pump h ν pump ( = 1 1 λ ) pump 0,63 λ laser Detta är något annorlunda än det uppmätta värdet på 0,22, vilket tyder på att det finns fler förluster i systemet än bara de som härrör till våglängdsskillnaderna. Optiska fibrer som används till telekom verkar ofta med en våglängd på ungefär 1,5 µm eftersom förlusterna då är som minst i de kiseldioxid-fibrer som vanligtvis används [14]. Förlusterna i en typisk sådan fiber är ungefär 0,2 db/km [15]. Lasersignalen med den högsta effekten ut var på ungefär 1 W. Med en detektor med minsta känslighet på 1 pw, d.v.s. 10 12 W, får att skillnaden i decibel innan signalen inte kan registreras längre blir, där P 0 är någon referensnivå ( ) ( 1W 10 12 ) W = 10log db 10log db P 0 P 0 ( ( ) ( )) 1W 1W = 10 log + 12log10 log db = 10 12 db = 120 db P 0 P 0 120 db = Maxlängd = = 600 km 0,22 db/km Sida 12 av 14

Referenser [1] The Encyclopedia of Laser Physics and Technology; Lasers; https://www.rp-photonics.com/lasers.html [2] WIKIPEDIA; Laser construction; https://en.wikipedia.org/wiki/laser_construction [3] The Encyclopedia of Laser Physics and Technology; Optical Pumping; https://www.rp-photonics.com/optical_pumping.html [4] The Encyclopedia of Laser Physics and Technology; Gain Media; https://www.rp-photonics.com/gain_media.html [5] Wikipedia; Lasing threshold; https://en.wikipedia.org/wiki/lasing_threshold [6] Wikipedia; Population inversion; https://en.wikipedia.org/wiki/population_inversion [7] The Encyclopedia of Laser Physics and Technology; Fiber Lasers; https://www.rp-photonics.com/fiber_lasers.html [8] The Encyclopedia of Laser Physics and Technology; Fibers (Fibres); https://www.rp-photonics.com/fibers.html [9] The Encyclopedia of Laser Physics and Technology; Fiber Lasers Versus Bulk Lasers; https://www.rp-photonics.com/fiber_lasers_versus_bulk_lasers.html?s= ak visited: 2016-05-18 Sida 13 av 14

[10] The Encyclopedia of Laser Physics and Technology; Fiber Bragg Gratings; https://www.rp-photonics.com/fiber_bragg_gratings.html [11] The Encyclopedia of Laser Physics and Technology; Fiber Loop Mirrors; https://www.rp-photonics.com/fiber_loop_mirrors.html visited: 2016-05-19 [12] The Encyclopedia of Laser Physics and Technology; Mode competition; https://www.rp-photonics.com/mode_competition.html visited: 2016-05-22 [13] The Encyclopedia of Laser Physics and Technology; Quantum defect; https://www.rp-photonics.com/quantum_defect.html visited: 2016-05-19 [14] The Encyclopedia of Laser Physics and Technology; Optical Fiber Communications; https://www.rp-photonics.com/optical_fiber_communications.html [15] The Encyclopedia of Laser Physics and Technology; Telecom Fibers; https://www.rp-photonics.com/telecom_fibers.html visited: 2016-05-15 Sida 14 av 14