The Scaling Limits of Beam-Splitter-Based Coherent Beam Combining
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Beschreibung
Today, the fundamental-physical limits of laser amplifiers are in reach, leaving a power gap of about two orders of magnitude to the most demanding applications, namely space debris removal and laser particle acceleration.
Coherent beam combination is the key technology to bridge this gap through assembly of even brighter laser beams from many, individual laser amplifiers. Thereby, basic implementations based on beam splitters allow for an almost unity efficiency, but the existence of the beam splitters implies again fundamental limits due to residual absorption and nonlinear effects.
The aim of this work is the exploration of these limits in the context of ultrafast fiber lasers. A sequence of four coherently combined lasers is built, culminating in the highest average-power ultrafast laser today emitting 10.4 kW at otherwise close-to ideal laser parameters. Based on the gathered experimental evidence, a thermal aberration model allows deriving the scalability of this technology to at least 100 kW average power, while limitations due to nonlinear effects remain negligible.
Hence, beam-splitter-based coherent beam combination can cover the most demanding applications envisioned to the present day.
Ultrakurzpulslaser eröffnen Wechselwirkungsregime zwischen Licht und Materie, die in Wissenschaft und Technik breite Anwendung finden. Beispiele hierfür sind die Materialbearbeitung und die Erzeugung von extrem ultravioletter Strahlung zur Vermessung grundlagenphysikalischer Effekte oder Strukturen auf kleinsten räumlichen und zeitlichen Skalen. Diese Anwendungen fordern eine hohe Pulsspitzenleistung und auch eine hohe mittlere Leistung der Laser, die heutzutage standardmäßig erzeugt wird durch die Kombination der Verstärkung gestreckter Pulse mit fortschrittlichen Lasergeometrien.
Viele Anwendungen können von noch höheren Laserleistungen profitieren und in manchen Bereichen wir eine beachtliche Leistungssteigerung über den Stand der Technik hinaus benötigt, wie zum Beispiel für die Entfernung von Weltraumschrott und für die nächste Generation lasergetriebener Teilchenbeschleuniger. Diese Beispielanwendungen benötigen eine Durchschnittsleistung im 100 kW-Bereich mit beugungsbegrenzter Strahlqualität und, im Fall der Teilchenbeschleunigung, sogar Ultrakurzpulsbetrieb mit hohem Kontrast. Die heutige Lasertechnologie kann solche Parameter nicht bereitstellen aufgrund fundamental-physikalischer Begrenzungen im laseraktiven Material.
Eine Schlüsseltechnologie um dieses Problem zu umgehen ist die kohärente Überlagerung der Strahlen vieler einzelner Laserverstärker zu einem einzelnen Laserstrahl, wofür bereits viele Methoden existieren. Von diesen Methoden erlauben es jedoch insbesondere einfache Strahlteiler besonders leistungseffiziente Systeme zu bauen, die jedoch selbst auch fundamental-physikalische Begrenzungen aufweisen welche noch unbekannt sind. Daher ist diese Arbeit der Bestimmung dieser Grenzen gewidmet, unter anderem auch durch dem Bau der weltweit durchschnittsleistungsstärksten Ultrakurzpulslaser.
Im ersten Teil der Arbeit werden zwei Ultrakurzpulslaser vorgestellt, die auf kohärenter Polarisationsstrahlkombination und Stabfasern basieren. Das spätere System liefert 1.9 kW Durchschnittsleistung und multi-GW Spitzenleistung und beide Laser werden für eine Reihe wissenschaftlicher Experimente genutzt, was ihre praktische Anwendbarkeit beweist. Eine thermische Linse in der Umgebungsluft induziert durch nichtlineare Absorption erfordert einer Schutzatmosphäre oder Vakuumumgebung für die weitere Leistungsskalierung. Außerdem wird eine Erwärmung der Strahlteiler beobachtet, was auf eine baldige Begrenzung durch thermo-optische Effekte bei noch höherer Durchschnittsleistung hindeutet.
Im zweiten Teil werden zwei weitere Lasersysteme basierend auf Intensitätsstrahlteilern und 20/400-Industriestandardfasern gebaut. Das erste System liefert bereits eine rekordbrechende Durchschnittsleistung von 3.5 kW und zeigt keine Zeichen einer thermischen Begrenzung, da die Intensitätsstrahlteiler eine viel geringere Restabsorption aufweisen. Technische Probleme werden identifiziert, erklärt und im darauffolgenden System entfernt, welches dann 10.4 kW Durchschnittsleistung bei anderweitig nahezu idealen Laserparametern liefert. Beide Systeme haben einen automatischen raumzeitlichen Interferometerabgleich, der eine nahezu ideale Effizienz ermöglicht.
Im dritten Teil dieser Arbeit werden die fundamental-physikalischen Leistungsbegrenzungen der Strahlteiler analysiert. Optisch-nichtlineare Effekte bleiben vernachlässigbar selbst für stark erhöhte Pulsenergie im Betrieb mit gestreckten Pulsen. Gleichzeitig wird die Durchschnittsleistung begrenzt durch die Restabsorption der Strahlteiler, für die es einen substratspezifischen und größtenteils geometrisch invarianten, kritischen Wert gibt. Die aus der Erwärmung resultierenden Strahlfehler vermindern die Effizienz der Strahlkombination, die jedoch bis in Größenordnung von 100 kW Durchschnittsleitung noch sehr gering sind. Technische Herausforderungen dieses Leistungslevel zu erreichen werden diskutiert und als begrenzender Faktor für die Durchschnittsleistung wird die lineare Pulskompression identifiziert. Eine Vereinfachung der Systeme kann erreicht werden durch die Verwendung von Multikernfasern, was experimentell gezeigt wird.
Zuletzt wird die Durschnittsleistungstauglichkeit nichtlinearer Pulskompression in Multipasszellen geprüft, da sie häufig Ultrakurzpulslasersystemen zur Pulsverkürzung nachgeschaltet ist. Entwurfskriterien für derartige Zellen werden hergleitet und in einer Multipasszelle wird die Kompression von 1mJ-Pulsen zu 31 fs Pulsdauer bei 1 kW Durchschnittsleistung gezeigt, was ein Rekordwert für Femtosekundenlaser mit weniger als 100 fs Pulsdauer ist. Ein numerisches Propagationsmodell wird entwickelt, welches das Experiment akkurat reproduziert. Mit diesem Modell wir die Empfindlichkeit gegenüber thermischen Effekten untersucht und gefunden, dass der Multipasszellenansatz mit 100 kW-Level-Durchschnittsleistung kompatibel ist.
Insgesamt ist diese Arbeit der praktische Beweis, dass kohärente Strahlkombination auf Basis von einfachen Strahlteilern es ermöglicht die fundamentalen Spitzenund Durchschnittsleistungslimitierungen von Laserverstärkern signifikant zu überwinden. Die Durchschnittsleistung kann mindestens noch eine Größenordnung über den demonstrierten Rekordwert von 10.4 kW erhöht werden und Pulsenergien im Joule-Bereich mit Ultrakurzpulsbetrieb sind möglich. Zweifellos ist diese Technologie ein Weg um einige der bisher visionären Anwendungen zu ermöglichen.
Autor*in
Michael Müller
Themen in »The Scaling Limits of Beam-Splitter-Based Coherent Beam Combining«
Beam-Splitter-Based Coherent Beam Combining Coherent Beam Combining Laser Scaling Limits electromagnetic wave propagation power limits ultrafast fiber lasers