Nutzung diodengepumpter Faserlaser in der Laser-Doppler-Anemometrie/Application of diode-pumped fiber lasers for laser Doppler anemometry

Abstract

Laser Zentrum Hannover e.V. Diodengepumpte Faserlaser vereinigen den hohen Wirkungsgrad und einfachen, kompakten Aufbau von Diodenlasern mit der hohen Strahlqualität von Glaslasern. Sie erreichen derzeit über 30W Leistung mit hoher Strahlqualität in einem kompakten, kostengünstigen Aufbau. Daher sind Faserlaser für die Realisierung von portablen Laser-Doppler-Anemometern (LDA) hoher Leistung attraktiv. In diesem Aufsatz wird auf den aktuellen Stand der Entwicklung von Faserlasern und deren Einsatz für kompakte LDA-Systeme eingegangen. Dabei wird insbesondere über neodym-dotierte Quarzglas-Faserlaser mit einer leistungsstarken Emission im Infraroten und über sichtbare Up-Conversion-Faserlaser berichtet. Das LDA-System wurde mit dem Einsatz eines Beugungsgitters als diffraktivem Strahlteiler realisiert. Es wird gezeigt, daß damit ein achromatisches Meßsystem erhalten wird, so daß leistungsstarke Faserlaser großer Linienbreite eingesetzt werden können. Darüber hinaus weist die diffraktive Optik ein hohes Miniaturisierungspotential auf, das für die Konstruktion eines kompakten faseroptischen LDAMeßkopfes genutzt wurde. Eingegangen wird ferner auf die Realisierung einer Richtungserkennung des achromatischen LDA-Systems mit dem Einsatz eines akusto-optischen Modulators als diffraktivem Strahlteiler und gleichzeitigem Frequenzverschiebungselement.Diode-pumped fiber lasers emit today more than 30W of fundamental mode power. Due to their compact realization at low costs, they are attractive for portable high power laser Doppler anemometers (LDA). We present the state-of-the-art of fiber lasers with emphasis on Nd:glass fiber lasers with high power emission in the infrared and up-conversion fiber lasers with visible emission wavelengths. The LDA system is realized by using a phase diffraction grating as a beam splitter. An achromatic LDA system is shown, which enables the employment of high power fiber lasers having large emission line widths. Diffraction optics was used for the realization of a miniaturized fiber-coupled LDA measuring head. The directional discrimination of the achromatic LDA system was achieved by an acousto-optical modulator as both a diffractive beam splitter and as a frequency shifter.

Laser Doppler velocimetry using powerful solid-state light sources

“…Fibre lasers fulfil features (1), ( 2) and ( 8) excellently. In [54,55], the use of a diode-pumped double-clad Nd-doped glass fibre laser for LDV was reported. Fibre lasers with Fabry-Perot cavities have a typical line width of about ≈ 10 nm resulting in a small coherence length of l C = λ 2 / = 113 µm, with centre wavelength of λ = 1064 nm, see equation (3).…”

“…However, mode-beat frequencies with integer multiples of f ≈ 2 MHz can be observed within the signal bandwidth of the detector [36,55]. This might disturb the detection of the Doppler spectral line.…”

“…The standard method for achieving directional discrimination is to generate a frequency shift between the laser beams, resulting in a movement of the fringe system in the measurement volume [2], method (1). This heterodyne technique is usually realized with acousto-optic modulators (AOM) in the Bragg frequency-shift operation [2,9,54,55,107], see figure 9. It is a reliable technique, but optical losses and high alignment efforts occur at frequency-shift elements.…”