Zwei Pumpmodule, gleiche 976-nm-Mittenwellenlänge auf dem Etikett, gleiche Nennleistung, gleicher Faserkern-Durchmesser. Eines hält die Ausgangsleistung über den gesamten Betriebsbereich konstant. Das andere verliert jedes Mal an Effizienz, wenn sich der Kühlkreislauf erwärmt.
Nichts auf der Vorderseite der beiden Datenblätter erklärt den Unterschied. Er steht auf Seite drei, in der Linienbreiten-Spezifikation und der Wellenlängen-Temperatur-Kurve, und er ist die mit Abstand folgenreichste Kennzahl bei der Auswahl von Faserlaser-Pumpen.
Dieser Leitfaden behandelt die Entscheidungen, die tatsächlich darüber bestimmen, ob eine Pumpenwahl funktioniert: welche Wellenlänge, welche Diodenarchitektur, wie die Brillanz Ihre Optionen einschränkt und was Stabilisierung Ihnen bringt.
Inhaltsverzeichnis
Eine Faserlaser-Pumpdiode ist ein Hochleistungs-Halbleiterlaser, in der Regel faserkoppelt, der den Seltenerd-Dotierstoff in einer aktiven Faser anregt. Ytterbium- und Erbium-Ytterbium-Systeme werden nahe 915 nm oder 976 nm gepumpt. Module reichen von Einzelemittern mit etwa 15 W bis zu Multi-Barren-Stapeln mit Kilowatt-Leistung.
Die erste Entscheidung: 915 nm oder 976 nm
Bei Ytterbium- und Erbium-Ytterbium-Faser wirkt sich diese Wahl auf alles andere aus. Es lohnt sich, sie bewusst zu treffen, statt sich auf das zu verlassen, was das letzte Design verwendet hat.
976 nm liegt auf dem starken, schmalen Absorptionspeak von Ytterbium. Da die Absorption hoch ist, benötigen Sie weniger aktive Faser, und da das Pump-Photon energetisch näher am ~1064–1080-nm-Ausgang liegt, ist der Quantendefekt kleiner und es wird weniger Wärme pro absorbiertem Photon erzeugt. Die optisch-optische Effizienz ist die bestmögliche.
Der Haken ist die Breite dieses Peaks. Das Absorptionsmerkmal von Ytterbium bei 976 nm ist schmal – mindestens eine Größenordnung schmaler als das von Erbium bei derselben Wellenlänge. Eine einfache Fabry-Pérot-Diode emittiert mit einer Linienbreite von etwa 6 nm und driftet um etwa 0,3 nm pro °C Sperrschichttemperatur. Zusammengenommen wandert eine unstabilisierte 976-nm-Pumpe beim Erwärmen vom Absorptionspeak ab. Die absorbierte Leistung sinkt, unabsorbierte Pumpe propagiert durch die Faser, wo sie nicht hingehört, und die Ausgangsleistung fällt auf eine Weise ab, die wie ein Faserproblem aussieht.
Ein 976-nm-Design erfordert also im Wesentlichen Wellenlängen-Stabilisierung, präzise thermische Kontrolle oder beides.
915 nm liegt auf einem breiteren, schwächeren Absorptionsmerkmal. Der Wirkungsquerschnitt ist kleiner und breiter, und das verändert die Technik gleich in mehreren Richtungen. Da die Absorption schwächer ist, benötigen Sie eine längere aktive Faser und akzeptieren eine geringere optisch-optische Effizienz. Da das Merkmal breit ist, spielt die Diodendrift über die Temperatur kaum eine Rolle – die Pumpe bleibt über einen weiten Wellenlängenbereich nützlich absorbiert, was Stabilisierung und präzise Kühlung optional macht.
Es gibt einen zweiten, weniger offensichtlichen Vorteil. Schwächere Absorption verteilt die Pump-Deposition über eine längere Faserlänge, was die lokale thermische Last senkt und die Schwelle für transversale Modeninstabilität erhöht. Das ist bei hoher Leistung enorm wichtig. Ein Kilowattklassen-Oszillator mit 915-nm-Pumpen aus dem Jahr 2024 berichtete eine optisch-optische Effizienz von 75,4% – unter dem, was 976 nm erreichen kann, aber mit deutlich entspannteren thermischen und Stabilisierungsanforderungen erreicht.
| 915 nm | 976 nm | |
|---|---|---|
| Absorption | Breit, schwach | Schmal, stark |
| Effizienz | Niedriger | Höchste verfügbare |
| Quantendefekt / Wärme | Höher pro Photon | Niedriger pro Photon |
| Benötigte Faserlänge | Länger | Kürzer |
| Stabilisierung | Meist unnötig | Effektiv erforderlich |
| Thermische Kontrolle | Entspannt | Präzise |
| Modeninstabilitätsschwelle | Höher (Wärme verteilt) | Niedriger (Wärme konzentriert) |
| Am besten geeignet für | Robust, Hochleistung, Feld-Einsatz | Effizienz- und größenkritisch |
Die Kurzfassung: 976 nm bringt Effizienz und Kompaktheit auf Kosten der Kontrollkomplexität. 915 nm bringt Robustheit und thermische Reserven auf Kosten der Effizienz. Wenn Ihr System in einem temperaturkontrollierten Schrank lebt, ist 976 nm meist richtig. Wenn es auf einem Fahrzeug, einem Schiff oder in einer unklimatisierten Fabrikhalle lebt, verdient 915 nm ernsthafte Überlegung.
Hybride Schemata existieren – teilweises Pumpen bei jeder Wellenlänge oder Tandem-Pumpen bei 1018 nm, um den Quantendefekt weiter zu reduzieren – aber das sind Optimierungen, die man anstrebt, nachdem die Basisarchitektur festgelegt ist.
Singlemode oder Multimode
Die zweite Weggabelung betrifft Strahlqualität versus Leistung, und sie wird weitgehend davon bestimmt, was Sie pumpen.
Singlemode-Pumpen koppeln in eine Singlemode-Faser mit einem Kern von etwa 6–9 µm. Die Strahlqualität ist ausgezeichnet und der Ausgang kann direkt in einen Signalkern eingekoppelt werden. Die Leistung ist begrenzt – typischerweise deutlich unter 1 W pro Bauelement – und die Kosten pro Watt sind hoch. Diese sind für kerngepumpte Verstärker, Seed-Stufen, rauscharme Anwendungen und Erbium-Telekom-Band-Verstärker gedacht.
Multimode-Pumpen koppeln in Multimode-Faser, üblicherweise 105/125 µm, und skalieren von Hunderten von Milliwatt bis zu mehreren hundert Watt pro Modul. Die Strahlqualität ist im Vergleich schlecht, was genau der Grund ist, warum Cladding-Pumping existiert: Pumpen Sie in ein großes Multimode-Innencladding statt in den winzigen dotierten Kern, lassen Sie es über Meter von Faser wiederholt den Kern kreuzen, und Sie erhalten Singlemode-Ausgang aus einer Multimode-Pumpe. Fast alle Hochleistungs-Faserlaser funktionieren so.
Wenn Sie ein cladding-gepumptes System bauen – und für alles über ein paar Watt tun Sie das – ist Multimode die Antwort, und die eigentliche Frage wird, welche Multimode-Architektur.
Vier Multimode-Architekturen
Pumpmodule werden auf vier Arten gebaut, und die Unterschiede zeigen sich in Leistung, Brillanz, Kosten und darin, wie sie ausfallen.
| Architektur | Typische Leistung | Faserlieferung | Charakter |
|---|---|---|---|
| Einzelemitter | ~10–25 W | 105/125 µm | Höchste Helligkeit pro Watt; ein Emitter, ein Ausfallpunkt |
| Multi-Emitter-Modul | ~50–mehrere hundert W | 105–200 µm | Mehrere diskrete Emitter strahlkombiniert in eine Faser; sanfte Degradation |
| Einzelbarren | ~50 W | 200–400 µm | Viele Emitter auf einem monolithischen Barren; geringere Helligkeit, niedrige Kosten pro Watt |
| Multi-Barren / Stapel | Hunderte W bis kW | 400 µm und größer | Gestapelte Barren; höchste Leistung, geringste Helligkeit, Wasserkühlung typisch |
Ein paar Dinge, die es wert sind, über diese Tabelle zu verstehen.
Einzelemitter bieten die beste Helligkeit. Die Ausgabe eines Emitters kann mit hoher Effizienz kollimiert und in eine kleine Faser fokussiert werden, sodass Sie mehr Watt pro Einheit Étendue erhalten. Multi-Emitter-Module bewahren viel davon, indem sie mehrere Einzelemitter räumlich und durch Polarisation kombinieren, weshalb sie das mittlere Leistungssegment des Faserlaser-Pumpens dominieren.
Barren tauschen Helligkeit gegen Kosten. Ein Barren packt viele Emitter nebeneinander auf einen Chip. Die Gesamtleistung ist hoch und die Kosten pro Watt niedrig, aber die Emitter sind über eine breite langsame Achse verteilt, sodass die Einkopplung in eine kleine Faser ineffizient ist. Sie benötigen letztendlich eine größere Delivery-Faser, was den Cladding-Durchmesser einschränkt, in den Sie pumpen können.
Das Ausfallverhalten unterscheidet sich. In einem Multi-Emitter-Modul kostet ein toter Emitter einen Bruchteil der Leistung, und das System läuft normalerweise weiter. Auf einem monolithischen Barren kann ein einzelner Emitterausfall sich ausbreiten. Dies ist ein Zuverlässigkeitsargument, das selten auf Datenblättern erscheint und für unbeaufsichtigte oder im Feld eingesetzte Systeme von großer Bedeutung ist.
Helligkeit, NA, und warum die Fasernummer wichtig ist
Zwei Pumpmodule können beide “50 W” angeben und dennoch völlig unterschiedliche Produkte sein. Was sie trennt, ist die Helligkeit.
Helligkeit ist Leistung geteilt durch das Produkt aus Emissionsfläche und Raumwinkel. In faserkoppelten Begriffen übersetzt sich das in Leistung geteilt durch das Produkt aus Kerndurchmesser und numerischer Apertur. Ein 50-W-Modul in einer 105-µm-/0,22-NA-Faser ist ein weitaus nützlicheres Gerät als 50 W in einer 400-µm-/0,22-NA-Faser, selbst wenn die Nennleistung identisch ist.
Zwei Konsequenzen folgen direkt, und beide beißen spät im Design, wenn sie nicht früh eingeplant werden.
Helligkeit kann nachgelagert nicht verbessert werden. Optik kann einen Strahl umformen, aber das Produkt aus Größe und Divergenz — Étendue, für Strahlen als Strahlparameterprodukt ausgedrückt — kann durch passive Optik nicht reduziert werden. Wenn Ihr Pumpstrahl mit zu viel Étendue für das innere Cladding Ihrer Faser ankommt, behebt keine Linse das. Sie verlieren den Überschuss als Wärme beim Einkoppeln.
Der Cladding-Durchmesser ist eine systemweite Einschränkung. Ein größeres inneres Cladding akzeptiert Pumplicht mit geringerer Helligkeit leichter, senkt aber auch die Cladding-Absorption pro Längeneinheit, sodass Sie mehr Faser benötigen. Ein kleineres Cladding absorbiert schneller und bietet bessere Modenkontrolle, verlangt aber hellere Pumpen. Pumphelligkeit und Faserdesign sind eine Entscheidung, nicht zwei.
Die praktische Anweisung: Akzeptieren Sie niemals eine Pumpleistungsangabe ohne Kerndurchmesser und NA. Leistung allein ist keine Spezifikation.
Wellenlängenstabilisierung: Was sie tatsächlich kostet und bringt
Eine unstabilisierte Breitstreifen-Fabry-Pérot-Diode hat eine Linienbreite von mehreren Nanometern, und ihre Mittenwellenlänge verschiebt sich sowohl mit der Sperrschichttemperatur (etwa 0,3 nm pro °C) als auch mit dem Treiberstrom. Für ein 915-nm-Design ist das in Ordnung. Für 976 nm in Ytterbium ist es normalerweise nicht.
Drei Ansätze existieren.
Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Stabilisierung schreibt ein Gitter in das Pigtail, das einen schmalen Band zurück in die Diode reflektiert und sie zwingt, dort zu lasen. Dies ist die dominierende Methode für faserkoppelte Pumpmodule. Sie verengt typischerweise die Emission unter 0,5 nm und entkoppelt die Wellenlänge weitgehend von Temperatur und Strom.
Volumen-Bragg-Gitter (VBG)-Stabilisierung platziert ein Volumengitter als Auskoppler, normalerweise gepaart mit reduzierter Frontfacetten-Reflektivität, sodass das Gitter den Wettbewerb um die Verstärkung gewinnt. Üblich in Freistrahl- und Moduldesigns.
Keine Stabilisierung, gepaart entweder mit strenger Temperaturkontrolle oder einem bewusst toleranten Absorptionsband. Dies ist der 915-nm-Weg, und bewusst durchgeführt ergibt es das einfachste System.
Zwei Details, die es wert sind, vor der Spezifikation eines gelockten Pumps zu wissen.
Die Designwellenlänge des Gitters muss nahe am natürlichen Peak der Chip-Emission liegen — innerhalb von etwa ±5 nm — oder die Diode wird nicht zuverlässig über ihren Betriebsbereich locken. Dies ist eine fertigungsseitige Einschränkung, bestimmt aber, wie viel Temperaturmarge ein gelocktes Modul wirklich hat.
Locking ist nicht sofortig. FBG-basierte Stabilisierung benötigt eine endliche Zeit, um sich nach dem Einschalten zu etablieren, da Licht eine Hin- und Rückreise zum Gitter machen muss. Für kontinuierliches Pumpen ist das irrelevant. Für gepulstes oder schnell moduliertes Pumpen kann der erste Teil jedes Pulses ungelockt und spektral breit emittieren, was die Absorption beeinflusst und Sie in einem QCW-Design überraschen kann.
Die Pumpe in die Faser bringen
Zwischen dem Pumpmodul und der aktiven Faser sitzt eine Komponente, die leise viel Systemverhalten bestimmt: der Pumpkombinierer.
Ein Pump-Signal-Kombinierer nimmt mehrere multimodale Pumpfasern plus, normalerweise, eine Signalfaser durch die Mitte — die (6+1)×1- und (18+1)×1-Konfigurationen sind üblich — und verjüngt sie in eine einzelne Doppelcladding-Ausgangsfaser. Pumplicht landet im inneren Cladding; das Signal passiert den Kern unberührt.
Drei Dinge über Kombinierer sind zum Spezifikationszeitpunkt wissenswert.
Helligkeitserhaltung gilt auch hier. Die Verjüngung kann Pumplicht nicht über das hinaus konzentrieren, was Étendue erlaubt. Die Speisung eines Kombinierers mit Pumpen, die zu geringe Helligkeit für das Ausgangscladding haben, verschwendet Leistung als Wärme direkt an der Verjüngung — eine häufige Ursache für heiß laufende Kombinierer.
Die Pumpenanzahl setzt Ihre Redundanzgranularität. A (6+1)×1 combiner with six pump modules degrades gracefully; losing one costs roughly a sixth of the pump power. Two very large modules feeding a 2+1 gives you a far more brittle system.
Backward-propagating light is a real hazard. Unabsorbed pump and back-reflected signal travel toward the pumps. Cladding light strippers and proper isolation are not optional above modest power levels, and pump diodes damaged by back-reflection are frequently misdiagnosed as random failures.
Verpackung, Laufwerk und thermische Schnittstelle
The package is where the pump meets your mechanical and electrical design.
14-pin butterfly packages are the standard for lower-power and single-mode devices, typically integrating a TEC and a thermistor so junction temperature can be actively held. They cost board space and power, and the TEC becomes a component in your reliability budget.
Fiber-coupled multimode modules at tens to hundreds of watts are usually conduction-cooled to a baseplate, with a specified maximum case temperature and thermal resistance. Above a few hundred watts, water cooling is typical.
Electrically, expect a single emitter to want roughly 1.5 V at 10–20 A. Emitters wired in series raise voltage and keep current the same; bars run parallel arrays and pull 45–60 A at similar voltages. Multi-bar stacks in series climb in voltage accordingly. The reason to care is that your driver’s compliance voltage, current stability, and transient protection all follow from this, and pump diodes are unforgiving of current overshoot at turn-on.
One thermal point that gets underestimated: the specified case temperature is not a suggestion. Junction temperature drives wavelength, and wavelength drives absorbed power. In a 976 nm system, a thermal interface that degrades over time — dried compound, a loosened screw, a fouled cold plate — presents as slow output decline that looks like diode aging. It often is not.
Was sollte man einen Pumpenlieferanten fragen
The generic advice about reading datasheets skeptically applies. These are the pump-specific questions.
Is the center wavelength specified with a tolerance and a reference case temperature? A bare “976 nm” is not usable. You need the number, the tolerance, and the temperature it was measured at.
What is the linewidth, and is the device locked? For 976 nm into ytterbium, the answer determines whether the design works.
What is the delivery fiber core and NA, and what is the power measured at the connector? Not chip power, not pre-coupling power. What comes out of the fiber you will actually connect.
Was every unit burn-in screened, or a sample? Diode lasers fail early or run for years. Burn-in is how you separate those populations before shipment, and screening every unit costs the supplier real yield — which is why some do not.
Is the package hermetic? Facet degradation from moisture accumulates over years. Two modules can look identical on paper and diverge sharply at year three.
Can you see data across the full operating window? Wavelength, power, and threshold at the temperature extremes, not just at 25 °C.
Our own flow for fiber-coupled diode pump sources runs incoming inspection, chip test, die bonding and chip-on-submount assembly, automated fiber coupling and alignment, hermetic sealing by parallel seam welding, then burn-in and high/low temperature cycling before final test. The reason to be vertically integrated is not marketing — it is that when a unit behaves oddly, the trace back to a bonding step or a coupling alignment actually exists. You can review the equipment and test capability behind that, or browse available laser source modules if you are scoping a specific wavelength and power.
Häufige Fehler
Comparing pumps on watts alone. Without core diameter and NA, the power figure tells you almost nothing about whether the module fits your fiber.
Choosing 976 nm and then discovering the thermal budget. The efficiency advantage is real, but it comes bundled with stabilization and cooling requirements. Decide with the full cost in view.
Assuming brightness can be recovered. It cannot. Étendue only grows through passive optics. Budget it at the architecture stage.
Ignoring back-reflection protection. Cladding light strippers and isolation are load-bearing, not accessories.
Calibrating and qualifying at ambient only. Wavelength and threshold both move with temperature. A 25 °C characterization tells you very little about a −20 °C cold start.
Treating the combiner as passive plumbing. Its brightness acceptance, pump count, and thermal handling shape system reliability as much as the diodes do.
Häufig gestellte Fragen
Should I use 915 nm or 976 nm to pump a ytterbium fiber laser?
976 nm sits on a strong narrow absorption peak — best efficiency and shortest fiber, but it needs wavelength stabilization and tight thermal control. 915 nm sits on a broad weak feature — lower efficiency and longer fiber, but tolerant of drift and gentler thermally. Controlled environments favor 976; rugged deployments favor 915.
What is a fiber Bragg grating stabilized pump?
A pump diode with a grating written into its delivery fiber that reflects a narrow band back into the diode, forcing it to lase at that wavelength. It typically narrows emission below 0.5 nm and holds the wavelength largely independent of temperature and drive current — essential for 976 nm ytterbium pumping.
What is the difference between a single emitter and a laser bar?
A single emitter is one emitting stripe, typically 10–25 W, with high brightness and easy coupling into a 105 µm fiber. A bar packs many emitters across one chip for around 50 W at lower cost per watt, but the wide emitting area lowers brightness and requires a larger delivery fiber.
Why does pump brightness matter if I only need total power?
Because brightness determines whether that power can be launched into your fiber’s inner cladding at all. Passive optics cannot reduce étendue, so pump light that is too divergent for the cladding is lost as heat at the launch, regardless of how many watts you started with.
What is cladding pumping?
Launching pump light into a large multimode inner cladding rather than the small doped core. The pump crosses the core repeatedly along meters of fiber and is gradually absorbed, which lets low-brightness multimode diodes produce a single-mode output. It is the basis of essentially all high-power fiber lasers.
Do pump diodes need a TEC?
It depends on wavelength. A stabilized or 915 nm pump often runs on passive conduction cooling with a specified case temperature. An unstabilized 976 nm pump into ytterbium generally needs active temperature control to stay on the absorption peak.
Spezifizierung der Pumpe zusammen mit der Faser
Pump wavelength, pump brightness, cladding diameter, and fiber length are one coupled decision. Settling them independently is how programs end up with a combiner that runs hot and an efficiency figure nobody can explain.
Send us your gain fiber, output requirement, and thermal envelope, and our engineers will work through the pump options with you — including whether stabilization earns its cost on your platform, and what the wavelength-versus-temperature data needs to show for your absorption budget to close.