DE102012219977B4 - Mit nichtlinear erzeugtem Licht gepumpte oder angeregte optische Verstärkungseinrichtung - Google Patents

Mit nichtlinear erzeugtem Licht gepumpte oder angeregte optische Verstärkungseinrichtung Download PDF

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Abstract

Optische Vorrichtung, die umfasst eine optische Quelle (2, 202, 502), die umfasst:eine Pumpquelle (48, 348, 448, 548, 648), die ausgebildet ist, um Pumplichtpulse zu erzeugen, die zum Pumpen eines Vierwellenmischprozesses (FWM-Prozesses) mit Lichtpulsen geeignet sind („FWM-Pumplicht“);ein FWM-Element (28, 228, 328, 428, 528, 628A, 628B), das mit der Pumpquelle (48, 348, 448, 548, 648) in optischer Verbindung steht und ausgebildet ist, um den FWM-Prozess aufzunehmen, um in Ansprechen auf das FWM-Pumplicht Pulse eines FWM-Signallichts und eines FWM-Idlerlichts zu erzeugen, die unterschiedliche Wellenlängen aufweisen; und eine optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658), die ein Verstärkungsmaterial umfasst und ausgebildet ist, um eine optische Verstärkung bei einer Verstärkungswellenlänge mittels eines Prozesses der stimulierten Emission in Ansprechen auf ein optisches Pumpen mit Pumplicht zu liefern, wobei die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) die FWM-Signallichtpulse oder die FWM-Idlerlichtpulse als Pumplicht oder als Eingangssignallicht mit einer Verstärkungswellenlänge empfängt, um die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) optisch zu pumpen oder mit dem Eingangssignallicht anzuregen, wobei - wenn die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) die FWM-Signallichtpulse oder die FWM-Idlerlichtpulse als Eingangssignallicht mit der Verstärkungswellenlänge empfängt - das FWM-Element (28, 228, 328, 428, 528, 628A, 628B) eine optische Faser mit nur einem Kern zur Aufnahme des FWM-Prozesses umfasst.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft optische Verstärkungseinrichtungen und insbesondere auf optischen Fasern basierende, gepulste optische Verstärkungseinrichtungen sowie Verfahren zum Herstellung und Verwenden optischer Verstärkungseinrichtungen, wie beispielsweise faserbasierte gepulste Verstärker und Laser.
  • Faserbasierte Laser und Verstärker können als „Helligkeitswandler“ wirken, die Pumplicht mit hoher Leistung und geringer Helligkeit in kohärentes Ausgangslicht mit hoher Helligkeit umwandeln. Das Erreichen hoher Ausgangsleistungen - der Schlüssel für faserbasierte Einrichtungen, um noch wettbewerbsfähiger gegenüber herkömmlichen Gas- und Festkörperlasern zu werden - bedeutet typischerweise, dass hohe Pumpleistungen an den dotierten Kern (der typischerweise mit einer seltenen Erde dotiert ist) der aktiven Faser des faserbasierten Lasers oder Verstärkers geliefert werden. Pumpdioden oder Diodenmodule mit höherer Leistung weisen eine Ausgabe mehrerer Moden (MM-Ausgabe) auf, der eine ausreichende Strahlqualität fehlt, um an den Kern mit kleiner Fläche einer typischen optischen Faser leicht direkt anzukoppeln. Pumpdioden mit einer einzigen Mode (SM-Pumpdioden) weisen eine bessere Strahlqualität auf und können direkt ankoppeln, sie weisen jedoch typischerweise eine zu geringe Ausgangsleistung auf.
  • Eine Doppelmantelfaser (DC-Faser) weist einen größeren inneren Mantel („Pumpmantel“), der den kleineren aktiven Kern umgibt, und einen zweiten Mantel um den inneren Mantel herum auf. MM-Pumpdioden können an die größere Fläche des inneren Mantels/Kerns ankoppeln, und das Pumplicht wird durch das aktive Material in dem Kern absorbiert, wenn sich das Licht in dem inneren Mantel ausbreitet. Die Absorption des Pumplichts (die typischerweise in dB/Meter gemessen wird) ist im Vergleich zum Pumpen im Kern signifikant verringert, und dadurch wird die Länge der Verstärkungsfaser erhöht, um für eine erforderliche gesamte Absorption zu sorgen. Für viele Einrichtungen, wie beispielsweise Einrichtungen mit Dauerstrich (CW-Einrichtungen), ist die erhöhte Länge ein geringer Preis, der für die erhöhte Ausgangsleistung zu zahlen ist, und die DC-Faser stellte einen Schlüsselfortschritt dar.
  • Eine erhöhte Ausgangsleistung (z.B. eines oder mehrere von einer mittleren Leistung, einer Spitzen-Pulsleistung oder einer Pulsenergie) von gepulsten Lasern und Verstärkern ist ebenso von hohem Interesse. Solche Einrichtungen sind jedoch komplexer, und das Erreichen einer erhöhten Ausgangsleistung ist problematischer, insbesondere wenn die Pulsdauer abnimmt. Gepulste Einrichtungen und auch CW-Laser und -Verstärker könnten von Verbesserungen profitieren.
  • DE 103 22 110 A1 offenbart eine optische Vorrichtung mit einer optischen Quelle, wie etwa einem Diodenlaser mit einem Verstärker, welche Pumpimpulse in eine Mehrkern-Photonische-Kristall-Faser (PCF) einstrahlt. Mittels einer entarteten Vierwellenmischung wird in jedem Wellenleiter der Mehrkern-PCF Strahlung mit einer definierten diskreten Idler-Wellenlänge erzeugt. Wegen der unterschiedlichen effektiven Brechzahl der einzelnen Wellenleiter entstehen Mehrwellensignale. Mittels eines Nachverstärkers, wie etwa eines Erbium-dotierten Faserverstärkers, kann die Leistung bei Bedarf in jedem Kanal verstärkt werden.
  • US 2003/0016437 A1 beschreibt einen Raman-Verstärker, der bidirektional gepumpt wird.
  • JP 2004-139064 A offenbart eine optische Vorrichtung, bei welcher ein optisches Signal längs einer Übertragungsstrecke propagiert. Über einen Multiplexer wird mittels eines Vier-Wellen-Mischvorgangs generiertes Licht in die Übertragungsstrecke eingekoppelt. Das optische Signal wird in der Übertragungsstrecke mittels eines Raman-Verstärkungsprozesses verstärkt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte optische Vorrichtung bzw. eine verbesserte optische Quelle bzw. ein verbessertes Verfahren zum Pumpen oder Anregen einer Laser- oder Verstärkereinrichtung bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird durch eine optische Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch eine optische Quelle mit den Merkmalen des Anspruchs 31 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 24 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Unter Berücksichtigung des Vorstehenden haben die Anmelder Verbesserungen entdeckt, die für Laser- und optische Verstärkungseinrichtungen mit höherer Ausgangsleistung sorgen können, einschließlich beispielsweise von Verfahren und Vorrichtungen für ein effektiveres Pumpen mit hoher Absorption, das kürzere Längen einer Verstärkungsfaser ermöglichen kann, wie es nachstehend detaillierter diskutiert wird. Die kürzeren Längen können höhere Schwellenwerte für das Einsetzen einer schädlichen Nichtlinearität aufweisen und dadurch eine höhere Ausgangsleistung ermöglichen. Wie ebenso nachstehend offensichtlich werden wird, sind ebenso andere Lehren vorgesehen, einschließlich beispielsweise von Verfahren und Vorrichtungen, die auf verbesserte Anregungsquellen und Quellen mit geringerer Bandbreite gerichtet sind. Allgemein werden die Lehren hierin als nützlich für andere Laser- und optische Verstärkungseinrichtungen als gepulste Fasereinrichtungen und bezüglich der Fasereinrichtungen sowohl für im Kern gepumpte als auch im Mantel gepumpte Anwendungen angesehen.
  • Dementsprechend lehrt die Offenbarung gemäß einem ersten Aspekt eine optische Vorrichtung mit einer optischen Quelle, um Ausgangslicht zum Bereitstellen von Eingangssignallicht oder Pumplicht zu liefern. Die optische Quelle kann eine Pumpquelle, die zum Pumpen eines Vierwellenmischprozesses (FWM-Prozesses) mit Lichtpulsen („FWM-Pumplicht“) ausgebildet ist und ein FWM-Element in einer optischen Verbindung mit der Pumpquelle umfassen, wobei das FWM-Element ausgebildet ist, um den FWM-Prozess aufzunehmen, um in Ansprechen auf das FWM-Pumplicht Pulse eines FWM-Signallichts und eines FWM-Idlerlichts zu erzeugen, wobei das FWM-Signallicht und das FWM-Idlerlicht unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. Die optische Vorrichtung kann ferner eine Laser- oder eine optische Verstärkungseinrichtung aufweisen, die ein Verstärkungsmaterial umfasst, um eine optische Verstärkung bei einer Verstärkungswellenlänge mittels eines Prozesses der stimulierten Emission in Ansprechen auf ein optisches Pumpen mit Pumplicht zu liefern, wobei die optische Verstärkungseinrichtung ausgebildet ist, um eines von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht als Pumplicht oder als Eingangssignallicht, das eine Verstärkungswellenlänge aufweist, zu empfangen, um die optische Verstärkungseinrichtung optisch zu pumpen oder mit dem Eingangssignallicht anzuregen, wobei - wenn die optische Verstärkungseinrichtung das FWM-Signallicht oder das FWM-Idlerlicht als Eingangssignallicht mit der Verstärkungswellenlänge empfängt - das FMW-Element eine optische Faser mit nur einem Kern zur Aufnahme des FWM-Prozesses umfasst.
  • Das Verstärkungsmaterial kann ein mit einer seltenen Erde dotiertes Material (RED-Material) umfassen. Die optische Verstärkungseinrichtung kann eine optische Faser umfassen, wobei die optische Faser das Verstärkungsmaterial umfasst. Das FWM-Element kann eine mikrostrukturierte optische Faser umfassen. Die optische Verstärkungseinrichtung kann sowohl das FWM-Signallicht als auch das FWM-Idlerlicht empfangen, wobei eines als Pumplicht und das andere als Eingangssignallicht empfangen wird, um die optische Verstärkungseinrichtung sowohl optisch zu pumpen als auch mit dem Eingangssignallicht anzuregen. Die Pumpquelle kann ein ausgewähltes RED-Material umfassen, das eine seltene Erde umfasst, die in dem RED-Material enthalten ist. Das RED-Material kann eines oder mehrere von Holmium, Neodym, Erbium, Ytterbium oder Thulium umfassen.
  • Die optische Verstärkungseinrichtung kann das eine von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht als das Pumplicht zum optischen Pumpen der optischen Verstärkungseinrichtung empfangen. Die optische Verstärkungseinrichtung kann das eine von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht als Eingangssignallicht empfangen, das die Verstärkungswellenlänge aufweist, um die optische Verstärkungseinrichtung anzuregen. Das eine von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht kann im Wesentlichen aus einer einzigen Mode bestehen und bei verschiedenen Ausführungsformen einen mittlere Leistung von zumindest 2 W, zumindest 5 W oder zumindest 10 W aufweisen. Die optische Verstärkungseinrichtung kann eine optische Verstärkungsfaser umfassen, die mit dem einen von dem FWM-Idlerlicht und dem FWM-Signallicht im Wesentlichen im Kern gepumpt wird.
  • Die optische Verstärkungseinrichtung kann sowohl Pumplicht als auch Eingangssignallicht empfangen, das eine Verstärkungswellenlänge aufweist, und die optische Vorrichtung kann ausgebildet sein, um die Zeitdauer oder die Repetitionsrate des Eingangssignallichts oder des Pumplichts derart zu ändern, dass das Pumplicht und das Eingangssignallicht, die durch die optische Verstärkungseinrichtung empfangen werden, unterschiedliche Repetitionsraten oder unterschiedliche Zeitdauern aufweisen. Die optische Vorrichtung kann ausgebildet sein, um die Zeitdauer des Eingangssignallichts oder des Pumplichts zu verändern. Die optische Vorrichtung kann ausgebildet sein, um die Repetitionsrate des Eingangssignallichts oder des Pumplichts zu verändern.
  • Die optische Vorrichtung kann ausgebildet sein, um einen Teil des FWM-Pumplichts als Eingangssignallicht, das eine Verstärkungswellenlänge aufweist, an die optische Verstärkungseinrichtung zu liefern, um die optische Verstärkungseinrichtung anzuregen. Die optische Verstärkungseinrichtung kann Eingangssignallicht, das eine Verstärkungswellenlänge aufweist, oder Pumplicht aus einer anderen Quelle als das FWM-Signallicht und das FWM-Idlerlicht empfangen. Die optische Vorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass die optische Verstärkungseinrichtung Eingangssignallicht empfängt, das eine Verstärkungswellenlänge aufweist, und die optische Vorrichtung kann einen Pulspicker umfassen, um die Repetitionsrate des Eingangssignallichts vor dessen Lieferung an die optische Verstärkungseinrichtung zu verringern.
  • Die optische Verstärkungseinrichtung kann einen optischen Verstärker zum Empfangen des PWM-Pulslichts oder des PWM-Idlerlichts umfassen, damit dieser mit Pumplicht optisch gepumpt oder mit Eingangssignallicht angeregt wird oder beides, wobei der optische Verstärker eine optische Faser umfasst, die das Verstärkungsmaterial (z.B. ein RED-Material) zum Liefern der optischen Verstärkung umfasst. Der optische Verstärker kann im Wesentlichen Pulse einer einzigen Mode erzeugen, die eine zeitliche Pulsweite von nicht mehr als 100 ps, eine Pulsenergie von zumindest 50 Mikrojoule und eine Wellenlänge in dem Bereich von 900 bis 2500 nm aufweisen. Der optische Verstärker kann im Wesentlichen Pulse einer einzigen Mode erzeugen, die eine Spitzenleistung von zumindest 200 kW aufweisen, und die Länge der optischen Faser, entlang derer die Faser die Verstärkung aufweist, beträgt bei einer Ausführungsform nicht mehr als 1 Meter. Der Verstärker kann das FWM-Signallicht oder das FWM-Idlerlicht als Pumplicht im Wesentlichen einer einzigen Mode empfangen, wobei die optische Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass die optische Faser das Pumplicht entlang zumindest eines Teils ihrer Länge mit einer Rate von zumindest 5 dB pro Meter absorbiert. Der Verstärker kann das FWM-Signallicht oder das FWM-Idlerlicht als Pumplicht empfangen, wobei die optische Faser im Wesentlichen im Kern mit dem Pumplicht gepumpt wird. Der Verstärker kann das FWM-Signallicht oder das FWM-Idlerlicht als Pumplicht empfangen, und die optische Vorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass die optische Faser zumindest 10 dB des Pumplichts über eine Länge nicht mehr als 50 cm absorbiert.
  • Die optische Vorrichtung kann ein zweites FWM-Element umfassen, wobei das zweite FWM-Element ausgebildet ist, um einen zweiten FWM-Prozess aufzunehmen, der ein zweites FWM-Signallicht und ein zweites FWM-Idlerlicht erzeugt, und wobei die optische Verstärkungseinrichtung das zweite FWM-Signallicht oder das zweite FWM-Idlerlicht als Pumplicht oder als Eingangssignallicht, das eine Verstärkungswellenlänge aufweist, empfängt, um die optische Verstärkungseinrichtung optisch zu pumpen oder mit dem Eingangssignallicht anzuregen.
  • Die optische Vorrichtung kann Ausgangspulse mit einer Zeitdauer von 1 ns oder weniger liefern. Die optische Vorrichtung kann Ausgangspulse mit einer Zeitdauer von 200 ps oder weniger liefern. Die optische Vorrichtung kann Ausgangspulse mit einer Zeitdauer von 100 ps oder weniger liefern.
  • Das FWM-Element kann im Wesentlichen aus Glas bestehen.
  • Bezüglich der Ausbildung der optischen Vorrichtung, sodass das Pumplicht und das Eingangssignallicht unterschiedliche Zeitdauern (d.h. unterschiedliche zeitliche Pulsweiten) oder unterschiedliche Repetitionsraten aufweisen, weisen das Pumplicht und das Eingangssignallicht gemäß einer Ausführungsform unterschiedliche Zeitdauern auf (d.h. unterschiedlich zeitliche Pulsweiten); gemäß einer anderen Ausführungsform weisen sie unterschiedliche Repetitionsraten auf; gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen sie sowohl unterschiedliche Zeitdauern als auch unterschiedliche Repetitionsraten auf. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können die Repetitionsraten oder die Zeitdauern oder beides beispielsweise um zumindest 10 %, zumindest 15 %, zumindest 25 % oder zumindest 50 % verschieden sein, wie es durch den Absolutwert der Differenz dividiert durch den kleineren der zwei Werte und durch eine geeignete Umwandlung in Prozentform ermittelt wird. Gemäß anderen Ausführungsformen können die Repetitionsrate, die Zeitdauer oder beides um 100 %, 200 % oder 500 % oder um eine, zwei oder sogar 3 Größenordnungen variieren (beispielsweise durch eine Verringerung der Repetitionsrate in einem optischen Weg von 40 MHz auf 100 KHz, während der andere bei 40 MHz bleibt).
  • Gemäß einem zweiten Aspekt lehrt die vorliegende Offenbarung auch eine eigenständige Pump- und/oder Eingangssignalquelle. Beispielsweise lehrt die Offenbarung eine optische Vorrichtung, die eine optische Quelle umfasst, die ausgebildet ist, um Ausgangslicht zum Bereitstellen von Eingangssignallicht oder Pumplicht zu liefern. Die optische Quelle kann eine Pumpquelle zum Pumpen eines Vierwellenmischprozesses (FWM-Prozesses) mit Lichtpulsen („FWM-Pumplicht“) und ein FWM-Element in einer optischen Verbindung mit der Pumpquelle umfassen, wobei das FWM-Element ausgebildet ist, um den FWM-Prozess aufzunehmen, um in Ansprechen auf das FWM-Pumplicht Pulse eines FWM-Signallichts und eines FWM-Idlerlichts zu erzeugen, die unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. Die optische Quelle kann derart ausgebildet sein, dass das Ausgangslicht das FWM-Signallicht oder das FWM-Idlerlicht als Pumplicht, das eine Pumpwellenlänge aufweist, oder als Eingangssignallicht, das eine Verstärkungswellenlänge aufweist, umfasst, um eine optische Verstärkungseinrichtung, die ein Verstärkungsmaterial zum Liefern einer optischen Verstärkung umfasst, zu pumpen oder mit dem Eingangssignallicht anzuregen, wobei das Verstärkungsmaterial ein Absorptions- und ein Emissionssektrum aufweist, welche die Verstärkungs- und die Pumpwellenlängen definieren, bei welchen das Verstärkungsmaterial in der Einrichtung jeweils ausgebildet ist, um eine optische Verstärkung mittels eines Prozesses der stimulierten Emission in Ansprechen darauf zu liefern, dass es gepumpt wird, wobei - wenn die optische Verstärkungseinrichtung das FWM-Signallicht oder das FWM-Idlerlicht als Eingangssignallicht empfängt - das FMW-Element eine optische Faser mit nur einem Kern zur Aufnahme des FWM-Prozesses umfasst.
  • Das Verstärkungsmaterial kann ein mit einer seltenen Erde dotiertes Material (RED-Material) umfassen, um die optische Verstärkung zu liefern. Das FWM-Element kann eine mikrostrukturiere optische Faser umfassen. Die optische Quelle kann eine optische Ausgangsfaser zum Liefern des Ausgangslichts umfassen, wobei die optische Ausgangsfaser einen Kern mit mehreren Moden mit einer Querschnittsfläche umfasst, die ausgewählt ist, um im Wesentlichen zu der Querschnittsfläche des Pumpmantels einer im Mantel gepumpten optischen Faser (optischen Doppelmantelfaser) zu passen, wie beispielsweise zu einer DC-Faser als Eingang für einen Laser oder Verstärker mit optischer Faser. Die optische Quelle kann eine optische Ausgangsfaser zum Liefern des Ausgangslichts umfassen, wobei die optische Ausgangsfaser einen Kern mit mehreren Moden mit einem Durchmesser von zumindest 50 Mikrometern umfasst, die ausgewählt werden können, um im Wesentlichen zu der Querschnittsfläche des Kerns einer Eingangsfaser eines optischen Faserpumpkombinators zu passen.
  • Das eine von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht kann das Pumplicht umfassen, das die Pumpwellenlänge aufweist, und das andere kann das Eingangssignallicht umfassen, das eine Verstärkungswellenlänge aufweist, wobei das Ausgangslicht sowohl das FWM-Signallicht als auch das FWM-Idlerlicht umfasst, um die optische Verstärkungseinrichtung, die das Verstärkungsmaterial umfasst, sowohl mit dem Pumplicht zu pumpen als auch mit dem Eingangssignallicht anzuregen. Die Pumpquelle kann ein ausgewähltes RED-Material umfassen, das eine seltene Erde umfasst, die in dem RED-Material enthalten ist.
  • Das eine von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht kann ein Pumplicht umfassen, das die Pumpwellenlänge aufweist, um die optische Verstärkungseinrichtung zu pumpen. Das eine von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht kann das Eingangssignallicht umfassen, das eine Verstärkungswellenlänge aufweist, um die Laser- oder Verstärkungseinrichtung mit dem Eingangssignallicht anzuregen.
  • Die vorliegende Offenbarung umfasst auch Verfahren, von denen einige nachstehend im Detail beschrieben werden und von denen andere durch den Fachmann bei einem Studium der Offenbarung hierin bestimmt werden können und die Vorrichtungen und die Systeme betreffen, wobei die Offenbarung des Betriebs oder der Funktionsweise einer Vorrichtung oder eines Systems als Offenbarung zur Unterstützung eines Verfahrens angesehen wird, das Schritte auflistet, die auf den offenbarten Betrieb oder die offenbarte Funktionsweise gerichtet sind.
  • Gemäß einem dritten Aspekt ist ein Verfahren zum Liefern von Ausgangslicht vorgesehen, um eine Laser- oder Verstärkereinrichtung mit Pumplicht zu pumpen oder mit Eingangslicht anzuregen, welche ein Verstärkungsmaterial zum Liefern einer optischen Verstärkung bei einer Verstärkungswellenlänge mittels eines Prozesses der stimulierten Emission in Ansprechen auf das Empfangen von Pumplicht umfasst, um eine Besetzungsinversion zu erzeugen. Das Verfahren kann umfassen, dass ein FWM-Signallicht und/oder ein FWM-Idlerlicht mit einem Vierwellenmischprozess (FWM-Prozess) erzeugt wird, wobei das FWM-Signallicht oder das FWM-Idlerlicht eine Pumpwellenlänge oder eine Verstärkungswellenlänge einer optischen Verstärkungseinrichtung aufweist, die das Verstärkungsmaterial umfasst. Das FWM-Signallicht und das FWM-Idlerlicht können unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. Das Verstärkungsmaterial kann ein Absorptions- und ein Emissionsspektrum aufweisen, welche die Verstärkungs- und die Pumpwellenlängen definieren, bei welchen das Verstärkungsmaterial in der Einrichtung jeweils ausgebildet ist, um eine optische Verstärkung in Ansprechen darauf zu liefern, dass es gepumpt wird.
  • Das Verstärkungsmaterial kann ein mit einer seltenen Erde dotiertes Material (RED-Material) zum Liefern der optischen Verstärkung umfassen.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann eines von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht eine Pumpwellenlänge des Verstärkungsmaterials aufweisen, und das andere kann eine Verstärkungswellenlänge des Verstärkungsmaterials aufweisen. Der Schritt des Erzeugens kann umfassen, dass ein mit einer ausgewählten seltenen Erde dotiertes Material (ausgewähltes RED-Material) gepumpt wird, das eine seltene Erde aufweist, die in dem Verstärkungsmaterial der optischen Verstärkungseinrichtung enthalten ist. Eines von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht kann eine Pumpwellenlänge des Verstärkungsmaterials aufweisen, und der Schritt des Erzeugens kann umfassen, dass ein ausgewähltes RED-Material gepumpt wird, wobei die Pumpwellenlänge auch eine Pumpwellenlänge des ausgewählten RED-Materials ist. Eines von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht kann eine Pumpwellenlänge aufweisen. Eines von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht kann eine Verstärkungswellenlänge aufweisen.
  • Gemäß einem vierten Aspekt lehrt die Offenbarung ein Verfahren zum Pumpen oder Anregen einer Laser- oder Verstärkereinrichtung mit Eingangslicht, welche ein Verstärkungsmaterial umfasst, wobei das Verstärkungsmaterial zum Liefern einer optischen Verstärkung bei einer Verstärkungswellenlänge mittels eines Prozesses der stimulierten Emission in Ansprechen auf ein optisches Pumpen mit Pumplicht dient, das eine Pumpwellenlänge aufweist. Das Verfahren kann umfassen, dass ein FWM-Signallicht und/oder ein FWM-Idlerlicht mit einem Vierwellenmischprozess (FWM-Prozess) erzeugt werden und dass die optische Verstärkungseinrichtung mit einem von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht als Pumplicht gepumpt wird oder dass die optische Verstärkungseinrichtung mit einem von dem FWM-Signallicht oder dem FWM-Idlerlicht als Eingangssignallicht angeregt wird, das eine Verstärkungswellenlänge des Verstärkungsmaterials aufweist, wobei - wenn die optische Verstärkungseinrichtung mit dem FWM-Signallicht oder dem FWM-Idlerlicht als Eingangssignallicht mit der Verstärkungswellenlänge angeregt wird - das FMW-Element eine optische Faser mit nur einem Kern zur Aufnahme des FWM-Prozesses umfasst.
  • Das Verstärkungsmaterial kann ein mit einer seltenen Erde dotiertes Material (RED-Material) umfassen, um die optische Verstärkung zu liefern. Die optische Verstärkungseinrichtung kann mit einem von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht als Pumplicht gepumpt werden. Die optische Verstärkungseinrichtung kann mit einem von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht als Eingangssignallicht angeregt werden, das eine Verstärkungswellenlänge aufweist. Die optische Verstärkungseinrichtung kann mit einem von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht als Eingangssignallicht, das eine Verstärkungswellenlänge aufweist, angeregt werden, und mit dem anderen von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht als Pumplicht gepumpt werden.
  • Bei einer Ausführungsform können die Verfahren umfassen, dass FWM-Pumplicht, das eine FWM-Pumpwellenlänge aufweist, zum Pumpen des FWM-Prozesses erzeugt wird, um das FWM-Signallicht und/oder das FWM-Idlerlicht zu erzeugen; dass die optische Verstärkungseinrichtung mit einem von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht als Pumplicht gepumpt wird; und dass die optische Verstärkungseinrichtung mit Eingangssignallicht, das die FWM-Pumpwellenlänge aufweist, in Ansprechen darauf, dass die optische Verstärkungseinrichtung mit dem einem von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht gepumpt wird, zur Verstärkung angeregt wird.
  • Das Eingangssignallicht kann einen Teil des FWM-Pumplichts umfassen.
  • Eine „optische Verstärkungseinrichtung“, wie dieser Ausdruck hierin verwendet wird, bedeutet eine Lasereinrichtung oder eine Einrichtung mit optischem Verstärker.
  • Der Ausdruck Licht, wie er hierin verwendet wird, ist nicht derart zu verstehen, dass er auf sichtbares Licht beschränkt ist, sondern dass er in dem breiteren Sinn optischer elektromagnetischer Energie verwendet wird.
  • Zeitdauern, wie beispielsweise Pulsweiten, und Bandbreiten, wie sie hierin spezifiziert werden, sind Halbwertszeitdauern (FWHM-Zeitdauern) und Halbwertsbandbreiten (FWHM-Bandbreiten).
  • Ein Verstärkungsmaterial, wie dieser Ausdruck hierin verwendet wird, bedeutet ein Material, das eine optische Verstärkung bei einer Wellenlänge (die hierin als eine „Verstärkungswellenlänge“ bezeichnet wird) in Ansprechen darauf liefert, bei einer anderen Wellenlänge optisch gepumpt zu werden (die hierin als eine „Pumpwellenlänge oder Wellenlänge zum Pumpen“ bezeichnet wird). Die Verstärkungswellenlänge kann die Ausgangswellenlänge eines Laserhohlraums oder ein verstärktes Eingangssignal umfassen, das durch einen optischen Verstärker ausgegeben wird. Das Konzept des optischen Pumpens und der optischen Verstärkung ist jedoch nicht auf einen Laser oder einen Verstärker begrenzt, und der Ausdruck „optische Verstärkungseinrichtung“ (oder Laser- und optische Verstärkungseinrichtung) wird hierin verwendet, um die breitere Klasse von Einrichtungen zu umfassen, die eine optische Verstärkung in Ansprechen auf ein optisches Pumpen aufweisen. Typischerweise wird die optische Verstärkung mittels eines Prozesses der stimulierten Emission in Ansprechen auf eine Besetzungsinversion erzeugt, die durch das optische Pumpen hervorgerufen wird.
  • Ein Verstärkungsmaterial kann ein RED-Material umfassen. Das RED-Material, wie dieser Ausdruck hierin verwendet wird, bedeutet ein Material, das eine oder mehrere der seltenen Erden (typischerweise als Ionen) umfasst, wie beispielsweise eines oder mehrere der Lanthanoid-Elemente des Periodensystems (z.B. Elemente mit Kernladungszahlen von 57 bis 71). Erbium (Er), Neodym (Nd), Holmium (Ho), Thulium (Tm) und Ytterbium (Yb) werden alle als RED-Materialien angesehen, die insbesondere bei optischen Verstärkungseinrichtungen verwendbar sind, wie beispielsweise bei optischen Lasern, Verstärkern, Quellen für eine verstärkte spontane Emission (ASE-Quellen) oder Superfluoreszenzquellen. Er/Yb ist ein Beispiel eines verwendbaren RED-Materials, das mehr als eine seltene Erde umfasst. Ein Verstärkungsmaterial muss jedoch nicht notwendigerweise ein RED-Material umfassen. Beispielsweise kann ein Verstärkungsmaterial Ti-Saphir umfassen, das in vielen Festkörperlasern verwendet wird.
  • Das FWM-Signallicht oder das FWM-Idlerlicht können hauptsächlich aus dem FWM-Prozess abgeleitet werden, was bedeutet, dass zumindest der größte Teil der optischen Leistung des FWM-Signallichts oder des FWM-Idlerlichts durch den FWM-Prozess erzeugt wird. Typischerweise weisen das FWM-Signallicht und/oder das FWM-Idlerlicht eine Bandbreite von nicht mehr als 50 nm auf.
  • Die vorstehenden Merkmale können mit beliebigen der weiteren Merkmale in beliebigen der Aspekte, Ausübungen oder Ausführungsformen der hierin beschriebenen Offenbarung kombiniert werden, außer dort, wo sie sich klar gegenseitig ausschließen oder wo hierin explizit eine Angabe gemacht wird, dass eine solche Kombination nicht ausführbar ist. Um eine ungeeignete Wiederholung und Länge der Offenbarung zu vermeiden, wird nicht jede mögliche Kombination explizit beschrieben. Wie Fachleute verstehen können, können die Verfahren der vorliegenden Offenbarung beliebige der Merkmale oder Schritte umfassen, die sich auf deren Funktion oder Betrieb beziehen, welche hierin in Verbindung mit der Beschreibung von Vorrichtungen und Systemen offenbart sind.
  • Somit haben die Anmelder die vorstehenden Verbesserungen teilweise anhand ihrer Ermittlung ausgeführt, dass es ein Problem damit gab, höhere Leistungen von Laser- und optischen Verstärkungseinrichtungen abzuziehen, insbesondere bei gepulsten optischen Faserverstärkern, wie beispielsweise solchen, die auf einem aktiven Material mit einer seltenen Erde basieren (z.B. Ytterbium (Yb)) und Subnanosekundenpulse liefern (von 1 ns oder weniger).
  • Die Anmelder haben erkannt, dass gepulste Faserlaser und Faserverstärker hohe Spitzenleistungen aufweisen, die Nichtlinearitäten auslösen können, welche die verwendbare Ausgangsleistung begrenzen. Solche Nichtlinearitäten können eine Selbstphasenmodulation (SPM), eine stimulierte Raman-Streuung (SRS) oder eine stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) umfassen. Die Größen all dieser nichtlinearen Effekte skalieren entweder linear (für die SPM) oder exponentiell (für die SRS und die SBS) in Proportion zur Faserlänge und zur Pulsleistung und in einer umgekehrten Proportion zu der Modenfläche der sich ausbreitenden Mode. Bei der Wirkung wird oft eine Wechselwirkungslänge mit diesen schädlichen nichtlinearen Phänomenen in Beziehung gesetzt, was bedeutet, dass entweder der Schwellenwert für das Einsetzen eine Funktion der Länge der Verstärkungsfaser ist (und für kürzere Wellenlängen höher ist) und/oder dass die Energiemenge, die an nichtlineare Effekte verloren geht, für die kürzeren Längen der Verstärkungsfaser unterhalb eines akzeptierbaren Betrags bleibt. DC-Faserkonstruktionen, die eine verringerte Absorption pro Längeneinheit aufweisen und dadurch eine erhöhte Länge erfordern, um ein Ziel für die Gesamtabsorption zu erfüllen, können eine weniger wünschenswerte Option für einen gepulsten Faserverstärker sein, insbesondere für Subnanosekundenpulse (da kürzere Pulse typischerweise höhere Spitzenleistungen aufweisen). Der Vorteil der Ankopplung der höheren MM-Pumpleistung kann durch den verringerten nichtlinearen Schwellenwert abgeschwächt werden - die höhere Pumpleistung kann nicht vollständig in verwendbare Ausgangsleistung umgewandelt werden.
  • Es wurde ferner erkannt, dass SM-Pumpdioden eine Verstärkungsfaser für eine hohe Absorption im Kern pumpen können, sie weisen aber oft eine nicht ausreichende Leistung auf. Einige CW-Faserlaser weisen eine hohe Leistung auf, und im Prinzip kann eine Fasereinrichtung durch einen anderen Faserlaser im Kern gepumpt werden. Der Bereich der Faserlaser-Ausgangswellenlängen ist jedoch klein und fällt typischerweise nicht in die enge Absorptionsbandbreite des Verstärkungsmaterials, das optisch gepumpt werden soll. Beispielsweise sind mit Er dotierte Fasern am häufigsten ausgebildet, um Licht bei 1550 nm zu erzeugen, während Yb typischerweise bei ungefähr 915 nm oder bei ungefähr 980 gepumpt wird. Da die Verstärkungsmaterialien mehrere Absorptionsmaxima aufweisen können, kann ein Faserlaser konstruiert werden, um eine gewünschte Pumpwellenlänge für einen Faserverstärker mit demselben Verstärkungsmaterial zu liefern. Beispielsweise kann ein Yb-Faserlaser konstruiert sein, um Pumpenergie bei 915 nm zu empfangen und eine Ausgabe bei 976 nm zu liefern, was eine geeignete Pumpwellenlänge für einen stromabwärts angeordneten, gepulsten Yb-Faserverstärker ist, der Pulse bei 1060 nm verstärkt. Ein solcher Yb-Faserlaser bei 976 nm erfordert jedoch typischerweise eine komplexe Faserkonstruktion, um ein Lasern bei ungefähr 1 Mikrometer zu unterdrücken, und er ist ferner aufgrund der hohen Inversion, die zum Begünstigen einer Ausgabe bei 976 nm erforderlich ist, gegenüber einem Photodarkening empfindlich. Ein solcher Laser kann auch eine geringe Effizienz aufweisen.
  • Dementsprechend können die Erfindungen, die hierin beschrieben und beansprucht sind, vorteilhafterweise verbesserte optische Verstärkungseinrichtungen schaffen.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
    • 1A gemäß der vorliegenden Offenbarung eine optische Vorrichtung schematisch darstellt, die ausgebildet ist, um Pumplicht und/oder Eingangssignallicht unter Verwendung eines Vierwellenmischprozesses (FWM-Prozesses) zu liefern;
    • 1B eine Kurve eines Absorptionsspektrums für ein Beispiel einer optischen Faser schematisch darstellt, die mit Ytterbium (Yb) dotiert ist;
    • 2 gemäß der vorliegenden Offenbarung eine optische Vorrichtung schematisch darstellt, die einen optischen Verstärker aufweist, der durch eine optische Vorrichtung, wie beispielsweise diejenige von 1, gepumpt und/oder mit Eingangssignallicht angeregt wird;
    • 3 gemäß der vorliegenden Offenbarung eine optische Vorrichtung schematisch darstellt, die einen optischen Verstärker und eine Pumpquelle für den optischen Verstärker aufweist, welche eine gemeinsame Anregungsquelle teilen;
    • 4 gemäß der vorliegenden Offenbarung eine optische Vorrichtung schematisch darstellt, die einen optischen Verstärker, eine Pumpquelle und eine Anregungsquelle aufweist, wie beispielsweise die optische Vorrichtung von 3, und die ebenso einen Modulator und/oder Verstärker aufweist, die zwischen die Anregungsquelle und den Verstärker optisch dazwischengeschaltet sind;
    • 5A gemäß der vorliegenden Offenbarung eine optische Vorrichtung schematisch darstellt, die ausgebildet ist, um Pumplicht und Eingangssignallicht für einen Verstärker zu liefern;
    • 5B ein Beispiel einer Kurve eines Absorptionsspektrums für ein Beispiel einer optischen Faser darstellt, die mit Holmium dotiert ist;
    • 5C ein Beispiel einer Kurve eines Lumineszenzspektrums für Holmiumionen in Siliziumdioxidglas darstellt;
    • 6A gemäß der vorliegenden Offenbarung ein weiteres Beispiel einer optischen Vorrichtung schematisch darstellt, die ausgebildet ist, um Pumplicht und Eingangssignallicht für einen Verstärker zu liefern; und
    • 6B und 6C jeweils Kurven eines Absorptions- und eines Lumineszenzspektrums für ein Beispiel einer optischen Faser schematisch darstellen, die mit Thulium dotiert ist.
  • Es ist nicht jede Komponente in jeder der vorstehenden Figuren bezeichnet, noch ist jede Komponente jeder Ausführungsform der Erfindung gezeigt, wo eine Darstellung nicht als notwendig angesehen wird, um Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung zu verstehen. Die Figuren sind schematisch und nicht notwendigerweise skaliert.
  • Wenn sie in Verbindung mit den vorstehenden Figuren betrachtet wird, werden weitere Merkmale der Erfindung anhand der nachstehenden ausführlichen Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich werden.
  • 1A stellt schematisch eine Ausführungsform einer optischen Vorrichtung 2 zum Liefern von Ausgangslicht dar, um eine optische Verstärkungseinrichtung zu pumpen und/oder mit Eingangssignallicht anzuregen. Die optische Vorrichtung 2 kann einen Oszillator 10 umfassen, der einen Modengekoppelten Faseroszillator 12 mit niedriger Leistung umfassen kann. Der Faseroszillator 12 kann bei einer Pulsrepetitionsrate von ungefähr 40 MHz und bei einer Wellenlänge von ungefähr 1064 nm arbeiten, um Pulse mit einer Dauer von ungefähr 20 ps mit einer mittleren Leistung von ungefähr 2 mW zu liefern. Der Verstärker 14, der einen als ein „Vorverstärker“ wirkenden Faserverstärker umfassen kann, steht mit dem Oszillator 10 in optischer Verbindung und liefert eine verstärkte Ausgabe von ungefähr 100 mW. Die optischen Isolatoren 18 sind stromabwärts und stromaufwärts des Verstärkers 14 dazwischengeschaltet, um eine Isolierung zwischen dem Oszillator 10 und zwischen Verstärkerstufen zu liefern, wie es in der Technik üblich ist. Der Verstärker 19, der einen mit Yb dotierten Doppelmantel-Faserverstärker 20 umfassen kann, der mit Multimoden-Diodenlasern 24 mit hoher Helligkeit gepumpt wird, steht mit dem Verstärker 14 in optischer Verbindung und liefert eine weitere Verstärkung für eine Ausgabe von 10 Watt mittlerer Leistung (bei einer Spitzenleistung von 12,5 kW).
  • Die verstärkten Pulse mit hoher Spitzenleistung bei der Pumpwellenlänge von 1064 nm werden stromabwärts des Verstärkers 20 in ein nichtlineares Element 28 eingespeist. Das nichtlineare Element 28 ist ausgebildet, um mittels eines ausgewählten nichtlinearen Prozesses optische Energie bei einer Wellenlänge oder bei Wellenlängen zu erzeugen, die geeignet sind, um eine stromabwärts angeordnete optische Verstärker- oder Lasereinrichtung (die in den nachfolgenden Figuren gezeigt ist) mit einem Eingangssignal anzuregen und/oder zu pumpen. Beispielsweise könnte das nichtlineare optische Element 28 in Ansprechen darauf, dass es Pumplicht bei 1064 nm empfängt, Licht bei 976 Nm erzeugen, was eine geeignete Wellenlänge zum Pumpen eines stromabwärts angeordneten, mit Yb dotierten Verstärkers oder Lasers ist. Die Ausgabe der optischen Vorrichtung 2 bei 976 nm kann einige wenige Moden oder im Wesentlichen eine einzige Mode aufweisen, um effektiver an das Yb des stromabwärts angeordneten Verstärkers anzukoppeln, wodurch in dem Verstärker eine höhere Absorption pro Längeneinheit und dadurch kürzere Längen der Verstärkungsfaser ermöglicht werden und Ausgaben mit höherer Leistung vor dem Einsetzen begrenzender nichtlinearer Effekte geliefert werden, wie beispielsweise der SRS.
  • Die optische Vorrichtung kann eine Ausgangsoptik 32 aufweisen, die eine oder mehrere Linsen umfassen kann, um das Ausgangslicht von der optischen Vorrichtung 2 zu kollimieren oder zu fokussieren. Die optische Vorrichtung kann alternativ oder zusätzlich zu der Ausgangsoptik 32 eine optische Ausgangsfaser aufweisen, um das Ausgangslicht zu liefern. Die optische Ausgangsfaser kann einen Kern mit mehreren Moden umfassen, der eine ausgewählte Querschnittsfläche aufweist, um im Wesentlichen zu der Querschnittsfläche des Pumpmantels einer im Mantel gepumpten optischen Faser (optischen DC-Faser) (nicht gezeigt) zu passen, wie beispielsweise für ein Pumpen an einem Ende einer auf einer DC-Faser basierten Laser- oder Verstärkereinrichtung. Die optische Ausgangsfaser kann einen Kern mit mehreren Moden mit einem Durchmesser von zumindest 50 Mikrometern umfassen, um beispielsweise an einen Eingangszweig einer optischen Faser eines Pumpkopplers mit optischer Faser anzukoppeln, um an eine optische Verstärkungseinrichtung anzukoppeln. Die optische Eingangsfaser kann im Wesentlichen eine optische SM-Faser umfassen (z.B. mit einem Kerndurchmesser von 10 µm).
  • Bei bestimmten Ausführungsformen, die nachstehend detaillierter beschrieben sind, kann die optische Vorrichtung 2 Ausgangslicht mit einer Wellenlänge liefern, die geeignet ist, um einen stromabwärts angeordneten Verstärker mit Eingangssignallicht anzuregen, das durch den Verstärker verstärkt werden soll. Gemäß anderen Ausführungsformen liefert die optische Vorrichtung 2 Licht mit mehreren Wellenlängen, wobei Licht, das eine der Wellenlängen aufweist, den stromabwärts angeordneten Verstärker pumpt, um dadurch Eingangssignallicht mit einer anderen der Wellenlängen zu verstärken.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das nichtlineare Element 28 ein Vierwellenmischelement (FWM-Element), das zum Mischen von vier Wellen ausgebildet ist, um in Ansprechen auf die optische Energie, die von dem Verstärker 20 als ein FWM-Pumplicht ausgegeben wird, Ausgaben bei einer Signal- und einer Idlerwellenlänge zu erzeugen. FWM ist ein nichtlinearer optischer Prozess, der typischerweise unter Verwendung gepulster Laser und eines nichtlinearen Mediums erzeugt wird. Wenn das nichtlineare Medium bei einer FWM-Pumpwellenlänge (λpump-FWM) gepumpt wird, wird ein Teil der Energie in einen Puls bei einer „Signal“-Wellenlänge (λsignal) und bei einer „Idler“-Wellenlänge (λidler) umgewandelt, wobei λidler > λpump-FWM > λsignal ist.
  • Spezieller ist das FWM ein nichtlinearer Effekt dritter Ordnung (wie die Selbstphasenmodulation und die Kreuzphasenmodulation). Wenn sich ein Pumpsignal mit hoher Intensität mit einer Frequenz λpump-FWM in einem geeigneten Medium ausbreitet, wie beispielsweise in einer geeigneten optischen Glasfaser, induziert dieses eine Modulation des Brechungsindex in dem Glas (eine Kerr-Nichtlinearität), die auch bei zwei phasenabgestimmten Frequenzen λidler und λsignal auftritt. Dies erzeugt wiederum zwei neue Strahlen mit Frequenzen, die durch die Phasenabstimmungsbedingung definiert sind: νidler + νsignal - 2 · νpump-FWM = 0 oder mit umgeformten Termen 2 · νpump-FWM = νidler + νignal · Zwei FWM-Pumpphotonen werden somit in ein Photon bei einer Signalwellenlänge (kurzen Wellenlänge) und ein Photon bei einer Idler-Wellenlänge (langen Wellenlänge) umgewandelt.
  • In Abhängigkeit von der Auswahl von λpump-FWM und der Konstruktion der nichtlinearen Einrichtung kann man die Wellenlängen λidier und λsignal definieren, auswählen und sogar abstimmen. Die Umwandlungseffizienz von dem FWM-Pumppuls zu dem Signal- und Idlerpuls kann höher als 30 % sein, und sie kann durch Anregen des Prozesses mit Energie bei der Signal-, der Pump- oder der Idlerwellenlänge erhöht werden. Das FWM in Volumen- und Fasereinrichtungen ist in der Technik bekannt und an anderer Stelle im Detail beschrieben - siehe beispielsweise die PCT-Anmeldung PCT/ GB2011 / 050106 des Anmelders.
  • Bei der in 1A gezeigten Ausführungsform kann das nichtlineare Element 28 eine mikrostrukturierte Siliziumdioxidfaser umfassen (die hierin auch als eine photonische Kristallfaser oder als „PCF“ bezeichnet wird).
  • Mikrostrukturierte Fasern umfassen sich in Längsrichtung erstreckende Merkmale (typischerweise Leerstellen oder Löcher), die eine Führung in dem Kern mittels einer inneren Totalreflexion oder mittels eines photonischen Bandlückeneffekts bewirken. Das FWM in mikrostrukturierten optischen Fasern wurde durch Wadsworth et al, „Supercontinuum generation and four-wave mixing with Q-switched pulses in endlessly single-mode photonic crystal fibers“, Optics Express, Vol. 12, Nr. 2, 2004, demonstriert.
  • Wie es dem Fachmann wohlbekannt ist, hängt die FWM-Energieerhaltungsbedingung von den effektiven Indizes jeder Komponente ab, und eine Phasenabstimmung kann in einer Faser mit einer einzigen Mode erhalten werden, indem geeignete Dispersionseigenschaften ausgewählt werden. Die Dispersion von mikrostrukturierten Fasern kann gesteuert werden, indem die Lochgröße, die Separation (der Abstand) von Loch zu Loch und der Modenfelddurchmesser der Faser gesteuert werden. Die Dispersion einer mikrostrukturierten Faser kann unter Verwendung des empirischen Verfahrens berechnet werden, das durch Saitoh et al., Empirical relations for simple design of photonic crystal fibers, Optics Express Vol. 13, S. 267-275, 2005, dargelegt ist. Basierend auf dieser Berechnung und der Erfüllung der Phasenabstimmungsbedingung können die Signal- und die Idlerfrequenz berechnet werden, die durch eine gegebene mikrostrukturierte Faser erzeugt werden, wenn diese bei einer definierten Pumpwellenlänge gepumpt wird. Es ist einzusehen, dass es einen Bereich von Faserkonstruktionen gibt, die in der Lage sind, eine erforderliche Signal- oder Idlerwellenlänge zu liefern.
  • Bei der Ausführungsform von 1A kann die PCF des nichtlinearen Elements 28 einen Lochzwischenraum (Lochabstand) von 3,1 µm und ein Verhältnis des Lochdurchmessers zum Abstand von ungefähr 0,31 aufweisen, was eine Nulldispersionswellenlänge von ungefähr 1068 nm ergibt. Unter Bezugnahme auf die Einfügung von 1 wird in der PCF des nichtlinearen Elements 28 ein Teil der Energie bei der FWM-Pumpwellenlänge 40 mittels des FWM in Signal- und Idlerpulse umgewandelt, wobei der FWM-Signalpuls eine Signalwellenlänge 36 aufweist, die bei ungefähr 940 nm zentriert ist, und der Idlerpuls bei einer Idlerwellenlänge 44 bei ungefähr 1230 nm zentriert ist. Die Umwandlungseffizienz kann unter Berücksichtigung der Umwandlung von der Pumpwellenlänge sowohl in die Signalwellenlänge als auch in die Idlerwellenlänge zumindest 15 %, zumindest 20 %, zumindest 25 % oder zumindest 30 % betragen. Die Effizienz des Umwandlungsprozesses von den Pumppulsen in die Idlerpulse oder in die Signalpulse (z.B. in das Signal) kann so hoch sein wie zumindest 15 %, zumindest 20 %, zumindest 25 % oder zumindest 30 %. Die höheren Effizienzen können leichter erreicht werden, indem der FWM-Prozess der Vorrichtung von 1 angeregt wird (nicht explizit in 1 gezeigt, aber in 2 gezeigt und in Verbindung mit dieser diskutiert und gleichermaßen auf 1 anwendbar). Bei einem Beispiel der Anregung des FWM-Prozesses kann Laserlicht aus einem schmalen Band (< 0,2 nm) eines Diodenlasers mit geringer Leistung, der bei einer Wellenlänge von ungefähr 940 nm arbeitet (entsprechend der Signalwellenlänge des FWM-Prozesses) in die PCF mittels eines Wellenlängen-Mulitplexers eingespeist werden, um den FWM-Prozess anzuregen.
  • Beispielhaft und ohne Einschränkung wird angemerkt, dass die vorstehend beschriebenen Effizienzen derart zu verstehen sind, dass sie einen Teil der Offenbarung für einen beliebigen der FWM-Prozesse beliebiger der hierin beschriebenen Vorrichtungen oder Verfahren bilden.
  • Gemäß dem vorliegenden Beispiel können mehr als 3 Watt an gepulstem Pumplicht einer einzigen Mode (das Signallicht des FWM-Prozesses) als eine Ausgabe der Vorrichtung 2 an eine optische Faser mit einer einzigen Mode geliefert werden, wobei der optische Verstärker 20 einen im Mantel gepumpten Faserverstärker mit 10 Watt umfasst. Ein Skalieren der FWM-Signalleistung kann durch ein Skalieren der Leistung des Verstärkers 20 und durch ein Modifizieren der Parameter des Oszillators 10 erreicht werden, um eine optimale Effizienz zu erreichen. Kommerzielle Doppelmantelverstärker bei 1064 nm können mehr als 40 Watt mittlere Leistung liefern, wodurch ermöglicht wird, dass mehr als 10 Watt bei der FWM-Signalwellenlänge geliefert werden, die geeignet sind, um eine Laser- oder Verstärkungseinrichtung mit im Wesentlichen einer einzigen Mode zu pumpen (oder mit einem Eingangssignal anzuregen).
  • Für eine weitere Bezugnahme wird angemerkt, dass es für einige Zwecke hilfreich sein kann, sich die optische Vorrichtung 2 derart vorzustellen, dass sie einen Quellenabschnitt 48, der Licht mit niedriger Leistung liefert und der beispielsweise den Oszillator 10 und den Verstärker 14 umfassen kann, und einen nichtlinearen Abschnitt 49 umfasst, der den Verstärker 20 und das nichtlineare Element 28 umfassen kann.
  • 1B stellt eine Messung eines Absorptionsspektrums einer typischen mit Yb dotierten optischen DC-Faser dar. Die Spitzenabsorption ist bei einer Wellenlänge von ungefähr 980 nm zentriert und erstreckt sich abwärts bis 850 nm und aufwärts bis 1050 nm, wo das Absorptionsniveau signifikant geringer sein kann. Typischerweise wird das in 1B gezeigte Yb-Spektrum in dem Bereich von ungefähr 910 nm bis ungefähr 920 nm, in dem Bereich von ungefähr 940 bis ungefähr 960 nm oder in dem Bereich um 976 nm gepumpt, hauptsächlich deshalb, da herkömmliche Dioden bei diesen Wellenlängen verfügbar waren und da die Absorption über diese Bereiche ziemlich flach ist, was die Verstärkerabsorption relativ unempfindlich gegenüber Änderungen in der Ausgangswellenlänge der Pumpdioden beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen macht. Wie es einem Fachmann bewusst ist, erzeugt das Pumpen die Besetzungsinversion für die stimulierte Emission, um die Verstärkung für das Lasern oder die Verstärkung zu liefern. Somit kann die Signalwellenlänge von 940 nm, die durch den nichtlinearen FWM-Prozess der optischen Vorrichtung 2 erzeugt wird, zum Pumpen eines auf Yb basierten Verstärkers oder Lasers verwendet werden.
  • 1B hilft auch dabei, einen Vorteil der optischen Vorrichtung 2 von 1A gegenüber Pumpquellen aus dem Stand der Technik darzustellen, wie beispielsweise MM-Diodenquellen, die DC- oder im Mantel gepumpte Fasereinrichtungen pumpen. Die Absorption bei 976 nm ist von der Größenordnung von 10 dB/m und nimmt bis auf 3 dB/m bei ungefähr 915 nm und 1 dB/m bei ungefähr 870 nm ab. Der innere oder Pumpmanteldurchmesser der Faser beträgt ungefähr 125 µm, und der Kerndurchmesser beträgt ungefähr 10 µm. Für eine DC-Faser ist die Absorption durch das Flächenverhältnis von Kern zu Mantel verringert (das 102/ 1252 beträgt). Dementsprechend weist eine solche Faser unter einem Pumpen im Kern gemäß der Theorie eine Absorption auf, die um mehr als 150 mal größer als diejenige ist, die in 1A aufgetragen ist oder 150 dB/m bei 870 nm beträgt und bis auf 1500 dB/m bei 976 nm zunimmt. Somit kann ein effektiveres Pumpen der Faser von 1A, wie beispielsweise durch ein Ankoppeln von Pumpenergie direkt an den Kern, eine signifikante Verringerung bezüglich der Länge der Yb-Verstärkungsfaser liefern, die erforderlich ist, um eine gegebene Gesamtabsorption von beispielsweise 10 dB zu erreichen. Die Absorption steht auch mit der Konzentration an Ytterbiumionen in der Yb-Faser in Beziehung, die während der Herstellung gesteuert werden kann. Bei im Kern gepumpten Verstärkern ist es aufgrund der sehr hohen Absorption sowohl möglich als auch attraktiv, die Konzentration der Yb-Ionen zu verringern oder bei einer Wellenlänge zu pumpen, bei der die Absorption etwas geringer ist. Dies kann das Photodarkening verringern oder andere Vorteile aufweisen.
  • Die FWM-Signalwellenlänge und die FWM-Idlerwellenlänge können verändert werden, indem entweder eine andere PCF mit einer anderen Nulldispersionswellenlänge verwendet wird oder indem eine andere Pumpwellenlänge verwendet wird. Beispielsweise ist es möglich, einen Pumppuls mit kürzerer Wellenlänge zu verwenden und Signalpulse bei 808 nm (die zum Pumpen von mit Neodym dotierten optischen Fasern und Volumen-Verstärkergläsern verwendbar sind) oder bei 915 nm zu erzeugen. Es ist auch möglich, einen Pumppuls bei längerer Wellenlänge zu verwenden, um die FWM-Signalwellenlänge in Richtung von 976 nm zu verschieben. Sowohl 915 nm als auch 976 nm sind geeignete Wellenlängen, um mit Ytterbium und Erbium dotierte optische Fasern und Volumenverstärker zu pumpen.
  • Unter Verwendung dieses Ansatzes ist es durch Verändern der Wellenlänge des Pumppulslichts oder der PCF selbst möglich, die FWM-Signalwellenlänge und die FWM-Idlerwellenlänge auszuwählen. Dementsprechend können mehrere FWM-Quellen bei verschiedenen Wellenlängen beispielsweise unter Verwendung einer Kombination eines Wellenlängenmultiplexes (WDM), von dichroitischen Spiegeln oder eines Polarisationsstrahls effektiv miteinander gekoppelt werden. Wie in 1A gezeigt ist, kann Yb beispielsweise in dem Spektralbereich von 910 nm bis 976 nm gepumpt werden. Dieses breite Absorptionsband der Faser ermöglicht die Verwendung mehrerer FWM-Quellen, wobei eine beispielsweise eine Ausgabe (z.B. das FWM-Signallicht) bei 910 nm liefert, eine beispielsweise eine Ausgabe bei 920 nm liefert und vielleicht eine beispielsweise eine Ausgabe bei 940 nm liefert, um effizient in die mit Yb dotierte Faser eingekoppelt zu werden.
  • Der DC-Faserverstärker 20 kann auf eine Weise mit gemeinsamer Ausbreitung gepumpt werden, wobei sich das Pumplicht und das Signallicht in derselben Richtung bewegen und beliebiges nicht absorbiertes Pumplicht von der Pumplaserdiode 24, das mit dem Kern der Verstärkerfaser zur Lieferung der Ausgabe überlappt, verwendet werden kann, um den FWM-Prozess in der PCF des nichtlinearen Elements 28 anzuregen. Hier würde man die Wellenlänge der Pumpdiode 24 derart auswählen, dass diese mit der gewünschten FWM-Ausgangssignalwellenlänge überlappt. Die Verwendung der Anregung ermöglicht ein effizientes FWM und die Erzeugung von Signal- und Idlerpulsen mit relativ klaren und schmalen spektralen Profilen sowie mit zeitlichen und Rauschparametern ähnlich denjenigen des ursprünglichen Pumppulses, der aus dem Oszillator 10 stammt.
  • Wie einem Fachmann bei einem Studium der vorliegenden Offenbarung klar werden wird, kann der Oszillator 10 in 1A und auch in den anderen Figuren und/oder Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine beliebige Quelle sein, und er ist nicht auf den modengekoppelten Faseroszillator 12 beschränkt. Beispielsweise kann der Oszillator 10 eine verstärkungsgeschaltete oder direkt gepulste Laserdiode, einen gütegeschalteten Mikrochiplaser oder einen gepulsten oder modengekoppelten Festkörper-Laseroszillator umfassen. Obgleich in den Beispielen der Offenbarung typischerweise ein einzelner Oszillator 10 gezeigt ist, könnten darüber hinaus mehrere Oszillatoren mit unterschiedlichen Rollen innerhalb des Systems verwendet werden, wie beispielsweise Anregungslaser (Seed-Laser) für das verstärkte System und Anregungs- oder Signallaseroszillatoren zum Erzeugen des FWM-Lichts. Obgleich die verschiedenen Verstärker, die hierin beschrieben sind, typischerweise als Faserverstärker bezeichnet werden, sind auf ähnliche Weise andere Typen von Verstärkern in der Technik bekannt und können verwendet werden. Obgleich eine mikrostrukturierte Faser in 1A als das nichtlineare Element 28 beschrieben ist, kann das nichtlineare Element bei anderen Beispielen ebenso eine herkömmliche optische Faser, einen planaren Wellenleiter, ein Volumen, eine Flüssigkeit oder ein Gasmedium umfassen. Obgleich die hierin dargestellten Ausführungsformen typischerweise einen optischen Faserverstärker zeigen, der eines von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht oder beides empfängt, ist dies darüber hinaus beispielhaft, und allgemeiner kann eine optische Verstärkungseinrichtung den dargestellten Verstärker ersetzen.
  • Bei einer typischen Ausführungsform der Offenbarung ist der FWM-Prozess vorzugsweise nicht von der Erzeugung eines Superkontinuums (SC) begleitet.
  • Dementsprechend wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Quelle von Pump- und/oder Eingangssignalstrahlung geschaffen, um Laser- und optische Verstärkungseinrichtungen zu pumpen und/oder mit einem Eingangssignal anzuregen, wobei die Quelle einen signifikanten Anteil ihrer Energie in einer einzigen TE-Mode (z.B. in der Fundamentalmode) oder in einige wenigen Moden höherer Ordnung enthalten kann, sodass die Leistung effizient mit Faser-, Volumen- und planaren Verstärkungseinrichtungen effizient in kleine Wellenleiter und Strahlen eingekoppelt werden kann. Die Quelle kann Eingangssignallicht und/oder Pumplicht mittels nichtlinearer Prozesse erzeugen, wie beispielsweise mittels eines parametrischen Prozesses wie etwa dem FWM. Es kann eine eigenständige optische Pumpvorrichtung vorgesehen sein, die auf eine flexible Weise einen Bereich von geeigneten Pump- und/oder Anregungs-Laserwellenlängen für einen Bereich verschiedener Verstärkungsmedien für Verstärker oder Laser erzeugen kann.
  • 2 stellt schematisch eine optische Vorrichtung 203 dar, die eine optische Einrichtung umfasst, die durch eine Pump- und/oder Anregungsquelle mittels eines Eingangssignals gepumpt und/oder angeregt wird. Die optische Vorrichtung 203 von 2 weist Merkmale auf, die im Wesentlichen dieselben wie diejenigen der optischen Vorrichtung der anderen Ausführungsformen sind, wie sie in Verbindung mit den verschiedenen Figuren diskutiert werden, wobei die Modifikationen nun beschrieben werden. Ähnliche Bezugszeichen werden für entsprechende Merkmale beibehalten (unter der Bedingung, dass die Bezugszeichen von 2 durch Ziffern mit 200 nummeriert werden, sodass 214 der Ziffer 14 von 1, der Ziffer 314 von 3 usw. entspricht). Entsprechende oder andere Merkmale, die hierin an anderer Stelle detaillierter beschrieben sind, können in Verbindung mit 2 weniger detailliert oder überhaupt nicht beschrieben werden, um dadurch eine unnötige Wiederholung zu vermeiden. Dennoch können die Merkmale ebenso Teil der Ausführungsform von 2 sein, wie beispielsweise dadurch, dass sie Ersetzungen oder Hinzufügungen sind, wobei Kombinationen ausgenommen sind, die sich klar gegenseitig ausschließende Merkmale umfassen.
  • Die optische Vorrichtung 203 kann derart betrachtet werden, dass sie eine optische Quelle aufweist, die durch die gestrichelten Linien 202 angegeben ist und die die optische Vorrichtung 2 von 1A umfassen kann. Die optische Quelle 202 pumpt einen mit einer seltenen Erde dotierten Verstärker (RED-Verstärker) 258, wie beispielsweise einen mit Yb dotierten Verstärker, mit gepulstem Pumplicht bei 940 nm, um ein gepulstes Eingangsanregungssignal zu verstärken, wie beispielsweise ein Anregungssignal bei 1060 nm, das durch die Quelle 243 geliefert wird. Der Kombinator 254 kombiniert das Licht bei 940 nm und 1060 nm, um dieses an den Verstärker 258 zu liefern. Eine optionale Optik 232 kann das Licht konditionieren, das von einer Ausgangsfaser des Verstärkers 258 empfangen wird, um einen geeigneten Ausgangsstrahl zu liefern. Die Quelle 202 kann eine Anregungsquelle 226 umfassen, die bei einer von der Signal-, der Pump- oder der Idlerwellenlänge zum Anregen des FWM-Prozesses betrieben wird. Der Kombinator 230, der einen Wellenlängen-Multiplexkombinator (WDM-Kombinator) umfassen kann, kann die Anregungspulse für den FWM-Prozess mit der Ausgabe des optischen Verstärkers 220 für eine Einspeisung in die PCE des nichtlinearen Elements 228 kombinieren. Bei der Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, kann die Anregungsquelle 226 einen Diodenlaser 226 mit einem schmalen Band (< 0,2 nm) und einer niedrigen Leistung umfassen, der bei einer Wellenlänge von ungefähr 940 nm arbeitet (entsprechend der Signalwellenlänge des FWM-Prozesses).
  • Der RED-Verstärker 258 umfasst typischerweise eine Länge einer mit Yb dotierten optischen Verstärkungsfaser. Der optische Verstärker 258 wird effektiver gepumpt (beispielsweise indem er im Wesentlichen im Kern gepumpt wird), wodurch eine erhöhte Absorption ermöglicht wird. Da auch eine ausreichende Pumpleistung vorhanden ist, kann die Länge der Verstärkungsfaser verringert werden, um einen oder mehrere nichtlineare Schwellenwerte zu erhöhen, während weiterhin eine gute Gesamtabsorption aufrecht erhalten wird. Bei verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung ist die Länge der Verstärkungsfaser nicht länger als 100 cm, nicht länger als 75 cm, nicht länger als 50 cm, nicht länger als 40 cm, nicht länger als 30 cm oder nicht länger als 25 cm. Die Absorption kann bei 2,5 dB/Meter oder bei zumindest 5 dB/Meter oder zumindest bei 10 dB/Meter liegen. Die optische Vorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass die Verstärkungsfaser bei verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung zumindest 5 dB oder zumindest 10 dB an Absorption entlang beispielsweise einer Länge von 50 cm oder entlang einer Länge von 40 cm oder entlang einer Länge von 30 cm oder entlang einer Länge von 25 cm liefern kann. Gemäß einem Beispiel und ohne Einschränkung (wie es einem Fachmann klar sein sollte, der die vollständige Offenbarung kennt) bilden die vorstehenden Angaben bezüglich der Längen und Absorptionen einen Teil der Offenbarung für eine beliebige optische Verstärkungseinrichtung, wie sie hierin offenbart ist und wie sie eine Pump- oder Eingangsanregungsenergie empfängt, die durch einen nichtlinearen Prozess wie etwa das FWM erzeugt wird.
  • Die optische Vorrichtung 203 von 2 kann einen Filter aufweisen, um unerwünschte Wellenlängen zu dämpfen. Der Filter kann beispielsweise stromaufwärts des Verstärkers 258 und stromabwärts der optischen Quelle 202 angeordnet sein (oder zumindest stromabwärts des nichtlinearen Elements 228), um die unerwünschten Wellenlängen zu dämpfen. Eine Wellenlänge kann unerwünscht sein, da es nicht erwünscht ist, dass diese durch den Verstärker 258 verstärkt wird; beispielsweise kann es nicht erwünscht sein, dass eine oder mehrere von der FWM-Signalwellenlänge, der FWM-Idlerwellenlänge oder den restlichen FWM-Pumpwellenlängen verstärkt werden. Ein Filter 350 ist in 3 gezeigt und kann in die Vorrichtung 203 von 2 eingebunden werden, um unerwünschte Wellenlängen zu dämpfen, wie es in der Diskussion von 3 beschrieben ist.
  • Der Abschnitt 202 der optischen Quelle kann verwendet werden, um Pumpenergie bei einer Pumplaserwellenlänge zu erzeugen, wie vorstehend beschrieben ist, er kann jedoch gleichermaßen als eine Anregungslaserquelle verwendbar sein, die Licht bei einer Wellenlänge zum Anregen der optischen Verstärkungseinrichtung mit Eingangssignallicht liefert, wie beispielsweise zur Verstärkung. Durch die Auswahl der Pumplaserwellenlänge und/oder durch die Konstruktion der PCF des nichtlinearen Elements 28 kann der FWM-Prozess beispielsweise einen Idlerpuls bei einer Idlerwellenlänge erzeugen, die einer Verstärkungswellenlänge des RED-Materials oder eines anderen Verstärkungsmaterials eines optischen Verstärkers entspricht. Ein solcher Ansatz ermöglicht die Erzeugung von Eingangslicht bei Wellenlängen, die auf andere Weise möglicherweise schwieriger zu erzeugen sind, beispielsweise aufgrund des Fehlens eines geeigneten Verstärkungsmediums oder optischer Komponenten bei der Wellenlänge.
  • Ein spezielles Beispiel ist die Erzeugung von gepulstem Licht in dem Spektralbereich bei 2 µm, das zum Anregen von mit Thulium, Holmium oder Thulium/Holmium dotierten optischen Faserverstärkern verwendbar sein kann. DC-Verstärkerfasern mit hoher Leistung mit Tm-, Ho- oder Tm/Ho-Dotierungen sind zusammen mit dem Pumplaser vorhanden. Optische Isolatoren, Kopplungselemente, WDMs und Polarisatoren sind jedoch bei dieser Wellenlänge im Vergleich zu den herkömmlicheren Wellenlängen wie etwa 1064 nm und 1550 nm, die den Spektralbereichen von mit Yb dotierten und mit Er dotierten Faserverstärkern entsprechen, unüblich.
  • Das Verfahren zum Erzeugen von Pulsen bei 2 µm durch das FWM ermöglicht die Verwendung von herkömmlichen, modengekoppelten Lasern bei 1064 nm oder 1550 nm, um in dem Spektralbereich bei 2 µm Eingangssignallicht mit einer vernünftigen Effizienz zu erzeugen, um einen Verstärker mit hoher Leistung bei 2 µm anzuregen. Diese Quelle muss nicht besonders gut von dem Verstärker isoliert sein, da eine beliebige Rückkopplung von dem Verstärker bei 2 µm in den Quellenlaser, wenn überhaupt irgendeine, dann eine geringe Auswirkung und keine sich zurück ausbreitende Verstärkung aufweist, die ansonsten die Stabilität stromaufwärts angeordneter Verstärker (z.B. der Verstärker 214 oder 220) oder des Oszillators 10 beeinflussen würde.
  • Gemäß einer Abwandlung der Ausführungsform von 2 ist die Quellenvorrichtung 202 ausgebildet, um Eingangssignallicht in dem Bereich bei 2 µm zu liefern (z.B. mittels des FWM-Idlerlichts), der Verstärker 258 ist ausgebildet, um Eingangssignale in dem Bereich bei 2 µm zu verstärken, und die Quelle 243 umfasst eine Pumpquelle zum Pumpen des optischen Verstärkers 258. Wenn der optische Verstärker 258 beispielsweise ein aktives Material mit Thulium oder Holmium umfasst, kann die Quelle 243 optische Pumpenergie mit einer Wellenlänge von ungefähr 793 nm liefern. Die Quelle 243 kann Pumpwellenlängen in den Spektralbereichen bei 680 nm und 1550 nm liefern, wenn der optische Verstärker 258 Thulium umfasst, oder in dem Spektralbereich bei 1900 nm, wenn der optische Verstärker 258 Holmium umfasst. Der Verstärker 258 kann einen Einzelmantelverstärker oder einen DC-Verstärker umfassen, und die Ausbildung der Quelle 243 kann dementsprechend variiert werden (obgleich in einigen Fällen dieselbe Quelle 243 verwendet werden kann, ganz gleich, ob der Verstärker 258 ein solcher mit Einzelmantel oder mit Doppelmantel ist). Wenn der Verstärker 258 einen Einzelmantelverstärker umfasst, kann die Quelle 243 eine Pumpquelle mit einer Ausgabe einer einzigen Mode umfassen; wenn der Verstärker 248 einen DC-Verstärker umfasst, kann die Quelle 243 eine MM-Quelle umfassen, die beispielsweise eine MM-Laserdiode bzw. MM-Laserdioden, mehrere Dioden oder eine Diodenleiste umfasst, wie es in der Technik bekannt ist.
  • Dementsprechend liefert eine Ausführungsform der Offenbarung eine Quelle von Pump- oder Eingangssignallicht für eine optische Verstärkungseinrichtung, wie beispielsweise einen optischen Verstärker. Die Quelle der Strahlung weist einen signifikanten Anteil ihrer Energie in einer einzigen TE-Mode auf, sodass die Leistung effizient in kleine Wellenleiter und Strahlen in Faser-, Volumen- und planaren Verstärkungseinrichtungen eingekoppelt werden kann. Das Pumplicht oder das Eingangssignallicht wird durch einen parametrischen Prozess des FWM erzeugt.
  • 3 stellt gemäß der vorliegenden Offenbarung eine optische Vorrichtung 304 schematisch dar, welche einen optischen Verstärker und eine Pumpquelle für den optischen Verstärker aufweist, wobei der optische Verstärker und die Pumpquelle eine gemeinsame Quelle teilen.
  • Die optische Vorrichtung 304 von 3 weist Merkmale auf, die im Wesentlichen dieselben wie diejenigen der optischen Vorrichtung der anderen, hierin beschriebenen Ausführungsformen sind, wie sie in Verbindung mit den verschiedenen Figuren diskutiert werden, wobei die Modifikationen nun beschrieben werden. Ähnliche Bezugszeichen werden für die entsprechenden Merkmale beibehalten (unter der Bedingung, dass die Bezugszeichen von 3 durch Ziffern mit 300 nummeriert werden, sodass 314 der Ziffer 14 von 1, der Ziffer 214 von 2, der Ziffer 414 von 4 usw. entspricht). Entsprechende oder andere Merkmale, die hierin an anderer Stelle beschrieben sind, können in Verbindung mit 3 weniger detailliert oder überhaupt nicht beschrieben werden, um dadurch eine unnötige Wiederholung zu vermeiden. Dennoch können die Merkmale ebenso Teil der Ausführungsform von 3 sein, wie beispielsweise dadurch, dass sie Hinzufügungen oder Ersetzungen sind, wobei Kombinationen ausgenommen sind, die sich klar gegenseitig ausschließende Merkmale umfassen.
  • Die optische Vorrichtung 304 von 3 kann einen Quellenabschnitt 348, der Licht bei 1064 nm liefern kann, und einen nichtlinearen Abschnitt 349 umfassen. Der Teiler 319 teilt das Licht bei 1064 nm von dem Quellenabschnitt 348 auf zwei verschiedene optische Faserwege auf. Die FWM-PCF des nichtlinearen Elements 328 des nichtlinearen Abschnitts 349 kann derart konstruiert sein, dass Signalpulse bei einer Wellenlänge von ungefähr 915 nm in Ansprechen auf das Licht bei 1064 nm erzeugt werden, das als das FWM-Pumplicht dient. Ein Kombinator 354, der einen Wellenlängen-Multiplexkombinator (WDM-Kombinator) umfassen kann, kombiniert die FWM-Signalausgabe von der PCF mit den FWM-Pumppulsen bei 1064 nm in dem zweiten (unteren) optischen Faserweg, um den Verstärker 358 zu versorgen, der eine mit Yb dotierte optische Faser umfassen kann. Der WDM-Kombinator 354 speist das Licht bei 1064 nm und das FWM-Signallicht als ein gepulstes Eingangssignallicht bzw. ein gepulstes Pumplicht im Wesentlichen in den Kern der mit Yb dotierten optischen Verstärkungsfaser des Verstärkers 358 ein. Das FWM-Signallicht wird absorbiert und zum Pumpen des Yb-Verstärkers verwendet, um eine Verstärkung für die Eingangssignal-Lichtpulse bei 1064 nm zu liefern. Somit ist die optische Vorrichtung 304 ausgebildet, um einen Teil des FWM-Pumplichts des Quellenabschnitts 348 als Eingangssignallicht zur Verstärkung an den Verstärker 358 und einen Teil des FWM-Pumplichts des Quellenabschnitts 348 als FWM-Pumplicht an das nichtlineare Element 349 zu liefern.
  • Die Ausgabe des nichtlinearen Abschnitts 349 kann gefiltert werden, um unerwünschte Wellenlängen zu dämpfen, wie beispielsweise das Licht bei 1064 nm und vorzugsweise auch die Idlerwellenlänge, um nur das FWM-Signallicht zur Verwendung beim Pumpen des Verstärkers 358 an den WDM-Kombinator 354 zu übertragen. Ein geeigneter Filter 350 ist vorzugsweise zwischen dem nichtlinearen Abschnitt 349 und dem Kombinator 354 eingebunden.
  • Die Vorrichtung 304 von 3 kann besonders nützlich sein, wenn es bevorzugt ist, dass der Verstärker 358 mit einer geringen Nichtlinearität arbeitet, sodass die Pulse während der Verstärkung nicht durch die SPM übermäßig spektral verbreitert werden. Dies kann von besonderer Wichtigkeit sein, wenn beispielsweise die Ausgabe bezüglich der Frequenz umgewandelt wird oder wenn die Ausgabe als ein Eingangsverstärkungspuls für einen Festkörperverstärker verwendet wird, der eine schmale Bandbreite aufweist.
  • Der Verstärker 358 (und auch andere hierin beschriebene Verstärker, wie beispielsweise die Verstärker 258, 458, 558 und 658) können Einzelmantel-Faserverstärker umfassen, bei denen der Kern der aktiven Faser sowohl das pumpende FWM-Pulslicht als auch die Lichtpulse, die verstärkt werden sollen, direkt empfängt und ausbreitet. Die aktive Faser des Faserverstärkers kann jedoch alternativ als eine DC-Faser ausgebildet sein. Das Verhältnis der Querschnittsfläche des Kerns zu der Querschnittsfläche des Pumpmantels sollte derart ausgewählt werden, dass eine akzeptierbare Absorption pro Längeneinheit für das Pumplicht ermöglicht wird. Wenn die Quellenvorrichtung den Verstärker pumpt, ist die Querschnittsfläche des inneren Mantels typischerweise oft, aber nicht notwendigerweise immer, klein im Vergleich zu herkömmlichen Doppelmantelfasern, die durch Multimoden-Laserdioden gepumpt werden. Man beachte, dass beispielsweise dann, wenn die Quellenvorrichtung ein Eingangssignal zum Anregen einer optischen Verstärkungseinrichtung liefert (z.B. ein Eingangssignal in dem Bereich bei 2 µm), der Verstärker tatsächlich eine DC-Faser mit einem Mantel mit großem Durchmesser umfassen kann, der durch MM-Quellen gepumpt wird, wie vorstehend angemerkt wurde. Das Eingangssignal-Anregungslicht wird typischerweise im Wesentlichen in dem Kern der DC-Verstärkerfaser eingeschlossen, und das abgeleitete FWM-Pumplicht kann zum Versorgen des Kerns an den Mantel angekoppelt werden. Der Kern weist vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, eine einzige Mode bei einer oder beiden von der Pump- und der Eingangsanregungswellenlänge auf.
  • Somit wird bei einer Ausführungsform dieser Erfindung ein gepulster Laser geschaffen, wobei zumindest der Endstufenverstärker mit Licht gepumpt wird, das durch einen FWM-Prozess erzeugt wird, und welcher Laser eine Master-Oszillatorquelle aufweisen kann, die sowohl als Eingangssignal-Lichtquelle für einen stromabwärts angeordneten Verstärker als auch als die gepulste Pumpquelle für den FWM-Prozess wirkt.
  • 4 stellt gemäß der vorliegenden Offenbarung eine weitere optische Vorrichtung 405 schematisch dar. 4 umfasst Merkmale, die im Wesentlichen dieselben wie diejenigen der optischen Vorrichtung der anderen Ausführungsformen sind, wie sie in Verbindung mit den verschiedenen Figuren diskutiert werden, wobei die Modifikationen nun beschrieben werden. Ähnliche Bezugszeichen werden für entsprechende Merkmale beibehalten (unter der Bedingung, dass die Bezugszeichen von 4 durch Ziffern mit 400 nummeriert werden, sodass 414 der Ziffer 14 von 1, der Ziffer 214 von 2 usw. entspricht). Entsprechende oder andere Merkmale, die hierin an anderer Stelle beschrieben sind, können in Verbindung mit 4 weniger detailliert oder überhaupt nicht beschrieben werden, um dadurch eine unnötige Wiederholung zu vermeiden. Dennoch können die Merkmale ebenso Teil der Ausführungsform von 4 sein, wie beispielsweise dadurch, dass sie Hinzufügungen oder Ersetzungen sind, wobei Kombinationen ausgenommen sind, die sich klar gegenseitig ausschließende Merkmale umfassen.
  • Die optische Vorrichtung 405 umfasst einen Quellenabschnitt 448, der Lichtpulse bei 1064 nm liefert, und einen nichtlinearen Abschnitt 449, der ein nichtlineares Element 428 umfasst, das einen FWM-Prozess aufnimmt, wie es beispielsweise vorstehend in Verbindung mit 3 beschrieben ist. Der Teiler 419 und der Filter 450 können ebenso wie vorstehend beschrieben funktionieren. Der untere optische Weg weist einen Modulator 460, der zum Pulspicking ausgebildet ist, und/oder einen Verstärker 464 auf, der zwischen dem Quellenabschnitt 448 und dem Verstärker 458 dazwischengeschaltet ist. Der Modulator 460 verringert die Repetitionsrate der Pulse von dem Quellenabschnitt 448 von beispielsweise 40 MHz auf 100 KHz. Der Modulator 460 kann auf einem fasergekoppelten akustooptischen Modulator (AOM) basieren, und er kann durch eine Elektronik (nicht gezeigt) derart angesteuert werden, dass er mit der Repetitionsrate des Oszillators 410 synchronisiert ist. Der Verstärker 464 kann eine Vorverstärkung vor dem WDM-Kombinator 454 liefern, der die verstärkten Lichtpulse bei 1064 nm in dem unteren optischen Weg mit den FWM-Signalpumppulsen des oberen Wegs kombiniert. Die Pulse mit 100 KHz werden durch den Verstärker 458, der einen Yb-Faserverstärker mit einer einzigen Mode umfassen kann, auf zumindest 1 Watt mittlere Leistung oder auf zumindest 10 Mikrojoules Pulsenergie verstärkt, wobei eine Spitzenleistung zumindest 500 kW beträgt.
  • Die Vorrichtung 405 von 4 kann besonders nützlich sein, wenn es bevorzugt ist, dass der Verstärker 458 mit einer geringen Nichtlinearität arbeitet, sodass die Pulse während der Verstärkung nicht durch die SPM übermäßig spektral verbreitert werden. Dies kann von besonderer Wichtigkeit sein, wenn beispielsweise die Ausgabe bezüglich der Frequenz umgewandelt wird oder wenn die Ausgabe als ein Eingangssignal-Anregungspuls für einen Festkörperverstärker verwendet wird, der eine schmale Bandbreite aufweist.
  • Die Vorrichtung 405 kann anstelle des Modulators 460 oder zusätzlich zu diesem eine Pulszeitdauer-Modifikationseinrichtung (z.B. eine Pulsstreckeinrichtung oder eine Pulskompressionseinrichtung) zum Verändern der Zeitdauer der Pulse umfassen. Beispielsweise kann die Vorrichtung 405 eine Pulsstreckeinrichtung oder eine Pulskompressionseinrichtung anstelle des Modulators 460 oder in optischer Verbindung mit dem Modulator 460 aufweisen, sodass die Pulse in dem unteren optischen Weg, die als Eingangssignallicht an den Verstärker 458 geliefert werden, eine veränderte Zeitdauer und auch eine veränderte Repetitionsrate aufweisen. Die Pulszeitdauer-Modifikationseinrichtung kann in einem anderen optischen Weg als der Modulator angeordnet sein, sodass die Vorrichtung 405 eine Pulsmodifikationseinrichtung (z.B. eine Streckeinrichtung oder eine Kompressionseinrichtung) in dem oberen optischen Weg aufweist. Eine beliebige Kombination oder Anordnung von Pulszeitdauer-Modifikationseinrichtungen und Modulatoren liegt innerhalb des Umfangs der Offenbarung. Beispielsweise kann die Vorrichtung 405 einen Modulator oder eine Pulszeitdauer-Modifikationseinrichtung in dem oberen oder in dem unteren Weg; einen Modulator in einem der Wege und einer Zeitdauer-Modifikationseinrichtung in dem anderen der Wege; eine Zeitdauer-Modifikationseinrichtung und einen Modulator in demselben Weg; oder sogar zwei Modulatoren oder Pulszeitdauer-Modifikationseinrichtungen, einen bzw. eine in jedem der Wege, aufweisen.
  • Spezieller können die Vorrichtungen 304 und 405 von 3 bzw. 4 eine Pulsstreckeinrichtung in einem der optischen Wege aufweisen, wie beispielsweise stromabwärts der Teiler 319, 419 und stromaufwärts der Verstärker 358, 458. Darüber hinaus kann sich die Pulsstreckeinrichtung stromaufwärts (oder stromabwärts) der Verstärker 320, 420 von 3 bzw. 4 oder stromaufwärts des Verstärkers 464 von 4 befinden. Die Pulsstreckeinrichtung kann verwendet werden, um die Pulsdauern der Pulse zu konfigurieren, die von den Quellenabschnitten 348 und 448 ausgehen (z.B. Pulse mit 1064 nm), um in dem oberen und dem unteren Weg unterschiedliche Pulsdauern aufzuweisen. Das Anpassen der relativen Zeitdauer des Lichts in den zwei Wegen kann beispielsweise von Interesse sein, wenn sich die optimale Pulszeitdauer für den FWM-Prozess von der optimalen Pulszeitdauer unterscheidet, die von den optischen Vorrichtungen 304, 405 nach der Verstärkung durch die Verstärker 358, 458 gewünscht wird.
  • Zur Klarheit wird angemerkt, dass die vorstehende Diskussion bzgl. der Veränderung der Repetitionsrate und/oder der Zeitdauern für Vorrichtungen, die in 3, 4 sowie 6A und auch in 5A gezeigt sind (die nachstehend diskutiert werden), gelten kann. Im Allgemeinen können Vorrichtungen hierin ausgebildet sein, um die Zeitdauer oder die Repetitionsrate von Signalen zu verändern (z.B. des Eingangssignallichts oder des Pumplichts), wodurch die Signale (die sich typischerweise in verschiedenen optischen Wegen befindet, wie beispielsweise, bevor sie stromabwärts kombiniert werden) entweder unterschiedliche Repetitionsraten oder unterschiedliche Zeitdauern aufweisen. Alternativ können eine oder beide der Zeitdauern modifiziert werden. Es können beide im Wesentlichen auf dieselbe Weise modifiziert werden. Beispielsweise könnten Pulspicker sowohl in dem oberen als auch in dem unteren optischen Pfad angeordnet sein und beide Auffüllraten im Wesentlichen um denselben Betrag oder dergleichen verringern, sodass diese im Wesentlichen gleich sind.
  • Dadurch kann bei einer Ausführungsform eine ultraschnelle, faserbasierte optische Vorrichtung vorgesehen sein, die mehrere Pulse mit einem Mikrojoule-Energieniveau liefert, die zur Materialbearbeitung verwendet werden können, und bei der die Grenze für die Spitzenleistung aufgrund der stimulierten Ramanstreuung (SRS) in dem Leistungsverstärker durch die Verwendung von Verstärkerfasern kurzer Länge mit hoher Pumpabsorption im Vergleich zu existierenden DC-Faserverstärkern aus dem Stand der Technik verringert ist.
  • 5A stellt gemäß der vorliegenden Offenbarung eine optische Vorrichtung 506 schematisch dar, die ausgebildet ist, um Pump- und Eingangssignallichtpulse für einen Verstärker zu liefern, wobei die Pumpenergie für die Besetzungsinversion in dem Verstärker sorgt, um das Eingangssignallicht zu verstärken. Das Pump- und das Eingangssignallicht können jeweils das FWM-Signal und die FWM-Idlersignale umfassen, die durch einen FWM-Prozess der optischen Vorrichtung erzeugt werden.
  • Die optische Vorrichtung 506 von 5A weist Merkmale auf, die im Wesentlichen dieselben wie diejenigen der optischen Vorrichtungen der anderen Ausführungsformen sind, wie sie beispielsweise in Verbindung mit den verschiedenen anderen Figuren diskutiert werden, wobei die Modifikationen nun beschrieben werden. Ähnliche Bezugszeichen werden für entsprechende Merkmale beibehalten (unter der Bedingung, dass die Bezugszeichen von 5A durch Ziffern mit 500 nummeriert werden, sodass 514 der Ziffer 14 von 1, der Ziffer 214 von 2 usw. entspricht). Entsprechende oder andere Merkmale, die hierin an anderer Stelle beschrieben sind, können in Verbindung mit 5A weniger detailliert oder überhaupt nicht beschrieben werden, um dadurch eine unnötige Wiederholung zu vermeiden. Dennoch können die Merkmale ebenso Teil der Ausführungsform von 5A sein, wie beispielsweise dadurch, dass sie Ersetzungen oder Hinzufügungen sind, wobei Kombinationen ausgenommen sind, die sich klar gegenseitig ausschließende Merkmale umfassen.
  • Die optische Vorrichtung 506 kann eine optische Quelle 502 aufweisen, welche die Quelle 202 von 2 mit bestimmten Modifikationen an der Quelle und den nichtlinearen Abschnitten umfassen kann. Der Quellenabschnitt 548 kann einen Oszillator 510 umfassen, der einen mit Yb dotierten Faserlaseroszillator 512 aufweisen kann, der betreibbar ist, um Pulse bei 1030 nm bei einer Repetitionsrate von 80 MHz und mit einer Pulsdauer von 20 Picosekunden zu liefern. Ein zweistufiger Doppelmantelverstärker, der einzelne Verstärker 514 des Quellenabschnitts 548 und einen Verstärker 520 des nichtlinearen Abschnitts 549 umfasst, liefert einen verstärkten Pulszug bei 1030 nm mit einer Repetitionsrate von 80 MHz und mit nominell 20 Picosekunden Pulsdauer sowie mit mehr als 30 Watt mittlerer Ausgangsleistung, was einer Spitzenpulsleistung von ungefähr 20 kW entspricht.
  • Das nichtlineare Element 528 umfasst ein FWM-Element, das eine mikrostrukturierte Faser umfasst, die ausgebildet ist, um durch das FWM Signallicht bei ungefähr 687 nm und Idlerlicht bei ungefähr 2060 nm zu erzeugen, und der nichtlineare Abschnitt 549 gibt einen Pulszug aus, der das Signallicht, das Idlerlicht und das nicht entleerte Pumplicht bei 1030 nm mit einer Konversion von ungefähr 25 % (7,5 Watt) für das Signal bei 687 nm und mit mehr als 500 mW bei der Idlerwellenlänge von 2060 nm umfasst.
  • Die Vorrichtung 506 kann einen Filter 568 aufweisen, die ausgestaltet ist, um sowohl die Signalwellenlänge als auch die Idlerwellenlänge durchzulassen und um das Pumplicht bei 1030 nm abzuschwächen. Der Verstärker 558 kann einen mit Holmium dotierten Faserverstärker umfassen, der das gepulste Pumplicht bei 687 nm verwendet (d.h. das Signallicht des FWM-Prozesses), um den Verstärker zu pumpen, um die Pulse des Eingangssignallichts bei 2060 nm (das Idlerlicht des FWM-Prozesses) auf mehrere Watt mittlerer Leistung zu verstärken. Der mit Holmium dotierte Faserverstärker (wie er mit einem beliebigen Verstärker hierin offenbart ist oder allgemeiner mit einer beliebigen verstärkenden optischen Einrichtung) kann ein solcher mit Einzelmantel sein und/oder einen Kern mit einer einzigen Mode, mit einigen Moden oder einen MM-Kern aufweisen, oder er kann ein solcher mit Doppelmantel mit einem Kern mit einer einzigen Mode, mit einigen Moden oder mit einem MM-Kern sein, und er kann im Wesentlichen im Kern gepumpt werden oder im Mantel gepumpt werden (wie dies für einen beliebigen der Verstärker 258, 358, 458, 558, 658 und 758 zutreffen kann, die hierin offenbart sind). „Einige Moden“, wie es hierin verwendet wird, bedeutet 15 oder weniger transversale Moden bei der Betriebswellenlänge (d.h. bei der Wellenlänge des Lichts, das verstärkt wird, in diesem Fall bei der Eingangssignal-Lichtwellenlänge).
  • 5B und 5C zeigen jeweils ein Beispiel einer Kurve eines Absorptionsspektrums für eine optische Faser, die mit Holmium dotiert ist, und ein Beispiel einer Kurve eines Lumineszenzspektrums (Emissionsspektrums) für Holmiumionen in einem Siliziumdioxid glas. Man beachte, dass das Signallicht bei 687 nm, das durch den FWM-Prozess erzeugt wird, im Wesentlichen mit dem zweiten Absorptionsmaximum von links in 5B zusammenfällt und dass die 2060 nm gut in der Nähe des Maximums der Lumineszenzkurve von 5C positioniert sind. Wie der Fachmann einsehen wird, ermöglichen das Absorptions- und das Emissionsspektrum für ein RED-Material, das in einer Einrichtung angeordnet ist, Pump- und Verstärkungswellenlängen, wobei eine Pumpwellenlänge eine Wellenlänge umfasst, bei der die Einrichtung gepumpt werden kann und das Pumplicht absorbiert wird, um dadurch eine optische Verstärkung bei einer anderen Wellenlänge zu liefern. Auf ähnliche Weise umfasst eine Verstärkungswellenlänge eine Wellenlänge, bei der die Einrichtung mit dem RED-Material eine optische Verstärkung in Ansprechen auf das Empfangen und Absorbieren von Pumplicht, das eine andere Wellenlänge aufweist, liefern kann.
  • Man beachte, dass eine verringerte (oder keine) Notwendigkeit für eine optische Isolierung zwischen dem Endverstärker 520 bei 1030 nm und dem mit Ho dotierten Endstufenverstärker 558 besteht, da der FWM-Prozess eine Wellenlängendiskriminierung zwischen den zwei Systemen liefert, wodurch die Notwendigkeit für teure Hochleistungs-Isolatorkomponenten bei 2 µm beseitigt wird, die ansonsten in einem insgesamt mit Ho dotierten MOPP erforderlich wären.
  • Gemäß einer Ausführungsform lehrt die vorliegende Offenbarung eine optische Vorrichtung, die als ein Allfaser-Masteroszillator-Leistungsverstärkersystem ausgebildet sein kann, bei dem sowohl das Eingangssignallicht als auch das Pumplicht für den Leistungsverstärker durch einen einzelnen FWM-Prozess erzeugt wird, wobei ein solcher FWM-Prozess ausgestaltet ist, um eine Signalwellenlänge und eine Idlerwellenlänge zum Bereitstellen einer entsprechenden Verstärkungswellenlänge bzw. Pumpwellenlänge für ein stromabwärts angeordnetes Verstärkungsmedium zu liefern. Obgleich 5A den Holmiumverstärker 558 zeigt, wird in der vorliegenden Offenbarung auch eine eigenständige Pumpquelle in Betracht gezogen, wie beispielsweise die optische Vorrichtung von 5A, bei welcher der gepumpte und mit einem Eingang angeregte Verstärker 558 fehlt (siehe auch die optische Vorrichtung von 1) und die gemäß den Lehren hierin ausgebildet sein kann, um sowohl Pumplicht für eine stromabwärts angeordnete optische Verstärkungseinrichtung und auch ein Eingangssignallicht für die stromabwärts angeordnete optische Verstärkungseinrichtung zu liefern. Eine eigenständige Quelle kann den Filter 568 aufweisen.
  • Obwohl dies nicht in 5A gezeigt ist, kann die optische Vorrichtung 506 ausgebildet sein, um die Zeitdauer oder die Repetitionsrate entweder des Eingangssignallichts oder des Pumplichts oder von beidem zu verändern, sodass das Eingangssignallicht und das Pumplicht entweder eine unterschiedliche Zeitdauer oder eine unterschiedliche Repetitionsrate oder beides aufweisen. Beispielsweise kann das Licht aus dem nichtlinearen Abschnitt 549 durch einen Wellenlängen-Multiplexer (WDM) stromaufwärts des optischen Verstärkers 558 und durch Anwendung der Techniken, die vorstehend bei der Diskussion von 4 beschrieben sind, in zwei optische Wege aufgespalten werden.
  • 5A stellt dar, dass Eingangssignallicht und Pumplicht für eine optische Verstärkungseinrichtung (z.B. in dem Beispiel von 5 für einen Verstärker) von dem Signallicht und dem Idlerlicht desselben FWM-Prozesses abgeleitet werden können. Allgemeiner können jedoch das Eingangssignallicht und das Pumplicht anhand unterschiedlicher nichtlinearer Prozesse abgeleitet werden (einschließlich von unterschiedlichen Typen von Prozessen). Beispielsweise können das Eingangssignallicht und das Pumplicht von zwei verschiedenen FWM-Prozessen abgeleitet werden, wobei das Eingangssignallicht anhand der Signalwellenlänge eines Prozesses abgeleitet wird und das Pumplicht anhand der Signalwellenlänge eines anderen FWM-Prozesses abgeleitet wird.
  • 6A stellt gemäß der vorliegenden Offenbarung ein anderes Beispiel einer optischen Vorrichtung 607 schematisch dar, die ausgebildet ist, um Pumppulse und Anregungspulse für einen Verstärker zu liefern. Die optische Vorrichtung 607 von 6A weist Merkmale auf, die im Wesentlichen dieselben wie diejenigen der optischen Vorrichtung der anderen Ausführungsformen sind, wie sie in Verbindung mit den verschiedenen anderen Figuren diskutiert werden, wobei die Modifikationen nun beschrieben werden. Ähnliche Bezugszeichen werden für entsprechende Merkmale beibehalten (unter der Bedingung, dass die Bezugszeichen von 6A durch Ziffern mit 600 nummeriert werden, sodass 614 der Ziffer 14 von 1, der Ziffer 214 von 2 usw. entspricht). Entsprechende oder andere Merkmale, die hierin an anderer Stelle beschrieben sind, können in Verbindung mit 6A weniger detailliert oder überhaupt nicht beschrieben werden, um dadurch eine unnötige Wiederholung zu vermeiden. Dennoch können die Merkmale ebenso Teil der Ausführungsform von 6A sein, wie beispielsweise dadurch, dass die Ersetzungen oder Hinzufügungen sind, wobei Kombinationen ausgenommen sind, die sich klar gegenseitig ausschließende Merkmale umfassen.
  • Die optische Vorrichtung 607 weist einen Quellenabschnitt 648 auf, dessen Ausgabe durch einen Teiler 619 in zwei nichtlineare Abschnitte 649A und 649B geteilt wird, von denen einer das Eingangssignallicht erzeugt, das durch den Verstärker 658 verstärkt werden soll, und von denen der andere Pumpenergie zum Pumpen des Verstärkers 658 mit Pumplichtpulsen erzeugt, um dadurch das Eingangssignallicht zu verstärken. Ein Kombinator 654 kombiniert den oberen und den unteren optischen Weg, um das Eingangssignallicht und das Pumplicht an den Verstärker 658 zu liefern.
  • Der Quellenabschnitt 648 kann Pulse bei 1064 nm erzeugen. Der nichtlineare Abschnitt 649A kann eine PCF als ein nichtlineares Element 628A aufweisen, welches die FWM-Signalpulse und die FWM-Idlerpulse bei 793 nm bzw. 1616 nm in Ansprechen darauf erzeugt, bei 1064 nm gepumpt zu werden, wie es in der oberen Einfügung in 6A angegeben ist, in der die Signal-, die Pump- und die Idlerwellenlänge durch die Bezugszeichen 682, 684 bzw. 686 repräsentiert sind. Die Anregungsdiode 648A des nichtlinearen Abschnitts 649A kann den FWM-Prozess bei 793 nm anregen. Der nichtlineare Abschnitt 649B kann eine PCF als ein nichtlineares Element 628B aufweisen, das die FWM-Signalpulse und die FWM-Idlerpulse bei 739 nm bzw. 1900 nm in Ansprechen darauf erzeugt, bei 1064 nm gepumpt zu werden, wie es in der unteren Einfügung in 6A angegeben ist, in der die Signal-, die Pump- und die Idlerwellenlänge durch die Bezugszeichen 692, 694 bzw. 696 repräsentiert sind. Die Anregungsdiode 648B des nichtlinearen Abschnitts 649B kann den FWM-Prozess der nichtlinearen Quelle 649B bei 739 nm anregen. Der Verstärker 658 kann eine mit Thulium dotierte Siliziumdioxidfaser als die Verstärkungsfaser umfassen, die von dem Kombinator 654 die Signalwellenlänge des nichtlinearen Abschnitts 649A bei 793 nm als Pumplicht und die Idlerwellenlänge des nichtlinearen Abschnitts 649B bei 1900 nm als Eingangssignallicht empfängt, das in Ansprechen auf das Pumplicht verstärkt werden soll. Der Verstärker 658 gibt somit verstärktes Licht bei 1900 nm aus. Der Faserverstärker 658 kann eine Verstärkungsfaser umfassen, die ein RED-Material als das aktive Material umfassen kann. Der Faserverstärker kann ein solcher mit Einzelmantel sein und/oder einen Kern mit einer einzigen Mode, mit mehreren Moden oder einen MM-Kern aufweisen, oder er kann ein solcher mit Doppelmantel mit einem Kern mit einer einzigen Mode, mit mehreren Moden oder mit einem MM-Kern sein. Der Faserverstärker kann mit dem Pumplicht im Wesentlichen im Kern gepumpt werden.
  • Die optionalen Filter 650 und 680 können unerwünschte Wellenlängen filtern. Beispielsweise kann der Filter 650 die Pumplichtpulse 684 bei 1064 nm entfernen, er könnte jedoch gleichermaßen auch die eine oder die andere von der Signalwellenlänge und der Idlerwellenlänge entfernen oder alternativ nicht eingebunden sein, um dadurch alle Wellenlängen zuzulassen, die verwendet werden sollen. Bei einem anderen Beispiel kann der Filter 680 die Signalwellenlänge 692 bei 739 nm und das Pumplicht 694 bei 1064 nm filtern und die Idlerpulse 696 bei 1900 nm transmittieren, er könnte jedoch die Signalwellenlänge oder die Pumpwellenlänge mit der Idlerwellenlänge durchlassen, oder es kann auf ihn verzichtet werden, sodass alle Wellenlängen durchgelassen werden.
  • 6B und 6C zeigen jeweils Beispiele für Kurven eines Absorptions- und eines Lumineszenzspektrums für eine optische Faser, die mit Thulium dotiert ist. Man beachte, dass das Signallicht bei 793 nm, das durch den ersten FWM-Prozess erzeugt wird, im Wesentlichen mit dem ersten Absorptionsmaximum von links in 6B zusammenfällt und dass das Idlerlicht des zweiten FWM-Prozesses bei 1900 nm gut in der Nähe des Maximums der Lumineszenzkurve von 6C positioniert ist, was angibt, dass das Signallicht des ersten FWM-Prozesses und das Idlerlicht des zweiten FWM-Prozesses bei geeigneten Wellenlängen liegen, um als Pumplicht bzw. als Eingangssignallicht des mit Thulium dotierten Faserverstärkers zu dienen.
  • Daher lehrt die Offenbarung gemäß einer Ausführungsform, dass eine Quelle mit Hochleistungs-Laserlicht bereitgestellt wird, wobei ein Lasersystem mehr als einen FWM-Prozess verwenden kann, um Eingangssignallicht und Pumplicht zum Anregen und Pumpen einer optischen Verstärkungseinrichtung zu erzeugen, wie beispielsweise des vorstehend beschriebenen Verstärkers. Die Eingangssignal-/Anregungswellenlänge kann der Idlerwellenlänge eines der FWM-Prozesse entsprechen, und die Pumpwellenlänge kann der Signallichtwellenlänge des anderen FWM-Prozesses entsprechen, obwohl beliebige andere Kombinationen von Signal- und Idlerwellenlänge aus den zwei FWM-Prozessen innerhalb der Offenbarung liegen. Das Eingangssignallicht und das Pumplicht können von zwei Idlerwellenlängen, zwei Signalwellenlängen oder einer Idler- und einer Signalwellenlänge abgeleitet werden.
  • Man beachte, dass die Absorptionskurven, die in 1B (Yb), 5B (Ho) und 6B (Tm) gezeigt sind, jeweils verschiedene Maxima (lokale und absolute) aufweisen. Beispielsweise zeigt das Yb-Spektrum von 1B ein absolutes Maximum im Wesentlichen bei 980 nm und ein lokales Maximum im Wesentlichen bei 915 nm. Typische Pumpdioden sind mit begrenzten Ausgangswellenlängen verfügbar, die ausgewählt werden, um einem Maximum zu entsprechen. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ein FWM-Element jedoch ausgebildet sein, um Pumplicht bei einer beliebigen Pumpwellenlänge zu liefern, sodass ein Verstärkungsmaterial nicht im Wesentlichen bei einem Maximum optisch gepumpt werden muss. Das Pumpen bei einer anderen Wellenlänge als einer Wellenlänge, die im Wesentlichen einem Maximum des Absorptionsspektrums des RED-Materials entspricht, kann beispielsweise bei der Vermeidung des Photodarkening vorteilhaft sein. Gemäß den Verfahren und Vorrichtungen, die hierin offenbart sind, kann ein RED-Material, das Yb umfasst, beispielsweise bei einer Pumpwellenlänge von 880 nm anstelle der typischen Wellenlänge von 976 nm mit Pumplicht gepumpt werden, das durch eine Diodenpumpquelle erzeugt wird. Ein RED-Material kann bei mehreren Pumpwellenlängen gepumpt werden, wie beispielsweise bei einer solchen, die der Idlerwellenlänge und der Signalwellenlänge desselben FWM-Prozesses oder einer Idlerwellenlänge und einer Signalwellenlänge verschiedener FWM-Prozesse oder Idlerwellenlängen verschiedener FWM-Prozesse oder Signalwellenlängen verschiedener FWM-Prozesse entspricht.
  • Die vorliegende Offenbarung ist auf jedes einzelne Merkmal, System, Material und/oder Verfahren gerichtet, die hierin beschrieben sind. Zusätzlich ist eine beliebige Kombination von zwei oder mehr solcher Merkmale, Systeme, Materialien und/oder Verfahren dann, wenn solche Merkmale, Systeme, Materialien und/oder Verfahren nicht gegenseitig inkonsistent sind, in den Umfang der vorliegenden Erfindung eingebunden. Um eine unnötige Wiederholung zu vermeiden, werden nicht alle Merkmale in Verbindung mit jedem Aspekt, jeder Ausführungsform oder jeder Ausübung der Offenbarung diskutiert. Es wird angenommen, dass Merkmale, die in Verbindung mit einem Aspekt, einer Ausführungsform oder einer Ausübung beschrieben sind, mit anderen zusammen einbindbar sind, wenn sie nicht gegenseitig inkonsistent sind oder eine klare Lehre des Gegenteils vorliegt. In einigen Fällen werden die Merkmale in Verbindung mit einem speziellen Aspekt, einer speziellen Ausführungsform oder einer speziellen Ausübung allgemein anstatt im Detail diskutiert, und es versteht sich, dass solche Merkmale in einen beliebigen Aspekt, eine beliebige Ausführungsform oder eine beliebige Ausübung eingebunden werden können, wenn sie wiederum nicht gegenseitig inkonsistent sind oder eine klare Lehre des Gegenteils vorliegt.
  • Beispielsweise kann eine optische Vorrichtung, die hierin beschrieben ist, wie beispielsweise die Vorrichtungen 2, 203, 304, 405, 506, 607 und 708, gemäß verschiedenen Ausübungen der Offenbarung ausgebildet sein, um Pulse mit einer Zeitdauer von nicht mehr als 500 ns; nicht mehr als 100 ns; nicht mehr als eine Zeitdauer von Picosekunden (hierin definiert als 1 ns oder weniger); nicht mehr als 200 ps; oder nicht mehr als 100 ps zu liefern. In Kombination mit Beliebigem des Vorstehenden können die Pulse nicht kürzer als beispielsweise 1 ps oder 500 fs sein. Bei anderen Ausübungen kann der Puls nicht kürzer als 500 fs und nicht länger als 100 oder 200 ps sein. Es ist einzusehen, dass sich die in dieser Anmeldung vorgesehenen Beispiele auf optische Verstärkungseinrichtungen, wie beispielsweise gepulste Faserlaser, beziehen und ebenso gütegeschaltete Laser, verstärkungsgeschaltete Laser oder andere Typen von Laser- und Verstärkersystemen umfassen, einschließlich solcher, die auf einer MOPA-Architektur basieren.
  • Fachleute werden leicht eine Vielzahl anderer Mittel und Strukturen erkennen, um die Funktionen auszuführen und/oder die Ergebnisse oder Vorteile zu erhalten, die hierin beschrieben sind, und es wird angenommen, dass jeder solcher Abwandlungen oder Modifikationen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt. Allgemeiner werden Fachleute leicht einsehen, dass alle Parameter, Abmessungen, Materialien und Konfigurationen, die hierin beschrieben sind, als beispielhaft aufzufassen sind und dass die tatsächlichen Parameter, Abmessungen, Materialien und Konfigurationen von speziellen Anwendungen abhängen, für welche die Lehren der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
  • Fachleute werden unter Verwendung von nicht mehr als Routineexperimenten viele Äquivalente der speziellen Ausführungsformen der Erfindung, die hierin beschrieben sind, erkennen oder ermitteln können. Es versteht sich daher, dass die vorstehenden Ausführungsformen lediglich beispielhaft dargestellt sind und dass die Erfindung innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente auf andere Weise ausgeübt werden kann, als es speziell beschrieben ist.
  • In den Ansprüchen und auch in der vorstehenden Beschreibung sind alle durchgängigen Formulierungen, wie beispielsweise „umfassen“, „aufweisen“, „tragen“, „haben“, „enthalten“, „involvieren“ und dergleichen, als offen zu verstehen. Lediglich die durchgängigen Formulierungen „bestehend aus“ und „im Wesentlichen bestehend aus“ sollen geschlossene bzw. halb geschlossene durchgängige Begriffe sein, wie es im Handbuch des US-Patentamts zum Patentprüfungsverfahren 9 2111.03, 8. Ausgabe, Revision 8 dargelegt ist. Darüber hinaus sind Angaben in der Beschreibung, wie beispielsweise Definitionen, als offen zu verstehen, wenn sie nicht auf andere Weise explizit beschränkt werden.
  • Die Formulierung „A oder B“, wie bei „eines von A oder B“, ist allgemein so zu verstehen, dass sie eine inklusive „Oder“-Funktion ausdrückt, was bedeutet, dass alle drei der Möglichkeiten von A, B oder sowohl A als auch B umfasst sind, wenn der Zusammenhang nicht klar angibt, dass das exklusive „Oder“ geeignet ist (d.h., dass sich A und B gegenseitig ausschließen und nicht zur selben Zeit vorhanden sein können). „Zumindest eines von A, B oder C“ (und auch „zumindest eines von A, B und C“) bedeutet eine beliebige Kombination von einem oder mehreren von A, B und C, einschließlich beispielsweise der folgenden: A; B; C; A & B; A & C; B & C; A & B; und auch A, B 8s C.
  • Es wird im Allgemeinen im Patentrecht gut akzeptiert, dass „ein“ „zumindest ein“ oder „ein oder mehrere“ bedeutet. Trotzdem gibt es gelegentlich Fälle für das Gegenteil. Zur Klarheit bedeutet „ein“ und dergleichen, wie es hierin verwendet wird, „zumindest ein“ oder „ein oder mehrere“. Die Formulierung „zumindest ein“ kann gelegentlich verwendet werden, um diesen Punkt hervorzuheben. Die Verwendung der Formulierung „zumindest ein“ bei einer Bezugnahme in einem Anspruch soll nicht bedeuten, dass das Fehlen eines solchen Begriffs bei einer weiteren Bezugnahme (z.B. einfach unter Verwendung von „ein“) auf irgendeine Weise weiter einschränkend ist. Darüber hinaus sollte eine spätere Bezugnahme auf den Ausdruck „zumindest ein“, wie etwa in „der zumindest eine“, nicht derart aufgefasst werden, dass sie zusätzliche Beschränkungen ohne die ausdrückliche Bezugnahme auf solche Beschränkungen einführt. Beispielsweise bedeutet eine Bezugnahme, dass eine Vorrichtung „zumindest ein Objekt“ aufweist, und eine nachfolgende Bezugnahme, dass „das zumindest eine Objekt eine rote Farbe hat“, nicht, dass der Anspruch erfordert, dass alle Objekte einer Vorrichtung, die mehr als ein Objekt aufweist, rot sind. Der Anspruch soll bei einer Vorrichtung, bei der ein oder mehrere Objekte vorgesehen sind, einfach derart gelesen werden, dass zumindest eines der Objekte eine rote Farbe hat. Auf ähnliche Weise soll die Bezugnahme, dass „ein jeweiliges von mehreren“ der Objekte eine rote Farbe hat, ebenso nicht bedeuten, dass alle Objekte einer Vorrichtung, die mehr als zwei rote Objekte aufweist, rot sein müssen; mehrere bedeutet zwei oder mehr, und die Beschränkung ist so zu lesen, dass zwei oder mehr Objekte rot sind, unabhängig davon, ob ein drittes umfasst ist, das nicht rot ist, außer bei einer weiter einschränkenden expliziten Formulierung (z.B. bei einer Bezugnahme, um zu bewirken, dass ein jeweiliges und jedes Objekt von mehreren Objekten rot ist).

Claims (39)

  1. Optische Vorrichtung, die umfasst eine optische Quelle (2, 202, 502), die umfasst: eine Pumpquelle (48, 348, 448, 548, 648), die ausgebildet ist, um Pumplichtpulse zu erzeugen, die zum Pumpen eines Vierwellenmischprozesses (FWM-Prozesses) mit Lichtpulsen geeignet sind („FWM-Pumplicht“); ein FWM-Element (28, 228, 328, 428, 528, 628A, 628B), das mit der Pumpquelle (48, 348, 448, 548, 648) in optischer Verbindung steht und ausgebildet ist, um den FWM-Prozess aufzunehmen, um in Ansprechen auf das FWM-Pumplicht Pulse eines FWM-Signallichts und eines FWM-Idlerlichts zu erzeugen, die unterschiedliche Wellenlängen aufweisen; und eine optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658), die ein Verstärkungsmaterial umfasst und ausgebildet ist, um eine optische Verstärkung bei einer Verstärkungswellenlänge mittels eines Prozesses der stimulierten Emission in Ansprechen auf ein optisches Pumpen mit Pumplicht zu liefern, wobei die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) die FWM-Signallichtpulse oder die FWM-Idlerlichtpulse als Pumplicht oder als Eingangssignallicht mit einer Verstärkungswellenlänge empfängt, um die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) optisch zu pumpen oder mit dem Eingangssignallicht anzuregen, wobei - wenn die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) die FWM-Signallichtpulse oder die FWM-Idlerlichtpulse als Eingangssignallicht mit der Verstärkungswellenlänge empfängt - das FWM-Element (28, 228, 328, 428, 528, 628A, 628B) eine optische Faser mit nur einem Kern zur Aufnahme des FWM-Prozesses umfasst.
  2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmaterial ein mit einer seltenen Erde dotiertes Material (RED-Material) umfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die optische Verstär- kungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) eine optische Faser umfasst, wobei die optische Faser das Verstärkungsmaterial umfasst.
  4. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das FWM-Element (28, 228, 328, 428, 528, 628A, 628B) eine mikrostrukturierte optische Faser umfasst.
  5. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die optische Verstärkungseinrichtung (558) sowohl das FWM-Signallicht als auch das FWM-Idlerlicht empfängt, wobei eines als Pumplicht und das andere als Eingangssignallicht empfangen wird, um die optische Verstärkungseinrichtung (558) sowohl optisch zu pumpen als auch mit dem Eingangssignallicht anzuregen.
  6. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Pumpquelle (48, 348, 448, 548, 648) ein ausgewähltes RED-Material umfasst, das eine seltene Erde umfasst, die in dem RED-Material enthalten ist.
  7. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das RED-Material eines oder mehrere von Holmium, Neodym, Erbium, Ytterbium oder Thulium umfasst.
  8. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) das FWM-Signallicht oder das FWM-Idlerlicht als Pumplicht empfängt, um die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) optisch zu pumpen.
  9. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) das FWM-Signallicht oder das FWM-Idlerlicht als Eingangssignallicht mit einer Verstärkungswellenlänge empfängt, um die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) anzuregen.
  10. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das FWM-Signallicht oder das FWM-Idlerlicht einmodig ist und eine mittlere Leistung von zumindest 2 W aufweist.
  11. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die optische Verstärkungseinrichtung (458) ausgebildet ist, um sowohl das Pumplicht als auch das Eingangssignallicht, das eine Verstärkungswellenlänge aufweist, zu empfangen und wobei die optische Vorrichtung (405) ausgebildet ist, um die Zeitdauer oder die Repetitionsrate des Eingangssignallichts oder des Pumplichts derart zu verändern, dass das Pumplicht und das Eingangssignallicht, die durch die optische Verstärkungseinrichtung (458) empfangen werden, unterschiedliche Repetitionsraten oder unterschiedliche Zeitdauern aufweisen.
  12. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (2, 203, 304, 405, 506, 607) ausgebildet ist, um einen Anteil des FWM-Pumplichts als Eingangssignallicht, das eine Verstärkungswellenlänge aufweist, an die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) zu liefern, um die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) anzuregen.
  13. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die optische Verstärkungseinrichtung (258) ausgebildet ist, um das Eingangssignallicht, das eine Verstärkungswellenlänge aufweist, oder das Pumplicht aus einer anderen Quelle (243) als das FWM-Signallicht und das FWM-Idlerlicht zu empfangen.
  14. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die optische Verstärkungseinrichtung (458) ausgebildet ist, um das Eingangssignallicht, das eine Verstärkungswellenlänge aufweist, zu empfangen, und wobei die optische Vorrichtung (405) einen Pulspicker (460) umfasst, um die Repetitionsrate des Eingangssignallichts zu verringern, bevor dieses der optischen Verstärkungseinrichtung (458) zugeführt wird.
  15. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) einen optischen Verstärker umfasst, der ausgebildet ist, um das FWM-Pumplicht oder das FWM-Idlerlicht zu empfangen, um mit dem Pumplicht optisch gepumpt zu werden oder mit dem Eingangssignallicht angeregt zu werden, wobei der optische Verstärker eine optische Faser umfasst, die das Verstärkungsmaterial zum Liefern der optischen Verstärkung umfasst.
  16. Optische Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der optische Verstärker ausgebildet ist, um Pulse einer einzigen Mode zu erzeugen, die eine zeitliche Pulsweite von nicht mehr als 100 ps, eine Pulsenergie von zumindest 50 Mikrojoule und eine Wellenlänge in dem Bereich von 900 bis 2500 nm aufweisen.
  17. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei der optische Verstärker ausgebildet ist, um Pulse einer einzigen Mode zu erzeugen, die eine Spitzenleistung von zumindest 200 kW aufweisen, und wobei die Länge der optischen Faser, entlang derer die Faser das Verstärkungsmaterial aufweist, nicht größer als 1 Meter ist.
  18. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, außer wenn dieser von Anspruch 9 abhängt, welche ausgebildet ist, um das FWM-Signallicht oder das FWM-Idlerlicht als Pumplicht einer einzigen Mode zu empfangen, wobei die optische Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass die optische Faser das Pumplicht entlang zumindest eines Teils ihrer Länge mit einer Rate von zumindest 5 dB pro Meter absorbiert.
  19. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, außer wenn dieser von Anspruch 9 abhängt, wobei der Verstärker ausgebildet ist, um das FWM-Signallicht oder das FWM-Idlerlicht als Pumplicht zu empfangen, wobei die optische Faser mit dem Pumplicht im Kern gepumpt wird.
  20. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, außer wenn diese von Anspruch 9 abhängt, wobei der Verstärker ausgebildet ist, um das FWM-Signallicht oder das FWM-Idlerlicht als Pumplicht zu empfangen, und wobei die optische Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass die optische Faser zumindest 10 dB des Pumplichts über eine Länge von nicht mehr als 50 cm absorbiert.
  21. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die ein zweites FWM-Element (628A, 628B) umfasst, wobei das zweite FWM-Element (628A, 628B) zum Aufnehmen eines zweiten FWM-Prozesses ausgebildet ist, um zweite FWM-Signallichtpulse und zweite FWM-Idlerlichtpulse zu erzeugen, wobei die optische Verstärkungseinrichtung (658) die zweiten FWM-Signallichtpulse oder die zweiten FWM-Idlerlichtpulse als Pumplicht oder als Eingangssignallicht, das eine Verstärkungswellenlänge aufweist, empfängt, um die optische Verstärkungseinrichtung (658) optisch zu pumpen oder mit dem Eingangssignallicht anzuregen.
  22. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die optische Vorrichtung (2, 203, 304, 405, 506, 607) ausgebildet ist, um Ausgangspulse mit einer Zeitdauer von 1 ns oder weniger zu liefern.
  23. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die optische Vorrichtung (2, 203, 304, 405, 506, 607) ausgebildet ist, um optische Pulse mit einer Zeitdauer von 200 ps oder weniger zu liefern.
  24. Verfahren zum Pumpen oder Anregen einer Laser- oder Verstärkereinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) mit Eingangslicht, welche ein Verstärkungsmaterial zum Liefern einer optischen Verstärkung bei einer Verstärkungswellenlänge mittels eines Prozesses der stimulierten Emission in Ansprechen auf ein optisches Pumpen mit Pumplicht umfasst, wobei das Verfahren umfasst, dass: Pulse eines FWM-Signallichts und/oder Pulse eines FWM-Idlerlichts mit einem mit Lichtpulsen gepumpten Vierwellenmischprozess (FWM-Prozess) erzeugt werden, wobei das FWM-Signallicht und das FWM-Idlerlicht unterschiedliche Wellenlängen aufweisen; und die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) mit dem FWM-Signallicht oder mit dem FWM-Idlerlicht als Pumplicht gepumpt wird oder die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) mit dem FWM-Signallicht oder mit dem FWM-Idlerlicht als Eingangssignallicht, das eine Verstärkungswellenlänge des Verstärkungsmaterials aufweist, angeregt wird, wobei - wenn die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) mit dem FWM-Signallicht oder dem FWM-Idlerlicht als Eingangssignallicht angeregt wird - das FWM-Element (28, 228, 328, 428, 528, 628A, 628B) eine optische Faser mit nur einem Kern zur Aufnahme des FWM-Prozesses umfasst.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Verstärkungsmaterial ein mit einer seltenen Erde dotiertes Material (RED-Material) umfasst, um die optische Verstärkung zu liefern.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 25, das umfasst, dass die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) mit dem FWM-Signallicht oder mit dem FWM-Idlerlicht als Pumplicht gepumpt wird.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 25, das umfasst, dass die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) mit dem FWM-Signallicht oder mit dem FWM-Idlerlicht als Eingangssignallicht, das eine Verstärkungswellenlänge aufweist, angeregt wird.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 25, das umfasst, dass die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) mit einem von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht als Eingangssignallicht, das eine Verstärkungswellenlänge aufweist, angeregt wird und dass die Laser- oder Verstärkereinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) mit dem anderen von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht als Pumplicht gepumpt wird.
  29. Verfahren nach Anspruch 24, das umfasst, dass: FWM-Pumplicht mit einer FWM-Pumpwellenlänge zum Pumpen des FWM-Prozesses erzeugt wird, um das FWM-Signallicht und/oder das FWM-Idlerlicht zu erzeugen; die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) mit dem FWM-Signallicht oder mit dem FWM-Idlerlicht als Pumplicht gepumpt wird; und die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) mit Eingangssignallicht, das die FWM-Pumpwellenlänge aufweist, in Ansprechen darauf, dass die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) mit dem FWM-Signallicht oder mit dem FWM-Idlerlicht gepumpt wird, zur Verstärkung angeregt wird.
  30. Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Eingangssignallicht einen Anteil des FWM-Pumplichts umfasst.
  31. Optische Quelle, die ausgebildet ist, um Ausgangslicht zum Bereitstellen von Eingangssignallicht oder Pumplicht zu liefern, umfassend: eine Pumpquelle (48, 348, 448, 548, 648) zum Pumpen eines Vierwellenmischprozesses (FWM-Prozesses) mit Lichtpulsen („FWM-Pumplicht“); ein FWM-Element (28, 228, 328, 428, 528, 628A, 628B), das mit der Pumpquelle (48, 348, 448, 548, 648) in optischer Verbindung steht, wobei das FWM-Element (28, 228, 328, 428, 528, 628A, 628B) zum Aufnehmen des FWM-Prozesses ausgebildet ist, um in Ansprechen auf das FWM-Pumplicht Pulse eines FWM-Signallichts und eines FWM-Idlerlichts zu erzeugen, die unterschiedliche Wellenlängen aufweisen; und wobei die optische Quelle derart ausgebildet ist, dass das Ausgangslicht eines von dem FWM-Signallicht oder dem FWM-Idlerlicht als Pumplicht, das eine Pumpwellenlänge aufweist, oder als Eingangssignallicht, das eine Verstärkungswellenlänge aufweist, umfasst, um eine optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658), die ein Verstärkungsmaterial zum Liefern einer optischen Verstärkung umfasst, zu pumpen oder mit Eingangssignallicht anzuregen, wobei das Verstärkungsmaterial ein Absorptions- und ein Emissionsspektrum aufweist, die Verstärkungs- und Pumpwellenlängen definieren, bei denen das Verstärkungsmaterial in der Einrichtung jeweils geeignet ist, um eine optische Verstärkung mittels eines Prozesses der stimulierten Emission in Ansprechen darauf zu liefern, dass es gepumpt wird, und wobei - wenn die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) das FWM-Signallicht oder das FWM-Idlerlicht als Eingangssignallicht empfängt - das FWM-Element (28, 228, 328, 428, 528, 628A, 628B) eine optische Faser mit nur einem Kern zur Aufnahme des FWM-Prozesses umfasst.
  32. Optische Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei das Verstärkungsmaterial ein mit einer seltenen Erde dotiertes Material (RED-Material) umfasst, um die optische Verstärkung zu liefern.
  33. Optische Quelle nach einem der Ansprüche 31 bis 32, wobei das FWM-Element (28, 228, 328, 428, 528, 628A, 628B) eine mikrostrukturierte optische Faser umfasst.
  34. Optische Quelle nach einem der Ansprüche 31 bis 33, wobei die optische Quelle (2, 202, 502) eine optische Ausgangsfaser zum Liefern des Ausgangslichts umfasst, wobei die optische Ausgangsfaser einen Kern mit mehreren Moden umfasst, der eine Querschnittsfläche aufweist, die ausgewählt ist, um zu der Querschnittsfläche eines Pumpmantels einer im Mantel gepumpten optischen Faser zu passen.
  35. Optische Quelle nach einem der Ansprüche 31 bis 34, wobei die optische Quelle (2, 202, 502) eine optische Ausgangsfaser zum Liefern des Ausgangslichts umfasst, wobei die optische Ausgangsfaser einen Kern mit mehreren Moden umfasst, der einen Durchmesser von zumindest 50 Mikrometern aufweist.
  36. Optische Quelle nach einem der Ansprüche 31 bis 35, wobei das eine von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht eine Pumpwellenlänge aufweist und das andere eine Verstärkungswellenlänge aufweist, wobei das Ausgangslicht sowohl das FWM-Signallicht als auch das FWM-Idlerlicht umfasst, um die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658), die das Verstärkungsmaterial umfasst, sowohl mit dem Pumplicht zu pumpen als auch mit dem Eingangssignallicht anzuregen.
  37. Optische Quelle nach einem der Ansprüche 32 bis 36, wobei die Pumpquelle (48, 348, 448, 548, 648) ein ausgewähltes RED-Material umfasst, das eine seltene Erde umfasst, die in dem RED-Material enthalten ist.
  38. Optische Quelle nach einem der Ansprüche 31 bis 37, wobei das eine von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht Pumplicht mit der Pumpwellenlänge zum Pumpen der optischen Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) umfasst.
  39. Optische Quelle nach einem der Ansprüche 31 bis 37, wobei das eine von dem FWM-Signallicht und dem FWM-Idlerlicht Eingangssignallicht mit der Verstärkungswellenlänge umfasst, um die optische Verstärkungseinrichtung (258, 358, 458, 558, 658) mit Eingangssignallicht anzuregen.
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