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Die Erfindung betrifft einen passiv modengekoppelten faseroptischen Lasergenerator, welcher im Bereich normaler oder auch anomaler Nettodispersion betrieben wird. Ein solcher Lasergenerator umfasst mindestens ein Verstärkungsmodul, welches seinerseits eine mit einer fluoreszierenden Dotiersubstanz dotierte aktive optische Faser umfasst. Der Lasergenerator umfasst außerdem mindestens eine Pumpeinrichtung zum Einspeisen von Lichtpumpenergie in die aktive optische Faser mindestens in einen Längenabschnitt der aktiven Faser. Mit der Pumpeinrichtung wird die fluoreszierende Dotiersubstanz auf einen Laseremissionszustand angeregt, von dem die Dotiersubstanz auf einen Basiszustand fallen kann, wobei eine Lichtemission mit einer Laserwellenlänge innerhalb einer vorgegebenen Laserbandbreite und einer von der Pumpleistung abhängigen Amplitude erfolgt. Da es sich um einen Lasergenerator für einen Pulslaser handelt, erfolgt die Pulsemission nicht immer bei derselben Wellenlänge, sondern innerhalb eines Wellenlängenbereichs, der hier als Laserbandbreite bezeichnet wird. Laserpulse werden mit mindestens einer Auskoppeleinrichtung aus dem Lasergenerator zur weiteren Verwendung ausgekoppelt. Schließlich umfasst der Lasergenerator auch ein erstes Wellenlängenselektionsmodul und ein zweites Wellenlängenselektionsmodul. Das erste Wellenlängenselektionsmodul umfasst ein erstes wellenlängenselektives Element, das zweite Wellenlängenselektionsmodul umfasst ein zweites wellenlängenselektives Element. Das erste und das zweite wellenlängenselektive Element sind in Abhängigkeit von der Wellenlänge entweder reflexiv oder transmissiv wirkend ausgebildet. Die reflexive oder transmissive Wirkung kann dabei auf einzelne Wellenlängenbereiche, deren Eigenschaften in Abhängigkeit von den verwendeten optischen Fasern gewählt werden, beschränkt sein, oder im Extremfall auf ganze Halbräume ausgedehnt sein, wobei diese ebenfalls entsprechend in Abhängigkeit von den Eigenschaften der verwendeten Bauteile gewählt werden.
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Faserlaser eignen sich zur Realisierung von Lichtquellen mit hoher Strahlqualität von Laserpulsen bei gleichzeitig robustem Betrieb aufgrund der kompakten Abmessungen und einer Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen. In Abhängigkeit von der Leistung und dem Wellenlängenbereich für die Laserpulse ergibt sich eine Vielzahl von Anwendungsfeldern, beispielsweise in der Materialbearbeitung und in der Augenheilkunde. Hier ist beispielsweise der Bereich von Wellenlängen von mehr als 1000 nm für biologische und spektroskopische sowie materialwissenschaftliche Anwendungen besonders interessant.
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Im Stand der Technik bekannte Verfahren zum Betrieb von Puls-Faser-Lasern im Bereich der normalen Dispersion, d.h. in der Regel bei Wellenlängen von weniger als 1,3 µm, basieren üblicherweise auf aktiven oder passiven Verfahren zum Modenkoppeln. Bei aktiver Modenkopplung werden die Resonator-Verluste durch externe Modulatoren in Form von akustooptischen Modulatoren (AOM) oder elektrooptischen Modulatoren (EOM) gesteuert, ein solches Verfahren ist beispielsweise in der
DE 694 17 611 T2 beschrieben. Die Modulationsperiode ist an die Umlaufzeit der Pulse im Resonator angepasst, wobei die Umlaufzeit der Modulationsperiode oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht. Es handelt sich um nicht faserintegrierte Verfahren, aufgrund der Anstiegszeiten der Modulatoren sind diese Verfahren nicht für die Erzeugung von sehr kurzen Pulsen im Bereich von weniger als 1 ns Pulsdauer geeignet.
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Bei der passiven Modenkopplung wird kein externes Signal - wie ein Steuersignal für einen Modulator - benötigt, um Pulse zu erzeugen. Vielmehr werden hier Elemente innerhalb des Resonators verwendet, mit Hilfe derer eine Selbstamplitudenmodulation durch den - in einem zirkularen Resonator beispielsweise umlaufenden - Puls erfolgt. Dabei erfolgt eine Diskriminierung von hohen und niedrigen Intensitäten, wobei die Intensität bzw. das Quadrat der Amplitude direkt mit der Pulsdauer zusammenhängt. So hat bei gleicher Energie ein kürzerer Puls eine höhere Spitzenintensität. Erfahren nun Anteile mit geringer Spitzenintensität eine höhere Dämpfung, so führt dies dazu, dass einerseits ein gepulster Betrieb bevorzugt wird und weniger Verluste auftreten, andererseits kommt es auch zu einer Verringerung der Pulsdauer.
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Ein im Stand der Technik bekanntes Mittel, welches zur Erzeugung kurzer Pulse über passive Modenkopplung verwendet wird, sind sogenannte sättigbare Absorber, wie sie beispielsweise in der
DE 199 56 739 B4 beschrieben sind. Es handelt sich dabei um Bauteile, welche ein intensitätsabhängiges Transmissions- oder Reflexionsverhalten zeigen. So sind beispielsweise sogenannte halbleitende sättigbare Absorberspiegel (Semiconducter saturable absorber mirror, SESAM) Bauteile, welche für geringe Intensitäten eine geringere Reflexivität aufweisen als für hohe Intensitäten. Solche sättigbaren Absorber werden in Freistrahlaufbauten nach Kollimationsoptiken beispielsweise als Resonator-Endspiegel verwendet. Hauptnachteile dabei sind die langen Ansprechzeiten im Pikosekunden-Bereich, eine Erwärmung aufgrund der Absorption sowie Einschränkungen in der Leistungstauglichkeit und eine begrenzte Lebensdauer. Üblicherweise handelt es sich bei sättigbaren Absorbern um Materialien mit intensitätsabhängigen Absorptionskoeffizienten, meist wird eine Farbstofflösung verwendet, deren Absorptionsmaximum bei der Laserwellenlänge liegt. Auch dünne Schichten aus Graphen oder Kohlenstoff-Nanoröhren können als sättigbare Absorber verwendet werden, letzteres ist beispielsweise in der
EP 2 169 785 A1 beschrieben. All diesen Lösungen ist gemeinsam, dass sie weder faserintegriert sind noch eine hohe Leistungstauglichkeit und Lebensdauer aufweisen.
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Andere Verfahren basieren auf nichtlinearer Polarisationsentwicklung (NPE) wie sie beispielsweise in der
DE 11 2012 000 796 T5 und in der
DE 694 06 879 T2 beschrieben sind. Hierfür werden spezielle Fasern und üblicherweise in Freistrahloptik realisierte Polarisatoren und Polarisations-Steller benötigt. Aufgrund der Ausnutzung von Polarisationseffekten ist das Verfahren sehr anfällig gegenüber äußeren Einflüssen.
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In einem Artikel von N.A. Russo et al., „High frequency fiber laser emission generated by pump spiking“, erschienen in Optics Communications, Vol. 281, (2008), S. 3532-3537 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem Laserpulse mit Hilfe eines Erbium-dotierten Faserlasers und einer linearen Kavität, welche durch ein Paar von gleich ausgebildeten Faser-Bragg-Gittern (FBG), gebildet wird, erzeugt werden.
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Die
US 6,510,167 B1 beschreibt ein Verfahren zur Modenkopplung eines Faserlasers bei einer vorgegebenen Frequenz. Ein dotierter Abschnitt der Faser enthält an einem eingangsseitigen proximalen, der Pumpquelle zugewandten Ende ein erstes, schmalbandiges FBG, und an einem ausgangsseitigen distalen Ende ein zweites, vorzugsweise elektrooptisch abstimmbares FBG. In einer anderen Ausgestaltung können auch beide FBG elektroptisch abstimmbar ausgebildet sein.
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Neuere Verfahren zur passiven Modenkopplung von normaldispersiven Resonatoren basieren auf einer spektralen Filterung sogenannter gechirpter Pulse, wie es beispielsweise in einem Artikel von B. G. Bale et al., „Spectral filtering for high energy mode locking in normal dispersion fiber lasers“, erschienen im Jahr 2008 in J. Opt. Soc. Am. B, 2008, Vol. 25, No. 10, S. 1763ff. beschrieben wird. Durch Entfernen der kurz- und langwelligen Anteile des Spektrums, welche in diesem Fall den zeitlichen Ausläufern entsprechen, erfolgt die Pulsformung. Die verwendeten Filterelemente sind nicht faserintegriert, darüber hinaus ist ein sättigbarer Absorber zur Initiierung eines Laserpulses in der Einschwingphase notwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Lasergenerator der eingangs beschriebenen Art dahingehend weiter zu entwickeln, dass mit möglichst wenigen Elementen ein von äußeren Einflüssen weitestgehend unabhängiger Laserbetrieb möglich ist. Bevorzugt soll der Aufbau faserintegriert sein, so dass alle wesentlichen Elemente des Resonators innerhalb der Faser realisiert werden können.
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Diese Aufgabe wird für einen Lasergenerator der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass das erste wellenlängenselektive Element für einen ersten unteren Wellenlängenbereich unterhalb und für einen ersten oberen Wellenlängenbereich oberhalb einer ersten Grenzwellenlänge unterschiedlich wirkend ausgestaltet ist, das zweite wellenlängenselektive Element für einen zweiten unteren Wellenlängenbereich unterhalb und für einen zweiten oberen Wellenlängenbereich oberhalb einer zweiten Grenzwellenlänge, die größer als die erste Grenzwellenlänge ist, unterschiedlich wirkend ausgestaltet ist, und das erste wellenlängenselektive Element für den ersten unteren Wellenlängenbereich und das zweite wellenlängenselektive Element für den zweiten unteren Wellenlängenbereich unterschiedlich wirkend ausgestaltet sind, wobei der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Grenzwellenlänge in Abhängigkeit von nichtlinearen Eigenschaften der aktiven Faser vorgegeben ist und kleiner als die Laserbandbreite ist, wobei die erste und die zweite Grenzwellenlänge innerhalb der Laserbandbreite liegen, und wobei schließlich das erste und das zweite wellenlängenselektive Element zwischen den Grenzwellenlängen gleichwirkend ausgebildet und auf verschiedenen Seiten der aktiven optischen Faser angeordnet sind. Nichtlineare Eigenschaften, welche für die Wahl des Abstands zwischen den beiden Grenzwellenlängen eine Rolle spielen, sind beispielsweise die Nichtlinearität des Materials, welches für den Faserkern und für den -mantel gewählt wird, die chromatische Dispersion sowie die effektive Fläche des Lichtfeldes, welche mit dem Modenfelddurchmesser zusammenhängt und über den Kerndurchmesser sowie die Brechzahldifferenz zwischen Kern und Mantel beeinflusst werden kann. Die nichtlinearen Eigenschaften selbst wiederum lassen sich durch entsprechendes Faserdesign festlegen bzw. beeinflussen.
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Beide Wellenlängenselektionsmodule sind auf verschiedenen Seiten der aktiven Faser angeordnet und bilden so den Resonator zwischen ihnen aus. Mit der beschriebenen speziellen spektralen Filterung und unter Ausnutzung der nichtlinearen spektralen Pulsverbreiterung aufgrund der Selbstphasenmodulation (SPM) lässt sich erreichen, dass im Lasergenerator nur Pulse, die eine ausreichend große spektrale Verbreiterung - abhängig von der Spitzenintensität und damit der Pulsdauer - erfahren haben, die spektral zueinander verschobenen wellenlängenselektiven Elemente „sehen“, d.h. mit ihnen in Wechselwirkung treten. Der Aufbau lässt sich allein mit passiven Bauelementen - auch bei der aktiven Faser handelt es sich in diesem Sinn um ein passives Bauelement - realisieren und ist polarisationsunabhängig. Da sich für den Aufbau Standardbauteile verwenden lassen, kann der Aufbau auf sehr kostengünstige Weise realisiert werden. Alternativ kann der Resonator auch polarisationserhaltend ausgestaltet werden.
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Als Grenzwellenlänge wird dabei die Wellenlänge bezeichnet, bei der sich die dominierende Eigenschaft des wellenlängenselektiven Elements ändert, d.h. von überwiegend transmissiv zu überwiegend reflexiv oder umgekehrt. Bei Kantenfiltern ist diese Grenzwellenlänge genau festgelegt, sie entspricht der Kante. Bei sich kontinuierlich ändernder Filterwirkung entspricht die Grenzwellenlänge dem Wert, bei dem die Eigenschaft des wellenlängenselektiven Elements von stärker reflexiv auf stärker transmissiv bzw. umgekehrt umspringt. Im Idealfall ist bei einem solchen Kantenverlauf der Filter bei der Grenzwellenlänge zu 50% reflektierend und zu 50% transmittierend. Der Bereich, in welchem sich die Eigenschaft des wellenlängenselektiven Elements von reflexiv auf transmissiv ändert, kann bei kontinuierlichem Verlauf auch als Grenzwellenlängenbereich um diese Grenzwellenlänge ausgelegt sein. Dabei kann das wellenlängenselektive Element auch so ausgestaltet sein, dass es nicht zu 100% reflexiv oder transmissiv ist, sondern nur überwiegend die eine oder andere Eigenschaft aufweist. Beispielsweise ist es möglich, das Element mit einer nur 80%-90%igen reflexiven bzw. transmissiven Wirkung auszugestalten, um beispielsweise ein breiteres Spektrum auskoppeln und einen kürzeren Puls erzeugen zu können.
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Dabei müssen die wellenlängenselektiven Elemente so beschaffen sein, dass die beiden Grenzwellenlängen im Bereich der Laserbandbreite liegen, da ansonsten ein Anschwingen des Lasers, d.h. ein Übergang vom Betrieb spontaner Emission zum gepulsten Betrieb und ein anschließender Betrieb als Resonator, aufgrund fehlender spektraler Überlappung, nicht stattfinden kann. Dabei muss der Abstand zwischen den beiden Grenzwellenlängen so gewählt werden, dass die Laserpulse, die der Applikation zugeführt werden sollen, ausgekoppelt werden können, so dass nur ein kleiner Teil - beispielsweise bezogen auf die Breite des Spektrums 10% - je nach Ausgestaltung des Resonators reflektiert bzw. transmittiert wird und als sogenanntes Feedback im Resonator verbleibt und zum Aufbau eines neuen Pulses dient. Definiert man als Laserbandbreite denjenigen Bereich, in welchem in der Faser eine von Null verschiedene Intensität auch bei spektraler Verbreiterung auftreten kann, so ist eine Wechselwirkung eines verbreiterten Pulses mit dem jeweiligen wellenlängenselektiven Element möglich. In jedem Falle ist es wesentlich, dass sich das erste und das zweite wellenlängenselektive Element zwischen den beiden Grenzwellenlängen gleich verhalten, also in dem Bereich zwischen den beiden Grenzwellenlängen entweder beide reflexiv oder beide transmissiv sind.
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Der Lasergenerator lässt sich dann auf verschiedene Weisen realisieren, mit Single-Mode- und Multi-Mode-Fasern, als zirkular aufgebauter Resonator mit einer Ringstruktur oder als linearer Resonator. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Lasergenerator linear aufgebaut, besonders bevorzugt ist das erste wellenlängenselektive Element für den ersten unteren Wellenlängenbereich reflexiv wirkend ausgestaltet. Entsprechend der oben genannten Vorschrift ist es dann für den ersten oberen Wellenlängenbereich transmissiv wirkend ausgebildet und entsprechend ist das zweite wellenlängenselektive Element für den zweiten unteren Wellenlängenbereich transmissiv und für den zweiten oberen Wellenlängenbereich reflexiv ausgestaltet. Diese Art der Ausgestaltung der wellenlängenselektiven Elemente in den Wellenlängenselektionsmodulen lässt sich besonders gut für den Aufbau des Lasergenerators als linearer Resonator verwenden, da hier dann keine zusätzlichen Elemente notwendig sind, die gleichermaßen für eine Umkehrung der Eigenschaften der wellenlängenselektiven Elemente sorgen. Das erste wellenlängenselektive Element kann äquivalent auch für den ersten unteren Wellenlängenbereich transmissiv ausgestaltet sein, wenn es im ersten Wellenlängenselektionsmodul mit weiteren Bauelementen - beispielsweise einem Zirkulator - kombiniert wird, so dass insgesamt das Wellenlängenselektionsmodul für den ersten unteren Wellenlängenbereich reflexiv wirkt.
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Die gleichen wellenlängenselektiven Elemente lassen sich aber auch in einem zirkular aufgebauten Lasergenerator mit einer Ringstruktur verwenden, wobei ein solcher Lasergenerator dann mindestens ein Element zur Vorgabe einer Umlaufrichtung umfasst. Das erste und das zweite Wellenlängenselektionsmodul umfassen dann außerdem jeweils einen mit dem ersten bzw. zweiten wellenlängenselektiven Element gekoppelten Zirkulator als Element zur Vorgabe der Umlaufrichtung, welcher Licht aus dem Resonator in das jeweilige wellenlängenselektive Element weiterleitet und von diesem reflektiertes Licht in die Ringstruktur in Umlaufrichtung des Pulses zurückkoppelt. Er wirkt in diesem Fall als Isolator. Alternativ kann auch ein Faserkoppler in Kombination mit einem zusätzlichen Element - beispielsweise einem Isolator - zur Vorgabe der Umlaufrichtung verwendet werden, um das wellenlängenselektive Element mit dem Resonator zu verbinden. Auf diese Weise kann grundsätzlich mit den gleichen wellenlängenselektiven Elementen zum einen ein linearer Laserresonator und zum anderen auch ein zirkularer Laserresonator aufgebaut werden. Die wellenlängenselektiven Elemente, die Zirkulatoren und die Isolatoren sind bevorzugt als faseroptische Elemente ausgestaltet, so dass grundsätzlich keine Freistrahloptik zur Manipulation notwendig ist, was die Robustheit des Lasergenerators erhöht.
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Auf einen Zirkulator oder Faserkoppler kann in einer Ringstruktur im ersten und/oder zweiten Wellenlängenselektionsmodul verzichtet werden, wenn das erste wellenlängenselektive Element für den ersten unteren Wellenlängenbereich transmissiv wirkend und entsprechend das zweite Wellenlängenselektionsmodul für den zweiten oberen Wellenlängenbereich transmissiv ausgestaltet ist. Sollte in keines der beiden Wellenlängenselektionsmodule ein Zirkulator als Element zur Vorgabe einer Umlaufrichtung integriert sein, so ist ein Isolator in der Ringstruktur als ein solches zu verwenden. Vorzugsweise wird als Element zur Vorgabe der Umlaufrichtung in einem solchen Aufbau daher ein Isolator zur Vorgabe der Umlaufrichtung verwendet.
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Das erste und / oder das zweite wellenlängenselektive Element können beispielsweise als faserexterne Bauelemente, bevorzugt als Beugungsgitter oder als Stapel dielektrischer Schichten ausgebildet sein. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind jedoch das erste und / oder das zweite wellenlängenselektive Element als faserintegrierte Bauelemente ausgestaltet, besonders bevorzugt als Faser-Bragg-Gitter (FBG), als gechirptes FBG oder als Array von FBG unterschiedlicher Gitterperioden. Ein solcher Aufbau ist besonders robust und einfach, dadurch ist eine kostengünstige Herstellung möglich. Da die Bauelemente faserintegriert sind, müssen sie nicht gesondert justiert oder später nachjustiert werden, es sind höhere Leistungen möglich, da Verluste aufgrund von Ein- und Auskopplung in Freistrahloptiken vermieden werden können. Auch für einen zirkularen Aufbau mit einer Ringstruktur können dann faseroptische Zirkulatoren und Isolatoren verwendet werden, so dass hier - abgesehen von Ein- und Auskopplung in den Zirkulator bzw. Isolator - keine weiteren, faserexternen Bauelemente notwendig sind.
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Bei einem einfachen FBG sollte die Grenzwellenlänge innerhalb der Laserbandbreite so gewählt werden, dass im Falle eines linear aufgebauten Lasergenerators der Anteil des reflektierten Signals bzw. im Falle eines zirkularen Resonators des transmittierten Teils maximiert wird. Bei einem einfachen FBG lässt sich dies beispielsweise über die Länge des FBG entlang der Faser bis zu einem gewissen Grad steuern.
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Die spektrale Breite der Filterwirkung der wellenlängenselektiven Elemente lässt sich erhöhen, wenn man sie als gechirptes Faser-Bragg-Gitter ausgestaltet. Hier erfolgt längs der Faserrichtung eine kontinuierliche und monotone Variation der Filterwellenlänge zu immer kleineren bzw. immer größeren Werten. Auf diese Weise lässt sich das vom FBG reflektierte Signal maximieren. Sind die wellenlängenselektiven Elemente transmissiv ausgestaltet, so kann auch ein Array von Faser-Bragg-Gittern verwendet werden. Werden die Mittenwellenlängen der zu filternden Wellenlängen nahe genug beieinander gewählt, so erhält man eine Vielzahl von einander überlappenden Wellenlängenbereichen, für welche Wellenlängen, die in diesen Bereich fallen, reflektiert werden. Um die Laufzeitunterschiede der verschiedenen Wellenlängen und damit eine Änderung der Pulsdauer durch das Gitter zu verringern, sollte die Länge der Gitter möglichst kurz sein, so dass ein gechirptes FBG hier die größten Vorzüge bietet, eine breite Filterwirkung auf kürzester Länge.
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Bevorzugt sind das erste und das zweite Wellenlängenselektionsmodul als Bandfilter oder als Kantenfilter ausgebildet und beispielsweise nur für den Bereich der Laserbandbreite wirksam, wobei die Laserbandbreite in der Regel jedoch wesentlich größer als der Bereich zwischen den beiden Grenzwellenlängen ist.
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Zur Pulserzeugung über Modenkopplung ist es notwendig, dass sich die Pulse, abhängig von ihrer Spitzenintensität und damit der Pulsdauer ausreichend spektral verbreitern, was prinzipiell auch in der aktiven optischen Faser erfolgen kann, sofern diese lang genug ist. Vorteilhaft weist jedoch das Verstärkungsmodul mindestens eine der aktiven optischen Faser in Laufrichtung eines Laserpulses nachgeordnete passive optische Faser auf, welche mit der aktiven optischen Faser gekoppelt, bevorzugt verspleißt ist. Auch eine Freistrahlkopplung ist prinzipiell möglich. Diese passive optische Faser kann dann speziell an die gewünschten Eigenschaften, nämlich eine spektrale Verbreiterung eines Lichtpulses zu erzielen, angepasst werden. Um den Effekt der nichtlinearen spektralen Verbreiterung aufgrund von Selbstphasenmodulation zu unterstützen, sollte das Design der Faser so gewählt werden, dass es eine möglichst große Nichtlinearität aufweist. Dies kann beispielsweise mittels kleiner Faserkerne erfolgen, um hohe Leistungsdichten zu erreichen, oder aber durch die Verwendung spezieller Materialien mit höherer Nichtlinearität - beispielsweise Gläser auf Basis von Chalkogeniden und Telluriten - als bei den aktiven Fasern oder auch mittels einer Kombination der beiden Möglichkeiten. Wird eine passive Faser wie vorangehend beschrieben verwendet, so ist sie Teil des Resonators. In diesem Fall sind die oben beschriebenen Grenzwellenlängen dann außerdem auch in Abhängigkeit von nichtlinearen Eigenschaften der mindestens einen passiven optischen Faser vorgegeben.
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Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
- 1a den prinzipiellen Aufbau eines passiv modengekoppelten faseroptischen Lasergenerators in einer linearen Ausführung,
- 1b den prinzipiellen Aufbau eines solchen Generators mit einer Ringstruktur,
- 2 einen linearen, im Wesentlichen faserintegrierten Lasergenerator,
- 3 einen alternativen Mechanismus zur Ein- und Auskopplung von Licht,
- 4 ein Beispiel für einen zirkularen Generator,
- 5 die wesentlichen Elemente eines linearen Resonators zur Erläuterung der Funktionsweise und
- 6 das spektrale Verhalten von Laserpulsen in Bezug auf einen Aufbau gemäß 5.
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In 1a und 1b ist zunächst der prinzipielle Aufbau eines passiv modengekoppelten faseroptischen Lasergenerators zum Betrieb zum Beispiel im Bereich normaler Dispersion bzw. normaler Nettodispersion des Resonators dargestellt. In 1a ist dieses Prinzip für einen linearen Resonator und in 1b für einen zirkularen Laserresonator dargestellt. Der Lasergenerator umfasst ein Verstärkungsmodul 1, welches seinerseits eine mit einer fluoreszierenden Dotiersubstanz dotierte aktive optische Faser 2 umfasst. Als Dotiersubstanzen kommen beispielsweise seltene Erden wie Erbium, Ytterbium, Thulium oder Kombinationen davon in Frage. Die Fasern können als Singlemode-Fasern oder als Multimode-Fasern ausgelegt sein. Der Lasergenerator verfügt außerdem über mindestens eine Pumpeinrichtung 3 zum Einspeisen von Lichtpumpenergie in die aktive optische Faser 2, mindestens in einen Längsabschnitt der aktiven optischen Faser 2 im Resonator, zur Anregung der fluoreszierenden Dotiersubstanz auf einen Laseremissionszustand, von dem die Dotiersubstanz auf einen Basiszustand fallen kann, wobei eine Lichtemission mit einer Laserwellenlänge innerhalb einer vorgegebenen Laserbandbreite und einer von der Pumpleistung abhängigen Amplitude erfolgt. Da es sich um einen Lasergenerator im Pulsbetrieb handelt, lässt sich die Wellenlänge eines Pulses nur innerhalb einer u.a. von der Dauer und der Form des Pulses abhängigen Laserbandbreite festlegen. Außerdem umfasst der Lasergenerator mindestens eine Auskoppeleinrichtung 4 zur Auskopplung von Laserpulsen, die dann einer Applikation beispielsweise im medizinischen Bereich oder im materialverarbeitenden Bereich zugeführt werden können.
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Schließlich umfasst der Lasergenerator ein erstes Wellenlängenselektionsmodul 5 sowie ein zweites Wellenlängenselektionsmodul 6. Das erste Wellenlängenselektionsmodul 5 umfasst seinerseits ein erstes wellenlängenselektives Element 7 und das zweite Wellenlängenselektionsmodul 6 umfasst seinerseits ein zweites wellenlängenselektives Element 8. Das erste und das zweite wellenlängenselektive Element sind in Abhängigkeit von der Wellenlänge entweder reflexiv oder transmissiv wirkend ausgebildet, es handelt sich also um spektrale Filter.
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Die wellenlängenselektiven Elemente können dabei auf verschiedene Weise realisiert werden. Wesentlich dabei ist, dass die beiden wellenlängenselektiven Elemente unterschiedlich sind, d.h. ihre spektralselektierende Wirkung in verschiedenen Spektralbereichen entfalten. Genauer ist das erste wellenlängenselektive Element 7 für einen ersten unteren Wellenlängenbereich unterhalb und einen ersten oberen Wellenlängenbereich oberhalb einer ersten Grenzwellenlänge λ1 unterschiedlich wirkend ausgestaltet. Ebenso ist das zweite wellenlängenselektive Element 8 für einen zweiten unteren Wellenlängenbereich unterhalb und einen zweiten oberen Wellenlängenbereich oberhalb einer zweiten Grenzwellenlänge λ2, die größer als die erste Grenzwellenlänge λ1 ist, unterschiedlich wirkend ausgestaltet. Der Abstand zwischen der ersten Grenzwellenlänge λ1 und der zweiten Grenzwellenlänge λ2 ist dabei in Abhängigkeit von den nichtlinearen Eigenschaften der aktiven Faser bzw. von der auftretenden Pulsverbreiterung vorgegeben. Sollen zusätzlich passive Fasern verwendet werden, so sind deren nichtlineare Eigenschaften ebenfalls zu berücksichtigen. Die erste und die zweite Grenzwellenlänge λ1, und λ2 liegen innerhalb der Laserbandbreite, d.h. dass dort, wo die wellenlängenselektiven Elemente 6 und 8 ihre Wirkung entfalten, in der Regel auch mit spektralen Anteilen eines - ggf. verbreiterten - Pulses zu rechnen ist. Zwischen der ersten und der zweiten Grenzwellenlänge λ1 und λ2 sind beide wellenlängenselektiven Elemente 7 und 8 so aufeinander abgestimmt, dass sie zwischen diesen Grenzwellenlängen gleichwirkend ausgebildet sind, d.h. entweder beide reflexiv oder beide transmissiv.
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Mit Hilfe einer solchen Konfiguration lässt sich ein gepulster Laserbetrieb erreichen, wie er später auch im Zusammenhang mit 5 und 6 genauer beschrieben wird. Ggf. kann in den Lasergenerator auch ein Initialisierungselement wie ein sättigbarer Absorber integriert sein um den Pulsbetrieb des Resonators zu initiieren.
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Der Abstand zwischen den beiden Grenzwellenlängen ist zwar von den nichtlinearen Eigenschaften der aktiven bzw. passiven Fasern abhängig bzw. sollte an deren Eigenschaften angepasst sein, beträgt in der Regel jedoch nicht mehr als 10 nm. Bevorzugt liegt der Abstand zwischen der ersten Grenzwellenlänge λ1 und der zweiten Grenzwellenlänge λ2 zwischen 1 nm und 5 nm, hier ist ein besonders effizienter Betrieb möglich.
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Im hier gezeigten Beispiel ist das erste wellenlängenselektive Element 7 für den ersten unteren Wellenlängenbereich reflexiv wirkend ausgestaltet, entsprechend ist das zweite wellenlängenselektive Element 8 für den zweiten oberen Wellenlängenbereich ebenfalls reflexiv wirkend ausgestaltet. Im ersten oberen Wellenlängenbereich und im zweiten unteren Wellenlängenbereich sind beide wellenlängenselektiven Elemente 6 und 8 transmissiv wirkend ausgestaltet. Dies ermöglicht beispielsweise eine Einkopplung und eine Auskopplung auch außerhalb des Laserresonators, die Faser kann also wie in 1a gezeigt, außerhalb des ersten Wellenlängenselektionsmoduls 5 und des zweiten Wellenlängenselektionsmoduls 6 weitergeführt - beispielsweise mit sogenannten LMA-Fasern (large-mode-area-Fasern), um Spitzenintensitäten zu senken und folglich nichtlineare Effekte zu verringern - werden. In dem in 1a gezeigten linearen Aufbau des Lasergenerators kann die Auskoppeleinrichtung 4 also entsprechend auch mit dem einem der wellenlängenselektiven Elemente zusammenfallen, beispielsweise mit dem Ausgang eines Faser-Bragg-Gitters.
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In 1b ist das Prinzip des Aufbaus nochmals für einen zirkular mit einer Ringstruktur aufgebauten Lasergenerator dargestellt. Ein solcher zirkular aufgebauter Lasergenerator verfügt typischerweise über mindestens ein Element zur Vorgabe einer Umlaufrichtung, welches in Abhängigkeit von der Ausgestaltung der wellenlängenselektiven Elemente vorzugsweise entweder - im Falle eines im ersten unteren Wellenlängenbereich reflexiv wirkenden wellenlängenselektiven Elements - als Zirkulator oder - im Falle eines im ersten unteren Wellenlängenbereich transmissiv wirkenden wellenlängenselektiven Elements als Isolator ausgestaltet ist. Hier ist das Element zur Vorgabe einer Umlaufrichtung als Isolator ausgestaltet und in das erste Wellenlängenselektionsmodul 5 oder in das zweite Wellenlängenselektionsmodul 6 integriert, auch in beiden Wellenlängenselektionsmodulen 5, 6 können entsprechende Isolatoren angeordnet sein. Ein Isolator kann auch an anderer Stelle im Ringaufbau integriert werden, beispielsweise zwischen dem Verstärkungsmodul 1 und dem ersten oder zweiten Wellenlängenselektionsmodul 5 bzw. 6, oder auch im Verstärkungsmodul 1. Das erste wellenlängenselektive Element 7 ist dann für den ersten unteren Wellenlängenbereich transmissiv wirkend ausgestaltet, entsprechend für den zweiten unteren Wellenlängenbereich reflexiv. Das zweite wellenlängenselektive Element 8 ist dann für den zweiten unteren Wellenlängenbereich ebenfalls reflexiv und für den zweiten oberen Wellenlängenbereich transmissiv wirkend ausgestaltet. Alternativ können auch die im Zusammenhang mit 1a beschriebenen ersten und zweiten wellenlängenselektiven Elemente 7 und 8 verwendet werden, wenn das erste Wellenlängenselektionsmodul 5 und das zweite Wellenlängenselektionsmodul 6 jeweils ein mit dem ersten bzw. zweiten wellenlängenselektiven Element 7 oder 8 gekoppeltes Element zur Vorgabe einer Umlaufrichtung umfassen, in einer bevorzugten Ausführung handelt es sich hierbei um einen Zirkulator, welcher vom jeweiligen wellenlängenselektiven Element reflektiertes Licht in die Ringstruktur weiterleitet und von diesem transmittiertes Licht blockiert bzw. aus der Ringstruktur ableitet.
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Während die Verbreiterung aufgrund nichtlinearer Effekte grundsätzlich bei entsprechender Länge auch in der aktiven optischen Faser 2 erreicht werden kann, ist es vorteilhaft, für diese Zwecke passive optische Fasern zu verwenden. Ein solcher Aufbau ist für einen linearen Resonator beispielhaft in 2 dargestellt. Das Verstärkungsmodul 1 umfasst in diesem Fall mindestens eine der aktiven optischen Faser 2 in Laufrichtung eines Laserpulses nachgeordnete passive optische Faser 9. Diese ist mit der aktiven optischen Faser 2 verbunden, bevorzugt verspleißt, um die Verluste so gering wie möglich zu halten und Änderungen in der Kopplung durch äußere Einflüsse so weit wie möglich auszuschließen. Da im linearen Resonator die Pulse in beide Richtungen laufen können, ist auf jeder Seite der aktiven optischen Faser 2 eine passive optische Faser 9, eine passive optische Faser 9a zwischen der aktiven optischen Faser 2 und dem ersten Wellenlängenselektionsmodul 5 und eine passive optische Faser 9b zwischen der aktiven optischen Faser 2 und dem zweiten Wellenlängenselektionsmodul 6 angeordnet. Der Abstand zwischen der ersten Grenzwellenlänge λ1 und der zweiten Grenzwellenlänge λ2 ist dann nicht nur in Abhängigkeit von den nichtlinearen Eigenschaften der aktiven optischen Faser 2 bzw. von der auftretenden Pulsverbreiterung, sondern auch von den nichtlinearen Eigenschaften der passiven optischen Faser 9, 9a bzw. 9b vorgeben.
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Für die Funktion des Resonators ist es vorteilhaft, wenn er symmetrisch aufgebaut ist. Aus diesem Grund sollten die Längen der passiven optischen Fasern 9a, 9b beiderseits der aktiven optischen Faser 2 identisch sein, auch identische Materialen sollten bevorzugt verwendet werden, auch wenn dies nicht unbedingt nötig ist, da der Resonator auch dann funktioniert, wenn die passiven optischen Fasern 9a, 9b unterschiedlich lang und/oder aus unterschiedlichen Materialen bestehen. Um den Effekt der nichtlinearen spektralen Verbreiterung aufgrund von Selbstphasenmodulationen (SPM) zu unterstützen, sind die passiven optischen Fasern 9a, 9b so zu wählen, dass sie eine möglichst große Nichtlinearität aufweisen, die größer sein sollte als bei der aktiven optischen Faser 2, um gegenüber dieser Länge zu sparen. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem die Kerndurchmesser für die passiven optischen Fasern 9a, 9b möglichst klein gewählt werden. Die Wahl der Kerndurchmesser hängt auch von der Wellenlänge der Laserstrahlung ab. Üblich sind beispielsweise Kerndurchmesser von 6,5 µm bei einer Wellenlänge von 1 µm oder 8 µm bei einer Wellenlänge von 1,5 µm. Hier besonders geeignet sind jedoch passive optische Fasern mit etwas kleineren Durchmessern, beispielsweise von 3 µm bei einer Wellenlänge von 1 µm. Alternativ oder ergänzend können für die passiven optischen Fasern 9a, 9b auch spezielle Materialien mit höherer Nichtlinearität als für die aktive optische Faser 2 verwendet werden. Während als Material für den Fasermantel beispielsweise sowohl für die aktive als auch die passive Faser undotiertes SiO2 verwendet werden kann, unterscheiden sich die Kerne in ihrer Dotierung. Auch hier kann man als Basismaterial SiO2 verwenden, welches im Falle der aktiven Faser dann beispielsweise mit Yb und AI dotiert wird und im Falle der passiven Faser mit Ge. Auch Tellurite oder Chalkogenide sind als Material möglich, Kern- und Mantelmaterial werden dann ebenfalls entsprechend in der Zusammensetzung variiert um den Wellenleiter zu bilden. Auch die Verwendung von Fasern mit anderen Geometrien, beispielsweise von mikrostrukturierten Fasern, ist eine naheliegende Möglichkeit. Beispielsweise können die aktive optische Faser 2 und die passiven optischen Fasern 9a, 9b so gewählt werden, dass sie alle einen Modenfelddurchmesser von 6 µm aufweisen, wobei die aktive optische Faser beispielsweise eine Länge von 15 m und jedes Stück der passiven optischen Fasern 9a, 9b eine Länge von 50 m haben kann, wobei diese Werte nur zur Orientierung bezüglich der Größenordnung dienen. Im hier gezeigten Beispiel umfasst der lineare Resonator auch eine Pumpeinrichtung 3 sowie eine Auskoppeleinrichtung 4. Die aktive optische Faser 2 kann beispielsweise über den Mantel gepumpt werden mit einem Durchmesser des Pumpkerns von 125 µm, wobei die aktive Faser 2 mit Ytterbium dotiert sein kann. Diese Werte sind nur beispielhaft zu verstehen und es sind selbstverständlich auch alle anderen Konfigurationen möglich, bei denen Faserlaser typischerweise betrieben werden können.
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In dem in 2 gezeigten Beispiel sind das erste wellenlängenselektive Element 7 und das zweite wellenlängenselektive Element 8 als faserintegrierte Bauelemente ausgestaltet, hier als Faser-Bragg-Gitter (FBG). Dabei ist es ausreichend, relativ schmalbandige Filter zu verwenden um ein genügendes Feedback für den Resonator zur Verfügung zu stellen. Im Bereich der Wellenlängen um 1 µm kann beispielsweise das erste wellenlängenselektive Element 7 mit einer Mittenwellenlänge von 1.062,5 nm und einer Halbwertsbreite (FWHM) von 2,0 nm verwendet werden. Für das zweite wellenlängenselektive Element 8 kann ein FBG mit einer Mittenwellenlänge von 1.065,5 nm verwendet werden und ebenfalls einer Breite von 2,0 nm. Die erste Grenzwellenlänge beträgt dann λ1 = 1.063,5nm und die zweite Grenzwellenlänge beträgt λ2 = 1.064,5nm. Der Abstand zwischen den beiden Grenzwellenlängen beträgt also 1,0 nm. Die Festsetzung der Grenzwellenlängen erfolgt hier in einem gewissen Maße willkürlich, da die Reflexion im Kantenbereich nicht vollständig ist bzw. die Kante nicht im mathematischen Sinne singulär ist. Oberhalb der Halbwertsbreite ist jedoch das FBG überwiegend reflexiv und im unteren Bereich überwiegend transmissiv. Bei der Halbwertsbreite halten sich Transmission und Reflexion die Waage, so dass diese Wellenlänge als Grenzwellenlänge definiert wird, bei der ein Wechsel von überwiegender Reflexion zu überwiegender Transmission bzw. umgekehrt erfolgt.
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Um die Effektivität zu erhöhen und einen größeren Anteil des verbreiterten Spektrums zu reflektieren, kann anstelle eines einzelnen FBG auch ein gechirptes Faser-Bragg-Gitter verwendet werden, im Falle eines im ersten unteren Wellenlängenbereich transmissiv wirkenden ersten wellenlängenselektiven Elements auch ein Array von Faser-Bragg-Gittern in Kombination mit einem Zirkulator. Die Breiten der Bereiche lassen sich dann auch wesentlich vergrößern, beispielsweise lassen sich mit einem gechirpten FBG ohne weiteres Spektralbereichsbreiten von 5-10 nm erzielen, innerhalb derer das wellenlängenselektive Element reflexiv wirkt. Ein solcher Spektralverlauf ist beispielsweise in 1a im Zusammenhang mit dem ersten und dem zweiten wellenlängenselektiven Element 7 bzw. 8 prinzipienhaft dargestellt.
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Der Vorteil einer Ausgestaltung der wellenlängenselektiven Elemente 7 und 8 als FBG liegt darin, dass dann eine faserintegrierte Bauweise möglich ist, die auf eine Justierung oder auch Nachjustierung während des Betriebs verzichten kann. Jedoch sollte die Gesamtlänge der Gitter entlang der Faser möglichst kurz - nicht länger als 1 cm - sein, um Laufzeitunterschiede der verschiedenen Wellenlängen und damit eine Änderung der Pulsdauer durch das Gitter so gering wie möglich zu halten. Mittels gechirpter FBG lässt sich außerdem das Dispersionsmanagement im Resonator unterstützen.
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Anstelle einer mantelgepumpten Struktur in der aktiven optischen Faser 2 zur Verstärkung des geführten Lichts kann auch eine angepasste kerngepumpte Struktur verwendet werden. Die Strukturen sind dabei auch an die passiven optischen Fasern 9, 9a, 9b hinsichtlich Modenfeld bzw. Modenfelddurchmesser angepasst, sofern solche passive Fasern verwendet werden. Das Pumplicht kann über faserbasierte WDM-Koppler (Wavelength-Division-Multiplexing-Koppler) zugeführt werden, über gleichartige Koppler - sogenannte Tap-Koppler, die in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich die auftreffende Leistung in einem bestimmten Verhältnis auf zwei Ausgänge aufteilen - kann auch das gepulste Licht ausgekoppelt werden. Bei dem in 2 gezeigten Aufbau erfolgt die Einkopplung des Pumplichts zwischen der linksseitigen passiven optischen Faser 9a und der aktiven Faser 2, sie kann auch alternativ zwischen dem ersten Wellenlängenselektionsmodul 5 und der passiven optischen Faser 9a erfolgen, oder aber beispielsweise auch von außerhalb des Resonators durch das erste Wellenlängenselektionsmodul 5 oder das zweite Wellenlängenselektionsmodul 6, wenn diese für die entsprechende Wellenlänge nicht reflexiv sind. Für Faser-Bragg-Gitter mit den oben genannten Eigenschaften im Bereich um 1.060 nm kann ein Pumpen der aktiven Faser beispielsweise durch Kernpumpen mit 500 mW bei einer Wellenlänge von 976 nm durch das Gitter hindurch erfolgen, die Länge der aktiven Faser ist entsprechend der Pumpabsorption anzupassen. Das FBG ist für diese Wellenlänge transmissiv. An den gleichen Stellen kann auch Licht ausgekoppelt werden, dann jedoch mit der umgekehrten Laufrichtung, das heißt, beispielsweise aus dem ersten Wellenlängenselektionsmodul 5 heraus. Genauso ist die Einkopplung auch auf der anderen Seite der aktiven Faser, ebenfalls mit umgekehrter Laufrichtung möglich, beispielsweise durch ein als FBG ausgestaltetes zweites wellenlängenselektives Element 8 im zweiten Wellenlängenselektionsmodul 6. Auch die Auskopplung kann entsprechend an diesen Stellen erfolgen.
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Erfolgt die Ein- und Auskopplung von Pumplicht bzw. Anwendungslicht durch die beiden wellenlängenselektiven Elemente 7 und 8 hindurch, so kann auch eine außerhalb des Resonators, in Bezug auf 2 beispielsweise links des ersten Wellenlängensektionsmoduls 5 oder rechts des zweiten Wellenlängenselektionsmoduls 6 angeordnete Freistrahloptik verwendet werden, wie sie in 3 beispielhaft für eine Ankopplung an die durch das erste Wellenlängenselektionsmodul 5 durchtretende Faser geeignet ist. Über ein Linsensystem aus Linsen 10 und einem Strahlteiler 11, beispielsweise einem dichroitischen Spiegel, wird Pumplicht 10 in den Laserresonator ein- und Signallicht aus dem Laserresonator ausgekoppelt.
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In 4 ist ein beispielhafter Aufbau für einen Lasergenerator mit einem zirkularen Laserresonator gezeigt, die Umlaufrichtung ist durch den kreisförmigen Pfeil in der Mitte dargestellt. Da die Pulse hier nur in eine Richtung laufen, wird nur eine passive Faser 9 in jedem Verstärkermodul 1 benötigt, sie ist entsprechend der aktiven optischen Faser 2 in Laufrichtung nachgeordnet und mit der aktiven optischen Faser 2 verspleißt. Als erstes wellenlängenselektives Element 7 und als zweites wellenlängenselektives Element 8 werden wiederum Faser-Bragg-Gitter verwendet, die somit in die Faser integriert sind. Werden hier die Gitter mit den gleichen Spezifikationen wie in Bezug auf 2 verwendet, so erfolgt ihre Integration in die Ringstruktur beispielsweise mit Hilfe von Zirkulatoren 12, wie sie bereits im Zusammenhang mit 1b beschrieben wurden. Die Ringstruktur kann außerdem noch mindestens einen Isolator 13 enthalten, der die Umlaufrichtung definiert. Dieser kann an einer beliebigen Stelle im Ringresonator angeordnet sein. Beispielsweise kann er aber auch bereits Teil des Wellelängenselektionsmoduls sein, wie am Beispiel des zweiten Wellenlängenselektionsmoduls 6 in 4 gezeigt. Bei Verwendung von Zirkulatoren geben diese bereits die Laufrichtung der Pulse vor und ein Isolator ist nicht mehr zwingend erforderlich. Anstelle eines Zirkulators ist auch die Verwendung eines Faserkopplers 14 möglich, wie im Zusammenhang mit dem zweiten Wellenlängenselektionsmodul 6 gezeigt. Über den Faserkoppler 14 wird ein Teil des Lichts auf das zweite wellenlängenselektive Element 8 und der übrige Teil auf die Auskoppeleinrichtung 4 gelenkt; eine solche ist auch dem ersten wellenlängenselektiven Element 7 im ersten Wellenlängenselektionsmodul 5 nachgeordnet. Über die Länge des Kopplungsbereichs der Fasern lässt sich einstellen, welcher Anteil des - in der Zeichnung von unten kommenden - Lichts auf die Auskoppeleinrichtung 4 und welcher auf das zweite wellenlängenselektive Element 8 gelenkt wird. Beispielsweise kann ein Anteil von 90% ausgekoppelt und einer Anwendung zugeführt werden, während ein Anteil von 10% für die Generierung des nächsten Pulses verwendet wird. Vom zweiten wellenlängenselektiven Element entgegen der Laufrichtung eingekoppeltes Licht wird durch den Isolator 13 blockiert.
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Das erste und das zweite Wellenlängenselektionsmodul 5 bzw. 6 können auch als Bandfilter oder als Kantenfilter ausgebildet sein.
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Selbstverständlich lassen sich das erste Wellenlängenselektionsmodul 5 und das zweite Wellenlängenselektionsmodul 6 auch mit Hilfe von faserexternen Bauelementen herstellen, beispielsweise als Beugungsgitter oder als Stapel dielektrischer Schichten. Da jedoch die faserintegrierte Lösung aufgrund ihres robusten und einfachen Aufbaus sowie der kostengünstigen Herstellung zu bevorzugen ist, wurde auf eine zeichnerische Darstellung einer Realisierung mit faserexternen Bauelementen verzichtet.
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Anhand der 5 und 6 soll die Funktionsweise eines solchermaßen aufgebauten Laserresonators als Teil eines Lasergenerators erläutert werden. In 5 ist zunächst noch einmal der Aufbau eines linearen Resonators skizzenhaft dargestellt, die umlaufende Pfeilrichtung deutet den sich wiederholenden Zyklus der Laserpulserzeugung an, wobei hier die Pulse in beiden Richtungen zwischen dem ersten wellenlängenselektiven Element 7 und dem zweiten wellenlängenselektiven Element 8 hin und her laufen. Die Großbuchstaben beziehen sich auf spektrale Ereignisse, die in 6 mit entsprechender Notation dargestellt sind und entsprechend dem gezeigten Umlauf auftreten.
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Beim Beginn des Pumpvorgangs in die aktive optische Faser 2 kommt es zunächst aufgrund von verstärkter spontaner Emission zur Ausbildung eines breitbandigen Spektrums. Die Pumprichtung soll dabei ohne Beschränkung der Allgemeinheit der Richtung vom ersten wellenlängenselektiven Element 7 zum zweiten wellenlängenselektiven Element 8 entsprechen. Beide wellenlängenselektiven Elemente 7 und 8 sind hier als gechirptes Faser-Bragg-Gitter ausgestaltet. Ein Teil des breitbandigen Spektrums wird vom zweiten wellenlängenselektiven Element 8 reflektiert und nach Durchlaufen der rechtsseitigen passiven optischen Faser 9b auf dem Rückweg in der aktiven optischen Faser 2 verstärkt.
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Dieser verstärkte spektrale Anteil durchläuft nun die linksseitige passive optische Faser 9a und trifft auf das erste wellenlängenselektive Element 7. Aufgrund des für verstärkte spontane Emission typischen, zeitlich kontinuierlichen Betriebs erfolgt keine spektrale Verbreiterung, da die Spitzenintensität in diesem Fall zu gering ist. Es findet daher keine Wechselwirkung mit dem ersten wellenlängenselektiven Element 7 statt, da aufgrund der fehlenden spektralen Verbreiterung keine Überlappung zwischen dem Spektrum des Pulses und dem Reflektionsspektrum des ersten wellenlängenselektiven Elements 7 besteht. Ist das Ende der das Gitter enthaltenden Faser beispielsweise mit einem schrägen Bruch versehen, so lassen sich für diesen Aufbau störende Rückreflexe von dieser Endfläche vermeiden und es fehlt ein Feedback für den Resonator. Es findet dann kein Laserbetrieb statt, weder mit kontinuierlichen Wellen noch mit langen Pulsen.
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Wird die Pumpleistung erhöht, so kommt es zum sogenannten Spiking in der Einschwingphase, wobei der Laser eine chaotische Folge kurzer und spektral schmalbandiger Lichtpulse, sogenannte Spikes aussendet, die sich der verstärkten spontanen Emission überlagern. Überschreitet einer dieser Spikes die notwendige Schwellleistung, welche von Pulsdauer und -energie abhängt, so erfährt der Laserresonator über die spektrale Verbreiterung eine Rückkopplung und es kommt zum gepulsten Laser-Betrieb. Das Anschwingen dieses Vorgangs wird im Folgenden anhand von 6 erläutert.
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Ein von der Wellenlänge her passender Puls, ein sogenannter Spike, entsteht zufällig in der aktiven optischen Faser 2, durchläuft die passive optische Faser 9b und wird vom zweiten wellenlängenselektiven Element 8 reflektiert, da er in einem Spektralbereich liegt, in welchem das zweite wellenlängenselektive Element 8 reflektierend wirkt. In den Graphen A-L von 6 ist jeweils eine normierte Amplitude über der Wellenlänge aufgetragen, die Reflexionsspektren des ersten wellenlängenselektiven Elements 7 sind jeweils links mit gepunkteter Schraffur und die Reflexionsspektren des zweiten wellenlängenselektiven Elements 8 auf den rechten Seiten jedes Graphs mit gepunkteter Schraffur gekennzeichnet. Die senkrecht schraffierten Bereiche entsprechen jeweils dem Spektrum des Pulses zu Beginn des betrachteten Abschnitts im Umlauf, wohingegen die schwarz ausgefüllten Bereiche das Spektrum am Ende des Abschnitts qualitativ darstellen. Damit der Puls am zweiten wellenlängenselektiven Element 8 reflektiert wird, ist es notwendig, dass seine Spektralverteilung sich mit dem Reflexionsspektrum des zweiten wellenlängenselektiven Elements 8 zumindest teilweise überlappt. Der reflektierte Puls durchläuft auf dem Rückweg abermals die passive optische Faser 9b und wird in der aktiven optischen Faser 2 verstärkt. Dies entspricht dem Zustand an Punkt A in 5, die spektrale Verteilung ist in 6 im Graph A gezeigt. Durch die nun höhere Intensität kommt es während des Durchlaufens der passiven optischen Faser 9a - entsprechend Zustand B - zu einer spektralen Verbreiterung, das spektral verbreiterte Spektrum überlappt sich mit dem Reflexionsspektrum des ersten wellenlängenselektiven Elements 7 und wird dort teilweise reflektiert - vgl. Punkte C, D. Der mit senkrechter durchgezogener Linie schraffierte Bereich in Graph D verlässt den Resonator. Auch in Zustand B ist eine Auskopplung des senkrecht schraffierten Pulses möglich, allerdings nur in Form einer Teilauskopplung über Faserkoppler zur Erhaltung einer Intensität oberhalb der Schwellwertintensität, die für eine ausreichende spektrale Verbreiterung notwendig ist. Der Puls bei B kann bereits als Laserpuls verwendet werden und entweder direkt nach der Verstärkung oder nach Durchlaufen des ersten wellenlängenselektiven Elements 7 ausgekoppelt werden.
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Die spektrale Verbreiterung erfolgt aufgrund der Selbstphasenmodulation, darüber hinaus kann auch eine zeitliche Verbreiterung auftreten, welche von der Dispersion der passiven optischen Faser 9a bzw. 9b bestimmt wird. Ein kleiner Teil des verbreiterten Spektrums wird - entsprechend dem Zustand E - reflektiert und der resultierende Puls erfährt beim Rücklaufen in der passiven optischen Faser 9a eine dispersive und damit zeitliche Verbreiterung. Aufgrund der verringerten Pulsenergie und der gleichzeitigen zeitlichen Verbreiterung und damit einhergehenden geringeren Intensität ist eine spektrale Verbreiterung an diesem Punkt - Zustand E - unwahrscheinlich. In der aktiven optischen Faser 2 wird der zeitlich verbreiterte Puls nun aktiv verstärkt, so dass seine Intensität - wie in Zustand F und G gezeigt - erhöht wird. Das Intensitätsmaximum dieses Pulses liegt nun bei einer Wellenlänge, die zwar von dem ersten wellenlängenselektiven Element 7 reflektiert würde, jedoch nicht vom zweiten wellenlängenselektiven Element 8. An dieser Stelle im Resonator - im Zustand G - kann der Puls dann entsprechend ausgekoppelt und einer Verwertung zugeführt werden. Im weiteren Umlauf durchläuft der Puls noch - gezeigt in Zustand H - die passive optische Faser 9b und wird nun, da er zuvor hinreichend verstärkt wurde, erneut spektral verbreitert, um eine Überlappung mit dem Reflexionsspektrum des zweiten wellenlängenselektiven Elements 8 zu erzielen. Die spektrale Verbreiterung beim Auftreffen ist in Zustand I gezeigt. Die Überlappung mit dem zweiten wellenlängenselektiven Elemente 8 ist in Zustand J gezeigt, der schraffierte Teil verlässt ebenfalls den Resonator, der schwarz eingefärbte Teil wird reflektiert und durchläuft zunächst auf dem Rückweg wieder die passive optische Faser 9b - gezeigt im Zustand K - und wird dort aufgrund der Dispersion zeitlich verbreitert, bevor er in der aktiven optischen Faser 2 verstärkt wird - Zustand L. Der Umlauf startet von neuem und der Laserresonator befindet sich im gepulsten Betrieb. Prinzipiell ist eine Auskopplung des Laserlichts auch an anderen Stellen des Resonators denkbar, entsprechend den gewünschten zeitlichen und spektralen Parametern der Pulse.
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Anstelle zufällige Spikes zu erzeugen, die in ihrer Wellenlänge sehr unterschiedlich liegen können, kann zusätzlich zur Pumpleistung auch ein Puls passender Wellenlänge von einem externen Laser eingekoppelt werden, um den Prozess zu initiieren. Dies bietet den Vorteil, dass man nicht auf die Entstehung von zufällig für die Wellenlänge, auf die der Lasergenerator abgestimmt ist, passenden Spikes angewiesen ist.
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Der Aufbau kann vollständig faserintegriert realisiert werden, dabei ist es von Vorteil, die Faser-Bragg-Gitter in spektraler Hinsicht möglichst breit zu gestalten, um die Größe der Rückkopplung zu Maximieren und so die von der aktiven optischen Faser bereitzustellende Verstärkung reduzieren zu können. Der beschriebene Laserresonator basiert auf passiver Modenkopplung und erfordert keine externe Modulation, d.h. er ist allein mit passiven Bauelementen realisierbar, wahlweise polarisationsunabhängig oder polarisationserhaltend und kann sehr kostengünstig realisiert werden.
