DE112004000935T5

DE112004000935T5 - Abstimmbarer optischer Verstärker oder optischer parametrischer Oszillator

Info

Publication number: DE112004000935T5
Application number: DE112004000935T
Authority: DE
Inventors: John Harvey
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2006-11-09
Also published as: US20070110375A1; US7697196B2; GB2418527B; GB0524398D0; WO2004107034A1; GB2418527A

Abstract

Parametrischer Prozess zur Erzeugung sichtbaren Lichts auf einer zweiten Wellenlänge, mit folgenden Schritten:
Pumpen einer Lichtleitfaser mit Eingangslicht auf einer ersten Wellenlänge, die kleiner ist als ein Mikrometer, und länger ist als die zweite Wellenlänge, und
wobei die Lichtleitfaser eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion von Null auf einer dritten Wellenlänge aufweist, im sichtbaren oder nahen Infrarotbereich, die länger ist als die erste Wellenlänge.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Einrichtungen, die Licht von einer Wellenlänge in eine andere umwandeln, und speziell, jedoch nicht ausschließlich, einen optischen parametrischen Oszillator auf Grundlage einer Photonen-Quarzlichtleitfaser, der rotes Licht oder Infrarotlicht in sichtbares Licht mit einer niedrigeren Wellenlänge umwandelt, und in Licht mit einer höheren Wellenlänge.
HINTERGRUND
Eine Quelle für kohärentes, abstimmbare, blaues, grünes oder gelbes Licht hätte eine beträchtliche Anzahl potentieller Einsatzzwecke. Es wäre auch eine Vorrichtung vorteilhaft, die leicht erhältliche Strahlung von einer roten Laserdiode in blaues, grünes, oder gelbes Licht umwandelt. Allerdings gibt es momentan keine abstimmbaren Feststofflaser, die bei diesen Wellenlängen arbeiten. Abstimmbare, optische parametrische Oszillatoren, die bei sehr hohen Spitzenleistungen arbeiten, sind zu teuer, um in normalen Lichtleitfasersystemen eingesetzt zu werden.
Bisherige parametrische Oszillatoren mit Lichtleitfasern setzten eine Pumpquelle im anomalen Dispersionsbereich nahe an der Gruppengeschwindigkeitsdispersion von Null (GVD) der Lichtleitfaser ein, wobei die parametrische Verstärkung auch als die Modulationsinstabilität bezeichnet wird. Die beiden Wellenlängen, die bei diesen Verfahren erzeugt werden, sind in engem Abstand um die Pumpwellenlänge angeordnet, und können nicht dazu verwendet werden, den Abstimmbereich weiter entfernt von der Pumpwellenlänge auszudehnen.
Herkömmliche Lichtleitfasern weisen einen zentralen Kern auf, der von einem Glas mit einer geringfügig unterschiedlichen Zusammensetzung als jener des zentralen Kerns umgeben ist. Typischerweise ist der zentrale Kern so dotiert, dass er einen unterschiedlichen Brechungsindex als das umgebende Glas aufweist. Licht, das sich entlang dem zentralen Kern der Lichtleitfaser ausbreitet, wird durch die Grenzfläche zwischen der Lichtleitfaser und dem umgebenden Glas eingeschränkt.
Seit einigen wenigen Jahren wurde ein ungewöhnlicher Typ von Lichtleitfasern bereitgestellt, bezeichnet als Photonen-Quarzlichtleiter. Typischerweise besteht diese aus einem einzelnen Feststoffmaterial, das im Wesentlichen lichtdurchlässig ist, beispielsweise aus Siliziumdioxid, das in einen Array aus Luftlöchern eingebettet ist, die parallel zur Lichtleitfaserachse verlaufen, und sich über die Gesamtlänge der Lichtleitfaser erstrecken. Die Anordnung der Luftlöcher in dem Array kann periodisch sein, jedoch nicht unbedingt, und die Luftlöcher können mit einem anderen Material als Luft gefüllt sein. Ein Defekt, beispielsweise in Form eines einzelnen, fehlenden Luftloches in dem regelmäßigen Array bildet einen Bereich eines erhöhten Brechungsindex, in welchem Licht geführt wird, auf eine Art und Weise entsprechend der Führung mittels Totalreflexion in Standardlichtleitfasern. Ein anderer Mechanismus zum Führen von Licht in einer Photonen-Quarzlichtleitfaser beruht auf Photonen-Bandabstandseffekten anstelle der Totalreflexion. Die Photonen-Bandlückenführung kann durch eine geeignete Auslegung des Arrays der Luftlöcher erzielt werden. Licht mit bestimmten Ausbreitungskonstanten kann auf einen Luftkern beschränkt werden, und breitet sich darin aus. Eine Photonen-Quarzlichtleitfaser kann so hergestellt werden, dass Glasrohre, von denen einige Kapillaren in makroskopischem Maßstab sind, mit der erforderlichen Form aufgestapelt werden, und sie dann zusammengehalten werden, während sie miteinander verschmolzen und zu einer Lichtleitfaser ausgezogen werden. Eine Photonen-Quarzlichtleiter weist ungewöhnliche Eigenschaften auf, beispielsweise die Fähigkeit, Licht in einer Single-Mode über einen sehr breiten Bereich von Wellenlängen zu führen, und Licht zu führen, das einen relativ großen Modenbereich aufweist, aber immer noch Single-Mode ist.
Photonen-Quarzlichtleitfasern weisen das Potential auf, erheblich die Anzahl an optischen Einrichtungen auf Lichtleitfasergrundlage zu erhöhen, da sie einen größeren Bereich von Eigenschaften aufweisen, die so angepasst werden können, dass sie an den Einsatzzweck angepasst sind
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Vorteil der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines abstimmbaren optischen Verstärkers oder eines optischen parametrischen Oszillators, welche sichtbares Pumplicht oder Pumplicht im nahen Infrarot (mit einer Wellenlänge von weniger als einem Mikrometer) auf einen Bereich anderer Wellenlängen umwandeln können, oder zumindest eine nutzbare Auswahl darstellen.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen parametrischen Prozess zur Erzeugung sichtbaren Lichts an einer zweiten Wellenlänge zur Verfügung, durch Pumpen einer Lichtleitfaser mit Eingangslicht auf einer ersten Wellenlänge von weniger als einem Mikrometer, die länger ist als die zweite Wellenlänge, wobei die Lichtleitfaser eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion bei einer dritten Wellenlänge von Null aufweist, die in dem sichtbaren oder nahen infraroten Bereich liegt, und länger ist als die erste Wellenlänge.
Allgemein gesprochen, umfasst die Erfindung einen parametrischen Prozess zur Erzeugung von Licht an einer zweiten Wellenlänge und von Licht an einer vierten Wellenlänge, durch Pumpen einer Lichtleitfaser mit Eingangslicht mit einer ersten Wellenlänge im sichtbaren oder im nahen Infrarot, wobei die erste Wellenlänge länger ist als die zweite Wellenlänge und kürzer als die vierte Wellenlänge, und die Lichtleitfaser eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion von Null an einer dritten Wellenlänge aufweist, die im sichtbaren Bereich oder im nahen Infrarotbereich liegt, und länger ist als die erste Wellenlänge.
Der parametrische Prozess stellt ständig die gleichzeitige Erzeugung von Licht auf einer vierten Wellenlänge zur Verfügung, die länger ist als jene des Eingangslichts (auch als Pumplicht bezeichnet). Die Wellenlänge der zweiten und der vierten Wellenlänge sind frequenzmäßig gleichmäßig von der Frequenz der Pumpstrahlung beabstandet.
Gemäß einem dritten Aspekt, stellt die vorliegende Erfindung einen optischen Verstärker zur Verfügung, der einen parametrischen Prozess zur Erzeugung von Licht an einer zweiten Wellenlänge einsetzt, wobei vorgesehen sind: eine Pumpquelle zur Bereitstellung von Licht an einer ersten, sichtbaren Wellenlänge; ein Ausgang zum Liefern sichtbaren Lichts auf einer zweiten Wellenlänge, die kürzer ist als die erste Wellenlänge; und eine Lichtleitfaser, die so angeordnet ist, dass sie von der Pumpquelle Licht an einem Eingangsende empfängt, und Licht zur Ausgabe von einem Ausgabenende liefert, wobei die Lichtleitfaser eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion von nahezu Null an der dritten Wellenlänge aufweist, die im sichtbaren oder nahen infraroten Bereich liegt, und länger ist als die erste Wellenlänge.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Lichtleitfaser eine Photonen-Quarzlichtleitfaser.
Vorzugsweise ist die erste Wellenlänge eine rote Wellenlänge. Spezieller kann die erste Wellenlänge im sichtbaren Roten oder im nahen Infraroten liegen (zwischen 600 nm und 1000 nm). Bei einer Ausführungsform liegt die erste Wellenlänge um 647 nm herum. Wie bereits angegeben, ermöglicht diese Ausführungsform der Erfindung den Vorteil, leicht verfügbare Festkörperpumplaser zu nutzen, die bei diesen Wellenlängen verfügbar sind.
Das Eingangslicht der ersten Wellenlänge kann im Dauerstrich (CW) oder gepulst vorhanden sein. Vorzugsweise ist das Licht CW, um die Pumpquelle zu vereinfachen. Vorzugsweise weist das Eingangslicht der ersten Wellenlänge eine relativ schmale Linienbreite auf. Bevorzugter ist die Linienbreite des Eingangslichts der ersten Wellenlänge enger als 1 nm.
Die zweite bevorzugte Wellenlänge ist vorzugsweise kürzer als 600 nm.
Die zweite Wellenlänge kann eine sichtbare Wellenlänge in dem orangefarbenen, gelben, grünen oder blauen Bereich sein (zwischen 400 und 600 nm).
Gemäß einem vierten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen optischen parametrischen Oszillator zur Verfügung, der einen optischen Verstärker wie voranstehend geschildert aufweist, und darüber hinaus einen Rückkopplungsweg aufweist, der eine Verzögerungsleitung enthält, wobei der Rückkopplungsweg so angeordnet ist, dass er an das Eingangsende der Lichtleitfaser einen Anteil des Lichts zurückführt, das vom Ausgangsende der Lichtleitfaser abgegeben wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachstehend nur beispielhaft beschrieben, ohne dass angestrebt ist, dass sie eingeschränkt wird, unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen, in welchen:
1 eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, die als optischer parametrischer Oszillator oder abstimmbarer Verstärker betrieben werden kann, der ein Rückkopplungssystem aufweist; und
2 Ausgangsspektren zeigt, die erhalten werden, wenn die Pumppolarisation eingestellt wird, wenn die Rückkopplung bei dem Rückkopplungssystem von 1 ausgeschaltet wird.
3 zeigt die Phasenanpassungsbedingungen, welche den Betrieb des Frequenzwandlers erläutern.
4 zeigt das Ausgangsspektrum, das mit einer unterschiedlichen Lichtleitfaser erhalten wird, die eine Wellenlänge mit Dispersion von Null bei 650 nm (sehr nahe an der Pumpwellenlänge) aufweist, wenn das Sitz wirksam gelbes (580 nm) und tief rotes Licht (750 nm) erzeugt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die skalare Modulationsinstabilität, die zur Unterbrechung eines intensiven Dauerstrichstrahls (CW-Strahls) führt, stellt die einfachste Form einer Modulationsinstabilität dar, die in Lichtleitfasern auftreten kann. Dieser Vorgang kann auch als ein Vierwellenmischvorgang betrachtet werden, der zur Entwicklung symmetrisch angeordneter Seitenbänder auf beiden Seiten der Pumpwellenlänge führt, deren Position durch die Phasenanpassungsbedingung bestimmt wird. Die herkömmliche Untersuchung der skalaren Modulationsinstabilität (auch als parametrische Verstärkung bezeichnet) zeigt, dass eine Modulationsinstabilitätsverstärkung nur im Bereich anomaler Dispersion erhalten wird, in welchem die Vektorwellenfehlanpassung Δk = β₂Ω² durch Eigenphasenmodulation ausgeglichen wird, wobei Δk die Phasenfehlanpassung ist, β₂ der Dispersionsparameter, und Ω die Frequenzverschiebung der Seitenbänder. Beim Einsatz dieser Theorie verschwindet die Modulationsinstabilitätsverstärkung für β₂ > 0.
Diese herkömmliche Analyse beruht auf der eindimensionalen, nicht linearen Schrödinger-Gleichung (NLSE), die zu den umfangreich akzeptierten Ergebnissen führt, dass eine skalare Modulationsinstabilität nur in dem Bereich anomaler Dispersion einer Single-Mode-Lichtleitfaser auftritt. Allerdings stellt dieser Schluss das Ergebnis der Verwendung einer nicht linearen Schrödinger-Gleichung dar, die sich unter Verwendung einer Taylor-Entwicklung der Ausbreitungskonstante bis zum zweiten Grad ergibt.
Bei einer Photonen-Quarzlichtleitfaser ist ein starker Wellenleiterdispersionsbeitrag zum Dispersionsprofil vorhanden. Dies bedeutet, dass die herkömmliche Annäherung der Erweiterung der Dispersionskonstanten bis zur zweiten Größenordnung unzureichend ist. Der Einsatz der nicht linearen Schrödinger-Gleichung zur Untersuchung der Modulationsinstabilität zeigt, dass die Terme ungerader Ordnung nicht zu dem Zustand beitragen, welcher die parametrische Verstärkung der Seitenbänder bestimmt, so dass der erste Term höherer Ordnung, der wesentlich ist, der Dispersionsterm vierter Ordnung ist.
Bei einer Photonen-Quarzlichtleitfaser gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Dauerzustandslösung der Gleichung, welche die Ausbreitung von Impulsen entlang der Lichtleitfaser bestimmt, bei Vorhandensein von nicht Linearität und Dispersion (die nicht lineare Schrödinger-Gleichung) gegeben durch A = √Pexp(iγPz). Dies wird auf der Frequenz Ω gestört, durch folgende Ersetzung: A = (√P + α)exp(iγPz) Und Linearisieren der sich ergebenden Gleichung für die Störung, wobei α(z, T) = α1cos (kz – ΩT) + iα2sin (kz – ΩT), und dies ergibt die folgende Dispersionsbeziehung:
wobei klar ist, dass eine imaginäre Wellenzahl (entsprechend einer Verstärkung für die Störung) nur erhalten wird für β₂ + β₄Ω²/12 < 0, und |β₂ + β₄Ω²/12|Ω² < 4γP. Hierdurch wird ein relativ enger Frequenzbereich festgelegt, nahe an jenem, der durch die lineare Phasenanpassungsbedingung Ω = [–12β₂/β₄]^1/2 festgelegt ist.
Ein Beispiel für die Auswirkungen dieser Phasenanpassungsbedingung ist in 3 gezeigt, welche die Lichtleitfaser betrifft, die bei den hier berichteten Versuchen verwendet wird. 3 zeigt die Auswirkungen der Phasenanpassung. Wie aus 3 hervorgeht, ändern sich dann, wenn die Pumpwellenlänge λ_P sich ändert, auch die Wellenlängen des oberen und unteren Seitenbereichs. 3 zeigt die Ergebnisse für zwei Pegel der Eingangsleistung und zwei Pumppolarisationen, wobei die gestrichelte Linie eine Pumpleistung von 0 W repräsentiert, und die durchgezogene Linie eine Pumpleistung von 100 W. Die beiden durchgezogenen Linien repräsentieren die Wellenlängen, die erzeugt werden, wenn unterschiedliche Polarisationen des Pumplichts auf die Photonen-Quarzlichtleitfaser einwirken. Wie aus dieser Figur hervorgeht, werden beim Pumpen der Lichtleitfaser mit 647 nm zwei Seitenbänder erzeugt, eines bei etwa 500 nm, und das andere bei etwa 900 nm. Bei einer unterschiedlichen Polarisation und der gleichen Pumpwellenlänge werden die Seitenbänder bei etwa 490 und 960 nm erzeugt.
Der Einsatz einer PCF-Dispersion, die im Sichtbaren verschoben ist, stellt sicher, dass β₄ (der Dispersionsterm vierter Ordnung) relativ groß ist, und ein entgegengesetztes Vorzeichen zu β₂ aufweist, in dem normalen Dispersionsbereich nahe an der Dispersionswellenlänge von Null.
Unter Verwendung einer Photonen-Quarzlichtleitfaser mit einer Gruppengeschwindigkeitsdispersion von Null im roten Bereich des Spektrums wird bei dieser Beziehung eine parametrische Verstärkung für Wellenlängen vom tiefen Blau bis Orange vorhergesagt, für eine Pumpwellenlänge im Roten, abhängig von den Relativwerten β₂ und β₄ (der Dispersionsterme der zweiten und vierten Ordnung).
Bei einer Photonen-Quarzlichtleitfaser kann einfach eine Dispersionsverschiebung in den sichtbaren oder nahen Infrarotbereich des Spektrums vorgenommen werden, um die Vorteile der Festkörperpumplaser zu nutzen, die bei diesen Wellenlängen verfügbar sind. Die Vorgehensweise der Dispersionsverschiebung einer Photonen-Quarzlichtleitfaser ist wohlbekannt. Der Einsatz einer derartigen Dispersionsverschobenen Photonen-Quarzlichtleitfaser ermöglicht die wirksame Erzeugung von Licht auf kürzerer Wellenlänge (Blau, Grün, Gelb oder Orange), das leicht dadurch abgestimmt werden kann, dass die Pumpquelle über einen relativ erheblich kleineren Wellenlängenbereich abgestimmt wird. Die Verwendung einer Photonen-Quarzlichtleitfaser ermöglicht die Phasenanpassung von jeder gewünschten Wellenlänge im sichtbaren Bereich an jene der Pumpwellenlänge und einer anderen Wellenlänge im Infraroten, wenn die Lichtleitfaser im normalen Dispersionsbereich in der Nähe der Dispersionswellenlänge von Null gepumpt wird (auch bezeichnet als die Wellenlänge mit Gruppengeschwindigkeitsdispersion von Null). Der starke Wellenleiterbetrag zur Dispersionskurve eines Photonen-Quarzlichtleitfasermaterials unterstützt diesen Phasenanpassungsprozess, der nicht auftritt, oder nur über einen sehr kleinen Bereich in der Nähe der Wellenlänge mit Dispersion von Null auftritt, wenn herkömmliche Wellenleiter verwendet werden, die nur die Herstellung von Lichtleitfasern mit einer Dispersionswellenlänge von Null gestatten, die größer ist als 1,25 Mikrometer in Lichtleitfasern auf Siliziumdioxidgrundlage. Die verringerte effektive Fläche der Ausbreitungsmode einer Photonen-Quarzlichtleitfaser erhöht darüber hinaus wesentlich die nicht linearen und parametrischen Effekte im Vergleich zu Standardlichtleitfasern, die mit Single-Mode im Bereich der Pumpwellenlänge arbeiten sollen.
1 zeigt ein Rückkopplungssystem, das so ausgebildet ist, dass blaues, grünes, orangenes, oder gelbes Ausgangslicht aus eingegebenem, rotem Eingangslicht erzeugt wird. Das Rückkopplungssystem weist eine Eingangslichtpumpe 1 auf, einen PBS 2 (Polarisationsstrahlteiler), der zum Mischen des Eingangsstrahls und des Rückkopplungsstrahls angeordnet ist, Halbwellenplatten 3 und 7, eine Photonen-Quarzlichtleitfaser 4, einen Rückkopplungsspiegel 5, eine Verzögerungsleitung 6, Linsen 8a bis 8d, einen Retroreflektor 9, und einen optischen Spektrumanalyser 10.
Die Halbwellenplatten werden dazu verwendet, die Polarisation des Eingangsstrahls vor und hinter dem PBS einzustellen. Die Linsen 8a und 8c werden dazu verwendet, Licht vor dem Eingang in die Lichtleitfasern 4 und 6 zu fokussieren. Die Linsen 8b und 8d werden dazu verwendet, Licht zu sammeln, sobald aus den Lichtleitfasern 4 und 6 austritt. Der Verzögerungslichtleiter 6 kann jeder Lichtleiter sein, und wird zum Verzögern des Rückkopplungslichts verwendet. Jede geeignete Lichtverzögerungseinrichtung kann anstelle des Verzögerungslichtleiters 6 verwendet werden. Der Retroreflektor 9 reflektiert Licht parallel zum Weg des Eingangslichts zurück. Der Retroreflektor 9 wird dazu verwendet, eine kontinuierlich variable Zeitverzögerung für den rückgekoppelten Impuls zur Verfügung zu stellen, so dass der rückgekoppelte Impuls mit dem nächsten Pumpimpuls synchronisiert ist. Jede geeignete, variable Rückkopplungsverzögerungseinrichtung kann anstelle des Retroreflektors 9 verwendet werden. Der Rückkopplungsspiegel 5 trennt das Ausgangssignal des PCF 4 auf. Ein Teil des Ausgangssignals des PCF 4 wird zum Rückkopplungssystem über den Retroreflektor 9 geschickt, und ein Teil des Ausgangssignals des PCF wird aus dem optischen parametrischen Oszillator herausgeführt. Der Anteil des Lichts am Rückkopplungsspiegel 5 kann nicht gleichmäßig sein, und es kann mehr Licht einem Teil der Einrichtung zugeführt werden, als aus der Einrichtung herausgelassen wird, oder umgekehrt. Bei dem vorliegenden optischen parametrischen Oszillator wird das Ausgangslicht des Oszillators dem optischen Spektrumanalyser 10 zugeführt. Der optische Spektrumanalyser 10 untersucht das Spektrum des Ausgangslichts. Bei alternativen Ausführungsformen kann das Ausgangslicht jeder erforderlichen Einrichtung oder jedem erforderlichen System zugeführt werden.
Die Systemanordnung in 1 ist jene eines optischen parametrischen Oszillators. Wenn die Rückkopplungsschleife nicht vorhanden ist, oder nicht ordnungsgemäß mit der Pumpvorrichtung synchronisiert ist, kann die Einrichtung als optischer Verstärker betrieben werden. Es wird darauf hingewiesen, dass eine Synchronisierung der Rückkopplungsschleife mit der Pumpvorrichtung nur dann erforderlich ist, wenn die Pumpvorrichtung gepulst ist. Eine Synchronisation der Rückkopplungsschleife mit der Pumpvorrichtung ist nicht erforderlich, wenn die Pumpvorrichtung kontinuierlich arbeitet.
Pumplicht wird dem Rückkopplungssystem als Eingangslicht 1 zugeführt. Dieses Licht liegt auf jeder Wellenlänge nahe an der Wellenlänge der Wellenlänge mit der Dispersion von Null (ZDW), oder geringfügig darunter, der Photonen-Quarzlichtleitfaser (PCF), aber es ist zur Erzeugung von blauem oder grünem Licht vorteilhaft, eine Pumpvorrichtung mit einer ZDW im Bereich von Gelb/Orange/Rot des Spektrums zu haben. So kann beispielsweise das Eingangslicht auf 647 nm wie bei diesen Versuchen liegen. Die Pumpvorrichtung weist eine Wellenlänge von weniger als einem Mikrometer auf.
Die Photonen-Quarzlichtleitfaser weist einen kleinen Kerndurchmesser mit einem großen "Luftfüllanteil" auf. Die Verwendung von Eingangslicht mit einer Wellenlänge von 647 nm ermöglicht den Einsatz einfach verfügbarer Festkörperpumplaser. Es kann jedoch Eingangslicht auf anderen Wellenlängen verwendet werden, so weit das Eingangslicht eine kürzere Wellenlänge aufweist als die Wellenlänge mit einer Gruppengeschwindigkeitsdispersion von Null oder in deren Nähe.
Bei Versuchsausführungen wurde ein Licht mit enger Wellenlänge erzeugt, zwischen 480 nm (Blau) und 580 nm (Gelb), unter Verwendung verschiedener Lichtleitfasern, und einer festen Pumpwellenlänge von 500 nm (Blau/Grün) bis 640 nm (Rot) unter Verwendung einer Lichtleiterfaser und einer Pumpvorrichtung, die über 10 nm abgestimmt werden konnte.
Der Frequenzwandler kann durch verschiedene Vorrichtungen abgestimmt werden, einschließlich der Doppelbrechung der Photonen-Quarzlichtleitfaser, der Einstellung der Position der Gruppengeschwindigkeitsdispersion von Null, der Änderung der Beanspruchung der Lichtleitfaser oder anderer Einflüsse auf diese, oder durch Änderung der Pumpwellenlänge. Bei Versuchsausführungen wurde Licht mit enger Wellenlänge zwischen 480 nm (Blau) und 580 nm (Gelb) erzeugt, unter Verwendung unterschiedlicher Lichtleitfasern und einer festen Pumpvorrichtung, oder zwischen 500 nm (Blau/Grün) bis 640 nm (Rot) unter Verwendung einer Lichtleitfaser, die über 10 nm abstimmbar war.
Normalerweise arbeitet ein Laser im Wesentlichen auf einer Wellenlänge (weist also eine sehr schmale Linienbreite auf), jedoch werden manchmal Laser bei mehreren Wellenlängen betrieben. Die Linienbreite wird vergrößert, wenn eine Modenverriegelung des Lasers vorgenommen wird (kurze Impulse erzeugt werden). Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Linienbreite schmal. Bei der bevorzugtesten Ausführungsform wird ein Dauerstrichlaser mit einer sehr schmalen Linienbreite eingesetzt. Die Linienbreite kann beispielsweise enger sein als 1 nm.
1 zeigt den Lichtwandler, der als optischer parametrischer Oszillator mit einer vorgesehenen Rückkopplungsschleife ausgebildet ist. Der Vorteil der Verwendung einer Rückkopplungsschleife besteht darin, dass weniger Eingangsleistung dazu benötigt wird, die Seitenbänder zu erzeugen.
Ein weiterer Vorteil der Vorwärts einer Rückkopplungsschleife besteht darin, dass eine schmälere Linienbreite bei dem Ausgangslicht erzielt werden kann. Beispielsweise beträgt bei der Erzeugung von grünem Licht die FWHM (vollständige Wellenlänge beim halben Maximum) etwa 2 nm, während mittels Rückkopplung die Pumpleistung und die Verzögerung so eingestellt werden können, dass die FWHM nur etwa 10 nm beträgt.
2 zeigt die Ausgangsspektren, die bei der Anordnung von 1 erhalten werden, wenn der Lichtwandler als ein abstimmbarer optischer Verstärker ausgebildet ist, also mit der gesperrten Rückkopplungsschleife. Bei den vier Ergebnissen in 2 wurde die Polarisation des Pumplichts so eingestellt, dass die in dieser Figur angegebenen Werte erhalten wurden. Dies entspricht dem Diagramm, das in 3 dargestellt ist, welches zeigt, dass die Änderung der Polarisation der Pumpwellenlänge die Wellenlängen des Lichts ändert, das von dem optischen Verstärker oder dem optischen parametrischen Oszillator erzeugt wird. Ähnliche Spektren bei niedrigerer Pumpleistung werden erhalten, wenn der Lichtwandler als ein optischer parametrischer Oszillator mit einer festen Polarisation der Pumpvorrichtung betrieben wird.
Beispiel 1
Unter Verwendung der Anordnung von 1 wurde Licht über eine Photonen-Quarzlichtleitfaser gepumpt. Der verwendete Pumplaser war ein Mode-locked Cavity-dumped Kr⁺-Laser, der Impulse von 70 ps mit Spitzenleistungen bis zu 1 kW bei 647 nm zur Verfügung stellte. Die eingesetzte Photonen-Quarzlichtleitfaser war geringfügig doppelbrechend, mit Nullwerten der Gruppengeschwindigkeitsdispersion in der Nähe von 655 nm auf jeder Achse. Dies führte zu stark sichtbaren Seitenbändern in dem blauen/grünen Bereich, sowie zu Infrarot-Seitenbändern. Bis zu 25 % des Lichts, das in die Lichtleitfaser eingekoppelt wurde, wurde in den blauen/grünen Bereich des Spektrums umgewandelt.
Beispiel 2
Bei einem anderen versuch wurde eine unterschiedliche Photonen-Quarzlichtleitfaser mit einem geringfügig kleineren Kerndurchmesser eingesetzt. Wiederum wurde die Anordnung von 1 mit der Verzögerungsleitung an ihrem Ort verwendet. Das Eingangslicht wurde von einem Mode-locked, Cavity-dumped Kr⁺-Laser zur Verfügung gestellt, der Impulse von 70 ps mit einer Wellenlänge von 647 nm zur Verfügung stellte. Das System wandelt wirksam das rote Pumplicht in Seitenbänder im Gelben (bei etwa 580 nm) und im nahen Infrarot (bei etwa 750 nm) durch parametrische Frequenzwandlung um, wie in 4 gezeigt ist.
Obwohl sich die Diskussion auf den Einsatz einer Photonen-Quarzlichtleitfaser als Teil des Lichtwandlers konzentriert hat, wird darauf hingewiesen, dass erwartet wird, dass jede Lichtleitfaser, bei welcher eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion von Null in den sichtbaren oder nahen Infrarotbereich verschoben werden kann, eingesetzt werden könnte.
Voranstehend wurde die Erfindung mit ihren bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Änderungen und Modifikationen, wie sie Fachleuten auf diesem Gebiet auffallen werden, sollen vom Umfang der Erfindung umfasst sein, wie er in den beigefügten Patentansprüchen angegeben ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird ein parametrischer Prozess zur Erzeugung sichtbaren Lichts auf einer zweiten Wellenlänge zur Verfügung gestellt, der umfasst, eine Lichtleitfaser mit Eingangslicht auf einer ersten Wellenlänge von weniger als einem Mikrometer zu pumpen, die größer ist als die zweite Wellenlänge, wobei die Lichtleiterfaser eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion von Null auf einer dritten Wellenlänge im sichtbaren oder nahen Infrarotbereich aufweist, die größer ist als die erste Wellenlänge. Weiterhin wird ein optischer Verstärker zur Verfügung gestellt, welcher den parametrischen Prozess zur Erzeugung von Licht auf der zweiten Wellenlänge einsetzt. Die Lichtleitfaser kann eine Photonen-Quarzlichtleitfaser sein. Der parametrische Prozess ist dadurch abstimmbar, dass die Frequenz der Gruppengeschwindigkeitsdispersion von Null eingestellt wird, die Frequenz der ersten Wellenlänge, oder die Doppelbrechung der Lichtleitfaser.

Claims

Parametrischer Prozess zur Erzeugung sichtbaren Lichts auf einer zweiten Wellenlänge, mit folgenden Schritten: Pumpen einer Lichtleitfaser mit Eingangslicht auf einer ersten Wellenlänge, die kleiner ist als ein Mikrometer, und länger ist als die zweite Wellenlänge, und wobei die Lichtleitfaser eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion von Null auf einer dritten Wellenlänge aufweist, im sichtbaren oder nahen Infrarotbereich, die länger ist als die erste Wellenlänge.
Parametrischer Prozess zur Erzeugung sichtbaren Lichts auf einer zweiten Wellenlänge nach Anspruch 1, mit der zusätzlichen Erzeugung von Licht auf einer vierten Wellenlänge, die länger ist als die erste Wellenlänge.
Parametrischer Prozess zur Erzeugung sichtbaren Lichts auf einer zweiten Wellenlänge nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem der parametrische Prozess dadurch einstellbar ist, dass die Frequenz der Gruppengeschwindigkeitsdispersion von Null einstellbar ist.
Parametrischer Prozess zur Erzeugung sichtbaren Lichts auf einer zweiten Wellenlänge nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem der parametrische Prozess dadurch abstimmbar ist, dass die Frequenz der ersten Wellenlänge eingestellt wird.
Parametrischer Prozess zur Erzeugung sichtbaren Lichts auf einer zweiten Wellenlänge nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem der parametrische Prozess durch Einstellung der Doppelbrechung der Lichtleitfaser abstimmbar ist.
Parametrischer Prozess zur Erzeugung sichtbaren Lichts auf einer zweiten Wellenlänge nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Lichtleitfaser eine Photonen-Quarzlichtleitfaser ist.
Parametrischer Prozess zur Erzeugung sichtbaren Lichts auf einer zweiten Wellenlänge nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die erste Wellenlänge eine rote Wellenlänge ist.
Parametrischer Prozess zur Erzeugung sichtbaren Lichts auf einer zweiten Wellenlänge nach Anspruch 7, bei welchem die ersten Wellenlängen sichtbares Rot oder nahes Infrarot (zwischen 600 nm und 1000 nm) ist.
Parametrischer Prozess zur Erzeugung sichtbaren Lichts auf einer zweiten Wellenlänge nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei welchem die erste Wellenlänge in der Nähe von 647 nm liegt.
Parametrischer Prozess zur Erzeugung sichtbaren Lichts auf einer zweiten Wellenlänge nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem das Eingangslicht auf der ersten Wellenlänge Dauerstrichlicht (CW) ist.
Parametrischer Prozess zur Erzeugung sichtbaren Lichts auf einer zweiten Wellenlänge nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem das Eingangslicht auf der ersten Wellenlänge gepulst ist.
Parametrischer Prozess zur Erzeugung sichtbaren Lichts auf einer zweiten Wellenlänge nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welchem das Eingangslicht der ersten Wellenlänge eine relativ schmale Linienbreite aufweist.
Parametrischer Prozess zur Erzeugung sichtbaren Lichts auf einer zweiten Wellenlänge nach Anspruch 12, bei welchem die Linienbreite des Eingangslichts mit der ersten Wellenlänge schmäler ist als 1 nm.
Parametrischer Prozess zur Erzeugung sichtbaren Lichts auf einer zweiten Wellenlänge nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welchem die zweite Wellenlänge kürzer ist als 600 nm.
Parametrischer Prozess zur Erzeugung sichtbaren Lichts auf einer zweiten Wellenlänge nach Anspruch 14, bei welchem die zweite Wellenlänge eine sichtbare Wellenlänge im Bereich von Orange, Gelb, Grün oder Blau ist (zwischen 400 und 600 nm).
Optischer Verstärker, der einen parametrischen Prozess zur Erzeugung von Licht auf einer zweiten Wellenlänge einsetzt, wobei vorgesehen sind: eine Pumpquelle zur Bereitstellung von Licht auf einer ersten, sichtbaren Wellenlänge; ein Ausgang zum Liefern sichtbaren Lichts auf einer zweiten Wellenlänge, die kürzer ist als die erste Wellenlänge; und eine Lichtleitfaser, die so ausgebildet ist, dass sie von der Pumpquelle Licht an einem Eingangsende empfängt, und Licht dem Ausgang von einem Ausgangsende zuführt, und wobei die Lichtleitfasern eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion von Null auf einer dritten Wellenlänge in sichtbarem oder Infrarotbereich aufweisen, die länger ist als die erste Wellenlänge.
Optischer Verstärker, der einen parametrischen Prozess zur Erzeugung von Licht auf einer zweiten Wellenlänge nach Anspruch 16 einsetzt, und weiterhin die gleichzeitige Erzeugung von Licht auf einer vierten Wellenlänge aufweist, die länger ist als die erste Wellenlänge.
Optischer Verstärker, der einen parametrischen Prozess zur Erzeugung von Licht auf einer zweiten Wellenlänge nach Anspruch 16 oder Anspruch 17 einsetzt, wobei der parametrische Prozess dadurch abstimmbar ist, dass die Frequenz der Gruppengeschwindigkeitsdispersion von Null eingestellt wird.
Optischer Verstärker, der einen parametrischen Prozess zur Erzeugung von Licht auf einer zweiten Wellenlänge nach Anspruch 16 oder Anspruch 17 einsetzt, wobei der parametrische Prozess durch Einstellung der Frequenz der ersten Wellenlänge abstimmbar ist.
Optischer Verstärker, der einen parametrischen Prozess zur Erzeugung von Licht auf einer zweiten Wellenlänge nach Anspruch 16 oder Anspruch 17 einsetzt, wobei der parametrische Prozess durch Einstellung der Doppelbrechung der Lichtleitfaser abstimmbar ist.
Optischer Verstärker, der einen parametrischen Prozess zur Erzeugung von Licht auf einer zweiten Wellenlänge nach einem der Ansprüche 16 bis 20 einsetzt, wobei die Lichtleitfaser eine Photonen-Quarzlichtleitfaser ist.
Optischer Verstärker, der einen parametrischen Prozess zur Erzeugung von Licht auf einer zweiten Wellenlänge nach einem der Ansprüche 16 bis 21 einsetzt, wobei die erste Wellenlänge eine rote Wellenlänge ist.
Optischer Verstärker, der einen parametrischen Prozess zur Erzeugung von Licht auf einer zweiten Wellenlänge nach Anspruch 22 einsetzt, wobei die erste Wellenlänge sichtbares Rot oder nahe Infrarot ist (zwischen 600 nm und 1000 nm).
Optischer Verstärker, der einen parametrischen Prozess zur Erzeugung von Licht auf einer zweiten Wellenlänge nach Anspruch 22 oder Anspruch 23 einsetzt, wobei die erste Wellenlänge um 647 nm herum liegt.
Optischer Verstärker, der einen parametrischen Prozess zur Erzeugung von Licht auf einer zweiten Wellenlänge nach einem der Ansprüche 16 bis 24 einsetzt, wobei das Eingangslicht der ersten Wellenlänge Dauerstrichlicht (CW) ist.
Optischer Verstärker, der einen parametrischen Prozess zur Erzeugung von Licht auf einer zweiten Wellenlänge nach einem der Ansprüche 16 bis 24 einsetzt, wobei das Eingangslicht der ersten Wellenlänge gepulst ist.
Optischer Verstärker, der einen parametrischen Prozess zur Erzeugung von Licht auf einer zweiten Wellenlänge nach einem der Ansprüche 16 bis 26 einsetzt, wobei das Eingangslicht der ersten Wellenlänge eine relativ enge Linienbreite aufweist.
Optischer Verstärker, der einen parametrischen Prozess zur Erzeugung von Licht auf einer zweiten Wellenlänge nach Anspruch 27 einsetzt, wobei die Linienbreite des Eingangslichts auf der ersten Wellenlänge schmäler ist als 1 nm.
Optischer Verstärker, der einen parametrischen Prozess zur Erzeugung von Licht auf einer zweiten Wellenlänge nach einem der Ansprüche 16 bis 28 einsetzt, wobei die zweite Wellenlänge kürzer ist als 600 nm.
Optischer Verstärker, der einen parametrischen Prozess zur Erzeugung von Licht auf einer zweiten Wellenlänge nach Anspruch 29 einsetzt, wobei die zweite Wellenlänge eine sichtbare Wellenlänge im Bereich von Orange, Gelb, Grün oder Blau ist (zwischen 400 und 600 nm).
Optischer Verstärker, der einen parametrischen Prozess zur Erzeugung von Licht auf einer zweiten Wellenlänge nach einem der Ansprüche 16 bis 30 einsetzt, und weiterhin einen Rückkopplungsweg aufweist, der eine Verzögerungsleitung aufweist, wobei der Rückkopplungsweg so ausgebildet ist, dass er an das Eingangsende der Lichtleitfaser einen Anteil des Lichts rückkoppelt, das vom Ausgangsende der Lichtleitfaser abgegeben wird.