DE19736155C2 - Anordnung für einen kompakten Faserlaser zur Erzeugung von Laserstrahlung - Google Patents

Anordnung für einen kompakten Faserlaser zur Erzeugung von Laserstrahlung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für einen kompakten Faserlaser zur Erzeugung von Laserstrahlung mit hoher Leistung und guter Strahlqualität.
Laserstrahlung wird eingesetzt für Aufgaben, bei denen der spezielle Charakter kohärenter Strahlung eine Rolle spielt. Erzeugung derartiger Strahlung ohne besondere Hilfsmittel in einer einfachen Anordnung soll spektral selektiv erfolgen können, eine hohe Brillanz besitzen und einen guten Umsetzungswirkungsgrad von optischer Pumpstrahlung in Laserstrahlung aufweisen. Anwendungsbereiche eröffnen sich für derartige Strahlungsquellen in der Materialbearbeitung, Medizin, optische Nachrichtenübermittlung, sowie bei der Datenspeicherung, bzw. Datenauslesung im Bereich höchster Speicherdichte.
Es ist bekannt, Laserstrahlung in Glasfasern zu erzeugen. Faserlaser bieten in Kombination mit Laserdioden zum optischen Pumpen eine ideale Ausgangsbasis für die Realisierung kompakter, bedienungsfreundlicher und kostengünstiger Lasersysteme, die durch bereits existierende passive Faserkomponenten wie z. B. Strahlteiler, Polarisatoren oder Spleiße ergänzt werden können. Neben der Möglichkeit laseraktive Fasern quer zur Faserrichtung mit optischer Strahlung zu beaufschlagen, die zur Anregung der in die Glasfaser eingelagerten Ionen der seltenen Erdmetalle dient, gibt es auch die Realisierungsvariante in Faserlängsrichtung einzustrahlen. Die Verbreitung dieser Art der Anregung wird durch die Verfügbarkeit von Hochleistungs-Diodenlasern bestimmt. Eine weitere Verbesserung im Hinblick auf die Anwendung von Diodenlasern bzw. Diodenlaserarrays als Pumpquellen wurde durch die Einführung einer Fasergeometrie erreicht, bei der neben dem eigentlichen Faserkern, der einen im Vergleich zur Umgebung vergrößerten Brechungsindex besitzt und in dem die Laserstrahlung erzeugt wird, ein zweiter Kern mit großem Querschnitt Verwendung findet, in dem das Pumplicht geführt wird. Diese Geometrie wird als Doppelkernprofil (double core- bzw. cladding pump design) bezeichnet.
In der DE 195 35 526 C1 wird eine Doppelkernfaser beschrieben, die nur einen mittig angeordneten dotierten (laserfähigen) Kern besitzt. Das Anliegen dieses Patents ist es, eine spezielle Pumpkerngeometrie anzugeben, die die Pumplichtabsorption für einen Faserkern zu optimieren gestattet. Eine Faserlaseranordnung, bei der sich eine Anzahl von aktiven Kernen in einer das Pumplicht führenden Faser befindet ist in US 5,566,196 A beschrieben. Die Anordnung der aktiven Kerne kann dabei zentrosymmetrisch oder nicht zentrosymmetrisch sein. Das Ziel dieser Lösung besteht darin, die Ausgangsleistung zu vergrößern und/oder durch Verwendung unterschiedlich dotierter Kerne und geeigneter Pumpquellen Strahlung unterschiedlicher Emissionswellenlängen zu erhalten. Die Erhöhung der Leistung soll dadurch erreicht werden, daß an Stelle eines dotierten Wellenleiters (Kern) eine Vielzahl gleich dotierter Kerne verwendet wird, die sich in einem alle Einzelkerne umfassenden Pumplichtwellenleiter befinden.
Der Nachteil der Doppelkernfasern beruht darauf, daß bei Verwendung eines zentrischen Kerns mehr als 60% der in die Faser eingestrahlten Pumpleistung ungenutzt aus dem der Einstrahlung abgewandten Seite der Faser wieder austreten. Die Pumpeffektivität, d. h. der Prozentsatz von eingestrahlter Pumpleistung zu abgestrahlter Laserleistung läßt sich auch nicht durch eine Verlängerung der Faser beheben. Die erforderlichen Faserlängen liegen bei 50 m.
Eine Optimierung der Fasergeometrie hinsichtlich der effektiven Umsetzung von Pumplicht in Laserstrahlung ist durch spezielle Gestaltung des Pumpkerns möglich, die erforderlichen Faserlängen lassen sich nicht reduzieren.
Der Nachteil der Faserlaseranordnung gern. US 5,556,196 A bei der die Anordnung der Kerne in der das Pumplicht führenden Faser beliebig sein kann, besteht darin, daß die Ausleuchtung dieser Faser durch das Pumplicht nicht spezifiziert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Fasergeometrie für die Realisierung eines kompakten Faserlasers ohne Beschränkung auf ein bestimmtes Glasmaterial zu schaffen, welche die Erzeugung von Laserstrahlung im Spektralbereich von ultraviolett bis infrarot mit hoher Leistung und guter Strahlqualität bei möglichst kurzer Faserlänge ermöglicht.
Das technische Problem mit dem sich die Erfindung befaßt, besteht darin, eine Anordnung zu schaffen, mit der Laserstrahlung guter Strahlqualität und großer Leistung bei einem hohen Umsetzungswirkungsgrad von Pumpstrahlung in Laserstrahlung erzeugt werden kann. Zusätzlich Mittel zur Verbesserung der Strahlqualität können verwendet werden. Die Anordnung soll dabei trotzdem einfach in ihrem Aufbau, vielseitig in den Anwendungsmöglichkeiten und störunempfindlich sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, indem eine Anzahl Laserlichtleiter (Kerne) in einem Pumplichtwellenleiter, der als Multimodewellenleiter ausgebildet ist, angeordnet sind. Die einzelnen Laserlichtleiter, die jeweils das laseraktive Material enthalten, weisen einen zur Erzeugung von Laserstrahlung mit Monomodecharakter entsprechend bemessenen Durchmesser auf, wobei zwischen den Laserlichtleitern eine Kopplung über evaneszente Felder vorhanden ist. Der Durchmesser des Pumplichtwellenleiters ist wesentlich größer als der Durchmesser der einzelnen Laserlichtleiter und der Brechungsindex der Laserlichtleiter ist größer als der Brechungsindex des Pumplichtwellenleiters.
Das von der Pumplichtquelle gelieferte Pumplicht wird vom Glasfaserende her in den Pumplichtwellenleiter eingekoppelt, dessen Brechungsindex größer ist als der Brechungsindex der den Pumplichtwellenleiter umgebenden Plastikumhüllung (coating). Zur optimalen Ankopplung der Pumplichtquelle an den Pumplichtwellenleiter ist der Einkoppelwinkel des Pumplichts derart gestaltet, dass die numerische Apertur des Pumplichtwellenleiters ausgefüllt ist. Die Ausleuchtung kann großflächig, d. h. den Pumplichtwellenleiter ausfüllend vorgenommen werden, derart daß das Strahlparameterprodukt der Pumplichtquelle mit demjenigen des Pumplichtwellenleiters übereinstimmt. Im allgemeinen Fall wird in bekannter Weise in die Transportfaser, die das Pumplicht von der Pumplichtquelle zum Pumplichtwellenleiter leitet, ein optisches System bestehend aus zwei Linsen integriert sein, das die Anpassung der Strahlparameterprodukte ermöglicht.
Die einzelnen monomodalen Laserlichtleiter sind zu einem zirkularen Array auf einem Kreisring angeordnet, dessen Durchmesser einen Wert von ca. 5/7 des Durchmessers des Pumplichtwellenleiters aufweist.
Der Vorteil eines zirkularen Arrays aus Monomodenkernen besteht u. a. darin, daß bei Kenntnis der Brechungsindizes und der Geometrie der Faser (Kernabstände) die Laserlichtleiter optisch gekoppelt/entkoppelt werden können. Der Abstand zwischen den einzelnen Laserlichtleitern kann in Abhängigkeit von der gewünschten Kopplung, mittels bekannter Algorithmen numerisch ermittelt werden.
Da der Pumplichtwellenleiter einen viel größeren Querschnitt als die einzelnen Laserlichtleiter besitzt und das Pumplicht erfindungsgemäß vom Glasfaserende her eingekoppelt wird, ist es möglich, die Eintrittsfläche mit einer großen Pumpleistung zu bestrahlen, ohne daß eine Zerstörung dieser Fläche zu erwarten ist. Die Größe des aktiven Volumens ergibt sich aus der Zahl der verwendeten Laserlichtleiter, dieses wiederum ist ausschlaggebend für die erzielbare Laserenergie. Der hohe Wirkungsgrad bei der Umsetzung der Pumpstrahlung in Laserstrahlung ermöglicht die Verwendung kurzer Fasern. Die Plastikumhüllung (coating) hat neben der eigentlichen Funktion, die Lichtleitung für das Pumplicht zu gewährleisten noch eine Stabilisierungs- und Schutzfunktion für den in sie eingebetteten Pumplichtwellen-leiter.
Die numerische Berechnung der Absorption des Pumplichts durch das zirkulare Array führt zur Festlegung der Faserlänge auf der 90% des Pumplichts absorbiert werden. Diese Länge kann noch weiter verkürzt werden, wenn die Lichtlaufrichtung des Pumplichts am Ende der Faser durch Verwendung eines hochreflektierenden Spiegels für diese Wellenlänge umgekehrt wird. Weitere Resonatorelemente können ergänzend vorgesehen werden, insbesondere, wenn es um höchste Strahlqualität und/oder die Erzeugung ultrakurzer Impulse geht.
Als Ausgangsmaterial für die Herstellung der für die Anordnung benötigten Fasern können alle bisher bekannten, bzw. neu zu entwickelnden Gläser Verwendung finden.
Die Verlustfreiheit der für die Anordnung in Frage kommenden Fasern ist durch die verwendete Länge bestimmt. Passive Lichtleitverluste, die 10 bis 100 mal größer sind als bei herkömmlichen Fasern können toleriert werden. Die Anforderungen an die Technologie der Faserherstellung werden dadurch reduziert.
Als laseraktive Dotanden können alle bekannten, für Laserzwecke eingesetzten seltenen Erdmetalle, die sich in oben angegebenen Gläsern lösen lassen, verwendet werden. Die Höhe der Dotierungskonzentration wird nicht durch die Faserlänge bestimmt. Neben der Verwendung eines Dotanden für alle Laserlichtleiter können auch unterschiedliche Dotanden eingesetzt werden, wobei nur eine bestimmte Anzahl von Laserlichtleitern mit dem jeweiligen Dotanden versehen wird. Unter der Voraussetzung, daß die verwendeten Dotanden alle mit der gleichen Pumpwellenlänge angeregt werden können, kann eine Anordnung realisiert werden, die auf mehreren Wellenlängen (Farben) gleichzeitig Laserstrahlung emittiert.
Die Vergrößerung des laserfähigen Spektralbereichs durch Kombination geeigneter Dotanden ermöglicht die Erzeugung von Impulsen mit zeitlichen Breiten im Femtosekundenbereich.
Die Dotierung der einzelnen Laserlichtleiter mit unterschiedlichen Dotanden ist möglich, wenn diese mit der gleichen Diode optisch gepumpt werden können. Dies kann z. B. zu einer merklichen Verbreiterung des Emissionsgebiets des zirkularen Arrays führen was sich für spektral durchstimmbare Laser bzw. für die Erzeugung ultrakurzer Impulse positiv auswirkt. Die Kopplung zwischen den z. B. fasergekoppelten Anregungsdioden und der Laserfaser sollte lösbar sein. Bei geeigneter Wahl der Transportfaser für das Pumplicht, kann eine Stoß-auf-Stoß Kopplung (butt coupling) realisiert werden.
Die erfindungsmäße Anordnung zur Erzeugung von Laserstrahlung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen stellen dar:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung zur Erzeugung von Laserstrahlung;
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Multikernfaser;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Multikernfaser;
Fig. 4 ein der Multikernfaser zugeordnetes Brechungsindexprofil;
Fig. 5 die Verteilung des Laserlichtfeldes in zwei benachbarten Laserlichtleitern;
Fig. 6 den Koppelparameter für zwei benachbarte Laserlichtleiter als Funktion ihres Abstands;
Fig. 7 das Diagramm für die Berechnung der Faserlänge für 90% Absorption des Pumplichts und den Abstand Laserlichtleiter-Wand.
Fig. 8 die Ausführungsform einer Multikernfaser zur Konzentration der Lichtintensität auf der optischen Achse.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Anordnung zur Erzeugung von Laserstrahlung weist eine dielektrische Glasfaser auf, die als Multikernfaser 4 ausgebildet ist. Die Multikernfaser 4 besteht aus dem Pumplichtwellenleiter 8 und den darin eingebetteten einzelnen laseraktiven Laserlichtleitern 9 0-9 N. Der Anschaulichkeit halber ist die Multikernfaser 4 in der Mitte unterbrochen. An einem Faserende besitzt die Multikernfaser 4 eine Beschichtung 3, die für die Laserwellenlänge hochreflektierend und für die Pumplichtwellenlänge hochtransmittierend ist. An dem anderen Faserende ist die Multikernfaser 4 mit einer Beschichtung 5 versehen, die für die Laserwellenlänge hochtransmittierend und für die Pumplichtwellenlänge hochreflektierend ist. Als Pumplichtquelle 1 dient eine Laserdiode bzw. eine Laserdiodenzeile oder ein Laserdiodenstapel. Vorteilhafterweise erfolgt die Übertragung des Diodenpumplichts auf die Faser durch eine an die Diode in bekannter Weise angebrachte Transportfaser 2, die an der der Multikernfaser 4 zugewandten Seite vorteilhaftreweise eine Koppeloptik aufweist, die zur Anpassung des Strahlparameterprodukts der Pumplichtquelle an das Strahlparameterprodukt der Multikernfaser 4 dient.
Auf der der Einkopplung des Pumplichts in die Multikernfaser 4 entgegengesetzten Seite (Auskoppelseite) können wahlweise Elemente 6 zur Strahlformung und/oder zur Erzeugung ultrakurzer Impulse im optischen Strahlengang angebracht sein. Der optische Resonator wird durch einen Resonatorspiegel 7 komplettiert.
In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch eine Multikernfaser 4 gezeigt. Der Pumplichtwellenleiters 8 besitzt einen Durchmesser D1. Die einzelnen Laserlichtleiter 9 0-9 N sind auf einem Kreisring angeordnet, der einen Durchmesser D4 aufweist und einen Abstand d zur Grenzfläche des Pumplichtwellenleiters 8 hat. Der Durchmesser D2 dieser Laserlichtleiter 9 0-9 N ist für die bekannte Laserwellenlänge und den bekannten Brechungsindex in bekannter Weise so gewählt, daß immer der Grundschwingungsmodus des in den Laserlichtleitern erzeugten Laserlichts ausbreitungsfähig ist. Die Laserlichtleiter 9 0-9 N sind mit Ionen seltener Erden dotiert. Die Dotierungshöhe ist in bekannter Weise durch die Einbaufähigkeit in die Glasmatrix festgelegt. Der Abstand der Laserlichtleiter 9 0-9 N untereinander ist mit DKK bezeichnet. Der Pumplichtwellenleiter 8 ist von einer Schutzhülle 10 (coating) aus polymerem Material umgeben. Sie weist einen Durchmesser D3 auf. Als charakteristische Werte für die einzelnen Durchmesser, eine Laserwellenlänge von λ = 1 µm vorausgesetzt, gelten:
50 µm < D1 < 400 µm; D2 ~ 5 µm; 120 µm < D3 < 500 µm; 10 µm < d < 15 µm.
Der Pumplichtwellenleiter 8 hat den Brechungsindex n1, die Laserlichtleiter 9 0-9 N haben jeweils den Brechungsindex n2, die Schutzhülle hat den Brechungsindex n3. Für die Wahl der Brechungsindizes gilt folgende Beziehung: n3 < n1 < n2.
In Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch die Multikernfaser 4 für den Fall dargestellt, daß der Schnitt durch zwei Laserlichtleiter 9 0 und 9 N gelegt ist. Dadurch, daß der Brechungindex n3 der Schutzhülle 10 kleiner ist der Index n1 des Pumplichtwellenleiters 8, wird das Pumplicht PS im Pumplichtwellenleiter 8 geführt. Da der Durchmesser D1 dieses Pumplichtwellenleiters 8 sehr groß ist, werden sehr viele Moden angeregt. Die in den Laserlichtleitern 9 0-9 N durch optisches Pumpen erzeugte Laserstrahlung LS wird im Grundmode geleitet, wenn der Durchmesser D2 und das Brechungsindexverhältnis n2/n1 so gewählt wird, daß der Faser V-Parameter
ist. Dabei ist NA die numerische Apertur des Pumplichtwellenleiters 8.
In Fig. 4 ist das Brechungsindexprofil der Multikernfaser 4 für den Fall dargestellt, daß der Schnitt ebenfalls durch zwei Laserlichtleiter 9 0 und 9 N gelegt ist. Wie bereits zu Fig. 2 erläutert wurde, weist der Pumplichtwellenleiter 8 den Brechungsindex n1 auf, die Laserlichtleiter 9 0-9 N, die aus laserfähigem Materikal IM bestehen, haben den Brechungsindex n2 und die Schutzhülle 10 hat den Brechungsindex n3. Anhand dieser Figur ist die zuvor genannte Bedingung n3 < n1 < n2 grafisch dargestellt und deutlich ablesbar.
In Fig. 5 sind die Laserfeldverteilungen FV und der Bereich der Überlappung FVÜ dieser Verteilungen für 2 beliebig herausgegriffene, benachbarte Laserlichtleiter 9 N-1 und 9 N, deren Abstand DKK beträgt, dargestellt. Das Auftreten von Kopplung zwischen benachbarten Laserlichtleitern wird mit Hilfe des Koppelparameters κ, beschrieben:
Dabei ist a die Breite des örtlichen Verstärkerprofils und DKK ist der Abstand zwischen den beiden benachbarten Laserlichtleitern 9 N-1 und 9 N. Beide Größen a und DKK sind hierbei auf die Laserfeldbreite w normiert.
In Fig. 6 ist der Koppelparameter κ über dem normierten Abstand der beiden benachbarten Laserlichtleiter 9 N-1 und 9 N (Kernabstand DKK) aufgetragen. Ein Koppelparameter κ < 0 bedeutet, daß die Kopplung in Phase erfolgt, κ < 0 bedeutet, daß die Kopplung phasenverschoben erfolgt und κ = 0 bedeutet fehlende Kopplung. Mit bekanntem w und a kann der Charakter der Kopplung bestimmt und über den Abstand der Laserlichtleiter DKK eingestellt werden. Andererseits kann man bei Vorgabe der erwünschten Kopplung den erforderlichen Abstand der Laserlichtleiter DKK untereinander ermitteln.
In Fig. 7 ist die normierte Faserlänge L für 90% Absorption über dem Einkoppelwinkel αcoup des Pumplichts aufgetragen. Als Parameter wurde der Kreisring D4 benutzt, auf dem die Laserlichtleiter 9 0 bis 9 N angeordnet sind, wobei sich die Maßangaben auf den jeweiligen Radius beziehen. In diesem Beispiel beträgt die Pumplichtwellenlänge λp = 805 nm, die Laserwellenlänge λlas = 1050 nm, der Brechungsindex der Laserlichtleiter n2 = 1,455 und der Brechungsindex des Pumplichtwellenleiters 8 beträgt n1 = 1,45. Der Durchmesser des Pumplichtwellenleiters 8 beträgt D1 = 70 µm. Die aktuelle Faserlänge Lf kann man aus der normierten Faserlänge L unter Zugrundelegung folgender Beziehung L = Lf . σa . N0 ermitteln. Hierbei ist σa der Absorptionswirkungsquerschnitt und N0 die Dotierungshöhe. Im gewählten Beispiel beträgt σa . N0 = 0,2 cm-1. Der Fertigungsprozeß der Multikernfaser 4 macht einen Abstand von d ~ 5 µm erforderlich. Für die im Beispiel gewählte Faser, bei der der Pumplichtwellenleiter 8 einen Durchmesser D1 = 70 µm hat, muß der Kreisring auf dem die Laserlichtleiter 9 0 bis 9 N angeordnet sind einen Durchmesser D4 ~ 50 µm aufweisen, um eine minimale Faserlänge Lf für 90% Absorption zu erzielen. Die aktuelle Faserlänge Lf wird im angeführten Beispiel aus dem Diagramm für den ermittelten Durchmesser D4 ~ 50 µm über die abgelesene normierte Faserlänge L ~ 13 nach vorgenannter Beziehung berechnet:
Weiterhin kann man der Fig. 7 entnehmen, daß der Einkoppelwinkel so gewählt werden sollte, daß die numerische Apertur NA des Pumplichtwellenleiters 8 ausgefüllt ist. Für alle Werte, die kleiner als die numerische Apertur NA des Pumplichtwellenleiters 8 sind, resultiert eine größere Faserlänge, da die numerische Apertur NA der Pumplichtquelle 1 aus den Koppelwinkeln 0 < αcoup < αcoup max gebildet wird.
In Fig. 8 ist eine vorteilhafte Weiterbildung der genannten Multikernfaser 4 dargestellt, bei der das der Einkoppelseite der Multikernfaser 4 gegenüberliegende Faserende zu einer Spitze ausgezogen ist. Diese Formgebung des Faserendes, die nach Standardmethoden erfolgen kann, erlaubt eine Konzentration des Laserlichts sämtlicher Kanäle auf der optischen Achse.
Die beschriebene Anordnung zur Erzeugung von Laserstrahlung ist als Realisierungsvariante anzusehen, die Möglichkeiten zur Erzeugung hoher Laserlichtleistungen in unterschiedlichen Spektralbereichen im Gleichlicht- und/oder Impulsbetrieb mittels gekoppelter monomodaler Laserlichtleiter, die in einer Faser angeordnet sind, auszunutzen.

Claims (1)

  1. Anordnung zur Erzeugung von Laserstrahlung mit einer Pumplichtquelle zur Anregung laseraktiven Materials in einer Glasfaser, die aus einem Pumplichtwellenleiter und einer Anzahl Laserlichtleiter aufgebaut ist, wobei der Pumplichtwellenleiter einen wesentlich größeren Durchmesser als ein Laserlichtleiter besitzt und jeder Laserlichtleiter (9 0-9 N) das laseraktive Material enthält sowie einen zur Erzeugung von Laserstrahlung mit Monomodecharakter entsprechend bemessenen Durchmesser (D2) besitzt, der Brechungsindex (n2) der Laserlichtleiter (9 0-9 N) höher ist als der Brechungsindex (n1) des Pumplichtwellenleiters (8), der Pumplichtwellenleiter (8) als Multimodewellenleiter ausgebildet ist und das von der Pumplichtquelle (1) gelieferte Pumplicht vom Glasfaserende her in den Pumplichtwellenleiter (8) eingekoppelt wird, wobei eine Kopplung zwischen den Laserlichtleitern (9 0-9 N) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur optimalen Ankopplung der Pumplichtquelle (1) an den Pumplichtwellenleiter (8) der Einkoppelwinkel des Pumplichts derart gestaltet ist, daß die numerische Apertur des Pumplichtwellenleiters (8) ausgefüllt ist, die einzelnen monomodalen Laserlichtleiter (9 0-9 N) zu einem zirkularen Array auf einem Kreisring angeordnet sind, dessen Durchmesser (D4) einen Wert von ca. 5/7 des Durchmessers (D1) des Pumplichtwellenleiters (8) aufweist, der Abstand (DKK) zwischen den Laserlichtleitern (9 0-9 N), nach Festlegung der gewünschten Kopplung (κ), mittels bekannter Algorithmen numerisch ermittelbar ist.
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