DE19758366B4 - Verfahren und Vorrichtung zum optischen Pumpen von Wellenleiterlasern oder -verstärkern durch von Laserdioden emittiertes Licht - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Lichtverstärkung mittels eines Lichtwellenleiters (E4), aufweisend eine Laserdiode (E1), einen rechtwinkligen Prismenreflektor (E3) und einen Retroreflektor (E5), wobei der Lichtwellenleiter (E4) derart zwischen Prismenreflektor (E3) und Retroreflektor (E5) angeordnet ist, dass das in den Lichtwellenleiter (E4) eingekoppelte Licht der Laserdiode (E1) nach Auskopplung aus dem Lichtwellenleiter (E4) jeweils mittels eines Reflektors (E3, E5) zumindest teilweise in den Lichtwellenleiter (E4) zurück reflektiert wird, wobei die der Laserdiode (E1) zugewandte Seite des Prismenreflektors (E3) zur Ausbildung eines Eintrittsspaltes (EA) zur Einkopplung des von der Laserdiode (E1) emittierten Lichts abgefast ist und der Retroreflektor (E5) eine definierte Verkippung (αR) zur optischen Achse des Lichtwellenleiters (E4) aufweist, so dass aus dem am Retroreflektor (E5) angeordneten Ende des Lichtwellenleiters (E4) ausgekoppeltes Licht einer vorgegebenen Lichtwellenleitermode nach Reflexion am Retroreflektor (E5) in einer höheren Lichtwellenleitermode in den Lichtwellenleiter (E4) eingekoppelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum effektiven Pumpen bei mehrfachem Durchgang der Pumpstrahlung durch das Laser- oder Verstärkermedium mittels einer Kombination zweier Retroreflektoren und einer speziellen Ausführung des Lasermediums.
  • Bei Festkörper-Lasern mit hohem Wirkungsgrad, so bei den 3-Niveau-Lasersystemen, tritt das Problem auf, daß eine extrem hohe Volumen-Pumpdichte im aktiven Medium bei möglichst geringer Dotierung erreicht werden muß. Bei hoher Dotierung wird zwar die Absorption der Pumpstrahlung in einem Durchgang erreicht, aber durch die Restabsorption der Laserstrahlung wird die Laserschwelle sehr hoch und der Wirkungsgrad bei mittleren Pumpleistungen gering. Dies trifft insbesondere bei mit Ytterbium (Yb) dotierten Kristallen und Gläsern zu. Die Geometrie des Lasermediums muß also große Absorptionslängen, aber ein insgesamt geringes Volumen aufweisen.
  • Unter der Verwendung von Monomode-Faserlasern mit geringer Dotierung (kleiner 0.05 wt% Yb) wird mit longitudinalem Pumpen unter Verwendung von Laserdioden diese Bedingung durch den geringen Querschnitt (Kerndurchmesser kleiner 5 μm) und die große Faserlänge (einige Meter) erreicht [H. M. Pask u.a., IEEE Journal of Selected Topics in Quanten Electronics. Vol. 1 (1995), 1–13]. Die Grenzen dieser Anordnung liegen in der begrenzten Leistung von Quellen mit der erforderlichen geringen Divergenz für die Pumpstrahlung und der endlichen zulässigen Leistungsdichte für den extrem kleinen Faserquerschnitt. Erreicht wurde eine Ausgangsleistung bezogen auf das Volumen des Lasermediums von 2.5 kW/cm3 mit 62% Wirkungsgrad (optisch-optisch). Noch höhere Leistungen werden für diodengepumpte Faserlaser beim Einsatz der Doppelkern-Pumpanordnung erreicht. Die Pump- und Laserstrahlen laufen hierbei nicht in gleiche, sondern wegen der unterschiedlichen numerischen Apertur (NA) des inneren und äußeren Kerns, in unterschiedliche Richtungen. Es ist damit ein modifiziertes transversales Pumpen. Es wurde eine Ausgangsleistung von 35 Watt (3.5 kW/cm3) für eine 80 m lange Yb-dotierte Quarzfaser erzielt [M. Muendel u.a. Conference on Lasers and Electro-Optics, Vol. 11 (1997), OSA Technical Digest Series (Optical Society of America). Washington, DC, 1997, postdeadline paper CPD 30].
  • Als alternative Methode wird ein Lasermedium in Form einer dünnen Scheibe (Dicke 0.1 bis 0.4 mm), deren eine Grenzfläche für die Pumpstrahlung hoch verspiegelt ist, benutzt. Mit einem im Raum angeordneten Fokussierungs- und Abbildungssystem wird die Emitterfläche eines Faserbündels mehrfach aus unterschiedlichen Richtungen auf die Scheibe abgebildet. Das Faserbündel ist wiederum an Pumpdioden gekoppelt. Bei bis zu achtfachem Durchgang der Pumpstrahlung durch die Scheibe wird nahezu das gesamte Pumplicht absorbiert [U. Brauch, u.a. Optics.Lett. 20, 713 (1995)]. Dieses System ist erst für sehr hohe Pump- und Laserleistungen (größer 50 Watt), infolge der merklich höheren Dotierung (etwa 10% Yb) und der einseitigen Kühlung der Scheibe, wirtschaftlich. Erzielt wurde eine Ausgangsleistung bezogen auf das Volumen des Lasermediums von 100 kW/cm3 bei 50% Wirkungsgrad.
  • Weiterhin ist aus US 5 365 538 A ein Wellenleiterlaser bekannt, bei dem die Pumpstrahlung bei jedem Durchgang andere Gebiete des aktiven Mediums durchläuft. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Ausdehnung der Pumplichtquelle klein gegenüber der Breite des aktiven Mediums ist. Ansonsten würde ein größerer Pumplichtanteil die Einkoppelfläche nach dessen Umlauf verlassen. Es kann somit nur eine geringe Pumplichtdichte erreicht werden.
  • Aus US 3 271 695 ist ein Verfahren bekannt, das auf resonanter Anregung einer stehenden Wellen in einem externen Resonator beruht. Dadurch muss die Pumplichtquelle spektral sehr schmalbandig sein und die Winkeldifferenz muss minimal sein. Weiterhin nachteilhaft ist, dass die Pumplichtquelle mit Hilfe eines optischen Tores vor der vom Interferometer reflektierten Strahlung geschützt werden muss. Laserdioden, die zum optischen Pumpen eingesetzt werden können, haben jedoch normalerweise nicht die erforderlichen Eigenschaften für ein resonantes regeneratives optisches Pumpsystem.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Diodenpumpen von Wellenleiterlasern oder Wellenleiter-verstärkern zu entwickeln, bei dem das Lasermedium kostengünstig und in mehrfachem Durchlauf gepumpt werden kann, um mit hohem Wirkungsgrad Laserstrahlung im mittleren Leistungsbereich (1 bis 50 Watt) zu generieren. Die Verstärkung pro Durchgang soll hoch und die Dispersion gering sein, um unter anderem Ultrakurzpulslaser realisieren zu können.
  • Die entsprechende Vorrichtung soll kompakt und kostengünstig herstellbar sein.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 14. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
  • Aktive Wellenleiter von ausgesuchter Struktur werden mit einer Retroreflektor- und Fokussierungsanordnung und einer Pumplichtquelle gekoppelt, die mindestens in einer Ebene eine nahezu beugungsbegrenzte Divergenz aufweist.
  • Die Wellenleiterstruktur wird danach ausgewählt, daß der Flächenquerschnitt senkrecht zur Laserstrahlrichtung die erforderliche hohe Laserleistung erlaubt und senkrecht zur Pumpstrahlrichtung, dessen Strahlquerschnitt und Divergenz angepaßt ist. Für diese Anordnung muß die NA des Wellenleiters um ein Vielfaches (kHA) größer als die Divergenz der Pumpstrahlung sein. Der Faktor kHA bestimmt die Anzahl der möglichen Pumpstrahldurchgänge.
  • Dazu weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Laserdiode, einen rechtwinkligen Prismenreflektor und einen Retroreflektor auf, wobei der Lichtwellenleiter derart zwischen Prismenreflektor und Retroreflektor angeordnet ist, dass das in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Licht der Laserdiode nach Auskopplung aus dem Lichtwellenleiter jeweils mittels eines Reflektors zumindest teilweise in den Lichtwellenleiter zurück reflektiert wird, wobei die der Laserdiode zugewandte Seite des Prismenreflektors zur Ausbildung eines Eintrittsspaltes zur Einkopplung des von der Laserdiode emittierten Lichts abgefast ist und der Retroreflektor eine definierte Verkippung zur optischen Achse des Lichtwellenleiters aufweist, so dass aus dem am Retroreflektor angeordneten Ende des Lichtwellenleiters ausgekoppeltes Licht einer vorgegebenen Lichtwellenleitermode nach Reflexion am Retroreflektor in einer höheren Lichtwellenleitermode in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lichtverstärkung mittels eines Lichtwellenleiters als aktives Medium ist durch Einkoppeln von Pumpstrahlung in den Lichtwellenleiter gekennzeichnet, wobei zumindest ein Teil der Pumpstrahlung mittels eines an einem ersten Ende des Lichtwellenleiters angeordneten Prismenreflektors und mittels eines an einem zweiten Ende des Lichtwellenleiters angeordneten Retroreflektors in den Lichtwellenleiter zurück reflektiert wird und wobei die Pumpstrahlung in Richtung der Grundmode des Lichtwellenleiters in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, wobei die durch den Lichtwellenleiter hindurch laufende Pumpstrahlung mittels des Prismenreflektors im gleichen Winkel zur Richtung der Grundmode des Lichtwellenleiters zurück reflektiert und mittels des Retroreflektors in einem Winkel zurück reflektiert wird, welcher einer höheren Mode des Lichtwellenleiters entspricht.
  • Die Wirkungsweise der Erfindung ist nun folgende: Die Pumpstrahlung wird bei Anpassung an den Querschnitt des Wellenleiters und der Divergenz vorzugsweise in Richtung der Wellenleiter-Grundmode eingekoppelt. Nach einem Durchgang durch den Wellenleiter wird die Richtung des Pumpstrahls bei Rückreflexion soweit geändert, daß die Pumpstrahlung mit einer Strahlrichtung zurückläuft, die der der nächst höheren Wellenleitermode entspricht. Die Pumpstrahl-Einkoppeloptik wird so aufgebaut, daß nur Strahlung mit der Grundmode-Divergenz durchgelassen wird. Alle anderen Richtungen werden wie bei einer Retrooptik auf die Eintrittsöffnung des Wellenleiters zurückgeführt. In dieser Weise wird die Pumpstrahlung bei Konversion in die jeweils höhere Mode geführt und dabei die Intensität durch Absorption und Reflexionsverluste im Wellenleiter-Pumpstrahl-Optiksystem reduziert. Hat die entstehende Mode einen höheren Divergenzwinkel als die NA des Wellenleiters bzw. der Pumpstrahloptik, verläßt sie das System und kann nicht weiter zum Pumpen genutzt werden.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand von zumindest teilweise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden.
  • Es zeigen:
  • 1 zwei Ansichten der Vorrichtung zum Diodenpumpen mit schematischer Darstellung der Pumpstrahldurchläufe in
    • a) horizontaler Ebene und
    • b) vertikaler Ebene
  • 2 den Strahlenverlauf in anderer Darstellung
  • 3 ein aktives Laser- oder Verstärkermedium in Sandwichform
  • Ein als Hochleistungslaser-Diodenbarren ausgebildeter Pumplaser E1 mit einer Emissionsfläche von zirka 1 μm × 1 cm wird mit deren größerer Ausdehnung horizontal angeordnet und mit einer Mikrozylinderlinse E2 gekoppelt. Diese führt in der senkrechten Ebene eine Strahltransformation der Dioden-Emissionsverteilung, welche mit einer Gaußverteilung angenähert werden kann, in den Eintrittsspalt EA des Prismenreflektors E3 durch. Der Prismenreflektor E3 besteht aus einem Rechteckprisma, dessen Kante mit einer Breite von 0.3 mm angefast wurde. Diese Fläche stellt den Ein- und Austrittsspalt EA für das nachfolgende optische System dar. In dieser Ebene hat die Pumplichtverteilung einen Querschnitt von etwa 0.3 mm × 10 mm bei einer Divergenz von αF < 0.6° in der horizontalen Ebene und etwa βS < 8° in der dazu senkrechten Ebene. Die Größen αF und βS variieren mit der Divergenz der Emission der Laserdiode und aF insbesondere mit der Güte der Mikrozylinderlinse E2.
  • Die Optik O1, vorzugsweise als Zylinderoptik ausgebildet, beeinflußt in der Form eines Kondensors nur die Divergenz in der horizontalen Ebene. Die Optik O2, ebenfalls vorzugsweise eine Zylinderlinse, ist wirksam in der senkrechten Ebene und gewährleistet die Transformation der Pumplichtverteilung in die Eintrittsfläche des zu pumpenden Wellenleiters E4 bei einer Reduzierung der Ausdehnung innerhalb der horizontalen Ebene von 300 μm zu kleiner 100 μm. Dafür wird eine Brennweite der Optik O2 von f2 = 10 mm benutzt. Dies berücksichtigt, daß die Kollimation der Pumpstrahlung in der senkrechten Ebene nur mit 2-fach beugungsbegrenzter Divergenz erreicht wird. Der Wellenleiter E4 als aktives Laser- oder Verstärkermedium soll im Ausführungsbeispiel aus einer Komposition von dotiertem und undotiertem Yttrium Aluminum Granat (YAG) bestehen. Er ist in 3 dargestellt. In Sandwichform ist ein mit 15% Ytterbium dotierter Streifen (S1) der Ausdehnung 100 μm × 0.5 mm × 10 mm zwischen zwei undotierten Streifen (S2) der Ausdehnung 300 μm × 0.5 mm × 10 mm mittels Bondtechnik eingebettet. Eine Dotierung von YAG mit seltenen Erden (Yb, Nd) erhöht den Brechwert um ≈ 2·10–4 bei Ytterbium und 1·10–3 bei Neodym pro 1% Dotierung [D. Pelenc und andere, Opt. Comm. 115 (1995), 491 bzw. I. Charter und andere Opt. Lett. 17, 810–812 (1992)]. Bei einer 15at%-igen Dotierung beträgt der Brechwertunterschied zirka Δn ≈ 0.003 (Yb) bzw. 0.015 (Nd). Der Akzeptanzwinkel θA für die Pumpstrahlrichtungen, der noch eine Totalreflektion im Wellenleiter garantiert, berechnet sich aus sinθA ≈ √2·Δn·n. (1)
  • Für Yb:YAG mit 15at.% Yb, eingebettet in undotiertes YAG, wird sinθA ≈ 0.104 und θA ≈ 5.9°. Die Optik O3, vorzugsweise bestehend aus zwei auf unendlich korrigierten Zylinderlinsen, bildet die Austrittsfläche auf den Retrospiegel E5 ab und von dort auf sich zurück. Die laterale Position der Abbildung ist dabei invariant gegenüber einer Verkippung des Retrospiegels E5. Jedoch sichert eine definierte Verkippung αR, daß der Pumpstrahl mit einem Winkel αS zur optischen Achse zurückläuft, im Prismenreflektor E3 den Eintrittsspalt meidet und in dieser Weise so oft hin und her läuft, bis er restlos absorbiert oder durch die begrenzte NA der Optik O1 und O2 sowie des Wellenleiters E4 aus dem System läuft.
  • Der notwendige Winkel αS definiert sich aus dem Zusammenhang
    Figure 00090001
  • Mit der erforderlichen Versetzung Δy ≈ 0.3 mm, die benötigt wird, daß der Strahl nicht in den Austrittsspalt EA gelangt, und der Brennweite f2 = 10 mm (O2), ergibt sich sinαS = 0.03 und somit αS = 1.7° und αR = αS/2 = 0.85°. Außerdem sollte die Richtung sinαS vorzugsweise ein Vielfaches der Richtungsdifferenz Δθ der Wellenleitermoden sein, die durch
    Figure 00090002
    gegeben ist. Mit dW = 100 μm als Dicke des dotierten Bereiches S1 (3), n als Brechungsindex und λ = 1.03 μm als Wellenlänge erhält man Δθ = 0.00515 außerhalb des Wellenleiters E4 (n = 1). Es wird eine Strahlneigung 6 × 0.00515, d. h. αS = 1.77° gewählt. Der Strahlenverlauf ist gut durch die beiden 1 und 2 zu erkennen. Der Pumpstrahl P1 mit der Richtung αγ1 = 0 und der Intensität I durchläuft den Eintrittsspalt EA des Prismenreflektors E3 sowie den Wellenleiter E4 und wird dabei in der Intensität um den Faktor TA reduziert. Dieser Transmissionswert bestimmt sich aus
    Figure 00090003
    mit
  • N
    – Dotierung [1020 cm–3],
    σA
    – Absorptionsquerschnitt [10–20 cm2],
    bw
    – Ausdehnung des Wellenleiters in Pumpstrahlrichtung [cm].
  • Im Ausführungsbeispiel wird N = 15, σA = 0.6 und bw = 0.05 gewählt, d.h. TA = 0.64. Für das aktive Lasermedium, also den Wellenleiter E4, wird eine Geometrie, wie in 3 dargestellt, benutzt.
  • Am Retrospiegel E5 wird Strahl 1 durch dessen Neigung αR zu Strahl 2 mit der Neigung αY2 = αS = 2αR. Im Wellenleiter E4 wird damit eine Mode mit m = 6 angeregt, die am Ausgang zwei Richtungen ±αS hervorbringt, welche zu Strahl 2(–) und Strahl 2(+) gehören. Die Strahlen legen im Wellenleiter einen Zick-Zack-Kurs zurück. Die Periodizität beträgt
    Figure 00100001
  • Im Ausführungsbeispiel wird tm = 5.8 mm (Brechungsindex des Wellenleiters E4 nw = 1.8, Modenzahl m = 6). Für diesen Fall geht die Strahlung der 1. Umlaufrichtung fast ungebeugt durch den Wellenleiter E4, so daß die Aufspaltung in zwei Richtungen gering ist. Das Verhältnis k2 der Intensitäten der beiden Richtungen I2 (–) /I2 (+) ist abhängig von der Differenz (bw – p·tm) mit p als gerade ganze Zahl
    Figure 00100002
  • Im Ausführungsbeispiel ergibt sich für den Strahl 2 (m = 6, p = 0) der Wert k2 = 0.91. Für die vierte Umlaufrichtung (m = 24, p = 0) erhält man k4 = 0.66.
  • Die Optik O2 und der Prismenreflektor (E3) führen den Pumpstrahl spiegelbildlich zurück zum dritten Durchgang durch den Wellenleiter E4. Nach einem Umlauf erhöht der Retrospiegel E5 die Verkippung des zurücklaufenden Strahls 2r(+) um 2αR zu Strahl 3 während 2r(+) auf die Richtung von 1rr zurückgeführt wird. Dieser verläßt nach dem vierten Durchlauf durch den Wellenleiter E4 das System durch den Austrittsspalt EA am Prismenreflektor E3. Die mit ihm nicht genutzte Intensität erhält man aus I1 rr = I·T4A ·T2·|k22 – 1|. (7)
  • Im Ausführungsbeispiel betragen die sonstigen Verluste pro Umlauf 3% (T = 0.97) und wir erhalten I1rr 0.027·I. Die Strahlen 3(+) und 3(–) mit dem Intensitätsanteil von zirka 16% können das System weiter durchlaufen. So ist eine Absorption größer als 90% realisierbar.
  • Für Lasermaterialien mit höherem Wert TA (geringe Dotierung, geringer Absorptionsquerschnitt, kleine Breite) empfiehlt es sich, den Strahlanteil durch die bekannte Polarisationsweiche zurückzuführen, um mehr als vier effiziente Durchläufe zu realisieren.
  • Die eingesetzten Optiken haben eine NA von 0.2 und lassen einen 7-fachen Durchgang zu. Beim Einsatz von asphärischen Zylinderlinsen sind größere NA-Werte und damit eine höhere Anzahl von Pumpstrahldurchgängen erreichbar. Die notwendigen höheren NA-Werte des Wellenleiters E4 lassen sich durch Co-Dotierungen realisieren. Die neben der Absorption auftretenden Verluste pro Durchgang, realistisch anzusetzen mit 0.2% pro Grenzfläche, wirken jedoch als Begrenzung. Bei 12 Flächen pro Durchgang erhält man einen Verlust von 2.4 %. Die Absorption sollte mindestens das Fünf- bis Zehnfache betragen, um eine hohe Pumpeffizienz zu realisieren.
  • Um die Verluste zu verkleinern, muß die Anzahl der Grenzflächen reduziert werden. So kann auch die Optik O3 und der Retrospiegel E5 dadurch entfallen, daß bereits die Austrittsfläche des Wellenleiters E4 in Pumpstrahlrichtung hochverspiegelt und um R gekippt wird. Das heißt für die Ausführung, daß die Austrittsseite des Wellenleiters E4 in Pumpstrahlrichtung um den Winkel αR schräg angeschliffen wird. Der Verlust reduziert sich dadurch auf zirka 1.2% pro Pumplichtdurchgang.
  • Bei Verwendung des Retroreflektors sollte dieser in möglichst geringem Abstand hinter dem Wellenleiter E4 angeordnet werden.
  • Die Anzahl der Durchgänge kann in Verbindung mit dem Einsatz von asphärischer Zylinderoptik auf fünfzehn erhöht, die körperliche Absorptionslänge des Wellenleiters E4 halbiert und die Volumen-Pumpdichte verdoppelt werden.
  • Das Ausführungsbeispiel ist so dimensioniert, daß die Modenkonversion im Wellenleiter E4 durch Wellenleiterkrümmungen und Wellenleiterdefekten selbst vernachlässigbar ist.
  • Der Laserresonator ist im Ausführungsbeispiel horizontal angeordnet und wird durch den Laserresonator-Spiegel E6 und den Laserresonator- Auskoppelspiegel E7 gebildet. Bei Verwendung der Pumpanordnung für einen Laserverstärker entfallen die Spiegel E6 und E7 bei Beibehaltung der Strahlrichtung der Resonatoranordnung.
  • Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Im folgenden sollen einige Bemerkungen zu anderen Ausführungen gemacht werden.
  • Die vorliegende Erfindung enthält einerseits die Vorteile des effizienten longitudinalen Pumpens von aktiven Lasermedien mit relativ kleinen Emissionsquerschnitten, die hohe Volumen-Pumpdichten erfordern, und andererseits die Vorteile des transversalen Pumpens durch Skalierbarkeit der Leistung und der sehr homogenen Inversionsverteilung.
  • Wird für das verwendete Lasermedium im zweifachen Pumpdurchgang nahezu die gesamte Pumpstrahlung absorbiert bzw. ist ein zweifacher Pumpdurchgang ausreichend, kann anstelle des Retrospiegels E5 und der Optik O3 ein ebener Spiegel, hochreflektierend für die Pumpwellenlänge, direkt in Kontakt zum Wellenleiter E4 angebracht bzw. der Wellenleiter E4 direkt verspiegelt werden. In diesem Fall sind für die einfallende Pumpstrahlung Einfallswinkel bis zur NA des Wellenleiters E4 zulässig. Die Skalierbarkeit der Pumpleistung wird in der beschriebenen Pumpanordnung dadurch erzielt, daß anstelle eines einzelnen Hochleistungslaser-Diodenbarrens eine Stapelanordnung bestehend aus zwei bis fünf übereinander parallel angeordneten Hochleistungslaser-Diodenbarren verwendet wird.
  • Für Lasermedien mit einem Absorptionquerschnitte σA > 2·10–20 cm2 und ausreichend hoher Dotierung wird eine Wellenleiterstruktur in Form eines scharfen Brechwertunterschieds nicht erforderlich. Die Breite des Lasermediums in Pumpstrahlrichtung kann so kurz gehalten werden, daß lw << tm ist. Auf eine Wellenleitung der Pumpstrahlung wird verzichtet. Für die Laserstrahlung liegt lw innerhalb der Rayleighlänge la = w2·π/λ (w entspricht dem Gaußschen Fleckradius). Bei hoher Verstärkung wirkt das Verstärkungsprofil der Pumpstrahlverteilung als Wellenleiter.
  • Damit ist die Erfindung umfassend anwendbar für die Realisierung von kompakten Lasern und Verstärkern mit hoher Leistung und großer Verstärkungslänge. Es können bezüglich Pumpwellenlänge und Gesamtwirkungsgrad effektive Lasermedien eingesetzt werden, die sonst wegen der kleinen Absorptions- und Emissionsquerschnitte und der erforderlichen räumlich gleichmäßigen und hohen Pumpdichte nur sehr ineffizient arbeiten.
  • Auf Grund des langen und hochgepumpten Verstärkungsgebietes ist die Erfindung auch insbesondere für Laser zur Erzeugung ultrakurzer Impulse (Modensynchronisation mittels Kerrlinseneffekt) und gütemodulierter Impulse anwendbar.
  • E1
    Pumplaser
    E2
    Mikrozylinderlinse
    E3
    Prismenreflektor
    E4
    Wellenleiter
    E5
    Retrospiegel
    E6
    Laserresonatorspiegel
    E7
    Laserresonator-Auskoppelspiegel
    O1
    Optik 1
    O2
    Optik 2
    O3
    Optik 3
    P1
    Pumpstrahl 1
    L1
    Laserstrahl
    EA
    Eintrittsspalt
    S1
    Dotierte Streifen
    S2
    Undotierte Streifen
    L1
    Laserstrahl
    α1
    Verkippung

Claims (14)

  1. Vorrichtung zur Lichtverstärkung mittels eines Lichtwellenleiters (E4), aufweisend eine Laserdiode (E1), einen rechtwinkligen Prismenreflektor (E3) und einen Retroreflektor (E5), wobei der Lichtwellenleiter (E4) derart zwischen Prismenreflektor (E3) und Retroreflektor (E5) angeordnet ist, dass das in den Lichtwellenleiter (E4) eingekoppelte Licht der Laserdiode (E1) nach Auskopplung aus dem Lichtwellenleiter (E4) jeweils mittels eines Reflektors (E3, E5) zumindest teilweise in den Lichtwellenleiter (E4) zurück reflektiert wird, wobei die der Laserdiode (E1) zugewandte Seite des Prismenreflektors (E3) zur Ausbildung eines Eintrittsspaltes (EA) zur Einkopplung des von der Laserdiode (E1) emittierten Lichts abgefast ist und der Retroreflektor (E5) eine definierte Verkippung (αR) zur optischen Achse des Lichtwellenleiters (E4) aufweist, so dass aus dem am Retroreflektor (E5) angeordneten Ende des Lichtwellenleiters (E4) ausgekoppeltes Licht einer vorgegebenen Lichtwellenleitermode nach Reflexion am Retroreflektor (E5) in einer höheren Lichtwellenleitermode in den Lichtwellenleiter (E4) eingekoppelt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prismenreflektor (E3) durch ein totalreflektiertes Prisma gebildet wird, dessen Kante auf einer definierten Breite geschliffen und poliert ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpstrahleintrittskante des Prismenreflektors (E3) einen abgeflachten Eintrittsspalt (EA) aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prismenreflektor (E3) ein justierbarer Spiegelreflektor mit einem nichtverspiegelten Teil in Form eines Spaltes oder ein zweigeteilter Spiegelreflektor mit Spaltabstand ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Retroreflektor (E5) direkt am Wellenleiterausgang mittels eines geneigten definierten Anschliffs der Fläche oder durch Ansetzen eines justierbaren Spiegels gebildet wird.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Pumplaser (E1) und Prismenreflektor (E3) eine Polarisationsweiche angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Prismenreflektor (E3) und dem Wellenleiter (E4) eine erste Optik (O1) und/oder eine zweite Optik (O2) angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Optik (O1) als Zylinderlinse ausgebildet ist und in der Form eines Kondensors die Slow-Axis-Divergenz beeinflusst.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Optik (O2) als Zylinderlinse ausgebildet ist und in der Fast-Axis-Ebene wirkt.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wellenleiter (E4) und dem Retroreflektor (E5) eine dritte Optik (O3) angeordnet ist, welche aus zwei auf unendlich korrigierten Zylinderlinsen besteht.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlinsen asphärisch ausgebildet sind.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Pumplaser (E1) ein Hochleistungs-Diodenbarren eingesetzt ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Pumplaser (E1) eine Stapelanordnung aus zwei bis fünf übereinander parallel angeordneten Hochleistungs-Diodenbarren eingesetzt ist.
  14. Verfahren zur Lichtverstärkung mittels eines Lichtwellenleiters (E4) als aktives Medium durch Einkoppeln von Pumpstrahlung (P1) in den Lichtwellenleiter (E4), wobei zumindest ein Teil der Pumpstrahlung (P1) mittels eines an einem ersten Ende des Lichtwellenleiters (E4) angeordneten Prismenreflektors (E3) und mittels eines an einem zweiten Ende des Lichtwellenleiters (E4) angeordneten Retroreflektors (E5) in den Lichtwellenleiter (E4) zurück reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpstrahlung (P1) in Richtung der Grundmode des Lichtwellenleiters (E4) in den Lichtwellenleiter (E4) eingekoppelt wird, wobei die durch den Lichtwellenleiter (E4) hindurch laufende Pumpstrahlung (P1) mittels des Prismenreflektors (E3) im gleichen Winkel zur Richtung der Grundmode des Lichtwellenleiters (E4) zurück reflektiert und mittels des Retroreflektors (E5) in einem Winkel zurück reflektiert wird, welcher einer höheren Mode des Lichtwellenleiters (E4) entspricht.
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