DE19861429B4

DE19861429B4 - Auf Multimodefasern basierende Lasersysteme

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Publication number: DE19861429B4
Application number: DE19861429A
Authority: DE
Inventors: Martin E. Dr. Ann Arbor Fermann; Donald J. Dr. Ann Arbor Harter
Original assignee: IMRA America Inc
Current assignee: IMRA America Inc
Priority date: 1997-06-25
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2018-06-25
Also published as: JPH1174593A; JP2007221173A; JP2011055016A; JP5661088B2; DE19828154A1; JP3990034B2; US5818630A; DE19828154B4; DE19828154C5; JP2013055362A; DE19861484B4

Abstract

Lasersystem umfassend:
a. Eine Länge einer dotierten Multimodefaser (76), die ein erstes Ende hat;
b. eine Pumpquelle (20) zum Pumpen der dotierten Multimodefaser;
c. eine Länge einer Einzelmodenfaser (70), die ein zweites Ende hat;
d. Reflektoren (M1, M2), die so angeordnet sind, dass sie einen Laserresonator bilden, der die Multimodefaser (76) und die Einzelmodenfaser (70) einschließt, wobei
e. das zweite Ende der Einzelmodenfaser (70) bezüglich des ersten Endes der Multimodefaser (76) so angeordnet ist, dass die Einzelmode der Einzelmodenfaser (70) und die Grundmode der Multimodefaser (76) aufeinander passen, so dass die Einzelmodenfaser (70) als ein Modenfilter arbeitet und das Ausgangssignal des Lasersystems im Wesentlichen beugungsbegrenzt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Multimodefasern zur Erzeugung von Laserlicht.
Wie aus dem US-Patent US 3,808,549 von Maurer (1974) hervorgeht, werden mit Seltenen Erden dotierte Lichtwellenleiter seit langem zur Verwendung als Quellen für kohärentes Licht in Betracht gezogen, da deren Lichtführungseigenschaften den Aufbau charakteristisch einfacher Laser ermöglichen. Den frühen Arbeiten über Lichtwellenleiter wurde allerdings wenig Interesse geschenkt, da keine Verfahren zum Erzeugen eines beugungsbegrenzten kohärenten Lichts bekannt waren. Viele aktuelle Laseranwendungen profitieren in hohem Maße vom Vorhandensein des beugungsbegrenzten Lichts.
Erst als die Herstellung von mit Seltenen Erden dotierten Einzelmodenfasern (SM) möglich wurde, wie durch Poole u. a. in ”Fabrication of Low-Loss Optical Fibres Containing Rare-Earth Ions”, Optics Letters, Vol. 22, Seiten 737–738 (1985) berichtet wurde, wurde die Technologie mit durch Seltene Erden dotierten Lichtwellenleitern ins Leben gerufen. Bei dieser Technik wird lediglich der Grundmodus des Lichtwellenleiters mit der Laserwellenlänge geführt, wodurch ein beugungsbegrenztes Ausgangssignal sichergestellt wird.
Angetrieben durch die Bedürfnisse nach einer Lichtwellenleitertelekommunikation für SM-Lichtwellenleiterverstärker, wurden für mehr als ein Jahrzehnt alle weiteren Entwicklungen auf diesem Gebiet auf die Perfektion der SM-Faserverstärker gerichtet. Die Motivation zur Entwicklung von SM- Faserverstärkern resultierte insbesondere aus der Tatsache, dass SM-Faserverstärker den geringsten Störgrad erzeugen und mit optischen SM-Faserübertragungsleitungen direkt kompatibel sind. Darüber hinaus weisen SM-Faserverstärker die größten opti schen Übertragungsbandbreiten auf, da die Modendispersion aufgrund der Abwesenheit von Moden höherer Ordnung vollständig eliminiert ist. Im allgemeinen ist die Modendispersion der schädlichste, die Übertragungsbandbreite von Multimode-Lichtwellenleitern (MM) begrenzende Effekt, da die Moden höherer Ordnung im allgemeinen verschiedene Ausbreitungskonstanten aufweisen.
Allerdings ist die Verwendung von SM-Lichtwellenleitern bei der Verstärkung kurzer optischer Impulse nachteilig, da die Sättigungsenergie des Lichtwellenleiters und damit die verfügbare Impulsenergie durch die begrenzte Kernfläche beschränkt wird. Die Sättigungsenergie eines Laserverstärkers kann ausgedrückt werden als Esat = h νAσ ,wobei h die Plancksche Konstante kennzeichnet, ν die optische Frequenz, σ den Querschnitt der stimulierten Emission und A die Kernfläche. Die bisher größte durch einen SM-Lichtwellenleiter erzeugte Impulsenergie beträgt ungefähr 160 μJ (offenbart durch Taverner u. a. in Optics Letters, Vol. 22, Seiten 378–380 (1997)) und wurde durch eine Erbium-dotierte SM-Faser mit einem Kerndurchmesser von 15 µm erzielt, was ungefähr den größten mit der SM-Ausbreitung bei 1,55 µm verträglichen Kerndurchmesser darstellt. Dieses Ergebnis wurde bei einer numerischen Faserapertur NA ≈ 0,07 erhalten. Jede weitere Erhöhung des Kerndurchmessers erfordert eine weitere Verringerung der NA der Faser und führt zu einer inakzeptabel höheren Empfindlichkeit gegenüber Krümmungsverlusten.
Als Alternative zu SM-Verstärkern wurde eine Verstärkung in Multimode-(MM)-Lichtwellenleitern in Betracht gezogen. Siehe beispielsweise ”Chirped-pulse amplification of ultrashort Pulses with a multimode Tm:ZBLAN fiber upconversion amplifier” von Yang u. a., Optics Letters, Vol. 20, Seiten 1044–1046 (1995). Im allgemeinen führten jedoch Verstärkungsexperimente in MM-Lichtwellenleitern zu nichtbeugungsbegrenzten Ausgangssignalen und auch zu einer inakzeptablen Impulsverbreiterung aufgrund der Modendispersion, da die Einkopplungs bedingungen in den MM-Lichtwellenleiter und die Modenkopplung in der MM-Faser nicht gesteuert wurden.
Vor kurzem wurde von Griebner u. a. in ”Efficient laser operation with nearly diffraction-limited output from a diodepumped heavily Nd-doped multimode fiber”, Optics Letters, Vol. 21, Seiten 266–268 (1996) vorgeschlagen, daß ein nahezu beugungsbegrenzter Ausgangsstrahl eines MM-Faserlasers erhalten werden kann, wenn eine Faserlänge von weniger als 15 mm beibehalten und ein maximaler Rückkopplungsgrad für den Grundmodus des Lichtwellenleiters selektiv bereitgestellt wird. Bei dieser Technik stellt allerdings die starke Modenkopplung ein Problem dar, da die eingesetzten MM-Fasern einige 10000 Moden unterstützten. Darüber hinaus wurde zur Modenselektion lediglich ein Luftspalt zwischen der Endfläche der MM-Faser und einem Laserspiegel vorgeschlagen. Dadurch ergab sich lediglich eine sehr schwache Modendiskriminierung, was zu einer schlechten Strahlqualität führte.
In dem US-Patent US 5,187,759 von DiGiovanni u. a. wurde vorgeschlagen, durch selektives Anregen aller aktiven Ionen in der Nähe der Mitte des Faserkerns oder durch Einschließen der aktiven Ionen in der Mitte des Faserkerns die verstärkte spontane Emission (ASE) in einer MM-Faser zu reduzieren. Da die Überlappung der Moden mit niedriger Ordnung in einem MM-Lichtwellenleiter bei aktiven Ionen in der Nähe der Mitte des Faserkerns am größten ist, wird jede ASE dann ebenfalls vorwiegend in Moden niedriger Ordnung der MM-Faser erzeugt. Als Resultat kann die Gesamtmenge der ASE in der MM-Faser stark verringert werden, da keine ASE in Moden hoher Ordnung auf tritt. Allerdings beschrieb DiGiovanni die Dotierstoffbegrenzung lediglich hinsichtlich der ASE-Verringerung. DiGiovanni hat nicht vorgeschlagen, die Strahlqualität des Grundmodus der MM-Faser beim Vorhandensein einer Modenstreuung unter SM-Anregung durch eine Dotierstoffbegrenzung zu verbessern. Darüber hinaus wurde bei dem System von DiGiovanni nicht die Tatsache berücksichtigt, daß ein Grundmodus in einer MM-Faser durch eine mittels einer Dotierstoffbegrenzung induzierte Gewinnführung wirksam geführt werden kann. Dies führt zu einer weiteren Verringerung der ASE in MM-Fasern und ermöglicht auch einen SM-Betrieb.
Das System von DiGiovanni u. a. ist aber nicht sehr praktisch, da es eine MM-Signalquelle in Betracht zieht, was zu einem nichtbeugungsbegrenzten Ausgangsstrahl führt. Darüber hinaus wurde für die dotierte Faser lediglich ein einzelner Mantel in Betracht gezogen, was beim Versuch des Koppelns von Hochleistungshalbleiterlasern in die Lichtwellenleiter nachteilig ist. Zur Kopplung von Hochleistungshalbleiterlasern in MM-Fasern kann ein Doppelmantelaufbau vorteilhaft sein, wie er in dem vorgenannten Patent von Maurer vorgeschlagen wird.
Nach Kenntnis der Erfinder wurde bisher keine Gewinnführung in Lichtwellenleitern eingesetzt. Andererseits ist die Gewinnführung in üblichen Halbleitern und Festkörperlasern bekannt, siehe beispielsweise ”Alexandrite-Laser-pumped Cr³⁺:LiSrAIF₆” von Harter u. a., Optics Letters, Vol. 17, Seiten 1512–1514 (1992). Die Gewinnführung in SM-Fasern ist aber aufgrund der starken Begrenzung des Grundmodus durch die Wellenleiterstruktur irrelevant. In MM-Lichtwellenleitern wird allerdings die Begrenzung des Grundmodus durch die Wellenleiterstruktur vergleichsweise schwächer, wodurch ein Einsetzen der Gewinnführung ermöglicht wird. Da sich in einer MM-Faser eine größere Kerngröße ergibt, neigt die Lichtausbreitung in der Faserstruktur zu einer Annäherung an die Freiraumausbreitung. Somit kann eine bedeutende Gewinnführung erwartet wer den, unter der Voraussetzung, daß eine ausreichend kleine Modenkopplung bereitgestellt werden kann.
Zusätzlich zur Bereitstellung hoher Impulsenergien können MM-Lichtwellenleiterverstärker aufgrund ihres im Vergleich zu SM-Faserverstärkern erhöhten Faserquerschnitts auch zur Verstärkung von Impulsen mit sehr hoher Spitzenleistung herangezogen werden. Undotierte MM-Fasern und MM-Verstärkerfasern können auch zur Impulskompression verwendet werden, wie kürzlich durch Fermann u. a. in dem US-Patent Nr. 5880877 A (eingereicht am 28. Januar 1997) offenbart wurde. Diese Arbeit war jedoch auf die Verwendung von MM-Fasern als Solitonen-Raman-Kompressoren in Verbindung mit einem nichtlinearen Spektralfilterungsvorgang zum Reinigen des Spektralprofils beschränkt, was zu einer Beschränkung des Gesamtwirkungsgrads des Systems führen kann.
Im Vergleich zu einer Impulskompression in SM-Fasern, wie die beispielsweise in dem US-Patent US 4,913,520 von Kafka u. a. offenbarte, sind in MM-Fasern aufgrund der erhöhten Modengröße der Faser höhere Impulsenergien erzielbar. Insbesondere V-Werte größer als 2,5 und relativ hohe Indexunterschiede zwischen Kern und Mantel (d. h. ein Δn > 0,3%) können wirksam eingesetzt werden. In ”Generation of high-energy 10-fs pulses by a new pulse compression technique”, Conference an Lasers and Electro-Optics, CLEO 91, paper CTuR5, Optical Society of America Technical Digest Series, #9, Seiten 189–190 (1996) wurde von M. Nisoli u. a. die Verwendung von Hohlkernfasern zur Impulskompression vorgeschlagen, da Hohlkernfasern eine Erhöhung der Modengröße des Grundmodus ermöglichen. Hohlkernfasern weisen jedoch einen Eigenübertragungsverlust auf, müssen mit einem Gas gefüllt werden, und müssen geradlinig beibehalten werden, um Übertragungsverluste zu minimieren, wodurch sie zu einem hohen Maße unpraktisch werden.
Als Alternative zum Erhalten von Hochleistungsimpulsen kann eine gechirpte Impulsverstärkung mit gechirpten Faser-Bragg-Gittern eingesetzt werden, wie in dem US-Patent US 5,499,134 von Galvanauskas u. a. (1996) offenbart ist. Eine der Beschränkungen dieser Technik liegt darin, daß bei dem Kompressionsgitter eine SM-Faser mit einer beschränkten Kernfläche eingesetzt wird. Höhere Impulsenergien konnten durch Verwendung von gechirpten Faser-Bragg-Gittern in MM-Fasern mit verringerter Modenkopplung zur Impulskompression erzielt werden. In der Tat wurden ungechirpte Faser-Bragg-Gitter in Doppelmodenfasern vor kurzem durch Strasser u. a. in ”Reflective-mode conversion with UV-induced Phase gratings in two-mode fiber”, Optical Society of America Conference on Optical Fiber Communication, OFC97, Seiten 348–349, (1997) demonstriert. Diese Gitter waren jedoch markiert, um deren Verwendung als Modenwandler zu ermöglichen, d. h. den Grundmodus an einen Modus höherer Ordnung zu koppeln. Die Verwendung von Bragg-Gittern bei der Impulskompression erfordert ein unmarkiertes Gitter, um die Anregung von Moden höherer Ordnung bei der Reflektion zu minimieren.
Es ist bekannt, daß ein SM-Signal in eine MM-Faserstruktur eingekoppelt und für Ausbreitungslängen von Hunderten von Metern beibehalten werden kann. Siehe beispielsweise ”Pulse Dispersion for Single-Mode Operation of Multimode Cladded Optical Fibers”, Gambling u. a., Electron. Lett., Vol. 10, Seiten 148–149, (1974) und ”Mode conversion coefficients in optical fibers”, Gambling u. a., Applied Optics, Vol. 14, Seiten 1538–1542, (1975). Allerdings konnten Gambling u. a. niedrige Modenkopplungsgrade lediglich in Flüssigkernfasern feststellen. Dagegen wurde in MM-Festkernfasern eine starke Modenkopplung festgestellt, was eine Ausbreitung eines Grundmodus lediglich in Millimeterfaserlängen ermöglicht. Tatsächlich verwendete Gambling u. a. Festkernlichtwellenleiter, die ungefähr 10000 oder mehr Moden unterstützten, wie bei der Arbeit von Griebner u. a..
Im Rahmen einer Arbeit auf dem gleichen Gebiet offenbarte Gloge in ”Optical Power Flow in Multimode Fibers”, The Bell System Technical Journal, Vol. 51, Seiten 1767–1783, (1972) die Verwendung von MM-Fasern, die lediglich 700 Moden unterstützten, wobei die Modenkopplung ausreichend verringert wurde, um eine SM-Ausbreitung über Faserlängen von 10 cm zu ermöglichen.
Gloge zeigte allerdings nicht, dass die Modenkopplung durch Betreiben der MM-Fasern mit langen Wellenlängen (1,55 μm) und durch Verringern der Gesamtmodenzahl auf weniger als 700 verringert werden kann. Auch die Verwendung von MM-Fasern als Verstärker und die Verwendung der nichtlinearen Eigenschaften von MM-Fasern wurden in dieser Arbeit nicht berücksichtigt.
Den Erfindern ist kein Stand der Technik bekannt, bei dem MM-Fasern zum Erzeugen von Laserlicht verwendet werden, wobei das Ausgangssignal in erster Linie im Grundmodus verbleibt.
Alle vorgenannten Artikel, Patente und Patentanmeldungen werden hiermit als Bezug aufgenommen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, MM-Fasern zum Erzeugen von Laserlicht zu verwenden, wobei das ausgegebene Signal im Wesentlichen aus dem Grundmodus der MM-Faser besteht.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Energiespeicherpotential in einem Lichtwellenleiterverstärker zu erhöhen und Spitzenleistungen und Impulsenergien zu erzeugen, die höher sind als die in Einzelmodenfasern (SM) vor dem Einsetzen unerwünschter Nichtlinearitäten erreichbaren.
Im US-Patent US 5 774 484 A wird ein Faserlaser offenbart, der eine optische Pumpquelle zum Bereitstellen von Pumplicht bei einer Wellenlänge λ₁ und einen optischen Hohlraum aufweist, der von dieser Pumpquelle gepumpt wird. Der optische Hohlraum wird durch zwei Rückkopplungsmittel definiert und enthält einen ersten Wellenleiterabschnitt, der fähig ist zum Abstrahlen von Laserlicht mit Mehr-Moden-Verhalten bei einer Wellenlänge von λ₂, wenn er bei einer Wellenlänge λ₁ gepumpt wird. Weiterhin enthält der Hohlraum einen zweiten Wellenleiterabschnitt, der optisch an den ersten Wellenleiterabschnitt gekoppelt ist und bei λ₂ im Wesentlichen ein transversales Ein-Moden-Verhalten aufweist.
Die Patentanmeldung DE 196 35 919 A1 beschreibt eine Technik zur Erzeugung von Piko- und Femtosekundenimpulsen durch modenverkoppelte, doppelbemantelte Faserlaser, wobei die Fasern über den Mantel mit Laserdioden gepumpt werden. Der Resonator des Lasers soll dispersionskompensierend sein, damit die emittierten Laser-Impulse so kurz wie möglich sind. Eine Möglichkeit zur Dispersionskompensation ist die Verwendung eines gechirpten Faser-Bragg-Gitters, eine andere die Verwendung einer undotierten Standard-Monomodenfaser mit einer bestimmten Dispersion.
Im US-Patent US 5,121,460 A wird ein optischer Wellenleiter beschrieben, der einen primären Multimoden-Kern hat, welcher einen Brechungsindex n₁ hat und mit einem Material, das optischen Gain liefert, dotiert ist. Der den Kern umgebende Mantel hat einen Brechungsindex n₂. Weiterhin umfasst der Wellenleiter einen sekundären Kern, der mit einem absorbierenden Material dotiert ist, um für ungewünschte Moden einen optischen Verlust bereitzustellen.
Die europäische Patentanmeldung EP 0 704 944 A1 beschreibt ein Verstärkersystem und einen Laser, wobei die verwendete aktive Multimodenfaser, die mit Sel tenerd-Ionen dotiert ist, eine periodische Modulation des Brechungsindex aufweist, wobei ein Parameter h die Amplitude der Modulation beschreibt. Die Design-Parameter der periodischen Struktur in der Faser werden so eingestellt, dass sich ein gewünschtes „phasing” der sich ausbreitenden Moden in der Multimodenfaser ergibt. Bei diesem phasing bleibt dann eine fundamentale Quasimode übrig. An die aktive Multimodenfaser können ein oder mehrere Einzelmodenfasern angekoppelt werden.
Die vorgenannten Aufgaben werden gelöst durch ein Lasersystem gemäß Patentanspruch 1.
Erfindungsgemäß wird ein Multimodelichtwellenleiter (MM-Lichtwellenleiter) in einem optischen Lasersystem verwendet. Erfindungsgemäß wird durch MM-Lichtwellenleiter, d. h. Fasern mit einem V-Wert größer als ungefähr 2,5, eine Ausgabe im Grundmodus bereitgestellt. Dies ermöglicht die Erzeugung wesentlich höherer Spitzenleistungen und Impulsenergien im Vergleich zu SM-Fasern vor dem Einsetzen unerwünschter Nichtlinearitäten. Der vergrößerte Faserquerschnitt führt gleichermaßen zu einer starken Erhöhung des Energiespeicherpotentials in einem optischen Faserverstärker. Das erfindungsgemäße Lasersystem ist für Anwendungen geeignet, die ultraschnelle und Hochleistungsimpulsquellen erfordern.
Nach einem nicht zur vorliegenden Erfindung gehörenden Beispiel ermöglicht die Ausnutzung einer Selbstphasenmodulation und anderer Nichtlinearitäten in (mit Seltenen Erden) dotierten oder undotierten MM-Fasern eine Kompression von Impulsen mit hoher Spitzenleistung in den Bereich von einigen Femtosekunden, wobei ein nahezu beugungsbegrenztes Ausgangssignal beibehalten wird.
Nach einem weiteren nicht zur vorliegenden Erfindung gehörenden Beispiel werden die Leistungsgrenzwerte für eine lineare Impulskompression optischer Hochleistungsimpulse durch Einschreiben gechirpter Faser-Bragg-Gitter in MM-Lichtwellenleiter mit verringerter Modenkopplung stark angehoben. Weiterhin ist ein Pumpen mit relativ großflächigen Hochleistungshalbleiterlasern durch Einsetzen von Doppelmantel-MM-Faserverstärkern möglich.
Nach einem noch weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird eine Daueranregung (cw lasing) in einem nahezu beugungsbegrenzten Einzelmodus in (mit Seltenen Erden) dotierten MM-Lichtwellenleitern durch Integration effizienter Modenfilter ermöglicht.
Nach einem noch weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ermöglichen MM-Lichtwellenleiter einen Aufbau Hochleistungs-Q-Schaltlaser. Darüber hinaus ermöglichen MM-Lichtwellenleiter den Entwurf von mantelgepumpten Faserlasern unter Verwendung von Dotiermitteln mit relativ schwachen Absorptionsquerschnitten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die 1, 5, 6, 9, 11 und 12 betreffen Verstärkervorrichtungen für optische Pulse, die nicht zur vorliegenden Erfindung gehören, sondern nur das Verständnis dieser Erfindung erleichtern sollen.
Es zeigen:
1 eine diagrammartige Ansicht eines Multimodefaserverstärkersystems,
2 einen Kurvenverlauf des Koppelwirkungsgrads einer Multimodeverstärkerfaser in eine Modenfilterfaser als Funktion des Krümmungsradius der Multimodeverstärkerfaser,
3 einen Kurvenverlauf der Autokorrelation der verstärkten Impulse einer Multimodeverstärkerfaser bei einer Messung unter optimalen Modenanpassbedingungen,
4 einen Kurvenverlauf der Autokorrelation der verstärkten Impulse einer Multimodeverstärkerfaser bei der Messung unter nichtoptimalen Modenanpassbedingungen,
5 ein Blockschaltbild eines Multimodefaserverstärkersystems,
6 ein Blockschaltbild eines Multimodefaserverstärkersystems, wobei ein Impulskompressor am Ausgang der Multimodefaser angeordnet ist,
7 einen diagrammartige Ansicht eines Multimodefaserverstärkersystems nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
8 eine konzeptionelle Zeichnung eines Faserquerschnitts mit einem dotierten Multimodefaserkern und einem undotierten Fasermantel nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
9 eine diagrammartige Ansicht eines Multimodefaserverstärkersystems, wobei ein regenerativer Faserverstärker aus einem Multimodefaserverstärker aufgebaut ist,
10 eine diagrammartige Ansicht eines Multimodefaserverstärkersystems nach einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, wobei eine Q-geschaltete MM-Faserlaserquelle aufgebaut ist,
11 ein Blockschaltbild eines Multimodefaserverstärkersystems, wobei ein Vorverstärker vor der Multimodefaser eingefügt ist, und
12 ein Blockschaltbild eines Multimodefaserverstärkersystems, wobei ein Frequenzumsetzer am Ausgang der Multimodefaser angeordnet ist.
1 zeigt ein Verstärkersystem. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist ein Femtosekundeneinzelmoden-(SM)-Faseroszillator 10, wie beispielsweise ein Erbiumfaseroszillator, in einen Multimode-(MM)-Faserverstärker 12, wie beispielsweise ein Erbium/Ytterbium-Faserverstärker, eingekoppelt. Weitere Beispiele für geeignete MM-Faserverstärker umfassen solche, die mit Er-, Yb-, Nd-, Tm-, Pr- oder Ho-Ionen dotiert sind. Geeignete Oszillatoren zur Verwendung in diesem System sind in dem vorgenannten US-Patent US 5880877 A von Fermann u. a. beschrieben.
Ein Zweilinsenteleskop 14 (L1 und L2) wird zur Anpassung des Modus des Oszillators 10 an den Grundmodus des MM-Verstärkers 12 verwendet. Darüber hinaus wird das Ausgangssignal der gepumpten MM-Faser 12 unter Verwendung von Linsen L3 und L4 in eine zweite SM-Faser (Modenfilterfaser (MF-Faser) 16 in 1) abgebildet. Die Linsen L3 und L5 und ein Strahlteiler 18 werden zum Koppeln des Pumplichts von der Pumpquelle 20 in die Verstärkerfaser gemäß nachstehender Beschreibung verwendet.
In einem gemäß 1 aufgebauten Beispiel des Systems liefert der Oszillator 10 nahezu bandbreitenbegrenzte Impulse mit 300 fs und einer Wiederholrate von 100 MHz bei einer Wellenlänge von 1,56 µm und einem Leistungspegel von 14 mW.
Bei der Verstärkerfaser 12 kann es sich beispielsweise um einen Doppelmantel-MM-Erbium/Ytterbium-Verstärker mit einem Kerndurchmesser von ≈ 28 µm und einer Numerischen Apertur des Kerns von NA = 0,19 handeln. Bei diesem Beispiel weist der innere Mantel einen Durchmesser von ≈ 220 µm und eine Numerische Apertur NA = 0,24 auf. Der Kern befindet sich in der Mitte des inneren Mantels. Die Länge des Verstärkers beträgt 1,10 m.
Zur Erhöhung der Anzahl der sich in dem MM-Verstärker 12 ausbreitenden Moden und zu Testzwecken wurden auch kürzere Wellenlängen wie 780 und 633 nm verwendet. Dabei können eine bei 780 nm betriebene Femtosekundenlaserquelle und eine Dauerlaserquelle mit 633 nm an die MM-Verstärkerfaser 12 angekoppelt werden. Die MF-Faser 16 kann dann durch eine Faser mit einem Kerndurchmesser von 4 µm ersetzt werden, um bei diesen beiden Wellenlängen einen SM-Betrieb sicherzustellen.
Die annähernde Zahl von Moden in dem MM-Verstärker kann anhand seines V-Werts berechnet werden. V = 2παλ NA, Modenanzahl = 12 V2 (1)wobei a den Kernradius und λ die Signalwellenlänge kennzeichnen. Der V-Wert beträgt bei 1,55 µm somit V ≈ 10,8, und die Modenanzahl wird daher für das vorgenannte Beispiel als ≈ 58 berechnet. Eine Faser wird typischerweise als MM betrachtet, wenn der V-Wert 2,41 überschreitet, d. h. wenn zusätzlich zu dem Grundmodus weitere Moden in dem Lichtwellenleiter ausbreitungsfähig sind.
Für eine gleiche Anregung von N Moden in einer N Moden unterstützenden MM-Faser ergibt sich der maximale Koppelwirkungsgrad in eine SM-Faser ungefähr aus η ≈ (θ0/θmax)2 ≈ 1/N, (2)wobei θ₀ ≈ λ/4a den Divergenzhalbwinkel des Grundmodus der MM-Faser darstellt. θ_max kennzeichnet den maximalen Divergenzhalbwinkel der äußersten Moden der MM-Faser. Es wird angenommen, daß das Ausgangssignal der MM-Faser linear polarisiert ist, was eine geeignete Annahme für die Anregung der Moden niedrigster Ordnung der Faser darstellt. Unter einer SM-Anregung der MM-Faser und in Abwesenheit einer Modenkopplung gilt θ_max(z) = θ₀ unabhängig von der Faserlänge. Beim Vorhandensein einer Modenkopplung steigt θ_max allerdings an, und der mögliche Koppelwirkungsgrad vom Ausgang der MM-Faser in eine SM-Faser wird daher verringert, da η(z) = (θ₀/θ_max(z))². Unter Verwendung der vorgenannten Arbeit von Gloge, kann η(z) ausgedrückt werden als:
wobei D den durch Gloge definierten Modenkoppelkoeffizienten kennzeichnet. Somit kann der Modenkoppelkoeffizient D anhand einer Messung von η(z) bestimmt werden. In gleicher Weise kann die geschätzte Anzahl angeregter Moden einer MM-Faser anhand der Gleichung (2) durch Messung von η bestimmt werden. Es ist aufschlußreich, N auf den typischerweise zur Charakte risierung der Qualität nahezu beugungsbegrenzter optischer Strahlen verwendeten M²-Wert zu beziehen. Es kann gezeigt werden, daß N ≈ √M². Erfindungsgemäß ist ein geringer Modenkopplungsgrad wünschenswert, so daß sich der am Ausgang des MM-Faserverstärkers 12 bereitgestellte verstärkte Strahl im wesentlichen im Grundmodus befindet. Dementsprechend ist ein M²-Wert kleiner als 10 wünschenswert, wobei ein M²-Wert kleiner als 4 bevorzugt, und ein M²-Wert kleiner als 2 noch bevorzugter ist. Weiterhin liegt die Modenanzahl vorzugsweise im Bereich von 3 bis 3000 und noch bevorzugter im Bereich von 3 bis 1000.

Für das vorstehend beschriebene Erbium/Ytterbium-Filter (Faser 1) und drei im Handel erhältliche MM-Fasern (Faser 2, 3 und 4) wurde die Modenkopplung in einer Länge von 1,1 m einer ungepumpten Verstärkerfaser gemessen. Die Faserparameter und der Modenkoppelkoeffizient D (in m^–1) dieser Fasern sind in der Tabelle 1 dargestellt. Die Fasern 1, 3 und 4 sind durch einen MCVD-Prozeß hergestellt; die Faser 2 durch eine Stab-in-Rohr-Technik. Tabelle 1

	Faser 1	Faser 2	Faser 3	Faser 4
NA	0,19	0,36	0,13	0,13
Kerndurchmesser (µm)	28	50	50	50
Manteldurchmesser (µm)	200	125	125	250
Modenanzahl bei 1,55 µm	58	665	87	87
Modenanzahl bei 0,79 µm	223
Modenanzahl bei 0,63 µm	350
D (m^–1) bei 1,55 µm	< 2 × 10^–6	8 × 10^–4	8 × 10^–5	7 × 10^–6
D (m^–1) bei 0,79 µm	4 × 10^–6
D (m^–1) bei 0,63 µm	2 × 10^–5
L_b (mm) bei 1,55 µm	1,9	5,3	5,7	5,7
L_b (mm) bei 0,79 µm	3,3
L_b (mm) bei 0,63 µm	4,1
M² (1 m) bei 1,55 µm	1,0	200	5,4	1,25
M² (1 m) bei 0,79 µm	1,2
M² (1 m) bei 0,63 µm	2,6

Anhand der Koppelkoeffizienten kann der erwartete M²-Wert direkt berechnet werden. Bei diesem Beispiel wurden die berechneten M²-Werte nach der Ausbreitung durch 1 m der MM-Faser 12 erzeugt. Für die Faser 1 wurde eine gute Übereinstimmung zwischen den berechneten und getrennt gemessenen M²-Werten erzielt.
Die Interferenzlänge L_b zwischen dem Grundmodus LP₀₁ und dem nächsthöheren LP₁₁-Modus ist ebenfalls in der Tabelle 1 angegeben. Die Interferenzlänge L_b ist definiert als die Länge, die für die beiden Moden erforderlich ist, um eine differentielle Phasenverschiebung von 2π entlang der Ausbreitungsrichtung anzusammeln. Unter der Annahme eines konstanten Streuleistungsspektrums kann D für eine feste Wellenlänge als proportional zu L 4 / b nachgewiesen werden, siehe: D. Marcuse ”The Theory of Dielectric Optical Waveguides”, Seite 238, Academic Press (1974); Gloge. Je länger die Interferenzlänge ist, desto näher befinden sich die Moden an einem phasenangepaßten Zustand und desto mehr Leistung wird als Funktion der Länge gekoppelt. Da die Modenkopplung gemäß der Offenbarung durch Gloge als am höchsten zwischen benachbarten Moden angenommen wird, ist es wünschenswert, kürzestmögliche LP₀₁/LP₁₁-Interferenzlängen einzusetzen, um eine Modenkopplung zu vermeiden.
Im allgemeinen können hohe Modenkopplungsgrade bei Fasern mit hohem Streuverlust erwartet werden. Dies läßt die Möglichkeit geringer Modenkoppelkoeffizienten bei langen Wellenlängen in Fasern mit geringem Streuverlust erwarten. Wie aus der Tabelle 1 hervorgeht, tritt in der Faser 1 eine dramatische Verringerung der Modenkopplung bei erhöhter Wellenlänge auf. Ein akzeptabler Modenkopplungsgrad wird in der Faser 1 bis zu Wellenlängen mit einer Kürze von 790 nm erreicht. Da die Modenanzahl eines Lichtwellenleiters lediglich von dem Verhältnis a/λ abhängig ist, sind durch eine Faser ähnlich der Faser 1 mit einem Kerndurchmesser der Größe von 56 µm bei einer Länge von 1 m akzeptable Modenkopplungsgrade herstellbar. Aufgrund der verringerten Streuung bei längeren Wellenlängen sind bei längeren Wellenlängen noch größere Kerndurchmesser akzeptierbar. Beispielsweise kann eine MM-Faser mit einem Kerndurchmesser von 60 µm Impulse mit einer Spitzenleistung des 16-fachen der mit den durch Taverner u. a. beschriebenen SM-Verstärkern möglichen Spitzenleistungen verstärken. In der Tat wurden akzeptable Modenkopplungsgrade für eine speziell entworfene Faser mit einem Kerndurchmesser von 50 µm erhalten, wie aus der Tabelle 1 hervorgeht und nachfolgend erläutert wird.
Weiterhin ist ersichtlich, daß Stufenindex-MM-Fasern zur Minimierung der Modenkopplung geeigneter sind als Gradientenindex-MM-Fasern, da die Ausbreitungskonstanten in Gradientenindexfaser sehr ähnlich sind, was zu einer erhöhten Empfindlichkeit hinsichtlich der Modenkopplung führt. Zur Minimierung der Modenkopplung wird der Unterschied zwischen den Ausbreitungskonstanten zwischen Fasermoden vorzugsweise maximiert.
Die Faser 2 wurde durch eine Stab-in-Rohr-Technik hergestellt, wobei im Vergleich zu den MCVD-gewachsenen Fasern 1, 3 und 4 hohe Eigenstreuverluste zu wesentlich höheren Modenkoppelkoeffizienten führen. Darüber hinaus ähneln die in der Faser 2 gemessenen Modenkoppelkoeffizienten den von Gambling u. a. und Griebner u. a. erhaltenen Ergebnissen, die ebenfalls durch Stab-in-Rohr-Techniken hergestellte Stufenindex-Festkernfasern verwendeten. Folglich kann eine verringerte Modenkopplung bei direkt gewachsenen MM-Fasern unter Verwendung von beispielsweise MCVD-, OVD-, PCVD- oder VAD-Faserherstelltechniken erwartet werden.
Wie in der Tabelle 1 gezeigt ist, sind die in der Faser 4 bei 1,55 µm erhaltenen Modenkoppelkoeffizienten ungefähr um einen Faktor 11 kleiner als in der Faser 3. Dieser Unterschied ergibt sich aus der Tatsache, daß der äußere Durchmesser der Faser 4 250 µm beträgt, wogegen der äußere Durchmesser der Faser 3 125 µm beträgt. Im allgemeinen weist eine dickere Faser eine höhere Steifigkeit und eine geringere Empfindlichkeit gegenüber einer durch Krümmungen und Mikrokrümmungen induzierten Modenkopplung auf, wie aus der Tabelle 1 hervorgeht.
In von den Erfindern vorgenommenen Experimenten wurden die geringsten Modenkoppelkoeffizienten durch longitudinales Dehnen der Lichtwellenleiter erzielt. Beispielsweise wurden die Modenstreukoeffizienten der Faser 2 und 3 gemessen, wobei die Faser unter Spannung gehalten wurde und wobei die Faser geradlinig gehalten wurde. Die Spannungsanwendung bei kurzen Faserlängen kann zum Erzielen einer bestmöglichen Modenqualität zweckmäßig sein.
Die Modenkopplung wurde auch bei einem Aufbau gemessen, in dem die Verstärkerfaser (Faser 1) gepumpt wurde, wie in 1 gezeigt ist. Im einzelnen wurde der Verstärker mit einer Wellenlänge von 980 nm bezüglich dem Signal entgegengerichtet gepumpt, wobei das Signal eine Ankoppelleistung von bis zu 3 W aus einem Breitstreifenhalbleiterlaser mit einem aktiven Bereich von 1 × 500 µm aufwies, und wobei eine Verkleinerung zur Optimierung der Leistungseinkopplung in den inneren Mantel der MM-Verstärkerfaser eingesetzt wurde. Der Verstärker wurde mit einem Winkel von ungefähr 8° gespalten, um eine Störrückkopplung zu vermeiden. Eine Signalleistung von bis zu 100 mW bei 1,56 µm wurde dann aus dem Verstärkersystem extrahiert.
Der Koppelwirkungsgrad der MM-Verstärkerfaser 12 in die MF-Faser 16 ist in 2 als Funktion des Krümmungsradius der MM-Verstärkerfaser 12 dargestellt. Für eine geradlinige MM-Verstärkerfaser und für einen Krümmungsradius von 10 cm wird ein Koppelwirkungsgrad in die MF-Faser 16 von bis zu 94% erzielt, woraus sich ergibt, daß die Modenkopplung in der MM-Verstärkerfaser 12 nahezu vollständig unterdrückt ist und daß in solchen Fasern ein SM tatsächlich über Längen von einigen Metern ausbreitungsfähig ist. Selbst bei einem Krümmungsradius von 5 cm ist kein deutliches Einsetzen der Modenkopplung erkennbar, da selbst in diesem Fall ein Koppelwirkungsgrad von ungefähr 90% von der MM-Verstärkerfaser 12 in die MF-Faser 16 erzielt wird.
Da die gemessenen Koppelwirkungsgrade von dem MM-Verstärker 12 in eine SM-Faser im ungepumpten und gepumpten Zustand nahezu miteinander übereinstimmen, ist ersichtlich, daß die Ge winnführung in dieser speziellen Verstärkerfaser relativ schwach ist. Diese Beobachtung wurde auch durch ein einfaches Computermodell (siehe unten) bestätigt. Jede Dotiermittelbegrenzung in der Mitte des MM-Verstärkerkerns führt jedoch in klarer Weise vorherrschend zu einer Verstärkung des Grundmodus. Jedes in Moden höherer Ordnung gestreute Licht erfährt eine geringere Verstärkung, wobei auch geringe Pegel gestreuten Lichts in Moden höherer Ordnung aufgrund der verringerten Intensitätsüberlappung der Moden höherer Ordnung mit dem Grundmodus nicht zu einer Sättigung der Verstärkung des Grundmodus führen. Somit spielt die Gewinnführung in einem erfindungsgemäßen MM-Verstärkersystem im allgemeinen eine Rolle, obwohl die Modenstreukoeffizienten in dem vorstehend beschriebenen experimentellen Beispiel so gering waren, daß keine durch die Gewinnführung hervorgerufenen Wirkungen offensichtlich waren. Darüber hinaus wird durch das vorgenannte Computermodell das Einsetzen der Gewinnführung des Grundmodus in MM-Fasern mit größerem Kerndurchmesser und/oder verringerter Brechungsindexdifferenz zwischen dem Kern und dem Mantel vorausgesagt.
Mit steigendem Modenquerschnitt kann die Größe der SM anhand des Verstärkungsprofils bei Kleinsignalbedingungen, d. h. ohne Verstärkungssättigung, bestimmt werden. Dies ermöglicht eine längenabhängige Modengröße. Der Modus wird anfänglich unter Kleinsignalbedingungen durch die Gewinnführung begrenzt. Mit Eintreten der Verstärkungssättigung wird die Gewinnführung weniger relevant und die Modengröße kann ansteigen, wobei sie gegebenenfalls durch den Kern der MM-Faser begrenzt wird. Eine längenabhängige Modengröße kann auch durch Einsetzen einer sich entlang der Faserlänge verjüngenden Kerngröße erzielt werden. Dies kann beispielsweise durch Verjüngen des Außenfaserdurchmessers entlang der Faserlänge erzielt werden.
Beim Vorhandensein der Gewinnführung ist die verstärkte spontane Emission (ASE) verringert, da die MM-Faser im wesentli chen zur SM wird. Beim Vorhandensein der Gewinnführung wird auch die ASE, anstelle aller möglicher Moden der MM-Faser, vorherrschend im Grundmodus geführt, was zu einer Verbesserung der Störeigenschaften der MM-Faser führt.
In gleicher Weise wurde bei dem experimentellen Beispiel beobachtet, daß die Dotiermittelbegrenzung zu einer deutlichen Verringerung des Niveaus der verstärkten spontanen Emission (ASE) in der Faser führt. Dies wurde durch Messen des Koppelwirkungsgrads der ASE von dem MM-Verstärker 12 in die MF-Faser 16 bestätigt. In diesem Fall wurde kein Signallicht in die MM-Verstärkerfaser 12 eingekoppelt. Für einen ASE-Leistungspegel von 1 mW wurde ein Koppelwirkungsgrad von mehr als 15% gemessen. Aus einem Vergleich mit der Gleichung (2) geht hervor, daß die ASE im wesentlichen in ungefähr 13 Moden niedriger Ordnung erzeugt wird (wobei hier ein Faktor von 2 aus der Polarisationsdegeneration berücksichtigt wird), d. h. die ASE wird lediglich in ungefähr 20% des Gesamtmodenvolumens der Verstärkerfaser erzeugt. Die beobachtete starke Verringerung der ASE führt nicht nur zur einer Verringerung des Störpegels in dem Verstärker; niedrige ASE-Pegel ermöglichen auch eine Verringerung der zur Sättigung des Verstärkers erforderlichen Signalleistung. Zur Extrahierung der höchsten Energie aus einer Oszillatorverstärkersignalimpulsquelle ist im allgemeinen ein Betrieb des Verstärkers in der Sättigung bevorzugt.
Beim Einbringen geringer mechanischer Störungen in den Lichtwellenleiter wurde keine Änderung des Koppelwirkungsgrads von der MM-Verstärker-faser 12 in die MF-Faser 16 bei 1,55 µm und bei 780 nm festgestellt. In einem praktischen optischen System sind die eingebrachten mechanischen Störungen im Vergleich zu den durch einen Krümmungsradius von 5 cm hervorgerufenen Störungen gering, wodurch angedeutet wird, daß in solchen Fasern eine Langzeitstabilität des Modenausbreitungsmusters erzielt werden kann.
Der MM-Verstärker 12 ist für Krümmungsradien von lediglich 10 cm polarisationsbeständig. Zum Erzielen eines hohen Grads an Polarisationsbeständigkeit können in solchen Fasern elliptische Faserkerne oder thermische Spannungen eingesetzt werden.
Die unter der Bedingung optimaler Modenanpassung und einer Bedingung nichtoptimaler Modenanpassung gemessene Autokorrelation der verstärkten Impulse der MM-Verstärkerfaser 12 (Krümmungsradius = 10 cm) ist jeweils in den 3 und 4 dargestellt. Unter nichtoptimaler Modenanpassung zeigt die Autokorrelation aufgrund der Anregung von Moden höherer Ordnung mit anderen Ausbreitungskonstanten einige Spitzen. Unter optimalen Modenanpassbedingungen werden jedoch alle Sekundärspitzen auf weniger als 1% unterdrückt, wodurch die hohe Qualität der aus der MM-Verstärkerfaser austretenden Impulse angedeutet wird.
Im allgemeinen ist das Spektrum der am Ausgang der MM-Verstärkerfaser 12 gemessenen Impulse in kritischerer Weise abhängig von den Koppelbedingungen als von der Autokorrelation. Der Grund dafür liegt darin, dass die Spektralmessung hinsichtlich der Phase zwischen dem Grundmodus und den Moden höherer Ordnung empfindlich ist, d. h. ein Energieinhalt der Moden höherer Ordnung von lediglich 1% in dem Ausgangssignal der MM-Faser führt zu einer Störung der Form des Spektrums um 10%.
5 zeigt ein Blockschaltbild eines Multimodefaserverstärkersystems. Das System enthält einen nahezu beugungsbegrenzten Eingangsstrahl, einen Modenwandler 50 und einen MM-Faserverstärker 52. Der nahezu beugungsbegrenzte Eingangsstrahl kann durch jedes Lasersystem erzeugt werden, wobei es sich um keinen Faserlaser handeln muss. Der nahezu beugungsbegrenzte Eingangsstrahl kann eine Dauer- oder gepulste Strahl ung enthalten. Der Modenwandler 50 kann aus jeder Art eines optischen Abbildungssystem zum Anpassen des Modus des MM-Verstärkers 52 bestehen. Beispielsweise kann ein Linsensystem eingesetzt werden. Alternativ kann ein Abschnitt aus einer konischen Faser eingesetzt werden, so daß der Ausgangsmodus am Ende der konischen Faser an den Modus der MM-Verstärkerfaser 52 angepaßt ist. In diesem Fall kann der Modenwandler direkt mit der MM-Faser 52 zusammengespleißt sein, wodurch ein sehr kompakter Aufbau hergestellt werden kann. Jeder Pumpaufbau kann für die MM-Verstärkerfaser eingesetzt werden, wie beispielsweise ein bezüglich dem Signal entgegen- oder gleichgerichtetes Pumpen oder ein Seitenpumpen. Es kann auch die NA des Pumplichts zur Minimierung der ASE verringert werden. In diesem Fall ist die Verwendung lediglich einer Einzelmantelfaser vorteilhafter, wobei das Pumplicht direkt in den Faserkern gerichtet wird. Im allgemeinen kann der MM-Verstärker 52 einen Einzel-, Doppel- oder Mehrfachmantel aufweisen.
Im Falle des gleichgerichteten Pumpens werden das Pumplicht und das Signallicht über einen dichroitischen Strahlteiler (nicht gezeigt) eingekoppelt. Die Koppeloptiken sind dann zum gleichzeitigen Optimieren des Einkoppelns des Pumpstrahls und des Signalstrahls optimiert.
Ein Einzel- oder Doppeldurchlauf des Signals durch die MM-Faser 52 ist am meisten bevorzugt. Im Falle eines Doppeldurchlaufaufbaus kann ein Faradayrotatorspiegel zum Eliminieren von Polarisationsdriftvorgängen in dem System eingesetzt werden. Selbstverständlich muß bei einem Doppeldurchlaufaufbau das Überkoppeln des Signals in Moden höherer Ordnung nach dem ersten Durchlauf durch den Verstärker vermieden werden, um ein nahezu beugungsbegrenztes Ausgangssignal sicherzustellen.
Wahlweise können lineare oder nichtlineare Optikelemente am Ausgang des Systems verwendet werden. Ein solches System ist mit jeder in Verbindung mit bekannten Lasersystemen verwendeten Anwendung kompatibel.
In der Tat erfordern viele nichtlineare Anwendungen hohe Spitzenimpulsleistungen für deren wirksamen Betrieb, die in mantelgepumpten SM-Verstärkern aufgrund der in solchen Systemen typischerweise eingesetzten mehreren 10 Metern Faserlänge sehr schwer erzielbar sind. Selbst in optischen Standard-SM-Verstärkern können Spitzenleistungen von mehr als 1 kW/Verstärkerlänge kaum erzielt werden. Dagegen sind Spitzenleistungen von ≈ 15 kW in einer Länge von 1,5 m einer Doppelmantel-Er/Yb-Faser (Faser 1 der Tabelle 1) ohne erkennbare nichtlineare Effekte erzielbar, d. h. Spitzenleistungen von mehr als 20 kW/Verstärkerlänge können erreicht werden.
Erfindungsgemäß ist die Verwendung eines MM-Verstärkers nicht nur aufgrund der Möglichkeit der Verwendung eines großen Kerndurchmessers vorteilhaft; die Verwendung eines MM-Verstärkers ermöglicht auch eine Reduktion des Verhältnisses Mantel/dotierter Kerndurchmesser, wodurch die Verstärkerlänge und damit die Verstärkernichtlinearität minimiert werden. Dies führt allerdings zur Erzeugung einer größeren ASE-Störung.
6 zeigt ein Blockschaltbild eines Multimodefaserverstärkersystems. In dem System gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel können optische Hochleistungsimpulse in undotierten (oder Verstärker-)MM-Fasern so ausgebreitet (oder verstärkt) werden, dass eine Spektralverbreiterung zur Ermöglichung einer Impulskompression des Verstärkerausgangssignals erhalten wird. Für Anwendungen bei der nichtlinearen Impulskompression können Lichtwellenleiter mit entweder positiver (Solitonen nicht unterstützender) oder negativer (Solitonen unterstützender) Dispersion eingesetzt werden. Die Leistungspegel in der Multimodefaser 60 werden angehoben, um einen bemerkbaren Grad an Selbstphasenmodulation zu erhalten. Das Zusammenspiel zwischen der Dispersion und der Selbstphasenmodulati on in dem Lichtwellenleiter kann dann zur Verbreiterung des Spektrums der optischen Impulse und zum Erhalten einer Impulskompression verwendet werden.
Ist die MM-Faser 60 solitonenunterstützend, so kann eine Kompression von Solitonen höherer Ordnung zur direkten Erzeugung kurzer Impulse aus der MM-Faser 60 verwendet werden. Im allgemeinen müssen bei einer Faser mit positiver Dispersion (nicht solitonenunterstützend) zusätzliche lineare oder nichtlineare Impulskompressionskomponenten zum Komprimieren der spektral verbreiterten optischen Impulse verwendet werden. In diesem Fall kann ein bekannter Linearimpulskompressor 62 (wie beispielsweise ein Prisma, Gitter, Gitterprisma oder SM-gechirptes Faser-Bragg-Gitter) am Ausgang des Systems verwendet werden. Zum Erhalten eines komprimierten frequenzverdoppelten Impulses können auch gechirpte periodisch gepolte Verdopplungskristalle verwendet werden. Ebenso können gechirpte Faser-Bragg-Gitter in den MM-Lichtwellenleiter 60 mit verringerter Modenkopplung eingeschrieben werden, um die Nichtlinearitäten solcher Strukturen beim Einsatz in dem linearen Impulskompressor 62 zu verringern. Das Bragg-Gitter sollte nicht markiert sein, um die Anregung von Moden höherer Ordnung bei der Reflektion zu eliminieren.
7 zeigt eine diagrammartige Ansicht eines Systems nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Gemäß 7 ist ein Modenfilter 70 vor einem der Resonatorspiegel M1 und M2 eingefügt, um ein beugungsbegrenztes Ausgangssignal des Systems sicherzustellen. Das Modenfilter 70 kann aus einer Standard-SM-Faser in Verbindung mit geeigneten Modenanpassungsoptiken bestehen. Als Alternative kann eine konische Faser zur Bereitstellung der Modenanpassung verwendet werden (wie vorstehend erläutert wurde). Bei einer optimalen Modenkopplung weist der Wirkungsgrad des Lasers nahezu dieselbe Höhe wie der eines Voll-SM-Lasers auf. Die Verwendung des MM-Verstärkers 76 ermöglicht allerdings eine erhöhte Gestaltungsflexibilität. Somit können, je nach Bedarf, Doppelmantel-Erbium/Ytterbium-Fasern mit verschiedenen Kern-Mantel-Verhältnissen eingesetzt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ermöglicht die Verwendung der MM-Faser den Entwurf von Doppelmantelfasern mit geringen Absorptionsquerschnitten. Es kann beispielsweise eine Er-dotierte Doppelmantelverstärkerfaser aus MM-Fasern hergestellt werden. Er-dotierte Doppelmantelfasern sind typischerweise relativ ineffizient, da große Mantel/Kern-Verhältnisse eingesetzt werden müssen, um das Pumplicht breitflächiger Diodenlaser unter Beibehaltung eines SM-Faserkern zu absorbieren. Typischerweise führt eine solche Ausgestaltung zu einem Mantel mit einem Durchmesser Φ_cl = 100 μm und einem Kerndurchmesser von = 10 µm. Die effektive Absorption eines solchen Aufbaus ist 100 Mal (=(Φ_cl/Φ_co)²) kleiner als die Absorption in einer Er-dotierten Einzelmantelfaser. Somit sind in diesem Fall 100 Mal längere Faserverstärkerlängen erforderlich. Durch Einsatz: einer Er-dotierten MM-Faser kann jedoch die Kerngröße wesentlich verringert werden, wodurch wesentlich kleinere Mantel/Kern-Verhältnisse und kürzere Verstärkerlängen erzielbar sind, was sehr vorteilhaft für den Entwurf von Hochleistungslasern ist. Selbstverständlich können für den Entwurf von Hochleistungs-Er-Doppelmantellasern Manteldurchmesser von noch mehr als 100 µm eingesetzt werden. Eine konzeptionelle Zeichnung eines Faserquerschnitts mit einem dotierten MM-Faserkern und einem undotierten Fasermantel ist in 8 dargestellt. Gemäß 8 ist das aktive Dotiermittel begrenzt in einem durch das Dotierprofil definierten Querschnitt, der wesentlich kleiner als der durch das Brechungsindexprofil definierte Faserkern ist. Selbstverständlich führt die Dotiermittelbegrenzung in einem solchen Lasersystem zu einer erhöhten Verstärkerlänge, so dass lediglich eine relativ schwache Dotierbegrenzung brauchbar ist.
Gemäß 9 kann ein regenerativer Faserverstärker aus einem MM-Faserverstärker 90 aufgebaut sein. Ein regenerativer Verstärker dient zum Erhalten von mJ-Energien aus MM-Faserverstärkern. Aufgrund der begrenzten Verstärkung von MM-Faserverstärkern erfordert die Extraktion von mJ-Energien typischerweise mehrere Durchläufe durch den Verstärker, was durch den regenerativen Verstärker vereinfacht wird. Gemäß 9 wird ein schneller optischer Schalter (OS) 92 zum Schalten der Impulse in und aus dem regenerativen Verstärker verwendet. Es kann auch ein Modenfilter 94 zum ”Reinigen” des Faser modus bei dem Verstärkungsvorgang enthalten sein. Das Modenfilter 94 kann aus einem Raumfilter zum Minimieren jeglicher Nichtlinearitäten in dem regenerativen Verstärker bestehen.
Der Anregungsimpuls wird durch den optischen Schalter 92 mit der gewünschten Wiederholrate aus dem Oszillator 96 gewählt. Der Faradayrotator 98 und der Polarisationsstrahlteiler 99 werden zum Auskoppeln des verstärkten Impulses aus dem System verwendet. Es kann entweder ein Dauer- oder ein gepulstes Pumpen des Verstärkers eingesetzt werden.
Nach einem in 10 gezeigten weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, ist eine Q-geschaltete MM-Faserlaserquelle aufgebaut. Die durch die MM-Fasern ermöglichten großen Querschnitte ermöglichen eine erhebliche Vergrößerung der Energiespeicherung im Vergleich zu einer Einzelmodenfaser. Als Resultat können durch ein solches System Q-geschaltete Hochleistungsimpulse direkt erzeugt werden. Diese Impulse weisen typischerweise eine Dauer im ns-Bereich auf. Gemäß 10 kann auch ein Modenfilter 100 zur Sicherstellung einer optimalen Modenqualität enthalten sein. Der optische Schalter 102 wird zum Auskoppeln eingesetzt und dient auch zum Modulieren des Verlusts (Q) des durch die beiden Spiegel M1 und M2 und den MM-Verstärker 104 definierten Resonators. Als Alternative kann das Ausgangssignal auch durch Verwenden eines teildurchlässigen Spiegels M2 extrahiert werden.
Nach einem in 11 dargestellten Beispiel ist ein Vorverstärker vor der abschließenden MM-Verstärkerfaser 112 enthalten, um die MM-Verstärkerfaser 112 vollständig zu sättigen und den Pegel der ASE in der MM-Verstärkerfaser 112 zu verringern. Der Vorverstärker kann ein SM sein und auch ein MM, falls es nützlich ist, den Kernradius der Vorverstärkerfaser 110 kleiner als den Kernradius der abschließenden MM-Verstärkerfaser 112 zu wählen, um das Anwachsen der ASE zu minimieren. Ein Isolator (nicht gezeigt) kann zwischen die Laserquelle und den Vorverstärker eingefügt werden, und ein weiterer Isolator (nicht gezeigt) kann zwischen den Vorverstärker 110 und die abschließende MM-Verstärkerfaser 112 eingefügt werden, um die ASE weiter zu verringern. In gleicher Weise können schmalbandige optische Filter (nicht gezeigt) an jeder Stelle des Systems enthalten sein, um die ASE zu verringern. Es können auch optische Schalter (nicht gezeigt) zwischen der Laserquelle, dem Vorverstärker 110 und dem abschließenden Verstärker 112 verwendet werden, um den Grad der ASE zu verringern.
Mehr als ein Vorverstärker kann in Systemen eingesetzt werden, wo Isolatoren und optische Filter und optische Schalter zur Minimierung des Grads der in dem System erzeugten ASE verwendet werden können. Weiter können zur Impulskompression nichtlineare Prozesse in den Vorverstärkern und dem abschließenden MM-Verstärker verwendet werden.
Nach einem in 12 gezeigten Beispiel ist ein Frequenzwandler 120 stromabwärts der MM-Verstärkerfaser 122 enthalten, um den verstärkten Ausgangsstrahl einer Frequenzwandlung zu unterziehen. Der Frequenzwandler kann ein nichtlineares Kristall wie beispielsweise ein periodisch gepoltes oder aperiodisch gepoltes LiNbO₃-Kristall sein, das die Frequenz des Ausgangsstrahls verdoppelt.
Zur Verstärkung und Kompression optischer Impulse in einem Multimode-(MM)-Lichtwellenleiter wird ein Einzelmodus in die MM-Faser durch Anpassen des Modenprofils des Grundmodus der MM-Faser an einen beugungsbegrenzten optischen Modus am Einkopplungsende eingekoppelt. Der Grundmodus wird in der MM-Faser durch Minimieren der Modenkopplung durch Verwendung relativ kurzer Längen von Stufenindex-MM-Fasern mit wenigen hundert Moden und durch Minimieren der Faserstörungen beibehalten. Zur bevorzugten Verstärkung des Grundmodus ist die Dotierung in der Mitte des Faserkerns begrenzt, um eine verstärkte spontane Emission zu verringern und eine Gewinnführung des Grundmodus zu ermöglichen. Die Gewinnführung ermöglicht den Entwurf von Systemen mit längenabhängigen und leistungsabhängigen Durchmessern des Grundmodus. Zur Ermöglichung eines Pumpens mit Hochleistungslaserdioden wird ein Doppelmantelverstärkeraufbau eingesetzt. Für Anwendungen zur nichtlinearen Impulskompression kann eine Selbstphasenmodulation und Dispersion in den Lichtwellenleitern genutzt werden. Optische Hochleistungsimpulse können durch Verwendung von Massenoptik-Dispersionsverzögerungsleitungen oder durch ge chirpte Faser-Bragg-Gitter, die direkt in den SM- oder MM-Lichtwellenleiter eingeschrieben sind, linear komprimiert werden. Hochleistungsdauerstrichlaser, die in einem einzelnen nahezu beugungsbegrenzten Modus arbeiten, können durch Integrieren wirksamer Modenfilter in den Laserresonator aufgebaut werden. Regenerative Faserverstärker können durch sorgfältige Steuerung des Umlaufmodus aufgebaut werden. Q-geschaltete Faserlaser mit höherer Leistung können durch Nutzung der in MM-Faserverstärkern gespeicherten hohen Energie aufgebaut werden.

Claims

Lasersystem umfassend: a. Eine Länge einer dotierten Multimodefaser (76), die ein erstes Ende hat; b. eine Pumpquelle (20) zum Pumpen der dotierten Multimodefaser; c. eine Länge einer Einzelmodenfaser (70), die ein zweites Ende hat; d. Reflektoren (M1, M2), die so angeordnet sind, dass sie einen Laserresonator bilden, der die Multimodefaser (76) und die Einzelmodenfaser (70) einschließt, wobei e. das zweite Ende der Einzelmodenfaser (70) bezüglich des ersten Endes der Multimodefaser (76) so angeordnet ist, dass die Einzelmode der Einzelmodenfaser (70) und die Grundmode der Multimodefaser (76) aufeinander passen, so dass die Einzelmodenfaser (70) als ein Modenfilter arbeitet und das Ausgangssignal des Lasersystems im Wesentlichen beugungsbegrenzt ist.
Lasersystem gemäß Anspruch 1, wobei das Anpassen der Moden zwischen dem ersten Ende der Multimodefaser (76) und dem zweiten Ende der Einzelmodenfaser (70) durch ein System von Linsen (L3, L4) bereitgestellt wird.
Lasersystem gemäß Anspruch 1, wobei das Anpassen der Moden zwischen dem ersten Ende der Multimodefaser (76) und dem zweiten Ende der Einzelmodenfaser (70) durch eine konisch zulaufende Faser bereitgestellt wird.
Lasersystem gemäß Anspruch 1, wobei das Anpassen der Moden zwischen dem ersten Ende der Multimodefaser (76) und dem zweiten Ende der Einzelmodenfaser (70) durch ein Zusammenspleißen der beiden Fasern (70, 76) bereitgestellt wird.
Lasersystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Laser im Dauerstrich-Modus arbeitet.
Lasersystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Reflektoren (M1, M2) mindestens eines der folgenden Elemente umfassen: einen Spiegel, ein Faser-Bragg-Gitter oder ein Massen-Gitter.
Lasersystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mulimodefaser (76) entweder aufgerollt oder gebogen ist.
Lasersystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Multimodefaser (76) mit Erbium und/oder Ytterbium dotiert ist.
Lasersystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: einen optischen Schalter (92), der innerhalb des Laserresonators angeordnet ist, wobei der optische Schalter (92) das Q-Schalten des Laserresonators ermöglicht.
Lasersystem gemäß Anspruch 9, wobei der optische Schalter (92) weiterhin zum Auskoppeln des Laserlichts verwendet wird.
Lasersystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zahl der sich in der Multimodefaser (76) ausbreitenden Moden zwischen 3 und 3000 beträgt.
Lasersystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Multimodefaser (76) und/oder Einzelmodenfaser (70) einen Einzel- oder einen Doppelmantel aufweist.
Lasersystem gemäß Anspruch 12, wobei die Pumpquelle (20) die dotierte Multimodefaser (26) über den/die Mantel/Mäntel pumpt.