WO2009068312A2 - Faserlaser mit ringförmigem resonator - Google Patents

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Reto HÄRING
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    • H01S3/1112—Passive mode locking
    • H01S3/1115—Passive mode locking using intracavity saturable absorbers
    • H01S3/1118—Semiconductor saturable absorbers, e.g. semiconductor saturable absorber mirrors [SESAMs]; Solid-state saturable absorbers, e.g. carbon nanotube [CNT] based

Definitions

  • the invention relates to a fiber laser with an annular resonator, wherein a first portion of the resonator is formed by a photoconductive fiber and a second portion of the resonator by an optically pumped amplifier fiber, with a coupling point for coupling light of a pumping light source in the resonator and with a decoupling point for coupling out generated laser light from the resonator.
  • an optically pumped amplifier fiber is known to form the active medium.
  • the amplifier fiber is typically a rare earth doped fiber.
  • the amplifier fiber is optically pumped in known fiber laser systems by means of a diode laser. The light from the diode laser is suitably coupled into the amplifier fiber.
  • Fiber laser systems of linear construction are known. These are arranged at the two ends of the amplifier fiber mirror, which form a resonator together with the amplifier fiber and enable laser operation.
  • linear fiber lasers are optically pumped through the mirrors disposed at the end faces of the amplifier fiber.
  • diode lasers of high beam quality are required.
  • This beam splitter may be one of the end mirrors or integrated as an additional element in the resonator. In both cases, reflections as interference signals in the Resonator be coupled.
  • a disadvantage of linear fiber laser systems is that they are sensitive to reflective interference. This applies in particular to mode-locked fiber lasers (femtosecond lasers). The reflective interference signals can lead to a further pulse in the resonator, which disturbs the pulse operation significantly even at a low degree of reflection.
  • a fiber laser having a resonator in an annular configuration is preferable to a linear resonator system.
  • An annular resonator is much less sensitive to reflective interference.
  • the laser light generated in a preferred direction of rotation runs around.
  • the reflective interference signals circulating counter to this direction of rotation can be efficiently suppressed.
  • a further advantage of the annular resonator is that losses are added to the laser light at the outcoupling point only once per revolution, which has a positive effect on the quality of the resonator i5.
  • an essential advantage of the annular resonator fiber laser is that the pump efficiency is higher with the same gain than with a linear resonator fiber laser. The reason for this is that in a fiber laser with a linear resonator, the amplifier fiber passed twice back and forth from the laser light may only be half as long as one
  • a mode-locked fiber laser with annular resonator 5 is known. This works according to the so-called CPM principle ("Colliding Pulse Mode-Locking"). In this principle, two light pulses in the opposite direction of rotation in the resonator and interact in a thin transmissive saturable absorber. In this way, the mode coupling for generating short light pulses is realized.
  • An essential disadvantage of the known fiber laser is that it works with transmissive optical components that are integrated into the annular resonator. Optical components for use in mode-locked lasers, in particular saturable absorbers or dispersive fiber gratings, can preferably or in principle be operated only in reflection.
  • the reflective working types are technologically advanced.
  • the design freedom in the design of corresponding mode-locked fiber lasers is much greater when using saturable absorber mirrors due to the resonant elevation in the mirror as compared to corresponding transmissive optical components.
  • This object is achieved by the invention starting from a fiber laser of the type specified at the outset in that the resonator has at least one reflective optical component which reflects the laser light circulating in the resonator.
  • reflective optical components are integrated into the annular resonator of the fiber laser. In this way, the disadvantages associated with transmissive optical components are avoided.
  • a directionally selective optical component such as an optical
  • Insulator to provide, which suppresses against a preferred direction of rotation in the resonator circulating light.
  • the invention is particularly suitable for the realization of a mode-locked
  • Fiber laser As reflective optical components, saturable semiconductor mirrors, saturable ones, are used in the fiber laser according to the invention
  • Absorbers eg based on carbon nanotubes, but also dispersive fiber gratings, chirped mirrors, outcoupling mirrors, wavelength-selective fiber gratings, Gires-Tournois interferometers, retroreflectors (cat's eyes), optical gratings, so-called grisms (combination of prism and grating), 5 phase-conjugate mirrors or reflectors based on Brillouin scattering, adaptive mirrors or other adaptive optics in question.
  • the at least one reflective optical component is coupled to the resonator via an optical circulator.
  • An advantage of the optical circulator is that it automatically defines a preferred direction of rotation in the annular resonator. Only the laser light circulating in the resonator in the "right" direction is guided via the circulator onto the reflective optical component.
  • the at least one reflective optical component i5 is integrated into the resonator via a free-jet path.
  • the light is coupled from a fiber end into the free-jet section.
  • the light beam does not impinge perpendicularly on the reflective optical component, in order to prevent the light incident on the reflective optical component and that reflected by it from interfering. The light is then over
  • a polarization beam splitter can be provided, via which the laser light circulating in the resonator is coupled out of the light-conducting fiber or the amplifier fiber and guided onto the reflective optical component. Via the same beam splitter, the reflected light can be returned to the optical fiber or amplifier fiber.
  • portions of the resonator can arise in which the light propagates in opposite directions, but with a different polarization state in each case. These Portions form portions of the annular resonator in which the respective forward and reverse light waves do not interfere although they spatially overlap.
  • the light-conducting fiber and / or the amplifier fiber of the fiber laser polarization maintaining are formed.
  • the use of polarization-maintaining fibers gives the overall system reduced sensitivity to external disturbances.
  • Reflected component in a transmissive optical component so that they rotate several times in each revolution of the circulating in the resonator
  • Laser light is passed through. This makes it possible, for example, a spectral
  • the reflective optical device can be used to turn the circulating light into the optically pumped one
  • the optically pumped amplifier fiber is rotated at each revolution of the laser light
  • the pump light source for the fiber laser according to the invention is a commercially available diode laser.
  • the system according to the invention is simple and inexpensive to implement.
  • a dichroic coupler As a coupling point for coupling the light of the pumping light source in the resonator, a dichroic coupler can be used. Such also referred to as WDM coupler couplers are prefabricated available at low cost.
  • the decoupling point of the resonator is advantageously designed such that a part of the generated laser light and a part of the pump light are coupled out of the resonator.
  • the Pumplight propagates from the fiber laser along with the generated laser light and can be used to optically pump a subsequent amplifier fiber. In this way, additional pump light sources can be saved.
  • Fig. 1 first embodiment of a fiber laser according to the invention with a circulator
  • FIG. 2 a schematic representation of the functional principle of the circulator according to FIG. 1;
  • FIG. 3 a schematic representation of the integration of a transmissive optical component into the resonator
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the integration of a reflective optical component into the resonator via a free-jet path
  • FIG. 5 shows a second exemplary embodiment with two reflective optical components integrated in the resonator
  • Fig. 6 circulator arrangement for the embodiment shown in FIG. 5.
  • a diode laser 1 is provided as a pump light source. Whose light is coupled via a fiber piece 2, which is connected to the laser diode 1, in an annular resonator 3.
  • the resonator 3 has a coupling point 4 in the form of a WDM coupler.
  • a decoupling point 5 is provided which serves for decoupling the laser light generated in the resonator 3 into a fiber 6.
  • the resonator 3 has a first section, which is formed by a light-conducting fiber 7. This is connected to an amplifier fiber 8.
  • the amplifier fiber 8 is one with, for example Erbium ion doped glass fiber, which is optically pumped by means of the diode laser.
  • An assembly 11 is coupled to the resonator 3 via an optical circulator ⁇ and a fiber piece 10.
  • the assembly 11 comprises as a reflective optical component a saturable absorber mirror 12 and a free beam path with a two lenses 13 existing telescope arrangement for imaging the light on the saturable absorber mirror 12.
  • the saturable absorber mirror 12 causes a mode coupling in the resonator 3.
  • the in FIG. 1 fiber laser therefore generates short pulses of light.
  • the circulator ⁇ has the function of defining a preferred direction of rotation for the light pulses circulating in the resonator. Contrary to the direction indicated by the arrow 14 preferred direction of rotation in the resonator 3 propagating light pulses are suppressed by optical isolation.
  • FIG. 2 schematically shows the structure and the operating principle of the circulator 9.
  • the linearly polarized light beam 20 circulating in the ring resonator formed by the fiber sections 7 and 8 is incident on a polarizing beam splitter 21 in such a way that the transmission (in FIG the drawing to the right) is maximum.
  • a Faraday rotator 22 rotates the polarization direction in the transmitted light beam 23 with respect to the incident light beam 20 by 45 °.
  • the saturable absorber mirror 12 (not shown in detail in FIG. 2), the light beam is reflected back with an unchanged polarization direction.
  • the polarization is rotated by a total of 90 ° with respect to the input beam 20. This leads to a reflection of the light beam reflected back on the polarization emitter 21, which is coupled back into the ring as a light beam 24.
  • a fiber piece 31 is additionally provided as a transmissive optical component, which is traversed by the coupled out of the ring and reflected at the saturable absorber mirror 12 light in opposite directions.
  • the decoupled and the back-reflected light in the fiber portion 31 has a 90 ° different linear polarization. Interference therefore does not occur in the additional fiber section 31 despite the spatial overlap of the forward and backward light. Parasitic reflections therefore do not disturb the laser operation.
  • fiber piece 31 other assemblies may be provided, which are preferably passed through several times per ring circulation of the circulating light.
  • a transmissive spectral filter eg, an etalon or an interference filter
  • the optically pumped amplifier fiber may be integrated at this point of the resonator in order to double the gain.
  • the fiber piece 31 can be realized in polarization-preserving or in single-mode fiber technology.
  • a Faraday rotator is preferable instead of the ⁇ / 4 plate 30, which becomes a so-called Faraday mirror with the arrangement shown in FIG.
  • FIG. 4 A very simple implementation possibility of the invention is shown in FIG. 4.
  • the integration of the saturable absorber mirror 12 takes place as a reflective optical component via a free-jet path.
  • the coupled out of the resonator light beam 20 is incident obliquely on the saturable absorber mirror 12, so that the decoupled light beam 20 and the reflected light beam 24, which is coupled back into the resonator, do not overlap spatially. In this way, interference of the light beams 20 and 24 is avoided.
  • two reflective optical components are incorporated in the resonator 3, via a circulator 50 having a total of four ports (also referred to as 2x2 circulator).
  • the reflective optical components are turn to a saturable absorber mirror for making the mode coupling, which is coupled directly to the fiber piece 10.
  • the light reflected by the saturable absorber mirror 12 passes through the circulator 50 to a dispersive fiber grating 51 connected downstream in the direction of rotation 14 and located at the reflection end of a fiber section 52. After reflection of the light at the dispersive fiber grating 51, the light is in turn coupled via the circulator 50 into the ring.
  • an optical isolator 53 is additionally required to define the direction of rotation 15. The reason for this is that the circulator 50 also has a high transmission against the preferred direction of rotation 14.
  • Fig. 6 shows a practical realization possibility for the circulator 50 shown in Fig. 5.
  • the circulating in the ring linearly polarized light 20 falls on a first polarization beam splitter 61.
  • a Faraday rotator 62 rotates the polarization direction of the transmitted light by 45 °.
  • the transmitted light beam 64 strikes the first reflective component, i. H. on the saturable absorber mirror 12, which is not shown in detail in FIG. 6, on and is transmitted to the reflection with the same direction of polarization again maximum by the polarization beam splitter 63.
  • the Faraday rotator 62 rotates the polarization direction of the returning light by another 45 °, so that it is reflected at the polarization beam splitter 61.
  • the reflected light 65 is incident on the second reflective device, i. H. on the dispersive fiber grating 51, which is also not shown in FIG. 6.
  • Another passage of the light reflected by the dispersive fiber grating 51 through the Faraday rotator 62 produces a light beam which is reflected at the beam splitter 63 and coupled back into the ring as a light beam 24.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Faserlaser mit einem ringförmigen Resonator (3), wobei ein erster Abschnitt des Resonators durch eine lichtleitende Faser (7) und ein zweiter Abschnitt des Resonators durch eine optisch gepumpte Verstärkerfaser (8) gebildet ist, mit einer Einkoppelstelle (4) zur Einkopplung von Licht einer Pumplichtquelle (1) in den Resonator (3) und mit einer Auskoppelstelle (5) zur Auskopplung von erzeugtem Laserlicht aus dem Resonator (3). Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen weiterentwickelten Faserlaser bereitzustellen. Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, dass der Resonator (3) wenigstens ein reflektives optisches Bauelement (12, 51) aufweist, welches das in dem Resonator (3) umlaufende Laserlicht reflektiert.

Description

Faserlaser mit ringförmigem Resonator
Die Erfindung betrifft einen Faserlaser mit einem ringförmigen Resonator, wobei ein erster Abschnitt des Resonators durch eine lichtleitende Faser und ein zweiter Abschnitt des Resonators durch eine optisch gepumpte Verstärkerfaser gebildet ist, mit einer Einkoppelstelle zur Einkopplung von Licht einer Pumplichtquelle in den Resonator und mit einer Auskoppelstelle zur Auskopplung von erzeugtem Laserlicht aus dem Resonator.
Bei einem Faserlaser bildet bekanntlich eine optisch gepumpte Verstärkerfaser das aktive Medium. Bei der Verstärkerfaser handelt es sich üblicherweise um eine mit seltenen Erden dotierte Glasfaser. Die Verstärkerfaser wird bei bekannten Faserlaser-Systemen mittels eines Diodenlasers optisch gepumpt. Das Licht des Diodenlasers wird in geeigneter Weise in die Verstärkerfaser eingekoppelt.
Es sind Faserlaser-Systeme mit linearem Aufbau bekannt. Bei diesen sind an den beiden Enden der Verstärkerfaser Spiegel angeordnet, die zusammen mit der Verstärkerfaser einen Resonator bilden und den Laserbetrieb ermöglichen. Im Allgemeinen werden solche linearen Faserlaser durch die an den Endflächen der Verstärkerfaser angeordneten Spiegel hindurch optisch gepumpt. Dazu sind Diodenlaser hoher Strahlqualität erforderlich. Zur Auskopplung wird mittels eines Strahlteilers ein Teil der Lichtleistung im Resonator belassen und ein anderer Teil als Nutzstrahl verwendet. Dieser Strahlteiler kann einer der Endspiegel sein oder als zusätzliches Element in den Resonator integriert sein. In beiden Fällen können auf dem Weg des Nutzstrahls Reflexionen als Störsignale in den Resonator gekoppelt werden. Ein Nachteil von linearen Faserlaser-Systemen ist daher, dass diese empfindlich gegenüber reflektiven Störungen sind. Dies trifft insbesondere auf modengekoppelte Faserlaser (Femtosekundenlaser) zu. Die reflektiven Störsignale können zu einem weiteren Puls im Resonator führen, der 5 schon bei geringem Reflektionsgrad den Pulsbetrieb erheblich stört.
Aus den vorgenannten Gründen ist ein Faserlaser mit einem Resonator in ringförmiger Konfiguration, insbesondere für modengekoppelte Faserlaser, einem System mit linearem Resonator vorzuziehen. Ein ringförmiger Resonator ist wesentlich unempfindlicher gegenüber reflektiven Störungen. Bei einem lo Ringresonator läuft das erzeugte Laserlicht in einer bevorzugten Umlaufrichtung um. Die entgegen dieser Umlaufrichtung umlaufenden reflektiven Störsignale können effizient unterdrückt werden. Ein weiterer Vorteil des ringförmigen Resonators ist, dass dem Laserlicht an der Auskoppelstelle nur einmal pro Umlauf Verluste zugefügt werden, was sich positiv auf die Güte des Resonators i5 auswirkt. Ein wesentlicher Vorteil des Faserlasers mit ringförmigem Resonator ist schließlich, dass die Pumpeffizienz bei gleicher Verstärkung höher ist als bei einem Faserlaser mit linearem Resonator. Der Grund hierfür ist, dass bei einem Faserlaser mit linearem Resonator die doppelt von dem Laserlicht hin und zurück durchlaufene Verstärkerfaser nur halb so lang sein darf wie bei einem
2o ringförmigen Resonator, um die gleichen Betriebsbedingungen bei den typischerweise verwendeten Quasi-3-Niveau Laserübergängen zu erreichen. Bei einem linearen Resonator wird daher prinzipiell weniger Pumplicht absorbiert.
Aus der US 5,436,925 ist ein modengekoppelter Faserlaser mit ringförmigem 5 Resonator bekannt. Dieser arbeitet nach dem so genannten CPM-Prinzip (engl. "Colliding Pulse Mode-Locking"). Bei diesem Prinzip laufen zwei Lichtimpulse in entgegengesetzter Umlaufrichtung im Resonator um und wechselwirken in einem dünnen transmissiven sättigbaren Absorber. Auf diese Weise wird die Modenkopplung zur Erzeugung kurzer Lichtimpulse realisiert. Ein wesentlicher o Nachteil des vorbekannten Faserlasers ist, dass dieser mit transmissiven optischen Bauelementen, die in den ringförmigen Resonator integriert sind, arbeitet. Optische Bauelemente für den Einsatz in modengekoppelten Lasern, wie insbesondere sättigbare Absorber oder dispersive Fasergitter, können bevorzugt bzw. prinzipiell nur in Reflektion betrieben werden. Insbesondere bei sättigbaren Absorbern gilt, dass die reflektiv arbeitenden Bauformen technologisch weiterentwickelt sind. Der Gestaltungsspielraum bei der Auslegung entsprechender modengekoppelter Faserlaser ist bei Verwendung von sättigbaren Absorberspiegeln aufgrund der resonanten Überhöhung im Spiegel viel größer als bei entsprechenden transmissiven optischen Bauelementen.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, einen gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelten Faserlaser mit ringförmigem Resonator bereitzustellen, der die oben genannten Nachteile nicht aufweist.
Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem Faserlaser der eingangs angegebenen Art dadurch, dass der Resonator wenigstens ein reflektives optisches Bauelement aufweist, welches das in dem Resonator umlaufende Laserlicht reflektiert.
Gemäß der Erfindung werden also reflektive optische Bauelemente in den ringförmigen Resonator des Faserlasers eingebunden. Auf diese Weise werden die mit transmissiven optischen Bauelementen verbundenen Nachteile vermieden.
Da erfindungsgemäß reflektive optische Bauelemente eingesetzt werden, ergibt sich prinzipiell wiederum eine Empfindlichkeit des Resonators gegenüber reflektiven Störungen, und zwar auf den in Hin- und Rückrichtung, d.h. doppelt durchlaufenen Teilstrecken. Diese Teilstrecken sind besonders sorgfältig unter
Berücksichtigung von (parasitären) Reflexionen auszulegen. Um negative
Auswirkungen reflektiver Störungen im Ring zu vermeiden, ist es sinnvoll, ein richtungsselektives optisches Bauelement, beispielsweise einen optischen
Isolator, vorzusehen, welches entgegen einer bevorzugten Umlaufrichtung in dem Resonator umlaufendes Licht unterdrückt.
Die Erfindung eignet sich besonders zur Realisierung eines modengekoppelten
Faserlasers. Als reflektive optische Bauelemente kommen bei dem erfindungsgemäßen Faserlaser sättigbare Halbleiterspiegel, sättigbare Absorber, z.B. auf Basis von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, aber auch dispersive Fasergitter, gechirpte Spiegel, Auskoppelspiegel, wellenlängenselektive Fasergitter, Gires-Tournois Interferometer, Retroreflektoren (Katzenaugen), optische Gitter, so genannte Grisms (Kombination aus Prisma und Gitter), 5 phasenkonjugierte Spiegel oder Reflektoren auf Basis von Brillouin Streuung, adaptive Spiegel oder sonstige adaptive Optiken in Frage.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das wenigstens eine reflektive optische Bauelement über einen optischen Zirkulator an den Resonator angekoppelt. Ein Vorteil des optischen Zirkulators ist, dass dieser lo automatisch eine bevorzugte Umlaufrichtung in dem ringförmigen Resonator definiert. Nur das in der "richtigen" Richtung im Resonator umlaufende Laserlicht wird über den Zirkulator auf das reflektive optische Bauelement geführt.
Bei einer besonders einfachen Realisierungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Faserlasers ist das wenigstens eine reflektive optische Bauelement i5 über eine Freistrahlstrecke in den Resonator eingebunden. Das Licht wird aus einem Faserende in die Freistrahlstrecke eingekoppelt. Vorzugsweise trifft der Lichtstrahl nicht senkrecht auf das reflektive optische Bauelement auf, damit vermieden wird, dass das auf das reflektive optische Bauelement einfallende und das von diesem reflektierte Licht interferieren. Das Licht wird sodann über
2o dasselbe oder ein zweites Faserende wieder in den Ring eingekoppelt. Auf diese Weise wird verhindert, dass das System empfindlich gegenüber Störungen aufgrund von Rückreflexen ist. Dies kann auch dadurch erreicht werden, dass das in dem Resonator umlaufende Laserlicht über den Polarisationszustand aus dem Ring ausgekoppelt, auf das reflektive optische
25 Bauelement geführt und dann wieder in den Ring eingekoppelt wird. Zu diesem Zweck kann ein Polarisationsstrahlteiler vorgesehen sein, über welchen das in dem Resonator umlaufende Laserlicht aus der lichtleitenden Faser oder der Verstärkerfaser ausgekoppelt und auf das reflektive optische Bauelement geführt wird. Über denselben Strahlteiler kann das reflektierte Licht in die o lichtleitende Faser oder die Verstärkerfaser zurückgeführt werden. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Faserlasers können Abschnitte des Resonators entstehen, in denen das Licht in entgegengesetzten Richtungen propagiert, allerdings mit jeweils unterschiedlichem Polarisationszustand. Diese Abschnitte bilden Teile des ringförmigen Resonators, in denen die jeweils vorwärts und rückwärts laufenden Lichtwellen nicht interferieren, obwohl sie räumlich überlappen.
Gemäß einer sinnvollen Ausgestaltung der Erfindung sind die lichtleitende Faser und/oder die Verstärkerfaser des Faserlasers polarisationserhaltend ausgebildet. Durch die Verwendung von polarisationserhaltenden Fasern erhält das Gesamtsystem eine reduzierte Empfindlichkeit gegenüber Störungen von außen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Faserlasers wird das in dem Resonator umlaufende Licht mittels des reflektiven optischen
Bauelements in ein transmissives optisches Bauelement zurückreflektiert, so dass diese bei jedem Umlauf mehrfach von dem im Resonator umlaufenden
Laserlicht durchlaufen wird. Dies ermöglicht es, beispielsweise ein spektrales
Filter effizient in den Resonator zu integrieren. Auch kann das reflektive optische Bauelement genutzt werden, um das umlaufende Licht in die optisch gepumpte
Verstärkerfaser des Faserlasers zurückzureflektieren. In diesem Fall wird die optisch gepumpte Verstärkerfaser bei jedem Umlauf des Laserlichts im
Resonator zweifach durchlaufen, ohne dass die eingangs beschriebenen
Nachteile eines Faserlasers mit linearem Resonator in Kauf genommen werden müssen.
Als Pumplichtquelle für den erfindungsgemäßen Faserlaser bietet sich ein kommerziell erhältlicher Diodenlaser an. Dadurch ist das erfindungsgemäße System einfach und kostengünstig realisierbar.
Als Einkoppelstelle zur Einkopplung des Lichts der Pumplichtquelle in den Resonator kann ein dichroischer Koppler benutzt werden. Solche auch als WDM-Koppler bezeichnete Koppler sind vorgefertigt zu geringen Kosten erhältlich.
Die Auskoppelstelle des Resonators ist bei dem erfindungsgemäßen Faserlaser vorteilhafterweise so ausgestaltet, dass ein Teil des erzeugten Laserlichts und ein Teil des Pumplichts aus den Resonator ausgekoppelt werden. Das Pumplicht propagiert aus dem Faserlaser zusammen mit dem erzeugten Laserlicht und kann zum optischen Pumpen einer nachfolgenden Verstärkerfaser benutzt werden. Auf diese Weise können zusätzliche Pumplichtquellen eingespart werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Faserlasers mit Zirkulator;
Fig. 2 schematische Darstellung des Funktions- prinzips des Zirkulators gemäß Fig. 1 ;
Fig. 3 schematische Darstellung der Einbindung eines transmissiven optischen Bauelements in den Resonator;
Fig. 4 schematische Darstellung der Einbindung eines reflektiven optischen Bauelements in den Resonator über eine Freistrahlstrecke;
Fig. 5 zweites Ausführungsbeispiel mit zwei in den Resonator eingebundenen reflektiven optischen Bauelementen;
Fig. 6 Zirkulatoranordnung für das in der Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel.
Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Faserlasers ist ein Diodenlaser 1 als Pumplichtquelle vorgesehen. Dessen Licht wird über ein Faserstück 2, das mit der Laserdiode 1 verbunden ist, in einen ringförmigen Resonator 3 eingekoppelt. Hierzu weist der Resonator 3 eine Einkoppelstelle 4 in Form eines WDM-Kopplers auf. Des Weiteren ist eine Auskoppelstelle 5 vorgesehen, die zur Auskopplung des in dem Resonator 3 erzeugten Laserlichts in eine Faser 6 dient. Der Resonator 3 weist einen ersten Abschnitt auf, der durch eine lichtleitende Faser 7 gebildet ist. Diese ist mit einer Verstärkerfaser 8 verbunden. Die Verstärkerfaser 8 ist beispielsweise eine mit Erbiumionen dotierte Glasfaser, die mittels des Diodenlasers optisch gepumpt wird. Über einen optischen Zirkulator θ und ein Faserstück 10 ist eine Baugruppe 11 an den Resonator 3 angekoppelt. Die Baugruppe 11 umfasst als reflektives optisches Bauelement einen sättigbaren Absorberspiegel 12 sowie eine Freistrahlstrecke mit einer aus zwei Linsen 13 bestehenden Teleskopanordnung zur Abbildung des Lichts auf den sättigbaren Absorberspiegel 12. Der sättigbare Absorberspiegel 12 bewirkt eine Modenkopplung in dem Resonator 3. Der in der Fig. 1 dargestellte Faserlaser erzeugt daher kurze Lichtimpulse. Außer der Einbindung der reflektiven Baugruppe n in den Resonator 3 hat der Zirkulator θ die Funktion, eine bevorzugte Umlaufrichtung für die in dem Resonator umlaufenden Lichtimpulse zu definieren. Entgegen der durch den Pfeil 14 angedeuteten bevorzugten Umlaufrichtung in dem Resonator 3 propagierende Lichtimpulse werden durch optische Isolation unterdrückt.
Die Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau und das Funktionsprinzip des Zirkulators 9. Der in dem durch die Faserabschnitte 7 und 8 gebildeten Ringresonator zirkulierende, linear polarisierte Lichtstrahl 20 fällt auf einen polarisierenden Strahlteiler 21 , und zwar in der Weise, dass die Transmission (in der Zeichnung nach rechts) maximal ist. Ein Faraday-Rotator 22 dreht die Polarisationsrichtung im transmittierten Lichtstrahl 23 gegenüber dem einfallenden Lichtstrahl 20 um 45°. Von dem sättigbaren Absorberspiegel 12 (in der Fig. 2 nicht näher dargestellt) wird der Lichtstrahl mit unveränderter Polarisationsrichtung zurückreflektiert. Beim zweiten Durchgang durch den Faraday-Rotator 22 wird die Polarisation um insgesamt 90° gegenüber dem Eingangsstrahl 20 gedreht. Dies führt zu einer Reflektion des auf den Polarisationsstrahler 21 zurückreflektierten Lichtstrahls, der als Lichtstrahl 24 wieder in den Ring eingekoppelt wird.
Alternativ ist es auch denkbar, eine λ/4-Platte 30, die zirkulär polarisiertes Licht erzeugt, anstelle des Faraday-Rotators 22 zu verwenden. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 3 gezeigt. Bei diesem ist als transmissives optisches Bauelement zusätzlich ein Faserstück 31 vorgesehen, das von dem aus dem Ring ausgekoppelten und dem an dem sättigbaren Absorberspiegel 12 reflektierten Licht in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen wird. Das ausgekoppelte und das zurückreflektierte Licht in dem Faserabschnitt 31 hat eine um 90° unterschiedliche lineare Polarisation. Interferenz findet daher trotz der räumlichen Überlappung des vor und zurück laufenden Lichts in dem zusätzlichen Faserabschnitt 31 nicht statt. Parasitäre Reflektionen stören daher den Laserbetrieb nicht. Anstelle des Faserstücks 31 können andere Baugruppen vorgesehen sein, die bevorzugt mehrfach pro Ringumlauf von dem zirkulierenden Licht durchlaufen werden. An der Stelle des Faserstücks 31 kann beispielsweise ein transmissives spektrales Filter (z. B. ein Etalon oder ein Interferenzfilter) integriert werden, um die Filterwirkung zu verdoppeln. Ebenso denkbar ist es, an dieser Stelle des Resonators die optisch gepumpte Verstärkerfaser vorzusehen, um die Verstärkung zu verdoppeln. Das Faserstück 31 kann in polarisationserhaltender oder auch in single-mode Fasertechnologie realisiert sein. Bei Verwendung einer single-mode Faser ist ein Faraday-Rotator anstelle der λ/4-Platte 30 zu bevorzugen, der mit der in der Fig. 3 gezeigten Anordnung zu einem so genannten Faraday'schen Spiegel wird. Das bedeutet, dass Variationen der Polarisationsrichtungen des ausgekoppelten und zurückreflektierten Lichts, die beispielsweise durch schwankende Temperatur oder schwankenden Druck verursacht sein können, exakt kompensiert werden, und zwar so, dass die jeweiligen Polarisations- richtungen an jedem Ort im Faserstück 31 immer senkrecht zueinander stehen und keine Interferenz auftritt.
Eine sehr einfache Realisierungsmöglichkeit der Erfindung ist in der Fig. 4 gezeigt. Bei dieser erfolgt die Einbindung des sättigbaren Absorberspiegels 12 als reflektives optisches Bauelement über eine Freistrahlstrecke. Der aus dem Resonator ausgekoppelte Lichtstrahl 20 trifft schräg auf den sättigbaren Absorberspiegel 12 auf, so dass der ausgekoppelte Lichtstrahl 20 und der reflektierte Lichtstrahl 24, der in den Resonator wieder eingekoppelt wird, räumlich nicht überlappen. Auf diese Weise wird Interferenz der Lichtstrahlen 20 und 24 vermieden.
Bei dem in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei reflektive optische Bauelemente in den Resonator 3 eingebunden, und zwar über einen Zirkulator 50, der insgesamt vier Anschlüsse aufweist (auch als 2x2-Zirkulator bezeichnet). Bei den reflektiven optischen Bauelementen handelt es sich wiederum um einen sättigbaren Absorberspiegel zur Herstellung der Modenkopplung, der direkt an das Faserstück 10 angekoppelt ist. Das an dem sättigbaren Absorberspiegel 12 reflektierte Licht gelangt durch den Zirkulator 50 auf ein in Umlaufrichtung 14 nachgeschaltetes dispersives Fasergitter 51 , das sich am Reflektionsende eines Faserabschnitts 52 befindet. Nach Reflektion des Lichts an dem dispersiven Fasergitter 51 wird das Licht über den Zirkulator 50 wiederum in den Ring eingekoppelt. Bei dem in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein optischer Isolator 53 zusätzlich erforderlich, um die Umlaufrichtung 15 zu definieren. Der Grund hierfür ist, dass der Zirkulator 50 auch eine hohe Transmission entgegen der bevorzugten Umlaufrichtung 14 hat.
Die Fig. 6 zeigt eine praktische Realisierungsmöglichkeit für den in der Fig. 5 dargestellten Zirkulator 50. Das im Ring umlaufende linear polarisierte Licht 20 fällt auf einen ersten Polarisationsstrahlteiler 61. Ein Faraday-Rotator 62 dreht die Polarisationsrichtung des transmittierten Lichts um 45°. Dies bewirkt, dass ein zweiter Polarisationsstrahlteiler 63, der gegenüber dem ersten Polarisationsstrahlteiler 61 um 45° gedreht ist, maximale Transmission aufweist. Der transmittierte Lichtstrahl 64 trifft auf das erste reflektive Bauelement, d. h. auf den sättigbaren Absorberspiegel 12, der in der Fig. 6 nicht näher dargestellt ist, auf und wird nach der Reflektion mit gleicher Polarisationsrichtung wieder maximal durch den Polarisationsstrahlteiler 63 transmittiert. Der Faraday- Rotator 62 dreht die Polarisationsrichtung des zurücklaufenden Lichts um weitere 45°, so dass es am Polarisationsstrahlteiler 61 reflektiert wird. Das reflektierte Licht 65 fällt auf das zweite reflektive Bauelement, d. h. auf das dispersive Fasergitter 51 , das ebenfalls nicht in der Fig. 6 zu sehen ist. Ein weiterer Durchgang des an dem dispersiven Fasergitter 51 reflektierten Lichts durch den Faraday-Rotator 62 erzeugt einen Lichtstrahl, der am Strahlteiler 63 reflektiert und als Lichtstrahl 24 wieder in den Ring eingekoppelt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Faserlaser mit einem ringförmigen Resonator (3), wobei ein erster Abschnitt des Resonators durch eine lichtleitende Faser (7) und ein zweiter
5 Abschnitt des Resonators durch eine optisch gepumpte Verstärkerfaser (8) gebildet ist, mit einer Einkoppelstelle (4) zur Einkopplung von Licht einer Pumplichtquelle (1 ) in den Resonator (3) und mit einer Auskoppelstelle (5) zur Auskopplung von erzeugtem Laserlicht aus dem Resonator (3), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , lo dass der Resonator (3) wenigstens ein reflektives optisches Bauelement (12, 51 ) aufweist, welches das in dem Resonator (3) umlaufende Laserlicht reflektiert.
2. Faserlaser nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch ein richtungsselektives optisches Bauelement (53), welches entgegen einer i5 bevorzugten Umlaufrichtung (14) in dem Resonator (3) umlaufendes Licht unterdrückt.
3. Faserlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine reflektive optische Bauelement (12, 51 ) ein sättigbarer Halbleiterspiegel, ein sättigbarer Absorber, z.B. auf Basis von Kohlenstoff-
20 Nanoröhrchen, ein dispersives Fasergitter, ein gechirpter Spiegel, ein Auskoppelspiegel, ein wellenlängenselektives Fasergitter, ein Gires-Tournois Interferometer, ein Retroreflektor, ein optisches Gitter, ein Grism, ein phasenkonjugierter Spiegel, ein Reflektor auf Basis von Brillouin Streuung, ein adaptiver Spiegel oder eine sonstige adaptive Optik ist.
4. Faserlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine reflektive optische Bauelement (12, 51 ) über einen optischen Zirkulator (9, 50) an den Resonator (3) angekoppelt ist.
5 5. Faserlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine reflektive optische Bauelement (12, 51 ) über eine Freistrahlstrecke an den Resonator (3) angekoppelt ist, wobei die Ein- und Auskopplung des Lichts in bzw. aus der Freistrahlstrecke über ein oder zwei Faserenden erfolgt.
lo
6. Faserlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine reflektive optische Bauelement (12, 51 ) in der Weise an den Resonator (3) angekoppelt ist, dass das auf das reflektive optische Bauelement (12, 51 ) auftreffende und das von diesem reflektierte Licht nicht interferieren.
i5
7. Faserlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das auf das reflektive optische Bauelement (12, 51 ) auftreffende und das von diesem reflektierte Licht zumindest auf einer Teilstrecke (31) gegenläufig mit räumlicher Überlappung propagieren, wobei sich das auf das reflektive optische Bauelement (12, 51) auftreffende und das
20 von diesem reflektierte Licht auf der Teilstrecke (31 ) hinsichtlich des Polarisationszustands unterscheiden.
8. Faserlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Resonator (3) umlaufende Laserlicht über einen Polarisationsstrahlteiler (21 , 61 , 63) aus der lichtleitenden Faser (7) oder 5 der Verstärkerfaser (8) ausgekoppelt, auf das reflektive optische Bauelement (12, 51) geführt und über den Polarisationsstrahlteiler (21, 61 , 63) in die lichtleitende Faser (7) oder die Verstärkerfaser (8) zurückgeführt wird.
9. Faserlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtleitende Faser (7) und/oder die Verstärkerfaser (8) 0 polarisationserhaltend sind.
10. Faserlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Resonator (3) umlaufende Licht mittels des reflektiven optischen Bauelements (12, 51) in ein transmissives optisches Bauelement (31 ) zurückreflektiert wird, so dass dieses bei jedem Umlauf
5 mehrfach von dem im Resonator (3) umlaufenden Laserlicht durchlaufen wird.
11. Faserlaser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das transmissive optische Bauelement ein spektrales Filter ist.
12. Faserlaser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das transmissive optische Bauelement die optisch gepumpte Verstärkerfaser ist.
lo 13. Faserlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtquelle (1 ) ein Diodenlaser ist.
14. Faserlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelstelle (4) zur Einkopplung des Lichts der Pumplichtquelle (1 ) ein dichroischer Koppler ist.
i5 15. Faserlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelstelle (5) einen Teil des erzeugten Laserlichts und einen Teil des Pumplichts aus dem Resonator (3) auskoppelt.
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