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Die
Erfindung betrifft einen Faserlaser mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Patentanspruchs 1.
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Bei
dem Lichtstrahlenbündel,
zur Formung dessen Intensitätsverteilung
die optische Vorrichtung des Faserlasers vorgesehen ist und mit
dem der Faserlaser gepumpt wird, kann es sich insbesondere um einen
Laserstrahl handeln.
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Ein
Laserstrahl weist typischerweise eine gaußförmige Intensitätsverteilung
um seine Strahlachse herum auf, die im Wesentlichen auf Beugungsverluste
innerhalb eines Resonators eines den Laserstrahl erzeugenden Lasers
zurückgeht.
Diese gaußförmige Intensitätsverteilung
eines Laserstrahls ist für
viele Anwendungen nicht ideal. Beispielsweise wird für eine homogene
Ausleuchtung einer kreisrunden Fläche ein Strahlprofil benötigt, das
einen rechteckigen Querschnitt senkrecht zu der Strahlachse aufweist.
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Auch
bei einem kollimierten Laserstrahl als Lichtstrahlenbündel verlaufen
die einzelnen Lichtstrahlen nicht exakt parallel zueinander, sondern
die einzelnen Lichtstrahlen weisen Divergenzwinkel zu der mittleren
Strahlachse des gesamten Lichtstrahlenbündels auf. Dabei verlaufen
einige Lichtstrahlen nicht nur unter einem Winkel zu der Strahlachse
sondern auch windschief zu dieser. Fokussiert man ein solches Strahlenbündel in
einen Lichtleiter mit zylindrischer Form, der die einzelnen Strahlen
durch Totalreflektion an seiner Zylindermantelfläche führt, verläuft nur der Teil der Lichtstrahlen
immer wieder durch die Zylinder achse des Lichtleiters. Hingegen wird
bei den zuvor windschiefen Lichtstrahlen beobachtet, dass sie sich
in dem Lichtleiter auf helikalen Bahnen mit Abstand um die Zylinderachse
herum bewegen. Wenn das Lichtstrahlenbündel beispielsweise verwendet
wird, um einen Faserlaser zu pumpen, bei dem sich ein dotierter
Kern, d.h. das eigentliche Lasermaterial, nur über die Mitte einer Faser erstreckt,
treten diese Lichtstrahlen auf helikalen Bahnen niemals durch das
Lasermaterial hindurch und regen dieses daher nicht an. Auch bei
einem Stablaser, der über
die gesamte Querschnittsfläche
seines Laserstabs dotiert ist, ist eine stärkere Anregung im Bereich der
Zylinderachse des Laserstabs grundsätzlich erwünscht, weil hierdurch der Grundmode bevorzugt
angeregt wird, was letztlich zu einem deutlich besseren Strahlprofil
des mit dem Stablaser erzeugten Laserstrahls führt. Außerdem ist es bekannt, dass
Laser mit Lasermaterialien sogenannter Quasi-Drei-Niveau-Systeme
durch Steigerung der lokalen Intensität effizienter betrieben werden
können. Auch
hierfür
ist eine möglichst über eine
gaußförmige Intensitätsverteilung
hinausgehende Konzentration der Intensität der Lichtstrahlen in dem
Bereich der Strahlachse erwünscht.
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Ein
Stablaser mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs
1 ist aus der
DE 100
25 485 A1 bekannt. Hier ist die Kegeloptik, die im Wesentlichen
aus einem Kegel besteht, der eine höhere optische Dichte als seine
Umgebung aufweist, mit ihrer Kegelachse auf der Strahlachse so angeordnet, dass
ihre Kegelspitze dem einfallenden Laserstrahl entgegengerichtet
ist. Die Brechung der einfallenden Lichtstrahlen an der Kegelmantelfläche beugt
die einander diametral über
die Strahlachse hinweg gegenüberliegenden
Lichtstrahlen in gegenläufigen
Richtungen über
die Strahlachse hinweg. Bildlich kann man sich vorstellen, dass
hinter dem Kreuzungspunkt der Lichtstrahlen mit der Strahlachse
die beiden Hälften
der gaußförmigen Intensitätsverteilung quer
zu der Strahlachse an der Strahlachse aufgeschnitten werden und
die beiden Hälften
dann jeweils über
die Strahlachse hinweg gegeneinander verschoben werden. Die ursprünglich an
der Strahlachse konzentrierte Intensität der Lichtstrahlen bildet
danach einen Ring um die Strahlachse. Diese Intensitätsverteilung
dient dazu, die Lichtstrahlen ohne Reflektionsverluste als Pumplicht
in einen Laserstab des Stablasers einzukoppeln, dessen Eintrittsfläche nur
in einem ringförmigen
Außenbereich
für das Pumplicht
durchlässig
ist. In seinem zentralen Hauptbereich ist die Eintrittsfläche des
Laserstabs jedoch als Resonatorspiegel ausgebildet, der auch das
von außen
kommende Pumplicht reflektiert.
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Zur
Homogenisierung einer unstetigen Intensitätsverteilung eines Laserstrahls
ist eine optische Vorrichtung mit einer in Längsrichtung ausgerichteten
Zylindermantelfläche
bekannt. Durch Totalreflektionen der einzelnen Lichtstrahlen innen
an der Zylindermantelfläche
der Zylinderoptik stellt sich eine weitgehend geglättete Intensitätsverteilung
des aus der Zylinderoptik wieder austretenden Laserstrahls ein.
Die Zylinderoptik wird auch dazu verwendet, den Querschnitt eines
Laserstrahls zu begrenzen, indem ihre Eintrittsfläche in einem
Fokusbereich einer Sammeloptik angeordnet ist, die den Laserstrahl
fokussiert. Die in die Zylinderoptik eintretenden divergenten Laserstrahlen
können
in der Zylinderoptik nicht weiter als bis zu deren Zylindermantelfläche auseinander
laufen. Die an der Austrittsfläche
der Zylinderoptik erzeugte geglättete
Intensitätsverteilung
kann mit einer Abbildungsoptik abgebildet werden, um hiermit beispielsweise
einen Laserstab eines Stablasers in longitudinaler Pumpgeometrie
zu pumpen. Die schon oben angesprochenen auf helikalen Bahnen um
die Strahlachse umlaufenden Lichtstrahlen treten auch bei der bekannten
optischen Vorrichtung mit einer Zylinderoptik auf.
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Aus
der
DE 44 21 053 A1 ist
eine Beleuchtungsvorrichtung bekannt, bei der zur Formung der Intensitätsverteilung
eines Lichtstrahlenbündels
aus Lichtstrahlen eine Kegeloptik vorgesehen ist, deren Kegelspitze
den Lichtstrahlen des Lichtstrahlenbündels entgegengerichtet ist.
Der Kegeloptik ist eine in Längsrichtung
ausgerichtete Zylinderoptik nachgeschaltet, an deren Zylindermantelfläche jeder
Lichtstrahl mehrfach innen totalreflektiert wird. Eine Eintrittsfläche dieser
Zylinderoptik ist in einem hinter der Kegeloptik liegenden Fokusbereich
der Zylinderstrahlen angeordnet, wodurch die Intensitätsverteilung
des Lichtstrahlenbündels
auf einen definierten Querschnitt konzentriert wird.
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AUFGABE DER
ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Faserlaser mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, bei dem das Pumplicht
besonders wirkungsvoll in die Laserfaser eingekoppelt wird.
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LÖSUNG
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch einen Faserlaser mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
des neuen Faserlasers sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 beschrieben.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Bei
dem neuen Faserlaser ist hinter der Kegeloptik, deren Kegelspitze
den Lichtstrahlen des Lichtstrahlenbündels entgegengerichtet ist,
die Laserfaser als in Längsrichtung
ausgerichtete Zylinderoptik angeordnet. Die aus der Kegeloptik austretenden
Lichtstrahlen, die zur Strahlachse hin gebeugt sind, treten in die
Zylinderoptik ein und werden in der Zylinderoptik geführt, indem
sie innen an deren Zylindermantelfläche total reflektiert werden.
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Die
Zylinderoptik begrenzt die Intensitätsverteilung quer zur Strahlachse
durch ihre Zylindermantelfläche.
Um das Gesamtlichtstrahlenbündel
in die Zylinderoptik einzukoppeln, ist es erwünscht, dass die Lichtstrahlen
hinter der Kegeloptik zur Strahlachse zusammenlaufen und dass dort,
wo sie zusammengelaufen sind, die Eintrittsfläche der Zylinderoptik angeordnet
ist. Damit die Kegeloptik die Lichtstrahlen zur Strahlachse hin
beugen kann, müssen diese
beim Eintritt in die Kegeloptik konvergieren oder kollimiert sein.
Zumindest dürfen
sie nicht stärker
divergieren. Die Grenze der zulässigen
Divergenz der Lichtstrahlen hängt
von dem Material und dem Kegelwinkel der Kegeloptik ab. Vorzugsweise
ist der Kegeloptik eine Optik vorgeschaltet, die die Lichtstrahlen
kollimiert oder konvergent macht. In der Regel wird es sich bei
dieser Optik um eine der Kegeloptik vorgeschaltete Sammeloptik handeln.
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Die
Eintrittsfläche
der Zylinderoptik ist konkret in einem hinter der Kegeloptik liegenden,
von den zur Strahlachse hin gebeugten Lichtstrahlen gebildeten Fokusbereich
angeordnet sein. Die Kegelachse der Kegeloptik und die Zylinderachse
der Zylinderoptik sollten dabei beide mit der Strahlachse des einfallenden
Lichtstrahlenbündels,
d.h. der mittleren Richtung seiner Lichtstrahlen, zusammenfallen.
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Da
jeder Lichtstrahl mehrfach an der Zylindermanteloberfläche der
Zylinderoptik total reflektiert wird, d.h. alle Lichtstrahlen im
Mittel mehr als zweimal, vorzugsweise mindestens fünfmal total
reflektiert werden, bildet sich eine Intensitätsverteilung über den
Querschnitt der Zylinderoptik aus, die eine ausgeprägte Konzentration
an der Zylinderachse aufweist. Dies ist besonders überraschend,
weil die der Zylinderoptik vorgeschaltete Kegeloptik die Konzentration
der Intensitätsverteilung
eines einfallenden Lichtstrahlenbündels nahe seiner Strahlachse beseitigt,
so dass mit der Kegeloptik eigentlich von schlechteren Voraussetzungen
für eine
Konzentration der Intensitätsverteilung
im Bereich der Strahlachse auszugehen ist. Dass sich überraschenderweise sogar
eine besonders hohe Konzentration der Intensitätsverteilung im Bereich der
Strahlachse über
die Länge
der Zylinderachsoptik ausbildet, ist darauf zurückzuführen, dass die windschief zur
Strahlachse verlaufenden Lichtstrahlen des Lichtstrahlenbündels, die
bei direktem Einkoppeln in die Zylinderoptik auf helikalen Bahnen
um die Zylinderachse herum verlaufen und diese niemals schneiden,
beim Auftreffen auf die Kegelmantelfläche der Kegeloptik zur Kegelachse,
d.h. zu der Strahlachse, hin gebeugt werden. Hinter der Kegeloptik
verlaufen diese Strahlen also im Wesentlichen nur noch unter einem
Winkel zur Strahlachse des Lichtstrahlenbündels. Nach dem Einkoppeln
des Lichtstrahlenbündels
in die Zylinderoptik kreuzen demnach alle Lichtstrahlen zwischen ihren
Totalreflektionen an der Zylindermanteloberfläche die Zylinderachse. So tragen
alle Lichtstrahlen immer wieder zur Intensitätsverteilung nahe der Strahlachse
bei. Die Erhöhung
der Intensitätsverteilung
nahe der Zylinderachse ergibt sich dann, wenn alle Lichtstrahlen
zwischen ihren Totalreflektionen an der Zylindermantelfläche die
Zylinderachse der Zylinderoptik kreuzen, schon allein aus geometrischen Gründen. Bei
rein geometrischer Betrachtung würde sich
eine Intensitätsverteilung
einstellen, bei der die Intensität
mit zunehmendem Abstand r von der Strahlachse mit 1/r abnimmt. Die
Mehrzahl der Totalreflektionen der einzelnen Lichtstrahlen an der
Zylindermantefläche
der Zylinderoptik, sorgt auch dafür, dass die voranstehende Betrachtung,
die zunächst
nur im Mittel über
den Abstand von zwei Totalreflektionen gilt, nach einer Auflösung der
Wellenfront des Lichtstrahlenbündels
auf jeden Querschnitt und damit auch die Austrittsfläche der
Zylinderoptik zutrifft.
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Besondere
Vorteile ergeben sich dadurch, dass die Zylinderoptik eine Laserfaser
eines Faserlasers ist, der mit den Lichtstrahlen gepumpt wird. Hier bewirkt
die Konzentration der Intensitätsverteilung
im Bereich der Zylinderachse, dass die nur dort befindliche Dotierung
des Lasermaterials von allen Lichtstrahlen des Pumplichts angeregt
wird und keine auf helikalen Bahnen um den dotierten Kern umlaufenden
Lichtstrahlen für
die Anregung ausfallen.
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Besondere
Vorteile ergeben sich dabei, wenn der Laser ein Quasi-Drei-Niveau-System
aufweist, bei dem der Wirkungsgrad des Pumpens wegen eines nichtlineare
Zusammenhangs der erzielten Anregung und der Intensität des Pumplichts
durch lokale Konzentration des Pumplichts erhöht werden kann.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels weiter erläutert und
beschrieben.
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1 zeigt
den Verlauf einzelner Lichtstrahlen eines Lichtstrahlenbündels in
einem Teilbereich einer optischen Anordnung, und
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2 zeigt
die Anwendung der optischen Anordnung gemäß 1 bei dem
neuen Faserlaser.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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1 zeigt
den Verlauf von Lichtstrahlen 1 eines Lichtstrahlenbündels 2,
das aus einem Lichtleiter 3 austritt. An der Austrittsfläche 4 des
Lichtleiters 3 weist das Lichtstrahlenbündel 2 senkrecht zu
seiner Haupterstreckungsrichtung durch seinen Intensitätsschwerpunkt
eine gaußförmige Intensitätsverteilung auf.
Die Haupterstreckungsrichtung des Lichtstrahlenbündels 3 durch seinen
Intensitätsschwerpunkt wird
hier als Strahlachse 5 bezeichnet, die in 1 mit
einer gestrichelten Linie wiedergegeben ist. Hinter der Austrittsfläche 4 des
Lichtleiters 3 laufen die Lichtstrahlen 1 auseinander,
bis sie auf eine Sammeloptik 6 treffen, die mit ihrer optischen
Achse koaxial zu der Strahlachse 3 angeordnet ist und die
die Lichtstrahlen 1 zur Strahlachse 3 hin fokussiert.
Hinter der Sammeloptik 6 treffen die konvergierenden Lichtstrahlen 1 auf
eine Kegeloptik 7, die eine zusätzliche fokussierende Wirkung
auf die Lichtstrahlen 1 hat, die aber zusätzlich die
Lichtstrahlen aus einander diametral über die Strahlachse 3 hinweg
gegenüberliegenden
Bereichen über
die Strahlachse hinweg gegeneinander verschiebt, so dass sich hinter
einem Fokusbereich 8 hinter der Kegeloptik 7 ohne
weitere Maßnahmen
eine ringförmige
Intensitätsverteilung um
die Strahlachse 3 ausbilden würde. In dem Fokusbereich 8 ist
jedoch eine Eintrittsfläche 9 einer
Zylinderoptik 10 angeordnet, in die das Lichtstrahlenbündel 2 eingekoppelt
wird.
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Ebenso
wie die Kegelachse der Kegeloptik 7 fällt auch die Zylinderachse
der Zylinderoptik 10 auf die Strahlachse 3. Durch
die Zylinderoptik 10 wird der Querschnitt der Lichtstrahlenbündels 2 hinter
dem Fokusbereich 8 begrenzt, indem die Lichtstrahlen 1 an
der Zylindermantelfläche 11 der
Zylinderoptik 10 total reflektiert werden.
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Dabei
ist die Länge 12 der
Zylinderoptik 10, die aus 3 nicht
vollständig
hervorgeht, weil in deren Darstellung die Zylinderoptik 10 abgeschnitten ist,
und die in einem typischen Bereich von 5 bis 10 cm liegt, relativ
zu ihrem Durchmesser 13 und der Divergenz der eintretenden
Lichtstrahlen 1 so abgestimmt, dass alle Lichtstrahlen 1 im
Mittel wiederholt an der Zylindermanteloberfläche 11 der Zylinderoptik 10 totalreflektiert
werden. Dies führt
in Verbindung mit der vorgeschalteten Kegeloptik 7 zu einer
Intensitätsverteilung über den
Querschnitt der Zylinderoptik 10, die sich um die Strahlachse 5 bzw.
die mit dieser zusammenfallende Zylinderachse der Zylinderoptik 10 konzentriert.
Dieser Effekt beruht darauf, dass die Kegeloptik 7 sogenannte "off axis"-Lichtstrahlen 1, die
nicht nur unter einem Divergenzwinkel zu der Strahlachse 5 verlaufen,
sondern auch windschief zu dieser, bei ihrem Auftreffen auf ihre
Kegelmantelfläche 19 zur
Strahlachse 5 hin beugt. Dies führt in der Zylinderoptik 10 dazu,
dass alle Lichtstrahlen 1 zwischen ihren Totalreflektionen
an der Zylindermantelfläche 11 die
Strahlachse 5 kreuzen oder zumindest durch deren Nahbereich
verlaufen. Ein nicht durc die Kegeloptik 7 gebeugter "oft axis"-Lichtstrahl würde hingegen
auf einer helikalen Bahn um die Strahlachse 5 in der Zylinderoptik 10 verlaufen.
Wenn alle Lichtstrahlen 1 die Strahlachse 5 zwischen
ihren Totalreflektionen an der Zylindermantelfläche 11 schneiden,
ergibt sich im Mittel bzw. nach mehreren Totalreflektionen eine
ganz erhebliche Erhöhung
der Intensitätsverteilung
im Bereich der Strahlachse 5.
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2 skizziert
die erfindungsgemäße Anwendung
der optischen Anordnung gemäß 1 optischen
Vorrichtung. Hier ist die Zylinderoptik 10 eine Laserfaser 20 eines
ansonsten nicht dargestellten Faserlasers, der mit dem Lichtstrahlenbündel 2 als Pumplicht
gepumpt wird. Dabei ist die Eintrittsfläche 9 der Zylinderoptik 10 für das in
der Laserfaser 20 erzeugte Laserlicht reflektierend. Bei
der Laserfaser 20 ist nur ein Kern 21 nahe der
optischen Achse 5 dotiert. Durch die Konzentration der
Intensitätsverteilung
des Lichtstrahlenbündels 2 auf
dem Bereich um die Strahlachse 5 und die Vermeidung von
hierum helikal umlaufenden "oft
axis"-Lichtstrahlen
wird die Laserfaser 20 in ihrem Kern 21 mit hohem
Wirkungsgrad bezogen auf die Gesamtpumplichtleistung des Lichtstrahlenbündels 2 angeregt.
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Bei
Lasermaterialien, bei denen die Anregung in einem nichtlinearen
Verhältnis
zu der Intensität
des Pumplichts steht, wie beispielsweise bei Quasi-Drei-Niveau-Systemen,
ergeben sich durch die Konzentration der Intensitätsverteilung
um die Strahlachse 5 zusätzliche Effizienzvorteile.