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Technisches
Anwendungsgebiet und Stand der Technik Die vorliegende Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung mit
einem optisch gepumpten Faserlaser, bei dem ein oder mehrere Diodenlaser
als Pumplaser eingesetzt werden.
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Ein
gattungsgemäßes Verfahren ist beispielsweise aus Y.
Wang, „Pulse evolution of a Q-switched ytterbium-doped
double-clad fiber laser", Opt.Eng. 42(9), 2521–2526
(September 2003) bekannt. Diese Veröffentlichung
zeigt den klassischen Ansatz der Verwendung eines dioden-gepumpten,
gütegeschalteten Faserlasers. Zur Güteschaltung
wird ein akusto-optischer Modulator im Laserresonator eingesetzt.
Bei einem solchen Laser wird das verstärkende Medium kontinuierlich
oder mit langen Pulsen gepumpt, deren Pumppulsdauer im Bereich der
Lebensdauer des oberen Laserniveaus, d. h. bei einigen hundert Mikrosekunden
bis zu einigen Millisekunden liegt. Mit dem akusto-optischen Modulator
wird die Resonatorgüte zwischen hoher und niedriger Güte
geschaltet. Der Laser arbeitet in Zyklen, die sich aus den beiden
Phasen Pumpphase und Laserphase zusammensetzen. In der Pumpphase
wird die Resonatorgüte niedrig geschaltet, so dass keine
Lasertätigkeit einsetzen kann. Die durch den Pumplaser
eingebrachte Energie wird im Lasermedium in Form von angeregten
Atomen oder Molekülen gespeichert. Sobald die gewünschte
Energiemenge gespeichert ist, wird der Resonator auf hohe Güte
umgeschaltet, so dass die Laserphase beginnt. Die Leistung der aus
dem Rauschen heraus entstehenden Lasertätigkeit steigt
in kurzer Zeit, d. h. innerhalb von 1 ns bis 1 μs, stark
an und verbraucht dabei die gespeicherte Energie schneller, als
sie durch den Pumplaser nachgeliefert werden kann. Der sich ausbildende
Laserpuls endet, sobald die gespeicherte Energie aufgebraucht ist.
Anschließend wird die Resonatorgüte wieder auf
niedrig geschaltet und der Zyklus beginnt von neuem. Bei Verwendung
von Doppelmantelfasern wird bei derartigen Lasern das Strahlparameterprodukt
bei vergleichsweise geringen Leistungsverlusten stark verringert,
wodurch sich die Flussdichte der Laserstrahlung erhöht.
Die in der relativ langen Pumpphase gespeicherte Energie wird während
der Laserphase in einem vergleichsweise kurzen Laserpuls entladen.
Dadurch wird in der Pulsspitze eine Laserleistung erreicht, die
die Leistung des Pumplasers bei weitem übersteigt. Insgesamt
wird mit einem derartigen Laser eine im Vergleich zum Pumplaser
hohe Strahlqualität sowie eine hohe Laserleistung erreicht.
Allerdings lassen sich die eingesetzten Güteschalter bisher nicht
in die Faser integrieren, so dass ein Teil des Resonators außerhalb
der Faser verlaufen muss.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
sowie eine Anordnung zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung hoher
Strahlqualität mit einem optisch gepumpten Faserlaser anzugeben,
die einen vollständig in der Faser ausgebildeten Resonator
ermöglicht und sich kostengünstig realisieren
lässt.
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Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Anordnung nach Patentanspruch
1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens
sowie der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche
oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel
entnehmen.
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Bei
dem vorgeschlagenen Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung
mit einem optisch gepumpten Faserlaser werden ein oder mehrere Diodenlaser
als Pumplaser eingesetzt. Der Faserlaser wird bei dem vorgeschlagenen
Verfahren gewinngeschaltet betrieben, wobei die Diodenlaser überpulst
werden, um die Pulsleistung für den gewinngeschalteten
Betrieb des Faserlasers kotengünstig bereitzustellen.
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Mit
dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung
kann gepulste Laserstrahlung hoher Strahlqualität erzeugt
werden, bei der das Strahlparameterprodukt besser als das eines
Diodenlasers vergleichbarer mittlerer Ausgangsleistung ist. Die
Pulsdauer liegt im Bereich von 1 ns bis 10 μs. Die Wiederholrate
kann frei eingestellt werden von Einzelschussbetrieb bis zu einem
Puls-Pausenverhältnis von etwa 50%.
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Bei
der Entwicklung des vorgeschlagenen Verfahrens bzw. der zugehörigen
Anordnung wurde erkannt, dass ein gewinngeschalteter Betrieb eines
Faserlasers mit Diodenpumplasern im Normalbetrieb eine sehr hohe
mittlere Ausgangsleistung der Diodenlaser erfordern würde,
die, wenn überhaupt realisierbar, mit sehr hohen Kosten
für die Bereitstellung derartiger Diodenlaser verbunden
wäre. Diese Problematik, die bisher eine Realisierung diodengepumpter,
gewinngeschalteter Faserlaser verhindert hat, wird bei der vorliegenden Erfindung
durch das Überpulsen der Diodenlaser umgangen. Beim Überpulsen
werden herkömmliche Diodenlaser mit im Vergleich zu den
obigen Anforderungen vergleichsweise niedriger mittlerer Ausgangsleistung,
die kostengünstig verfügbar sind, jeweils für
die Dauer des Pulses mit Strömen oberhalb der im Dauerstrichbetrieb zulässigen
Ströme angesteuert. Dadurch werden die für den
gewinngeschalteten Betrieb des Faserlasers erforderlichen hohen
Pulsleistungen erreicht. Aufgrund der jeweils nur kurzzeitigen Betriebsweise
der Diodenlaser außerhalb ihrer Spezifikation wird eine
Zerstörung der Diodenlaser vermieden.
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In
der bevorzugten Ausgestaltung werden die Diodenlaser von einer Stromquelle
mit gepulstem Strom versorgt, die niederinduktiv und impedanzangepasst
an die Diodenlaser angeschlossen ist. Dies vermeidet Probleme mit
Reflexionen oder hohen Verlusten bei der Versorgung der Diodenlaser
mit den für den überpulsten Betrieb erforderlichen
hohen Strompulsen.
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Die
dazugehörige Anordnung umfasst somit einen Diodenlaser
oder eine Diodenlaseranordnung als Pumplaser, der vorzugsweise über
eine Transportfaser mit dem Faserlaser verbunden ist. Der Faserlaser
umfasst als Lasermedium eine aktive Faser, deren Kern unter Absorption
von Pumplicht Laserlicht verstärken kann. Der Laserresonator
selbst wird vorzugsweise durch faserintegrierte Strukturen gebildet,
die einen Teil des Lichts reflektieren. Hierbei kann es sich beispielsweise
um Faser-Bragg-Gitter handeln. Der Diodenlaser bzw. die Diodenlaseranordnung
ist mit einem oder mehreren Netzteilen als Stromquelle verbunden,
die möglichst niederinduktiv und impedanzangepasst an den
oder die Diodenlaser angeschlossen ist und diese mit gepulstem Strom
versorgt.
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Der
Laser arbeitet in zwei Phasen, der Pumpphase und der Laserphase.
In der Pumpphase emittiert der Pumplaser einen Pumplichtpuls. Dieser
wird von der aktiven Faser des Faserlasers absorbiert und seine Energie
gespeichert. In der anschließenden Laserphase führt
die in der Pumpphase gespeicherte Energie dazu, dass aus dem Rauschen
heraus oder unterstützt durch ein Seed-Signal Lasertätigkeit
einsetzt. Die Leistung der Laserstrahlung steigt in kurzer Zeit
stark an und verbraucht die in der Pumpphase gespeicherte Energie.
Der sich ausbildende Laserpuls endet, sobald die gespeicherte Energie
aufgebraucht ist. Der Laser durchläuft die beiden Phasen
zyklisch. Die Wiederholrate der Pulse kann dabei durch die Ansteuerung
der ein oder mehreren Diodenlaser mit den erforderlichen Strömen
zwischen einem Einzelschussbetrieb und dem Betrieb mit einem Puls-Pause-Verhältnis
von nahezu 50% variiert werden, ohne die Diodenlaser oder den Faserlaser
zu gefährden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung werden mehrere Diodenlaser als Pumplaser
für den Faserlaser eingesetzt. Hierbei handelt es sich
vorzugsweise um Diodenlasermodule, die mit einem Pumpkoppler in
einer Faser zusammengefasst und synchron von einer Strom quelle mit
kurzen Strompulsen von 10 bis 1000 ns Dauer angesteuert werden.
Vorzugsweise werden hierbei Diodenlasersubmodule eingesetzt, beispielsweise
mit einer Wellenlänge zwischen 900 und 1000 nm, die mit
einem 7:1 oder 19:1 Pumpkoppler in einer Faser zusammengefasst sind.
Die Stromquelle kann über ein impedanzangepasstes Kabel
an die Diodenlasersubmodule angeschlossen werden, wobei die Module
sowohl in Serie als auch in Reihe angeschlossen sein können.
Alternativ kann jedes Diodenlasersubmodul oder jeder Diodenlaser
auch durch einen eigenen Stromtreiber versorgt werden, wobei die
Stromtreiber dann zueinander synchronisiert werden müssen.
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Als
aktive Faser des Faserlasers kann beispielsweise eine 1 bis 100
m lange dotierte Quarzglasfaser, beispielsweise eine Ytterbium-dotierte
Quarzglasfaser, mit einer Doppelmantelstruktur eingesetzt werden.
Der Kern dieser Faser kann beispielsweise einen Durchmesser zwischen
4 und 40 μm bei einer numerischen Apertur von 0,03 bis
0,1 aufweisen. Der Pumpmantel kann einen Durchmesser zwischen 50
bis 400 μm bei einer numerischen Apertur von 0,15 bis 0,7
aufweisen.
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Vorzugsweise
wird der Laserresonator von zwei Faser-Bragg-Gittern gebildet, welche
in den Kern der Faser eingeschrieben sind. Das eine Gitter weist
hierbei eine Reflektivität von über 90% bei der
Laserwellenlänge auf und stellt das hochreflektierende
Gitter dar, während das andere eine Reflektivität
zwischen 0,1 und 50% aufweist und als Auskoppelgitter für
die erzeugte Laserstrahlung dient. Selbstverständlich lässt
sich der Laserresonator auch durch andere Strukturen realisieren,
die die entsprechenden Reflektivitäten für die
Laserstrahlung bereitstellen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung sind alle optischen Komponenten
der Laseranordnung miteinander verspleist. Die Diodenlaser bzw.
die Diodenlasersubmodule sind mit den Eingängen des Pumpkopplers verspleist.
Die Ausgangsfaser des Pumpkopplers ist, ggf. über eine
Transportfaser, mit einem Ende des hochreflektierenden Gitters des
Faserlasers verspleist. Das andere Ende des hochreflektierenden
Gitters ist mit einem Ende der dotierten Faser, das andere Ende
der Faser mit dem Auskoppelgitter verspleist.
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Ein
wichtiges Merkmal des vorgeschlagenen Lasers ist die genaue zeitliche
Entwicklung von Pump- und Laserpuls. Der Pumppuls läuft
dem Laserpuls zeitlich voraus. Die Zeitdauer zwischen Beginn des
Pumppulses und Beginn des Laserpulses wird als Pulsaufbauzeit bezeichnet.
Die Pumppulsdauer entspricht typischerweise etwa der Pulsaufbauzeit
des Faserlasers. Der Pumppuls endet in jedem Fall, sobald der Laserpuls des
Faserlasers zu Ende ist. Im Allgemeinen beträgt die Pumppulsdauer
zwischen 1 ns und 10 μs. In der bevorzugten Ausgestaltung
werden die Diodenlaser so angesteuert, dass eine Pumppulsdauer zwischen
10 ns und 5 μs erreicht wird. In diesen Zeitbereichen liegt
auch die Pulsaufbauzeit des Faserlasers.
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Die
Form des Pumppulses wird durch den zeitlichen Verlauf des Stroms
gesteuert, der durch die Pumplaserdioden fließt. Vorzugsweise
werden die Strompulse in ihrer Form gezielt beeinflusst. So können
beispiels weise Strompulse jeweils in Form eines ansteigenden oder
abfallenden Sägezahns oder in Form eines oder mehrerer
Plateaus erzeugt werden. Auch das Überlagern zweier oder
mehrerer Stromquellen mit gleichem oder unterschiedlichem zeitlichen
Verlauf ist für die Ansteuerung der Diodenlaser möglich.
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Ein
weiterer wesentlicher Aspekt des vorgeschlagenen Faserlasers besteht
in der Verwendung einer schnellen Stromquelle, die kurze und intensive
Strompulse mit den oben genannten Pulsdauern liefert und über
einen niederinduktiven, impedanzangepassten Anschluss mit dem einen
oder den mehreren Diodenlasern verbunden ist. Dieser Anschluss kann
u. a. durch direkte Kontaktierung des Diodenlasers mit der Elektronik
des Strompulsers bei sehr kurzen Leitungslängen erfolgen,
bspw. über ein kurzes Kabel oder über einen kurzen
Wellenleiter.
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Der
Pumplaser kann dabei aus einem einzelnen Diodenlaser bzw. Emitter,
einer Anordnung einzelner Diodenlaser, einem Diodenlaserbarren oder
einem Stapel von Diodenlaserbarren bestehen. In jedem Fall ist der
Pumplaser fasergekoppelt, entweder in eine Transportfaser oder direkt
in die aktive Faser des Faserlasers. Bei der Transportfaser handelt
es sich vorzugsweise um eine Mehrmodenfaser mit einem Kerndurchmesser zwischen
50 und 800 μm.
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Bei
Einkopplung des Pumplasers in eine Transportfaser können
auch mehrere Transportfasern mit einem Faserkoppler, auch als Pumpkoppler
bezeichnet, in eine Faser zusammengeführt, die dann mit
der aktiven Faser des Faserlasers verbunden ist. Dabei kann der
Faserkoppler auch eine Faser enthalten, die einen Kern gleicher
Größe wie die aktive Faser aufweist, so dass das
Laserlicht aus der aktiven Faser durch den Faserkoppler hindurchgeführt
wird (sogenannte Signaldurchführung).
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Wird
ein Pumplaser eingesetzt, der aus einer Anordnung einzelner Emitter
oder einem Stapel von Diodenlaserbarren besteht, dann kann jedes
der Einzelelemente auch mit einem eigenen Strompulser angesteuert
werden, wobei die einzelnen Strompulser zueinander synchronisiert
sind. Die Synchronisierung kann durch ein Triggersignal erfolgen,
das auf alle einzelnen Strompulser verteilt wird. Weiterhin kann
auch ein Strompulser als Master ein Triggersignal an alle anderen
Strompulser (Slaves) senden, um diese zu synchronisieren.
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Ein
Betrieb des Pumplasers bei unterschiedlichen Pulswiederholraten
führt zu unterschiedlichen thermischen Lasten im Diodenlaser
und damit zu einer Wellenlängendrift. Es ist daher vorteilhaft,
die Wellenlänge des Pumplasers zu stabilisieren, z. B.
mittels Volumen-Bragg-Gitter, sodass sich die Absorptionscharakteristik in
der aktiven Faser nicht verändert.
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Sowohl
der Pumplaser als auch der Faserlaser weisen eine Laserschwelle
auf, die zunächst überwunden werden muss bevor
ein Laserbetrieb einsetzt. Um die Ausgangspulsenergie zu steigern,
kann zusätzlich zu den Strompulsen ein Konstantstrom durch
die Laserdiode geleitet werden. Dieser senkt die Laserschwelle in
der Laserdiode ab.
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Die
aktive Faser speichert die Energie des Pumppulses und gibt sie durch
stimulierte Emission an den sich aufbauenden Laserpuls ab. Ihre
Aufgabe ist es, die spektralen oder räumlichen Eigenschaften
des verwendeten Pumplichts umzuwandeln. Es kann sich bei dieser
Faser auch um eine polarisationserhaltende oder eine polarisierende
Faser handeln. Die Faser kann sowohl als Stufenindex- als auch photonische
Faser realisiert sein.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird als aktive Faser eine mit
Seltenen Erden dotierte Quarzglasfaser mit einer Doppelmantelstruktur
eingesetzt. Die Faser verfügt somit über einen
Kern, der mit Seltenerdatomen dotiert ist, und über einen
Mantel, in den das Pumplicht eingekoppelt werden kann. Eine derartige
Doppelmantelfaser erhöht die Brillanz bzw. Flussdichte
des abgestrahlten Laserlichts in Bezug auf das verwendete Pumplicht.
Dazu wird das Pumplicht, dessen Wellenlänge im Bereich
der Absorptionsbanden der verwendeten Seltenerdatome liegt, in den
Mantel der Faser eingekoppelt. Aufgrund der großen geometrischen
Abmessungen und der hohen numerischen Apertur des Mantels ist hierfür
nur eine niedrige Brillanz notwendig. Das eingekoppelte Pumplicht
wird von den im Kern konzentrierten Seltenerdatomen absorbiert.
Lasertätigkeit tritt im Kern der Faser auf. Dieser Faserkern
ist entweder grundmodig oder von niedriger Modenordnung ausgeführt.
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Vorzugsweise
weist die aktive Faser keinen kreissymmetrischen Querschnitt auf,
sondern beispielsweise einen polygonalen oder D-förmigen
Mantel für die Führung des Pumplichts, wodurch
die Absorption des Pumplichts über die Länge der
Faser verbessert wird.
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Beispiele
für Seltenerdatome zur Dotierung der Faser sind Neodym,
Ytterbium, Holmium, Thulium und Erbium. Der Durchmesser des Faserkerns
liegt vorzugsweise zwischen 4 bis 50 μm bei einer numerischen Apertur
von 0,01 bis 0,2. Die Lichtführung im Kern kann entweder
auf einen Brechungsindexsprung (Stufenindexfaser) oder auf einer
Mikrostruktur basieren (photonische Faser).
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Der
Kern ist vorzugsweise von einem Quarzglasmantel mit einem Durchmesser
von 50 bis 800 μm umgeben. Dieser Quarzmantel ist wiederum
von einem Material mit geringem Brechungsindex umgeben, so dass er
selbst Licht führen kann. Das umgebende Material kann im
speziellen dotiertes Quarzglas, niederbrechender Kunststoff oder
mikrostrukturiertes Quarzglas sein, so dass der Quarzmantel eine
numerische Apertur von 0,2 bis 0,8 aufweist. Anstelle von Quarzglas
kann auch ein anderes Material für die Faser eingesetzt
werden, beispielsweise Fluorglas.
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Der
Laserresonator wird von zwei reflektierenden Elementen gebildet.
Diese Elemente sind vorzugsweise fasergekoppelt, z. B. Faser-Bragg-Gitter.
In der bevorzugten Ausgestaltung sind die reflektierenden Elemente
zur Bildung des Resonators in der Faser integriert. Das eine Element
ist hochreflektierend mit einem Reflexionsgrad >90% ausgeführt, wobei sich diese
Angaben auf den Kern der Faser bei der Laserwellenlänge beziehen.
Das andere reflektierende Element dient als Laserauskoppler und
weist einen Reflexionsgrad von 0,1 bis 50% auf, auch hier in Bezug
auf den Kern der Faser bei der Laserwellenlänge.
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In
einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Lasers kann auch zusätzlich
eine weitere aktive Faser an die aktive Faser des Faserlasers angeschlossen
sein. Diese weitere Faser ist so beschaffen, dass sie das eingestrahlte
Laserlicht zu einer anderen Wellenlänge konvertiert. Diese
weitere Faser kann auch von Resonatorspiegeln zur Bildung eines
weiteren Resonators umgeben sein. Beispielsweise kann diese weitere
Faser so ausgebildet sein, dass sie Upkonversion, Downkonversion,
4-Wellen-Mischung, Frequenzvervielfachung oder stimulierte Raman-Streuung
eine Verschiebung der Laserwellenlänge bewirkt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung kann in die aktive Faser des Faserlasers
zusätzlich zum Pumplicht auch Laserlicht bei der Emissionswellenlänge
des Lasers eingekoppelt werden, das dann als Seed-Signal dient.
Diese Einkopplung kann sowohl durch den Kern der Faser als auch über
den Mantel für das Pumplicht erfolgen. Ziel dieser zusätzlichen
Einkopplung ist eine Stabilisierung der zeitlichen und spektralen
Parameter des Laserpulses. Von dem bereits bekannten Konzept der
Oszillator-Verstärker-Anordnung unterscheidet sich dieser
Aufbau dadurch, dass er weiterhin das oben beschriebene zeitliche
Verhalten aufweist und dass die Einkopplung des Seed-Signals nicht
zwingend über den Faserkern erfolgen muss, sondern auch über
den Fasermantel erfolgen kann.
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Weiterhin
kann der vorgeschlagene Faserlaser auch mit einer Kombination aus
Gewinn- und Güteschaltung betrieben werden. Durch eine
Modulation der Rückkopplung über ein entsprechendes
Element im Laserresonator kann die Pulsaufbauzeit verlängert
werden. Im Gegensatz zu einem gütegeschalteten Laser wird
die Modulation jedoch nicht so stark eingestellt, dass die Lasertätigkeit
im Grenzfall des kontinuierlichen Pumpens vollständig unterdrückt
wird.
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Pumppuls
und Laserpuls können bei einer Betriebsweise des Faserlasers
auch zeitlich so aufeinander abgestimmt sein, dass der Laser resonant
gepumpt wird. Die Modulation der Pumpleistung wird dabei so gewählt,
dass sie das Ausbilden eines pulsförmigen Überschwingers
beim Einsetzen der Lasertätigkeit unterstützt.
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Der
Laserresonator des vorgeschlagenen Faserlasers kann neben der aktiven
Faser auch zusätzlich einen sättigbaren Absorber
enthalten. Dafür kann beispielsweise die Länge
der aktiven Faser so groß gewählt werden, dass
nach Absorption des Pumplaserpulses in einem Teil der Faser noch
keine Nettoverstärkung vorliegt. Dieser Teil der Faser
wirkt dann als sättigbarer Absorber, welcher zu einer Ausbildung
von Subpulsen innerhalb des Hauptpulses führen kann bis
hin zur Modenkopplung.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird in den Resonator des Faserlasers
zusätzlich zu der aktiven Faser ein Stück passive
Faser eingespleist. Durch diese Maßnahme können
die Pulsdauer und Anschwingzeit des Lasers verlängert werden.
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Das
vorgeschlagene Verfahren sowie die zugehörige Anordnung
weisen gegenüber dem klassischen Ansatz eines gütegeschalteten
Lasers den Vorteil auf, dass für den Betrieb kein Güteschalter
erforderlich ist. Hochleistungsgüteschalter basieren auf
Kristallen, die sich nicht nahtlos in eine Faser integrieren lassen.
Die für hohe mittlere Leistungen und hohe Modulationstiefen
besonders geeigneten akusto-optischen und elektro-optischen Modulatoren
erfordern daher eine Freistrahloptik, welche die mittlere Leistung
bis zu der die Systeme funktionieren, auf wenige 10 Watt begrenzt.
Wellenleiter basierte Modulatoren weisen beim heutigen Stand der
Technik sehr hohe Transmissionsverluste von 20 bis 50% auf. Auch
diese lassen sich nicht in die eigentliche Laserfaser integrieren,
so dass auch hier eine problematische Schnittstelle auftritt.
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Ein
wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist,
dass ein gewinngeschalteter Faserlaser auch problemlos im Einzelschussbetrieb
arbeiten kann. Dies ist mit gütegeschalteten Faserlasern
nicht möglich, da die gespeicherte Inversion hier zu starker
ASE (Amplified Spontaneous Emission, verstärkte spontane Emission)
führt. Diese stellt ein unerwünschtes Grundrauschen
dar und kann mitunter durch Ausbildung unkontrollierter Pulse zur
Zerstörung des Lasers führen. Da im gewinngeschalteten
Betrieb die Wiederholrate des Lasers durch den Pumplaser vorgegeben
wird, findet zwischen den Pulsen kein Ansammeln von Inversion und Energie
statt. Die oben genannte Zerstörungsgefahr ist so ausgeschlossen.
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Der
vorgeschlagene gewinngeschaltete, diodengepumpte Faserlaser eignet
sich als hochrepetierendes Lasersystem mit verhältnismäßig
kurzer Pulspause bei gleichzeitig hoch überpulster Pumpquelle.
Die mittlere Leistung liegt dabei in einem ähnlichen Bereich
wie die Pulsspitzenleistung. Ein besonderer Vorteil des vorgeschlagenen
Faserlasers besteht in dem geringen Anteil an verstärkter
spontaner Emission, vor allem im Vergleich zu einer Oszillator-Verstärker-Anordnung.
Wesentliche Anwendungsgebiete eines derartigen Lasers sind die Lasermaterialbearbeitung,
beispielsweise in den Bereichen Bohren, Gravieren und Mikroschweißen, sowie
die Messtechnik. Außerdem kann der Laser auch gepulste
Stab- oder Scheibenlaser substituieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Der
vorgeschlagene Faserlaser wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 schematisch
ein Beispiel für den Aufbau des vorgeschlagenen Faserlasers;
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2 ein
Beispiel für die Nutzung eines Diodenlaserbarrens mit Pumpkoppler
als Pumplaser; und
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3 ein
Beispiel für den Aufbau der aktiven Faser.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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1 zeigt
stark schematisiert ein Beispiel für den Aufbau des vorgeschlagenen
Faserlasers. Der Faserlaser 3 weist eine aktive Faser 4 mit
einer Länge zwischen 1 und 100 m auf. Die aktive Faser 4 ist
im vorliegenden Beispiel eine Ytterbium-dotierte Glasfaser mit Doppelmantelstruktur.
Der Resonator wird von zwei Faser-Bragg-Gittern 5, 6 gebildet,
einem hochreflektierenden 5 und einem niedrigreflektierenden 6,
das die Funktion des Auskopplers hat. Der Pumppuls wird von einer
fasergekoppelten Pumplaserdiode 2 erzeugt, die von einem
Strompulser 1 mit einem kurzen Strompuls angesteuert wird.
Der Strompulser 1 stellt eine schnelle Stromquelle dar,
die intensive Strompulse mit Strompulsdauern zwischen 10 und 1000
ns liefern kann. Der Strompulser 1 ist mit einer kurzen
Verbindungsleitung 14 mit der Pumplaserdiode 2 verbunden.
Diese Verbindungsleitung 14 ist so ausgeführt,
dass eine niederinduktive, impedanzangepasste Verbindung zwischen
dem Strompulser 1 und der Pumplaserdiode 2 erreicht
wird. Besonders vorteilhaft kann hierbei ein geeigneter Wellenleiter
wie beispielsweise ein Rund- oder Flachbandkabel eingesetzt werden
oder ein sogenannter Streifenleiter.
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Anstelle
einer einzelnen Pumplaserdiode 2 kann ein Diodenlasermodul,
beispielsweise ein Diodenlaserbarren oder mehrere übereinander
gestapelte Diodenlaser-Barren, genutzt werden. Die von den zahlreichen
Emittern eines derartigen Laserbarrens emittierten Pumpstrahlen
müssen dann geeignet zusammengefasst und in die aktive
Faser eingekoppelt werden. 2 zeigt
hierbei ein Beispiel, bei dem ein Diodenlaserbarren 2a eingesetzt
wird. Die von diesem Laser-Barren 2a emittierten Pumpstrahlen
werden über einen Pumpkoppler 7 in einer Faser 8,
in der vorliegenden Patentanmeldung auch als Transportfaser bezeichnet,
zusammengefasst. Diese Transportfaser 8 ist dann mit dem
Faserlaser 3 verbunden.
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Die
aktive Faser 4 des Faserlasers 3 ist vorzugsweise
als Doppelmantelfaser ausgebildet, bei der das Pumplicht in den
inneren Mantel 12 eingekoppelt wird. Dies ist anhand der 3 schematisch
dargestellt. In dieser Figur ist die aktive Faser 4 als
Doppelmantelfaser zu erkennen. Diese Doppelmantelfaser weist einen inneren
Kern 11 für das Laserlicht 10 des Faserlasers,
den so genannten Laserkern, einen inneren Mantel 12 für
das Pumplicht 9, auch als Pumpkern bezeichnet, und einen äußeren
Mantel 13 auf. Mit einer derartigen Faser ist es möglich,
die Strahlung von Hochleistungslaserdioden in die Faser einzukoppeln.
Zur Erhöhung der Absorption der Pumpstrahlung im Laserkern 11 der
Faser weist der Pumpkern 12 vorzugsweise keinen kreisförmigen
Querschnitt auf. Im vorliegenden Beispiel wird ein Pumpkern in D-Form
eingesetzt, wie dies im rechten Teil der Figur im Querschnitt zu
erkennen ist. Weiterhin bieten sich hier auch andere Querschnittsformen, beispielsweise
eine polygonale oder eine rechteckige Form an. Bei kreisrundem Querschnitt
des Pumpkerns 12 kann auch eine dezentrale Anordnung des
Laserkerns 11 erfolgen. Diese von der kreisrunden Geometrie ab weichende
Form des Faseraufbaus erhöht den Anteil der im Laserkern 11 absorbierten
Pumpstrahlung.
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Die
folgende Tabelle zeigt Beispiele für die Parameter des
vorgeschlagenen Faserlasers, unterteilt in drei Gruppen, einem gut
realisierbaren Bereich, einem erweiterten Parameterbereich und einem
noch möglichen Bereich, mit denen der Faserlaser betrieben
werden kann. Als Parameter werden hierbei einerseits die Laserionen
für die Dotierung der aktiven Faser, der Kerndurchmesser
der aktiven Faser, die numerische Apertur (NA) des Kerns, der Manteldurchmesser
sowie die numerische Apertur des inneren Mantels im Falle der Doppelkernfaser,
das Fasermaterial und die Fasertypen angeführt. Auf der
anderen Seite werden Pulsenergie, Pulsdauer, Repetierrate, Pumppulsdauer,
Pumpkonzept und Pumpwellenlängen angegeben. Schließlich
kann noch die Art des Laserresonators verändert werden.
Die Reflektivitäten des hochreflektierenden Resonatorspiegels,
beispielsweise des Bragg-Gitters
5, sowie des Auskoppelspiegels,
beispielsweise des Bragg-Gitters
6, können in
den genannten Bereichen liegen.
| Name
des Parameters | Gut
realisierbarer Bereich | Erweiterter
Parameterbereich | Möglicher
Bereich |
| Pulsenergie | 50 μJ–1
mJ | 10 μJ–10
mJ | 100
pJ–100 mJ |
| Pulsdauer | 100
ns–1 μs | 20
ns–5 μs | 1
ns–100 μs |
| Repetierrate | 1
kHz–100 kHz | 1
Hz–500 kHz | 1
Hz–50 MHz |
| Laserionen | Yb,
Er | Tm,
Ho, Nd | ... |
| Kerndurchmesser | 6 μm–25 μm | 4 μm–50 μm | 4 μm–100 μm |
| Kern-NA | 0,06–0,1 | 0,04–0,15 | 0,03–0,22 |
| Pumppulsdauer | 50
ns–1 μs | 10
ns–5 μs | 1
ns–100 μs |
| Manteldurchmesser | 100 μm–250 μm | 50 μm–400 μm | 50 μm–800 μm |
| Mantel-NA | 0,2–0,44 | 0,12–0,6 | 0,1–0,8 |
| Fasermaterial | Quarz | ZBLAN,
Fluorglas | ... |
| Fasertypen | Stufenindex | Photonisch,
Air-Clad | Mikrostrukturierte
Kerne |
| Pumpkonzept | N-zu-1-Koppler | Endgepumpt | Seitengepumpt |
| Pumpwellenlängen | 900
bis 990 nm | 800
bis 1500 nm | UV-NIR |
| Laserresonator | Faser-Bragg-Gitter | Freistrahl-Spiegel | Faser-Schleifen-Spiegel |
| Reflektivität
HR | 95–99% | 90–99,9% | 80–100% |
| Reflektivität
AK | 5–10% | 3–20% | 0,1–50% |
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Im
Gegensatz zu einem gütegeschalteten Faserlaser kann bei
dem vorgeschlagenen gewinngeschalteten Faserlaser vollständig
auf einen Schalter verzichtet werden, der die Resonatorgüte
zwischen hoch und niedrig umschaltet. Die Pulserzeugung basiert
einzig auf der Zuführung der Pulsenergie in einem hinreichend kurzen
Zeitintervall. Die bisher eingesetzten Schalter sind derzeit nicht
als faserintegrierte Komponenten verfügbar und eine Verfügbarkeit,
vor allem bei hohen mittleren Leistungen, ist auch nicht absehbar.
Weiterhin zeichnet sich der vorgeschlagene Laser auch durch einen
geringeren Anteil an verstärkter spontaner Emission (ASE)
aus, vor allem im Vergleich zu einer Oszillator-Verstärker-Anordnung.
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- 1
- Strompulser
- 2
- Pumplaserdiode
- 2a
- Diodenlaserbarren
- 3
- Faserlaser
- 4
- Aktive
Faser
- 5
- Hochreflektierendes
Bragg-Gitter
- 6
- Niedrigreflektierendes
Bragg-Gitter
- 7
- Pumpkoppler
- 8
- Transportfaser
- 9
- Pumplaserstrahlung
- 10
- Laserstrahlung
des Faserlasers
- 11
- Innerer
Kern bzw. Laserkern
- 12
- Innerer
Mantel bzw. Pumpkern
- 13
- Äußerer
Mantel
- 14
- Verbindungsleitung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Y. Wang, „Pulse
evolution of a Q-switched ytterbium-doped double-clad fiber laser”,
Opt.Eng. 42(9), 2521–2526 (September 2003) [0002]