DE102008029776B4 - Fiber laser arrangement - Google Patents
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Abstract
Faserlaseranordnung (17) mit:
einem Faserlaser oder Faserverstärker (3), der eine erste Faser (3b) mit laseraktivem Material aufweist, wobei der Faserlaser oder Faserverstärker (3) an einem Faserausgang der ersten Faser (3b) einen Laserstrahl (9, 3a) liefert,
dadurch gekennzeichnet,
dass am Faserausgang in axialer Richtung ein Festkörper-Laserverstärker (24) zum Verstärken des Laserstrahls (9, 3a) vorgesehen ist
und dass eine optische Umlenkeinrichtung (22) vorgesehen ist, die die Pumpstrahlung (5) an der ersten Faser (3b) vorbei zu dem Laserverstärker (24) leitet, um sie dem Laserverstärker (24) zum Verstärken des Laserstrahles (9, 3a) zur Verfügung zu stellen.Fiber laser arrangement (17) with:
a fiber laser or fiber amplifier (3) having a first fiber (3b) with laser-active material, the fiber laser or fiber amplifier (3) providing a laser beam (9, 3a) at a fiber output of the first fiber (3b),
characterized,
that at the fiber output in the axial direction, a solid-state laser amplifier (24) for amplifying the laser beam (9, 3a) is provided
and that an optical deflection device (22) is provided, which directs the pump radiation (5) on the first fiber (3b) to the laser amplifier (24) to the laser amplifier (24) for amplifying the laser beam (9, 3a) To make available.
Description
Die Erfindung betrifft eine Faserlaseranordnung mit einem Faserlaser oder Faserverstärker, der eine erste Faser mit laseraktivem Material aufweist, wobei der Faserlaser oder Faserverstärker an einem Faserausgang der ersten Faser einen Laserstrahl liefert. Solche Faserlaser sind beispielsweise aus E. Snitzer et al., Conf. an Optical Fiber Sensors, New Orleans, 1988, Beitrag PD5, bekannt.The The invention relates to a fiber laser array with a fiber laser or fiber amplifier, having a first fiber with laser active material, wherein the Fiber laser or fiber amplifier provides a laser beam at a fiber exit of the first fiber. Such fiber lasers are known, for example, from E. Snitzer et al., Conf. at Optical Fiber Sensors, New Orleans, 1988, contribution PD5.
Für zahlreiche Anwendungen sind miniaturisierte Laser wünschenswert oder gar erforderlich, die gepulste Laserstrahlung mit Pulsbreiten von wenigen ns und Pulsenergien im Bereich von mehreren mJ erzeugen können, wie beispielsweise für langreichweitige Laser-Messsysteme, zur Materialfeinbearbeitung oder zur Anregung optisch nicht linearer Prozesse. Die erforderlichen Pulsleistungen liegen typischerweise im Bereich vom etwa 100 kW bis zu mehr als einem MW. Gemäß P. Peuser, N. P. Schmitt „Diodengepumpte Festkörperlaser”, Springer Verlag, 1995 sind diodengepumpte Festkörperlaser für diese Zwecke besonders geeignet. Auch die Erfindung befasst sich mit solchen miniaturisierten Lasersystemen.For many Applications are miniaturized lasers desirable or even necessary the pulsed laser radiation with pulse widths of a few ns and pulse energies in the range of several mJ, such as long-range Laser measuring systems, for material fine machining or for excitation optically non-linear processes. The required pulse powers typically range from about 100 kW to more than one MW. According to P. Peuser, N. P. Schmitt "Diode Pumped Solid state laser ", Springer Verlag, 1995, diode-pumped solid-state lasers are particularly suitable for this purpose. The invention also deals with such miniaturized laser systems.
Besonders vorteilhaft für praxistaugliche Lasersysteme ist es, wenn die Koppelung mit der Versorgungs- und Kontrollelektronik über eine mehrere Meter lange Faserverbindung hergestellt werden kann.Especially advantageous for practicable laser systems is when the coupling with the Supply and control electronics over a several meters long Fiber connection can be made.
In letzter Zeit wurden gepulste Faserlaser oder Faserverstärker-Anordnungen entwickelt, die sich durch eine sehr kompakte Bauweise und eine hohe Strahlqualität auszeichnen. E. Snitzer et al., Conf. an Optical Fiber Sensors, New Orleans, 1988, Beitrag PD5 beschreiben, dass durch Anwendung der sog. Doppelkern-Faser die Leistung beträchtlich erhöht werden konnte. Diese Fasern bestehen aus hochreinem Quarzglas mit einem laseraktiven Single-Mode-Kern, welcher mit Lanthaniden-Ionen dotiert ist und von einem Multimode-Kern für die Pumpstrahlung umgeben ist. Das Pumplicht koppelt über die gesamte Faserlänge vom Pumplicht-Kern in den laseraktiven Kern über und regt dort den Laserprozess an.In Recently, pulsed fiber lasers or fiber amplifier assemblies have been used developed, characterized by a very compact design and a high beam quality distinguished. E. Snitzer et al., Conf. on optical fiber sensors, New Orleans, 1988, contribution PD5 describe that by applying the so-called double-core fiber the performance can be increased considerably could. These fibers are made of high purity quartz glass with a laser-active single-mode core, which is doped with lanthanide ions and of a multimode core for the pump radiation is surrounded. The pump light couples over the entire fiber length from the pump light core into the laser-active core over and there stimulates the laser process.
Wie in J. A. Alvarez-Chavez et al., Opt. Lett. 25 (2000) 37 beschrieben, konnten die erreichbaren Ausgangsleistungen durch die Entwicklung der sog. LMA-Fasern (Large Mode Area) weiter gesteigert werden, welche einen vergrößerten Modenfelddurchmesser aufweist.As in J.A. Alvarez-Chavez et al., Opt. Lett. 25 (2000) 37, could the achievable output through the development the so-called LMA fibers (Large Mode Area) are further increased, which is an enlarged mode field diameter having.
In neuerer Zeit wurden die Photonischen Kristallfasern entwickelt, welche eine weitere Skalierung der Pulsenergie gestatten können. Weitere Einzelheiten hierzu sind P. Russel, Science 299 (2003) 358 und J. Limpert et al., Optics Express 12 (2004) 1313 entnehmbar.In more recently, the photonic crystal fibers have been developed which may allow further scaling of the pulse energy. Further Details are P. Russel, Science 299 (2003) 358 and J. Limpert et al., Optics Express 12 (2004) 1313 removable.
Jedoch reichen die maximalen, zuverlässig erreichbaren Pulsenergien für viele Anwendungen nicht aus. Hierbei begrenzen mehrere grundlegende physikalische Prozesse die Pulsenergien auf den Bereich von wenigen mJ. Diese Prozesse sind in erster Linie ASE (sog. Amplified Spontaneous Emission), Stimulierte Brillouin-Streuung, Stimulierte Raman-Streuung sowie Selbstfokussierung. Dies wird im einzelnen in F. D. Teodoro et al., Opt. Lett. 27 (2002) 518 und in R. L. Farrow et al., Opt. Lett. 31 (2006) 3423, beschrieben.however reach the maximum, reliably achievable Pulse energies for many applications are not enough. This limit several basic physical Process the pulse energies in the range of a few mJ. These Processes are primarily ASE (so-called Amplified Spontaneous Emission), stimulated Brillouin scattering, Stimulated Raman scattering and self-focusing. This will be in individual in F.D. Teodoro et al., Opt. Lett. 27 (2002) 518 and in R.L. Farrow et al., Opt. Lett. 31 (2006) 3423.
In
der
Aus
der
Die
Bei bekannten Faserlasern und Faserverstärker-Anordnungen kommen aufgrund des kleinen Faserquerschnitts im ns-Pulsbetrieb extrem hohe Intensitäten zustande, so dass bei einer Skalierung der Pumpleistung die Faser schließlich zerstört wird.at known fiber lasers and fiber amplifier arrangements are due of the small fiber cross-section in ns pulse mode extremely high intensities, so that scaling the pump power eventually destroys the fiber.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine miniaturisierte Faserlaser-Konfiguration mit einem gegenüber bisher bekannten miniaturisierten Faserlaseranordnungen erheblich erweiterten Pulsleistungsbereich zu realisieren.task The invention is a miniaturized fiber laser configuration with one over so far known miniaturized fiber laser arrays considerably expanded To realize pulse power range.
Diese Aufgabe wird durch eine Faserlaseranordnung mit den Merkmalen des beigefügten Patentanspruches 1 gelöst.These The object is achieved by a fiber laser arrangement with the features of attached Claim 1 solved.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Vorteilhafte Verwendungen der erfindungsgemäßen Faserlaseranordnung sind Gegenstand des Nebenanspruches.advantageous Uses of the fiber laser array according to the invention are the subject of the secondary claim.
Erfindungsgemäß wird die Strahlung eines Faserlasers oder eines Faserverstärkers an einen Laserverstärker herangeführt, der in axialer Richtung nahe am Faserausgang der mit laseraktiven Material versehenen Faser des Faserlasers oder Faserverstärkers angeordnet ist und die Strahlung des Faserlasers oder Faserverstärkers verstärkt.According to the invention Radiation of a fiber laser or a fiber amplifier a laser amplifier introduced, in the axial direction close to the fiber output of the laser active Material provided fiber of the fiber laser or fiber amplifier arranged is and amplifies the radiation of the fiber laser or fiber amplifier.
Damit bei hohem Miniaturisierungsgrad eine große Menge von Pumpenergie in den Laserverstärker geführt werden kann, ist weiter eine optische Umlenkeinrichtung vorgesehen, die die Pumpstrahlung an der ersten Faser vorbei zu dem Laserverstärker leitet. Durch die Umlenkeinrichtung kann die Pumpstrahlung entsprechend aufbereitet werden, um in dem Laserverstärker den Wirkungsgrad zu erhöhen. Insbesondere kann die Pumpstrahlung in den Laserkristall fokussiert werden.In order to with a high degree of miniaturization, a large amount of pump energy in the laser amplifier guided can be, is further provided an optical deflection device, passing the pump radiation past the first fiber to the laser amplifier. By the deflection, the pump radiation can accordingly be prepared to increase the efficiency in the laser amplifier. Especially the pump radiation can be focused into the laser crystal.
Im folgenden wird diese mit laseraktivem Material versehene Faser des Faserlasers oder Faserverstärkers als „erste Faser” bezeichnet.in the Following is this provided with laser active material fiber of Fiber laser or fiber amplifier as "first Fiber ".
Der Laserverstärker weist vorzugsweise einen Verstärkerkristall auf. Der Verstärkerkristall ist weiter bevorzugt an seinen beiden Endflächen antireflektierend für die Laserstrahlung beschichtet, um so einen hohen Durchsatz und eine hohe Verstärkung für die Laserstrahlung zu erreichen.Of the laser amplifier preferably has an amplifier crystal on. The amplifier crystal is more preferably antireflective at its two end surfaces for the laser radiation coated, so high throughput and high gain for the laser radiation to reach.
Weiter bevorzugt wird für den Laserverstärker eine longitudinale Pumpkonfiguration verwendet. Longitudinales Pumpen in Richtung des zu verstärkenden Laserstrahles hat sich als besonders wirksam erwiesen, so dass ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden kann. Außerdem ist durch eine longitudinale Pumpkonfiguration ein besonders hoher Miniaturisierungsgrad erreichbar.Further is preferred for the laser amplifier used a longitudinal pumping configuration. Longitudinal pumps in the direction of being reinforced Laser beam has proved to be particularly effective, allowing a high efficiency can be achieved. It is also characterized by a longitudinal Pump configuration reached a particularly high degree of miniaturization.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine optische Pumpquelle zum Aussenden von Pumpstrahlung für den Laserverstärker vorgesehen, so dass der Laserverstärker – vorzugsweise im wesentlichen in der gleichen Richtung – sowohl zum Empfangen des Laserstrahles als auch der Pumpstrahlung ausgebildet ist. Um die Pumpstrahlung mit hoher Transmission durch die Eintrittsfläche des Verstärkerkristalls eintreten zu lassen, ist diese Eintrittsfläche zusätzlich zu einer antireflektierenden Beschichtung für die Laserstrahlung auch antireflektierend für die Pumpstrahlung ausgebildet.According to one Another embodiment of the invention is an optical pump source provided for emitting pump radiation for the laser amplifier, so that the laser amplifier - preferably essentially in the same direction - both for receiving the Laser beam and the pump radiation is formed. To the Pumping radiation with high transmission through the entrance surface of the gain crystal to enter, this entrance surface is in addition to an anti-reflective coating for the Laser radiation also antireflecting designed for the pump radiation.
Über eine entsprechende Wahl der Wellenlänge der Pumpstrahlung zur Anpassung an das Absorptionsspektrum des Verstärkerkristalles kann eine vorbestimmte Inversionsdichteverteilung im Verstärkungskristall erzeugt werden.Over a appropriate choice of wavelength the pump radiation to adapt to the absorption spectrum of the amplifier crystal may have a predetermined inversion density distribution in the reinforcing crystal be generated.
Gemäß bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung wird Laserstrahlung aus einem Faserlaser oder aus einem Faserverstärker mittels besonders angeordneter optischer Linsen in einen axial angeordneten, longitudinal fasergepumpten Festkörperlaserverstärker eingekoppelt, so dass in einer miniaturisierten Konfiguration leistungsverstärkte Laserstrahlung mit hoher Strahlqualität mit einem hohen Wirkungsgrad erzeugt wird.According to preferred Embodiments of the invention is laser radiation from a fiber laser or from a fiber amplifier by means of specially arranged optical lenses arranged in an axially, longitudinally fiber-pumped solid-state laser amplifier coupled, so that in a miniaturized configuration power amplified laser radiation with high beam quality is produced with a high efficiency.
Dadurch wird eine besonders vorteilhafte integrierte Faserlaser-Festkörperlaserverstärker-Anordnung geschaffen. Vorteilhafte Anwendungen sind:
- a) Vorverstärker für einen DIRCM-Laser („directed infrared counter measures”)
- b) Miniaturisierter Basislaser für optisch nichtlineare Prozesse
- c) Flugzeuggetragene, miniaturisierte Lidar-Systeme
- d) Laserzündung in Motoren
- e) Roboter-getragene Laser
- a) Preamplifier for a DIRCM laser ("directed infrared counter measures")
- b) Miniaturized base laser for optically non-linear processes
- c) Aircraft-borne miniaturized lidar systems
- d) laser ignition in motors
- e) robot-borne lasers
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:embodiments The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. In this shows:
In
den
Eine
erste Ausführungsform
der Faserlaseranordnung
Bei
der ersten Ausführungsform
der Faserlaseranordnung
Die
durch den wenigstens einen ersten Diodenlaser
Der
Verstärkerkristall
Die
Wellenlänge
der Pumpstrahlung
Die
Kollimatorlinse
Weiter
wird eine Linse
Durch
entsprechende Justage lässt
sich dabei eine optimale räumliche Überlappung
des Laserstrahles
Aufgrund der hier angewandten longitudinalen Pumpgeometrie wird ein großer Wirkungsgrad erreicht. Einzelheiten zu den Vorteilen der longitudinalen Pumpgeometrie sind in P. Peuser, N. P. Schmitt: ”Diodengepumpte Festkörperlaser”, Springer Verlag, 1995 beschrieben.by virtue of The applied here longitudinal pump geometry is a great efficiency reached. Details of the advantages of the longitudinal pumping geometry are in P. Peuser, N.P. Schmitt: "Diode Pumped Solid State Lasers", Springer Publisher, 1995 described.
An
jeder einzelnen der zweiten Fasern
Bei
der in
Bei
der in den
Wenn
der Faserlaser/Faserverstärker
In
dem Fall, wenn der Faserlaser/Faserverstärker
Bei
der in
Bei
der in
Die
beschriebenen Konfigurationen können beispielsweise
einen Ytterbiumdotierten Faserlaser oder Faserverstärker
Diese Faserlaser oder Faserverstärker werden vorzugsweise im Emissionswellenlängenbereich der InGaAs-Diodenlaser nahe 980 nm gepumpt, wohingegen Nd:YAG vorzugsweise mit GaAIAs-Diodenlasern bei 807 nm angeregt wird. Weitere Ausführungen sind mit Thulium- oder Holmium-dotierten Faserlasern und Kristallen realisierbar, welche im 2 μm-Wellenlängenbereich emittieren.These Fiber laser or fiber amplifier are preferably in the emission wavelength range of the InGaAs diode laser while Nd: YAG preferentially pumped with GaAIAs diode lasers is excited at 807 nm. Other versions are thulium or Holmium-doped fiber lasers and crystals can be realized, which in the 2 μm wavelength range emit.
Die
im vorhergehenden beschriebenen Faserlaseranordnungen
Durch
die beschriebenen Maßnahmen
wird erreicht, dass die Strahlung – Laserstrahl
- 11
- erster Diodenlaser (Hochleistungsdiodenlaser für Verstärkerkristall)first Diode laser (high-power diode laser for amplifier crystal)
- 22
- zweiter Diodenlaser (für Faserlaser/Faserverstärker)second Diode laser (for Fiber laser / fiber amplifier)
- 33
- Faserlaser/FaserverstärkerFiber laser / fiber amplifier
- 3a3a
- FaserlaserstrahlungFiber laser radiation
- 3b3b
- erste Faserfirst fiber
- 44
- zweite Faser (für Pumpstrahlung)second Fiber (for Pump radiation)
- 4a4a
- kombinierte optische Faser mit Faserlaser/Faserverstärkercombined optical fiber with fiber laser / fiber amplifier
- 4b4b
- Faserbündelfiber bundles
- 55
- Pumpstrahlungpump radiation
- 66
- Kollimatorlinse (für Pumpstrahlung)collimator lens (for pump radiation)
- 6a6a
- Kollimatorlinsecollimator lens
- 77
- Linse (für Faserlaser/Faserverstärker)lens (for fiber laser / fiber amplifier)
- 7a7a
- Halterung für Linsebracket for lens
- 88th
- Fokussierlinse (für Pumpstrahlung)focusing lens (for pump radiation)
- 8a8a
- Fokussierlinsefocusing lens
- 99
- Laserstrahllaser beam
- 1010
- Verstärkerkristallcrystal amplifier
- 1111
- verstärkter Laserstrahlamplified laser beam
- 1212
- Strahlvereinigungbeam combiner
- 1313
- erste Pumpstrahlung (für Laserverstärker)first Pump radiation (for Laser amplifier)
- 1414
- dichroitischer Spiegeldichroic mirror
- 1515
- zweite Pumpstrahlung (für Faserlaser/Faserverstärker)second Pump radiation (for Fiber laser / fiber amplifier)
- 1616
- optische Linse für Pumpstrahleinkopplungoptical Lens for Pumpstrahleinkopplung
- 1717
- FaserlaseranordnungFiber laser arrangement
- 1818
- Streckeroute
- 2020
- Pumpquellepump source
- 2121
- PumpstrahlungsleiteinrichtungPumpstrahlungsleiteinrichtung
- 2222
- optische Umlenkeinrichtungoptical deflecting
- 2424
- Laserverstärkerlaser amplifier
- 2626
- erster Durchlassfirst passage
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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: AIRBUS DEFENCE AND SPACE GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: EADS DEUTSCHLAND GMBH, 85521 OTTOBRUNN, DE Effective date: 20140814 |
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R082 | Change of representative | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |