DE102010004852A1

DE102010004852A1 - Faserlaser

Info

Publication number: DE102010004852A1
Application number: DE102010004852A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Prof. 09669 Steiger; Stefan 09518 Mauersberger
Original assignee: Hochschule Mittweida FH
Current assignee: Hochschule Mittweida FH
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2011-07-21

Abstract

Die Erfindung betrifft Faserlaser nach Patent Nr. 10 2009 009 094.0. Die Faserlaser zeichnen sich insbesondere durch eine einfache Realisierung aus. Dazu ist an einem rohrförmigen Körper aus einem transparenten Material mindestens eine Pumpfaser angekoppelt, so dass die Pumpstrahlung in den Körper eingekoppelt und in dem Körper als Medium geführt wird. Weiterhin befindet sich eine schraubenförmig angeordnete aktive Faser wenigstens teilweise im Körper oder ist eine aktive Faser schraubenförmig auf dem Körper angeordnet, so dass die aktive Faser über das evaneszente Feld der elektromagnetischen Strahlung in dem Körper angekoppelt ist, wobei in der aktiven Faser elektromagnetische Strahlung generiert wird, die ihre Energie aus dem evaneszenten Feld bezieht.

Description

Lasereinrichtungen sind durch viele Druckschriften bekannt. Ein Laser ist beispielsweise durch die Druckschrift DE 694 14 010 T2 bekannt. Das aktive Medium ist dabei ein Stab, der vielflächige Enden aufweist, die derart angeordnet und gestaltet sind, dass stimulierte Strahlung intern von Ende zu Ende in dem Stab reflektiert wird. Eines der Enden ist mit einem abgestumpften Abschnitt ausgestattet, der ein Fenster bildet, damit der Laserstrahl austreten kann. Der Laserstrahl wird direkt aus dem aktiven Medium in Form des Stabes ausgekoppelt.
Aus der Druckschrift DE 600 03 736 T2 ist eine Laservorrichtung und zugehöriger Verstärker für optische Signale bekannt. Die aktive Faser des Lasers ist dabei auf einem zylindrischen Träger spiralförmig angeordnet, wobei die Faser in einem transparenten schichtartigen Bereich liegt, der von Pumpstrahlung durchsetzt ist. Durch die Druckschrift US 6,327,279 B1 ist eine Anordnung zur Pumplichtführung für laseraktive und/oder verstärkende Fasern bekannt. Zwischen zwei Platten ist die Faser spulenartig aufgewickelt. Die Einkopplung der Pumpstrahlung erfolgt durch in die Platten eingebrachte Öffnungen geeigneten Durchmessers.
In der Druckschrift US 2006/0133433 A1 wird ein Faserlaser und ein Verstärker beschrieben. Die Faser befindet sich dabei in Form einer Spule in einer Kammer. Die Pumpstrahlung wird dabei über einen Bereich der Kammerwand in die Faser gekoppelt.
Durch die Druckschrift EP 0 840 410 A2 ist ein ähnlich realisierter Laser bekannt. Die Faser ist wiederum als Spule zwischen wenigstens zwei Platten angeordnet. Diese Platte dienen wiederum auch zur Zuführung und Einkopplung der Pumpstrahlung.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser einfach und ökonomisch günstig zu realisieren.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Faserlaser zeichnen sich insbesondere durch eine einfache Realisierung aus. Dazu ist an einem rohrförmigen Körper aus wenigstens einem transparenten Material entweder als ein oder auf einem Träger mindestens eine Pumpfaser angekoppelt, so dass die Pumpstrahlung in den Körper eingekoppelt und in dem Körper als Medium geführt wird. Weiterhin befindet sich eine schraubenförmig angeordnete aktive Faser wenigstens teilweise im Körper oder ist eine aktive Faser schraubenförmig auf dem Körper angeordnet, so dass die aktive Faser über das evaneszente Feld der elektromagnetischen Strahlung in dem Körper angekoppelt ist, wobei in der aktiven Faser elektromagnetische Strahlung generiert wird, die ihre Energie aus dem evaneszenten Feld bezieht.
Trifft elektromagnetische Strahlung auf eine Grenzfläche zwischen Medien mit unterschiedlicher Brechzahl, dann kommt es zu Reflexion oder Brechung der Welle an dieser Grenzfläche. Läuft das Licht vom optisch dichteren in das optisch dünnere Medium und ist der Sinus des Einfallswinkels größer als das Verhältnis der Brechungsindizes des optisch dünneren Mediums zum optisch dichteren Medium, so kommt es zur Totalreflexion. Die Strahlung wird vollständig an der Grenzfläche reflektiert. Dies bedeutet jedoch nicht, dass sich im Raum hinter der Grenzfläche kein elektromagnetisches Feld befindet, es findet dort lediglich keine Wellenausbreitung senkrecht zur Grenzfläche statt. Das elektromagnetische Feld hinter der Grenzfläche fällt exponentiell mit dem Abstand von der Grenzfläche ab (evaneszent) und oszilliert zeitlich mit der Frequenz der einfallenden Strahlung.
Bringt man ein Objekt in Form der aktiven Faser nah genug an die Grenzfläche heran, so dass das evaneszente Feld noch eine nennenswerte Wirkung besitzt, so wird in diesem Objekt ein neues sekundäres Wellenfeld generiert, welches seine Energie aus dem evaneszenten Feld bezieht. Auf Grund der Energieerhaltung wird das primäre Wellenfeld um den Betrag des sekundären Feldes geschwächt, sogenannte frustrated total reflection.
Vorteilhafterweise ist der Körper des Faserlasers mit der aktiven Faser ein in seinen Abmessungen unendliches Medium. Die eingeleiteten Pumpstrahlen können diesen Körper mehrfach ungehindert durchfließen. Der Körper ist dazu ein Hohlzylinder, der gleichzeitig das Medium darstellt.
Der Körper selbst ist sowohl Medium für die Pumpstrahlung als auch Träger der Pumpfaser und der aktiven Faser. Der Körper kann sich auch auf einem weiteren Körper befinden, der als Träger fungiert. Dabei ist der Körper eine Schicht auf dem Träger, die zusammen einen Körper representieren. Der weitere Körper kann dabei sowohl als Rohr als auch als Stab ausgebildet sein.
Vorteilhafterweise können die Querschnitte der Nut und/oder der aktiven Faser so ausgestaltet werden, dass ein großer Wirkungsquerschnitt entsteht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 11 angegeben.
Günstigerweise weist der Körper nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 eine schraubenförmig angeordnete Nut mit der aktiven Faser auf. Diese kann vorteilhafterweise einen rechteck-, trapez-, dreieck-, mehreck- oder bogenförmigen Querschnitt aufweisen.
Die Pumpfaser ist günstigerweise nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 an die Stirnfläche oder die Mantelfläche des Körpers gekoppelt.
Auf dem Körper oder auf dem Körper sowie der aktiven Faser ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 eine Deckschicht angeordnet, wobei die Brechzahl der Deckschicht kleiner als die des Körpers und der aktiven Faser ist, so dass vorteilhafterweise die Pumpstrahlung des Körpers und eventuell generierte Laserstrahlung an der Deckschicht reflektiert wird.
Günstigerweise besteht der Körper nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 aus Glas, einem Kunststoff oder einer Keramik.
Die Stirnflächen des Körpers sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 verspiegelt. Vorteilhafterweise werden damit die Verluste der Pumpstrahlung weiter minimiert.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 sind die Endflächen der aktiven Faser verspiegelt oder weisen diesen ein Bragg-Gitter auf, so dass die aktive Faser ein Resonator ist.
Der Innenraum des Körpers ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 mit oder an einem Kühlmechanismus gekoppelt. Damit ist ein sicherer Betrieb des Faserlasers auch höherer Leistung gewährleistet. Der Kühlmechanismus kann vorteilhafterweise ein Kühlkörper sein, der gleichzeitig weiterhin der mechanischen Stabilisierung des Faserlasers dient.
Die aktive Faser ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 günstigerweise eine Monomodefaser mit einem aktiven Kern.
Die aktive Faser ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 im Querschnitt ein Kreisabschnitt. Damit ist eine große Grenzfläche zwischen Körper und aktiven. Faser gegeben.
An die Pumpfaser ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 eine elektromagnetische Strahlung liefernde Quelle gekoppelt. Das ist vorteilhafterweise wenigstens eine Laserdiode.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 12 sind vorteilhafterweise mehrere den Körper schraubenförmig umschlingende aktive Fasern nacheinander angeordnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 einen Faserlaser,
2 eine Schnittdarstellung eines Faserlasers mit einer aktiven Faser auf der Mantelfläche des Körpers als Medium für die Pumpstrahlung und
3 eine Schnittdarstellung eines Faserlasers mit einer aktiven Faser in einer Nut.
Ein Faserlaser 1 besteht im Wesentlichen aus einem rohrförmigen Körper 3 in Form eines Hohlzylinders aus einem transparenten Material, mindestens einer Pumpfaser 2 und wenigstens einer aktiven Faser 4.
Die 1 zeigt einen Faserlaser in einer prinzipiellen Darstellung.
Die Pumpfaser 2 ist so an den Körper 3 angekoppelt, dass die Pumpstrahlung in den Körper 3 eingekoppelt und in dem Körper 3 als Medium geführt wird. Dazu ist die Pumpfaser 2 an die Stirnfläche oder die Mantelfläche des Körpers 3 gekoppelt. Der Hohlzylinder besteht vorteilhafterweise aus Glas.
An die Pumpfaser 4 ist weiterhin eine elektromagnetische Strahlung liefernde Quelle gekoppelt.
In einer ersten Ausführungsform des Ausführungsbeispiels ist auf der Mantelfläche des Körpers 3 die aktive Faser 4 schraubenförmig angeordnet.
Die 2 zeigt eine prinzipielle Schnittdarstellung eines Faserlasers 1 mit einer aktiven Faser 4 auf der Mantelfläche des Körpers 3 als Medium der Pumpstrahlung.
Die aktive Faser ist dazu eine aktive Faser mit einem Querschnitt in Form eines Kreisabschnitts. Dadurch ist der Wirkungsquerschnitt zwischen aktiver Faser 4 und Körper 3 gegenüber einer aktiven Faser 4 mit einem Kreisquerschnitt vergrößert.
In einer zweiten Ausführungsform des Ausführungsbeispiels ist in die äußere Mantelfläche des Körpers 3 eine Nut 5 schraubenförmig eingebracht. Die Nut 5 besitzt einen rechteck-, trapez-, dreieck-, mehreck- oder bogenförmigen Querschnitt. In der Nut 5 befindet sich die aktive Faser 4.
Die 3 zeigt eine prinzipielle Schnittdarstellung eines Faserlasers 1 mit einer aktiven Faser 4 in einer Nut 5.
Die aktive Faser 4 der Ausführungsformen ist über das evaneszente Feld der elektromagnetischen Strahlung in dem Körper 3 angekoppelt, wobei in der aktiven Faser 4 elektromagnetische Strahlung generiert wird, die ihre Energie aus dem evaneszenten Feld bezieht.
In einer weiteren Ausführungsform des Ausführungsbeispiels des Faserlasers 1 ist der Innenraum des Körpers 3 in Form des Hohlzylinders mit oder an einem Kühlmechanismus oder ist der Faserlaser 1 mit oder an einem Kühlmechanismus gekoppelt.
Im einfachsten Fall wird der Innenraum des Hohlzylinders dabei von einem Kühlmedium durchflossen.
Natürlich kann im Innenraum auch ein Kühlkörper angeordnet sein, der dem Wärmetransport dient. Dabei kann der Kühlkörper weiterhin an ein Kühlmedium gekoppelt sein. Das ist beispielsweise am Kühlkörper vorbei strömende Luft oder eine angekoppelte Leitung mit einem fließenden Kühlmittel.
In einer weiteren Ausführungsform des Ausführungsbeispiels sind die Stirnflächen des Körpers 3 in Form des Hohlzylinders verspiegelt.
Die Endflächen der aktiven Faser 4 sind in weiteren Ausführungsformen entweder verspiegelt oder weisen ein Bragg-Gitter auf, so dass die aktive Faser 4 ein Resonator ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 69414010 T2 [0001]
DE 60003736 T2 [0002]
US 6327279 B1 [0002]
US 2006/0133433 A1 [0003]
EP 0840410 A2 [0004]

Claims

Faserlaser nach Patent Nr. 10 2009 009 094.0 mit – einem rohrförmigen Körper (3) aus wenigstens einem transparenten Material als oder auf einem Träger, – mindestens einer an den Körper (3) angekoppelten Pumpfaser (2), so dass die Pumpstrahlung in den Körper (3) eingekoppelt und in dem Körper (3) als Medium geführt wird, und – einer schraubenförmig angeordneten aktiven Faser (4) wenigstens teilweise im Körper (3) oder – einer schraubenförmig angeordneten aktiven Faser (4) auf dem Körper (3), so dass die aktive Faser (4) über das evaneszente Feld der elektromagnetischen Strahlung in dem Körper (3) angekoppelt ist, wobei in der aktiven Faser (4) elektromagnetische Strahlung generiert wird, die ihre Energie aus dem evaneszenten Feld bezieht.
Faserlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) eine schraubenförmig angeordnete Nut (5) mit der aktiven Faser (4) aufweist.
Faserlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpfaser (2) an die Stirnfläche oder die Mantelfläche des Körpers (3) gekoppelt ist.
Faserlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Körper (3) oder auf dem Körper (3) sowie der aktiven Faser (4) eine Deckschicht angeordnet ist, wobei die Brechzahl der Deckschicht kleiner als die des Körpers (3) und der aktiven Faser (4) ist, so dass die Pumpstrahlung des Körpers (3) und eventuell generierte Laserstrahlung an der Deckschicht reflektiert wird.
Faserlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) aus Glas, einem Kunststoff oder einer Keramik besteht.
Faserlaser nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen des Körpers (3) verspiegelt sind.
Faserlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endflächen der aktiven Faser (4) verspiegelt sind oder ein Bragg-Gitter aufweisen, so dass die aktive Faser (4) ein Resonator ist.
Faserlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Körpers (3) mit oder an einem Kühlmechanismus gekoppelt ist.
Faserlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Faser (4) eine Monomodefaser mit einem aktiven Kern ist.
Faserlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Faser (4) eine aktive Faser mit einem Querschnitt in Form eines Kreisabschnitts ist.
Faserlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an die Pumpfaser (2) eine elektromagnetische Strahlung liefernde Quelle gekoppelt ist.
Faserlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere den Körper (3) schraubenförmig umschlingende aktive Fasern (4) nacheinander angeordnet sind.