DE102012219972B4 - MOPA laser assembly and method for optical power amplification - Google Patents
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Abstract
MOPA-Laseranordnung mit mindestens einem Seedlaser (6) und mindestens einem optischen Leistungsverstärker (10, 10a, 10b), der der Verstärkung einer von dem Seedlaser (6) ausgesandten Seedlaserstrahlung (7) dient, wobei eine einzige Pumplichtquelle (1) vorgesehen ist, die im bestimmungsgemäßen Betrieb der MOPA-Laseranordnung sowohl den Seedlaser (6) als auch den optischen Leistungsverstärker (10, 10a, 10b) mit einer Pumplichtstrahlung versorgt, wobei der Pumplichtquelle (1) eine Strahlaufspaltungsoptik (3) zugeordnet ist, die einer Aufspaltung der von der Pumplichtquelle (1) ausgesandten Pumplichtstrahlung in mindestens zwei Teilstrahlen (4, 5, 5a, 5b) dient, wobei mindestens ein erster der Teilstrahlen (4) zum Pumpen des Seedlasers (6) und mindestens ein zweiter der Teilstrahlen (5, 5a, 5b) zum Pumpen des optischen Leistungsverstärkers (10, 10a, 10b) dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtquelle (1) ein Laserdiodenbarren ist, dass die Strahlaufspaltungsoptik (3) mindestens zwei verschiebbare Spiegel oder Prismen (13, 14) umfasst, die derart ausgerichtet werden können, dass die Intensität der mindestens zwei Teilstrahlen (4, 5, 5a, 5b) frei einstellbar ist, und dass die mindestens zwei verschiebbaren Spiegel oder Prismen (13, 14) in einer Reihe hintereinander in der Ausbreitungsrichtung der Pumplichtstrahlung angeordnet sind. MOPA laser arrangement comprising at least one seed laser (6) and at least one optical power amplifier (10, 10a, 10b) for amplifying a seed laser radiation (7) emitted by the seed laser (6), wherein a single pump light source (1) is provided, in the normal operation of the MOPA laser arrangement, both the seed laser (6) and the optical power amplifier (10, 10a, 10b) supplied with a pumping light radiation, the pumping light source (1) is associated with a beam splitting optical system (3), the splitting of at least a first of the partial beams (4) for pumping the seed laser (6) and at least a second of the partial beams (5, 5a, 5b ) for pumping the optical power amplifier (10, 10a, 10b), characterized in that the pumping light source (1) is a laser diode bar, that the beam splitting optics (3) at least ens comprises two displaceable mirrors or prisms (13, 14), which can be aligned such that the intensity of the at least two partial beams (4, 5, 5a, 5b) is freely adjustable, and that the at least two displaceable mirrors or prisms (13 , 14) are arranged in a row one behind the other in the propagation direction of the pumped light radiation.
Description
Die Erfindung betrifft eine MOPA-Laseranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur optischen Leistungsverstärkung einer Laserlichtstrahlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.The invention relates to a MOPA laser arrangement according to the preamble of
Die Abkürzung MOPA steht dabei für den üblichen Fachbegriff „Master Oscillator Power Amplifier“. Eine MOPA-Laseranordnung wird seltener in deutscher Übersetzung als „Master-Oszillator-Leistungsverstärker“ bezeichnet.The abbreviation MOPA stands for the usual technical term "Master Oscillator Power Amplifier". A MOPA laser arrangement is less commonly referred to in German translation as a "master oscillator power amplifier".
Aus dem Stand der Technik bekannte MOPA-Laseranordnungen verwenden regelmäßig eine Laserdiode zum Pumpen eines sogenannten Seedlasers, der als Master-Oszillator dient, und mindestens eine zweite Laserdiode zum Pumpen eines optischen Leistungsverstärkers, der die Verstärkerkomponente einer MOPA-Laseranordnung darstellt.Prior art MOPA laser arrays routinely use a laser diode for pumping a so-called seed laser serving as a master oscillator, and at least one second laser diode for pumping an optical power amplifier representing the amplifier component of a MOPA laser array.
Der als
Der Einsatz mehrerer Pumplichtquellen ist allerdings mit einem erheblichen Kostennachteil und einem erhöhten Einstellungsaufwand einer entsprechenden MOPA-Laseranordnung verbunden. Außerdem besteht ein erhöhtes Risiko eines Ausfalls des Gesamtsystems durch die Fehlerhaftigkeit einer der eingesetzten Pumplichtquellen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn Laserdioden als Pumplichtquellen eingesetzt werden, da dann auch ein zugehöriger Laserdiodentreiber ausfallen kann.The use of several pump light sources, however, is associated with a considerable cost disadvantage and an increased setting costs of a corresponding MOPA laser arrangement. In addition, there is an increased risk of failure of the entire system due to the defectiveness of one of the pumping light sources used. This is particularly the case when laser diodes are used as pump light sources, since then an associated laser diode driver can fail.
Die
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine MOPA-Laseranordnung bereitzustellen, die kostengünstiger als bekannte Systeme hergestellt werden kann und die eine geringere Fehleranfälligkeit als aus dem Stand der Technik bekannte MOPA-Laseranordnungen aufweist.The present invention has for its object to provide a MOPA laser assembly that can be produced more cost-effectively than known systems and that has a lower error rate than known from the prior art MOPA laser assemblies.
Diese Aufgabe wird mit einer MOPA-Laseranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine derartige MOPA-Laseranordnung weist einen so genannten Seedlaser als Master-Oszillator und einen optischen Leistungsverstärker auf. Der optische Leistungsverstärker dient der Verstärkung einer von dem Seedlaser ausgesandten Seedlaserstrahlung. Es können auch mehr als ein Seedlaser und/oder mehr als ein optischer Leistungsverstärker eingesetzt werden. Es ist lediglich eine einzige Pumplichtquelle vorgesehen, die im bestimmungsgemäßen Betrieb der MOPA-Laseranordnung sowohl den Seedlaser als auch den Leistungsverstärker mit einer Pumplichtstrahlung versorgt. Es sind also nicht getrennte Pumplichtquellen für den Master- Oszillator und den optischen Leistungsverstärker vorgesehen, sondern eine gemeinsame Pumplichtquelle.This object is achieved with a MOPA laser arrangement with the features of
Dadurch lässt sich eine entsprechende MOPA-Laseranordnung kostengünstig produzieren und weist auch eine geringe Fehleranfälligkeit auf. Zudem ist eine derartige MOPA-Laseranordnung kompakt und robust ausgestaltet.As a result, a corresponding MOPA laser arrangement can be produced inexpensively and also has a low susceptibility to errors. In addition, such a MOPA laser arrangement is made compact and robust.
Der Pumplichtquelle ist eine Strahlaufspaltungsoptik zugeordnet. Vorzugsweise ist diese Strahlaufspaltungsoptik in Ausbreitungsrichtung des Pumplichtstrahls hinter einer Kollimationsoptik angeordnet, sofern eine derartige Kollimationsoptik vorgesehen ist. Die Strahlaufspaltungsoptik ist dazu vorgesehen und eingerichtet, die von der Pumplichtquelle ausgesandte Pumplichtstrahlung in mindestens zwei Teilstrahlen aufzuspalten. Ein erster Teilstrahl dieser mindestens zwei Teilstrahlen dient zum Pumpen des Seedlasers, während ein zweiter Teilstrahl der mindestens zwei Teilstrahlen zum Pumpen des optischen Verstärkers dient. Dabei können auch jeweils mehr als ein Teilstrahl zum Pumpen einer Laserkomponente eingesetzt werden. Die Strahlaufspaltungsoptik kann aus mehreren Spiegeln oder Prismen bestehen, die eine Aufspaltung des Pumplichtstrahls bewirken.The pump light source is associated with a beam splitting optics. Preferably, this beam splitting optical system is arranged in the propagation direction of the pumping light beam behind a collimating optics, provided such a collimating optics is provided. The beam splitting optical system is provided and arranged for splitting the pumped-light radiation emitted by the pumping light source into at least two partial beams. A first partial beam of these at least two partial beams is used for pumping the seed laser, while a second partial beam of the at least two partial beams is used for pumping the optical amplifier. In this case, in each case more than one partial beam can be used for pumping a laser component. The beam splitting optics may consist of a plurality of mirrors or prisms, which cause a splitting of the pumping light beam.
Die erfindungsgemäß beanspruchte MOPA-Laseranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Pumplichtquelle ein Laserdiodenbarren ist und dass die Strahlaufspaltungsoptik mindestens einen verschiebbaren Spiegel oder mindestens ein Prisma aufweist, die derart ausgerichtet werden können, dass die Intensität der mindestens zwei Teilstrahlen frei einstellbar ist. Beispielsweise kann diese Ausrichtung durch eine Verschiebung der Spiegel oder Prismen gegeneinander erfolgen. Dabei sind die Spiegel oder Prismen in einer Reihe hintereinander in der Ausbreitungsrichtung der Pumplichtstrahlung angeordnet. Eine derartige Möglichkeit zur mechanischen Einstellung der Position der Spiegel oder Prismen zueinander ist eine besonders einfache und störunanfällige Variante, um die Intensität der resultierenden Teilstrahlen einzustellen bzw. anzupassen.The MOPA laser device claimed according to the invention is characterized in that the pumping light source is a laser diode bar and that the beam splitting optics has at least one displaceable mirror or at least one prism, which can be aligned such that the intensity of the at least two partial beams is freely adjustable. For example, this alignment can be done by a shift of the mirrors or prisms against each other. In this case, the mirrors or prisms are arranged in a row one behind the other in the propagation direction of the pumped light radiation. Such a possibility for the mechanical adjustment of the position of the mirrors or prisms relative to each other is a particularly simple and störunanfällige variant to adjust or adjust the intensity of the resulting partial beams.
Laserdiodenbarren sind heutzutage verhältnismäßig kostengünstig herstellbar, kompakt ausführbar und weisen eine gute Effizienz im Hinblick auf das Pumpen von Lasern auf. Als Master-Oszillator bzw. als Seedlaser können beispielsweise eine Festkörper-Laseranordnung, ein monolithischer Mikrochiplaser oder ein Faserlaser eingesetzt werden. All diese Varianten lassen sich durch eine von einem Laserdiodenbarren ausgehende Pumplichtstrahlung in vorteilhafter Weise pumpen.Laser diode bars are now relatively inexpensive to produce, compact executable and have a good efficiency with regard to the pumping of lasers. As a master oscillator or as a seed laser, for example, a solid-state laser assembly, a monolithic microchip laser or a fiber laser can be used. All these variants can be pumped in an advantageous manner by a pumping light radiation emanating from a laser diode bar.
Um ein möglichst paralleles Strahlbündel von der Pumplichtquelle auf den Seedlaser und den Leistungsverstärker lenken zu können, ist der Pumplichtquelle vorzugsweise eine Kollimationsoptik zugeordnet. Diese Kollimationsoptik dient der Kollimation der von der Pumplichtquelle ausgesandten Pumplichtstrahlung. Hierbei sind beispielsweise folgende Anordnungen zur Kollimation bekannt: Fast-Axis- und Slow-Axis-Kollimation mittels Mikro-Linsen bzw. GRIN-Linsenarrays (Gradienten-Index-Linsenarrays). Weiterhin können monolithische V-Step-Optiken bzw. Treppenspiegelanordnungen zur Verringerung der Divergenz vor allem der Slow-Axis eingesetzt werden. Für einen Fachmann ist ersichtlich, dass hier auch jede beliebige andere Ausführungsform zur Kollimation, insbesondere der Slow-Axis denkbar ist.In order to be able to direct as parallel a beam from the pump light source to the seed laser and the power amplifier, the pump light source is preferably associated with a collimating optics. This collimating optics serves to collimate the pumped-light radiation emitted by the pumping light source. In this case, for example, the following arrangements for collimation are known: fast-axis and slow-axis collimation by means of micro-lenses or GRIN lens arrays (gradient index lens arrays). Furthermore, monolithic V-step optics or stair mirror arrangements can be used to reduce the divergence, especially the slow axis. It is obvious to a person skilled in the art that any other embodiment for collimation, in particular the slow axis, is also conceivable here.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der MOPA-Laseranordnung weist die Kollimationsoptik eine sogenannte Fast-Axis-Kollimationslinse und ein strahldrehendes Linsenfeld (ein sogenanntes strahldrehendes Linsen-Array) auf. Eine derartige, in der schnellen Achse der Pumplichtstrahlung angeordnete Kollimationslinse weist in Kombination mit einem entsprechenden strahldrehenden Linsenfeld besonders vorteilhafte Eigenschaften auf, um die Effizienz der Pumplichtstrahlung zu erhöhen. Der derart kollimierte Pumplichtstrahl wird dann weiter auf den Seedlaser und den Leistungsverstärker gelenkt, um die entsprechenden Laserelemente zu pumpen.In a particularly advantageous embodiment of the MOPA laser arrangement, the collimating optics has a so-called fast-axis collimating lens and a beam-rotating lens field (a so-called beam-rotating lens array). Such, arranged in the fast axis of the pumping light radiation collimating lens has in combination with a corresponding beam-rotating lens array particularly advantageous properties in order to increase the efficiency of the pumped light radiation. The thus collimated pumping light beam is then further directed to the seed laser and the power amplifier to pump the respective laser elements.
Vorzugsweise ist die Pumplichtquelle dazu geeignet, den Seedlaser und/oder den optischen Leistungsverstärker im bestimmungsgemäßen Betrieb der MOPA-Laseranordnung longitudinal zu pumpen. Diese Eignung kann sich insbesondere durch eine Kombination mit einer entsprechenden Kollimationsoptik und einer entsprechenden Strahlaufspaltungsoptik ergeben. Durch Anordnung der einzelnen optischen Elemente zueinander kann dann ein derartiger Eintritt der Pumplichtstrahlung in den Seedlaser und/oder den optischen Leistungsverstärker erfolgen, dass ein longitudinales Pumpen dieser Elemente ermöglicht wird.Preferably, the pumping light source is adapted to longitudinally pump the seed laser and / or the optical power amplifier during normal operation of the MOPA laser assembly. This suitability can in particular result from a combination with a corresponding collimation optics and a corresponding beam splitting optics. By arranging the individual optical elements with respect to one another, such entry of the pumped-light radiation into the seed laser and / or the optical power amplifier can take place such that a longitudinal pumping of these elements is made possible.
Wenn der erste Teilstrahl der Pumplichtquelle auf den Seedlaser trifft und diesen entsprechend pumpt, resultiert eine Seedlaserstrahlung. Diese wird vorzugsweise durch eine Umlenkeinrichtung, die einen oder mehrere Spiegel und/oder ein oder mehrere Prismen aufweisen kann, derart umgelenkt, dass der Seedlaserstrahl auf den zweiten Teilstrahl der Pumplichtstrahlung geführt wird. Die Kombination aus dem zweiten Teilstrahl der Pumplichtstrahlung und der Seedlaserstrahlung wird dann vorzugsweise in den optischen Leistungsverstärker der MOPA-Laseranordnung gelenkt. Der optische Leistungsverstärker kann auch als Verstärkerstufe bezeichnet werden und ist mindestens einstufig ausgestaltet. Er kann beispielsweise durch einen Festkörperlaserverstärker, einen Faserlaserverstärker oder einen monolithischen Mikrochiplaserverstärker gebildet sein. Denkbar ist dabei sowohl ein einfacher als auch ein doppelter Durchgang des zu verstärkenden Laserstrahls durch den optischen Leistungsverstärker.When the first partial beam of the pumping light source strikes the seed laser and pumps it accordingly, a seed laser radiation results. This is preferably deflected by a deflection device, which may have one or more mirrors and / or one or more prisms, such that the seed laser beam is guided onto the second partial beam of the pumped light radiation. The combination of the second partial beam of the pumped light radiation and The seed laser radiation is then preferably directed into the optical power amplifier of the MOPA laser array. The optical power amplifier can also be referred to as an amplifier stage and is configured at least in one stage. It may for example be formed by a solid state laser amplifier, a fiber laser amplifier or a monolithic microchip laser amplifier. It is conceivable both a simple and a double passage of the laser beam to be amplified by the optical power amplifier.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung der MOPA-Laseranordnung ist im Strahlengang der Seedlaserstrahlung zwischen dem Seedlaser und dem optischen Leistungsverstärker und/oder im Pumplicht-Teilstrahlengang zwischen der Pumplichtquelle und dem optischen Leistungsverstärker mindestens ein Element zur Regelung der optischen Ausgangsleistung der MOPA-Laseranordnung angeordnet. Die optische Ausgangsleistung der MOPA-Laseranordnung ist dabei die optische Leistung, die am Ausgang der gesamten MOPA-Laseranordnung resultiert.In a further alternative embodiment of the MOPA laser arrangement, at least one element for regulating the optical output power of the MOPA laser arrangement is arranged in the beam path of the seed laser radiation between the seed laser and the optical power amplifier and / or in the pump light partial beam path between the pump light source and the optical power amplifier. The optical output power of the MOPA laser array is the optical power that results at the output of the entire MOPA laser array.
Als Elemente zur Regelung der Pumpleistung oder der Leistung des Seedlasers (und damit zur Regelung der optischen Ausgangsleistung der MOPA-Laseranordnung) kommen vorzugsweise optische Elemente, mechanische Elemente oder opto-mechanische Elemente zum Einsatz. Als optische, mechanische bzw. opto-mechanische Elemente zur Regelung der Pumpleistung lassen sich beispielsweise Blenden, Graufilter oder dielektrische Filter einsetzen. Die optische Ausgangleistung lässt sich beispielsweise durch ein (mechanisches oder elektrisches) Kippen eines dielektrischen Filters regeln. Es ist denkbar und vorzugsweise vorgesehen, mehr als ein Element zur Regelung der Pumpleistung des optischen Leistungsverstärkers und/oder der Leistung des Seedlasers anzuordnen.As elements for controlling the pump power or the power of the seed laser (and thus for controlling the optical output power of the MOPA laser arrangement) are preferably optical elements, mechanical elements or opto-mechanical elements are used. As optical, mechanical or opto-mechanical elements for controlling the pump power, for example, diaphragms, gray filters or dielectric filters can be used. The optical output power can be regulated, for example, by a (mechanical or electrical) tilting of a dielectric filter. It is conceivable and preferably provided to arrange more than one element for controlling the pump power of the optical power amplifier and / or the power of the seed laser.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur optischen Leistungsverstärkung einer Laserlichtstrahlung unter Verwendung eines Seedlasers und eines optischen Leistungsverstärkers. Der optische Leistungsverstärker dient wiederum der Verstärkung einer von dem Seedlaser ausgesandten Seedlaserstrahlung. Im Rahmen des Verfahrens wird nur eine einzige Pumplichtquelle verwendet, die beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der MOPA-Laseranordnung sowohl den Seedlaser als auch den optischen Leistungsverstärker mit einer Pumplichtstrahlung versorgt. Außerdem ist der Pumplichtquelle eine Strahlaufspaltungsoptik zugeordnet, die einer Aufspaltung der von der Pumplichtquelle ausgesandten Pumplichtstrahlung in mindestens zwei Teilstrahlen dient, wobei mindestens ein erster der Teilstrahlen zum Pumpen des Seedlasers und mindestens ein zweiter der Teilstrahlen zum Pumpen des optischen Leistungsverstärkers dient.The present invention also relates to a method of optical power amplification of laser light radiation using a seed laser and an optical power amplifier. The optical power amplifier in turn serves to amplify a Seedlaserstrahlung emitted by the seed laser. As part of the process, only a single pumping light source is used, which supplies both the seed laser and the optical power amplifier with a pumped light radiation during the intended use of the MOPA laser arrangement. In addition, the pumping light source is associated with a beam splitting optical system which serves to split the pumped light source emitted pumping light radiation into at least two partial beams, at least a first of the partial beams for pumping the seed laser and at least a second of the partial beams for pumping the optical power amplifier.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Pumplichtquelle ein Laserdiodenbarren ist, dass die Strahlaufspaltungsoptik mindestens zwei verschiebbare Spiegel oder Prismen umfasst, die derart ausgerichtet werden können, dass die Intensität der mindestens zwei Teilstrahlen frei einstellbar ist, und dass die mindestens zwei verschiebbaren Spiegel oder Prismen in einer Reihe hintereinander in der Ausbreitungsrichtung der Pumplichtstrahlung angeordnet sind.The method is characterized in that the pumping light source is a laser diode bar, that the beam splitting optics comprises at least two displaceable mirrors or prisms, which can be aligned such that the intensity of the at least two partial beams is freely adjustable, and that the at least two displaceable mirrors or Prisms are arranged in a row behind one another in the propagation direction of the pumped light radiation.
Bevorzugte Ausführungsvarianten der erläuterten MOPA-Laseranordnung sind in analoger Weise auch auf das beanspruchte Verfahren zur optischen Leistungsverstärkung übertragbar.Preferred embodiments of the described MOPA laser arrangement can also be transferred analogously to the claimed method for optical power amplification.
Bei den vorherigen Erläuterungen wurden stets die Begriffe „ein Seedlaser“ und „ein optischer Leistungsverstärker“ gewählt. Diese Begriffe sind jedoch derart auszulegen, dass auch mehrere Seedlaser und mehrere optische Leistungsverstärker eingesetzt werden können. Dabei ist es sowohl denkbar, einen einzigen Seedlaser mit einem einzigen optischen Leistungsverstärker oder aber mit mehreren optischen Leistungsverstärkern einzusetzen. Ferner ist es denkbar, mehrere Seedlaser mit einer einzigen Verstärkerstufe bzw. mit einem einzigen optischen Leistungsverstärker zu kombinieren als auch mit mehreren optischen Leistungsverstärkern.In the previous explanations, the terms "a seed laser" and "an optical power amplifier" have always been used. However, these terms should be construed to mean that multiple seed lasers and multiple optical power amplifiers can be used. It is both conceivable to use a single seed laser with a single optical power amplifier or with multiple optical power amplifiers. Furthermore, it is conceivable to combine several seed lasers with a single amplifier stage or with a single optical power amplifier as well as with a plurality of optical power amplifiers.
Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung sollen anhand von Ausführungsbeispielen und entsprechenden Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel einer MOPA-Laseranordnung mit einer gemeinsamen Pumplichtquelle und einem einzigen optischen Leistungsverstärker; -
2 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Beispiel einer MOPA-Laseranordnung; -
3 eine Detaildarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Strahlaufspaltungsoptik und -
4 ein Ausführungsbeispiel einer MOPA-Laseranordnung mit zwei Verstärkerstufen.
-
1 an embodiment of a MOPA laser assembly having a common pumping light source and a single optical power amplifier; -
2 a known from the prior art example of a MOPA laser assembly; -
3 a detailed representation of an embodiment of a beam splitting optical system and -
4 an embodiment of a MOPA laser arrangement with two amplifier stages.
Die
Der derart geformte Pumplichtstrahl wird nun auf eine Strahlaufspaltungsoptik
Der Strahlteiler
Aus dem Verstärker
Um Rückwirkungen des Verstärkers
Das Ausführungsbeispiel der
Ein solches aus dem Stand der Technik bekanntes Ausführungsbeispiel ist in der
Im Ausführungsbeispiel der
Die
Wie bereits im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der
Der zweite Umlenkspiegel
Die
Das Ausführungsbeispiel der
Die Seedlaserstrahlung
Aus einer Zusammenschau der Ausführungsbeispiele der
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