DE102016124490A1 - MOPA-Lasersystem mit Rückreflexschutz - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein MOPA-Lasersystem mit wenigstens einem Laseroszillator (MO), der Laserstrahlung bei einer Emissionswellenlänge (λ) erzeugt, und mit einem dem Laseroszillator (MO) in Propagationsrichtung der Laserstrahlung nachgeschalteten optischen Verstärker (PA), der die Laserstrahlung verstärkt und dabei spektral auf eine Nutzbandbreite (Δλ) verbreitert. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes MOPA-Lasersystem bereitzustellen, das für eine hohe Leistung der verstärkten Laserstrahlung ausgelegt ist und das unempfindlich gegenüber Rückreflexen ist. Unvermeidliche Rückreflexe sollen weder die Ausgangsleistung des optischen Verstärkers (PA) beeinflussen, noch zur Zerstörung des Laseroszillators (MO) oder anderer Komponenten des Systems führen. Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, dass zwischen Laseroszillator (MO) und Verstärker (PA) ein optisches Bandpassfilter (BPF) angeordnet ist, das für Laserstrahlung bei der Emissionswellenlänge (λ) transparent ist, wobei diejenigen spektralen Anteile der rücklaufenden, d.h. entgegen der Propagationsrichtung auf das Bandbassfilter (BPF) auftreffenden Laserstrahlung, die hinsichtlich der Wellenlänge außerhalb des Durchlassbereiches (4) liegen, an dem Bandpassfilter (BPF) in Propagationsrichtung reflektiert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Lasersystem mit wenigstens einem Laseroszillator, der Laserstrahlung bei einer Emissionswellenlänge erzeugt, und mit einem dem Laseroszillator in Propagationsrichtung der Laserstrahlung nachgeschalteten optischen Verstärker (PA), der die Laserstrahlung verstärkt und dabei spektral auf eine Nutzbandbreite verbreitert.
  • Die Erfindung ist auf dem Gebiet der Erzeugung von Laserstrahlung hoher Leistung angesiedelt. Ein Laseroszillator (auch als „Master Oscillator“ bezeichnet) erzeugt Laserstrahlung vergleichsweise geringer Leistung bei einer Emissionswellenlänge. Die erzeugte Laserstrahlung wird einem optischen Verstärker (auch als „Power Amplifier“ bezeichnet) zugeführt, der die Leistung der Laserstrahlung um ein Vielfaches erhöht. Das gesamte System wird auch als MOPA-System (Kombination aus „Master Oscillator“ und „Power Amplifier“) bezeichnet. Die optische Verstärkung findet mittels eines optisch gepumpten Verstärkungsmediums statt. In der Praxis werden häufig Faserverstärker verwendet, bei denen die von dem Laseroszillator erzeugte Laserstrahlung durch eine optische Faser propagiert, deren Kern mit Seltenerdionen dotiert ist. Diese Verstärkerfaser wird mittels einer geeigneten Pumplichtquelle, deren Licht ebenfalls in die Verstärkerfaser eingekoppelt wird, optisch gepumpt. Als Verstärkerfasern kommen häufig so genannte Doppelkern- oder Doppelmantelfasern zum Einsatz. Mit derartigen MOPA-Systemen ist auf einfache Weise eine Verstärkung der Laserstrahlung um einen Faktor (Verhältnis Ausgangs- zu Eingangsleistung) im Bereich von 2 bis 10000 und darüber hinaus möglich.
  • Eine wichtige Anwendung derartiger MOPA-Lasersysteme ist die laserbasierte Materialbearbeitung, z.B. von Metallen. Bei dieser Anwendung besteht das Problem, dass ein Teil der auf das zu bearbeitende Werkstück auftreffenden Laserstrahlung in den optischen Verstärker zurück reflektiert wird. Derartige Rückreflexe sind unvermeidlich, da die Laserstrahlung zur Bearbeitung der Oberfläche auf das reflektierende metallische Werkstück fokussiert werden muss. Die Rückreflexe werden im optischen Verstärker rückwärtig verstärkt und entziehen dabei dem Verstärkermedium Energie, sodass die Ausgangsleistung in Vorwärtsrichtung abnimmt. Außerdem kann es durch die rückreflektierte, verstärkte Strahlung zu Beschädigungen des für derartig hohe Leistungen nicht ausgelegten Laseroszillators oder anderer Komponenten des Lasersystems kommen.
  • Es besteht somit Bedarf nach hochverstärkenden MOPA-Lasersystemen, die unempfindlich gegenüber Rückreflexen sind.
  • Aus dem Stand der Technik (siehe z.B. US 7,715,664 B1 ) ist es bekannt, für hohe Leistungen ausgelegte optische Isolatoren als Schutz vor Rückreflexen in optischen Systemen einzusetzen. Optische Isolatoren basieren auf der Drehung der Polarisation in einem von einem magnetischen Feld durchsetzten, geeigneten Medium (Faraday-Effekt), wobei die Polarisationsdrehung in und entgegen der Propagationsrichtung der Laserstrahlung in dem Medium des optischen Isolators in dieselbe Richtung erfolgt. Der optische Isolator kann so ausgelegt werden, dass die entgegen der Propagationsrichtung laufende Laserstrahlung gegenüber der in Propagationsrichtung laufenden Laserstrahlung um 90° in der Polarisation gedreht wird. Mittels eines Polarisationsstrahlteilers kann dann der Rückreflex aus dem Strahlverlauf entfernt werden, sodass die rückreflektierte Laserstrahlung nicht in den optischen Verstärker bzw. den davor angeordneten Laseroszillator gelangen kann. Ein Nachteil des Einsatzes eines optischen Isolators als Rückreflexschutz ist, dass aufgrund des Funktionsprinzips nur mit polarisierter Strahlung gearbeitet werden kann. Sowohl in den notwendigen Polarisatoren als auch in dem Medium des optischen Isolators treten thermische Effekte (thermische Linsen) bei der hohen Leistung der Laserstrahlung auf, worunter die Strahlqualität leidet. Ein weiterer Nachteil ist, dass optische Isolatoren heute nur bis zu einer mittleren Leistung der Laserstrahlung im Bereich von 100 W verfügbar sind. Zwar gibt es Entwicklungen, die auf höhere Leistungen bis in den Kilowattbereich abzielen. Allerdings sind entsprechende optische Isolatoren sehr aufwendig und teuer.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes MOPA-Lasersystem bereitzustellen, das für eine hohe Leistung der verstärkten Laserstrahlung ausgelegt ist und das unempfindlich gegenüber Rückreflexen ist. Unvermeidliche Rückreflexe sollen weder die Ausgangsleistung des optischen Verstärkers beeinflussen, noch zur Zerstörung des Laseroszillators oder anderer Komponenten des Systems führen.
  • Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem Lasersystem der eingangs angegebenen Art dadurch, dass zwischen Laseroszillator und Verstärker ein optisches Bandpassfilter angeordnet ist, das für Laserstrahlung bei der Emissionswellenlänge transparent ist, wobei der spektrale Durchlassbereich des Bandpassfilters kleiner ist als die Nutzbandbreite, wobei diejenigen spektralen Anteile der rücklaufenden, d.h. entgegen der Propagationsrichtung auf das Bandbassfilter auftreffenden Laserstrahlung, die hinsichtlich der Wellenlänge außerhalb des Durchlassbereiches liegen, an dem Bandpassfilter in Propagationsrichtung reflektiert werden.
  • Wesentliches Element des erfindungsgemäßen Lasersystems ist das optische Bandpassfilter. Die Erfindung nutzt aus, dass die Laserstrahlung während der Verstärkung eine spektrale Verbreiterung erfährt. Die Ursache hierfür sind in dem Medium des optischen Verstärkers auftretende nichtlineare Effekte, wie der Kerr-Effekt. Die spektrale Verbreiterung findet im Medium des optischen Verstärkers sowie auch in weiteren zum System gehörigen Komponenten (z.B. in einer Transportfaser, die den Laseroszillator mit dem Verstärkungsmedium verbindet) statt, wo der Kerr-Effekt zum Tragen kommt. Durch die spektrale Verbreiterung wird die Effizienz der Verstärkung nicht beeinflusst. Kommt es zu einem Rückreflex, so hat die entgegen der Propagationsrichtung durch den optischen Verstärker laufende Laserstrahlung eine gegenüber der von dem Laseroszillator erzeugten Laserstrahlung (deutlich) größere Nutzbandbreite. Die rückreflektierte Laserstrahlung wird in dem optischen Verstärker verstärkt und spektral verbreitert (ggf. sogar über die Nutzbandbreite hinaus), trifft dann auf das erfindungsgemäß vorgesehene optische Bandpassfilter auf, wobei diejenigen Anteile der rückreflektierten, verstärkten Laserstrahlung, die außerhalb des spektralen Durchlassbereiches des Bandpassfilters liegen, an dem Bandpassfilter reflektiert werden, wonach diese Strahlungsanteile wieder, diesmal in Propagationsrichtung, den optischen Verstärker durchlaufen. Dabei erfährt die Laserstrahlung erneut eine Verstärkung und ist nach Durchlaufen des optischen Verstärkers als Nutzstrahlung verfügbar.
  • Das Funktionsprinzip der Erfindung sorgt dafür, dass unvermeidliche Rückreflexe die Ausgangsleistung des optischen Verstärkers nicht signifikant beeinträchtigen. Der Großteil der rückreflektierten, verstärkten Laserstrahlung wird an dem optischen Bandpassfilter reflektiert und verlässt nach erneutem Durchlaufen des optischen Verstärkers das System, ohne Schaden anzurichten.
  • Zwar hat die rückreflektierte Laserstrahlung auch spektrale Komponenten im Durchlassbereich des Bandpassfilters. Diese Anteile können das Bandpassfilter entgegen der Propagationsrichtung passieren und in den Laseroszillator gelangen. Allerdings ist der relative Anteil der rückreflektierten, verstärkten Laserstrahlung, die das Bandpassfilter passieren kann, im Hinblick auf die relevante Leistung vergleichsweise klein. Das Verhältnis ergibt sich aus dem Faktor der spektralen Verbreiterung der Laserstrahlung in dem optischen Verstärker. Das System sollte so ausgelegt sein, dass die Leistung der das Bandpassfilter in Richtung entgegen der Propagationsrichtung passierenden Laserstrahlung ausreichend gering ist, so dass keine Beschädigungen auftreten. Die das Bandpassfilter in Richtung entgegen der Propagationsrichtung passierende Laserstrahlung gelangt in den Resonator des Laseroszillators, wird an dessen rückseitigem Reflektor reflektiert und verlässt den Laseroszillator danach wiederum in Propagationsrichtung, um im Verstärker verstärkt zu werden und zur Nutzstrahlung beizutragen. Soll dies vermieden werden, kann zwischen Laseroszillator und Bandpassfilter ein optischer Isolator herkömmlicher Art vorgesehen sein, durch den die das Bandpassfilter entgegen der Propagationsrichtung passierende Laserstrahlung abgeblockt wird. Ein für geringe Leistung ausgelegter optischer Isolator ist dabei ausreichend.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lasersystems ist die spektrale Breite des Durchlassbereiches des Bandpassfilters im Wesentlichen gleich der spektralen Bandbreite der von dem Laseroszillator erzeugten Laserstrahlung. Dadurch wird erreicht, dass das gesamte Spektrum der von dem Laseroszillator erzeugten Laserstrahlung das Bandpassfilter in Richtung Verstärker passieren kann. Dadurch wird eine maximale Effizienz erzielt. Gleichzeitig sollte der Durchlassbereich in dem Sinne optimal an das Spektrum der von dem Laseroszillator emittierten Laserstrahlung angepasst sein, dass außerhalb der Emissionsbandbreite des Laseroszillators keine oder nur möglichst wenig Laserstrahlung das Bandpassfilter passieren kann. Dadurch wird der Anteil der rückreflektierten, verstärkten Laserstrahlung, die das Bandpassfilter in Richtung des Laseroszillators passieren kann, minimiert. Idealerweise sollte die spektrale Breite des Durchlassbereiches des Bandpassfilters nicht größer sein als das Doppelte der Emissionsbandbreite des Laseroszillators.
  • Die Nutzbandbreite kann bei dem erfindungsgemäßen Lasersystem wenigstens doppelt so groß, vorzugsweise wenigstens fünfmal so groß, besonders bevorzugt wenigstens zehnmal so groß sein wie die spektrale Bandbreite der von dem Laseroszillator erzeugten Laserstrahlung. Die Erfindung nutzt, wie oben erläutert, die spektrale Verbreiterung in dem optischen Verstärker aus. Die Effizienz des Bandpassfilters bei der Unterdrückung der in den Laseroszillator gelangenden rückreflektierten, verstärkten Laserstrahlung hängt von dem Verhältnis der Nutzbandbreite zur Emissionsbandbreite des Laseroszillators ab, indem der Durchlassbereich des Bandbassfilters im Wesentlichen gleich der Emissionsbandbreite des Laseroszillators gewählt wird. Tatsächlich kann die Unterdrückungseffizienz in der Praxis sogar noch besser sein, da die rückreflektierte Laserstrahlung beim Durchgang durch den optischen Verstärker nochmals spektral verbreitert wird, so dass die auf das Bandpassfilter auftreffende rückreflektierte, verstärkte Laserstrahlung eine Bandbreite aufweisen kann, die sogar größer ist als die Nutzbandbreite. Je größer die spektrale Verbreiterung ist, umso effizienter ist der Rückreflexschutz. Die spektrale Bandbreite der von dem Laseroszillator erzeugten Laserstrahlung beträgt bevorzugt weniger als 0,01 nm bis zu 1 nm, wobei die Nutzbandbreite wenigstens 3 nm, vorzugsweise wenigstens 10 nm beträgt. Bei einer in der Praxis realistischen Nutzbandbreite von 10 nm und einer Emissionsbandbreite des Laseroszillators von 0,1 nm beträgt die durch das Bandpassfilter erfindungsgemäß erzielte Isolation gegenüber Rückreflexen 20 dB. Wesentlicher noch ist, dass mehr als 99 % der verstärkten Rückreflexe an dem Bandpassfilter in Propagationsrichtung reflektiert, im optischen Verstärker verstärkt und danach, bei Einsatz des erfindungsgemäßen Lasersystems zu Materialbearbeitung, wieder auf das zu bearbeitende Werkstück gelangen, wobei dadurch die Ausgangsleistung des Systems stabil gehalten wird.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass das findungsgemäßen Lasersystem nicht nur einen optischen Verstärker, sondern ohne weiteres auch zwei oder mehr in Serie geschaltete optische Verstärker aufweisen kann, wie dies bei bekannten MOPA-Lasersystemen durchaus üblich ist. Das optische Bandpassfilter kann gleichermaßen zwischen Laseroszillator und erstem optischen Verstärker wie auch zwischen zwei der in Serie geschalteten optischen Verstärker angeordnet sein. An dem Funktionsprinzip ändert sich dadurch nichts. Soweit das Bandpassfilter in Propagationsrichtung vor einem der optischen Verstärker angeordnet ist, ist es im Sinne der Erfindung zwischen Laseroszillator und Verstärker angeordnet.
  • Bei einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lasersystems sind zwei oder mehr Laseroszillatoren vorgesehen, die Laserstrahlung bei jeweils einer anderen Emissionswellenlänge erzeugen, wobei das Bandpassfilter zwei oder mehr Durchlassbereiche aufweist, deren spektrale Lagen und Breiten an die Emissionsspektren der Laseroszillatoren angepasst sind, wobei in Propagationsrichtung vor dem Verstärker ein Kombinationselement vorgesehen ist, dass die Laserstrahlung der zwei oder mehr Laseroszillatoren zu einem Laserstrahl kombiniert. Bei dieser Ausgestaltung sind zwei oder mehr (optional phasenmodulierte) Laseroszillatoren vorgesehen, die Laserstrahlung bei jeweils einer anderen Emissionswellenlänge emittieren. Die Strahlung der zwei oder mehr Laseroszillatoren wird zu einem Laserstrahl kombiniert, bevor die Laserstrahlung dann optisch verstärkt wird. Eine besonders effiziente spektrale Verbreiterung kann bei dieser Ausgestaltung durch Vierwellenmischung (nichtlinearer Kerr-Effekt) im optischen Verstärker erzielt werden, so dass das erfindungsgemäße Isolationskonzept besonders gut zum Tragen kommen kann. Allerdings muss bei dieser Ausgestaltung das Bandpassfilter entsprechend der Zahl der Emissionswellenlängen zwei oder mehr daran angepasste Durchlassbereiche aufweisen.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Laseroszillator an eine optische Faser gekoppelt und der Verstärker ist ein Faserverstärker, wobei das Bandpassfilter in die Faserstrecke zwischen dem Ausgang des Laseroszillators und dem Eingang des Verstärkers eingebunden ist. Dadurch kann das erfindungsgemäße MOPA-Lasersystem vollständig faserbasiert realisiert werden.
  • Das Bandpassfilter kann sehr einfach durch zwei oder mehr in Propagationsrichtung hintereinander angeordnete Interferenzfilter, insbesondere Faser-Bragg-Gitter gebildet sein. Dabei liegen dann die Bragg-Wellenlängen, bei denen das Faser-Bragg-Gitter transparent ist, außerhalb der Emissionswellenlänge des Laseroszillators und innerhalb der Nutzbandbreite. Bevorzugt liegen die Bragg-Wellenlängen jeweils ober- und unterhalb der Emissionswellenlänge des Laseroszillators. Die Bandbreite der Faser-Bragg-Gitter sind dann so abgestimmt, dass die Anordnung erfindungsgemäß bei der Emissionswellenlänge transparent ist, wobei der Durchlassbereich an die spektrale Bandbreite der Emission des Laseroszillators möglichst optimal angepasst ist. Außerhalb des Durchlassbereiches, d. h. sowohl unter- als auch oberhalb der Emissionswellenlänge, wird die Laserstrahlung an der Anordnung aus Faser-Bragg-Gittern reflektiert. In entsprechender Weise kann das Bandpassfilter, zum Beispiel für eine Freistrahl-Realisierung, als dielektrisches Mehrschichtfilter realisiert sein.
  • Bei einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lasersystems ist der optische Verstärker leistungsmoduliert. Mit Vorteil ist das erfindungsgemäße Konzept zur Rückreflexisolation kompatibel mit einer Modulation des Leistungsverstärkers, die bei der Anwendung zur Materialbearbeitung erforderlich ist. Die Modulation kann zum Beispiel durch Modulation der dem Medium des optischen Verstärkers zugeführten Pumpstrahlung erfolgen.
  • Die Vorteile der Erfindung können wie folgt zusammengefasst werden: das Lasersystem ermöglicht die Erzeugung von Laserstrahlung hoher Leistung auf Basis des gängigen und bewährten MOPA-Konzeptes. Bei der Materialbearbeitung unvermeidliche Rückreflexe beeinflussen die Ausgangsleistung nicht. Die Zerstörung des Laseroszillators oder anderer optischer Komponenten des Lasersystems durch Rückreflexe wird unterbunden. Die Ausgangsleistung des Lasersystems kann moduliert werden. Der durch das Bandpassfilter erfindungsgemäß erzielte Rückreflexschutz kann einfach und kostengünstig realisiert werden, zum Beispiel durch Faser-Bragg-Gitter. Der Rückreflexschutz wird vollständig durch passive Komponenten erzielt, d. h. eine aufwändige und teure Überwachungselektronik und -sensorik wird nicht benötigt.
  • Die Erfindung wird im Folgenden näher anhand der Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
    • 1 MOPA-Lasersystems zur Materialbearbeitung nach dem Stand der Technik;
    • 2 erfindungsgemäßes Lasersystem in einer ersten Ausführungsform;
    • 3 Illustration der spektralen Eigenschaften des erfindungsgemäßen optischen Bandpassfilters;
    • 4 erfindungsgemäßes Lasersystem in einer zweiten Ausführungsform.
  • Die 1 zeigt ein MOPA-Lasersystem nach dem Stand der Technik schematisch als Blockdiagramm. Das System umfasst einen Laseroszillator MO, der Laserstrahlung bei einer Emissionswellenlänge erzeugt. Die erzeugte Laserstrahlung wird einem optischen Verstärker PA zugeführt, bei dem es sich zum Beispiel um einen optisch gepumpten, mit Seltenerdionen dotierten Faserverstärker handelt. Der optische Verstärker PA verstärkt die Laserstrahlung. Gleichzeitig kommt es im optischen Verstärker PA zu einer nichtlinearen spektralen Verbreiterung der Laserstrahlung auf eine Nutzbandbreite, die typischerweise deutlich größer ist als die Emissionsbandbreite des Laseroszillators. Die verstärkte Laserstrahlung läuft in Propagationsrichtung (in 1 durch die nach rechts weisenden hellen Pfeile angedeutet) durch eine Übertragungsoptik („Beam Delivery Optics“) BDO, bis sie auf das zu bearbeitende Werkstück OBJ gelangt. Bei der Übertragungsoptik BDO kann es sich zum Beispiel um eine optische Transportfaser handeln. Diese kann hinsichtlich Dispersion an die übrigen Komponenten des Lasersystems angepasst sein, um beispielsweise bei der Übertragung von Laserpulsen eine optimale Pulsqualität auf dem Werkstück OBJ zu erzielen. An dem Werkstück OBJ wird während der Bearbeitung ein Teil der auftreffenden Laserstrahlung reflektiert. Dies ist in der 1 durch die dunklen, nach links weisenden Pfeile angedeutet. Diese rückreflektierte Laserstrahlung durchläuft das System entgegen der Propagationsrichtung. Zunächst durchläuft die rückreflektierte Laserstrahlung die Übertragungsoptik BDO und danach den optischen Verstärker PA. Im optischen Verstärker PA wird die rückreflektierte Laserstrahlung verstärkt. Die verstärkte rückreflektierte Laserstrahlung gelangt danach in den Laseroszillator MO. Durch die Verstärkung der rückreflektierten Laserstrahlung im optischen Verstärker PA kommt es zu Schwankungen der Ausgangsleistung des Lasersystems, da durch die Verstärkung der rückreflektierten Laserstrahlung dem Medium des optischen Verstärkers PA Energie entzogen wird. Die in den Laseroszillator MO gelangende verstärkte rückreflektierte Laserstrahlung kann dort zu Schäden führen, da die optischen Komponenten des Laseroszillators MO sowie weitere optische Komponenten, die vor dem optischen Verstärker PA angeordnet sind, nicht für hohe Leistungen ausgelegt sind.
  • Die 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes MOPA-Lasersystem. Bei diesem ist der Laseroszillator MO als Faseroszillator ausgebildet. Dieser umfasst eine optische Faser als Lasermedium. Den Laserresonator bilden ein rückseitiges hoch reflektierendes Gitter HR und ein frontseitiges gering reflektierendes Gitter LR. Die von dem Laseroszillator MO bei der Emissionswellenlänge erzeugte Laserstrahlung gelangt über eine Faserstrecke zu einem faserintegrierten Bandpassfilter BPF. Das Bandpassfilter BPF ist für die Laserstrahlung bei der Emissionswellenlänge sowohl in als auch entgegen der Propagationsrichtung transparent, wobei der spektrale Durchlassbereich des Bandpassfilters kleiner ist als die Nutzbandbreite, auf die die Laserstrahlung im nachfolgenden optischen Verstärker PA gegenüber der Emissionsbandbreite des Laseroszillators MO verbreitert wird. Rückreflektierte Laserstrahlung, d. h. in 2 vom Werkstück OBJ aus kommend nach links durch die Übertragungsoptik BDO und den Faserverstärker PA propagierende Laserstrahlung außerhalb des Durchlassbereiches des Bandpassfilters wird an dem Bandpassfilter reflektiert und läuft danach wieder in Propagationsrichtung (in 2 nach rechts) durch den optischen Verstärker PA, wird in diesem verstärkt und gelangt danach durch die Übertragungsoptik BDO wieder zum Werkstück OBJ. Auf diese Weise bewirkt das Bandpassfilter BPF eine Isolation gegenüber Rückreflexen. Rückreflexe gelangen nur in dem gegenüber der Nutzbandbreite schmalen Durchlassbereich des Bandpassfilters zurück in den Laseroszillator MO. Die Leistung dieses kleinen Anteils der insgesamt rückreflektierten Laserstrahlung ist entsprechend gering, sodass keine Schäden im Laseroszillator MO auftreten. Die im Bereich der Emissionswellenlänge das Bandpassfilter BPF in Rückrichtung durchlaufende Laserstrahlung wird an dem rückwärtigen Reflektor HR des Laserresonators des Laseroszillators MO reflektiert und durchläuft danach ebenfalls das Lasersystem wiederum in Propagationsrichtung. Optional kann zwischen Laseroszillator MO und BPF ein für entsprechend kleine Leistungen ausgelegter optischer Isolator bekannter Bauart (nicht dargestellt) angeordnet sein, falls es erforderlich sein sollte, den Laseroszillator möglichst vollständig gegenüber rückreflektierter Strahlung zu schützen.
  • Die 3 illustriert das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Bandpassfilters BPF. Das Diagramm zeigt die Emissionslinie 1 des Laseroszillators MO bei der Wellenlänge λ0. Mit der Bezugsziffer 2 ist das Spektrum der im optischen Verstärker PA verstärkten und auf die Nutzbandbreite Δλ spektral verbreiterten Laserstrahlung bezeichnet. Die Bezugsziffer 3 bezeichnet das Reflexionsspektrum des Bandpassfilters BPF. Zu erkennen ist, dass das Bandpassfilter BPF einen an die Emissionslinie 1 des Laseroszillators MO angepassten Durchlassbereich 4 aufweist. Außerhalb des Durchlassbereiches 4 wird die Laserstrahlung an dem Bandpassfilter BPF reflektiert. Anhand der Überlappung des Spektrums 2, das dem Spektrum der rückreflektierten Laserstrahlung entspricht, mit dem Reflexionsspektrum 3 wird deutlich, dass der Großteil der rückreflektierten Laserstrahlung an dem Bandpassfilter BPF reflektiert wird und somit nicht zum Laseroszillator MO gelangen kann.
  • Die 3 zeigt die spektralen Eigenschaften der Strahlung und des Bandpassfilters schematisch. Es ist darauf hinzuweisen, dass die spektralen Eigenschaften des Bandpassfilters BPF in Anpassung an die auftretenden Spektren der Laserstrahlung auch asymmetrisch sein können, zum Beispiel wenn der nichtlineare spektrale Verbreiterungsmechanismus des optischen Verstärkers PA asymmetrisch zur Emissionswellenlänge λ0 ist (z.B. bei Raman-Prozessen). Das Bandpassfilter sollte in jedem Fall so gut wie möglich an die Bandbreite und spektrale Position der rückreflektierten Laserstrahlung angepasst sein, soweit sich diese vom Spektrum der Laserstrahlung des Laseroszillators unterscheiden.
  • Als Laseroszillator MO kann, wie in 2 illustriert, ein Faserlaser zum Einsatz kommen. In Frage kommt im Prinzip aber jeder CW- oder gepulste Laser oder auch eine Leuchtdiode (LED) geringer Bandbreite. Der Laseroszillator kann amplituden- und/oder phasenmoduliert sein. Der Masteroszillator MO kann auch eine ASE-Quelle sein, die aus spontaner Emission hervorgehende elektromagnetische Strahlung verstärkt und gegebenenfalls spektral beschneidet.
  • Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Laseroszillatoren MO1, MO2 vorgesehen, die Laserstrahlung bei jeweils einer anderen Emissionswellenlänge erzeugen. Der Laseroszillator MO1 hat die Emissionswellenlänge λ1, der Laseroszillator MO2 hat die Emissionswellenlänge λ2. Die Laserstrahlung der beiden Laseroszillatoren MO1, MO2 wird mittels eines Kombinationselementes WDM zu einem einzigen Laserstrahl kombiniert, der danach, wie in 2, durch eine optische Faser zu dem erfindungsgemäßen Bandpassfilter BPF propagiert.
  • Die 4 zeigt unten schematisch das Reflexionsspektrum des Bandpassfilters BPF bei diesem Ausführungsbeispiel. Zu erkennen ist, dass das Bandpassfilter BPF bei den Emissionswellenlängen λ1, λ2 zwei schmale Durchlassbereiche 4 aufweist. In den übrigen Bereichen 3 wird die Laserstrahlung an dem Bandpassfilter BPF reflektiert. Die Emission bei zwei verschiedenen Wellenlängen λ1, λ2 kann ausgenutzt werden, um im optischen Verstärker PA über Vierwellenmischung besonders effizient die Bandbreite der Laserstrahlung auf die Nutzbandbreite zu verbreitern. Die beiden Laseroszillatoren MO1, MO2 können bevorzugt phasenmoduliert sein, um weitere unerwünschte Effekte, wie zum Beispiel stimulierte Brillouin-Streuung zu unterdrücken. Geeignete schmalbandige Quellen als Laseroszillatoren MO1, MO2 können als Diodenlaser mit externem Resonator (ECDL) oder als spektral beschnittene ASE-Quellen einfach realisiert werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7715664 B1 [0005]

Claims (9)

  1. Lasersystem mit wenigstens einem Laseroszillator (MO), der Laserstrahlung bei einer Emissionswellenlänge (λ0) erzeugt, und mit wenigstens einem dem Laseroszillator (MO) in Propagationsrichtung der Laserstrahlung nachgeschalteten optischen Verstärker (PA), der die Laserstrahlung verstärkt und dabei spektral auf eine Nutzbandbreite (Δλ) verbreitert, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Laseroszillator (MO) und Verstärker (PA) ein optisches Bandpassfilter (BPF) angeordnet ist, das für Laserstrahlung bei der Emissionswellenlänge (λ0) transparent ist, wobei der spektrale Durchlassbereich (4) des Bandpassfilters kleiner ist als die Nutzbandbreite (Δλ), wobei diejenigen spektralen Anteile der rücklaufenden, d.h. entgegen der Propagationsrichtung auf das Bandbassfilter (BPF) auftreffenden Laserstrahlung, die hinsichtlich der Wellenlänge außerhalb des Durchlassbereiches (4) liegen, an dem Bandpassfilter (BPF) in Propagationsrichtung reflektiert werden.
  2. Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlassbereich des Bandbassfilters (BPF) im Wesentlichen gleich der spektralen Bandbreite der von dem Laseroszillator (MO) erzeugten Laserstrahlung ist.
  3. Lasersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzbandbreite (Δλ) wenigstens doppelt so groß, vorzugsweise wenigstens fünfmal so groß, besonders bevorzugt wenigstens zehnmal so groß ist wie die spektrale Bandbreite der von dem Laseroszillator (MO) erzeugten Laserstrahlung.
  4. Lasersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Bandbreite der von dem Laseroszillator (MO) erzeugten Laserstrahlung weniger als 0,01 nm bis zu 1 nm beträgt, wobei die Nutzbandbreite (Δλ) wenigstens 3 nm, vorzugsweise wenigstens 10 nm beträgt.
  5. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Laseroszillatoren (MO1, MO2) vorgesehen sind, die Laserstrahlung bei jeweils einer anderen Emissionswellenlänge (λ1, λ2) erzeugen, wobei das Bandpassfilter (BPF) zwei oder mehr Durchlassbereiche (4) aufweist, deren spektrale Lagen und Breiten an die Emissionsspektren der Laseroszillatoren (MO1, MO2) angepasst sind, wobei in Propagationsrichtung vor dem Verstärker (PA) ein Kombinationselement (WDM) vorgesehen ist, das die Laserstrahlung der zwei oder mehr Laseroszillatoren (MO1, MO2) zu einem Laserstrahl kombiniert.
  6. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laseroszillator (MO) an eine optische Faser gekoppelt ist und der Verstärker (PA) ein Faserverstärker ist, wobei das Bandpassfilter (BPF) in die Faserstrecke zwischen dem Ausgang des Laseroszillators (MO) und dem Eingang des Verstärkers (PA) eingebunden ist.
  7. Lasersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandpassfilter (BPF) durch zwei oder mehr in Propagationsrichtung hintereinander angeordnete Faser-Bragg-Gitter gebildet ist, deren Bragg-Wellenlängen außerhalb der Emissionswellenlänge (λ0) des Laseroszillators (MO) und innerhalb der Nutzbandbreite (Δλ) liegen.
  8. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandpassfilter (BPF) ein dielektrisches Mehrschichtfilter ist.
  9. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (PA) leistungsmoduliert ist.
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