DE102020127432A1 - Pulsed or continuous wave fiber laser or amplifier with specially doped active fiber - Google Patents
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Abstract
Ein gepulster oder kontinuierlicher Faserlaser oder Faserverstärker weist eine aktive Faser mit einem Faserkern und einem Fasermantel sowie einem dotierten Bereich mit einer aktiven Dotierung auf, die der Verstärkung eines durch die Faser propagierenden Laserpulses dient. Die transversale Verteilung der Dotierungskonzentration dieser Dotierung ist so gewählt, dass ein geometrischer Überlapp zwischen dem dotierten Bereich und einem zu verstärkenden Intensitätsprofil der Laserstrahlung Γ < 0,8 beträgt und ein radialer Schwerpunkt Rρder transversalen Verteilung der Dotierungskonzentration der aktiven Dotierung in einem Bereich einer Intensität I der Laserstrahlung mit I(Rp) < 0,8 liegt. Mit dieser aktiven Faser lässt sich bspw. mit Laserpulsen eine höhere Pulsenergie extrahieren als mit aktiven Fasern mit einer vollständigen gleichmäßigen Dotierung des Kerns.A pulsed or continuous wave fiber laser or fiber amplifier has an active fiber with a fiber core and a fiber cladding as well as a doped region with an active doping, which serves to amplify a laser pulse propagating through the fiber. The transversal distribution of the doping concentration of this doping is chosen so that a geometric overlap between the doped area and an intensity profile of the laser radiation to be amplified is Γ < 0.8 and a radial center of gravity Rρ of the transversal distribution of the doping concentration of the active doping is in an area of intensity I of the laser radiation with I(Rp) < 0.8. With this active fiber, for example, a higher pulse energy can be extracted with laser pulses than with active fibers with a completely uniform doping of the core.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical field of application
Die vorliegende Erfindung betrifft einen gepulsten oder kontinuierlichen Faserlaser oder -verstärker mit einer aktiven (Lichtleit-)Faser, die einen Faserkern und einen Fasermantel sowie einen oder mehrere dotierte Bereiche mit einer aktiven Dotierung aufweist, die eine Verstärkung einer durch die Faser propagierenden Laserstrahlung ermöglicht.The present invention relates to a pulsed or continuous wave fiber laser or amplifier with an active (optical) fiber that has a fiber core and a fiber cladding and one or more doped regions with an active doping that enables amplification of a laser radiation propagating through the fiber.
Für Anwendungen im Bereich der optischen Datenübertragung über optische Fasernetze, beispielsweise in der kohärenten Datenkommunikation mit Lasern, im Bereich optische Gegenmaßnahmen sowie im Bereich Laserwaffen und auch zur Materialbearbeitung mit Lasern hoher Pulsenergien im Bereich von einigen 100 µJ bis einigen mJ sind optische Strahlquellen guter Strahlqualität erforderlich. Insbesondere zur Erzeugung von Laserstrahlung mit Pulsen hoher Repetitionsrate eignen sich besonders Faserlaser. Diese sind jedoch durch parasitäres Lasing oder ASE (Amplified Spontaneous Emission) in ihrer maximal erzeugbaren Pulsenergie limitiert. Eine Nutzung anderer Festkörperlasertypen ist für die obigen Anwendungen zwar möglich, allerdings nur mit einer relativ geringen Repetitionsrate und mittleren Leistung.Optical beam sources of good beam quality are required for applications in the field of optical data transmission via optical fiber networks, for example in coherent data communication with lasers, in the field of optical countermeasures and in the field of laser weapons and also for material processing with lasers with high pulse energies in the range from a few 100 µJ to a few mJ . Fiber lasers are particularly suitable for generating laser radiation with pulses of high repetition rate. However, the maximum pulse energy that can be generated is limited by parasitic lasing or ASE (Amplified Spontaneous Emission). It is possible to use other types of solid-state lasers for the above applications, but only with a relatively low repetition rate and average power.
Für Anwendungen im Bereich der Laserwaffen und auch zur Materialbearbeitung mit Lasern sind auch hohe Laserleistungen im Bereich von einigen kW bis einigen 10 kW guter Strahlqualität erforderlich. Eine Nutzung anderer Festkörperlasertypen ist für diese obigen Anwendungen zwar möglich, allerdings nur mit einer relativ komplexen Architektur und signifikantem Aufwand im Abwärmemanagement. Faserlaser bieten hier große Vorteile durch die Wellenleitung und die große Wärmeaustausch-Mantelfläche bei geringer zu überbrückender Kühlstrecke zwischen aktivem Kern und gekühltem Mantel.For applications in the field of laser weapons and also for material processing with lasers, high laser powers in the range from a few kW to a few 10 kW of good beam quality are required. It is possible to use other types of solid-state lasers for the above applications, but only with a relatively complex architecture and significant effort in waste heat management. Fiber lasers offer great advantages here due to the wave conduction and the large heat exchange jacket surface with a small cooling distance to be bridged between the active core and the cooled jacket.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die mit einem gepulsten Faserlaser oder Faserverstärker erzeugbare Pulsenergie oder die in einem kontinuierlich betriebenen Faserlaser oder Faserverstärker erreichbare Leistung zu erhöhen.The object of the present invention is to increase the pulse energy that can be generated with a pulsed fiber laser or fiber amplifier or the power that can be achieved in a continuously operated fiber laser or fiber amplifier.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Diese Aufgabe wird mit dem gepulsten Faserlaser oder -verstärker gemäß Patentanspruch 1 und dem kontinuierlichen Faserlaser oder -verstärker gemäß Patentanspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Faserlaser oder Faserverstärker sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.This object is achieved with the pulsed fiber laser or amplifier according to
Die vorgeschlagenen Faserlaser oder Faserverstärker weisen eine aktive Faser mit einem Faserkern und einem Fasermantel sowie einem oder mehreren dotierten Bereichen mit einer aktiven Dotierung auf, die der Verstärkung einer durch die Faser propagierenden Laserstrahlung dient. Im Falle des kontinuierlichen (cw) Faserlasers oder -verstärkers weist die Faser einen hohlen Faserkern auf, in dem bezogen auf das transversale Intensitätsprofil der in der Faser geführten Laserstrahlung die höchste Intensität I der Laserstrahlung auftritt. Die aktive Faser zeichnet sich durch eine besondere transversale Verteilung der Dotierungskonzentration der aktiven Dotierung aus. Diese Verteilung ist so gewählt, dass ein geometrischer Überlapp zwischen dem einen oder den mehreren dotierten Bereichen und einem zu verstärkenden Intensitätsprofil der Laserstrahlung Γ < 0,8 beträgt und ein radialer Schwerpunkt Rρ der transversalen Verteilung der Dotierungskonzentration der aktiven Dotierung in einem Bereich einer Intensität I der Laserstrahlung mit I(Rρ) < 0,8 liegt. Vorzugsweise beträgt der geometrische Überlapp Γ < 0,5, besonders bevorzugt Γ < 0,2, und der radiale Schwerpunkt Rρ liegt bei I(Rp) < 0,5 liegt bei, besonders bevorzugt bei I(Rp) < 0,25. Bei einer Faser mit einem kreisrunden Querschnitt und einem Gauß-förmigen Intensitätsprofil der Laserstrahlung liegt die verstärkungsrelevante Dotierung dadurch in einem Bereich der Faser vor, in dem das transversale Intensitätsprofil der Laserstrahlung eine Laserintensität aufweist, die <80%, vorzugsweise ≤ 50%, besonders bevorzugt ≤20% (und natürlich jeweils >0%) der maximalen Laserintensität des Intensitätsprofils beträgt. Außerhalb dieses Bereiches der Faser liegt vorzugsweise keine der Verstärkung dienende Dotierung vor. Der Begriff der verstärkungsrelevanten Dotierung bezieht sich hierbei auf die transversale Verteilung der Dotierungskonzentration der zur Verstärkung der Laserstrahlung dienenden Dotierung. Die Dotierung kann im dotierten Bereich homogen oder inhomogen sein, beispielsweise durch Einbringen von dotierten, sich während der Faserherstellung nicht komplett auflösenden Nanopartikeln. Der geometrische Überlapp Γ und der radiale Schwerpunkt Rρ werden weiter unten genauer definiert.The proposed fiber lasers or fiber amplifiers have an active fiber with a fiber core and a fiber cladding as well as one or more doped regions with an active doping, which serves to amplify a laser radiation propagating through the fiber. In the case of the continuous (cw) fiber laser or amplifier, the fiber has a hollow fiber core in which the highest intensity I of the laser radiation occurs, based on the transverse intensity profile of the laser radiation guided in the fiber. The active fiber is characterized by a particular transversal distribution of the doping concentration of the active doping. This distribution is chosen such that a geometric overlap between the one or more doped regions and an intensity profile of the laser radiation to be amplified is Γ<0.8 and a radial center of gravity R ρ of the transverse distribution of the doping concentration of the active doping in a region of one intensity I of the laser radiation with I(R ρ ) <0.8. The geometric overlap is preferably Γ<0.5, particularly preferably Γ<0.2, and the radial center of gravity R ρ is I(R p )<0.5, particularly preferably I(R p )<0. 25 In the case of a fiber with a circular cross-section and a Gaussian intensity profile of the laser radiation, the amplification-relevant doping is therefore present in a region of the fiber in which the transverse intensity profile of the laser radiation has a laser intensity of <80%, preferably ≤50%, particularly preferably ≤20% (and of course >0%) of the maximum laser intensity of the intensity profile. Outside this region of the fiber there is preferably no amplifying doping. The term amplification-relevant doping relates here to the transversal distribution of the doping concentration of the doping serving to amplify the laser radiation. The doping can be homogeneous or inhomogeneous in the doped area, for example by introducing doped nanoparticles that do not completely dissolve during fiber production. The geometric overlap Γ and the radial center of gravity R ρ are defined in more detail below.
Die Lösung der obigen Aufgabe wird somit durch Verwendung einer aktiven Faser erreicht, die eine spezielle transversale Dotierungsverteilung (Verlauf oder Verteilung der Dotierungskonzentration) aufweist und entweder in einem cw-Faserlaser oder -verstärker oder in einem gepulsten Faserlaser, beispielsweise einem Güte-geschalteten oder einem Güte-geschalteten und Moden-gekoppelten Faserlaser, oder einem gepulsten Faserverstärker, insbesondere als Hochleistungsverstärker in einer gepulsten Faserverstärkerkette, eingesetzt wird. Die aktive Faser ist hierzu mit laseraktiven Ionen derart dotiert, dass durch die gewählte transversale Verteilung der Dotierungskonzentration die für die Laserverstärkung der Laser- bzw. Signalphotonen verantwortlichen laseraktiven Ionen in einem Bereich konzentriert sind bzw. ihre höchste Konzentration aufweisen, in dem die Laserintensität der durchlaufenden Laserstrahlung bzw. des durchlaufenden Laserpulses gegenüber der Maximalintensität im Zentrum des Faserkerns nur niedrig oder moderat ist. Dieser Bereich wird im Folgenden aufgrund seiner Lage außerhalb des Zentrums des Faserkerns auch als äußerer Bereich bezeichnet. Im Bereich höherer Laserintensität, also im und nahe dem Zentrum des Faserkerns, liegt demgegenüber keine oder eine deutlich niedrigere Dotierungskonzentration vor.The solution to the above object is thus achieved by using an active fiber having a specific transverse doping distribution (curve or distribution of doping concentration) and either in a cw fiber laser or amplifier or in a pulsed fiber laser, for example a Q-switched or a Q-switched and mode-locked fiber lasers, or a pulsed fiber amplifier, in particular as a high-power amplifier in a pulsed fiber amplifier chain. For this purpose, the active fiber is doped with laser-active ions in such a way that the selected transversal distribution of the doping concentration means that the laser-active ions responsible for the laser amplification of the laser or signal photons are concentrated or have their highest concentration in an area in which the laser intensity of the passing through Laser radiation or the laser pulse passing through is only low or moderate compared to the maximum intensity in the center of the fiber core. Because of its location outside the center of the fiber core, this area is also referred to below as the outer area. In contrast, in the area of higher laser intensity, i.e. in and near the center of the fiber core, there is no or a significantly lower doping concentration.
Der äußere Bereich kann dabei vollständig und gleichmäßig dotiert sein, also eine homogene Dotierungsverteilung enthalten, eine in radialer und/oder azimutaler Richtung graduell oder sprunghaft veränderliche Dotierungsverteilung, eine zufällige Verteilung oder auch einen oder mehrere nicht miteinander verbundene dotierte Bereiche aufweisen, außerhalb derer dann keine der Verstärkung dienende Dotierung vorliegt. Die jeweiligen Bereiche können wiederum eine homogene, eine graduell oder sprunghaft veränderliche oder auch eine zufällig verteilte Dotierungskonzentration aufweisen. Teile von Kern und/oder Mantel der Faser können auch aus hohlen Strukturen bestehen, welche im Betrieb leer verbleiben oder Gase oder Flüssigkeiten aufnehmen können. Dieser Hohlraum oder diese Gase oder Flüssigkeiten können teilweise zur Lichtleitung dienen. Diese Gase oder Flüssigkeiten können auch das laseraktive Medium darstellen.The outer region can be completely and uniformly doped, i.e. contain a homogeneous doping distribution, a doping distribution that changes gradually or abruptly in the radial and/or azimuthal direction, a random distribution or one or more doped regions that are not connected to one another, outside of which there are then no the reinforcement serving doping is present. The respective regions can in turn have a homogeneous doping concentration, one that changes gradually or abruptly, or else a randomly distributed doping concentration. Parts of the core and/or cladding of the fiber can also consist of hollow structures which remain empty during operation or which can absorb gases or liquids. This cavity or these gases or liquids can partially serve to conduct light. These gases or liquids can also represent the laser-active medium.
Der vorgeschlagene Faserlaser oder Faserverstärker unterscheidet sich lediglich in der speziell dotierten Faser von bekannten Faserlasern oder Faserverstärkern des Standes der Technik. Er kann also ansonsten identisch aufgebaut sein wie aus dem Stand der Technik bekannte Faserlaser oder Faserverstärker, insbesondere sowohl in einer endgepumpten als auch in einer über den Fasermantel gepumpten Ausgestaltung realisiert sein.The proposed fiber laser or fiber amplifier differs from known fiber lasers or fiber amplifiers of the prior art only in the specially doped fiber. It can therefore otherwise be constructed identically to fiber lasers or fiber amplifiers known from the prior art, in particular realized both in an end-pumped configuration and in a configuration pumped via the fiber cladding.
In einem gepulsten Faserlaser ist die gespeicherte Energie und somit die extrahierbare Laserpulsenergie und Laserpulsdauer durch das Auftreten von parasitärer Lasertätigkeit oder ASE begrenzt, sobald die Verstärkung den entsprechenden Verstärkungsschwellwert für parasitäre Oszillationen oder ASE überschreitet. Bei Nutzung einer normalen Faser gemäß dem Stand der Technik, in der der gesamte Bereich des Faserkerns gleichmäßig dotiert ist, wird dieser Verstärkungsschwellwert bei einer relativ geringen Inversion erreicht, da der Überlapp (in transversaler Richtung) des dotierten und durch Pumplaserstrahlung invertierten Bereiches mit dem Laserintensitätsprofil des zu verstärkenden Laserpulses hoch ist. Durch die vorgeschlagene transversale Verteilung der Dotierung bzw. Dotierungskonzentration erfolgt ein Überlapp des aktiv dotierten Bereiches (oder der aktiv dotierten Bereiche) mit dem Laserintensitätsprofil lediglich in einem Bereich der Faser, in dem die Laserintensität reduziert ist. Dadurch ist die durch eine gegebene Inversion über die Faserlänge erzeugte Verstärkung eines Laserpulses kleiner als bei der gleichen Inversion im Intensitätsmaximum bzw. Zentrum des Faserkerns. Die Faser kann dadurch bei einer höheren Inversion betrieben werden, bis sie die gleiche Verstärkung erzeugt.In a pulsed fiber laser, the stored energy, and hence the extractable laser pulse energy and laser pulse duration, is limited by the occurrence of parasitic lasing or ASE once the gain exceeds the corresponding gain threshold for parasitic oscillations or ASE. Using a normal state-of-the-art fiber, in which the entire region of the fiber core is uniformly doped, this gain threshold is reached at a relatively low inversion, since the overlap (in the transverse direction) of the doped region inverted by pump laser radiation with the laser intensity profile of the laser pulse to be amplified is high. Due to the proposed transversal distribution of the doping or doping concentration, the actively doped area (or the actively doped areas) overlaps with the laser intensity profile only in a region of the fiber in which the laser intensity is reduced. As a result, the amplification of a laser pulse generated by a given inversion over the length of the fiber is smaller than in the case of the same inversion in the intensity maximum or center of the fiber core. The fiber can thereby be operated at a higher inversion until it produces the same gain.
Die Anfangsverstärkung gi, die zur Erzeugung einer bestimmten Pulsdauer eines Laserpulses bei der Güteschaltung erforderlich ist, wird durch die Hauptgleichung des Güteschaltungsprozesses beschrieben. Die Pulsdauer ist
Darin stellen τc die Photonenlebensdauer im Resonator, η(r) die Extraktionseffizienz und
Die pro Puls extrahierte Energie ist
Daran ist ersichtlich, dass das verringerte Volumen der Dotierung der erhöhten möglichen Inversionsdichte durch den geringeren Überlappungsfaktor entgegenwirkt. Da jedoch die Intensitäts-gewichtete Überlappung mit zunehmendem radialem Abstand vom Zentrum des Faserkerns oder vom Maximum der Moden-Intensität bzw. des transversalen Laserintensitätsprofils schneller abnimmt als ein in diesem radialen Abstand verfügbares ringförmige Flächenelement 2πrdr und damit das zugehörige Volumen 2πrLdr, kann die Pulsenergie verglichen mit einem vollständig dotierten Kern erhöht werden. Ein Maß für diese bei einer gegebenen Dotierungsverteilung zur Verfügung stehende Fläche (und somit das Volumen) ist der radiale Schwerpunkt Rρ der laseraktiven Dotierungsverteilung N(r,φ). Diesen erhält man aus der mittleren radialen Dotierungsverteilung
Die gemäß der vorliegenden Erfindung gewählte transversale Verteilung der Dotierungskonzentration in der aktiven Faser ermöglicht eine höhere Inversionsdichte und damit eine Erhöhung der gespeicherten und extrahierbaren Energie bei einer gegebenen Verstärkung. Dadurch können mit gepulsten Faserlasern oder gepulsten Faserlaserverstärkern, die eine derartige aktive Faser einsetzen, die Pulsenergien gegenüber der Nutzung von Fasern mit einer wie bisher vollständigen und gleichmäßigen Dotierung des Kerns erhöht werden. Die maximal erreichbare Pulsenergie wird daher durch die gewählte transversale Dotierungsverteilung gegenüber derartigen Fasern mit einer vollständigen und gleichmäßigen Dotierung des Kerns gesteigert. Auch bei kontinuierlichen Faserlasern oder Faserverstärkern lässt sich dadurch die Laserleistung erhöhen. Beispielsweise kann eine Führung der hohen Laserleistung in einem hohlen Bereich die Schwellen nichtlinearer Effekte erhöhen.The transverse distribution of the doping concentration in the active fiber selected according to the present invention enables a higher inversion density and thus an increase in the stored and extractable energy at a given gain. As a result, with pulsed fiber lasers or pulsed fiber laser amplifiers that use such an active fiber, the pulse energies can be increased compared to the use of fibers with a complete and uniform doping of the core as before. The maximum achievable pulse energy is therefore increased by the chosen transversal doping distribution in comparison to such fibers with a complete and uniform doping of the core. The laser power can also be increased in the case of continuous fiber lasers or fiber amplifiers. For example, guiding the high laser power in a hollow region can increase the thresholds of nonlinear effects.
Die vorgeschlagene aktive Faser lässt sich vorteilhaft als aktives Medium in einem Faserlaser oder auch als Verstärkungsmedium in einem Faserverstärker eines Lasers, insbesondere eines Faserlasers, einsetzen. Das Pumpen der aktiven Faser kann dabei wie bisher sowohl über den Fasermantel als auch in einer endgepumpten Anordnung durch Einkopplung von einer oder beiden Enden der Faser in den Faserkern erfolgen.The proposed active fiber can advantageously be used as an active medium in a fiber laser or also as an amplification medium in a fiber amplifier of a laser, in particular a fiber laser. As before, the active fiber can be pumped both via the fiber cladding and in an end-pumped arrangement by coupling one or both ends of the fiber into the fiber core.
Derartige Faserlaser oder Faserverstärker lassen sich beispielsweise für die Laser-Materialbearbeitung und insbesondere für optronische Gegenmaßnahmen und Laserwaffen oder auch zur optischen Datenübertragung einsetzen. Dies ist selbstverständlich keine abschließende Aufzählung.Such fiber lasers or fiber amplifiers can be used, for example, for laser material processing and in particular for optronic countermeasures and laser weapons or also for optical data transmission. This is of course not an exhaustive list.
Bei einem bevorzugten einmodigen Betrieb der aktiven Faser werden der Faserdurchmesser und die effektive numerische Apertur (NA) der Faser so gewählt, dass die erste Mode höherer Ordnung eines durch die Faser propagierenden Laserpulses bzw. der durch die Faser propagierenden Laserstrahlung einen beträchtlichen Verlust aufweist und/oder ausreichend große Modendurchmesser, so dass der Überlapp mit den laseraktiven Ionen klein genug ist, um signifikante parasitäre Verstärkung dieser höheren Mode zu begrenzen. Die Faser kann dazu auch als eine für den Einmodenbetrieb mikrostrukturierte Faser (endlessly single-mode microstructured fiber) ausgebildet werden.In a preferred single-mode operation of the active fiber, the fiber diameter and the effective numerical aperture (NA) of the fiber are chosen such that the first higher-order mode of a laser pulse propagating through the fiber or of the laser radiation propagating through the fiber has a significant loss and/or or sufficiently large mode diameters so that the overlap with the lasing ions is small enough to limit significant parasitic gain of this higher mode. For this purpose, the fiber can also be in the form of a fiber microstructured for single-mode operation (endlessly single-mode microstructured fiber).
Sowohl der Faserkern als auch der Fasermantel können zusätzlich mit anderen aktiven Ionen dotiert sein, die anderen Zwecken als der Signalverstärkung dienen. Dies betrifft insbesondere die Funktion der Brechungsindex-Anpassung zwischen Kern und Fasermantel. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung auch nicht auf Stufenindex-Fasern beschränkt, sondern kann auch für andere Fasertypen oder andere Typen von Wellenleitern, die entsprechend strukturierte Dotierung erlauben, eingesetzt werden, um die gleichen Vorteile zu erzielen. So kann beispielsweise der eigentliche Faserkern hohl sein (wie bspw. in einer hollow-core photonic crystal Faser, photonic bandgap Faser, Kagome Faser oder negative-curvature Faser) und die laseraktive Dotierung in den Randstrukturen des Hohlraums eingebracht sein. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die hohen Intensitäten im Vakuum oder in einem Gas geführt werden und somit nichtlineare Effekte im Vergleich zu einem vollen Kern drastisch vermindert werden können und die strahlungsinduzierte Zerstörschwelle heraufgesetzt werden kann. Dies gilt sowohl für gepulste als auch für kontinuierliche Betriebsmodi.Both the fiber core and the fiber cladding can additionally be doped with other active ions that serve purposes other than signal amplification. This applies in particular to the function of refractive index matching between core and fiber cladding. Furthermore, the present invention is also not limited to step-index fibers, but can also be used for other fiber types or other types of waveguides that allow correspondingly structured doping, in order to achieve the same advantages. For example, the actual fiber core can be hollow (such as in a hollow-core photonic crystal fiber, photonic bandgap fiber, Kagome fiber or negative-curvature fiber) and the laser-active doping can be introduced into the edge structures of the cavity. This has the particular advantage that the high intensities are carried out in a vacuum or in a gas and thus non-linear effects can be drastically reduced compared to a solid core and the radiation-induced damage threshold can be increased. This applies to both pulsed and continuous modes of operation.
Figurenlistecharacter list
Die vorgeschlagene aktive Faser wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 schematische Darstellungen von drei Beispielen für eine transversale Verteilung der Dotierungskonzentration bei der vorgeschlagenen aktiven Faser; -
2 ein Beispiel für das Verhältnis der pro Puls extrahierten Energie zwischen einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen aktiven Faser und einer aktiven Faser mit gleichmäßiger Dotierung des gesamten Kerns in Abhängigkeit von Dotierungsparametern der vorgeschlagenen aktiven Faser; -
3 schematische Darstellungen von drei weiteren Beispielen für eine transversale Verteilung der Dotierungskonzentration bei der vorgeschlagenen aktiven Faser; -
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels für eine transversale Verteilung der Dotierungskonzentration gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer photonic crystal Faser mit festem oder hohlem Kern; -
5 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels für eine transversale Verteilung der Dotierungskonzentration gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer photonic crystal Faser mit festem oder hohlem Kern; -
6 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels für eine transversale Verteilung der Dotierungskonzentration gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer photonic bandgap Faser mit festem oder hohlem Kern; -
7 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels für eine transversale Verteilung der Dotierungskonzentration gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Kagome-Faser mit hohlem Kern; und -
8 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels für eine transversale Verteilung der Dotierungskonzentration gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer negative-curvature Faser mit hohlem Kern.
-
1 schematic representations of three examples of a transverse distribution of the doping concentration in the proposed active fiber; -
2 an example of the ratio of energy extracted per pulse between an embodiment of the proposed active fiber and an active fiber with uniform doping of the entire core depending on doping parameters of the proposed active fiber; -
3 schematic representations of three further examples for a transverse distribution of the doping concentration in the proposed active fiber; -
4 a schematic representation of a further example of a transverse distribution of the doping concentration according to the present invention in a photonic crystal fiber with a solid or hollow core; -
5 a schematic representation of a further example of a transverse distribution of the doping concentration according to the present invention in a photonic crystal fiber with a solid or hollow core; -
6 a schematic representation of another example of a transverse distribution of the doping concentration according to the present invention in a photonic bandgap fiber with solid or hollow core; -
7 Fig. 12 is a schematic representation of another example of a transverse dopant concentration distribution according to the present invention in a hollow-core Kagome fiber; and -
8th 12 is a schematic representation of another example of a transverse doping concentration distribution according to the present invention in a negative-curvature hollow-core fiber.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Zur Erhöhung der aus einer aktiven Faser eines gepulsten Faserlasers oder gepulsten Faserverstärkers extrahierbaren Pulsenergie oder der extrahierbaren Laserleistung eines kontinuierlichen Faserlasers oder Faserverstärkers wird vorgeschlagen, die der Verstärkung dienende Dotierung der aktiven Faser mit einer speziellen transversalen Verteilung der Dotierungskonzentration zu erzeugen. Hierbei wird die transversale Verteilung der Dotierungskonzentration der aktiven Dotierung so gewählt, dass der geometrische Überlapp zwischen dem oder den dotierten Bereich(en) und dem zu verstärkenden Intensitätsprofil der Laserstrahlung Γ < 0,8, vorzugsweise Γ < 0,5, besonders bevorzugt Γ < 0,2, beträgt und der radiale Schwerpunkt Rρ der transversalen Verteilung der Dotierungskonzentration im Bereich einer Intensität I der Laserstrahlung mit I(Rp) < 0,8, vorzugsweise I(Rp) < 0,5, besonders bevorzugt I(Rp) < 0,25, liegt.
In Teilabbildung a) werden hierbei mehrere dotierte Bereiche 3 genutzt, die in diesem Beispiel auf einer Kreisbahn in konstantem Abstand nebeneinander angeordnet sind. Bezogen auf die gesamte Faser stellen diese dotierten Bereiche 3 stabartige Volumina dar, die sich entlang der Faser erstrecken. Die Stäbe können dabei um die Faserachse verdrillt sein. Hierzu werden bei der Herstellung der Faser entsprechend dotierte Stäbe in der den späteren Faserkern bildenden Kernstruktur integriert, die dann zusammen mit der Struktur für den Fasermantel zur Faser gezogen werden. In der Ausgestaltung der Teilabbildung b) ist ein vollständiger Ring um das Zentrum des Faserkerns 1 dotiert, der sich bis an den Rand des Kerns erstreckt. Teilabbildung c) zeigt wiederum einen dotierten ringförmigen Bereich, der allerdings vom Rand des Faserkerns 1 beabstandet ist.In sub-figure a), several
Wie bereits weiter oben angeführt, führen die gegenläufigen Effekte des (gegenüber einem vollständig dotierten Faserkern) reduzierten Dotierungsvolumens und der größeren möglichen Inversionsdichte insgesamt zu einer Erhöhung der Pulsenergie. Dies wird nachfolgend anhand der Ausgestaltung der
Im Falle der ringförmigen Dotierung der
Dieses Verhältnis ist in
In
Bei Nutzung mehrerer dotierter Bereiche 3 wie bei
Die
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Faserkern (= Bereich mit signifikanter Lichtintensität)Fiber core (= area with significant light intensity)
- 22
- Fasermantel (= Bereich mit stark reduzierter bis keiner Lichtintensität)Fiber cladding (= area with greatly reduced to no light intensity)
- 33
- dotierter Bereichdoped area
- 44
- stabförmige Löcherrod-shaped holes
- 55
- Schichten des Fasermantelslayers of the fiber sheath
- 66
- Kagome-StrukturKagome structure
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