DE102020127432A1 - Pulsed or continuous wave fiber laser or amplifier with specially doped active fiber - Google Patents

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Christelle Kieleck
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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 claim 1 and the continuous fiber laser or amplifier according to claim 2. Advantageous configurations of these fiber lasers or fiber amplifiers are the subject matter of the dependent patent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiments.

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 t p r η ( r ) r 1 l n ( r ) τ c

Figure DE102020127432A1_0001
The initial gain g i required to generate a specific pulse duration of a laser pulse in Q-switching is described by the main equation of the Q-switching process. The pulse duration is t p right n ( right ) right 1 l n ( right ) τ c
Figure DE102020127432A1_0001

Darin stellen τc die Photonenlebensdauer im Resonator, η(r) die Extraktionseffizienz und r = Δ N i ' Δ N t h ' = g i g t h

Figure DE102020127432A1_0002
das Verhältnis der logarithmischen Verstärkung vor dem Puls g i = 1 2 Γ ( σ a + σ e ) Δ N i ' = 1 2 Γ [ ( σ a + σ e ) Δ N i ( σ a σ e ) N ]
Figure DE102020127432A1_0003
zur logarithmischen Schwellwertverstärkung gth eines entsprechenden CW-Lasers bei Güteschaltung, z.B. g t h = 1 2 Γ ( σ a + σ e ) Δ N t h ' = 1 2 Γ [ ( σ a + σ e ) Δ N t h ( σ a σ e ) N ]
Figure DE102020127432A1_0004
dar. σa und σe sind die spektroskopischen Wirkungsquerschnitte für Absorption und Emission, Δ N t h '
Figure DE102020127432A1_0005
die Schwell-Inversionsdichte bei freigegebenem Resonator, Δ N i '
Figure DE102020127432A1_0006
die Inversionsdichte beim Freigeben des Resonators und (N) die Dichte der laseraktiven Ionen. Γ = d o t i e r t e r B e r e i c h N > 0 I ( r , φ ) d A I n t e n s i t a ¨ t s p r o f i l I ( r , φ ) d A
Figure DE102020127432A1_0007
ist hierbei der geometrische Überlappungsfaktor, der den Überlapp des dotierten Bereiches mit einer transversalen Intensität I(r,φ) der Lasermode beschreibt. Daher muss in einer Faser mit einem kleineren dotierten Bereich die anfängliche Inversionsdichte Δ N i '
Figure DE102020127432A1_0008
entsprechend höher sein, um die gleiche Verstärkung und damit die gleiche Pulsdauer zu erhalten.Therein τ c represents the photon lifetime in the resonator, η(r) the extraction efficiency and right = Δ N i ' Δ N t H ' = G i G t H
Figure DE102020127432A1_0002
the ratio of the logarithmic gain before the pulse G i = 1 2 Γ ( σ a + σ e ) Δ N i ' = 1 2 Γ [ ( σ a + σ e ) Δ N i ( σ a σ e ) N ]
Figure DE102020127432A1_0003
for logarithmic threshold gain g th of a corresponding CW laser with Q-switching, e.g G t H = 1 2 Γ ( σ a + σ e ) Δ N t H ' = 1 2 Γ [ ( σ a + σ e ) Δ N t H ( σ a σ e ) N ]
Figure DE102020127432A1_0004
σ a and σ e are the spectroscopic cross sections for absorption and emission, Δ N t H '
Figure DE102020127432A1_0005
the threshold inversion density with the resonator released, Δ N i '
Figure DE102020127432A1_0006
the inversion density upon resonator release; and (N) the laser active ion density. Γ = i.e O t i e right t e right B e right e i c H N > 0 I ( right , φ ) i.e A I n t e n s i t a ¨ t s p right O f i l I ( right , φ ) i.e A
Figure DE102020127432A1_0007
is the geometric overlap factor that describes the overlap of the doped region with a transversal intensity I(r,φ) of the laser mode. Therefore, in a fiber with a smaller doped region, the initial inversion density must Δ N i '
Figure DE102020127432A1_0008
be correspondingly higher in order to obtain the same amplification and thus the same pulse duration.

Die pro Puls extrahierte Energie ist E o u t = 1 2 h v V [ Δ N i ' Δ N f ' ] = 1 2 h v V η ( r ) Δ N i '

Figure DE102020127432A1_0009
worin V das dotierte Volumen und Δ N f '
Figure DE102020127432A1_0010
die finale Inversionsdichte nach Durchlaufen des Pulses darstellen. Somit erhält man E o u t V Δ N i ' g i V Γ
Figure DE102020127432A1_0011
The energy extracted per pulse is E O and t = 1 2 H v V [ Δ N i ' Δ N f ' ] = 1 2 H v V n ( right ) Δ N i '
Figure DE102020127432A1_0009
where V is the doped volume and Δ N f '
Figure DE102020127432A1_0010
represent the final inversion density after passing through the pulse. So you get E O and t V Δ N i ' G i V Γ
Figure DE102020127432A1_0011

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 ρ ¯ ( r ) = 1 2 π 0 2 π N ( r , φ ) d φ

Figure DE102020127432A1_0012
zu R ρ = 0 r ρ ¯ ( r ) d r 0 ρ ¯ ( r ) d r
Figure DE102020127432A1_0013
Es ist nun im Sinne der Erfindung vorteilhaft, wenn dieser Schwerpunkt der Verteilung in einem Bereich der Intensität mit I(Rp) < 0,8, vorzugsweise I(Rp) < 0,5, besonders bevorzugt I(Rρ) < 0,25 zu liegen kommt. Dies wird später in einem Ausführungsbeispiel anhand einer im Querschnitt ringförmigen Dotierung nochmals beispielhaft gezeigt.This shows that the reduced doping volume counteracts the increased possible inversion density due to the lower overlap factor. However, since the intensity-weighted overlap decreases faster with increasing radial distance from the center of the fiber core or from the maximum of the mode intensity or the transverse laser intensity profile than a ring-shaped surface element 2πrdr available at this radial distance and thus the associated volume 2πrLdr, the pulse energy can be compared be increased with a fully doped core. A measure of this area (and thus the volume) available for a given doping distribution is the radial center of gravity R ρ of the laser-active doping distribution N(r,φ). This is obtained from the mean radial doping distribution ρ ¯ ( right ) = 1 2 π 0 2 π N ( right , φ ) i.e φ
Figure DE102020127432A1_0012
to R ρ = 0 right ρ ¯ ( right ) i.e right 0 ρ ¯ ( right ) i.e right
Figure DE102020127432A1_0013
It is now advantageous within the meaning of the invention if this focus of the distribution is in an intensity range with I(R p )<0.8, preferably I(R p )<0.5, particularly preferably I(R p )<0 ,25 comes to rest. This will be shown again later by way of example in an exemplary embodiment using a doping that is annular in cross section.

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.
The proposed active fiber is explained in more detail below using exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Here show:
  • 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. 1 zeigt hierzu drei Beispiele, zu denen im oberen Teil der Figur jeweils ein Querschnitt durch die aktive Faser mit Faserkern 1 und Fasermantel 2 und im unteren Teil der Figur das transversale Intensitätsprofil eines Laserpulses oder einer Laserstrahlung in der Grundmode dargestellt ist, der bzw. die durch die Faser propagiert. In allen drei Beispielen liegen die dotierten Bereiche 3 jeweils im äußeren Bereich des Faserkerns 1. Der Faserkern 1 wird hierbei als der Teil der Faser bezeichnet, in dem hauptsächlich die Führung der Laserstrahlung innerhalb der Faser stattfindet. Bei einer einfachen Stufenindexfaser ist dies beispielsweise der innerste Teil der Faser mit dem höchsten Brechungsindex. Die dotierten Bereiche 3 liegen hierbei jeweils in einem Bereich des Faserkerns 1, in dem die Laserintensität gegenüber der im Zentrum des Kerns vorliegenden Maximalintensität auf einen relativ kleinen Wert abgefallen ist, wie dies in den Teilabbildungen a) bis c) der 1 ersichtlich ist.In order to increase the pulse energy extractable from an active fiber of a pulsed fiber laser or pulsed fiber amplifier or the extractable laser power of a continuous fiber laser or fiber amplifier, it is proposed to generate the amplification doping of the active fiber with a specific transverse distribution of the doping concentration. Here, the transversal distribution of the doping concentration of the active doping is selected such that the geometric overlap between the doped area(s) and the intensity profile of the laser radiation to be amplified is Γ<0.8, preferably Γ<0.5, particularly preferably Γ< 0.2, and the radial center of gravity R ρ of the transverse distribution of the doping concentration in the region of an intensity I of the laser radiation with I(R p ) <0.8, preferably I(R p ) <0.5, particularly preferably I(R p ) < 0.25. 1 shows three examples, for which the upper part of the figure shows a cross section through the active fiber with fiber core 1 and fiber cladding 2 and the lower part of the figure shows the transversal intensity profile of a laser pulse or laser radiation in the fundamental mode, which is or are the fiber propagates. In all three examples, the doped regions 3 are each in the outer region of the fiber core 1. The fiber core 1 is referred to here as the part of the fiber in which the laser radiation is mainly guided within the fiber. For example, in a simple step-index fiber, this is the innermost part of the fiber with the highest index of refraction. The doped regions 3 are each in a region of the fiber core 1 in which the laser intensity has fallen to a relatively small value compared to the maximum intensity present in the center of the core, as is shown in sub-figures a) to c) of the 1 is evident.

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 doped regions 3 are used, which in this example are arranged next to one another on a circular path at a constant distance. In relation to the entire fiber, these doped regions 3 represent rod-like volumes that extend along the fiber. The rods can be twisted around the fiber axis. For this purpose, appropriately doped rods are integrated into the core structure later forming the fiber core during the production of the fiber, which are then drawn together with the structure for the fiber cladding to form the fiber. In the embodiment of part b), a complete ring is doped around the center of the fiber core 1, which extends to the edge of the core. Partial image c) again shows a doped ring-shaped area, which is, however, at a distance from the edge of the fiber core 1 .

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 1b) nochmals demonstriert. Der dotierte ringförmige Bereich 3 der 1b) weist einen inneren Radius von a1 und einen äußeren Radius von a auf, der dem Radius des Faserkerns 1 entspricht. Die durch einen Laserpuls extrahierte Energie bei einer Verstärkung gi ist proportional zu E o u t r i n g g i V r i n g Γ r i n g = π ( a 2 a 1 2 ) l Γ r i n g = π ( a 2 a 1 2 ) l e 2 a 1 2 e 2 a 2

Figure DE102020127432A1_0014
während bei einem vollständig dotierten Kern mit dem Radius a und identischer Verstärkung gi die extrahierte Pulsenergie E o u t f u l l g i V k e r n Γ f u l l = π a 2 l Γ f u l l = π a 2 l 1 e 2 a 2
Figure DE102020127432A1_0015
beträgt. Hierbei wurde eine Gauß'sche Intensitätsverteilung mit einem Einheitsradius angenommen.As already mentioned above, the opposing effects of the reduced doping volume (compared to a fully doped fiber core) and the higher possible inversion density lead to an overall increase in the pulse energy. This is based on the design of the 1b) demonstrated again. The doped annular region 3 of 1b) has an inner radius of a 1 and an outer radius of a, which corresponds to the radius of the fiber core 1. The energy extracted by a laser pulse at gain g i is proportional to E O and t right i n G G i V right i n G Γ right i n G = π ( a 2 a 1 2 ) l Γ right i n G = π ( a 2 a 1 2 ) l e 2 a 1 2 e 2 a 2
Figure DE102020127432A1_0014
while for a fully doped core of radius a and identical gain g i the extracted pulse energy E O and t f and l l G i V k e right n Γ f and l l = π a 2 l Γ f and l l = π a 2 l 1 e 2 a 2
Figure DE102020127432A1_0015
amounts to. Here, a Gaussian intensity distribution with a unit radius was assumed.

Im Falle der ringförmigen Dotierung der 1b) beträgt das Verhältnis zwischen diesen beiden Energien E o u t r i n g E o u t f u l l = a 2 a 1 2 a 2 1 e 2 a 2 e 2 a 1 2 e 2 a 2

Figure DE102020127432A1_0016
In the case of ring-shaped doping 1b) is the ratio between these two energies E O and t right i n G E O and t f and l l = a 2 a 1 2 a 2 1 e 2 a 2 e 2 a 1 2 e 2 a 2
Figure DE102020127432A1_0016

Dieses Verhältnis ist in 2 für eine Faser mit einer normalisierten Frequenz (V-Parameter) V = 2,405 dargestellt. Dies entspricht dem aus der Fasertheorie bekannten maximalen V-Parameter für einmodige Lichtführung. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, dass bei Reduzierung der Ringdicke zu einem äußeren schmalen Ring (a1 →a) das Verhältnis ansteigt und sich schließlich dem Grenzwert lim a 1 a E o u t r i n g E o u t f u l l = e 2 a 2 1 2 a 2

Figure DE102020127432A1_0017
annähert. Daher kann die extrahierbare Pulsenergie mit einer derartigen Dotierung bzw. Dotierungsverteilung gegenüber einer Faser mit vollständig dotiertem Kern deutlich erhöht werden.This ratio is in 2 for a fiber with a normalized frequency (V parameter) V = 2.405. This corresponds to the maximum V parameter for single-mode light guidance known from fiber theory. From this plot it can be seen that as the ring thickness is reduced to an outer narrow ring (a1 →a), the ratio increases and eventually approaches the limit limited a 1 a E O and t right i n G E O and t f and l l = e 2 a 2 1 2 a 2
Figure DE102020127432A1_0017
approaching. The extractable pulse energy can therefore be significantly increased with such a doping or doping distribution compared to a fiber with a fully doped core.

3 zeigt schließlich noch drei weitere Beispiele einer möglichen Dotierungsverteilung bei der vorgeschlagenen aktiven Faser. Bei diesen Beispielen ist die Faser nicht im Faserkern, sondern an den Faserkern angrenzend oder in ausreichender Nähe zum Faserkern im Fasermantel dotiert. Im unteren Teil der 3 sind jeweils wie bei 1 die Intensitätsverteilungen des in der Faser propagierenden Laserpulses (in der Grundmode) zu erkennen. 3 finally shows three further examples of a possible doping distribution in the proposed active fiber. In these examples, the fiber is not doped in the fiber core but is doped adjacent to the fiber core or in the fiber cladding sufficiently close to the fiber core. In the lower part of 3 are each as with 1 to recognize the intensity distributions of the laser pulse propagating in the fiber (in the fundamental mode).

In 3a) ist wiederum eine Ausgestaltung dargestellt, bei der stabförmige dotierte Bereiche 3 in einem äußeren Bereich der Faser, diesmal angrenzend an den Faserkern 1 im Fasermantel 2 vorliegen. Diese können durch Anordnung entsprechend dotierter Stäbe vor dem Ziehen der Faser an der äußeren Seite oder nahe der Kernstruktur erzeugt werden. Die dotierten Stäbe können beispielsweise bei einem Stack- and Draw-Prozess entsprechend in die Struktur für den Fasermantel integriert werden, z.B. bei einer photonischen Kristallfaser. 3b) zeigt wiederum eine ringförmige Dotierung 3, die an den Rand des Faserkerns 1 angrenzt, 3c) eine ringförmige Dotierung 3 in einem geringen Abstand zum Faserkern 1. Der Verstärkungseffekt wird auch bei diesen Ausgestaltungen erzielt, da die in der Faser geführte Lasermode sich bis in den Fasermantel 2 erstreckt, wie dies im unteren Teil der 3 angedeutet ist.In 3a) an embodiment is again shown in which rod-shaped, doped regions 3 are present in an outer region of the fiber, this time adjacent to the fiber core 1 in the fiber cladding 2 . These can be created by placing appropriately doped rods on the outside or close to the core structure before drawing the fiber. The doped rods can, for example, be integrated into the structure for the fiber cladding in a stack and draw process, for example in a photonic crystal fiber. 3b) shows again an annular doping 3, which borders on the edge of the fiber core 1, 3c ) An annular doping 3 at a small distance from the fiber core 1. The amplification effect is also achieved with these configurations, since the laser mode guided in the fiber extends into the fiber cladding 2, as is the case in the lower part of the 3 is indicated.

Bei Nutzung mehrerer dotierter Bereiche 3 wie bei 1a) oder 3a) müssen diese nicht aus der dargestellten Anzahl an Bereichen 3 gebildet sein. Vielmehr können auch nur zwei oder auch deutlich mehr dotierte Bereiche 3 entsprechend - bei einer geringen Anzahl <=12 Bereichen vorzugsweise symmetrisch - um den Kern 1 oder das Zentrum des Kerns 1 angeordnet sein. Auch müssen diese Bereiche nicht zwangsläufig kreisförmige Querschnitte aufweisen oder über die gesamte Faserlänge stabförmig verlaufen. Auch hier kann der Verlauf in Längsrichtung um die Faserachse verdrillt oder unterbrochen sein.When using several doped areas 3 as in 1a) or 3a) these need not be formed from the number of regions 3 shown. Rather, only two or also significantly more doped areas 3 can be arranged around the core 1 or the center of the core 1 correspondingly—preferably symmetrically in the case of a small number of <=12 areas. Also, these areas do not necessarily have to have circular cross sections or run in the form of rods over the entire fiber length. Here, too, the course in the longitudinal direction around the fiber axis can be twisted or interrupted.

Die 4-8 zeigen schließlich noch weitere Beispiele einer möglichen Dotierungsverteilung bei der vorgeschlagenen aktiven Faser. Bei diesen Beispielen weist die Faser einen nahezu oder komplett leeren Faserkern auf. Dieser kann nachträglich oder beim Faserziehen mit einem Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt sein.the 4-8 finally show further examples of a possible doping distribution in the proposed active fiber. In these examples, the fiber has a nearly or completely empty fiber core. This can be filled with a gas or a liquid subsequently or during fiber drawing.

4 zeigt eine photonic crystal Faser mit einem kreisförmigen hohlen Faserkern 1, welcher von festem Material des Mantels 2 umgeben ist. Die in Längsrichtung stabförmigen Löcher 4 innerhalb des Mantels 2 erzeugen den gewünschten Lichtleiteffekt im Kern. Der dotierte Bereich 3 ist hier eine kreisförmige Dotierung des innersten an den Kernbereich grenzenden Mantelmaterials. Dieser kann innerhalb der ersten Lochkreisreihe liegen oder auch ein bis mehrere Lochreihen beinhalten. Durch die unvermeidliche aber letztlich für die Lichtführung nötige geringe Penetration des Lichts in diese Mantelstruktur wird ein geringer Überlapp zwischen dotiertem Bereich 3 und Fasermode erzeugt. 4 shows a photonic crystal fiber with a circular hollow fiber core 1, which is surrounded by solid material of the cladding 2. The longitudinally rod-shaped holes 4 within the shell 2 produce the desired light-guiding effect in the core. The doped region 3 is a circular doping of the innermost cladding material bordering on the core region. This can be within the first row of holes or contain one or more rows of holes. Due to the unavoidable low penetration of the light into this cladding structure, which is ultimately necessary for guiding the light, a small overlap is produced between the doped region 3 and the fiber mode.

5 zeigt zwei andere photonische-Kristall-Fasern (photonic crystal Faser) mit einem kreisförmigen hohlen Faserkern 1, welcher von festem Material des Mantels 2 umgeben ist. Die in Längsrichtung stabförmigen Löcher 4 innerhalb des Mantels 2 erzeugen beispielsweise eine Honigwabenstruktur für den gewünschten Lichtleiteffekt im Kern 1. Der dotierte Bereich 3 ist hier eine Dotierung des innersten an den Kernbereich grenzenden Wabenmaterials. Dieser kann der in direktem Kontakt zum Kern 1 stehende Materialbereich der ersten Lochkreisreihe sein (5a) oder auch ein bis mehrere Lochreihen beinhalten (5b). Durch die unvermeidliche aber letztlich für die Lichtführung nötige geringe Penetration des Lichts in diese Mantelstruktur wird ein geringer Überlapp zwischen dotiertem Bereich 3 und Fasermode erzeugt. 5 Fig. 1 shows two other photonic crystal fibers with a circular hollow fiber core 1 surrounded by solid cladding 2 material. The longitudinally rod-shaped holes 4 within the jacket 2 produce, for example, a honeycomb structure for the desired light-guiding effect in the core 1. The doped region 3 here is a doping of the innermost honeycomb material bordering the core region. This can be the material area of the first hole circle row that is in direct contact with core 1 ( 5a ) or contain one or more rows of holes ( 5b ). through the Due to the unavoidable but ultimately necessary low penetration of the light into this cladding structure for guiding the light, a small overlap is produced between the doped region 3 and the fiber mode.

6 zeigt eine photonic bandgap Faser mit einer kreisförmigen resonanten Struktur um einen hohlen oder festen Faserkern 1 welcher von abwechselnden Schichten 5 des Mantels 2 mit beispielsweise wechselnden Brechzahlen umgeben ist. Resonanzeffekte zwischen diesen Schichten 5 des Mantels 2 erzeugen den gewünschten Lichtleiteffekt im Kern 1. Der dotierte Bereich 3 liegt hier im Bereich von einer oder mehreren dieser Schichten 5. Durch das unvermeidliche aber letztlich für die Lichtführung nötige geringe Eindringen des Lichts in diese Schichtstruktur wird ein geringer Überlapp zwischen dotiertem Bereich 3 und Fasermode erzeugt. 6 shows a photonic bandgap fiber with a circular resonant structure around a hollow or solid fiber core 1 which is surrounded by alternating layers 5 of cladding 2 with, for example, changing refractive indices. Resonance effects between these layers 5 of the cladding 2 produce the desired light guiding effect in the core 1. The doped area 3 is here in the area of one or more of these layers 5. Due to the unavoidable but ultimately necessary for the light guidance small penetration of the light into this layer structure low overlap between doped region 3 and fiber mode generated.

7 zeigt eine Kagome-Faser mit einer Kagome-Struktur 6 um einen hohlen Faserkern 1. Resonanzeffekte in dieser Struktur des Mantels 2 erzeugen den gewünschten Lichtleiteffekt im Kern. Der dotierte Bereich 3 besteht hier aus mindestens einem Teil der die Kagome-Struktur 6 bildenden Stege. Durch das unvermeidliche aber letztlich für die Lichtführung nötige geringe Eindringen des Lichts in diese Struktur wird ein geringer Überlapp zwischen dotiertem Bereich und Fasermode erzeugt. 7 shows a kagome fiber with a kagome structure 6 around a hollow fiber core 1. Resonance effects in this structure of the cladding 2 produce the desired light-guiding effect in the core. The doped region 3 here consists of at least part of the webs forming the kagome structure 6 . Due to the unavoidable but ultimately necessary low penetration of the light into this structure for the light guidance, a small overlap between the doped area and the fiber mode is generated.

8 zeigt eine negative-curvature Faser mit einer aus lokal kreisförmigen Strukturen negativer Krümmung bestehenden Mantel 2 um einen hohlen Faserkern 1. Resonanzeffekte in dieser Struktur des Mantels 2 erzeugen den gewünschten Lichtleiteffekt im Kern 1. Der dotierte Bereich 3 besteht hier aus einer oder mehreren dieser Strukturen mit negativer Krümmung. Durch das unvermeidliche aber letztlich für die Lichtführung nötige geringe Eindringen des Lichts in diese Struktur wird ein geringer Überlapp zwischen dotiertem Bereich und Fasermode erzeugt. 8th shows a negative-curvature fiber with a cladding 2 consisting of locally circular structures of negative curvature around a hollow fiber core 1. Resonance effects in this structure of the cladding 2 produce the desired light-guiding effect in the core 1. The doped region 3 here consists of one or more of these structures with negative curvature. Due to the unavoidable but ultimately necessary low penetration of the light into this structure for the light guidance, a small overlap between the doped area and the fiber mode is generated.

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

Claims (13)

Gepulster Faserlaser oder Faserverstärker mit wenigstens einer aktiven Faser, - die einen Faserkern (1) und einen Fasermantel (2) sowie einen oder mehrere dotierte Bereiche (3) mit einer aktiven Dotierung aufweist, die eine Verstärkung einer durch die Faser propagierenden Laserstrahlung ermöglicht, und - bei der eine transversale Verteilung einer Dotierungskonzentration der aktiven Dotierung so gewählt ist, dass ein geometrischer Überlapp zwischen dem einen oder den mehreren dotierten Bereichen (3) und einem zu verstärkenden Intensitätsprofil der Laserstrahlung T < 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(Rp) < 0,8 liegt.Pulsed fiber laser or fiber amplifier with at least one active fiber, - which has a fiber core (1) and a fiber cladding (2) as well as one or more doped regions (3) with an active doping, which enables a laser radiation propagating through the fiber to be amplified, and - In which a transversal distribution of a doping concentration of the active doping is selected such that a geometric overlap between the one or more doped regions (3) and an intensity profile of the laser radiation to be amplified is T<0.8 and a radial center of gravity R ρ of the transversal distribution of the doping concentration of the active doping in a range of intensity I of the laser radiation with I(R p ) <0.8. Kontinuierlicher Faserlaser oder Faserverstärker mit wenigstens einer aktiven Faser, - die einen hohlen Faserkern (1) und einen Fasermantel (2) sowie einen oder mehrere dotierte Bereiche (3) mit einer aktiven Dotierung aufweist, die eine Verstärkung einer durch die Faser propagierenden Laserstrahlung ermöglicht, und - bei der eine transversale Verteilung einer Dotierungskonzentration der aktiven Dotierung so gewählt ist, dass ein geometrischer Überlapp zwischen dem einen oder den mehreren dotierten Bereichen (3) 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 Laserstrahlung in dem hohlen Faserkern (1) auftritt.Continuous fiber laser or fiber amplifier with at least one active fiber, - which has a hollow fiber core (1) and a fiber cladding (2) as well as one or more doped regions (3) with an active doping, which enables a laser radiation propagating through the fiber to be amplified, and - in which a transversal distribution of a doping concentration of the active doping is selected such that a geometric overlap between the one or more doped regions (3) and an intensity profile of the laser radiation to be amplified is Γ<0.8 and a radial center of gravity R ρ the transversal distribution of the doping concentration of the active doping in a region of intensity I of the laser radiation with laser radiation in the hollow fiber core (1). Faserlaser oder Faserverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der geometrische Überlapp zwischen dem einen oder den mehreren dotierten Bereichen und dem zu verstärkenden Intensitätsprofil der Laserstrahlung Γ ≤ 0,5 beträgt und der radiale Schwerpunkt Rρ der transversalen Verteilung der Dotierungskonzentration der aktiven Dotierung in einem Bereich der Intensität I der Laserstrahlung mit I(Rp) < 0,5 liegt.fiber laser or fiber amplifier claim 1 or 2 , characterized in that the geometric overlap between the one or more doped regions and the intensity profile of the laser radiation to be amplified is Γ ≤ 0.5 and the radial center of gravity R ρ of the transversal Distribution of the doping concentration of the active doping is in a range of intensity I of the laser radiation with I(R p ) <0.5. Faserlaser oder Faserverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der geometrische Überlapp zwischen dem einen oder den mehreren dotierten Bereichen und dem zu verstärkenden Intensitätsprofil der Laserstrahlung Γ ≤ 0,2 beträgt und der radiale Schwerpunkt Rρ der transversalen Verteilung der Dotierungskonzentration der aktiven Dotierung in einem Bereich der Intensität I der Laserstrahlung mit I(Rp) < 0,25 liegt.fiber laser or fiber amplifier claim 1 or 2 , characterized in that the geometric overlap between the one or more doped regions and the intensity profile of the laser radiation to be amplified is Γ ≤ 0.2 and the radial center of gravity R ρ of the transverse distribution of the doping concentration of the active doping in a region of intensity I of laser radiation with I(R p ) < 0.25. Faserlaser oder Faserverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Dotierung in mehreren nicht zusammenhängenden Bereichen (3) vorliegt.Fiber lasers or fiber amplifiers according to any one of Claims 1 until 4 , characterized in that the active doping is present in a plurality of non-contiguous regions (3). Faserlaser oder Faserverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Bereiche (3) jeweils stabförmig ausgebildet sind und sich entlang der Faser erstrecken.fiber laser or fiber amplifier claim 5 , characterized in that the plurality of regions (3) are each rod-shaped and extend along the fiber. Faserlaser oder Faserverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Dotierung in einem zusammenhängenden Bereich (3) vorliegt, der im transversalen Querschnitt ringförmig ausgebildet ist und innerhalb des Faserkerns (1) entweder am Rand des Faserkerns (1) oder beabstandet zum Rand des Faserkerns (1) liegt.Fiber lasers or fiber amplifiers according to any one of Claims 1 until 4 , characterized in that the active doping is present in a continuous region (3) which is ring-shaped in transverse cross section and is located within the fiber core (1) either at the edge of the fiber core (1) or at a distance from the edge of the fiber core (1). Faserlaser oder Faserverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Dotierung in einem zusammenhängenden Bereich (3) vorliegt, der im transversalen Querschnitt ringförmig ausgebildet ist und innerhalb des Fasermantels (2) entweder am Rand des Faserkerns (1) oder beabstandet zum Rand des Faserkerns (1) liegt.Fiber lasers or fiber amplifiers according to any one of Claims 1 until 4 , characterized in that the active doping is present in a coherent region (3) which is ring-shaped in transverse cross section and is located within the fiber cladding (2) either at the edge of the fiber core (1) or at a distance from the edge of the fiber core (1). Faserlaser oder Faserverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Dotierung in einem zusammenhängenden Bereich (3) vorliegt, der im transversalen Querschnitt ringförmig ausgebildet ist und sich beidseitig um den Rand des Faserkerns (1) erstreckt.Fiber lasers or fiber amplifiers according to any one of Claims 1 until 4 , characterized in that the active doping is present in a continuous region (3) which is ring-shaped in transverse cross section and extends on both sides around the edge of the fiber core (1). Faserlaser oder Faserverstärker nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Bereiche (3) innerhalb des Faserkerns (1) liegen.fiber laser or fiber amplifier claim 5 or 6 , characterized in that the plurality of regions (3) lie within the fiber core (1). Faserlaser oder Faserverstärker nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Bereiche (3) innerhalb des Fasermantels (2) am Rand des Faserkerns (1) liegen.fiber laser or fiber amplifier claim 5 or 6 , characterized in that the plurality of areas (3) are within the fiber cladding (2) at the edge of the fiber core (1). Faserlaser oder Faserverstärker nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Bereiche (3) teils innerhalb des Fasermantels (2) und teils innerhalb des Faserkerns (1) am Rand des Faserkerns (1) liegen.fiber laser or fiber amplifier claim 5 or 6 , characterized in that the plurality of regions (3) are partly within the fiber cladding (2) and partly within the fiber core (1) at the edge of the fiber core (1). Faserlaser oder Faserverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser so ausgebildet ist, dass durch die Faser propagierende Laserstrahlung nur in einer Grundmode verstärkt wird.Fiber lasers or fiber amplifiers according to any one of Claims 1 until 12 , characterized in that the fiber is designed in such a way that laser radiation propagating through the fiber is only amplified in a fundamental mode.
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