DE102022132112A1

DE102022132112A1 - Lasermedium-Anordnung und Laser-System

Info

Publication number: DE102022132112A1
Application number: DE102022132112.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Koglbauer
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2022-12-02
Filing date: 2022-12-02
Publication date: 2024-06-13
Also published as: WO2024115008A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lasermedium-Anordnung zur Erzeugung oder Verstärkung von Laserlicht durch stimulierte Emission von Photonen, wobei die Lasermedium-Anordnung eine Längsrichtung und einen quer zu der Längsrichtung verlaufenden Querschnitt definiert, und wobei die Lasermedium-Anordnung eine Vielzahl von Strukturelementen umfasst, welche sich jeweils entlang der Längsrichtung sowie anteilig über den Querschnitt erstrecken, wobei zumindest zwei verschiedene Typen von Strukturelementen umfasst sind, nämlich ein erster Typ mit einem ersten Brechungsindex und ein zweiter Typ mit einem zweiten Brechungsindex, wobei zumindest eines der Strukturelemente ein laseraktives Material umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Laser-System umfassend ein solche Lasermedium-Anordnung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lasermedium-Anordnung zur Erzeugung oder Verstärkung von Laserlicht durch stimulierte Emission von Photonen sowie ein Laser-System mit einer solchen Lasermedium-Anordnung.
In einem Laser-System dient das Lasermedium dazu eine Besetzungsinversion bereitzustellen, um eine stimulierte Emission von Photonen und damit eine Lichtverstärkung zu ermöglichen. Die Besetzungsinversion wird hervorzurufen, indem das Lasermedium über eine Pumpquelle mit Energie versorgt wird. Um den Lichtweg der Photonen in dem Lasermedium zu erhöhen kann ein optischer Resonator zum Einsatz kommen, in welchem das Licht mehrfach reflektiert wird, wobei hierdurch auch eine Richtung des erzeugten Laserlichts definierbar ist.
Klassische Resonator-Laser dieser Bauart ermöglichen somit eine gerichtete Abgabe von Licht mit hoher Leistungsdichte. Jedoch kann die typischerweise ebenfalls hohe Interferenzfähigkeit des emittierten Lichtes zu sogenannten Speckle-Artefakten führen. Speckle sind ein Phänomen, welches bei der Beleuchtung rauer Objektoberflächen oder Transmission durch streuende Medien auftreten kann. Unebenheiten, Rauheit bzw. Strukturen in der Größenordnung der Wellenlänge prägen der Wellenfront des Lichtes zufällige Phasenmodulationen auf, welche sich im Fernfeld als granulierte Struktur zufälliger Intensitätsmaxima und Minima ausprägt. Während dieser Effekt in manchen Messprinzipien zur Oberflächenanalyse ausgenutzt wird, stellen Speckle bei Beleuchtungsapplikationen einen Störfaktor dar, welcher eine homogene Illumination korrumpiert.
Mit sogenannten Zufallslasern kann demgegenüber eine homogene, speckle-arme Illumination erzielt werden. In Zufallslasern kommen in der Regel ungeordnete Lasermedien zum Einsatz und die Lichtrückführung zur Erhöhung des Lichtwegs im Lasermedium erfolgt nicht durch einen Resonator, sondern insbesondere durch streuende Strukturen im Lasermedium. Hierdurch erhöht sich die Verweildauer der Photonen im Lasermedium, so dass Laseraktivität entstehen kann. Jedoch weisen Zufallslaser typischerweise keine Vorzugsrichtung für das emittierte Licht auf und stellen damit in der Regel kein gerichtetes Laserlicht zur Verfügung.
Darüber hinaus sind Zufalls-Faserlaser bekannt bei welchen beispielsweise streuenden Strukturen in einer optischen Faser vorgesehen sind und zur Rückführung des Lichts dienen. Der Lichteinschluss in der optischen Faser führt hierbei zwar zu einer Abgabe von gerichtetem Licht, jedoch kann es auch hierbei wiederum zu Speckle-Artefakten und damit einer inhomogenen Illumination kommen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lasermedium bereitzustellen, welches einerseits eine gerichtete Abgabe von Licht und andererseits eine homogene Illumination ermöglicht, wobei insbesondere eine Verminderung oder Vermeidung von Speckle-Artefakten angestrebt wird. Ein Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es, diese Eigenschaften inhärent durch das Lasermedium selbst zu ermöglichen, d.h. insbesondere ohne ergänzende Modenmischer oder dergleichen. Eine Aufgabe der Erfindung ist es ferner ein Laser-System bereitzustellen, welches die o.g. Eigenschaften der gerichteten und homogenen, speckle-armen Lichtabgabe aufweist, und vorzugsweise darüber hinaus eine Laser-System bereitzustellen, bei welchem zumindest die Homogenität und Speckle-Resilienzder Illumination einstellbar vermindert werden kann.
Die Erfindung betrifft eine Lasermedium-Anordnung zur Erzeugung oder Verstärkung von Laserlicht durch stimulierte Emission von Photonen.
Die Lasermedium-Anordnung definiert eine Längsrichtung und einen quer zu der Längsrichtung verlaufenden Querschnitt, wobei die Lasermedium-Anordnung damit insbesondere eine Vorzugsrichtung zur Lichtpropagation definiert, welche vorzugsweise entlang der Längsrichtung verläuft.
Die Lasermedium-Anordnung umfasst eine Vielzahl von Strukturelementen, welche sich jeweils entlang der Längsrichtung sowie anteilig über den Querschnitt erstrecken, wobei zumindest zwei verschiedene Typen von Strukturelementen umfasst sind, nämlich ein erster Typ mit einem ersten Brechungsindex und ein zweiter Typ mit einem zweiten Brechungsindex.
Die umfasste Vielzahl von Strukturelementen kann demnach zumindest ein Strukturelement des ersten Typs sowie eines oder mehrere Strukturelemente des zweiten Typs umfassen, oder umgekehrt eines oder mehrere Strukturelemente des ersten Typs sowie ein Strukturelement des zweiten Typs, oder auch sowohl mehrere Strukturelemente des ersten Typs als auch mehrere Strukturelemente des zweiten Typs umfassen. Selbstverständlich können auch mehr als zwei verschiedene Typen, z.B. drei verschiedene Typen von Strukturelementen umfasst sein.
Zumindest eines der Strukturelemente umfasst dabei ein laseraktives Material. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass mehrere oder alle Strukturelemente eines Typs oder auch mehrere oder alle Strukturelemente mehrerer Typen ein laseraktives Material umfassen, wie weiter unten noch näher ausgeführt wird.
In manchen Ausführungsformen weist die Lasermedium-Anordnung eine Rückkoppel-Einrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, das erzeugte Laserlicht anteilig in das laseraktive Material zurückzuführen. Die Rückkoppel-Einrichtung dient insbesondere dazu, ein optisches Feedback bereitzustellen, damit die Photonen das laseraktive Material lange genug passieren, um eine makroskopische Verstärkung zu erreichen.
Beispielsweise kann hierzu vorgesehen sein, dass die Lasermedium-Anordnung zwei stirnseitige Enden aufweist, welche die Ausdehnung der Lasermedium-Anordnung entlang der Längsrichtung begrenzen, wobei die stirnseitigen Enden vorzugsweise dazu eingerichtet sind, das erzeugte Laserlicht anteilig in das laseraktive Material zurückzuführen, insbesondere indem die stirnseitigen Enden Endflächen bilden, die senkrecht zu der Längsrichtung verlaufen und/oder verspiegelt ausgebildet sind.
Es kann aber beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die Lasermedium-Anordnung, insbesondere die Strukturelemente, insbesondere das laseraktive Material, eingebettete lichtstreuende Strukturen umfasst, welche dazu eingerichtet sind, das erzeugte Laserlicht anteilig in das laseraktive Material zurückzuführen.
Weiterhin kann beispielsweise vorgesehen sein, die Lasermedium-Anordnung einen die stirnseitigen Enden umgebenden optischen Resonator umfasst, welcher dazu eingerichtet sind, das erzeugte Laserlicht anteilig in das laseraktive Material zurückzuführen. Ein solcher optischer Resonator kann insbesondere zwei Spiegel umfassen, wobei zumindest einer dieser Spiegel teildurchlässig ist, um Laserlicht aus dem Resonator auszuleiten, und wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als externer Resonator bezeichnet.
Die vorstehend beschriebenen Beispiele, welche alternativ oder in Kombination zum Einsatz kommen können, sind nicht abschließend zu verstehen. Es sind weitere Varianten oder Weiterbildungen der Rückkoppel-Einrichtung möglich, beispielsweise umfassend zumindest eines der folgenden Eigenschaften: Faser-Bragg-Gitter, dielektrische Beschichtung der stirnseitigen Enden, hochreflektierende Beschichtung (HR), teilreflektierende Beschichtung (PR) und/oder Antireflexbeschichtung (AR).
Bei weiteren Ausführungsformen können die stirnseitigen Enden abgeschrägt sein, insbesondere bei einem externen ausgebildeten Resonator. Diese Ausgestaltung unterstützt das Verhindern eines internen Resonators, der mit dem externen Resonator konkurriert. Diese Ausführungsform kann auch bei einem Random Laser sinnvoll sein.
Generell können die stirnseitigen Enden einen von 90° verschiedenen Winkel zur Längsachse aufweisen, beispielsweise auch bezüglich des im Resonator propagierenden Lichtes unter dem Brewsterwinkel angeordnet sein.
Hinsichtlich der Wellenlänge des erzeugbaren Laserlichts bestimmen mehrere Faktoren das emittierte Frequenzspektrum. Die Verstärkungsbandbreite Δλ ist ein Maß für den Wellenlängenbereich, in welchem einfallendes Licht im Medium durch stimulierte Emission prinzipiell verstärkt werden kann. Sie ist eine Eigenschaft des Lasermediums und durch das laseraktive Ion, sowie das Wirtsmaterial dominiert. Darüber hinaus definiert der Resonator über seine geometrischen Randbedingungen longitudinale Moden, welche die Anzahl möglicher Emissionswellenlängen einschränkt, da für konstruktive Interferenz nach einem Umlauf im Resonator ein Vielfaches von 2n Phasenverzögerung bevorzugt und in manchen Fällen sogar notwendig ist. Für einen linearen Stehwellenresonator zum Beispiel beträgt die Resonatorlänge ein Vielfaches der halben Wellenlänge. Die Güte des Resonators definiert dabei wie schmalbandig ein einzelner Resonanzpeak ist. Typischerweise liegen mehrere longitudinale Moden innerhalb des Verstärkungsprofils, welche im Falle eines inhomogen verbreiterten Lasermediums, wie Lasergläsern, auch simultan lasen können. Diese breitbandigen Quellen sind Grundlage unterschiedlicher Techniken, wie der Erzeugung kurzer Laserpulse, oder dienen als Lichtquellen für spezielle Messverfahren, wie optische Kohärenz Tomographie. Andere Applikationen benötigen dagegen monochromatisches Licht, d.h. eine Quelle, die idealerweise nur auf einer longitudinalen Mode emittiert. Um dies zu erreichen werden weitere frequenzselektive Elemente wie unter anderem Lyot-Filter, Beugungsgitter, Etalons oder elektro-optische Modulatoren in den Resonator eingebracht, um die Verluste für unerwünschte Moden soweit zu erhöhen, dass sie die Verstärkung dominieren, und den Resonator auf den longitudinalen Ein-Moden-Betrieb zwingen.
Vorzugsweise sind in der Lasermedium-Anordnung eine Vielzahl von transversalen Moden anregbar und die Lasermedium-Anordnung, insbesondere die Strukturelemente, insbesondere deren Geometrie und/oder Anordnung im Querschnitt der Lasermedium-Anordnung sind derart ausgebildet, dass eine solche Vielzahl von transversalen Moden anregbar ist.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass in der Lasermedium-Anordnung eine Modendichte anregbar ist, welche zumindest 1000 pro mm² beträgt, insbesondere zumindest 5000 pro mm² beträgt, insbesondere zumindest 10000 pro mm² beträgt, insbesondere zumindest 20000 pro mm² beträgt, insbesondere zumindest 50000 pro mm² beträgt.
Es kann ferner insbesondere vorgesehen sein, dass in der Lasermedium-Anordnung zumindest 10 transversale Moden anregbar sind, besonders bevorzugt zumindest 100 transversale Moden anregbar sind, nochmals bevorzugter zumindest 500 transversale Moden anregbar sind, nochmals bevorzugter zumindest 1000 transversale Moden anregbar sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lasermedium-Anordnung dazu eingerichtet, Licht entlang der Längsrichtung der Lasermedium-Anordnung zu leiten und quer zu der Längsrichtung optisch einzuschließen.
Die Lasermedium-Anordnung kann insbesondere dazu eingerichtet sein, Licht quer zu der Längsrichtung transversal lokalisiert zu übertragen, insbesondere mit einer räumlichen Auflösung im Querschnitt der Lasermedium-Anordnung zu übertragen, dass die Lasermedium-Anordnung einen Bildleiter bildet.
Die räumliche Auflösung kann vorzugsweise höher sein als 5 Linienpaare pro mm (lp/mm), besonders bevorzugt höher als 10 lp/mm, oder höher als 25 lp/mm, oder höher als 50 lp/mm, oder höher als 100 lp/mm, oder höher als 150 lp/mm, oder höher als 200 lp/mm.
Die Strukturelemente der Lasermedium-Anordnung erstrecken sich vorzugsweise derart über den Querschnitt der Lasermedium-Anordnung, dass im Querschnitt der Lasermedium-Anordnung eine Vielzahl von Querschnittsregionen definiert ist, welche jeweils dem Querschnitt eines einzelnen Strukturelements entsprechen.
Die Strukturelemente verlaufen demnach insbesondere nebeneinander, insbesondere parallel zueinander, entlang der Längsrichtung der Lasermedium-Anordnung und ihre Querschnitte nehmen jeweils einen flächigen Anteil des Querschnitts der Lasermedium-Anordnung ein und definieren daher jeweils eine Querschnittsregion des Querschnitts der Lasermedium-Anordnung. Die Querschnittsregionen entsprechen also insbesondere den durch die Strukturelemente gebildeten Flächenbereichen, wenn man auf eine Querschnittsfläche der Lasermedium-Anordnung schaut, also z.B. die stirnseitigen Endflächen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, ungleichmäßig angeordnet sind, um eine transversale Anderson-Lokalisierung quer zu der Längsrichtung zu bewirken. Die ungleichmäßige Anordnung kann beispielsweise eine zufällige Anordnung sein, aber es sind auch nicht-zufällige ungleichmäßige Anordnungen möglich wie weiter unten noch näher ausgeführt wird.
Wie bereits beschrieben umfasst die Lasermedium-Anordnung eine Vielzahl von Strukturelementen, wobei zumindest zwei verschiedene Typen von Strukturelementen umfasst sind.
In manchen Ausführungsformen der Lasermedium-Anordnung kann nun vorgesehen sein, dass ein Strukturelement des ersten Typs und eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfasst sind. Die Vielzahl von Strukturelementen umfasst demnach insbesondere genau ein Strukturelement des ersten Typs. Das Strukturelement des ersten Typs ist insbesondere ausgebildet als, bspw. monolithischer, Grundkörper mit oder aus einem ersten Medium, wobei das erste Medium den ersten Brechungsindex aufweist. Die Strukturelemente des zweiten Typs können als Hohlräume in dem Grundkörper ausgebildet sein, wobei die Hohlräume vorzugsweise den zweiten Brechungsindex bilden, z.B. durch den Brechungsindex von Luft oder einem Gas, das sich als Medium in den Hohlräumen befinden kann, oder mit einem zweiten Medium, insbesondere einem Festkörper, gefüllt sind, wobei das zweite Medium den zweiten Brechungsindex aufweist.
In manchen Ausführungsformen der Lasermedium-Anordnung kann auch vorgesehen sein, dass eine Vielzahl von Strukturelementen des ersten Typs und eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfasst sind. In diesem Fall können die Strukturelemente des ersten Typs ausgebildet sein als, insbesondere stabförmige oder rohrförmige, Körper mit oder aus einem ersten Medium, wobei das erste Medium den ersten Brechungsindex aufweist. Die Strukturelemente des zweiten Typs können in diesem Fall ausgebildet sein als, insbesondere stabförmige oder rohrförmige, Körper mit oder aus einem zweiten Medium, wobei das zweite Medium den zweiten Brechungsindex aufweist und/oder als Hohlräume in den Strukturelementen des ersten Typs, wobei die Hohlräume vorzugsweise den zweiten Brechungsindex bilden oder gefüllt sind mit einem zweiten Medium, insbesondere einem Festkörper, wobei das zweite Medium den zweiten Brechungsindex aufweist.
Insbesondere im Fall, dass die Strukturelemente des zweiten Typs als gefüllte Hohlräume in den Strukturelementen des ersten Typs vorliegen, können die Strukturelemente als Kern-Mantel-Systeme ausgebildet sein, derart, dass der Kern dem gefüllten Hohlraum entspricht.
Dabei sind unter stabförmigen oder rohrförmigen Körpern nicht ausschließlich solche runder Querschnittsgeometrie zu verstehen.
Wie bereits beschrieben umfasst zumindest eines der Strukturelemente der Lasermedium-Anordnung ein laseraktives Material.
Genauer gesagt kann beispielsweise zumindest ein Strukturelement des ersten Typs, vorzugsweise die Strukturelemente des ersten Typs, besonders bevorzugt das erste Medium, das laseraktive Material umfassen.
In diesem Fall kann in einer Weiterbildung der Erfindung, in welcher die Lasermedium-Anordnung zwei verschiedene laseraktive Materialien umfasst, vorgesehen sein, dass zumindest ein Strukturelement des zweiten Typs, vorzugsweise die Strukturelemente des zweiten Typs, besonders bevorzugt das zweite Medium ein weiteres, anderes laseraktives Material umfasst.
Umgekehrt kann beispielsweise aber auch zumindest ein Strukturelement des zweiten Typs, vorzugsweise die Strukturelemente des zweiten Typs, besonders bevorzugt das zweite Medium, das laseraktive Material umfassen.
In diesem Fall kann in einer Weiterbildung der Erfindung, in welcher die Lasermedium-Anordnung zwei verschiedene laseraktive Materialien umfasst, vorgesehen sein, dass zumindest ein Strukturelement des ersten Typs, vorzugsweise die Strukturelemente des ersten Typs, besonders bevorzugt das erste Medium ein weiteres, anderes laseraktives Material umfasst.
Das laseraktive Material kann einen kristallinen oder amorphen Festkörper, insbesondere ein Glas, als Wirtsmaterial mit einer Fremdionen-Dotierung umfassen.
Insbesondere umfasst das laseraktive Material ein Multikomponentenglas, Phosphatglas, Fluorophosphatglas, Silikatglas oder Quarzglas als Wirtsmaterial, welches eine Dotierung mit Ionen zumindest eines Übergangsmetalls und/oder einer seltenen Erde umfasst, insbesondere mit 4fⁿ Grundzustand.
Optional kann in Ausführungsformen, in welchen die Lasermedium-Anordnung zumindest zwei verschiedene laseraktive Materialien umfasst, das andere laseraktive Material einen kristallinen oder amorphen Festkörper, insbesondere ein Glas, als Wirtsmaterial mit einer Fremdionen-Dotierung umfassen.
Insbesondere umfasst das andere laseraktive Material ein Multikomponentenglas, Phosphatglas, Fluorophosphatglas, Silikatglas oder Quarzglas als Wirtsmaterial, welches eine Dotierung mit Ionen zumindest eines Übergangsmetalls und/oder einer seltenen Erde umfasst, insbesondere mit 4fⁿ Grundzustand.
Eine mögliche Ausführungsform sieht vor, dass das oder die Strukturelemente des ersten Typs ein Glas, z.B. ein Multikomponentenglas, Phosphatglas, Fluorophosphatglas, Silikatglas oder Quarzglas umfassen. Ferner ist es möglich, dass das oder die Strukturelemente des zweiten Typs ein anderes Glas, z.B. ein Multikomponentenglas, Phosphatglas, Fluorophosphatglas, Silikatglas oder Quarzglas umfassen.
Beispielsweise kann der erste Typ ein Phosphatglas und der zweite Typ ein Silikatglas umfassen oder umgekehrt. Möglich ist auch ein Brechungsindex-Unterschied von mindestens 0,05 oder von vorzugsweis mindestens 0,075. Es kann auch insbesondere ein Brechungsindex-Unterschied vorgesehen sein, welcher insbesondere mindestens 0,1 beträgt, insbesondere mindestens 0,2 beträgt, insbesondere mindestens 0,3 beträgt, insbesondere mindestens 0,4 beträgt. Ferner kann hierbei vorgesehen sein, dass die Lasermedium-Anordnung dazu eingerichtet ist, Licht quer zu der Längsrichtung transversal lokalisiert zu übertragen, insbesondere mit einer räumlichen Auflösung im Querschnitt der Lasermedium-Anordnung zu übertragen, dass die Lasermedium-Anordnung einen Bildleiter bildet bzw. dass die Strukturelemente ungleichmäßig angeordnet sind, um eine transversale Anderson-Lokalisierung quer zu der Längsrichtung zu bewirken. Hierdurch kann in überraschender Weise ein Bildleiter als Lasermedium-Anordnung dienen.
Nachfolgend sollen nochmals einige Beispiele ausgeführt werden, wie die Lasermedium-Anordnung mit ihren Strukturelementen und dem laseraktiven Material ausgebildet sein kann.
Gemäß einem Beispiel kann die Lasermedium-Anordnung ein Strukturelement des ersten Typs umfassen, welches ausgebildet ist als, insbesondere monolithischer, Grundkörper mit oder aus einem ersten Medium, insbesondere Glas, welches den ersten Brechungsindex aufweist. Darüber hinaus kann eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfasst sein, welche ausgebildet sind als Hohlräume in dem Grundkörper, welche mit einem als Festkörper ausgebildeten zweiten Medium, insbesondere Glas, gefüllt sind, welche den zweiten Brechungsindex aufweisen und das laseraktive Material umfassen.
Gemäß einem weiteren Beispiel kann die Lasermedium-Anordnung ein Strukturelement des ersten Typs umfassen, welches ausgebildet ist als, insbesondere monolithischer, Grundkörper mit oder aus einem ersten Medium, insbesondere Glas, welches den ersten Brechungsindex aufweist und das laseraktive Material umfasst. Darüber hinaus kann eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfasst sein, welche ausgebildet sind als Hohlräume in dem Grundkörper, welche den zweiten Brechungsindex bilden oder welche mit einem zweiten Medium gefüllt sind, insbesondere ein Festkörper oder eine Flüssigkeit, welches den zweiten Brechungsindex aufweist, und optional ein weiteres, anderes laseraktives Material umfasst.
Gemäß einem weiteren Beispiel kann die Lasermedium-Anordnung eine Vielzahl von Strukturelementen des ersten Typs umfassen, welche ausgebildet sind als, insbesondere stabförmige oder rohrförmige, Körper mit oder aus einem ersten Medium, insbesondere Glas, welches den ersten Brechungsindex aufweist und das laseraktive Material umfasst. Darüber hinaus kann eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfasst sein, welche ausgebildet sind als, insbesondere stabförmige oder rohrförmige, Körper mit oder aus einem zweiten Medium, insbesondere Glas, welches den zweiten Brechungsindex aufweist und optional ein weiteres, anderes laseraktives Material umfasst.
Gemäß einem weiteren Beispiel kann die Lasermedium-Anordnung eine Vielzahl von Strukturelementen des ersten Typs umfassen, welche ausgebildet sind als, insbesondere stabförmige oder rohrförmige, Körper mit oder aus einem ersten Medium, insbesondere Glas, welches den ersten Brechungsindex aufweist und das laseraktive Material umfasst. Darüber hinaus kann eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfasst sein, welche ausgebildet sind als Hohlräume in den Strukturelementen des ersten Typs und welche den zweiten Brechungsindex bilden oder welche mit einem zweiten Medium gefüllt sind, insbesondere Glas, welches den zweiten Brechungsindex aufweist, und optional ein weiteres, anderes laseraktives Material umfasst.
Gemäß einem weiteren Beispiel kann die Lasermedium-Anordnung eine Vielzahl von Strukturelementen des ersten Typs umfassen, welche ausgebildet sind als, insbesondere stabförmige oder rohrförmige, Körper mit oder aus einem ersten Medium, insbesondere Glas, welches den ersten Brechungsindex aufweist. Darüber hinaus kann eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfasst sein, welche ausgebildet sind als Hohlräume in den Strukturelementen des ersten Typs, welche mit einem zweiten Medium gefüllt sind, insbesondere Glas, welches den zweiten Brechungsindex aufweist und das laseraktive Material umfasst.
In Bezug auf die Brechungsindizes kann vorgesehen sein, dass der erste Brechungsindex der Strukturelemente des ersten Typs und der zweite Brechungsindex der Strukturelemente des zweiten Typs um mindestens , insbesondere um mindestens 0,1 abweichen, insbesondere um mindestens 0,2 abweichen, insbesondere um mindestens 0,3 abweichen, insbesondere um mindestens 0,4 abweichen. Möglich ist auch ein Brechungsindex-Unterschied von mindestens 0,05 oder von vorzugsweis mindestens 0,075. Um entsprechende vorgenannte Unterschiede im Brechungsindex zu erreichen kann insbesondere ein Multikomponentenglas als Material eines oder mehrerer Strukturelemente vorgesehen sein.
Wie bereits weiter oben beschrieben wurde können sich die Strukturelemente der Lasermedium-Anordnung derart über den Querschnitt der Lasermedium-Anordnung erstrecken, dass im Querschnitt der Lasermedium-Anordnung eine Vielzahl von Querschnittsregionen definiert ist, welche jeweils dem Querschnitt eines einzelnen Strukturelements entsprechen.
Das Verhältnis der Gesamtfläche der Querschnittsregionen der Strukturelemente des ersten Typs und der Gesamtfläche der Querschnittsregionen der Strukturelemente des zweiten Typs liegt z.B. in einem Bereich zwischen 1:9 und 9:1, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 3:7 und 7:3, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 4:6 und 6:4.
Es soll aber nicht ausgeschlossen sein, dass das Verhältnis der Gesamtfläche der Querschnittsregionen der Strukturelemente des ersten Typs und der Gesamtfläche der Querschnittsregionen der Strukturelemente des zweiten Typs auch in einem Bereich zwischen 1:150 und 150:1, bevorzugt in einem Bereich zwischen 1:100 und 100:1, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 1:50 und 50:1 liegen kann.
Die Gesamtfläche der Querschnittsregionen der Strukturelemente für jeden Typ beträgt z.B. mindestens 1/(10*T), vorzugsweise mindestens 1/(5*T), besonders bevorzugt mindestens 1/(3*T) der Querschnittsfläche, wobei T die Anzahl der Typen von Strukturelementen bezeichnet.
Hinsichtlich der lateralen Ausdehnung der Strukturelemente kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Querschnittsregion einen Durchmesser von 100 nm bis 50 µm aufweist, vorzugsweise 400 nm bis 20 µm, besonders bevorzugt 500 nm bis 2000 nm.
Hinsichtlich der geometrischen Form der Strukturelemente kann vorgesehen sein, dass eine Querschnittsregion eine unrunde oder polygonale, beispielsweise pentagonale oder hexagonale Geometrie aufweist.
Wie weiter oben bereits beschrieben wurde weisen die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, vorzugsweise eine ungleichmäßige Anordnung auf, wobei eine solche ungleichmäßige Anordnung insbesondere zufällig sein kann. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Anordnung ungleichmäßig, aber durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist, d.h. nicht zufällig ist.
Die ungleichmäßige Anordnung der Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, kann insbesondere wie folgt ausgebildet sein:

(a) als eine periodische Positionierung von Strukturelementen, insbesondere deren Querschnittsregionen, wobei die periodisch positionierten Strukturelemente untereinander eine Variation aufweisen, welche zufällig und/oder ungleichmäßig aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist, wobei die Variation der periodisch positionierten Strukturelemente untereinander vorzugsweise als Variation des Typs der Strukturelemente, des Brechungsindex der Strukturelemente und/oder der Geometrie, z.B. der Form, des Durchmessers und/oder der Substruktur, der Strukturelemente ausgebildet ist,
(b) als eine aperiodische Positionierung von Strukturelementen, insbesondere deren Querschnittsregionen, wobei die aperiodischen Positionen der Strukturelemente zufällig und/oder ungleichmäßig aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet sind, wobei optional die Strukturelemente zudem untereinander eine Variation aufweisen, welche zufällig und/oder ungleichmäßig aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist, und/oder (c) als eine Positionierung von Strukturelementen, insbesondere deren Querschnittsregionen, auf periodischen Plätzen, wobei einige der periodischen Plätze belegt sind und einige der periodischen Plätze unbelegt sind und die Belegung zufällig und/oder ungleichmäßig aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist, wobei optional die Strukturelemente zudem untereinander eine Variation aufweisen, welche zufällig und/oder ungleichmäßig aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist.

Die Erfindung betrifft ferner ein Laser-System mit einer Lasermedium-Anordnung wie vorstehend beschrieben, zumindest einer Pumpquelle zum optischen Anregen des laseraktiven Materials, und einer Auskoppelstelle zur Auskopplung des erzeugten Laserlichts.
Die Pumpquelle kann in einer Ausführungsform eingerichtet sein, Pumplicht longitudinal in ein stirnseitiges Ende der Lasermedium-Anordnung einzukoppeln. Es können auch eine oder mehrere Pumpquellen dazu eingerichtet sein, Pumplicht longitudinal in beide stirnseitigen Ende der Lasermedium-Anordnung einzukoppeln. Es ist auch möglich, dass die Pumpquelle eingerichtet ist, Pumplicht in radialer und/oder tangentialer Richtung in die Lasermedium-Anordnung einzukoppeln, z.B. seitlich in die Mantelfläche der Lasermedium-Anordnung. Die genannten Pump-Geometrien sind nur beispielhaft zu verstehen. Es können auch andere Pump-Geometrien vorliegen, z.B. eine sog. Double-Clad-Geometrie oder andere Pump-Geometrien.
Besonders bevorzugt weist das Laser-System eine Rückkoppel-Einrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, das erzeugte Laserlicht anteilig in das laseraktive Material zurückzuführen. Die Rückkoppel-Einrichtung dient insbesondere dazu, ein optisches Feedback bereitzustellen, damit die Photonen das laseraktive Material lange genug passieren, um eine makroskopische Verstärkung zu erreichen.
Für Beispiele für eine Rückkoppel-Einrichtung wird auf die obenstehenden Ausführungen verwiesen. Optional kann das Laser-Systeme frequenzselektive Elemente zur Manipulation der Emissionswellenlänge umfassen.
In einer Weiterbildung ist das Laser-System, insbesondere die Pumpquelle, derart eingerichtet, dass lediglich ein definierter Teil des Querschnitts der Lasermedium-Anordnung über die Pumpquelle anregbar ist, um die räumliche Inkohärenz des ausgekoppelten Laserlichts zu vermindern bzw. die räumliche Kohärenz des ausgekoppelten Laserlichts zu erhöhen.
Bei einer longitudinalen Einstrahlung von Pumplicht auf ein stirnseitiges Ende der Lasermedium-Anordnung kann bspw. der Pumplichtfleck auf dem stirnseitigen Ende lediglich einen definierten Teil des Querschnitts bestrahlen. Bei einer radialen bzw. tangentialen Einstrahlung von Pumplicht kann bspw. ebenfalls lediglich einen definierten Teil des Querschnitts angeregt werden.
Insbesondere kann das Laser-System vorzugsweise derart eingerichtet sein und/oder Mittel umfassen, dass der definierte Teil des Querschnitts variierbar ist, so dass die räumliche Kohärenz des ausgekoppelten Laserlichts einstellbar ist.
Bei einer longitudinalen Einstrahlung von Pumplicht auf ein stirnseitiges Ende der Lasermedium-Anordnung kann bspw. die Größe und/oder Form des Pumplichtflecks auf dem stirnseitigen Ende einstellbar sein. Bei einer radialen bzw. tangentialen Einstrahlung von Pumplicht kann bspw. ebenfalls der Anteil des angeregten Querschnitts einstellbar sein.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erzeugung oder Verstärkung von Laserlicht durch stimulierte Emission von Photonen, wobei eine Lasermedium-Anordnung wie vorstehend beschrieben bereitgestellt wird, wobei die Lasermedium-Anordnung eine Vielzahl von Strukturelementen umfasst, welche jeweils laseraktives Material umfassen, und wobei eine Pumpquelle zum optischen Anregen des laseraktiven Materials bereitgestellt wird und das laseraktive Material mittels der Pumpquelle angeregt wird, wobei laseraktives Material simultan innerhalb einer Vielzahl von Strukturelementen angeregt wird, insbesondere, um Laserlicht mit räumlicher Inkohärenz zu erzeugen und/oder wobei laseraktives Material in zumindest einem Strukturelement, vorzugsweise einer einstellbaren Vielzahl von Strukturelementen, nicht angeregt wird, insbesondere, um die räumliche Inkohärenz des Laserlichts zu vermindern und/oder wobei ein definierter Teil des Querschnitts der Lasermedium-Anordnung über die Pumpquelle angeregt wird, insbesondere derart, dass das transversale Profil des Laserlichts der Geometrie des anregten definierten Teils des Querschnitts entspricht.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand der folgenden Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Laser-Systems mit einer Lasermedium-Anordnung mit einem optischen Resonator und einer Pumpquelle zum optischen Anregen des laseraktiven Materials,
2 eine schematische Darstellung einer Lasermedium-Anordnung, wobei lediglich ein definierter Teil des Querschnitts der Lasermedium-Anordnung angeregt wird,
3 schematische Darstellung von Querschnitten verschiedener Lasermedium-Anordnungen mit (a), (b), (c) zwei Typen von Strukturelementen bzw. (d), (e) drei Typen von Strukturelementen, wobei die Querschnittsbereiche der Strukturelemente ungleichmäßig angeordnet sind,
4 schematische perspektivische Ansichten zweier Lasermedium-Anordnungen mit (a) zwei Typen von Strukturelementen deren Querschnittsbereiche ungleichmäßig auf einem Gitter verteilt angeordnet sind und (b) einer Vielzahl von Strukturelementen ungleichmäßiger Brechungsindizes (Vielzahl von Typen) und/oder ungleichmäßiger Geometrien (Durchmesser),
5 schematische Veranschaulichung verschiedener Möglichkeiten für Lasermedium-Anordnungen mit ungleichmäßig angeordneten Strukturelementen bzw. deren Querschnittsregionen,
6 schematische Veranschaulichung verschiedener Aspekte für Variationen unter Strukturelementen bzw. deren Querschnittsregionen und Möglichkeiten für Kombinationen dieser Aspekte,
7 schematische Veranschaulichung verschiedener weiterer Möglichkeiten für Lasermedium-Anordnungen mit ungleichmäßig angeordneten Strukturelementen bzw. deren Querschnittsregionen, wobei die Lasermedium-Anordnungen jeweils ein Strukturelement eines ersten Typs und eine Vielzahl von Strukturelementen eines zweiten Typs umfassen,
8 schematische Veranschaulichung verschiedener weiterer Möglichkeiten für Lasermedium-Anordnungen mit ungleichmäßig angeordneten Strukturelementen bzw. deren Querschnittsregionen, wobei die Lasermedium-Anordnungen jeweils eine Vielzahl von Strukturelementen eines ersten Typs und eine Vielzahl von Strukturelementen eines zweiten Typs und ggf. weiterer Typen umfassen
9 schematische Veranschaulichung einer Ausführungsform umfassend eine Master-Oscillator-Power-Amplifier-Anordnung (MOPA), bei welcher Resonatoren oder insbesondere Systeme mit optischer Rückkopplung, insbesondere ein vorliegend beschriebenes Lasersystem für den Master-Oszillator und eine vorliegend beschriebene Lasermedium-Anordnung als optisches Verstärkersystem eingesetzt ist und durch eine Pumpquelle eine Besetzungsinversion in dem als Verstärker verwendeten Laser-aktiven Medium erzeugt ist.

1 zeigt ein Laser-System 100 mit einer Lasermedium-Anordnung 1, welche einen optischen Resonator 300 umfasst, einer Pumpquelle 200 und einer Auskoppelstelle 400, welche in diesem Fall durch einen teildurchlässigen Spiegel des optischen Resonators 300 gebildet ist. In dem gezeigten Beispiel ist die Pumpquelle 200 seitlich angeordnet und dazu eingerichtet Pumpenergie in radialer Richtung 6, d.h. insbesondere senkrecht zur Längsrichtung 5 der Lasermedium-Anordnung 1, in die Lasermedium-Anordnung 1 einzukoppeln.
Die Lasermedium-Anordnung 1 umfasst eine Vielzahl von Strukturelementen 10, welche sich jeweils entlang der Längsrichtung 5 sowie jeweils anteilig über den Querschnitt der Lasermedium-Anordnung 1 erstrecken. In dem gezeigten Beispiel umfasst die Lasermedium-Anordnung 1 genau ein als Grundkörper ausgebildetes Strukturelement 10a, welches einen ersten Brechungsindex aufweist, und eine Vielzahl von darin befindlichen Strukturelementen 10b, welche jeweils einen zweiten Brechungsindex aufweisen und laseraktives Material umfassen. Beide Typen von Strukturelementen 10a und 10b sind in diesem Fall als Festkörper ausgebildet, z.B. jeweils aus einem Glas, wobei die Strukturelemente 10b des zweiten Typs, welche das laseraktive Material umfassen, insbesondere eine Fremdionen-Dotierung aufweisen. Im Querschnitt bilden die Strukturelemente 10 eine ungleichmäßige Anordnung aus, wodurch eine transversale Anderson-Lokalisierung quer zu der Längsrichtung 5 der Lasermedium-Anordnung 1 ermöglicht wird.
2 zeigt nochmals die Lasermedium-Anordnung 1, welche sich entlang der Längsrichtung 5 von einem stirnseitigen Ende 2 zum anderen stirnseitigen Ende 4 erstreckt, wobei das stirnseitige Ende 2 im Querschnitt zu sehen ist. Die Strukturelemente 10 erstrecken sich derart über den Querschnitt der Lasermedium-Anordnung 1, dass im Querschnitt der Lasermedium-Anordnung 1 eine Vielzahl von Querschnittsregionen 20 definiert ist, welche jeweils dem Querschnitt eines einzelnen Strukturelements 10 entsprechen. Das heißt jedes Strukturelement 10 bildet und/oder beansprucht einen Teil der Querschnittsfläche der Lasermedium-Anordnung 1 und dieser Teil wird als die Querschnittsregionen 20 des Strukturelements 10 bezeichnet. Die Querschnittsregionen 20 der Strukturelemente weisen in diesem Beispiel eine ungleichmäßige Anordnung dahingehend auf, dass die Querschnittsregionen der Strukturelemente des zweiten Typs 10b, welche das laseraktive Material umfassen, aperiodisch angeordnet sind.
Wie ebenfalls in 2 zu erkennen ist kann ein Laser-System 100 bzw. dessen Pumpquelle 200 derart eingerichtet sein, dass lediglich ein definierter Teil 7 des Querschnitts der Lasermedium-Anordnung 1 anregbar ist bzw. angeregt wird. Hierdurch kann beispielsweise nur in einem Teil der Strukturelemente des zweiten Typs 10b, welche das laseraktive Material umfassen, eine Laseraktivität erzeugt werden, wodurch die räumliche Inkohärenz des ausgekoppelten Laserlichts verminderbar ist. Dies kann sowohl bei radialer und/oder tangentialer und/oder longitudinaler Einkopplung von Pumpenergie vorgesehen sein. Der definierte Teil 7 des Querschnitts kann auch variierbar sein, so dass die räumliche Inkohärenz des ausgekoppelten Laserlichts einstellbar ist. Im Fall einer longitudinalen Einkopplung von Pumpenergie, d.h. einer Einkopplung entlang der Längsrichtung 5, kann der definierte Teil 7 des Querschnitts dem Pumplichtfleck entsprechen.
3 zeigt verschiedene prinzipielle Beispiele von Lasermedium-Anordnungen 1. Diese prinzipiellen Darstellungen dienen zur Verdeutlichung verschiedener Varianten ungleichmäßiger Anordnung von Strukturelementen bzw. deren Querschnittsregionen und dem Vorhandensein von laseraktiven Material in den Strukturelementen.
Die in 3 (a) im Querschnitt gezeigte Lasermedium-Anordnung weist ein als Grundkörper ausgebildetes Strukturelement eines ersten Typs 10a auf, welches eine Vielzahl von Strukturelementen eines zweiten Typs 10b beherbergt. Die Strukturelemente des zweiten Typs 10b können dabei z.B. als sich entlang der Längsrichtung verlaufende Hohlräume bzw. Hohlkanäle in dem Strukturelement des ersten Typs 10a ausgebildet sein. Das als Grundkörper ausgebildete Strukturelement des ersten Typs 10a umfasst dabei ein erstes Material mit einem ersten Brechungsindex und die z.B. als Hohlräume ausgebildeten Strukturelemente des zweiten Typs 10b bilden den zweiten Brechungsindex, bspw. durch die darin befindliche Luft oder ein anderes Gas. Die Querschnittsregion 20 des Strukturelementes des ersten Typs 10a entspricht in diesem Fall der Querschnittsfläche der Lasermedium-Anordnung abzüglich der durch die Hohlräume definierten Löcher in dieser Fläche, während die Querschnittsregionen 20 der Strukturelemente des zweiten Typs 10b jeweils der Querschnittsfläche der Hohlräume entsprechen. Die Hohlräume in dem Grundkörper können aber auch mit einem zweiten Material gefüllt sein, derart, dass das die Strukturelemente des zweiten Typs 10b den gefüllten Hohlräumen entsprechen. Wie in der Figur schematisch dargestellt ist, sind die Querschnittsregionen 20 der Strukturelemente des zweiten Typs 10b dahingehend ungleichmäßig ausgebildet, dass ihre Positionen ungleichmäßig über den Querschnitt verteilt sind, insbesondere nicht auf einem periodischen Gitter liegen.
Das als Grundkörper ausgebildete Strukturelement 10a kann in diesem Fall das laseraktive Material umfassen. Im Fall, dass die Hohlräume gefüllt sind, können auch die den gefüllten Hohlräumen entsprechenden Strukturelemente 10b das laseraktive Material umfassen. Es ist auch möglich, dass einerseits das Strukturelement 10a das laseraktive Material umfasst und andererseits die Strukturelemente 10b ein anderes laseraktives Material umfassen.
Die in 3 (b) im Querschnitt gezeigte Lasermedium-Anordnung weist ebenfalls zwei Typen 10a, 10b von Strukturelementen auf, nämlich wiederum genau ein als Grundkörper ausgebildetes Strukturelemente 10a mit einem ersten Brechungsindex, sowie eine Vielzahl von Strukturelementen 10b mit einem davon abweichenden zweiten Brechungsindex. In dem hier gezeigten Beispiel sind die Querschnittsregionen 20 der Strukturelemente des zweiten Typs 10b nicht nur ungleichmäßig angeordnet, sondern weisen auch ungleichmäßige Geometrien auf, in diesem Fall ungleichmäßige Durchmesser, wobei in diesem Fall eine begrenzte Anzahl, nämlich zwei, verschiedene Durchmesser vorliegen. Es ist möglich, dass das Strukturelement 10a das laseraktive Material umfasst. Es ist auch möglich, dass die Strukturelemente 10b das laseraktive Material umfassen. Ferner können auch sowohl das Strukturelement 10a als auch die Strukturelemente 10b laseraktives Material umfassen, wobei vorzugsweise unterschiedliche laseraktive Materialien für die beiden Typen vorgesehen sind.
Die in 3 (c) im Querschnitt gezeigte Lasermedium-Anordnung weist wiederum zwei Typen 10a, 10b von Strukturelementen auf, wobei die Querschnittsregionen der Strukturelemente des zweiten Typs 10b jeweils innerhalb eines Strukturelementes des ersten Typs 10a angeordnet sind, insb. als Kern-Mantel-Systeme. In diesem Fall ist also eine Vielzahl von Strukturelementen des ersten Typs 10a und eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs 10b vorgesehen. Die Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen sind dahingehend ungleichmäßig ausgebildet, dass die Strukturelemente des ersten Typs 10a (welche die Strukturelemente des zweiten Typs 10b beherbergen) ungleichmäßig, insbesondere aperiodisch, über den Querschnitt der Lasermedium-Anordnung angeordnet sind. Es ist möglich, dass die den Mantel bildenden Strukturelemente 10a das laseraktive Material umfassen. Es ist auch möglich, dass die den Kern bildenden Strukturelemente 10b das laseraktive Material umfassen. Ferner können auch sowohl die Strukturelemente 10a als auch die Strukturelemente 10b laseraktives Material umfassen, wobei vorzugsweise unterschiedliche laseraktive Materialien für die beiden Typen vorgesehen sind.
Die in den 3 (d) und (e) im Querschnitt gezeigten Lasermedium-Anordnungen entsprechend in einigen Aspekten den in 3 (a) bzw. (b) gezeigten Lasermedium-Anordnungen, aber Strukturelemente dreier Typen 10a, 10b, 10c mit verschiedenen Brechungsindizes aufweisend. Insbesondere können Hohlräume in dem als Grundkörper ausgebildeten Strukturelement 10a mit verschiedenen Medien gefüllt sein. Es ist möglich, dass das Strukturelement 10a das laseraktive Material umfasst. Es ist auch möglich, dass die Strukturelemente 10b und/oder 10c das laseraktive Material umfassen. Ferner können auch sowohl das Strukturelement 10a als auch die Strukturelemente 10b und/oder 10c laseraktives Material umfassen, wobei vorzugsweise unterschiedliche laseraktive Materialien für die verschiedenen Typen vorgesehen sind.
4 zeigt zwei weitere Beispiele von Lasermedium-Anordnungen 1, welche insbesondere als Bildleiter nutzbar sein können. Die Lasermedium-Anordnungen 1 umfassen wiederum eine Vielzahl von Strukturelementen 10, welche sich jeweils von einem ersten stirnseitigen Ende 2 zu einem zweiten stirnseitigen Ende 4 der Lasermedium-Anordnung 1 entlang der Transportrichtung 5 erstrecken und beispielsweise stabförmig ausgebildet sind.
Die in 4 (a) gezeigte Lasermedium-Anordnung weist eine Vielzahl von Strukturelementen eines ersten Typs 10a und eine Vielzahl von Strukturelementen eines zweiten Typs 10b auf. In diesem Beispiel sind die Querschnittsregionen der Strukturelemente auf einem periodischen Gitter angeordnet. Die Strukturelemente weisen jedoch eine ungleichmäßige Anordnung dahingehend auf, dass die Strukturelemente des ersten Typs 10a und des zweiten Typs 10b, und damit die Brechungsindizes, ungleichmäßig angeordnet und/oder verteilt sind und/oder eine ungleichmäßige Belegung auf periodischen Positionen vorliegt. Es ist möglich, dass die Strukturelemente 10a das laseraktive Material umfassen. Es ist auch möglich, dass die Strukturelemente 10b das laseraktive Material umfassen. Ferner können auch sowohl das Strukturelement 10a als auch die Strukturelemente 10b laseraktives Material umfassen, wobei vorzugsweise unterschiedliche laseraktive Materialien für die beiden Typen vorgesehen sind.
Die in 4 (b) gezeigte Lasermedium-Anordnung weist wiederum eine Vielzahl von Strukturelementen 10 auf, die auf einem periodischen Gitter angeordnet sind, wobei in diesem Beispiel die Querschnittsregionen der Strukturelemente ungleichmäßige Geometrien aufweisen. Die Geometrien können sich insbesondere dadurch unterscheiden, dass die Durchmesser der Strukturelemente bzw. ihrer Querschnittsregionen voneinander abweichen. Darüber hinaus können die Strukturelementen 10 eine Ungleichmäßigkeit dahingehend aufweisen, dass die Brechungsindizes der Strukturelemente voneinander abweichen. Dabei kann eine diskrete Anzahl verschiedener Brechungsindizes, z.B. zwei, drei, vier, etc., aber grundsätzlich auch eine kontinuierliche Variation der Brechzahl vorgesehen sein. Zumindest einige der Strukturelemente 10 weisen in dieser Variante laseraktives Material auf.
5 zeigt anhand eines Baumdiagramms verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung einer ungleichmäßigen Anordnung. In 5a ist als Ausgangspunkt ein Strukturelement 10a gezeigt, welches z.B. als Matrixmaterial ausgebildet sein kann (es ist auch möglich, dass das Strukturelement 10a als Luft ausgebildet ist bzw. abwesend ist). 5b zeigt einen davon abgeleiteten weiteren Ausgangspunkt mit dem Strukturelement 10a sowie einer Vielzahl von periodischen Positionen P zur Belegung mit Strukturelementen, welche dann eine periodische Positionierung aufweisen. 5d zeigt einen weiteren von 5a abgeleiteten Ausgangspunkt mit dem Strukturelement 10a sowie einer Vielzahl von aperiodischen Positionen P zur Belegung mit Strukturelementen, um eine aperiodische Positionierung zu erlangen. Ausgehend von den in 5b und 5d gezeigten Ausgangspunkten ergeben sich durch Belegung der Positionen P mit Strukturelementen Lasermedium-Anordnungen wie nachfolgend näher beschrieben wird.
Ausgehend von 5b zeigt 5c eine Lasermedium-Anordnung 1 mit Strukturelementen 10b, 10c deren Querschnittsregionen eine periodische Positionierung aufweisen und/oder auf periodischen Positionen liegen. Die in 5c gezeigte Lasermedium-Anordnung weist drei Typen von Strukturelementen 10a, 10b, 10c auf, welche jeweils einen anderen Brechungsindex aufweisen können. Beispielsweise kann das Strukturelement 10a als Matrixmaterial ausgebildet sein und die Strukturelemente 10b und 10c können Hohlräume in dem Matrixmaterial sein, welche mit Materialien abweichender Brechungsindizes gefüllt sind.
Möglich ist jedoch ebenso, dass eines der Materialien der Strukturelemente 10b und 10c wiederum dem Matrixmaterial des Strukturelements 10a entspricht bzw. dass die diesen Strukturelementen entsprechenden (gefüllten) Hohlräume in dem Matrixmaterial fehlen (vergleiche hierzu weiter unten zu 7a). Möglich ist ebenso, dass das Strukturelement 10a als Luft ausgebildet ist bzw. abwesend ist und die Strukturelemente 10b und 10c aneinandergrenzen (vergleiche hierzu weiter unten zu 8a).
Die in 5c gezeigte Lasermedium-Anordnung 1 weist Strukturelemente 10b, 10c mit einer periodischen Positionierung auf. Die Strukturelemente 10b, 10c sind jedoch unterschiedlichen Typs und die Belegung der unterschiedlichen Typen auf dem regelmäßigen Gitter ist ungleichmäßig. Insbesondere ist somit die Variation der Strukturelemente 10b, 10c untereinander ungleichmäßig. 5c zeigt somit einen Fall einer Lasermedium-Anordnung 1, wobei die Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen eine ungleichmäßige Anordnung aufweisen. Der Begriff der Anordnung ist hierbei dahingehend zu verstehen, dass die Auswahl bzw. Belegung der verschiedenen Typen von Strukturelementen 10b, 10c auf den jeweiligen periodischen Positionen ungleichmäßig ist.
Möglich ist darüber hinaus, dass die Strukturelemente 10b, 10c sich nicht hinsichtlich ihrer Brechungsindizes unterscheiden, also z.B. denselben Brechungsindex aufweisen bzw. aus demselben Material bestehen, jedoch hinsichtlich anderer Aspekte variieren (vergleiche hierzu weiter unten zu 6). Es ist ferner möglich, dass die Strukturelemente 10b, 10c sich sowohl hinsichtlich ihrer Brechungsindizes unterscheiden als auch hinsichtlich anderer Aspekte.
Insbesondere kann das Strukturelement 10a das laseraktive Material umfassen und/oder es können die Strukturelemente 10b und/oder 10c das laseraktive Material oder ein anderes laseraktives Material umfassen.
Ausgehend von 5d zeigt 5e eine Lasermedium-Anordnung 1 mit zwei Typen von Strukturelementen, nämlich dem Strukturelement 10a, welches z.B. als Matrixmaterial ausgebildet sein kann, sowie einer Vielzahl von Strukturelementen 10b, welche beispielsweise als, insbesondere gefüllte, Hohlräume in dem Matrixmaterial ausgebildet sein können. Die Querschnittsregionen der Strukturelemente 10b sind in diesem Fall aperiodisch positioniert. Die Positionierung der Strukturelemente 10b kann hierbei nun eine Ungleichmäßigkeit darstellen. Insbesondere können die Strukturelemente 10b des zweiten Typs ungleichmäßige Positionen aufweisen. 5e zeigt somit einen Fall einer Lasermedium-Anordnung 1, wobei die Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen eine ungleichmäßige Anordnung aufweisen. Der Begriff der Anordnung ist hierbei dahingehend zu verstehen, dass die oder einige der Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen aperiodisch positioniert sind. Im Fall von 5e ist insbesondere vorgesehen, dass die Strukturelemente 10b des zweiten Typs einen einheitlichen Brechungsindex aufweisen, einheitliche Geometrien aufweisen und/oder im Hinblick auf weitere Aspekte einheitlich ausgebildet sind, insbesondere identisch ausgebildet sind. In diesem Fall kann von einer einheitlichen Belegung der aperiodischen Positionen gesprochen werden.
Das Strukturelement 10a kann das laseraktive Material umfassen und/oder es können die Strukturelemente 10b das laseraktive Material oder ein anderes laseraktives Material umfassen.
5f zeigt demgegenüber ausgehend von 5d eine Lasermedium-Anordnung 1 bei welcher eine aperiodische Positionierung von Strukturelementen mit zugleich verschiedenen Typen von Strukturelementen 10b, 10c vorgesehen ist. In diesem Fall kann die Ungleichmäßigkeit der Anordnung in der aperiodischen Positionierung der Strukturelemente 10b, 10c liegen oder in der Belegung, also der Variation der Strukturelemente 10b, 10c untereinander, liegen, oder sowohl in der Positionierung als auch in der Belegung liegen.
Das Strukturelement 10a kann das laseraktive Material umfassen und/oder es können die Strukturelemente 10b und/oder 10c das laseraktive Material oder ein anderes laseraktives Material umfassen.
6 zeigt verschiedene Möglichkeiten von Variationen, welche Strukturelemente untereinander aufweisen können (mittlere Zeile) sowie beispielhafte, nicht abschließend zu verstehende, Kombinationsmöglichkeiten der Variationen (untere Ziele). Die gezeigten Variationen können insbesondere für eine Belegung von Positionen mit Strukturelementen herangezogen werden, welche ungleichmäßig ausgebildet ist. Strukturelemente, deren Querschnittsregionen auf periodischen oder auch aperiodischen Positionen, z.B. innerhalb eines Matrixmaterials, lokalisiert sind, können beispielsweise untereinander hinsichtlich ihrer Form variieren, hinsichtlich ihres Typs bzw. Brechungsindex variieren, hinsichtlich ihres Substruktur variieren und/oder hinsichtlich ihrer Rotation (und/oder lokalen Position) variieren.
Beispielsweise können Variationen der Geometrien der Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, ausgebildet sein als Variationen der Form (Anzahl der Ecken, Durchmesser). Variationen der Geometrie können auch als Variationen der Substruktur ausgebildet sein. Eine Substruktur kann insbesondere darin liegen, dass ein Strukturelement, insbesondere dessen Querschnittsregion, zumindest zwei verschiedene Bereiche unterschiedlicher Brechungsindizes aufweist, insbesondere einen Kern und einen umgebenen Mantel (Kern-Mantel-System).
In Kombination kann beispielsweise eine erste Art von Strukturelementen einen polygonalen Mantel und/oder einen polygonalen Kern aufweisen und eine zweite Art von Strukturelementen einen runden Mantel und einen polygonalen Kern aufweisen (untere Zeile, erste Spalte). Diese zwei Arten von Strukturelementen können dann beispielsweise zur Belegung periodischer oder auch aperiodischer Positionen dienen.
Ferner kann beispielsweise eine erste Art von Strukturelementen einen ersten Brechungsindex und einen ersten Durchmesser aufweisen und eine zweite Art von Strukturelementen einen zweiten Brechungsindex und einen zweiten Durchmesser aufweisen (untere Zeile, zweite Spalte); oder eine erste Art von Strukturelementen ein Kern-Mantel-System mit einem Kern mit einem ersten Durchmesser und eine zweite Art von Strukturelementen ein Kern-Mantel-System mit einem Kern mit einem zweiten Durchmesser (untere Zeile, dritte Spalte); oder eine erste Art von Strukturelementen ein Kern-Mantel-System mit einem Kern mit einem ersten Brechungsindex und eine zweite Art von Strukturelementen ein Kern-Mantel-System mit einem Kern mit einem zweiten Brechungsindex (untere Zeile, vierte Spalte); oder eine erste Art von Strukturelementen einen ersten Durchmesser und eine Rotation um einen außerhalb des Strukturelements liegenden Drehpunkt und eine zweite Art von Strukturelementen einen zweiten Durchmesser und eine Rotation um einen außerhalb des Strukturelements liegenden Drehpunkt (untere Zeile, fünfte Spalte), oder eine erste Art von Strukturelementen ein Kern-Mantel-System mit einem zentrierten Kern und eine zweite Art von Strukturelementen ein Kern-Mantel-System mit einem Kern mit einer Rotation um einen außerhalb des Kerns liegenden Drehpunkt (untere Zeile, sechste Spalte), und dergleichen mehr.
7a zeigt eine Lasermedium-Anordnung 1, welche jeweils in einigen Aspekten mit der Lasermedium-Anordnung aus 5c vergleichbar ist. Die Lasermedium-Anordnung weist ein erstes Strukturelement 10a auf, welches z.B. als Matrixmaterial ausgebildet sein kann. Ferner weist die Lasermedium-Anordnung eine Vielzahl von Strukturelementen 10b auf, welche z.B. als Hohlräume in dem Matrixmaterial ausgebildet sein können. Die Strukturelemente 10b liegen auf periodischen Plätzen, jedoch sind nicht alle periodischen Plätzen mit einem Strukturelement belegt. 7a zeigt somit einen Fall einer Lasermedium-Anordnung 1, wobei die Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen eine ungleichmäßige Anordnung aufweisen, welche eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt ist. Der Begriff der Anordnung ist hierbei dahingehend zu verstehen, dass die oder einige der Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen auf periodischen Plätzen liegen, wobei einige der periodischen Plätze belegt sind und einige der periodischen Plätze unbelegt sind. Es ist möglich, dass das Strukturelement 10a das laseraktive Material umfasst. Es ist auch möglich, dass die Strukturelemente 10b das laseraktive Material umfassen, insbesondere wenn diese Strukturelemente als gefüllte Hohlräume ausgebildet sind. Ferner können auch sowohl das Strukturelement 10a als auch die Strukturelemente 10b laseraktives Material umfassen, wobei vorzugsweise unterschiedliche laseraktive Materialien für die beiden Typen vorgesehen sind.
7b zeigt eine Lasermedium-Anordnung 1, welche jeweils in einigen Aspekten mit der Lasermedium-Anordnung aus 5f vergleichbar ist. Die Lasermedium-Anordnung weist ein erstes Strukturelement 10a auf, welches z.B. als Matrixmaterial ausgebildet sein kann. Ferner weist die Lasermedium-Anordnung eine Vielzahl von Strukturelementen 10b mit einem ersten Durchmesser auf sowie eine Vielzahl von Strukturelementen 10c mit einem zweiten Durchmesser. Die Strukturelemente sind in diesem Beispiel aperiodisch positioniert. 7b zeigt somit einen Fall einer Lasermedium-Anordnung 1, wobei die Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen eine ungleichmäßige Anordnung aufweisen. Der Begriff der Anordnung ist hierbei dahingehend zu verstehen, dass die oder einige der Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen aperiodisch positioniert sind und/oder wobei die Strukturelemente untereinander eine Variation aufweisen, welche ungleichmäßig ausgebildet ist, wobei die Variation als zwei Arten von Strukturelementen ausgebildet ist, z.B. mit verschiedenen Durchmessern. Es ist möglich, dass das Strukturelement 10a das laseraktive Material umfasst. Es ist auch möglich, dass die Strukturelemente 10b und/oder 10c das laseraktive Material umfassen, insbesondere wenn diese Strukturelemente als gefüllte Hohlräume ausgebildet sind. Ferner können auch sowohl das Strukturelement 10a als auch die Strukturelemente 10b und/oder 10c laseraktives Material umfassen, wobei vorzugsweise unterschiedliche laseraktive Materialien für die Typen vorgesehen sind.
8 zeigt einige Lasermedium-Anordnungen 1, mit jeweils einer Vielzahl von Strukturelementen einer ersten Art und einer Vielzahl von Strukturelementen einer zweiten Art (und mitunter weiteren Arten in 8d). Die hier gezeigten Lasermedium-Anordnungen 1 weisen insbesondere kein Matrixmaterial auf, vielmehr grenzen die Strukturelemente aneinander. Die in 8 gezeigten Lasermedium-Anordnungen 1 haben gemeinsam, dass die Strukturelemente der verschiedenen Arten, insbesondere deren Querschnittsregionen, periodisch positioniert sind, jedoch die Belegung der periodischen Positionen mit den Arten der Strukturelemente ungleichmäßig ausgebildet ist. Die in 8 gezeigten Lasermedium-Anordnungen 1 zeichnen sich somit dadurch aus, dass die Strukturelemente bzw. deren Querschnittsregionen eine ungleichmäßige Anordnung aufweisen, wobei der Begriff der Anordnung hierbei dahingehend zu verstehen ist, dass die Auswahl bzw. Belegung der verschiedenen Arten von Strukturelementen auf den periodischen Positionen ungleichmäßig ist.
8a zeigt etwa eine Lasermedium-Anordnung 1 mit einer Vielzahl von Strukturelementen 10a und einer Vielzahl von Strukturelementen 10b, welche unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Es ist möglich, dass die Strukturelemente 10a das laseraktive Material umfassen. Es ist auch möglich, dass die Strukturelemente 10b das laseraktive Material umfassen. Ferner können auch sowohl die Strukturelemente 10a als auch die Strukturelemente 10b laseraktives Material umfassen, wobei vorzugsweise unterschiedliche laseraktive Materialien für die beiden Typen vorgesehen sind.
8b zeigt eine Lasermedium-Anordnung 1 mit einer Vielzahl von Strukturelementen 10d und einer Vielzahl von Strukturelementen 10e, welche unterschiedliche Brechungsindizes und eine unterschiedliche Substruktur aufweisen, wobei die Substruktur durch die Sub-Strukturelemente 10a und 10b (mit Brechungsindizes a und b) bzw. 10a und 10c (mit Brechungsindizes a und c) definiert ist. Die Substruktur liegt hier darin, dass die Strukturelemente 10d und 10e als Kern-Mantel-Systeme ausgebildet sind, wobei sich die Kerne unterscheiden. Vorzugsweise umfasst zumindest einer der Typen 10a, 10b, 10c, 10d, 10e das laseraktive Material. Es ist auch möglich, dass mehrere Typen das laseraktive Material umfassen oder dass einige Typen ein anderes laseraktives Material umfassen.
8c zeigt in ähnlicher Weise eine Lasermedium-Anordnung 1 mit einer Vielzahl von Strukturelementen 10d und einer Vielzahl von Strukturelementen 10e, welche unterschiedliche Brechungsindizes und eine unterschiedliche Substruktur aufweisen, wobei die Substruktur durch die Sub-Strukturelemente 10a und 10b (mit Brechungsindizes a und b) bzw. 10c und 10b (mit Brechungsindizes c und b) definiert ist. Die Substruktur liegt hier darin, dass die Strukturelemente 10d und 10e als Kern-Mantel-Systeme ausgebildet sind, wobei sich die Mäntel unterscheiden. Vorzugsweise umfasst wiederum zumindest einer der Typen 10a, 10b, 10c, 10d, 10e das laseraktive Material. Es ist auch möglich, dass mehrere Typen das laseraktive Material umfassen oder dass einige Typen ein anderes laseraktives Material umfassen.
8d zeigt in ähnlicher Weise eine Lasermedium-Anordnung 1 mit einer Vielzahl von Strukturelementen 10e, einer Vielzahl von Strukturelementen 10f, einer Vielzahl von Strukturelementen 10g, und einer Vielzahl von Strukturelementen 10h, welche unterschiedliche Brechungsindizes und eine unterschiedliche Substruktur aufweisen, wobei die Substruktur durch die Sub-Strukturelemente 10a und 10b (mit Brechungsindizes a und b) bzw. 10a und 10c (mit Brechungsindizes a und c) bzw. 10b und 10d (mit Brechungsindizes b und d) bzw. 10c und 10d (mit Brechungsindizes c und d) definiert ist. Die Substruktur liegt hier darin, dass die Strukturelemente 10e, 10f, 10g und 10h als Kern-Mantel-Systeme ausgebildet sind, wobei sich sowohl die Mäntel als auch die Kerne unterscheiden. Vorzugsweise umfasst zumindest einer der Typen 10a, 10b, 10c, 10d das laseraktive Material. Es ist auch möglich, dass mehrere Typen das laseraktive Material umfassen oder dass einige Typen ein anderes laseraktives Material umfassen.
8e zeigt eine Lasermedium-Anordnung 1 mit einer Vielzahl von Strukturelementen 10c und einer Vielzahl von Strukturelementen 10d, welche unterschiedliche Geometrien und eine unterschiedliche Substruktur aufweisen, wobei die Substruktur des Strukturelements 10c durch die Sub-Strukturelemente 10a und 10b (mit Brechungsindizes a und b und einem ersten Kerndurchmesser) definiert ist, und die Substruktur des Strukturelements 10d durch die Sub-Strukturelemente 10a und 10b (mit Brechungsindizes a und b und einem zweiten Kerndurchmesser). Vorzugsweise umfasst einer der Typen 10a, 10b das laseraktive Material. Es ist auch möglich, dass beide Typen das laseraktive Material umfassen oder dass ein Typ das laseraktive Material umfasst und der andere Typ ein anderes laseraktives Material umfasst.
8f zeigt eine Lasermedium-Anordnung 1 mit einer Vielzahl von Strukturelementen 10c und einer Vielzahl von Strukturelementen 10d, welche unterschiedliche Geometrien und eine unterschiedliche Substruktur aufweisen, wobei die Substruktur des Strukturelements 10c durch die Sub-Strukturelemente 10a und 10b (mit Brechungsindizes a und b und einem zentral positionierten Kern) definiert ist, und die Substruktur des Strukturelements 10d durch die Sub-Strukturelemente 10a und 10b (mit Brechungsindizes a und b und einem exzentrisch positionierten Kern). Vorzugsweise umfasst einer der Typen 10a, 10b das laseraktive Material. Es ist auch möglich, dass beide Typen das laseraktive Material umfassen oder dass ein Typ das laseraktive Material umfasst und der andere Typ ein anderes laseraktives Material umfasst.
Neben der Verwendung in Resonatoren oder allgemeiner Systemen mit optischer Rückkopplung, sind laser-aktive Medien insbesondere als optische Verstärkersysteme verwendbar. Hierbei wird durch eine Pumpquelle eine Besetzungsinversion in dem als Verstärker verwendeten Laser-aktiven Medium erzeugt.
Eine derartige Ausführugnsform ist in 9 dargestellt.
Das zu verstärkende Licht stammt dabei von einem externen Lasersystem 100 emittiert und wird in der in 9 auf deren rechten Seite dargestellten Lasermedium-Anordnung 1 vorzugsweise unidirektional verstärkt. Eine ebenfalls mögliche Verstärkung spontan emittierter Photonen (ASE - amplified spontaneous emission) ist hierbei lediglich ein parasitärer Effekt.
Hierbei wird eine Laser-Systemanordnung 500 bereitgestellt umfassend ein vorliegend offenbartes erstes Laser-System 100, insbesondere als Master-Oszillator 501, sowie eine vorliegend offenbarte Lasermedium-Anordnung 1, insbesondere als Power-Amplifier 502, bei welcher von dem Laser-System 100 durch stimulierte Emission von Photonen erzeugtes Laserlicht in die Lasermedium-Anordnung 1 geleitet ist und in der Lasermedium-Anordnung 1 durch stimulierte Emission von Photonen verstärkt wird.
Es kann bei den vorliegend offenbarten Ausführungsformen die Laser-Systemanordnung 500 und insbesondere deren Lasersystem 100 in kontinuierlichem Betrieb betrieben sein.
Bei weiteren Ausgestaltungen der vorliegend offenbarten Ausführungsform ist die Laser-Systemanordnung 500 und insbesondere deren Lasersystem 100 gepulst betrieben.
Derartige System können beispielsweise bei der Leistungsskalierung von Lasersystemen Anwendung finden, welche dann wie vorstehend beschrieben einen Master-Oszillator und mindestens einen Power-Amplifier umfassen.
Insbesondere können auch mehr als eine Lasermedium-Anordnung 1, wie diese vorliegend offenbart ist, insbesondere jeweils als Power-Amplifier 502, von der Laser-Systemanordnung 500 umfasst sein.
Hierbei bestimmt der Master- oder Seed-Laser 501 vornehmlich die Eigenschaften des emittierten Lichtes durch seine Resonatorausgestaltung, welche dessen jeweilige Eigenschaften wie Wellenlänge, Linienbreite oder Pulsdauer bestimmen.
Das vom Master- oder Seed-Laser 501 emittierte zu verstärkende, insbesondere Seed-Licht wird dann in der davon entkoppelten Leistungsstufe, dem vorstehend beschriebenen Power-Amplifier 502 hochverstärkt, siehe 9, welche üblicherweise andere Anforderungen als der Master-Oszillator 501 z.B. an die Leistungsbeständigkeit hat.
Beispiele für derartige Anordnungen sind auch Trapezverstärker oder Faserverstärker.
Insbesondere erlaubt die Erfindung auch eine selektive Verstärkung in Bereichen quer zur Ausbreitungsrichtung, welche dem Intensitätsprofil der Seed-Quelle, somit dem Intensitätsprofil des Laser-Systems 501 folgt, wobei dieses bei der Propagation und Verstärkung durch das Lasermedium des Power-Amplifiers 502, somit der Lasermedium-Anordnung 1 im Wesentlichen erhalten bleibt.
Ein weiteres Anwendungsfeld für optische Verstärker findet sich im Bereich der Datenkommunikation, wo Signalverluste über große Transportstrecken ausgeglichen werden. Wird zur Erhöhung der Datenrate räumliches Multiplexing verwendet, welches auch als SDM - space devision multiplexing - bezeichnet wird, eine Verteilung der Daten transversal zur Transportrichtung über unterschiedliche Moden oder Kanäle vorgenommen, kann dies auch über ein entsprechendes, vorliegend offenbartes Verstärkersystem mit einer Laser-Systemanordnung 500 verwirklicht werden.
Eine hierbei verwendete Lasermedium-Anordnung 1 gemäß vorliegender Erfindung erlaubt dies auf Grund der hohen Modendichte, und der damit verbundenen transversal lokalisierten optischen Verstärkung in besonders vorteilhafter Weise.

Claims

Lasermedium-Anordnung (1) zur Erzeugung oder Verstärkung von Laserlicht durch stimulierte Emission von Photonen, wobei die Lasermedium-Anordnung (1) eine Längsrichtung (5) und einen quer zu der Längsrichtung (5) verlaufenden Querschnitt definiert, und wobei die Lasermedium-Anordnung (1) eine Vielzahl von Strukturelementen (10) umfasst, welche sich jeweils entlang der Längsrichtung (5) sowie anteilig über den Querschnitt erstrecken, wobei zumindest zwei verschiedene Typen von Strukturelementen umfasst sind, nämlich ein erster Typ (10a) mit einem ersten Brechungsindex und ein zweiter Typ (10b) mit einem zweiten Brechungsindex, wobei zumindest eines der Strukturelemente (10) ein laseraktives Material umfasst.
Lasermedium-Anordnung gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei die Lasermedium-Anordnung eine Rückkoppel-Einrichtung umfasst, welche dazu eingerichtet ist, das erzeugte Laserlicht anteilig in das laseraktive Material zurückzuführen, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass die Lasermedium-Anordnung zwei stirnseitige Enden aufweist, welche die Ausdehnung der Lasermedium-Anordnung entlang der Längsrichtung begrenzen, wobei die stirnseitigen Enden vorzugsweise dazu eingerichtet sind, das erzeugte Laserlicht anteilig in das laseraktive Material zurückzuführen, insbesondere indem die stirnseitigen Enden Endflächen bilden, die senkrecht zu der Längsrichtung verlaufen und/oder verspiegelt ausgebildet sind, und/oder wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass die Lasermedium-Anordnung, insbesondere die Strukturelemente, insbesondere das laseraktive Material, lichtstreuende Strukturen umfasst, welche dazu eingerichtet sind, das erzeugte Laserlicht anteilig in das laseraktive Material zurückzuführen, und/oder wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass die Lasermedium-Anordnung einen die stirnseitigen Enden umgebenden optischen Resonator umfasst, welcher dazu eingerichtet sind, das erzeugte Laserlicht anteilig in das laseraktive Material zurückzuführen.
Lasermedium-Anordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Lasermedium-Anordnung, ein oder mehrere frequenzselektive Elemente umfasst, insbesondere ein oder mehrere der folgenden Komponenten umfasst: Lyot-Filter, Beugungsgitter, Etalon, elektro-optischer Modulator, wobei das oder die frequenzselektiven Elemente vorzugsweise innerhalb der Rückkoppel-Einrichtung, insbesondere innerhalb des optischen Resonators eingebracht, insbesondere als Faser-Bragg-Gitter angebracht sind.
Lasermedium-Anordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Lasermedium-Anordnung, insbesondere die Strukturelemente, insbesondere deren Geometrie und/oder Anordnung im Querschnitt der Lasermedium-Anordnung, derart ausgebildet ist, dass in der Lasermedium-Anordnung eine Vielzahl von transversalen Moden anregbar ist, wobei in der Lasermedium-Anordnung vorzugsweise eine Modendichte anregbar ist, welche zumindest 1000 pro mm² beträgt, insbesondere zumindest 5000 pro mm² beträgt, insbesondere zumindest 10000 pro mm² beträgt, insbesondere zumindest 20000 pro mm² beträgt, insbesondere zumindest 50000 pro mm² beträgt, und/oder wobei in der Lasermedium-Anordnung vorzugsweise zumindest 10 transversale Moden anregbar sind, besonders bevorzugt zumindest 100 transversale Moden anregbar sind, nochmals bevorzugter zumindest 500 transversale Moden anregbar sind, nochmals bevorzugter zumindest 1000 transversale Moden anregbar sind.
Lasermedium-Anordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Lasermedium-Anordnung dazu eingerichtet ist, Licht entlang der Längsrichtung der Lasermedium-Anordnung zu leiten und quer zu der Längsrichtung optisch einzuschließen, und/oder wobei die Lasermedium-Anordnung dazu eingerichtet ist, Licht quer zu der Längsrichtung transversal lokalisiert zu übertragen, insbesondere mit einer räumlichen Auflösung im Querschnitt der Lasermedium-Anordnung zu übertragen, dass die Lasermedium-Anordnung einen Bildleiter bildet, wobei die räumliche Auflösung vorzugsweise höher ist als 5 Linienpaare pro mm, besonders bevorzugt höher ist als 10 Linienpaare pro mm, oder höher ist als 25 Linienpaare pro mm, oder höher ist als 50 Linienpaare pro mm, oder höher ist als 100 Linienpaare pro mm, oder höher ist als 150 Linienpaare pro mm, oder höher ist als 200 Linienpaare pro mm, und/oder wobei die Strukturelemente sich derart über den Querschnitt der Lasermedium-Anordnung erstrecken, dass im Querschnitt der Lasermedium-Anordnung eine Vielzahl von Querschnittsregionen definiert ist, welche jeweils dem Querschnitt eines einzelnen Strukturelements entsprechen, und/oder wobei die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, ungleichmäßig angeordnet sind, um eine transversale Anderson-Lokalisierung quer zu der Längsrichtung zu bewirken.
Lasermedium-Anordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Strukturelement des ersten Typs und eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfasst sind, und wobei das Strukturelement des ersten Typs ausgebildet ist als, insbesondere monolithischer, Grundkörper mit oder aus einem ersten Medium, wobei das erste Medium den ersten Brechungsindex aufweist, und wobei die Strukturelemente des zweiten Typs ausgebildet sind als Hohlräume in dem Grundkörper, wobei die Hohlräume vorzugsweise den zweiten Brechungsindex bilden oder mit einem zweiten Medium, insbesondere einem Festkörper, gefüllt sind, wobei das zweite Medium den zweiten Brechungsindex aufweist.
Lasermedium-Anordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von Strukturelementen des ersten Typs und eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfasst sind, und wobei die Strukturelemente des ersten Typs ausgebildet sind als, insbesondere stabförmige oder rohrförmige, Körper mit oder aus einem ersten Medium, wobei das erste Medium den ersten Brechungsindex aufweist, und wobei die Strukturelemente des zweiten Typs ausgebildet sind als, insbesondere stabförmige oder rohrförmige, Körper mit oder aus einem zweiten Medium, wobei das zweite Medium den zweiten Brechungsindex aufweist oder wobei die Strukturelemente des zweiten Typs ausgebildet sind als Hohlräume in den Strukturelementen des ersten Typs, wobei die Hohlräume vorzugsweise den zweiten Brechungsindex bilden oder mit einem zweiten Medium, insbesondere einem Festkörper, gefüllt sind, wobei das zweite Medium den zweiten Brechungsindex aufweist.
Lasermedium-Anordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche wobei zumindest ein Strukturelement des ersten Typs, vorzugsweise die Strukturelemente des ersten Typs, besonders bevorzugt das erste Medium, das laseraktive Material umfasst, und wobei vorzugsweise ferner zumindest ein Strukturelement des zweiten Typs, vorzugsweise die Strukturelemente des zweiten Typs, besonders bevorzugt das zweite Medium ein weiteres, anderes laseraktives Material umfasst, und/oder wobei zumindest ein Strukturelement des zweiten Typs, vorzugsweise die Strukturelemente des zweiten Typs, besonders bevorzugt das zweite Medium, das laseraktive Material umfasst, und wobei vorzugsweise ferner zumindest ein Strukturelement des ersten Typs, vorzugsweise die Strukturelemente des ersten Typs, besonders bevorzugt das erste Medium ein weiteres, anderes laseraktives Material umfasst.
Lasermedium-Anordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das laseraktive Material einen kristallinen oder amorphen Festkörper, insbesondere ein Glas, als Wirtsmaterial mit einer Fremdionen-Dotierung umfasst, wobei das laseraktive Material insbesondere ein Multikomponentenglas, Phosphatglas, Fluorophosphatglas, Silikatglas oder Quarzglas als Wirtsmaterial umfasst, welches eine Dotierung mit Ionen zumindest eines Übergangsmetalls und/oder einer seltenen Erde umfasst, insbesondere mit 4fⁿ Grundzustand und/oder wobei optional das andere laseraktive Material einen kristallinen oder amorphen Festkörper, insbesondere ein Glas, als Wirtsmaterial mit einer Fremdionen-Dotierung umfasst, wobei das andere laseraktive Material insbesondere ein Multikomponentenglas, Phosphatglas, Fluorophosphatglas, Silikatglas oder Quarzglas als Wirtsmaterial umfasst, welches eine Dotierung mit Ionen zumindest eines Übergangsmetalls und/oder einer seltenen Erde umfasst, insbesondere mit 4fⁿ Grundzustand.
Lasermedium-Anordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Strukturelement des ersten Typs umfasst ist, welches ausgebildet ist als, insbesondere monolithischer, Grundkörper mit oder aus einem ersten Medium, insbesondere Glas, welches den ersten Brechungsindex aufweist, und wobei eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfasst sind, welche ausgebildet sind als Hohlräume in dem Grundkörper, welche mit einem als Festkörper ausgebildeten zweiten Medium, insbesondere Glas, gefüllt sind, welche den zweiten Brechungsindex aufweisen und das laseraktive Material umfassen.
Lasermedium-Anordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Strukturelement des ersten Typs umfasst ist, welches ausgebildet ist als, insbesondere monolithischer, Grundkörper mit oder aus einem ersten Medium, insbesondere Glas, welches den ersten Brechungsindex aufweist und das laseraktive Material umfasst, und wobei eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfasst sind, welche ausgebildet sind als Hohlräume in dem Grundkörper, welche den zweiten Brechungsindex bilden oder welche mit einem zweiten Medium gefüllt sind, insbesondere einem Festkörper, welches den zweiten Brechungsindex aufweist, und optional ein weiteres, anderes laseraktives Material umfasst.
Lasermedium-Anordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von Strukturelementen des ersten Typs umfasst sind, welche ausgebildet sind als, insbesondere stabförmige oder rohrförmige, Körper mit oder aus einem ersten Medium, insbesondere Glas, welches den ersten Brechungsindex aufweist und das laseraktive Material umfasst, und wobei eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfasst sind, welche ausgebildet sind als, insbesondere stabförmige oder rohrförmige, Körper mit oder aus einem zweiten Medium, insbesondere Glas, welches den zweiten Brechungsindex aufweist und optional ein weiteres, anderes laseraktives Material umfasst.
Lasermedium-Anordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von Strukturelementen des ersten Typs umfasst sind, welche ausgebildet sind als, insbesondere stabförmige oder rohrförmige, Körper mit oder aus einem ersten Medium, insbesondere Glas, welches den ersten Brechungsindex aufweist und das laseraktive Material umfasst, und wobei eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfasst sind, welche ausgebildet sind als Hohlräume in den Strukturelementen des ersten Typs und welche den zweiten Brechungsindex bilden oder welche mit einem zweiten Medium gefüllt sind, insbesondere Glas, welches den zweiten Brechungsindex aufweist, und optional ein weiteres, anderes laseraktives Material umfasst.
Lasermedium-Anordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von Strukturelementen des ersten Typs umfasst sind, welche ausgebildet sind als, insbesondere stabförmige oder rohrförmige, Körper mit oder aus einem ersten Medium, insbesondere Glas, welches den ersten Brechungsindex aufweist, und wobei eine Vielzahl von Strukturelementen des zweiten Typs umfasst sind, welche ausgebildet sind als Hohlräume in den Strukturelementen des ersten Typs, welche mit einem zweiten Medium gefüllt sind, insbesondere Glas, welches den zweiten Brechungsindex aufweist und das laseraktive Material umfasst.
Lasermedium-Anordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Brechungsindex der Strukturelemente des ersten Typs und der zweite Brechungsindex der Strukturelemente des zweiten Typs um mindestens 0,05 abweichen, um mindestens 0,075 abweichen, insbesondere um mindestens 0,1 abweichen, insbesondere um mindestens 0,2 abweichen, insbesondere um mindestens 0,3 abweichen, insbesondere um mindestens 0,4 abweichen, .
Lasermedium-Anordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strukturelemente sich derart über den Querschnitt der Lasermedium-Anordnung erstrecken, dass im Querschnitt der Lasermedium-Anordnung eine Vielzahl von Querschnittsregionen definiert ist, welche jeweils dem Querschnitt eines einzelnen Strukturelements entsprechen, und wobei das Verhältnis der Gesamtfläche der Querschnittsregionen der Strukturelemente des ersten Typs und der Gesamtfläche der Querschnittsregionen der Strukturelemente des zweiten Typs in einem Bereich zwischen 1:9 und 9:1 liegt, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 3:7 und 7:3 liegt, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 4:6 und 6:4 liegt, und/oder wobei die Gesamtfläche der Querschnittsregionen der Strukturelemente für jeden Typ mindestens 1/(10*T), vorzugsweise mindestens 1/(5*T), besonders bevorzugt mindestens 1/(3*T) der Querschnittsfläche, beträgt, wobei T die Anzahl der Typen bezeichnet.
Lasermedium-Anordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strukturelemente sich derart über den Querschnitt der Lasermedium-Anordnung erstrecken, dass im Querschnitt der Lasermedium-Anordnung eine Vielzahl von Querschnittsregionen definiert ist, welche jeweils dem Querschnitt eines einzelnen Strukturelements entsprechen, und wobei die Strukturelemente, insbesondere deren Querschnittsregionen, eine ungleichmäßig Anordnung aufweisen, welche insbesondere zufällig und/oder ungleichmäßig aber durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist, wobei die ungleichmäßig Anordnung vorzugsweise ausgebildet ist: (a) als eine periodische Positionierung von Strukturelementen, insbesondere deren Querschnittsregionen, wobei die periodisch positionierten Strukturelemente untereinander eine Variation aufweisen, welche zufällig und/oder ungleichmäßig aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist, wobei die Variation der periodisch positionierten Strukturelemente untereinander vorzugsweise als Variation des Typs der Strukturelemente, des Brechungsindex der Strukturelemente und/oder der Geometrie, z.B. der Form, des Durchmessers und/oder der Substruktur, der Strukturelemente ausgebildet ist, (b) als eine aperiodische Positionierung von Strukturelementen, insbesondere deren Querschnittsregionen, wobei die aperiodischen Positionen der Strukturelemente zufällig und/oder ungleichmäßig aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet sind, wobei optional die Strukturelemente zudem untereinander eine Variation aufweisen, welche zufällig und/oder ungleichmäßig aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist, und/oder (c) als eine Positionierung von Strukturelementen, insbesondere deren Querschnittsregionen, auf periodischen Plätzen, wobei einige der periodischen Plätze belegt sind und einige der periodischen Plätze unbelegt sind und die Belegung zufällig und/oder ungleichmäßig aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist, wobei optional die Strukturelemente zudem untereinander eine Variation aufweisen, welche zufällig und/oder ungleichmäßig aber eindeutig durch eine vorbestimmte Regel festgelegt, ausgebildet ist.
Laser-System (100) umfassend: eine Lasermedium-Anordnung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, zumindest eine Pumpquelle (200) zum optischen Anregen des laseraktiven Materials, und eine Auskoppelstelle (400) zur Auskopplung des erzeugten Laserlichts.
Laser-System (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Laser-System (100) derart eingerichtet ist, insbesondere die Pumpquelle derart eingerichtet ist, dass lediglich ein definierter Teil (6) des Querschnitts der Lasermedium-Anordnung (1) über die Pumpquelle anregbar ist, um die räumliche Inkohärenz des ausgekoppelten Laserlichts zu vermindern, wobei das Laser-System (100) vorzugsweise derart eingerichtet ist und/oder Mittel umfasst, dass der definierte Teil (6) des Querschnitts variierbar ist, so dass die räumliche Inkohärenz des ausgekoppelten Laserlichts einstellbar ist.
Laser-Systemanordnung (500), insbesondere Master-Oscillator-Power-Amplifier-Anordnung, umfassend ein erstes Laser-System (100), insbesondere nach Anspruch 18 oder 19, insbesondere als Master Oscillator (501) sowie zumindest eine Lasermedium-Anordnung (1) nach einem der Ansprüche von 1 bis 17, insbesondere als Power-Amplifier (502), wobei von dem Laser-System (100) durch stimulierte Emission von Photonen erzeugtes Laserlicht in die Lasermedium-Anordnung (1) geleitet ist und in der Lasermedium-Anordnung (1) durch stimulierte Emission von Photonen verstärkt wird.
Laser-Systemanordnung (500) nach Anspruch 20, umfassend mehr als eine Lasermedium-Anordnung (1) nach einem der Ansprüche von 1 bis 17, insbesondere als Power-Amplifier (502).
Laser-Systemanordnung (500) nach Anspruch 20 oder 21, bei welchem das Laser-System in kontinuierlichem Betrieb betrieben ist.
Laser-Systemanordnung (500) nach Anspruch 20 oder 21, bei welchem das Laser-System gepulst betrieben ist.
Verfahren zur Erzeugung oder Verstärkung von Laserlicht durch stimulierte Emission von Photonen, wobei eine Lasermedium-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 bereitgestellt wird, wobei die Lasermedium-Anordnung eine Vielzahl von Strukturelementen umfasst, welche jeweils laseraktives Material umfassen, und wobei eine Pumpquelle zum optischen Anregen des laseraktiven Materials bereitgestellt wird und das laseraktive Material mittels der Pumpquelle angeregt wird, wobei laseraktives Material simultan innerhalb einer Vielzahl von Strukturelementen angeregt wird, insbesondere, um Laserlicht mit räumlicher Inkohärenz zu erzeugen und/oder wobei laseraktives Material in zumindest einem Strukturelement, vorzugsweise einer einstellbaren Vielzahl von Strukturelementen, nicht angeregt wird, insbesondere, um die räumliche Inkohärenz des Laserlichts zu vermindern und/oder wobei ein definierter Teil des Querschnitts der Lasermedium-Anordnung über die Pumpquelle angeregt wird, insbesondere derart, dass das transversale Profil des Laserlichts der Geometrie des anregten definierten Teils des Querschnitts entspricht.