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Die Erfindung bezieht sich auf einen Laser mit einem Resonator, der durch einen Endspiegel
und einen Auskoppelspiegel begrenzt ist und in dem eine Faser angeordnet ist, die einen
aktiven Kern aufweist.
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Aus der Literatur ist es vielfältig bekannt, Laserresonatoren so zu konfigurieren, daß eine
beugungsbegrenzte Lichtemission erfolgt. In all diesen Anordnungen wird durch eine geeignete
Resonatorauslegung dafür gesorgt, daß Strahlung mit hoher Strahlqualität im Resonator
ausreichend verstärkt wird. Strahlung mit geringer Strahlqualität wird dagegen durch interne
Verluste beziehungsweise phasenunrichtige Überlagerung unterdrückt. Auch ist es bekannt,
instabile Resonatoren zu verwenden, so zum Beispiel S. Townsend, J. Reilly, Unobscured
unstable resonator design for large bore lasers, Proc. SPIE Vol. 0147, S. 184-188, 1989. Solche
Faserlaser haben jedoch diesbezüglich den Nachteil, daß die Strahlqualität der Pumpstrahlung
sich unmittelbar auf die Strahlqualität der emittierten Laserstrahlung auswirkt. Da Lasertätigkeit
vorwiegend im Faserkern angeregt wird, ist bei gegebener numerischer Apertur der Faser
zugleich durch die Brillanz der Strahlungsquelle die einkoppelbare Strahlungsintensität
begrenzt. In der Regel gibt dann der Faserkerndurchmesser den Durchmesser des emittierten
Strahles vor. Doppelkernfasern bieten hier eine gewisse Abhilfe; sie sind jedoch aufwendig und
teuer in der Herstellung. Zudem erfordert die wirksame Kopplung zwischen innerem und
äußerem Kern eine große Faserlänge, was nicht nur zu einer gesteigerten Baugröße, sondern
auch durch unvermeidliche Streuung und Absorption im Fasermaterial zu erhöhten Verlusten im
Laserresonator führt.
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Aufgrund dieser Übereinstimmung von Strahlqualität der Pumpquelle und Strahlqualität der vom
Faserlaser abgegebenen Strahlung ist der Einsatz eines Faserlasers bislang unvermeidlich an
relativ aufwendige Pumpquellen gekoppelt, beziehungsweise durch die Leistungsfähigkeit der
Pumpquelle eingeschränkt.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Laser mit einer Faser zu schaffen, der
auch mit Pumpstrahlung geringerer Strahlqualität eine Laserstrahlung hoher Strahlqualität zu
erzeugen vermag.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Laser mit einem Resonator, der durch
einen Endspiegel und einem Auskoppelspiegel begrenzt ist und in dem eine Faser angeordnet
ist, die einem aktiven Kern aufweist und durch Pumpstrahlung so zu multimodaler Lasertätigkeit
anregbar ist, daß sich im Resonator mehrere transversale Moden ausbilden, wobei in der Faser
eine Modenmischung stattfindet und der Auskoppelspiegel derart örtlich variiende
Reflexionseigenschaften für Laser- und Pumpstrahlung aufweist, daß er Pumpstrahlung sowie
nicht aus dem aktiven Kern der Faser austretende Laserstrahlung reflektiert und damit niedere
transversale Moden verstärkt auskoppelt.
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Erfindungsgemäß wird also in einem Faserlaser bewußt ein multimodales Feld angeregt. Der
Auskoppelspiegel hat die Funktion einer Modenblende, die eine Transmission der Grundmode
bevorzugt, die Auskopplung von Strahlung höherer transversaler Moden aber weitgehend
unterdrückt. Vorzugsweise verbleiben solche höheren Moden in der Faser, da aufgrund der in
einer Faser immer stattfindenden Modenmischung, die durch Faserdesion und weitere
Maßnahmen optimiert werden kann, eine erneute Einkopplung von Leistung aus der höheren
Mode in die Grundmode auftritt.
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Durch das erfindungsgemäße Konzept kann eine große Einkoppelfläche für Pumpstrahlung
verwendet werden, ohne daß dabei die Strahlgüte der abgegebenen Laserstrahlung
degradieren würde. Beispielsweise können Monokern-Fasern mit einem sehr großen
Kerndurchmesser verwendet werden, ohne daß sich mit der Vergrößerung des Querschnitts
des aktiven Kerns automatisch die Güte der emittierten Strahlung änderte.
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Neben der Grundmode bilden sich auch höhere transversale Moden aus, wobei der
erfindungsgemäße Auskoppelspiegel eine entsprechende Modenselektion für den Laserstrahl
bewirkt. Die effektive Modenmischung in multimodigen Fasern sorgt dafür, daß innerhalb des
aktiven Mediums alle ausbreitungsfähigen Moden verstärkt werden und somit die von einer
multimodigen Pumpquelle erzeugte Inversion effektiv ausgenutzt werden kann. Dennoch ist die
Auskopplung auf Strahlung höherer, bzw. einstellbarer Strahlgüte begrenzt und die Strahlung
geringerer Strahlgüte verbleibt im Resonator.
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Darüber hinaus stellt die Brillanz der Pumpquelle nun nicht mehr eine spürbare Grenze für die
Leistung des Lasers dar. Bei hoher numerischer Apertur der Faser kann eine hohe
Pumpstrahlungsintensität eingekoppelt werden, ohne daß an die Brillanz der Pumpquelle
besonders hohe Anforderungen bestünden. Die Erfindung vermeidet damit den Engpaß, der bei
Lasern im Stand der Technik durch die enge Koppelung zwischen maximaler einbringbarer
Pumpleistung als Produkt aus Intensität und Querschnittsfläche an den Durchmesser des
emittierten Laserstrahls bewirkt. Der Durchmesser des aktiven Kerns kann nun deutlich größer
gewählt werden als der Durchmesser des emittierten Strahls, womit entsprechend die
Strahlqualität der Pumpstrahlung kleiner sein kann als die der emittierten Laserstrahlung.
Anders betrachtet heißt dies, daß die Strahlqualität der emittierten Strahlung im
erfindungsgemäßen Laser besser wird als die der Pumpstrahlung. Diese an und für sich nur
von aufwendigen Doppelkernfasern bekannte Eigenschaft, wird nun sehr viel einfacher und
ohne die erwähnten Nachteile des Doppelkernprinzipes erreicht.
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Das Konzept, den Strahldurchmesser durch den Auskoppelspiegel festzulegen, erlaubt es
weiter auch, Fasern mit nicht kreisquerschnittsförmigen aktiven Kernen zu verwenden. So kann
beispielsweise ein D-förmiger Querschnitt für den aktiven Kern eingesetzt werden, der
besonders gut verschiedene transversale Moden miteinander koppelt.
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In einer einfachen Verwirklichung des erfindungsgemäßen Konzeptes weist der
Auskoppelspiegel eine vorgeschaltete Modenblende mit entsprechenden Eigenschaften auf.
Jedoch verringert sich oft die Laserdifferenz, wenn diese Modenblende die Pumpstrahlung nicht
reflektiert. Es ist deshalb für diese einfache Ausführung vorteilhaft, daß der Auskoppelspiegel
als die Pumpstrahlung reflektierende Modenblende ausgebildet ist.
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In einer Weiterbildung dieser einfachen Gestaltung weist der Auskoppelspiegel eine innere
Zone und eine die innere Zone umgebende äußere Zone auf, wobei die äußere Zone für Laser-
und Pumpstrahlung reflektierend ist und die innere Zone für Laserstrahlung einen geringeren
Reflektionsgrad als die äußere Zone aufweist. Die örtliche variiende Reflektionseigenschaft des
Auskoppelspiegels ist dann in Form zweier unterschiedlich reflektierender Zonen verwirklicht.
Die Form der inneren Zone wirkt sich auf den Strahlquerschnitt aus, wird also in der Regel
applikationsabhängig zu wählen sein. Ein solcher, eine innere und eine äußerer Zone
aufweisende Auskoppelspiegel ist relativ einfach zu fertigen, insbesondere kann er auch durch
Beschichtung eines Endes der Faser hergestellt werden. Eine solche direkte Beschichtung ist
unter dem Gesichtspunkt, daß dann keine separaten Justierschritte mehr erforderlich sind,
vorteilhaft.
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Für die meisten Anwendungen ist ein Laserstrahl mit kreisförmigem Strahldurchmesser
erwünscht. Man wird dann die innere Zone in der Regel kreisförmig gestalten. Es ist dazu
vorteilhaft, daß die innere Zone kreisförmig mit einem Durchmesser kleiner als der
Durchmesser des aktiven Kerns ist. Um das Verhältnis, um das die innere Zone kleiner ist als
die Querschnittsfläche des aktiven Kerns, wird die Strahlqualität zwischen eingekoppelter
Pumpstrahlung und ausgekoppelter Laserstrahlung gesteigert. Durch entsprechende
Gestaltung der inneren Zone im Verhältnis zur Querschnittsfläche des aktiven Kerns kann
hierbei nahezu jedes gewünschte Verhältnis eingestellt werden.
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Unter dem Gesichtspunkt einfacher Herstellung ist es zu bevorzugen, den Auskoppelspiegel
nicht direkt auf ein Faserende aufzubringen, sondern als diskretes Bauelement zu realisieren,
wobei optional zwischen dem Ende der Faser und dem Auskoppelspiegel noch eine
strahlaufweitende Optik geschaltet werden kann. Um hier die verstärkte Auskopplung niederer
transversaler Moden, d. h. um möglichst monomodale Laserstrahlung zu erreichen, ist der
Querschnitt der inneren Zone in diesem Fall immer kleiner als der aufgeweitete Querschnitt des
aktiven Kerns. Bei einer kreisförmigen inneren Zone und einem kreisförmigen aktiven Kern ist
es dann z. B. vorteilhaft, die innere Zone mit einem kleineren Durchmesser als den
ausgeweiteten Durchmesser des aktiven Kerns auszustatten.
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Eine weitere Möglichkeit, die erzeugte Laserstrahlung hinsichtlich Strahlprofil,
Intensitätsverteilung und Ausbreitungsverhalten mit Blick auf die Anforderungen einer
bestimmten Anwendung zu gestalten, liegt darin, die innere Zone nicht koaxial zu der aus dem
aktiven Kern austretenden Strahlung anzuordnen. Damit kann ein gezieltes Beimischen höherer
transversaler Moden vorgenommen werden, was sich auf die Intensitätsverteilung und damit
das Strahlprofil unmittelbar auswirkt.
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Im erfindungsgemäßen Konzept wird die nicht ausgekoppelte Strahlung wieder in den
Resonator zurückgeworfen. Dabei handelt es sich insbesondere um Strahlung höherer
transversaler Moden, die aufgrund der Geometrie des Resonators und insbesondere bei hoher
numerischer Apparatur des aktiven Kerns der Faser im Resonator angeregt werden. Die
Mischung aus verschiedenen transversalen Moden erreicht eine sehr gleichmäßige
Intensitätsverteilung über den Querschnitt der inneren Zone des Auskoppelspiegels. Die
Energie wieder in den Resonator zurückgeworfener Strahlung nicht ausgekoppelter Moden wird
durch die in der Faser inhärent stattfindenden Modenmischung in die letztlich in die
ausgekoppelten niederen transversalen Moden eingebracht. Um die Modenmischung zu
fördern, ist es vorteilhaft, die Faser in Schlaufen oder Biegungen zu verlegen.
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Eine weitere Möglichkeit, die interne Modenmischung bei der Faser im erfindungsgemäßen
Laser zu verstärken, besteht darin, eine Faser einzusetzen, deren aktiver Kern D-förmigen
Querschnitt hat. Bei solchen Fasern sind die Modenmischungseigenschaften besonders stark
ausgeprägt. Sie eignen sich deshalb besonders gut für den erfindungsgemäßen Laser.
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Die Eigenschaften des Auskoppelspiegels legen den Strahlquerschnitt des ausgekoppelten
Laserstrahls fest. Bei einem Resonator, bei dem Lasertätigkeit auf mehreren Wellenlängen
angeregt werden kann, wirken sich die spektralen Reflektionseigenschaften des
Auskoppelspiegels auch auf die spektrale Zusammensetzung des abgegebenen Laserstrahls
aus. Durch geeignete Wahl der Reflektions- beziehungsweise Transmissionseigenschaften des
Auskoppelspiegels kann somit sowohl der Durchmesser als auch die Wellenlänge des
ausgekoppelten Laserstrahls beeinflußt werden. Dies bietet die Möglichkeit, auf einfache Weise
einen abstimmbaren beziehungsweise umschaltbaren Laser zu erreichen, indem ein
wechselbarer Auskoppelspiegel vorgesehen ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielshalber noch
näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
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Fig. 1 eine Schemazeichnung eines Faserlasers,
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Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Endfläche der Faser des Faserlasers mit
aufgebrachtem Auskoppelspiegel,
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Fig. 3 eine Draufsicht auf die Endfläche der Fig. 2,
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Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Auskoppelspiegels,
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Fig. 5 eine das Strahlprofil zeigende Kurve und
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Fig. 6 eine Schnittdarstellung durch die Endfläche einer Faser eines Lasers mit einer die
Intensität einer Mode veranschaulichenden Kurve.
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Der in Fig. 1 dargestellte Faserlaser 1 weist eine Faser 2 auf, die in einem Resonator liegt.
Der Resonator wird von einem Endspiegel 3 sowie einem Auskoppelspiegel 4 gebildet. Am
Endspiegel 3 wird über eine Pumpquelle 5 Pumpstrahlung 6 in den aktiven Kern der Faser 2
eingekoppelt. Bei der Pumpquelle 5 kann es sich beispielsweise um eine oder eine mehrere
Laserdioden handeln. Der Endspiegel 3 ist durch eine geeignete Beschichtung transparent für
Pumpstrahlung und hochreflektierend für in der Faser 2 angeregte Laserstrahlung. Der aktive
Kern der Faser ist bezüglich Durchmesser bzw. numerischer Apertur so bemessen, daß sich
bei der Anregung mehrerer transversaler Moden ausbilden können. Aufgrund der inhärenten
Eigenschaften der Faser 2 findet dabei eine Modenmischung der im Resonator ausgebildeten
Strahlung statt. Diese Modenmischung ist zusätzlich verstärkt, indem die Faser 2 in Biegungen
7 verlegt ist. Beispielsweise ist es möglich, die Faser 2 um einen Kern zu wickeln.
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Am Auskoppelspiegel 4 tritt bei Pumpbetrieb ein Laserstrahl 8 aus. Dessen Wellenlänge sowie
Querschnitt wird durch die Lasertätigkeit in der Faser 2 sowie durch die noch zu
beschreibenden Eigenschaften des Auskoppelspiegels 4 bestimmt.
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Der Resonator der Fig. 1 weist eigenständige Endspiegel 3 und 4 auf. Es ist jedoch möglich,
einen dieser Spiegel oder auch beide direkt auf die Endflächen der Faser 2 aufzubringen. Fig.
2 zeigt schematisch den Auskoppelspiegel 4. Wie zu sehen ist, weist der Auskoppelspiegel 4
zwei Zonen auf, eine innere Zone 9 und eine äußere Zone 10. Die innere Zone 9 des
Auskoppelspiegels 4 ist transmittierend für Strahlung bei der Laserwellenlänge. Sie reflektiert
dagegen die Pumpstrahlung. Die äußere Zone 10 ist dagegen sowohl bei der Wellenlänge der
Laserstrahlung als auch bei der Wellenlänge der Pumpstrahlung reflektierend und verhindert,
daß Pump- oder Laserstrahlung im Bereich der äußeren Zone 10 austreten kann.
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Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf die Faser 2 im Bereich der Endfläche 11. Dabei ist
der Auskoppelspiegel 4 direkt auf die Endfläche aufgebracht; die äußere 10 und die innere
Zone 9 sind durch unterschiedliche Schraffuren veranschaulicht. Die innere Zone 9 ist deutlich
kleiner als der Querschnitt des Faserkerns 12. Da nur die innere Zone 9 Strahlung bei der
Laserwellenlänge transmittiert, wird nur dort Laserstrahlung 8 am Auskoppelspiegel 4
ausgekoppelt.
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Da sich, wie bereits erläutert, in der Faser 2, d. h. in deren Faserkern 12, Laserstrahlung
ausbildet, die aus einem Gemisch transversaler Moden besteht, liegt am Auskoppelspiegel 4
faserseitig neben Pumpstrahlung auch das erwähnte Modengemisch an. Die nur in einem
Teilbereich des Faserkerns 12 Laserstrahlung transmittierende Zone 9 bewirkt dabei eine
Modenselektion derart, daß die Strahlung bei der Grundmode bevorzugt am Auskoppelspiegel
4 austritt. Strahlungen höherer transversaler Moden wird in die Faser 2 zurückgeworfen, wo sie
aufgrund deren modenmischenden Eigenschaften letztendlich wieder in die am
Auskoppelspiegel 4 transmittierten niederen transversalen Moden einkoppelt, gegebenenfalls
nach mehreren Umläufen.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Darstellung, wie der Endspiegel 4 ausgeführt werden kann. Er ist dort
nicht auf die Endfläche 11 der Faser 2 aufgebracht sondern als eigenständiges, beabstandetes
Bauteil ausgeführt, da dies einfacher herzustellen ist. Zwischen der Endfläche 11 und dem
Auskoppelspiegel 4 findet unter Zwischenschaltung einer Optik 13 eine Aufweitung der aus der
Faser 2 austretenden Strahlung statt. Diese Aufweitung betrifft insbesondere die aus dem
Faserkern 12 austretende Laserstrahlung.
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Dabei divergiert die Strahlung höherer transversaler Moden stärker als die der Grundmode (in
Fig. 4 nicht dargestellt). Der der Optik 13 nachgeordnete Auskoppelspiegel 4 entspricht
prinzipiell dem in Fig. 2 dargestellten, d. h. er weist eine innere, die Strahlung bei der
Laserwellenlänge transmittierende Zone 9 und eine die innere Zone 9 umgebende äußere Zone
10 auf, die sowohl bei der Laserwellenlänge als auch bei der Pumpstrahlungswellenlänge
Strahlung wieder zur Endfläche 11 der Faser 2 zurückreflektiert.
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Der Auskoppelspiegel 4 ist mit der Laserstrahlung aller in der Faser 2 angeregter, transversaler
Moden beaufschlagt, wobei die erwähnte Strahlungsaufweitung durch die unterschiedliche
Divergenz der verschiedenen Moden verstärkt wird. Deshalb kann die Fläche der inneren Zone
9 mitunter größer ausgestattet sein als die Querschnittsfläche des Faserkerns 12, ohne daß die
gewünschte Bevorzugung der niederen oder Grundmode bei der Transmission durch die innere
Zone 9 ausgeschaltet wäre. Die gewünschte Modenfiltereigenschaften des Auskoppelspiegels 4
ist dabei dadurch gewährleistet, daß die Fläche der inneren Zone deutlich kleiner ist, als die
aufgeweitete, aus dem Faserkern 12 stammende Strahlung der auszuwählenden niederen
Moden, insbesondere der Grundmode.
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Fig. 5 zeigt in einer Kurve 14 die Intensität I des Laserstrahls 8 über den Querschnitt in x-
Richtung. Wie zu sehen ist, stellt sich symmetrisch zum Zentrum z annähernd ein Stufenprofil
ein, das als sogenanntes Top-Hat Profil bezeichnet wird. Dieses Stufenprofil erfordert natürlich,
daß nicht nur die Grundmode transmittiert wird (deren Intensitätsverteilung zwar ebenfalls
symmetrisch zum Zentrum z liegt, jedoch nicht stufenartig abfällt) sondern daß die innere Zone
9 eine Beimischung höherer Moden in der Transmission vornimmt, damit die Überlagerung der
Strahlung der einzelnen Moden insgesamt das Stufenprofil ergibt. Die Beimischung höherer
Moden beziehungsweise die Zusammensetzung des ausgekoppelten Laserstrahls 8 aus
Strahlung mehrerer transversaler Moden wirkt sich natürlich auch auf das
Ausbreitungsverhalten des Laserstrahls 8, d. h. auf die Divergenzwinkel der Strahlung aus.
Strahlungsanteile aus höheren Moden divergieren stärker.
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Die Gestaltung der inneren Zone 9 im Verhältnis zum Faserkern 12 ermöglicht es, das
Strahlprofil beziehungsweise das Ausbreitungsverhalten wunschgemäß zu gestalten. Dabei ist
man nicht auf symmetrische Intensitätsverteilungen, wie in Fig. 5 dargestellt, eingeschränkt,
sondern kann durch eine außeraxiale Lage der inneren Zone 9, bezogen auf die Achse des
Faserkerns 12 beziehungsweise der Achse daraus austretende Strahlung, auch ein
asymmetrisches Intensitätsprofil beziehungsweise ein asymmetrisches Ausbreitungsverhalten
erreichen, bei dem die Symmetrie zum Zentrum z nicht gegeben ist.
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Diese Wirkung der inneren Zone 9 ist in Fig. 6 schematisch verdeutlicht, die ein
Intensitätsprofil 15 zeigt, das der Grundmode entspricht. Das Intensitätsprofil 15 fällt über einen
Radius r vom Zentrum z aus von einem Maximum auf einen 1/e2-Anteil ab. Der Radius r ist bei
multimodigen Fasern deutlich kleiner als der Faserkernradius a, der in etwa dem Radius der
Intensitätsverteilung 14 multimodiger Strahlung entspricht. Durch Auskopplung innerhalb des
Radius r wird Strahlung der Grundmode bevorzugt und die emittierte Laserstrahlung im
Laserstrahl 8 hat eine bessere Strahlqualität als die Pumpstrahlung 6. Dabei kann am
Endspiegel 3 die Pumpstrahlung 6 über einen größeren Querschnitt eingekoppelt werden,
wodurch die maximale einkoppelbare Leistung und damit die Leistung des Faserlasers 1 steigt.
Die Begrenzung durch die Brillanz der Pumpquelle 5 ist damit aufgehoben. Die Intensität
höherer Moden fällt radial schwächer ab, als bei der Grundmode; höhere Moden erstrecken
sich somit transversal über einen größeren Radius. Deshalb wird eine Faser 2 verwendet,
deren Faserkern 12 einen größeren Radius als den Radius r ausweist. Der Auskoppelradius
liegt dabei unter dem Radius a und vorzugsweise über dem Radius r.