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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
und durch Pumpstrahlung zu Lasertätigkeit anregbar ist.
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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. Einen
solchen gattungsgemäßen Laser
beschreibt z.B. die Veröffentlichung
Griebner et al., Optics Letters, Vol. 21, No. 4, 1996, S. 260-268.
Dort wird gezielt nur die Grundmode angeregt. Ähnliches bewirken auch die WO
02/05394 A1,
US 5.422.897 ,
US 6.324.326 B1 , die
im Resonator die Grundmode selektieren. 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 zeigen:
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1 eine
Schemazeichnung eines Faserlasers,
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2 eine
schematische Darstellung einer Endfläche der Faser des Faserlasers
mit aufgebrachtem Auskoppelspiegel,
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3 eine
Draufsicht auf die Endfläche
der 2,
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4 eine
schematische Darstellung eines weiteren Auskoppelspiegels,
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5 eine
das Strahlprofil zeigende Kurve und
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6 eine
Schnittdarstellung durch die Endfläche einer Faser eines Lasers
mit einer die Intensität
einer Mode veranschaulichenden Kurve.
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Der
in 1 dargestellte Faserlaser 1 weist eine
Faser 2 auf, die in einem Resonator liegt.
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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 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. 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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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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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 4 nicht
dargestellt). Der der Optik 13 nachgeordnete Auskoppelspiegel 4 entspricht
prinzipiell dem in 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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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 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 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.