DE10296886T5

DE10296886T5 - Mantelgepumpter Faserlaser

Info

Publication number: DE10296886T5
Application number: DE10296886T
Authority: DE
Inventors: Zhijiang Wang; Ying Wang
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2004-07-29
Also published as: US6831934B2; US20020181512A1; WO2002097935A1; CN1253979C; CN1505856A

Abstract

Optisch gepumpter Faserlaser enthaltend Laserdiodenarrays (145), wobei die von den Laserdiodenarrays (145) emittierte Strahlung durch Kopplung oder nach der Umformung durch Kopplung in die mantelgepumpte Struktur (140) transferiert wird, wobei die mantelgepumpte Struktur (140) einen dotierten Kern (141), einen den dotierten Kern (141) umschließenden inneren Mantel (142), welcher die Pumpenergie aufnimmt und an den dotierten Kern (141) abgibt, einen den inneren Mantel (142) festumschließenden äußeren Mantel (143) enthält, wobei der Kern (141) aus einem mit aktivem Material dotierten Glas hergestellt ist und der Querschnitt des inneren Mantels (142) eine polygonartige Form hat, deren Begrenzung eine Vielzahl genau festgelegter Krümmungen ist, wobei jede der Krümmungen ein anderes Krümmungszentrum hat.

Description

Querverweis zu Bezugsanmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der mit „Cladding Pumped Fiber Laser" betitelten US-amerikanischen provisorischen Patentanmeldung 60/294,092 vom 29. Mai 2001.
Die Erfindung bezieht sich auf mantelgepumpte Glasfaserlaser, insbesondere auf eine Anordnung für einen Faserlaser und/oder Verstärker, um eine hohe Ausbeute bei kurzer Länge zu erzielen.
Hintergrund der Erfindung
Obgleich es bekannt ist, dass Doppelmanteltechnik bei der Konstruktion von Hochleistungsfaserlasern wirkungsvoll ist, wurde diese Technik beim Pumpen von Drei-Niveau-Faserlasern, wie Erbium-Verstärker, aufgrund der hohen Grundzustandsabsorption bisher allgemein als ineffektiv betrachtet. Wie bei Grubb in US-Patent Nr. 5,530,710 und bei Ball et al. in US Patent Nr. 6,031,849 beschrieben ist, nutzt eine Lösung zum Hochleistungspumpen Einzelmodestrahlen von anderen Faserlasern. Jedoch ist dieses Verfahren, Faserlaser zum Pumpen von Erbium-Verstärkern zu benutzen, kompliziert und ineffektiv. Die Kosten sind ebenfalls hoch, da Diodenlaser zum Anfertigen eines Faserlasers verwendet werden, der dann zum EDFA-Pumpen verwendet wird. Eine bessere Lösung ist es, Doppelmantelfasern mit effizienterer Struktur herzustellen.
Doppelmantelfasern basieren auf einem Multimodemantel, um die Pumpenergie aufzunehmen und entlang der Faserlänge zum Faserkern zu transportieren. Das US-Patent Nr. 4,815,079 der Polaroid Corporation beschreibt einen verbesserten Wirkungsgrad für Pumpstrahlen, welche in den Kern vom inneren Mantel her eintreten, durch dezentrales Anordnen des Kerns innerhalb einer kreisförmig symmetrischen Struktur, oder durch die Verwendung eines großen Mantel- zu Kernflächenverhältnisses eines rechteckigen Pumpmantels, welcher einen zentral angeordneten Kern umschließt. Bei der Querschnittsfläche des Multimodemantels hat ein im Wesentlichen durch das geometrische Zentrum quer durch die Fläche verlaufender erster Pfad eine wesentlich andere Länge, als ein im Wesentlichen durch das geometrische Zentrum quer durch die Fläche verlaufender zweiter Pfad, wenn der zweite Pfad im Wesentlichen senkrecht zum ersten verläuft.
Das US-Patent Nr. 5,533,163 der Polaroid Corporation beschreibt als Querschnittsform des inneren Mantels ein nicht-rechteckiges konvexes Polygon. Das Konstruktionsziel ist die gleichförmige Verteilung der Pumpenergie über den Faserquerschnitt bei effektivem Transfer. Die beschriebenen Polygone haben die Eigenschaft, dass beim Abdecken einer Fläche durch eine Vielzahl gleicher Polygone alle diese Polygone so in die Abdeckung passen, dass kein Raum zwischen benachbarten Polygonen verbleibt.
Im US-Patent Nr. 5,966,491 der Lucent Technologies werden die Eigenschaften einer sonst kreisförmigen Doppelmantelfaser durch Einführen von longitudinalen, parallelen Mulden im symmetrischen inneren Mantel verbessert.
Das US-Patent Nr. 6,157,763 der SDL zeigt eine Doppelmantelfaser mit einem nicht-kreisförmigen inneren Mantel. Die Querschnittsform ist derart, dass, wie bei einer kreisförmigen Doppelmantelfaser, zwei aufeinander senkrecht stehende, durch die Querschnittsform verlaufende Strecken, die das geometrische Zentrum des Faserkerns schneiden, für alle Winkelpositionen gleich lang sind.
Bei diesen Verbesserungen der Doppelmantelfaser kann aufgrund des lokalen Modes die im Mantel lokalisierte Strahlung nicht zum Monomode-Innenkern durchgehen, weshalb der Wirkungsgrad der Faser klein ist und die Verwendung großer Faserlängen in der Anlagenkonstruktion notwendig macht. In der Praxis ist für die Konstruktion eines Faserlasers die erforderliche Länge der kommerziellen Doppelmantelfaser mit den oben genannten Polaroid- oder Lucent-Strukturen über 50 Meter. Eine der Konsequenzen der großen Länge ist eine geringe Toleranz bezüglich des Abschwächungskoeffizienten, und die Faser muss mit dem teuren Depositionsprozess (MCVD) hergestellt werden, so dass der Transmissionsverlust minimiert werden kann. Diese großen Manteldimensionen führten auch zur Schlussfolgerung, dass ein Doppelmantel ineffektiv für das Pumpen von Drei-Niveau-Faserlasern wie Erbium-Verstärkern ist. Der niedrige Wirkungsgrad der Mantelstruktur begrenzt auch den Einsatz vieler nützlicher Glasmaterialien in der Faserlaserherstellung, weil man dadurch eine unbefriedigende Leistungsfähigkeit (z.B. hohe Verluste aufgrund von Absorption) erhält. Ein Beispiel wird durch die unbefriedigende Leistungsfähigkeit einer Doppelmantel-Laserfaser mit dotiertem Phosphatkern und üblichem Mantelaufbau, ähnlich dem von Polaroid (J. D. Minolly, et al., IEEE Photonics Technology Letters, v 5, 1993, 301; R. Wu, Opto Southwest 2000) aufgrund hoher Verluste und geringem Wirkungsgrad gezeigt.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Es besteht deshalb ein Bedarf an verbesserten Doppelmantelstrukturen, so dass mehr verfügbare Materialien wirkungsvoll im Doppelmantelfaserlaser eingesetzt werden können. Verbesserte Faserstrukturen können zu einfacheren und preiswerteren Herstellungsverfahren führen. Dies ist wichtig für preiswerte Hochleistungs-EDFAs und andere Faserlaser. Bessere Strukturen werden auch die Konstruktion anderer Verstärker ermöglichen, welche im optischen Kommunikationsfenster arbeiten können. Eine Lösung, welche eine Zunahme des aktiven Kerndurchmessers und/oder eine Verringerung des inneren Mantelquerschnitts erlauben würde, würde einen bedeutenden Fortschritt in dieser Technologie darstellen.
Demgemäss ist die wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, wirkungsvolle Laserfasern mit neuer Mantelstruktur und Anordnung anzugeben.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung die neue Mantelstruktur zur Herstellung von Hochleistungsfaserlasern oder erbiumdotierten Faserverstärkern mit hoher Ausbeute unter Anwendung einer kurzen Faser zu verwenden. Ein hoher Pumpwirkungsgrad und niedrige Kosten können erzielt werden.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Erfindung für die Herstellung anderer Faserlaser oder mit seltenen Erden dotierten Faserverstärkern zu nutzen, die innerhalb der gewünschten Wellenlänge des optischen Kommunikationsfensters arbeiten.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein mit seltenen Erden dotiertes Glas für den inneren Kern der Doppelmantelglasfaser verwendet, die einen inneren Mantel mit hohem Wirkungsgrad aufweist, wobei das Glas aus Quarz, Silikat, Fluorozirkonat, Phosphat, Fluoroberyllat, Fluoroaluminat, Fluorophosphat, Borate, Germanate, Tellurite, Borosilikate, Phosphosilikate, Germanosilikate, Blei-Germanate oder Chalcogenide ausgewählt wird.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist die Geometrie des inneren Mantels der Doppelmantelfaser so entworfen, dass lokale Moden vermieden werden, so dass die Doppelmantelfaser für Faserlaser und Verstärker eingesetzt werden kann, um hohe Ausbeute bei kurzer Faserlänge zu erzielen.
Um obige und andere Ziele zu erreichen und mit den Absichten der vorliegenden Erfindung, wie sie hier ausgeführt und ausführlich beschrieben sind, übereinzustimmen, umfasst eine bevorzugte Doppelmantelfaser einen inneren Kern, der von einem inneren Mantel umgeben ist, welcher eine für lokale Moden instabile Querschnittsform aufweist, und einen an den inneren Mantel anschließenden äußeren Mantel. Der innere Kern ist mit aktivem Material wie Ionen der seltenen Erden dotiert. Die Charakteristika des instabilen Mantels sind, dass der Mantelquerschnitt durch mehrere Krümmungen eingekreist wird, und dass beliebige gegenüberliegende Krümmungen (Spiegelpaare) die folgenden Bedingungen für eine instabile Kavität erfüllen:

(1 – L/r₁)(1 – L/R₂) < 0, oder (1 – L/r₁)(1 – L/r₂) > 1;

wobei r₁ und r₂ die Krümmungsradien der im Wesentlichen einander gegenüberliegenden Oberflächen des inneren Mantels (Spiegelpaar) sind, dabei ist der Radius eines konkaven Spiegels positiv und der eines konvexen Spiegels negativ, L ist die Entfernung zwischen zwei Spiegeln. Die ringförmige Stabilität von Strahlen im inneren Mantel kann durch Verschieben der Krümmungszentren weiter zerstört werden. Der innere Mantel, der im folgenden allgemein als instabiler innerer Mantel bezeichnet wird, kann quadrat-, rechteck-, oder polygonartig sein. Im folgenden wird eine Doppelmantelfaser mit solch einem inneren Mantel allgemein als instabile Doppelmantelfaser bezeichnet.
Um die oben genannten Ziele ebenfalls zu erreichen, wird das Flächenverhältnis von innerem Mantel (unabhängig von der Form) und innerem Kern einer Doppelmantelfaser vorzugsweise kleiner als 200, bevorzugter kleiner als 50 und am bevorzugtesten kleiner als 10, so dass lokale Moden minimiert werden können.
Um obige und andere Ziele zu erreichen und mit den Absichten der vorliegenden Erfindung, wie sie hier ausgeführt und ausführlich beschrieben sind, übereinzustimmen, kann ein bevorzugter Faserlaser oder Faserverstärker eine Pumpquelle und eine instabile Doppelmantelfaser umfassen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann bei Verwendung einer instabilen Doppelmantelfaser der Diodenlaser für das Pumpen von Drei-Niveau-Doppelmantelfaserlasern wirkungsvoll eingesetzt werden. Dadurch kann diese Technik zum direkten Pumpen einer wichtigen Deviceklasse eingesetzt werden, welche die Erbiumfaserverstärker und andere Drei-Niveau-Faserlaser enthält.
Nach der vorliegenden Erfindung kann ein bevorzugter Laserverstärker (wie ein Raman-Verstärker) für die optische Kommunikation eine Eingangsfaser zum Leiten eines optischen Signals, eine Ausgangsfaser zum Leiten eines verstärkten optischen Signals, eine instabile Doppelmantelfaser, die in dem Pfad zwischen den Eingangs- und den Ausgangsfasern ist, um das zwischen den Eingangs- und Ausgangsfasern geleitete optische Signal zu verstärken, und ein Laserdiodenarray als Pumpquelle mit Kopplungsoptiken zum Einleiten von Pumplaserstrahlen in den instabilen Doppelmantelfaserverstärker umfassen.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein bevorzugter Faserlaser eine instabile Doppelmantelfaser, ein Laserdiodenarray als Pumpquelle mit Kopplungsoptiken zum Einleiten von Pumplaserstrahlen in die instabile Doppelmantelfaser umfassen, und an beiden Enden der instabilen Doppelmantelfaser Reflektoren haben.
Zusätzliche Aufgaben, neue Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung finden sich in der folgenden Beschreibung. Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden durch die nachstehende detaillierte Erfindungsbeschreibung offensichtlich. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die detaillierte Beschreibung der Erfindung und die beschriebenen spezifischen Beispiele unter Angabe der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung lediglich zur Illustration dienen, da aufgrund der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung vielfältige Änderungen und Modifikationen der vorliegenden Erfindung für Fachleute offensichtlich werden, die innerhalb des Erfindungsbereichs und Sinns liegen.
Diese Erfindung schafft eine neue innere Fasermantelstruktur, die lokale Moden vermeidet und ein mit hoher Effizienz in den Faserkern einer Doppelmantelfaser eindringenden Pumpstrahl ermöglicht, wodurch hochdotiertes Glas als Faserkern verwendbar ist und die Notwendigkeit des teuren MCVD-Verfahren entfällt, wodurch der Bau von drei-niveau-doppelmantelgepumpten erbiumdotierten Verstärkern möglich wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die begleitenden Zeichnungen dienen zum Erläutern der Erfindungsprinzipien.
1 zeigt einen Mantel nach dem Stand der Technik und die lokalen Moden.
2 zeigt einen quadratischen inneren Mantel und die lokalen Moden.
3, 4, und 5 veranschaulichen jeweils die lokalen Moden in einem modifizierten inneren Mantel.
6 zeigt einen quadratischartigen, durch vier Krümmungen begrenzten inneren Mantel, in welchem die lokalen Moden erheblich reduziert sind.
7 zeigt eine Ausführungsform eines quadratischartigen inneren Mantels, der durch Modifikation des inneren Mantels aus 6 durch Verschieben der Krümmungszentren entsteht.
8 zeigt eine Ausführungsform eines quadratischartigen inneren Mantels, in welchem die lokalen Moden zerstört sind.
9 veranschaulicht schematisch den Strahlengang in einer weiteren Ausführungsform eines quadratischartigen inneren Mantels.
10 zeigt noch eine andere Ausführungsform eines instabilen inneren Mantels dieser Erfindung, wobei die lokalen Moden zerstört sind.
11 und 12 zeigen die Querschnitte von zwei weiteren Ausführungsformen des inneren Mantels der vorliegenden Erfindung.
13 und 14 zeigen zwei Ausführungsformen instabiler quadratischartiger innerer Mäntel mit mehrfachabbildenden Rändern.
15 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform einer instabilen Doppelmantelfaser mit ihrem inneren Mantel, der die geometrische Form der vorliegenden Erfindung hat. 15a und 15b zeigen eine Ausführungsform einer instabilen Doppelmantelfaser mit einem photonenkristallenen äußeren Mantel. 15c, 15d und 15e zeigen drei Ausführungsformen, bei denen große Löcher zum Separieren des inneren und äußeren Mantels verwendet werden.
16 veranschaulicht eine Skizze mit einer mantelgepumpten Struktur, die an ein Laserdiodenarray angekoppelt ist.
17 zeigt schematisch ein Funktionsprinzip eines Faserlasers.
18 zeigt in einem schematischen Diagramm eine mantelgepumpte Struktur, welche als Pumpe oder als ein mit seltenen Erden dotierter Faserverstärker verwendbar ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt Verfahren und Vorrichtungen zum Ausführen effizienten Pumpens vor, so dass hocheffiziente Faserlaser oder Faserverstärker hergestellt werden können. Insbesondere werden neue Mantelstrukturen für Doppelmantelfasern vorgestellt. Die neue Struktur zeichnet sich durch ein kleines Mantel-zu-Kern-Verhältnis und durch neue Mantelgeometrien aus, welche instabil für lokale Moden sind, so dass lokale Moden im inneren Mantel im Wesentlichen vermieden werden können. Ein hoher Ausbeute- und einer hoher Wirkungsgrad können damit bei kurzer Faserlänge erreicht werden, und es können Glasfaserkerne verwendet werden, die mit aktivem Material hochdotiert sind. Genauer gesagt, werden, die neuen Mantelstrukturen zusammen mit Pumpquellen hoher Leuchtdichte verwendet. Mit der vorgestellten Faser können nun Anlagen praktikabel werden, von denen zuvor geglaubt wurde, dass sie unbrauchbar sind, wie erbiumdotierte Doppelmantel-Hochleistungsfaserverstärker, die mit Diodenlaser direkt gepumpt werden. Diese neuen Faserstrukturen ermöglichen auch die Konstruktion von Faserverstärkern, die bei anderen, für die optische Kommunikation interessanten und seit langem gewünschten Wellenlängen (z.B. bei 1,3 um}, arbeiten.
Es wurde vor einiger Zeit erkannt, dass es für bestimmte Hochenergielaser wünschenswert ist, eine optische Verstärkung mit Doppelmantelfaser zur Verfügung zu stellen. Eine typische Doppelmantelfaser hat einen inneren mit aktivem Material (wie Nd, Yb, Er, Pr, Ho, Tm) dotierten Kern, durch welchen ein optisches Signal übertragen wird, einen inneren, den Kern umschließenden Mantel mit kleinerem Brechungsindex als der Kern, und einen äußeren, den inneren Mantel umschließenden Mantel mit kleinerem Brechungsindex als der innere Mantel. Bei der Anwendung der Doppelmantelfaser für die optische Verstärkung ist es bekannt, dass die optische Pumpenergie nicht direkt in den Kern gekoppelt werden braucht, wo sie für Verstärkungszwecke absorbiert wird, sondern sie kann in den inneren Mantel eingekoppelt werden, wo sie auf verschiedenen Reflexionsbahnen durch den Mantel läuft, bis sie den Kern schneidet. Sobald der Kern erfasst wird, wird Pumpenergie absorbiert und bildet eine gespeicherte Energie im Kern, die für die Verstärkung des optischen Signals durch stimulierte Emission bereitsteht. Auf diesem Weg wird absorbierte Multimodeenergie in Monomode-Laseremission innerhalb des Faserkerns transformiert. Um die Kopplung hoher Pumpenergie in mantelgepumpte Faserlaser (CPFL) zu ermöglichen, ist es typischerweise notwendig, Fasern mit relative großen Manteldurchmesser zu verwenden, z.B. größer als 250 μm (großes Aspektverhältnis). Andererseits limitiert die übliche Forderung nach Monomodeemission bei der CPFL deren Kerndurchmesser auf weniger als ungefähr 8 μm. Das Flächenquerschnittsverhältnis ist daher groß, oft über 500. Dieser Flächenunterschied zwischen Mantel- und Kernquerschnitt erfordert große Devicelängen (bis zu 200 Meter), da die Absorption der Pumpstrahlung in der CPFL-Struktur proportional zum Verhältnis der Kern-zu-Mantelquerschnittsfläche ist. Für viele Anwendungen ist dies eine wirkungsvolle Technik, ein Pumpsignal mit relativ hoher Energie in einen Monomodefaserlaser zu bringen.
Die Anwendung von solchen Fasern für Faserverstärker ist jedoch mit Problemen verbunden. Das direkte Pumpen dieser Laserfasern, wie des erbiumdotierten Drei-Niveau-Faserlasers, zum Herstellen von EDFAs wurde im Wesentlichen als unpraktikabel erachtet. Das direkte Pumpen der erbiumdotierten Doppelmantelfaser für EDFA-Anwendungen wird sehr nützlich sein.
Während unserer Forschung über Verstärker stellten wir fest, dass nicht nur die Faserlänge des Faserlasers gut mit dem Mantel-zu-Kern-Verhältnis skaliert, sondern ebenso Pumpenergiedichte und Verluste in der Faser. Im Gegensatz zur üblichen Lehrmeinung stellten wir fest, dass Diodenlaser benutzt werden können, um die mit seltenen Erden dotierten Doppelmantelverstärker mit hoher Leistungsdichte direkt zu pumpen, wenn eine richtige Auswahl der inneren Mantelparameter (Abmessungen und Form) und der Parameter des inneren Kerns erfolgt. Da geglaubt wurde, dass das Mantelpumpen mit Diodenlaser beim Pumpen von Drei-Niveau-Faserlasern nicht wirkungsvoll ist, zeigt diese Erfindung ein Verfahren zum direkten Pumpen einer wichtigen Deviceklasse auf, welche Erbiumfaserverstärker und andere Drei-Niveau-Faserlaser enthalten. Da die Absorption der Pumpstrahlung in einer CPFL-Struktur proportional zu der Dotierungskonzentration ist, skaliert die Faserlänge eines Faserlasers auch mit der Dotierungskonzentration der seltenen Erden, weshalb eine hohe Dotierungskonzentration bevorzugt wird.
Basierend auf der vorliegenden Erfindung kann bei der Konstruktion von Laserfasern auch ein kompakter innerer Mantel mit instabiler Mantelgeometrie, welche im Wesentlichen lokale Moden verhindert, sowie ein mit aus seltenen Erden dotiertem Glas bestehender innerer Kern verwendet werden. Bei der Anwendung derartiger Laserfasern für Faserverstärker, wie erbiumdotierte Faserverstärker, kann bei kurzer Faserlänge hohe Ausbeute und hohe Effizienz erreicht werden, und die Verstärker können direkt mit Laserdiodenarrays gepumpt werden. Die Herstellung dieser Glasfaser wird billiger sein als die von konventionellen quarzbasierenden Fasern, da im Gegensatz zu konventionellen verlustarmen Kommunikationsfasern Verfahren wie MCVD nicht notwendig sind. Des Weiteren kann in konventionellen EDFAs die quarzbasierende Glasfaser nur sehr niedere Erbiumkonzentrationen wie 10¹⁹ cm^–3 haben, und die Faserlänge muss 20 m und 60 m betragen, um die Pumpenergie zu absorbieren und den Verstärker zu optimieren. Mit der vorgestellten Faserstruktur kann jedoch anderes nicht-quarzbasierendes Glas verwendet werden, so dass eine hohe Dotierungskonzentration erreicht werden kann. Obgleich die Abschwächung eines solchen Glases größer ist als bei den konventionellen quarzbasierenden Fasern, wird dies durch die kürzere Faserlänge kompensiert, die sich durch die kompakte und/oder instabile innere Mantelstruktur und die hohe Dotierung bedingt ergibt.
Andererseits kann bei der Benutzung einer quarzbasierenden Glasfaser ihr Brechungsindex nicht frei geändert werden. Deshalb ist es schwierig die NA des Kerns zu verringern, um den Kerndurchmesser zu vergrößern, und es ist auch schwierig den Manteldurchmesser und die Faserlänge durch Erhöhung des Mantel-NAs zu verringern. Wird nicht-quarzbasierendes Glas verwendet, kann der Brechungsindex aus einer großen Gruppe von möglichen Gläsern ausgewählt werden, so dass die gewünschten Faserparameter leicht erhalten werden können. Die Leistungsfähigkeit der Laserfaser wird dadurch weiter verbessert.
1 zeigt einen lokalen Mode (veranschaulicht durch L1, L2 und L3) in einem inneren Mantel einer Faser nach dem Stand der Technik. Der Querschnitt des inneren Mantels IC1 hat eine kreisförmige Geometrie. CR ist der Kern, d0 ist der Kerndurchmesser und d1 (nicht dargestellt) die Manteldimension.
Die quadratische oder rechteckige Mantelgeometrie nach dem Stand der Technik hat ebenfalls einen erheblichen Anteil lokaler Moden. 2 zeigt einen quadratischen inneren Mantel IC2, wobei die lokalen Moden, bei welchen die Position einiger Strahlen immer die gleiche bleibt, durch L1, L2 und L3 veranschaulicht sind. In diesem quadratischen Mantel bilden L4, L5 und L6 feste Ringe, jedoch ist die Anzahl der lokalen Moden sehr viel kleiner als beim kreisförmigen Mantel mit dem gleichen d1/d0-Verhältnis, wobei d1 die Seitenlänge des Quadrats ist. 3, 4 und 5 veranschaulichen die lokalen Moden in anderen, bekannten inneren Mänteln IC3, wobei deren Randsymmetrie stabile zyklische lokale Moden bedingt.
Wir stellten fest, dass wenn in einen ansonsten quadratischen Mantel Krümmungen eingeführt werden, dann die lokalen Moden reduziert werden können. 6 zeigt eine Ausführungsform eines inneren Mantels IC4, bei der eine quadratartige Form dadurch erhalten wird, dass die Kanten einer quadratischen Vorform während der Faserherstellung in Krümmungen umgewandelt werden, wobei a, b, c, d die Krümmungszentren sind, und jedes Zentrum mit dem Scheitelpunkt (vertex) der zur gegenüberliegenden Seite gehörenden Krümmung zusammenfällt. Obgleich in diesem Fall L1 und L2 stabile lokale Moden sind, könne sie den zentralen Kern passieren. Die Lichtpfade L4, L5 und L6 bilden einen stabilen Ring der nicht den Kern passiert, da die Verbindungslinien der Krümmungszentren a, b, c, d ein Quadrat bilden. Jedoch wurde eine wesentliche Verbesserung im Vergleich zum quadratischen inneren Mantel erzielt.
Eine andere Ausführungsform, die auf der Form in 6 basiert, ist in 7 veranschaulicht, wobei die Mantelform weiter optimiert ist. In diesem inneren Mantel IC5 sind die Krümmungszentren leicht von den Scheitelpunkten der gegenüberliegenden Krümmung verschoben. Die Krümmungszentren a, c sind von der Scheitelpunktposition entsprechend entlang der Kurven C und A nach unten verschoben, und die Zentren b und d sind bezüglich der ursprünglichen Scheitelpunktposition, verglichen mit der Form in 6, leicht nach rechts verschoben. Als Ergebnis sind die Lichtpfade L4, L5 und L6 nicht länger stabil. Diese bevorzugte Mantelform wurde zum Nachweis der Effektivität detailliert untersucht. Nahezu kein zyklischer lokaler Mode kann im inneren Mantel mit dieser Form stabilisiert werden. Die Vorform wurde mit konventionellen optischen Verfahren aus einem quadratischen Querschnitt in einen quadratartigen unsymmetrischen Querschnitt mit gekrümmten Kanten geschliffen, wobei die Asymmetrie durch Verschieben der Krümmungszentren erhalten wurde.
Entsprechend der Theorie des Laseresonators erzeugt ein instabiles Resonator keine stabilen lokale Moden. 8 zeigt noch eine weitere Ausführungsform eines inneren Mantels IC6 mit einem Mantelquerschnitt der vier konvexe, zylindrische Spiegel umfasst. Alle Strahlen divergieren zunehmend mit den Vielfachreflexionen. Es existiert kein stabiler Mode.
Basierend auf der Resonatortheorie werden bei den obigen Ausführungsformen vorzugsweise die Dimensionen der Krümmungen nach einer der folgenden Bedingungen für einen instabilen Resonator (eine instabile Kavität) gewählt: (1 – L/r1)(1 – L/r2) < 0 (1)oder (1 – L/r1)(1 – L/r2) > 1 (2)wobei r₁ und r₂ der Radius der Krümmungsfläche (Spiegelfläche) ist, und der Radius eines konkaven Spiegels positiv und der eines konvexen Spiegels negativ ist, L ist die Entfernung zwischen zwei gegenüberliegenden Spiegeln. Obgleich der Mantel in 6 aufgrund der reduzierten Anzahl der lokalen Moden viel besser ist als der quadratische, ist er ein stabiler Mantel, da L-r₁=r₂ und (1-L/r₁)(1-L/r₂) = 0 ist. Die Mantelgeometrie in 8 erfüllt die Bedingungen von Ungleichung (2), wobei L/r₁< 0 und L/r₂ < 0 sind. Analog ist es offensichtlich, dass die Moden in einem durch zwei konkave Spiegelpaare gebildeten Mantelquerschnitt, die die Bedingung der Ungleichung (1) erfüllen auch instabil sein können.
9 zeigt noch eine weitere Ausführungsform eines inneren Mantels IC7, bei welchem sich die Krümmungszentren nicht auf der gegenüberliegenden Krümmung befinden. Die Linie, die die Krümmungszentren a, c verbindet, steht senkrecht auf der Linie die b, d verbindet. Diese Geometrie erfüllt die Bedingungen r₁> L > r₂> 0 und Ungleichung (1). Strahl I1 wird wiederholt reflektiert und divergiert wiederholt in I2, I3, I4, I5, dann konvergiert er allmählich in I6, I7, I8 und I9. Eine minimale Anzahl von Strahlen wie die Lichtpfade L4, L5 und L6 haben immer noch eine gewisse Stabilität, da die Verbindungslinie der Scheitelpunkte der Krümmungen ein Quadrat bilden (siehe Lichtpfad L4). Um solch zyklische Stabilitäten weiter zu eliminieren, können die Krümmungszentren b und d in die gleiche Richtung verschoben werden, in die Lagen, die in 10 für den inneren Mantel IC8 gezeigt sind, oder sie können in die entgegengesetzte Richtung verschoben werden, wie dies in 11 für den inneren Mantel IC9 gezeigt ist. In diesen Fällen wird der Lichtpfad L4 instabil. Tatsächlich kann die „parallel-" und „senkrecht-" Beziehung zwischen den Rändern und die zyklische Stabilität zerstört werden, indem nur eines der Krümmungszentren verschoben wird, wie dies in der Ausführungsform in 12 für den inneren Mantel IC10 gezeigt ist.
Die Ausführungsform in 13 ist ein instabiler innerer Mantel IC11 mit mehrfachabbildenden Resonatoren, wobei a, b, c jeweils die Zentren der jeweiligen Krümmungen A1A2, B1B2 und C1C2 sind. In diesem Fall sind die Radien der drei Krümmungen gleich. Es zeigt sich, dass nach vier Reflexionen (eine Periode) der Objektpunkt O1 eine Strecke 2q auf dem Spiegel C1C2 verschiebt, wobei q der Abstand der Krümmungszentren a und b ist. Der Strahl verschiebt sich nach weiteren Reflexionen weiter zum Zentrum hin, und, nachdem er das Zentrum passiert hat, verschiebt er sich weiter in Richtung Außenseite. Jedoch sind die Strahlpositionen auf den Spiegeln A1A2 und B1B2 im Wesentlichen unverändert. Die Ausführungsform in 14 zeigt einen anderen mehrfachabbildenden instabilen inneren Mantel IC12 der acht Spiegel umfasst (A11A12, A21A22, B11B12, B21B22, C11C12, C21C22, D11D12, D21D22), wobei a1, a2, b1, b2, c1, c2, d1, d2 die Krümmungszentren der jeweiligen Spiegel A11A12, A21A22, B11B12, B21B22, C11C12, C21C22, D11D12, D21D22 sind. In dieser Ausführungsform verschiebt sich Strahl O1 nach vier Reflexionen um 2q1 auf dem Spiegel B21B22 und er verschiebt sich um 2q2 auf dem Spiegel A21A22, wobei q1 der Abstand zwischen den Krümmungszentren a1 und a2 und q2 der Abstand zwischen den Krümmungszentren b1 und b2 ist. Als Ergebnis wird ein am Rand des Mantels befindlicher Strahl kontinuierlich zum Zentrum verschoben und dann wieder in Richtung des Rands, wodurch der lokale Mode zerstört wird. In 14 wird die zyklische Stabilität der Strahlen, die durch den Mantel gehen durch die Abweichung von d1 und d2 von der Achse zerstört.
Es ist bekannt, dass die Verstärkung m eines instabilen Resonators wie folgt lautet:

m = (2g₁g₂-1) ± [(2g₁g₂-1)²-1]^1/2,

wobei g₁= 1-L/r₁, g₂= 1-L/r₂ ist. Wenn sich m ±1 nähert (g₁g₂ → 1, oder g₁g₂→ 0), dann nähert sich der Resonator der Stabilität. Wenn m sehr stark verschieden von ±1 ist (das ist bei g₁g₂≫1 oder bei g₁g₂≪0), dann wird der Strahl schneller divergieren. Entsprechend dem Mantel-zu-Kern-Verhältnis d₁/d₀ können wir eine angemessene Verstärkung m und angemessene Krümmungszentrenverschiebung wählen, so dass die Anzahl der Reflexionen minimiert wird bevor der Strahl in den Kern eintritt.
Der instabile Mantel (Resonator), der die Ungleichungen (1) oder (2), erfüllt kann viele Formen und Parameter haben, welche von denen der obigen Ausführungsformen abweichen. Tatsächlich kann jeder Mantelquerschnitt der von mehreren Krümmungen umgeben ist, mit beliebigen im Wesentlichen gegenüberliegenden Krümmung (Spiegelpaar), die die Bedingungen für den instabilen Resonator erfüllen, als effizienter innerer Mantel verwendet werden. Die oben dargestellten Ausführungsformen zeigen im Wesentlichen quadratartige Formen. Für einen Fachmann, der das obige Prinzip versteht, ist es offensichtlich, dass irgendeine viereckige Form (wie z.B. Rechteck, Trapezoid, Rhombus) oder irgendein Polygon derart modifiziert wird, um viereckartig (wie rechteckartig, trapezoidartig, rhombusartig) oder polygonartig zu werden, indem die Ränder zu definierten Krümmungen modifiziert werden, die eine instabile Mantelform bilden. Die zyklische Stabilität des lokalen Modes im inneren Mantel kann immer zusätzlich durch Verschieben der Krümmungszentren und die damit verbundene Änderung der Mantelgeometrie zerstört werden.
Entsprechend der Resonatortheorie ist die Instabilität einer Kavität nur abhängig von der Krümmung in der Nähe des Scheitelpunkts. Irgendwelche gekrümmte Ränder wie Kugel, Hyperboloid, Paraboloid, Ellipsoid oder andere Flächen höherer Ordnung sind in dieser Hinsicht gleich. Wir stellten fest, dass das gleiche Prinzip für einen instabilen innere Mantel gilt. Deshalb können die Krümmungen in der vorhergehenden Beschreibung irgendeine Kurve sein, solange ihr Krümmungsradius in der Nähe des Scheitelpunkts die Bedingung (1) oder (2) erfüllt.
Mit der instabilen Geometrie verlaufen die Lichtpfade innerhalb des Mantels ergodisch. Jedes Lichtbündel kann in den Kern ohne Störung gelangen, wird aber an der Mantelgrenze vielfach reflektiert. Allgemein skaliert die durchschnittliche Zahl der Reflexionen mit d1/d0.
Mit dem inneren Mantel, der lokale Moden zerstört, kann eine effektive Doppelmantelfaser hergestellt werden. 15 zeigt eine Ausführungsform einer Doppelmantelfaserstruktur mit einem inneren Kern 131 für die Monomodetransmission des Lasersignals und einem neben dem inneren Kern angeordneten ersten Mantel (inneren Mantel) 132 zum Liefern optischer Pumpstrahlen an den inneren Kern. Der erste Mantel hat eine Geometrie, die lokale Moden zerstört, wie dies in den obigen Ausführungsformen gezeigt wurde. Der Kern kann aus quarzbasierendem Glas, Silikat, Fluorozirkonat, Phosphat, Fluoroberyllat, Fluoroaluminat, Fluorophosphat, Borate, Germanate, Tellurite, Borosilikate, Phosphosilikate, Germanosilikate, Blei-Germanate, Chalcogenideglas und anderen Gläsern, die mit Ionen der seltenen Erden dotiert sind, ausgewählt werden. Die Dotierungskonzentration ist nicht begrenzt. Es kann ein Dotierungslevel gewählt werden, welches die Leistungsfähigkeit maximiert und die Faserlänge minimiert. Die Doppelmantelfaser umfasst auch einen äußeren Mantel 133, der neben dem inneren Mantel angeordnet ist und einen Brechungsindex n2 hat der kleiner ist als der des inneren Mantels n1, um den optischen Pumpstrahl einzuschließen, und der Kern hat einen Brechungsindex n0, der größer ist als n1, um das Monomodesignal einzuschließen.
Die numerische Apertur NA1 des inneren Mantels ist NA₁= (n₁ ²-n₂ ²)^1/2, und die Abmessung des inneren Mantels ist d1. Es ist bekannt, dass d1 NA1 die Lagrange-Invariante des inneren Mantels bestimmt, und damit, wie viel Pumpleistung in diesen eingeführt werden kann. Entsprechend der Skalierungsregel ist d1 so klein wie möglich, NA1 ist so groß wie möglich und n1≫n2, was das Einführen einer hohen Pumpenergie begünstigt.
Der äußere Mantel wird oft durch ein geeignetes Polymer gebildet, wie z.B ein Fluoropolymer, oder durch ein herkömmliches Glas mit niedrigem Index. In jedem Fall ist der Brechungsindex des Mantels so gemacht, dass er ungefähr <1,39 ist, um NA1 zu maximieren. Der Durchmesser des äußeren Mantels d2 ist gewöhnlich sehr viel größer als d1. Um den Index des äußeren Mantels weiter zu verringern, kann ein Photonkristall (Materialien mit Photon-Bandlücke) eingesetzt werden, der durch eine Vielzahl von periodisch angeordneten Mikrohohlräumen gebildet wird und einen sehr viel kleineren wirksamen Brechungsindex hat. 15a zeigt eine Ausführungsform einer instabilen Doppelmantelfaser 170 mit Photonkristall als äußeren Mantel 171. Die Faser hat den gleichen inneren Kern wie in 15, und der innere instabile Mantel hat ebenfalls die gleiche Form. Jedoch besteht der äußere Mantel dieser Ausführungsform aus einem regelmäßigen Feld mikroskopischer Luftlöcher, welche entlang der gesamten Länge der Faser angeordnet sind, wobei die Begrenzung des inneren Mantels durch die Löcher gebildet wird. Es sollte beachtet werden, dass die Löcher nur in der Nähe des inneren Mantels notwendig sind. Es gibt zwei Hauptformen der Lichtleitung. Erstens, Licht wird durch eine modifizierte Form mittels totaler internen Reflexion eingeschlossen. Im zweiten Fall wird das Licht durch eine vollständige zweidimensionale photonische Bandlücke eingeschlossen. In 15a sind nur einige Schichten dieser Löcher gezeigt und das Licht wird durch modifizierte totale interne Reflexion geleitet. Daher ist der effektive Brechungsindex des äußeren Mantels gleich eins, wenn dieser durch einen photonkristallartigen äußeren Mantel umgeben ist, wodurch die Dimension des inneren Mantels minimiert werden kann. Durch Anwenden dieser „Photonkristall"-Methode kann ein innerer Mantel beliebiger Form gemacht werden. Zum Beispiel ist es für den Fachmann offensichtlich, dass ein Quadrat, ein Rechteck, oder ein Polygon, oder die Formen die in dieser Anmeldung dargestellt wurden, durch eine Vielzahl von Löchern gebildet werden kann, welche die Form umschließen. Ein rechteckiger innerer Mantel 181, umschlossen von Mikrolöchern, ist in der Ausführungsform 180 in 15b dargestellt. Es sollte bemerkt werden, dass große Löcher 191 ebenfalls zur Definition innerer Mantelformen benutzt werden können, wie dies in 15c, 15d, und 15e dargestellt ist. Einer der Vorteile bei der Anwendung von Mikrolöchern ist, dass der innere und der äußere Mantel den gleichen Brechungsindex haben können.
Es ist offensichtlich, dass ein instabiler innerer Mantel (Resonatoren), der die Ungleichungen (1) oder (2) erfüllt, mit Krümmungen gebildet werden kann, die gleichzeitig konvexe und konkave Formen haben (relativ zum inneren Kern), so wie im Ausführungsbeispiel für den inneren Mantel mit der Form 200, der in 15f dargestellt ist. Andererseits ist es ebenfalls offensichtlich, dass die Anzahl der Krümmungen, die den instabilen inneren Mantel bilden, der den Ungleichungen (1) oder (2) genügt, beliebig sein kann, da die Reflexionsflächen im instabilen inneren Mantel mit dem durchlaufenden Strahl kontinuierlich variieren. 15g zeigt eine Ausführungsform eines instabilen inneren Mantels 210, der eine ungerade Anzahl (sieben) von Krümmungen enthält.
Es sind viele Verfahren bekannt, Doppelmantelstrukturen zur Herstellung von Faserlasern zu verwenden. 16 zeigt eine bekannte Anordnung zum Ankoppeln eines Laserdiodenarrays 145 mit einer mantelgepumpten Struktur 140, jedoch mit einer bevorzugten instabilen Doppelmantelfaser gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Kopplungsoptik zur Strahlungskopplung von 145 nach 140 umfasst eine Strahlformungsoptik BSH und eine fokusierende Linse LN. Die doppelmantelgepumpte Struktur 140 setzt sich aus einem mit einem aktiven Material dotierten Kern 141, einem eine instabile innere Mantelform aufweisenden inneren Mantel 142 und einem äußeren Mantel 143 zusammen. 17 zeigt eine schematische Veranschaulichung eines Faserlasers 160. Die gepumpte instabile Doppelmantelstruktur 140 mit einer bevorzugten inneren Mantelgeometrie der vorliegenden Erfindung wurde an 146 und 147 an Faser-Bragg-Gitter 148 und 149 gespleißt. Gitter 148 hat eine hohe Reflektivität (HR) für die Ausgangswellenlänge, z.B. 1064 nm. Gitter 149 hat eine mäßige Reflektivität für die Ausgangswellenlänge, z.B. 10 %, und dient als Auskoppler (OC). Die Diodenstrahlung wird durch die Strahlkopplungsoptik gesammelt und auf die Apertur des Gitters 148 fokusiert. Der Kopplungswirkungsgrad kann mit verschiedenen Strahlkopplungstechniken variieren. Die Anordnung kann auch mittels einer Vorschaltlaserdiode (pigtailed laser diode) (nicht dargestellt) gepumpt werden, die an das HR-Gitter 148 gespleißt ist. Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass ein Raman-Resonator am Faserlaserausgang OC hinzugefügt werden kann, so dass ein Raman-Laser für Verstärkungsanwendungen aufbaubar ist.
18 zeigt eine schematische Abbildung einer Beschreibung, in welcher die instabile Doppelmantelfaser der vorliegenden Erfindung bei einem mit seltenen Erden dotierten Faserverstärker eingesetzt wird. Das zu verstärkende Signal 161 wird in einen dichroischen Koppler WDM1 eingeleitet und durch die Spleißverbindung 162 in den mit Erbium und Ytterbium dotierten Faserverstärker 163 geleitet. Die mantelgepumpte Laserstruktur 164 wurde als gegenläufige Pumpe ausgebildet, deren Emission in den Verstärker 163 mittels der Faser PF, WDM2 und Spleißverbindung 165 eingekoppelt wird. Das verstärkte Signal wird am Ausgang WDM2 gesammelt.
Bei dieser Erfindung fanden wir auch heraus, dass kompakte Doppelmantelfasern mit kleinem Verhältnis von innerer Mantelfläche zur innerer Kernfläche die Fasereffektivität in Faserverstärkern und Faserlasern, die in 16, 17 und 18 veranschaulicht sind, weiter erhöhen. Das Flächenverhältnis von innerem Mantel zu innerem Kern der instabilen Doppelmantelfaser wird bevorzugt kleiner als 200, vorzugsweise kleiner als 50 und bevorzugter kleiner als 10. Für eine vorgegebene Diodenpumpleistung P0 sollte die Dimension d1 des inneren Mantels so klein wie möglich sein, um eine hohe Pumpenergiedichte zu erreichen. Bei der Ankopplung von einem LDA mit hoher Leuchtdichte an eine optische Faser kann eine Strahlung >1MW/cm²/sr erreicht werden. Ist z.B. P0 = 1W, NA1 = 0,5, dann genügt d1 = 10 μm. Um den Anschluss an ein WDM einfacher zu machen, kann d1 etwas größer gewählt werden. Bei einem weiteren Beispiel ist P0 = 10W, d1 = 30 μm oder P0 = 100W, d1 = 100 μm. Somit kann der kompakte innere Mantel zum Hochleistungspumpen verwendet werden. Wenn das Verhältnis klein genug ist, kann die Effizienz für jede Doppelmantelfaser erhöht werden, deren Form des inneren Mantels eine symmetrische oder asymmetrische polygonförmige oder polygonähnliche Form ist, dies gilt selbst für einen sternförmigen Mantel, der im US-Patent Nr. 5,966,491 beschrieben ist. Wenn d1/d0 nahe bei eins ist, kann auch ein kreisförmiger Mantel verwendet werden. Gemäß der Skalierungsregel gilt, dass wenn d1 kleiner wird, dann auch die erforderliche Faserlänge sich entsprechend der Proportion verringert. Verluste können reduziert und Kosten verringert werden. Die Spitze der Pumpleistungsdichte bei solch instabilen Doppelmantelfasern ist sehr viel höher als die, die aus den Angaben eines Er-3-Niveau Pumpsystem erwartet wird, die Leistungsdichte kann MW/cm² erreichen. Die Effizienz der instabilen Doppelmantelfaser kann mit solch kompakten Doppelmantelfasern ebenfalls erhöht werden, unabhängig von der Geometrie des inneren Mantels. Durch Ersetzen der Doppelmantelfaser in 17 und 18 durch eine kompakte Doppelmantelfaser mit kleinem Verhältnis von innerem Mantel zu innerem Kern können die Verstärker und Laser ebenfalls realisiert werden, wogegen sie anderenfalls bei Verwendung von Doppelmantelfasern mit regelmäßigem und großem inneren Mantel, sowie großem Flächenverhältnis von innerem Mantel zu innerem Kern, aufgrund der Anwesenheit lokaler Moden unpraktikabel sind.
Die obige Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung wurde zur Veranschaulichung und Darstellung präsentiert. Es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die genau offenbarte Form zu limitieren, da es offensichtlich viele Modifikationen und Variationen im Hinblick auf die obige Lehre gibt. Zum Beispiel können weitere Mantelschichten hinzugefügt werden, um gewisse spezifische Eigenschaften zu erhalten. Zum Beispiel kann ein Führungsmantel hinzugefügt werden, um die Trennung und das Spleißen der Faser zu erleichtern. Das Abschneiden von einigen Bogenecken hat nur einen kleinen Einfluss auf den optischen Pfad im Mantel, so wie das Abschneiden von vier kleinen Ecken bei einem quadratartigen instabilen Mantel, wodurch der resultierende Querschnitt eine etwas mittigere Symmetrie haben wird. Die Herstellung der Faser kann ebenfalls auf vielen verschieden, aus dem Stand der Technik bekannten Wegen erfolgen. Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktischen Anwendungen bestmöglich zu erklären, und um dadurch anderen Fachleuten die beste Nutzung der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Spezifische Werte, die in den obigen Ausführungsformen benutzt und angegeben wurden, dienen einem leichteren Verständnis, sie setzen keine Grenzen hinsichtlich der Erfindungslehre, welche in den Ansprüchen ausgeführt ist. Die einzelnen Werte und Konfigurationen, die oben diskutiert wurden, können variiert werden und wurden nur zitiert, um spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen, eine Limitierung des Bereichs der vorliegenden Erfindung ist damit nicht beabsichtigt.
Zusammenfassung
Eine Doppelmantelfaser mit einem inneren mit aktivem Material dotierten Kern und einem an den inneren Kern angrenzenden inneren Mantel, um Pumpenergie zu empfangen, lokale Moden in dem inneren Mantel zu minimieren und die Pumpenergie zum Kern zu transferieren. Ein äußerer Mantel schließt an den inneren Mantel an. Der Querschnitt des inneren Mantels hat eine polygonartige Form mit einem durch eine Vielzahl von genau definierten Krümmungen bestimmten Rand, wobei, um Energie mit maximalem Wirkungsgrad zum inneren Kern zu liefern, jede der Krümmungen ein wesentlich anderes Krümmungszentrum hat und der Einschränkung unterliegt:

(1 – L/r₁)(1 – L/r₂) < 0, oder (1 – L/r₁)(1 – L/r₂) > 1;

wobei r₁ und r₂ der Krümmungsradius der einander gegenüberliegenden Oberflächen des inneren Mantels (Spiegelpaar) ist, wobei der Radius eines konkaven Spiegels positiv und der eines konvexen Spiegels negativ ist, L ist die Entfernung zwischen zwei Spiegeln.

Claims

Optisch gepumpter Faserlaser enthaltend Laserdiodenarrays (145), wobei die von den Laserdiodenarrays (145) emittierte Strahlung durch Kopplung oder nach der Umformung durch Kopplung in die mantelgepumpte Struktur (140) transferiert wird, wobei die mantelgepumpte Struktur (140) einen dotierten Kern (141), einen den dotierten Kern (141) umschließenden inneren Mantel (142), welcher die Pumpenergie aufnimmt und an den dotierten Kern (141) abgibt, einen den inneren Mantel (142) festumschließenden äußeren Mantel (143) enthält, wobei der Kern (141) aus einem mit aktivem Material dotierten Glas hergestellt ist und der Querschnitt des inneren Mantels (142) eine polygonartige Form hat, deren Begrenzung eine Vielzahl genau festgelegter Krümmungen ist, wobei jede der Krümmungen ein anderes Krümmungszentrum hat.
Optisch gepumpter Faserlaser enthaltend Laserdiodenarrays (145), wobei die von den Laserdiodenarrays (145) emittierte Strahlung durch Kopplung oder nach der Umformung durch Kopplung in die mantelgepumpte Struktur (140) transferiert wird, wobei die mantelgepumpte Struktur (140) einen dotierten Kern (141), einen den dotierten Kern (141) umschließenden inneren Mantel (142) und einen den inneren Mantel (142) umschließenden äußeren Mantel (143), wobei der dotierte Kern (141) aus einem mit aktivem Material dotierten Glas hergestellt ist, wobei das Verhältnis der Querschnittsfläche des inneren Mantels zu der Querschnittsfläche des dotierten Kerns zwischen 1 und 100 liegt.
Optisch gepumpter Faserlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsränder des inneren Mantels (142) von Krümmungen begrenzt sind, wobei jedes gegenüberliegende Krümmungspaar die Bedingung des Resonators: (1 – L/r₁)(1 – L/r₂) < 0, oder (1 – L/r₁)(1 – L/r₂) > 1 erfüllt; wobei r₁ und r₂ der Krümmungsradius der einander gegenüberliegenden Krümmungen ist, wobei der Radius einer konkaven Krümmung positiv und der einer konvexen Krümmung negativ und L der Abstand zwischen zwei Krümmungen ist oder die Querschnittsränder der den inneren Mantel (142) umschließenden Krümmungen ein Spiegelbild bilden.
Optisch gepumpter Faserlaser nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungslinien der Zentren je zweier gegenüberliegender Krümmungen den inneren Mantel (142) begrenzen und gleichzeitig die Querschnittsränder sind, wobei mindestens eine der Verbindungslinien nicht durch den Schnittpunkt der Verbindungslinien geht oder ein Spiegelbild bildet.
Optisch gepumpter Faserlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (141) aus einem mit aktivem Material dotiertes Glas hergestellt ist, zum Beispiel Quarz oder Silikat oder Fluorozirkonat oder Phosphat oder Fluoroberyllat oder Fluoroaluminat oder Fluorophosphat, Germanate oder Tellurite oder Borosilikate oder Germanosilikate.
Optisch gepumpter Faserlaser nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das für den Innenkern (141) benutzte Glas aktives Erbiummaterial oder Erbium und Ytterbium oder Ytterbium oder Thulium oder Thulium oder Ytterbium oder Praseodym oder Praseodym und Ytterbium oder Neodym oder Holmium umfasst.
Optisch gepumpter Faserlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdiodenarrays (145) Halbleiterlaser sind, wobei die vom Haltleiterlaser emittierte Strahlung durch Kopplung in die mantelgepumpte Struktur (140) transferiert wird oder die Laserdiodenarrays (145) Haltleiterlaserarrays sind, wobei die von der Haltleiterlaserarrays emittierte Strahlung durch Strahlungsformoptik (BSH) umgeformt wird und dann durch Kopplung in die mantelgepumpte Struktur (140) transferiert wird.
Optisch gepumpter Faserlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform des inneren Mantels (142) asymmetrisch ist.
Optisch gepumpter Faserlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des inneren Mantels (142) ein Polygon oder Quadrat ist, oder, wenn das Verhältnis der Querschnittsfläche des inneren Mantels (142) zu der Querschnittsfläche des Kerns (141) kleiner als 5 ist, kreisförmig ist.
Optisch gepumpter Faserlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der den inneren Mantel (142) festumschließende äußere Mantel (143) aus einem Photonkristall hergestellt ist, welcher eine miniröhrenförmige zyklische Struktur hat und einen verkleinerten Brechungsindex aufweist oder eine Gasröhrenschicht, welche sich zwischen dem inneren (142) und äußeren Mantel (143) befindet und diese isoliert.