DE112012000796T5

DE112012000796T5 - Kompakte kohärente Lichtquellen mit hoher Helligkeit für das mittlere und ferne Infrarot

Info

Publication number: DE112012000796T5
Application number: DE112012000796T
Authority: DE
Inventors: Martin Fermann
Original assignee: IMRA America Inc
Current assignee: IMRA America Inc
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2013-12-24
Also published as: GB2501207A; JP2014515175A; GB2501207B; CN103843210A; US8787410B2; WO2012112253A2; US20120205352A1; GB201313270D0; WO2012112253A3; US20160099537A1; US20140202994A1; US9252554B2

Abstract

Kompakte Lichtquellen mit großer Helligkeit für den mittleren und fernen Infrarot-Spektralbereich und exemplarische Anwendungen werden offenbart, die auf passiv modengekoppelten, eine Tm-Faser enthaltenden Kamm-Lasern basieren. In mindestens einer Ausführungsform wird die Kohärenz der Kammquellen in einem System erhöht, welches einen verstärkten Einzelfrequenz-Laser verwendet, um den eine Tm-Faser enthaltenden Kamm-Laser zu pumpen. Die optische Bandbreite, die durch den passiv modengekoppelten eine Tm-Faser enthaltenden Kamm-Laser erzeugt wird, wird weiter verringert durch die Verwendung von gleichzeitiger Dispersionskompensierung 2. und 3. Ordnung, wenn entweder näherungsweise gechirpte Fasern-Bragg-Gitter zur Dispersionskompensierung oder Fasern mit entsprechend gewählten Werten für die Dispersion 2. und 3. Ordnung verwendet werden. Fasern mit großen anomalen Werten für die Dispersion 3. Ordnung oder Fasern mit großen numerischen Aperturen, zum Beispiel Fasern, welche Luftlöcher in dem Fasermantel aufweisen, können verwendet werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf kompakte Lichtquellen mit großer Helligkeit für den mittleren und fernen Infrarot-Spektralbereich, einschließlich von auf Faserlasern basierenden Systemen und auf beispielhafte Anwendungen derselben.
Hintergrund
Sehr helle Lichtquellen im mittleren Infrarot haben viele Anwendungen in der Medizin, der Spektroskopie, der Abstandsmessung (Ranging), der Sensorik und der Messtechnik. Solche Quellen müssen sehr robust sein, eine langfristige Stabilität besitzen und auch eine minimale Anzahl von Komponenten mit einem hohen Grad von optischer Integration umfassen für Massenmarkt-Anwendungen. Auf einem Halbleiter-Laser basierende Lichtquellen im mittleren Infrarot sind sehr beliebt. Genauer gesagt, sind Quantenkaskade-Laser erhältlich geworden, die einen hohen Grad von Integration erlauben. Jedoch ist die Notwendigkeit des Kühlens auf tiefe Temperaturen im Allgemeinen ein Hindernis und bei vielen Anwendungen nicht erlaubt.
Hohe Grade von spektraler Kohärenz sind ebenfalls besonders wichtig bei der Konstruktion von Frequenzkämmen. Während Laserquellen, die im nahen und mittleren Infrarot-Spektralbereich arbeiten, ohne Probleme erhältlich sind, ist sehr wenig Arbeit in solche Frequenzkamm-Quellen, die im mittleren Infrarot-Wellenlängenbereich arbeiten, investiert worden.
Tatsächlich sind in Serie herstellbare, kohärente faserbasierte Quellen für mittleres Infrarot oder Kammquellen für mittleres Infrarot mit einer hohen Spektraldichte und die mit einem hohen Grad von spektraler Kohärenz arbeiten, bisher nicht hergestellt worden.
Zusammenfassung der Erfindung
Kompakte kohärente Frequenzkammsysteme im mittleren Infrarot oder fernen Infrarot, die auf passiv modengekoppelten Tm-Frequenzkamm-Lasern basieren, werden beschrieben. Wie hier verwendet, umfasst der mittlere und ferne Infrarot-Spektralbereich Wellenlängen im Bereich von etwa 1,7 μm bis zu ungefähr wenigen zehn Mikrometern. Zum Beispiel kann ein Output des faserbasierten Lasersystems in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 1,8 μm bis ungefähr 20 μm liegen, was ein Bereich von großem Interesse für Anwendungen in der molekularen Spektroskopie ist.
Um die Kohärenz der Kammquellen zu erhöhen, wird ein verstärkter Einzelfrequenz-Laser verwendet, um den auf einer Tm-Faser basierenden Kamm-Laser zu pumpen. Die optische Bandbreite, die durch den passiv modengekoppelten auf einer Tm-Faser basierenden Kamm-Laser erzeugt wird, wird weiter erhöht durch Verwenden von gleichzeitiger Dispersionskompensierung 2. und 3. Ordnung unter Verwendung von entweder geeigneten gechirpten Faser-Bragg-Gittern für die Dispersionskompensierung oder von Fasern mit entsprechend gewählten Werten für die Dispersion 2. und 3. Ordnung. Fasern mit großen anomalen Werten für die Dispersion dritter Ordnung sind besonders nützlich und können aus mit Germanium hochdotierten Fasern oder Fasern mit großer numerischer Apertur hergestellt werden, zum Beispiel Fasern, die Luftlöcher in dem Fasermantel aufweisen.
Die optische Bandbreite des auf einer Tm-Faser basierenden Kamm-Lasers wird weiter erhöht durch Verwendung von optischen Ringresonatoren oder Fabry-Perot-Resonatoren in Verbindung mit Fasern positiver Dispersion wie auch Faser-Bragg-Gittern zur Dispersionskompensierung.
Die Phasenschlupffrequenz (carrier envelope offset frequency) des auf einer Tm-Faser basierenden Kamm-Lasers kann gesteuert werden durch Verwendung von direkter Modulation der Amplitude der Pumpe für den auf einer Tm-Faser basierenden Kamm-Laser. Alternativ können innerhalb des Resonators elektronisch ansteuerbare optische Komponenten zur Modulation der Trägerwellenphase (carrier phase modulation) angeordnet werden. Ein Beispiel einer solchen elektronisch ansteuerbaren optischen Komponente ist ein akusto-optischer Modulator, der die Phasenschlupffrequenz über Modulation des Resonatorverlusts steuern kann. Als noch eine weitere Alternative können externe Amplitudenmodulatoren zwischen den auf einer Tm-Faser basierenden Kamm-Laser und die Pumpe eingefügt werden.
Der Output des auf einer Tm-Faser basierenden Kamm-Lasers kann weiterhin verstärkt werden in einem Tm-Faserverstärker, wobei die erreichbaren Pulsenergien stark erhöht werden können bei Verwendung von chirped pulse amplification in den Tm-Faserverstärkern. Die Pulsbreite der verstärkten Pulse wird durch die Implementierung der Kompensierung der Dispersionen 2. und 3. Ordnung verringert. Nichtlineare Pulskompression kann entweder direkt in dem Tm-Verstärker oder in einer undotierten Faser stromabwärts vom Tm-Verstärker implementiert werden. Nichtlineare Pulskompressionstechniken wie zum Beispiel Solitonen-Kompression höherer Ordnung (higher order soliton compression) oder Raman-Soliton-Erzeugung können zum Beispiel implementiert werden. Wenn Pulskompression direkt in einem Tm-Verstärker verwendet wird, erlauben kerngepumpte Tm-Verstärker die Erzeugung von besonders hohen Pulsenergien. In Verbindung mit Tm-Verstärkern können Pulsbreiten kleiner als 50 fs oder kürzer erzeugt werden. Nichtlineare Pulskompressionstechniken sind besonders nützlich für die Erzeugung von sehr kurzen Pulsen. Wegen der relativ hohen Selbstfokussierungsschwelle (self-focusing threshold) bei 2000 nm in Quarzglasfasern können nichtlineare Kompressionstechniken kurze Pulse mit Spitzenleistungen > 10 MW direkt in einer Quarzfaser erzeugen.
Eine Oktave überspannende Superkontinuum-Spektren können erzeugt werden durch Spleißen hochgradig nichtlinearer Fasern direkt an den Ausgang des Tm-Faserverstärkers oder einer Pulskompressionsfaser. Der Output des Tm-Faserlasers kann weiterhin nach oben oder nach unten frequenzverschoben werden durch Verwendung von spektraler Frequenzverschiebung in nichtlinearen Kristallen oder Wellenleitern. Alternativ können bezüglich der Frequenz nach unten verschobene Spektren erhalten werden durch die Verwendung von optisch parametrischen Oszillatoren, optisch parametrischen Erzeugern oder Verstärkern.
Tm-Faserverstärker mit hoher Energie und kurzen Pulsen sind außerdem nützlich für Mikrobearbeitungsanwendungen und insbesondere für die Bearbeitung unterhalb der Oberfläche bei Halbleitern wie z. B. Silizium. Für solche Mikrobearbeitungsanwendungen können hochenergetische Pulse erzeugt werden unter Verwendung von chirped pulse amplification.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt schematisch einen passiv modengekoppelten (mode-locked) Tm-Faserlaser dar, der für die Erzeugung von breiten kohärenten Pulsspektren optimiert ist.
2 stellt schematisch einen Querschnitt einer mit Tm dotierten photonischen Kristallfaser mit positiver Dispersion 2. Ordnung und negativer Disperson 3. Ordnung dar.
3 stellt schematisch einen modengekoppelten Tm-Faserlaser in Verbindung mit einem Kern-gepumpten Tm-Verstärker dar.
4 stellt schematisch eine alternative Ausführungsform eines passiv modengekoppelten Tm-Faserlasers dar, der für die Erzeugung von breiten kohärenten Pulsspektren optimiert ist.
5 stellt schematisch einen passiv modengekoppelten Tm-Faseroszillator und einen Tm-Faserverstärker dar.
6 stellt schematisch eine beispielhafte Vorrichtung zur Materialverarbeitung dar, die auf einem Tm-FCPA-System basiert.
7 stellt schematisch ein Tm-Faserlasersystem dar, das einen optisch parametrischen Oszillator pumpt.
8 ist ein Plot eines Radiofrequenzspektrums, das von einem rauscharmen, auf einer Tm-Faser basierenden Kamm-Laser unter Verwendung eines (f-2f)-Interferometers erhalten wird.
Detaillierte Beschreibung
Faserbasierte Quellen für mittleres Infrarot, die sehr kurze Pulse wie Femtosekunden-Pulse erzeugen oder Quellen für den mittleren Infrarotbereich, die mit einem modengekoppelten (mode-locked) Faserlaser erzeugbar sind, sind besonders nützlich für Anwendungen in der Medizin, der Spektroskopie, der Abstandsmessung, der Sensorik und der Messtechnik. Femtosekunden-Pulse haben viele Vorteile bei der Erzeugung von mittlerem Infrarot. Zum Beispiel können mit Femtosekunden-Pulsen in Verbindung mit einem Selbst-Frequenzverschieben (self-frequency shifting) in nichtlinearen Kristallen bezüglich der Frequenz abstimmbare Outputs in dem mittleren und fernen Infrarot-Spektralbereich erhalten werden, wie kürzlich in der US-Patentanmeldung Nr. 61/426,327 mit dem Titel „Compact, high brightness light sources for the mid and far IR” offenbart wurde, die am 22. Dezember 2010 eingereicht wurde ('327). In einem anderen Beispiel erlauben Femtosekunden-Pulse in Verbindung mit einer Superkontinuum-Erzeugung eine effizientere Frequenzumwandlung im Vergleich zu ps- oder ns-Pulsen, da die Spitzenleistung der Femtosekunden-Pulse viel höher ist im Vergleich zu ps- oder ns-Pulsen der gleichen Pulsenergie. Demnach kann eine Frequenzerzeugung im mittleren Infrarot bei hohen Puls-Wiederholraten durchgeführt werden. Hohe Puls-Wiederholraten können auch die Durchschnittsleistung oder die spektrale Dichte von solchen Quellen maximieren. Ein anderes Beispiel für die Nützlichkeit von Femtosekunden-Pulsen, die mit modengekoppelten Oszillatoren erzeugt werden, ist ihre verbesserte spektrale Kohärenz, wenn solche Femtosekunden-Pulse in hochgradig nichtlineare Fasern eingekoppelt werden, was ein wichtiger Aspekt bei Anwendungen zur Frequenzmessung ist.
Verschiedene Komponenten eines passiv modengekoppelten (mode-locked) Tm-Faseroszillators, der für die Erzeugung von kurzen Pulsen und breiten kohärenten Spektren optimiert ist, werden in 1 gezeigt. Der Resonator 110 des Tm-Oszillators wird mit der Pumpquelle 120 gepumpt. In diesem Beispiel umfasst die Pumpquelle 120 einen Einzelmoden-Anregungslaser (single-mode seed laser), wie zum Beispiel einen rauscharmen Einzelfrequenz-Faserlaser oder einen Einzelfrequenz-Diodenlaser, welcher in dem Wellenlängenbereich von 1500–1650 nm arbeitet, um mit dem Absorptionsband der Tm-Faser in diesem Bereich zu überlappen. Wenn ein ultra-niedriges Rauschen nicht erforderlich ist, kann auch ein Er-Faser-Laser, der in diesem Wellenlängenbereich arbeitet, als Pumpquelle verwendet werden. Der Einzelfrequenz-Faser-Anregungslaser wird weiterhin verstärkt in einem Er-Faserverstärker und verwendet, um den Resonator des Tm-Faserlasers zu pumpen. Die auf einer Er-Faser basierende Vorverstärker-Pumpe wird über einen optionalen Amplitudenmodulator und den Faserkoppler C1 in den Resonator 110 des Tm-Faserlasers gelenkt.
Statt eines Tm-Faseroszillators kann auch ein Tm:Ho-Faseroszillator oder ein Ho-Faseroszillator verwendet werden. Entsprechende Modifizierungen der Pumpquellen sind dann ebenfalls erforderlich. Zum Beispiel kann eine Ho-Faser bei 1150 nm mit einem Yb-Faserlaser gepumpt werden, wie es in diesem Gebiet wohlbekannt ist.
Der Resonator 110 des Tm-Faserlasers ist als ein unidirektionaler Ringresonator konfiguriert, der die Tm-Faser, den Koppler C1 zum Koppeln der Pumpe und den Koppler C2 zum Auskoppeln des Outputs umfasst. Der Ringlaser ist weiterhin passiv modengekoppelt unter Verwendung von nichtlinearer Polarisationsentwicklung. Solche passiv modengekoppelten unidirektionalen Faser-Ringresonatoren wurden zum Beispiel im US-Patent 5,515,194 ('194) beschrieben. Der Resonator umfasst ferner Kollimationslinsen L1, L2 und Wellenplatten W1, W2, W3 und W4, die als Viertelwellen- oder Halbwellenplatten konfiguriert sind. Der Resonator umfasst ferner einen Isolator und einen Polarisation-Strahlteiler PBS. Die Tm-Faser 103 ist an einem Ende mit einer Standard-Einzelmodenfaser 127-b wie zum Beispiel einer Corning SMF-28-Faser, wie sie in dem Gebiet wohlbekannt ist, verspleißt. Die Koppler C1 und C2 sind ebenfalls mit einer Standard-Einzelmodenfaser konfiguriert, welche hier als Pigtail-Faser (pigtail fiber) bezeichnet wird, und werden verwendet, um Pumplicht in den Resonator einzukoppeln und einen Output aus diesem zu extrahieren. An dem anderen Ende ist die Tm-Faser an eine Länge der dispersionskompensierenden Faser 101 gespleißt, die über eine Einzelmodenfaser 127-a mit dem Koppler C2 verbunden ist. Der Resonator umfasst außerdem eine Wiederholraten-Steuereinheit 105, in der aus der Pigtail-Faser eine Faserspule gemacht wird und auf einen piezoelektrischen Wandler gewickelt wird zur Steuerung der Wiederholrate. Solche Elemente zur Steuerung der Wiederholungsrate sind bekannt.
Das Lasersystem der 1 erzeugt die kürzesten Pulse, wenn die gesamte Resonator-Dispersion innerhalb des Resonators 110 ungefähr Null ist. Allgemeiner sollte die Dispersion 2. Ordnung des Resonators nahe bei Null sein oder im Bereich von +/–20.000 fs² pro Meter Länge innerhalb des Resonators sein, um die kürzestmöglichen Pulse mit dem niedrigsten Betrag von Rauschen der Trägerwellenphase zu erzeugen. Vorzugsweise werden solche niedrigen Werte für die resonatorinterne Dispersion 2. Ordnung erhalten durch die Verwendung von Fasern mit verschiedenen Werten für die Dispersion 2. und 3. Ordnung. Im Allgemeinen haben die auf Standard-Einzelmodenfasern basierende undotierte Pigtail-Faser und die Tm-Faser ähnliche Werte für die Dispersion 2. und 3. Ordnung; zumindest das Vorzeichen der Dispersion 2. und 3. Ordnung wird dasselbe sein für Tm-Faseroszillatoren, die bei oder nahe einer Wellenlänge von 2.000 nm arbeiten, zum Beispiel in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 1.700 bis zu ungefähr 2.500 nm. Ein Grund dafür ist, dass es Grenzen für die Dotiermittelkonzentrationen gibt, die für Glas bildende Dotiermittel wie beispielsweise Al₂O₃ und P₂O₅ in Quarzglasfasern erlaubt sind, ohne dass eine Entglasung induziert wird. Da Al₂O₃ und/oder P₂O₅ eine hohe Löslichkeit von Tm in Quarzglasfasern bereitstellen, ist die numerische Apertur von solchen Tm-dotierten Fasern typischerweise limitiert auf ungefähr 0,25, so dass der Betrag von Wellenleiter-Dispersion, der in solche Fasern eingebaut werden kann, ebenfalls begrenzt ist. Im Gegensatz dazu kann in dispersionskompensierenden Fasern, die keine seltenen Erden enthalten, GeO₂ als Hauptdotiermittel verwendet werden, was viel größere Werte der numerischen Apertur der Faser (bis zu ungefähr 0,40) und große Werte von Wellenleiterdispersion erlaubt. Daher können, um eine sehr niedrige, nahezu minimale Dispersion innerhalb des Resonators bereitzustellen, in verschiedenen Implementierungen Fasern verwendet werden, die die Dispersion der Tm-Faser oder irgendeiner auf einer undotierten Standard-Einzelmodenfaser basierenden Pigtail-Faser kompensieren. Diese dispersionskompensierenden Fasern können konstruiert werden mit Werten für die Dispersion 2. und 3. Ordnung, die das entgegengesetzte Vorzeichen zu den entsprechenden Werten in der Tm- und den Pigtail-Fasern aufweisen. Zum Beispiel kann eine Mehrzahl von Faserabschnitten verwendet werden, wobei jeder Abschnitt mindestens eine Länge einer Faser aufweist, wobei:
ein erster Faserabschnitt einen positiven Dispersionswert D2₁ hat;
ein zweiter Faserabschnitt einen negativen Dispersionswert D2₂ hat;
der erste Faserabschnitt einen negativen Dispersionswert 3. Ordnung D3₁ hat; und
der zweite Faserabschnitt einen positiven Dispersionswert 3. Ordnung D3₂ hat.
Ebenfalls muss ein bestimmter Faserabschnitt nicht dieselbe Zahl von Fasern einschließen wie ein anderer Abschnitt, um positive oder negative Netto-(oder Durchschnitts-)Dispersionswerte, wie oben angezeigt, zu erzeugen.
Zusätzlich sollten die Verhältnisse von Dispersion 2. und 3. Ordnung idealerweise die folgende Beziehung erfüllen: (D2₁/D3₁)/(D2₂/D3₂) ~ 1 wobei D2₁, D3₁, D2₂, D3₂ die Werte der Dispersion 2 und 3. Ordnung in der Tm-Faser bzw. der dispersionskompensierenden Faser sind. In einigen bevorzugten Ausführungsformen erfüllen die Verhältnisse der Dispersion 2. und 3. Ordnung außerdem ungefähr:
Vorzugsweise: 0,2 < (D2₁/D3₁)/(D2₂/D3₂) < 5
Noch bevorzugter: 0,5 < (D2₁/D3₁)/(D2₂/D3₂) < 2.
Am meisten bevorzugt: 0,7 < (D2₁/D3₁)/(D2₂/D3₂) < 1,3
Wie oben erwähnt, sollte der Gesamtwert der Dispersion 2. Ordnung im Bereich von ungefähr +/–20000 fs² pro Meter resonatorinterner Faseränge betragen, um die kürzesten Pulse mit minimalem Rauschen der Trägerwellenphase zu erzeugen. Im Allgemeinen kann ein Faserresonator mehr als zwei verschiedene Faser-Designs umfassen. Bei solchen Implementierungen ist es ausreichend, Fasern mit positiver Dispersion und Fasern mit negativer Dispersion in zwei verschiedenen Faserbereichen mit durchschnittlichen Werten für die Dispersion 2. und 3. Ordnung zusammenzufügen.
Eine andere Alternative zum Erhalten von Fasern mit entgegengesetztem Vorzeichen für die Dispersion 2. Ordnung, aber ähnlichem Verhältnis der Dispersion 2. Ordnung zu der 3. Ordnung kann erreicht werden mit der Verwendung von photonischen Kristallfasern. Zum Beispiel können Tm-dotierte photonische Kristallfasern mit positiver Dispersion hergestellt werden durch die Hinzufügung von kleinen Luftlöchern, die den zentralen dotierten Faserabschnitt umgeben, wie in 2 gezeigt wird, und durch eine geeignete Kontrolle des Kerndurchmessers. Eine Faser mit einem Tm-dotierten Kern 220, der von sechs Luftlöchern 210 umgeben ist, welche in einen größeren Quarzglas-Fasermantel 205 eingebettet sind, wird gezeigt. Negative Werte der Dispersion 3. Ordnung können auf diese Weise auch erhalten werden. Alternativ können undotierte photonische Kristallfasern hergestellt werden, was in ähnlicher Weise eine Steuerung der Dispersion 2. und 3. Ordnung erlaubt. Solche undotierten photonischen Kristallfasern können auf Quarzglas-Material basieren.
Wenn die Verhältnisse der Dispersion 2. zu derjenigen 3. Ordnung gut zueinander passen und die aktive Dispersion des Resonators ungefähr auf Null gesetzt wird (durch Wählen von geeigneten Faserlängen), sind die erzeugten Pulse im Wesentlichen bandbreitenbegrenzt (bandwidth limited) irgendwo innerhalb des Resonators. Positiv gechirpte Pulse werden am Output des Kopplers C2 erzeugt unter der Annahme, dass die Dispersion der Pigtail-Faser des Kopplers C2 viel kleiner als die Dispersion der dispersionskompensierenden Faser 101 innerhalb des Resonators ist. Nahezu bandbreitenbegrenzte Pulse werden dann erhalten durch eine geeignete Wahl der Längen der Pigtail-Fasern am Ausgang des Kopplers C2. Hier werden die Koppler-Pigtail-Fasern des Kopplers C2 vorzugsweise so gewählt, dass sie ähnliche Werte für die Dispersionen 2. und 3. Ordnung haben wie die Tm-dotierte Faser 103 innerhalb des Resonators. Darüber hinaus kann im Gegensatz zum '194-Patent das Lasersystem im Wesentlichen als ein Soliton-Laser mit minimalen Änderungen der Pulsbreite innerhalb des Resonators betrieben werden durch das Einstellen der Gesamt-Dispersion des aktiven Resonators auf einen leicht negativen Wert, während noch sehr kurze Pulse erzeugt werden.
Das Lasersystem kann ebenfalls als ein Similariton-Laser betrieben werden, wie es zum Beispiel im US-Patent 7,782,910 diskutiert wird, und kann näherungsweise parabolische Pulse erzeugen, wenn der Laser bei einer insgesamt positiven Resonator-Dispersion betrieben wird. Parabolische Pulsbildung wird erleichtert, da die Tm-Fasern und Faser-Pigtails eine viel größere Kernfläche aufweisen können als die dispersionskompensierende Faser und demnach die Pulsformung (pulse shaping) durch die dispersionskompensierende Faser dominiert wird, was in einer parabolischen Pulsformung resultiert. Allgemeiner ermöglicht dies eine parabolische Pulsformung in Faserlaser-Resonatoren, die eine Gain-Faser mit negativer Dispersion statt einer Gain-Faser mit positiver Dispersion verwenden, was im Gegensatz zu konventionellen Techniken zur Erzeugung von parabolischen Pulsen steht.
Abgesehen von dem Betrieb mit großen optischen Bandbreiten und einem minimalen Rauschen der Trägerwellenphase, ist ein weiterer Vorteil des Betriebs nahe dem Punkt verschwindender Dispersion, dass nahezu bandbreitenbegrenzte Pulse leicht an der Ausgangspigtail des Kopplers C2 erhalten werden können. Ein Grund ist, dass für eine bestimmte Länge der Faser-Pigtail die Dispersionen sowohl der 2. als auch der 3. Ordnung für die Output-Pulse automatisch kompensiert werden, wie oben diskutiert wurde. Eine gleichzeitige Kompensierung von Dispersion 2. und 3. Ordnung ist bei externen Faser-Pigtails, die mit passiv modengekoppelten Oszillatoren verbunden sind, schwierig, es sei denn, dass komplizierte und teure Pulsformungselemente verwendet werden.
Im Beispiel der 1 wurde ein modengekoppelter, faserbasierter Kamm-Ringlaser gezeigt, der eine nichtlineare Polarisationsentwicklung zur Modenverkopplung verwendet. Wenn jedoch Modenkopplung (moelocking) für die Erzeugung von Pulsen mit Pulsbreiten < 150 fs oder spektralen Bandbreiten > 60 nm verwendet wird, gelten ähnliche Überlegungen für die Wahl der Werte der Dispersion 2. und 3. Ordnung für die resonatorinternen Fasern. Bemerkenswerterweise gelten die Überlegungen auch, wenn irgendeine Modenkopplungstechnik verwendet wird. Zum Beispiel können Ringlaser-Architekturen mit verringerter Polarisationsempfindlichkeit konstruiert werden durch die zusätzliche Verwendung eines auf Graphen oder einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen basierenden, sättigbaren Absorbers irgendwo in dem Resonator. Solche sättigbaren Absorber können zum Beispiel integriert werden über die Kopplung des evaneszenten Feldes (evanescent field coupling) in einer konischen Faser (fiber taper), wie es in dem Gebiet bekannt ist und zum Beispiel in K. Kieu und M. Mansuripur „Femtosecond laser pulse generation with a fiber taper embedded in carbon nanotube/polymer composite", Opt. Lett., 32, 2242–2244 (2007) diskutiert wird.
Zusätzliche Tm-Verstärker (nicht gezeigt) können an den Ausgang des Kopplers C2 gespleißt werden. Die Dispersionswerte 2. und 3. Ordnung der Tm-Verstärker können kompensiert werden durch geeignete Längen der dispersionskompensierenden Faser, die vor den Verstärkern eingesetzt wird. Mit der optimalen Wahl der Fasern und unter Verwendung von nichtlinearer Kompression innerhalb der Tm-Verstärker können mit solchen Systemen Pulse kürzer als 50 fs und solche, welche 10–30 fs kurz sind, bei Pulsenergien von vielen zehn nJ erzeugt werden.
Eine Systemkonfiguration mit einem zusätzlichen kerngepumpten Tm-Verstärker 310 wird in 3 gezeigt. Hier wird der Output des Tm-Oszillators in eine Tm-Verstärkerfaser 303 über einen WDM-(wavelength division multiplexing)-Koppler C1 eingeführt. Der Koppler C1 lenkt ebenfalls Pumplicht in die Tm-Verstärkerfaser. Eine zusätzliche dispersionskompensierende Faser kann auch stromaufwärts von dem Koppler C1 eingeschlossen sein und wird nicht separat gezeigt. Diese dispersionskompensierende Faser kompensiert idealerweise die Dispersion 2. und 3. Ordnung des Tm-Verstärkers und jeden restlichen Puls-Chirp, der am Ausgang des Oszillators erhalten wird, wodurch die Erzeugung von kurzen Pulsen entweder am Ausgang von dem Tm-Verstärker oder am Ausgang des optionalen Kopplers C2 sichergestellt wird. Wie mit Bezug auf 1 diskutiert wurde, wird das Pumplicht von einem Erbium-Verstärker erhalten, der mit einer Diode oder alternativ einem Faserlaser im Wellenlängenbereich von 1.500–1.650 nm angeregt (seeded) wird. Mantelgepumpte Erbium-Verstärker können praktischerweise verwendet werden. Der Output des Tm-Verstärkers wird dann entweder am Ende des Tm-Verstärkers oder am optionalen Koppler C2 erhalten. Um Kernpumpen von beiden Enden des Tm-Verstärkers zu ermöglichen, kann C2 auch als ein WDM-(wavelength division multiplexing)-Koppler konfiguriert werden. Nichtlineare Pulskompression oder Solitonen-Kompression höherer Ordnung in dem Tm-Verstärker oder der Pigtail des Kopplers C2 können weiterhin verwendet werden, um sehr kurze Pulse in einer sehr kompakten Konfiguration zu erhalten. Ebenfalls können Fasern mit großer Modenfläche (large mode area fibers) verwendet werden stromabwärts vom Koppler C2, um die möglichen Pulsenergien weiter zu erhöhen. In anderen Implementierungen kann der Koppler C1 weggelassen werden, und nur der Koppler C2 kann zum Pumpen des Tm-Verstärkers verwendet werden.
An der Stelle des Verstärker-Ausgangs, wo die kürzesten Pulse erhalten werden, kann eine hochgradig nichtlineare Quarzglasfaser angespleißt werden, was eine breitbandige, kohärente Superkontinuum- und Frequenzkamm-Erzeugung ermöglicht. Die Trägerwellenphase kann mit einem (f-2f)-Interferometer gemessen werden, das hinter dem Ausgang der hochgradig nichtlinearen Faser (nicht gezeigt) eingefügt wird. Die Messtechnik für die Trägerwellenphase ist wohlbekannt und wird im US-Patent 7,649,915 ('915) mit dem Titel „Pulsed laser sources” offenbart, welches hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit eingeschlossen ist. Zum Beispiel offenbaren 8–13 und der zugehörige Text des '915-Patents Implementierungen zur Steuerung der Oszillatorphase und hochintegrierte Frequenzkammquellen, die mit hochgradig nichtlinearen Fasern konfiguriert werden.
Um den Zusammenbau des Gesamtsystems zu vereinfachen, basieren vorzugsweise alle Tm-Verstärker und hochgradig nichtlinearen Fasern auf Quarzglas, was Faserverbindungen über verschmolzene Faserspleißverbindungen ermöglicht. Eine geeignete hochgradig nichtlineare Faser ist eine Faser, die entworfen wird, um ungefähr Null Dispersion oder eine leicht negative Dispersion bei der Emissionswellenlänge des Tm-Fasersystems bereitzustellen. Der Vorteil einer auf einer Tm-Faser basierenden Superkontinuum-Quelle, die auf Quarzglas-Faserkomponenten basiert, kann nicht nur mit modengekoppelten Tm-Faseroszillatoren, die sehr kurze Pulse erzeugen, erhalten werden, wie sie mit Bezug auf 1 beschrieben worden sind, sondern mit irgendeinem Tm-Fasersystem. Zum Beispiel kann eine Superkontinuum-Erzeugung auch erhalten werden durch Verwendung von modengekoppelten Tm-Faseroszillatoren, welche viel längere Pulse im Bereich von 20 fs–50 ps erzeugen, oder von Tm-Oszillatoren, die Pulse mit ns-Pulsbreiten erzeugen. Die Verwendung von auf Quarzglas basierenden Tm-Faserverstärkern und hochgradig nichtlinearen Quarzglasfasern in solchen Systemen ist vorteilhaft, da es die Systemkonstruktion vereinfacht.
Als eine Alternative zu hochgradig nichtlinearen Quarzglasfasern können nicht auf Quarzglas basierende, hochgradig nichtlineare Fasern verwendet werden wie zum Beispiel Chalcogenid- oder Tellurid-Fasern. Jedoch kann die Handhabung solcher Fasern schwieriger sein, denn sie können nicht immer an eine Quarzglasfaser gespleißt werden. Wegen der hohen Nichtlinearität von solchen exotischeren Fasermaterialien können eine Oktave umfassende Superkontinuum-Spektren ebenfalls erzeugt werden unter Verwendung von nur dem Output eines Tm-Oszillators, dass ein Tm-Faserverstärker nötig wäre.
Wieder Bezug nehmend auf 3 kann für die Erzeugung eines Frequenzkammes die Trägerwellenphase des Tm-Faserlasers moduliert werden zum Beispiel durch Modulieren des Betriebsstroms für den Oszillator-Dioden-Anregungslaser (oscillator diode seed laser) oder durch Modulieren der Oszillator-Pumpleistung, die mit dem auf den Oszillator gerichteten Er-Verstärker erzeugt wird. Alternativ kann der in 1 gezeigte Amplitudenmodulator vor dem Oszillator-Koppler C1 zur Modulation der Trägerwellenphase eingefügt werden. Andere Alternativen sind ebenfalls auf diesem Gebiet bekannt. Zum Beispiel wurde im US-Patent 7,649,915 ('915) offenbart, dass Komponenten in den optischen Weg innerhalb eines Resonators zur Steuerung der Trägerwellenphase eingefügt werden können, wobei diese Komponenten vorzugsweise elektronisch ansteuerbar sind. Ein Beispiel einer resonatorinternen Komponente, die eine besonders schnelle Modulation der resonatorinternen Trägerwellenphase erlaubt, wurde mit Bezug auf 6c der US-Patentanmeldung 12/399,435 mit dem Titel „Optical scanning systems based an dual pulsed laser systems” diskutiert, die am 6. März 2009 von Fermann et al. eingereicht wurde, wobei ein akusto-optischer Modulator für die Modulation des resonatorinternen Verlusts und der Trägerwellenphase implementiert wird. Der Inhalt der US-Patentanmeldung Nr. 12/399,435 wird hiermit durch Bezugnahme in ihrer Geamtheit eingeschlossen.
Als noch eine andere Alternative kann der Output des Tm-Faserlasers an einen akusto-optischen Frequenzverschieber geliefert werden, um die Trägerwellenphase des Systems ohne Steuerung der Oszillatorleistung zu stabilisieren. Solche Schemata sind auf diesem Gebiet bekannt und bedürfen keiner weiteren Erklärung. Die verschiedenen Verfahren zur Steuerung der Trägerwellenphase, wie sie hier diskutiert werden, können nicht nur auf Faseroszillatoren, wie sie mit Bezug auf 1 beschrieben werden, angewendet werden, sondern auf jeden modengekoppelten Faseroszillator, d. h. akusto-optische Modulatoren können zur Steuerung der Trägerwellenphase verwendet werden bei Tm-Faseroszillatoren, die Pulse im Bereich von 20 fs–50 ps erzeugen oder bei modengekoppelten Oszillatoren, die auf irgendeinem anderen Seltenerd-Dotiermittel basieren.
Eine alternative Implementierung für einen passiv modengekoppelten Tm-Faseroszillator, welche einen Fabry-Perot-Resonator 410 statt eines Ringresonators verwendet, wird in 4 gezeigt. Der Oszillator enthält ebenfalls ein Faser-Bragg-Gitter zur zusätzlichen Dispersionssteuerung wie auch einen sättigbaren Absorber (SA), um einen modengekoppelten Betrieb zu initiieren. Der SA kann zum Beispiel auf einer InAs/AlSb-Vielfach-Quantum-Well (multiple quantum well), die auf einem GaSb-Substrat gewachsen ist, basieren; jedoch können auch andere sättigbaren Absorber wie auf Graphen oder einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen basierende Absorber implementiert werden, wie es in dem Gebiet bekannt ist. Das Design des Oszillatorresonators ist sehr ähnlich zum Ring-Design 110. Die Pumpe 420 des Tm-Oszillators umfasst einen Anrege-Laser (seed laser), der mit einem Er-Verstärker verstärkt wird und das Pumplicht wird über einen optionalen Modulator und einen WDM(wavelength division multiplexing)-Koppler C1 zu dem Faserlaser-Resonator gelenkt, welcher durch das Faser-Bragg-Gitter und den SA begrenzt wird. Der Resonator umfasst ferner eine Tm-Quarzglasfaser 403 und eine Normaldispersion-Faser 401 mit einer in der Nähe von 2.000 nm normalen Dispersion. Die Wellenplatten W1 und W2 und der Polarisationsstrahlteiler PBS werden zur Steuerung der Polarisation verwendet. Die Linsen L1 und L2 werden verwendet, um die Fleckgröße (spot size) auf dem sättigbaren Absorber zu steuern. Komponenten zur Veränderung der Polarisation können weggelassen werden durch Verwenden von polarisationserhaltenden Komponenten im gesamten Resonator.
Um die kürzesten Pulse oder die breitesten Pulsspektren zu erzeugen, ist es vorteilhaft, den größten Teil der Resonatordispersion oder Nichtlinearität über die hochgradig dispersive Faser bereitzustellen. Der Absolutwert der Dispersion 2. Ordnung in der hochgradig dispersiven Faser sollte zumindest ungefähr 1,5-mal größer als der Absolutwert der Dispersion 2. Ordnung in der Tm-Faser sein. Alternativ sollte die Länge der normal dispersiven Faser mindestens ungefähr 1,5-mal länger als die Länge der Tm-Faser sein. Das Fasergitter kompensiert dann den Restwert für die Dispersion 2. und 3. Ordnung innerhalb des Resonators. Wie bei dem Ringlaser-Design, das mit Bezug auf 1 diskutiert wurde, können parabolische oder Similariton-Pulse erzeugt werden bei einer insgesamt positiven Resonatordispersion und einer negativen Dispersion des Tm-Faser-Verstärkers. Die breitesten Pulsspektren werden erhalten durch Betreiben des Oszillators mit einem leicht positiven Wert der gesamten Resonatordispersion oder allgemein wenn eine Resonatordispersion im Bereich von ±20.000 fs² pro m resonatorinterner Faserlänge bereitgestellt wird. Für die Erzeugung einer breiten Bandbreite kann die normal dispersive Faser auch benachbart zu dem Fasergitter eingeschlossen sein, was weiterhin das Schreiben des Fasergitters direkt in die normal dispersive Faser erlaubt.
Obwohl 4 einen Faseroszillator, der eine Tm-dotierte Faser verwendet, zeigt, können andere Seltenerd-Dotiermittel in Verbindung mit einem solchen Resonator-Design und einer parabolischen Pulserzeugung auch verwendet werden, wie sie oben diskutiert werden. Zum Beispiel kann statt einer Tm-Faser auch eine Er-dotierte Faser mit negativer Dispersion implementiert werden in Verbindung mit einer normal dispersiven Faser und einem Fasergitter mit negativer Dispersion. Weiterhin kann die Kompensierung der Dispersion 3. Ordnung, die mit dem Fasergitter erleichtert wird, ebenfalls verwendet werden. Parabolische Pulserzeugung kann auch induziert werden, wenn eine Tm-Faser mit positiver Dispersion verwendet wird, wie es mit Bezug auf 2 beschrieben wird in Verbindung mit einer Kompensationsfaser mit negativer Dispersion oder einem gechirpten Faser-Bragg-Gitter mit negativer Dispersion. Solche Schemata ähneln einer parabolischen Pulserzeugung, die Er- oder Yb-Oszillatoren mit positiver Dispersion verwendet, wie zum Beispiel im US-Patent 7,782,910 mit dem Titel „Single-polarization high power fiber lasers and amplifiers” von Ferman et al. diskutiert wird.
Für einige Anwendungen ist es vorteilhaft, die Pulsenergie aus Tm-Faserverstärkern jenseits der Grenzen, die durch nichtlineare Kompression gesetzt sind, zu erhöhen. Für solche Anwendungen kann eine chirped pulse amplification, wie sie in diesem Gebiet bekannt ist, implementiert werden. 5 zeigt ein faserbasiertes chirped-pulse-amplification-System (FCPA), welches einen Tm-Faserverstärker umfasst. Das System, das weiter unten näher beschrieben wird, umfasst einen Tm-Oszillator, eine Dehner-Konfiguration, einen Tm-Verstärker und einen Puls-Kompressor. Auf einer Tm-Faser basierende chirped-pulse-amplification-Systeme werden ebenfalls beschrieben in der US-Patentanmeldung Nr. 11/091,015 ('015) mit dem Titel „Optical parametric amplification, optical parametric generation, and optical pumping in optical fibers systems”, die am 25. März 2005 von Imeshev et al. eingereicht worden ist und welche hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingeschlossen ist. Die Implementierung von chirped pulse ampflication hat den zusätzlichen Vorteil, dass sehr hohe durchschnittliche Leistungen erhalten werden können im Bereich von ungefähr 1–100 W und sogar höher. Solch hohe Leistungsniveaus können sowohl mit kern- als auch mit mantelgepumpten Konfigurationen erreicht werden.
Bequemerweise kann in solch einem chirped-pulse-amplification-System eine Dehner-Faser mit positiven Werten für die Dispersion 2. Ordnung und anomaler Dispersion 3. Ordnung verwendet werden zum Puls-Dehnen. Ebenfalls können solche Dehner-Fasern mit Fasern kombiniert werden, die eine Ausbreitung von Moden höherer Ordnung erlauben, was kleine Werte von negativer Dispersion 2. Ordnung wie auch eine anomale Dispersion 3. Ordnung erzeugt. Die Kombination von solchen Dehner-Fasern kann das Verhältnis der Dispersion 3. Ordnung zur Dispersion 2. Ordnung in der Dehner-Anordnung weiter erhöhen. Ein relativ großer Wert der Dispersion 3. Ordnung zur Dispersion 2. Ordnung ist erforderlich in der Dehner-Konfiguration, um die Dispersion 3. Ordnung der nachfolgenden Puls-Kompressoren zu kompensieren, insbesondere wenn Puls-Kompressoren, die auf Glasplatten oder voluminösen Gitterpaaren (bulk grating pairs) basieren, verwendet werden, wie in '015 diskutiert wird. Die Verwendung der Dehnerfaser-Konfigurationen mit anomaler Dispersion 3. Ordnung erlaubt eine Kompensierung der Dispersion 3. Ordnung der Glasplatte. Zum Beispiel wenn eine Glasplatte aus Quarzglas bei einer Wellenlänge von 1.950 nm verwendet wird, beträgt das Verhältnis R der Dispersion 3. Ordnung zur Dispersion 2. Ordnung R ≈ 8,1 × 10^–40/9 × 10^–26 s ≈ 9 fs.
Wenn voluminöse Kompressor-Anordnungen verwendet werden, können weiterhin Grisms implementiert werden zur Kompensierung der Dispersion höherer Ordnung in der Dehner- und Kompressor-Anordnung. Solche Grism-Kompressoren wurden kürzlich durch C. G. Durfee et al., "A modular approach to the analytic calculation of spectral phase for grisms and other refractive/diffractive structures", Opt. Express, Bd. 17, S. 18004 (2008) diskutiert. Diese Grisms können Prismen verwenden, die auf Silizium als einem hoch dispersives Material basieren. Alternativ können Silizium-Prismenpaare ebenfalls zur effizienten Pulskompression verwendet werden, was die Kompensierung der Dispersion 2. und 3. Ordnung mit geeignet gewählten Dehner-Fasern erlaubt.
Die Dämpfung in hochgradig dispersiven Quarzglasfasern im Wellenlängenbereich von 1.950 nm kann zwischen 4 dB/km und 8 dB/km und bis zu ungefähr 16 dB/km bei Wellenlängen von 1.900 nm, 1.950 nm und 2.000 nm variieren. Demnach können bei Dehner-Faserkonfigurationen bis zu 1.000 m einer Dehner-Faser verwendet werden. Solche Dehner-Fasern können eine Dispersion von ungefähr 100 ps² besitzen. Demnach können, wie leicht gezeigt werden kann, gedehnte Pulsdauern von ungefähr 1 ns erhalten werden unter Verwendung von bandbreitenbegrenzten 500-fs-Pulsen bei 1.950 nm. Solche auf 1 ns gedehnten Pulse können verstärkt werden auf Pulsenergien von ungefähr 50 μJ in 4 m langen mantelgepumpten Tm-Fasern mit 50 μm Kerndurchmesser, wenn man einen leicht nichtlinearen Verstärker annimmt. Sogar höhere Pulsenergien können mit kürzeren Verstärkerlängen oder größeren Kerndurchmessern erhalten werden. Zum Beispiel sind kürzere Verstärkerlängen bei der Verwendung von Kern-Pumpen möglich.
Ein generisches, auf einer Tm-Faser basierendes chirped-pulse-amplification-System wird in 5 gezeigt. Hier wird der Output eines modengekoppelten Tm-Oszillators gedehnt unter Verwendung von bis zu drei oder mehr verschiedenen Dehner-Fasern 510-a, 510-b und 510-c (S1, S2 und S3). Die Gesamtdispersion, die durch diese Dehner-Fasern erzeugt wird, wird positiv gewählt. Am allgemeinsten werden diese Dehner-Fasern weiterhin mit verschiedenen Werten für die Dispersion 2., 3. und 4. Ordnung ausgewählt, um die Kompensierung der Dispersion 2., 3. und 4. Ordnung in dem Kompressor zu kompensieren. Photonische Kristallfasern, Fasern mit hoher Germanium-Konzentration und Fasern, die die Ausbreitung von Moden höherer Ordnung erlauben, können für das Dehnen von Pulsen verwendet werden, wie in dem Gebiet bekannt ist. Alternativ können gechirpte Faser-Bragg-Gitter ebenfalls zum Dehnen von Pulsen verwendet werden. Mindestens ein optionaler Modulator, zum Beispiel ein AO- oder EO-Modulator kann entweder als Volumenelement (bulk) oder in integrierter Weise eingefügt werden, um vor dem Einspeisen in einen auf einer Tm-Faser basierenden Leistungsverstärker die Wiederholrate der Pulse zu verringern. Der Tm-Leistungsverstärker kann kern- oder mantelgepumpt sein. Zusätzliche Tm-Verstärker können ebenfalls verwendet werden und werden hier nicht separat gezeigt. Zur Pulskompression können voluminöse Gitterpaare, Glasplatten, Prismenpaare wie auch Grism-Paare implementiert werden.
Solche auf einer Tm-Faser basierende chirped-pulse-amplification-Systeme sind nützlich, da sie nahezu die maximale Kohärenz in dem Verstärkungsprozess erhalten, insbesondere, wenn das B-Integral im Verstärkersystem kleiner als π gehalten wird, wobei dieses Kriterium einem Verstärkersystem entspricht, das linear entworfen ist. Insbesondere können lineare chirped-pulse-amplification-Systeme mit mantelgepumpten Tm-Faserverstärkern ohne das Auftreten von signifikantem Phasen- oder Amplitudenrauschen implementiert werden. Demnach können auf einer Tm-Faser basierende chirped-pulse-amplification-Systeme in Frequenzkamm-Anwendungen wie Spektroskopie und Abstandsmessen implementiert werden, die einen hohen Grad von Kohärenz der einzelnen Kammlinien erfordern. Das niedrige Phasenrauschen, das durch lineare chirped-pulse-amplification-Systeme induziert wird, ist nützlich, wenn nachfolgende parametrische Oszillatoren gepumpt werden zur weiteren Wellenlängenerweiterung.
In Ausführungsformen, in denen ultraniedrige Niveaus von Phasenrauschen nicht erforderlich sind, können weitere nichtlineare Pulskompressionsstufen stromabwärts von dem chirped-pulse-amplification-System implementiert werden. In einigen Ausführungen kann der in 5 gezeigte Kompressor ein lineares voluminöses (bulk) Kompressorelement, wie es oben diskutiert wurde, und eine Faser/Fasern zur nicht-linearen Kompression umfassen. Zum Beispiel kann der Output des Verstärkersystems in eine Faser mit großem Kern, welcher einen Durchmesser von 25–100 μm besitzt (sogar größere Kerndurchmesser sind möglich) eingekoppelt werden, was eine nichtlineare Pulskompression und die Erzeugung von Spitzenleistungen erlaubt, die nur begrenzt werden durch die Selbstfokussierungsgrenze von Quarzglas im 2000-nm-Wellenlängenbereich, welche höher als 15 MW ist. Nichtlineare Pulskompression ist besonders nützlich für die Erzeugung von Pulsen mit einer Pulsbreite < 100 fs. Zum Beispiel hat ein 100-fs-Puls mit einer Spitzenleistung von 15 MW eine Pulsenergie von 1,5 μJ, was für viele Anwendungen in der Mikrobearbeitung (micro-machining) von Interesse ist.
Ein anderer Anwendungsbereich für auf einer Tm-Faser basierende chirped-pulse-amplification-Systeme sind Mikrobearbeitungsanwendungen wie das Bearbeiten von Materialien wie Silizium. Hier ist die Verwendung von Licht mit 2.000 nm Wellenlänge vorteilhaft, da es deutlich unterhalb der Bandlücke von Silizium und vielen anderen Materialien liegt, was das Ausnutzen von Multi-Photon-Anregung des Materials zum Bearbeiten erlaubt. Multi-Photon-Anregung ist besonders nützlich in Verbindung mit dem Bearbeiten unterhalb der Oberfläche, da ein optischer Durchbruch (optical breakdown) unterhalb der Oberfläche des zu bearbeitenden Materials/Materialien leicht induziert werden kann, was beim Bearbeitungsprozess ein Minimum an Ablagerungen auf der Oberfläche des Materials erzeugt. 6 zeigt schematisch eine beispielhafte Materialbearbeitungsvorrichtung, die auf einem Tm-FCPA-System 600 basiert. Zur Mikrobearbeitung mit kurzpulsigen Tm-Fasersystemen ist nicht immer die Verwendung von Sub-Pikosekunden-Pulsen erforderlich. Im Allgemeinen können hochenergetische Pulse mit Pulsbreiten < 100 ps implementiert werden, da sie das thermische Koppeln an die umgebenden Materialien begrenzen und demnach Kollateralschäden an dem zu bearbeitenden Material minimieren. Solche Überlegungen sind wohlbekannt aus kurzpulsigen Mikrobearbeitungssystemen, die bei anderen Wellenlängen arbeiten (zum Beispiel 800 nm und 1.050 nm) und werden hier nicht weiter diskutiert.
Ein Tm-Fasersystem, das einen optisch parametrischen Oszillator (optical parametric oscillator, OPO) pumpt, wird weiterhin in 7 dargestellt. Hier kann das Fasersystem ein auf einer Tm-Faser basierendes chirped-pulse-amplification-System, wie es mit Bezug auf 5 diskutiert wurde, umfassen. Jedoch kann ein auf einer Tm-Faser basierender Raman-Soliton-Verstärker, wie er in der US-Patentanmeldung 11/091,015 von Imeshev et al. offenbart ist, ebenfalls implementiert werden. Der OPO kann einen nichtlinearen Kristall oder Wellenleiter umfassen. Geeignete nichtlineare Kristalle für den OPO können zum Beispiel periodisch gepoltes LiNbO₃, GaP, OP-GaAs, OP-GaP oder ZnGeP₂ umfassen. Jedoch können viele andere nichtlineare Kristalle ebenfalls verwendet werden. Andere Beispiele umfassen GaSe, AgGaSe₂, AgGaS₂ oder CdGeAs₂. Die OPOs können als einzeln resonant (singly resonant) oder doppelt resonant entworfen werden. Solche OPO-Konfigurationen sind in dem Gebiet bekannt. Wegen des niedrigen Rauschens, das mit linearen chirped-pulse-amplification-Systemen erreichbar ist, ist für einen OPO-Betrieb mit niedrigstem Rauschen eine OPO-Pumpquelle, die auf einem eine Tm-Faser enthaltenden chirped-pulse-amplification-System mit einem B-Integral kleiner als π basiert, bevorzugt. Eine weitere Verringerung des Rauschens und Miniaturisierung des Systems kann erhalten werden, wenn nur ein Tm-Faseroszillator für das OPO-Pumpen verwendet wird, wobei der Tm-Oszillator für einen Hochleistungsbetrieb optimiert ist, zum Beispiel unter Verwendung eines Betriebs mit parabolischen Pulsen.
Statt eines OPO kann Selbstfrequenzverschieben (self frequency shifting) in geeigneten nichtlinearen Kristallen ebenfalls zum Herunterwandeln der Frequenz verwendet werden. Geeignete Auslegungen von Kristallen, die ein Herunterwandeln der Frequenz erlauben, werden in der '327-Anmeldung diskutiert und werden hier nicht weiter beschrieben. In Verbindung mit linearen chirped-pulse-amplification-Systemen kann auch mit Selbstfrequenzverschieben ein Betrieb mit besonders niedrigem Rauschen erhalten werden.
Eine andere Alternative zum Frequenzverschieben ist die Verwendung eines optisch parametrischen Generators (optical parametric generator, OPG) oder Verstärkers (optical parametric amplifier, OPA), wie sie auch in der '015-Anmeldung diskutiert werden. In Verbindung mit einem auf OP-GaAs basierenden nichtlinearen Kristall können OPG- oder OPA-Schwellen < 100 nJ erhalten werden, was solche Optionen für das Wellenlängenverschieben mit einem Laserbetrieb bei hohen Wiederholraten kompatibel macht. Zum Beispiel entspricht bei einer Wiederholrate von 40 MHz eine Pulsenergie von 100 nJ einer Durchschnittsleistung von nur 4 W, die von mantelgepumpten Tm-Faserverstärkern leicht erhältlich ist. Ein auf einer Tm-Faser basierender OPA kann zum Beispiel ein auf einer Tm-Faser basierendes chirped-pulse-amplification-System verwenden. Ein Teil des Outputs aus dem Tm-Fasersystem wird für die Superkontinuum-Erzeugung in einer Kontinuum-Faser, welche eine hochgradig nichtlineare Faser umfasst, zur Signalerzeugung verwendet. Der zweite Teil des Outputs aus dem Tm-System wird als eine Pumpe für die parametrische Verstärkung des Superkontinuum-Outputs in einem OP-GaAs-Kristall verwendet. Geeignete dispersionskompensierende Stufen können ebenfalls implementiert werden. Zum Beispiel zeigen 4 und 14–15 und der zugehörige Text der '015-Anmeldung beispielhafte OPA-Konfigurationen, die hochgradig nichtlineare Kontinuum-Fasern verwenden. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können nichtlineare Kristalle ebenfalls implementiert werden. Ebenfalls können andere Schemata zur Superkontinuum-Erzeugung, die auf hochgradig nichtlinearen Wellenleitern, zum Beispiel periodisch gepolten Wellenleitern (zum Beispiel: PPLN) oder Saphir-Platten basieren, implementiert werden. Ähnliche Schemata wurden schon in '015 diskutiert und werden hier nicht weiter beschrieben.
Viele Variationen der obigen Anordnungen sind möglich. Zum Beispiel kann ein auf einem Faserlaser basierendes Verstärkungssystem einen passiv modengekoppelten Faseroszillator umfassen, der bei oder nahe einer Wellenlänge von 2.000 nm arbeitet, mit einem Puls-Dehner stromabwärts, welcher eine anomale Dispersion 3. Ordnung bereitstellt. Ein Faserverstärker verstärkt die gedehnten Pulse so, dass gedehnte und verstärkte Pulse an seinem Ausgang erzeugt werden. In einigen Implementierungen kann der Verstärker nichtlinear sein und einen Wert für die Selbstphasenmodulation von mindestens 2 bereitstellen. In einigen Ausführungsformen kann wegen der Selbstphasenmodulation das Spektrum am Ausgang eines Verstärkers verbreitert sein. Pulse am Ausgang eines Verstärkers können auch nichtlinear komprimiert sein als Resultat der Selbstphasenmodulation. In einigen Konfigurationen kann eine hochgradig nichtlineare Faser direkt an den Ausgang eines Verstärkers angespleißt werden. Eine undotierte Faser kann in einigen Konfigurationen direkt an den Ausgang des Verstärkers angespleißt sein und stellt zusätzliche Pulskompression bereit. Das auf Fasern basierende Oszillator- und Verstärkersystem liefert eine Superkontinuum-Erzeugung im mittleren bis fernen Infrarotbereich in einem hochgradig integrierten System.
Eine Systemdemonstration eines auf einer Tm-Faser basierenden Kammsystems wurde wie folgt durchgeführt. Ein Tm-Faseroszillator, wie er mit Bezug auf 1 beschrieben wird, wurde mit einer Tm-Verstärkerfaser von 30 cm Länge implementiert, die mit bis zu 1 W an Pumpleistung bei 1.563 nm kerngepumpt wird. Das Pumplicht wurde mit einem Einzelfrequenz-Dioden-Anregungslaser (single-frequency diode seed laser) erzeugt und in einem mantelgepumpten Er-Verstärker, welcher mit bis zu 10 W bei 980 nm gepumpt wird, verstärkt. Eine zusätzliche undotierte 1 m lange Pigtail einer gewöhnlichen Stufenindexfaser (Corning SMF-28) und 1,2 m einer dispersionskompensierenden Faser mit normaler Dispersion 2. Ordnung und anomaler Dispersion 3. Ordnung wurden zur Dispersionskompensierung im Resonator eingeschlossen. Der Resonator arbeitete bei ₇₅ MHz und erzeugte eine Output-Leistung von 10 mW bei einer zentralen Wellenlänge von 1940 nm, wenn er bei leicht negativen Werten der Gesamtdispersion für den Resonator betrieben wurde. Die erzeugte Puls-Spektralbreite war 50 nm, was bandbreitenbegrenzten Pulsen mit einer Pulsbreite von ungefähr 100 fs entspricht.
Für die Verstärkung des Oszillator-Outputs und die Superkontinuum-Erzeugung verwendeten wir eine optische Konfiguration, wie sie mit Bezug auf 3 beschrieben wurde, wobei der Koppler C2 weggelassen wurde und 30 cm Länge einer hochgradig nichtlinearen Faser direkt an den Tm-Verstärker gespleißt wurden, welcher eine Länge von ungefähr 50 cm hatte. Der Tm-Verstärker wurde mit bis zu 3 W bei einer Wellenlänge von 1563 nm gepumpt. Das Pumplicht wurde mit einem Einzelfrequenz-Dioden-Anregungslaser erzeugt, das in einem mantelgepumpten Er-Verstärker verstärkt wurde, welcher mit ungefähr 10 W bei 980 nm gepumpt wurde. Ein kurzer Abschnitt einer dispersionskompensierenden Faser mit normaler Dispersion 2. Ordnung und anomaler Dispersion 3. Ordnung wurde weiterhin stromaufwärts vom Koppler C1 eingefügt, um die Erzeugung von nahezu bandbreitenbegrenzten Pulsen am Output des Tm-Verstärkers sicherzustellen. Der Tm-Verstärker erzeugte Pulse mit einer Pulsbreite von ungefähr 70 fs und einer Durchschnittsleistung von 300 mW an seinem Ausgang und wurde bei moderaten Werten von Selbstphasenmodulation (SPM < 3π) betrieben, um eine nichtlineare Pulskompression in dem Tm-Faserverstärker zu ermöglichen.
Ein eine Oktave umfassendes Spektrum wurde am Ausgang der hochgradig nichtlinearen Faser beobachtet. Eine rauscharme (f-2f)-Schwebung wurde im Radiofrequenzbereich beobachtet unter Verwendung eines spektralen Filters bei 1060 nm und eines (f-2f)-Interferometers, das zum Verdoppeln des Outputs der hochgradig nichtlinearen Faser bei 2.120 nm konfiguriert war. Das Radiofrequenzspektrum, das mit dem (f-2f)-Interferometer gemessen wurde, ist weiterhin in 8 zu sehen; die Schwebungsfrequenzen, die zu der (f-2f)-Schwebung gehören, werden bei 8 und 68 MHz beobachtet. Ein Signal-Rausch-Verhältnis von ungefähr 40 dB wird zwischen der (f-2f)-Schwebung und dem Rauschhintergrund beobachtet. Der Output des (f-2f)-Interferometers kann demnach verwendet werden zur Stabilisierung der Trägerwellenphase des Oszillators unter Verwendung der oben beschriebenen Techniken.
Zusätzliche Mittel zur Steuerung der Wiederholrate, wie sie in dem Gebiet bekannt sind, können weiterhin in den Tm-Oszillator integriert werden, um den Tm-Faserkamm präzise zu steuern.
Demnach wurde die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen beschrieben.
Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein auf einem Faserlaser basierendes System. Das System umfasst einen passiv modengekoppelten Faseroszillator, der bei oder nahe einer Wellenlänge von 2000 nm arbeitet, wobei der Oszillator eine Mehrzahl von Faserabschnitten umfasst. Jeder Abschnitt besitzt mindestens eine Länge einer Faser, wobei:
ein erster Faserabschnitt einen positiven Dispersionswert D2₁ hat,
ein zweiter Faserabschnitt einen negativen Dispersionswert D2₂ hat,
der erste Faserabschnitt einen negativen Dispersionswert 3. Ordnung D3₁ hat,
der zweite Faserabschnitt einen positiven Dispersionswert 3. Ordnung D3₂ hat, und
die Dispersionswerte ungefähr die Beziehung erfüllen: 0,2 < (D2₁/D3₁)/(D2₂/D3₂) < 5.
Die Dispersionswerte liefern eine Dispersion des gesamten Resonators im Bereich von ungefähr ±20.000 fs² pro Meter resonatorinterner Faserlänge. Das System umfasst außerdem eine Pumpquelle, um den passiv modengekoppelten Faseroszillator zu pumpen.
Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein auf einem Faserlaser basierendes System. Das System umfasst einen passiv modengekoppelten Faseroszillator, der eine Gain-Faser mit einem negativen Dispersionswert D2₁ aufweist. Mindestens ein Faserabschnitt hat einen positiven Dispersionswert D2₂. Der Absolutwert von D2₁ ist mindestens 1,5-mal größer als der Absolutwert von D2₂. Das System umfasst weiterhin ein gechirptes Fasergitter, um den restlichen Dispersionswert des Oszillators zu kompensieren, so dass die Gesamtdispersion des Resonators im Bereich von ±20.000 fs² pro Meter Faserlänge des Resonators liegt. Eine Pumpquelle pumpt den passiv modengekoppelten Faseroszillator.
In einigen Ausführungsformen können die Dispersionswerte die folgende Beziehung erfüllen: 0,5 < (D2₁/D3₁)/(D2₂/D3₂) < 2.
In einigen Ausführungsformen erfüllen die Dispersionswerte die Beziehung: 0,7 < (D2₁/D3₁)/(D2₂/D3₂) < 1,3.
In einigen Ausführungsformen kann ein passiv modengekoppelter Faseroszillator in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 1700 nm bis 2500 nm arbeiten.
In einigen Ausführungsformen kann ein passiv modengekoppelter Faseroszillator eine Tm-, eine Tm:Ho-, oder eine Ho-dotierte Faser umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann ein faserbasiertes Lasersystem eine Kontinuum-Faser zur Superkontinuum-Erzeugung umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann ein faserbasiertes Lasersystem einen Faserverstärker umfassen, der zwischen einem Oszillator und einer Kontinuum-Faser eingefügt ist.
In einigen Ausführungsformen kann ein auf einem Faserlaser basierendes System eine undotierte Faser umfassen, die zwischen dem Verstärker und der Kontinuum-Faser eingefügt ist, wobei die undotierte Faser keinen substantiellen Gain erzeugt.
In einigen Ausführungsformen kann eine undotierte Faser eine Solitonen-Kompression höherer Ordnung, eine nichtlineare Kompression oder eine Raman-Soliton-Erzeugung bereitstellen.
In einigen Ausführungsformen kann ein auf einem Faserlaser basierendes System eine hochgradig nichtlineare Quarzglasfaser umfassen, die direkt an den Ausgang der undotierten Faser gespleißt ist.
In einigen Ausführungsformen kann ein Faserverstärker fähig sein zur Solitonen-Kompression höherer Ordnung, zur nichtlinearen Kompression, zur Raman-Soliton-Erzeugung oder zur chirped pulse amplification.
In einigen Ausführungsformen kann ein Faserverstärker Kern-gepumpt oder Mantel-gepumpt sein.
In einigen Ausführungsformen kann ein Faserverstärker Kern-gepumpt mit einem Er-Faserverstärker sein.
In einigen Ausführungsformen kann ein auf einem Faserlaser basierendes System eine hochgradig nichtlineare Quarzglasfaser umfassen, die direkt an einen Ausgang eines Oszillators gespleißt ist.
In einigen Ausführungsformen kann ein auf einem Faserlaser basierendes System eine hochgradig nichtlineare Quarzglasfaser umfassen, die direkt an einen Ausgang eines Faserverstärkers gespleißt ist.
In einigen Ausführungsformen kann ein Oszillator Kern-gepumpt sein und die Pumpquelle kann umfassen: einen Einzelfrequenzlaser und einen Er-Faserverstärker, der einen Output des Einzelfrequenzlasers verstärkt.
In einigen Ausführungsformen kann ein auf einem Faserlaser basierendes System einen Modulator umfassen, um eine Ausgangsleistung der Pumpquelle in solch einer Weise zu variieren, um eine Phasenschlupffrequenz (carrier envelope offset frequency) innerhalb eines Oszillators zu steuern.
In einigen Ausführungsformen kann ein Oszillator einen sättigbaren Absorber umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann ein Oszillator als ein Ringoszillator konfiguriert sein.
In einigen Ausführungsformen kann ein auf einem Faserlaser basierendes System einen akusto-optischen Frequenzverschieber außerhalb des Resonators zur Steuerung der Phase der Trägerwelle umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann ein auf einem Faserlaser basierendes System ein (f-2f)-Interferometer zur Messung der Trägerwellenphase umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann ein (f-2f)-Interferometer konfiguriert sein zur Steuerung der Trägerwellenphase des Oszillators.
In einigen Ausführungsformen kann ein auf einem Faserlaser basierendes System eine resonatorinterne, elektronisch ansteuerbare optische Komponente umfassen, die zur Steuerung der Trägerwellenphase in den resonatorinternen Strahlweg eingesetzt wird.
In einigen Ausführungsformen kann eine resonatorinterne, elektronisch ansteuerbare optische Komponente einen akusto-optischen Modulator umfassen, der zur Steuerung des resonatorinternen Verlusts und der Trägerwellenphase konfiguriert ist.
In einigen Ausführungsformen kann ein Fasergitter konfiguriert werden, um die restliche Dispersion 3. Ordnung des Oszillators zu kompensieren.
Mindestens eine Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung zum optischen Mikrobearbeiten unterhalb der Oberfläche, welche ein auf einem Faserlaser basierendes System aufweist, das Pulse mit Pulsbreiten von weniger als ungefähr 100 ps in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 1700 bis 2500 nm erzeugt.
In einigen Ausführungsformen kann eine Vorrichtung zur Mikrobearbeitung für die Bearbeitung von Silizium konfiguriert sein.
Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein auf einem Faserlaser basierendes chirped-pulse-amplification-System (FCPA-System). Das System umfasst einen passiv modengekoppelten Faseroszillator, der bei oder nahe einer Wellenlänge von 2000 nm arbeitet. Ein Puls-Dehner empfängt Pulse aus dem passiv modengekoppelten Faseroszillator und erzeugt gedehnte Pulse. Ein Faserverstärker verstärkt die gedehnten Pulse und erzeugt gedehnte und verstärkte Pulse. Das System umfasst einen linearen Puls-Kompressor, um die gedehnten und verstärkten Pulse zu komprimieren. Eine Faser mit großer Modenfläche (large mode area fiber) ist konfiguriert, um die Pulse, die von dem linearen Puls-Kompressor ausgegeben werden, nichtlinear zu komprimieren, um so die Pulse weiter zu komprimieren.
In einigen Ausführungsformen kann ein FCPA-System eine Dehner-Faseranordnung umfassen mit insgesamt positiver Dispersion und anomaler Dispersion 3. Ordnung.
In einigen Ausführungsformen kann ein FCPA-System einen Puls-Kompressor umfassen, welcher zumindest eines von einem voluminösen Grism, Prisma, Gitter und Glasplatte aufweist.
In einigen Ausführungsformen kann ein Output eines FCPA-Systems einen optisch parametrischen Oszillator, Generator oder Verstärker pumpen.
In einigen Ausführungsformen kann ein Output eines FCPA-Systems fähig sein, ein Selbstfrequenz-Verschieben (self-frequency shifting) in einem nichtlinearen Kristall oder Wellenleiter zu erzeugen.
In einigen Ausführungsformen kann ein optischer Modulator stromaufwärts von einem Faserverstärker eingefügt werden, um die Puls-Wiederholrate der Pulse zu reduzieren, welche in dem (den) Faserverstärker(n) eines FCPA-Systems verstärkt werden.
Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein auf einem Faserlaser basierendes System, welches eine Gain-Faser mit negativer Dispersion und eine undotierte Faser mit positiver Dispersion aufweist. Die Kerngröße der Gain-Faser ist größer als die Kerngröße der undotierten Faser. Das System erzeugt Pulse mit einem näherungsweise parabolischen Pulsspektrum.
Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein auf einem Faserlaser basierendes Verstärkungssystem. Das System umfasst: einen passiv modengekoppelten Faseroszillator, der bei oder nahe einer Wellenlänge von 2000 nm arbeitet. Ein Puls-Dehner empfängt Pulse von dem passiv modengekoppelten Faseroszillator und erzeugt gedehnte Pulse. Der Puls-Dehner liefert eine anomale Dispersion 3. Ordnung. Das System umfasst einen Faserverstärker, der die gedehnten Pulse verstärkt, um so gedehnte und verstärkte Pulse an seinem Ausgang zu erzeugen.
In einigen Ausführungsformen kann ein Verstärker nichtlinear sein und einen Wert der Selbstphasenmodulation von mindestens 2 liefern.
In einigen Ausführungsformen ist das Spektrum am Ausgang eines Verstärkers verbreitert wegen der Selbstphasenmodulation.
In einigen Ausführungsformen sind die Pulse am Ausgang eines Verstärkers nichtlinear komprimiert wegen der Selbstphasenmodulation.
In einigen Ausführungsformen kann eine hochgradig nichtlineare Faser direkt an einen Ausgang eines Verstärkers gespleißt sein.
In einigen Ausführungsformen kann ein faserbasiertes Verstärkungssystem eine undotierte Faser umfassen, die direkt an den Ausgang eines Verstärkers gespleißt ist.
Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein auf einem Faserlaser basierendes Verstärkungssystem. Das System umfasst einen passiv modengekoppelten Faseroszillator, der bei oder nahe einer Wellenlänge von 2000 nm arbeitet. Ein Puls-Dehner empfängt Pulse von dem passiv modengekoppelten Faseroszillator und erzeugt gedehnte Pulse. Ein Faserverstärker verstärkt die gedehnten Pulse und erzeugt wieder komprimierte und verstärkte Pulse an seinem Ausgang. Das System umfasst eine hochgradig nichtlineare Faser, die direkt an den Ausgang des Verstärkers gespleißt ist. Die hochgradig nichtlineare Faser erzeugt ein optisches Kontinuum.
In einigen Ausführungsformen umfasst das faserbasierte System eine undotierte Faser, die stromaufwärts von einer hochgradig nichtlinearen Faser eingefügt wird.
Demnach wird es, während nur bestimmte Ausführungsformen hier spezifisch beschrieben worden sind, klar sein, dass zahlreiche Modifizierungen daran gemacht werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Anordnungen sich nicht gegenseitig ausschließen. Elemente können zwischen Ausführungsformen in geeigneter Weise kombiniert werden, um die gewünschten Designziele zu erreichen. Weiterhin werden Abkürzungen hier nur verwendet, um die Lesbarkeit der Beschreibung und Ansprüche zu erhöhen. Es sollte bemerkt werden, dass diese Abkürzungen nicht beabsichtigt sind, um die Allgemeinheit der verwendeten Begriffe zu verringern, und sie sollten nicht so verstanden werden, dass sie den Umfang der Ansprüche auf die darin beschriebenen Ausführungsformen begrenzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5515194 [0023, 0031]
US 7782910 [0032, 0044]
US 7649915 [0037, 0040]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

K. Kieu und M. Mansuripur „Femtosecond laser pulse generation with a fiber taper embedded in carbon nanotube/polymer composite”, Opt. Lett., 32, 2242–2244 (2007) [0034]
C. G. Durfee et al., ”A modular approach to the analytic calculation of spectral phase for grisms and other refractive/diffractive structures”, Opt. Express, Bd. 17, S. 18004 (2008) [0047]

Claims

Ein auf einem Faserlaser basierendes System, umfassend: einen passiv modengekoppelten Faseroszillator, der bei oder nahe einer Wellenlänge von 2.000 nm arbeitet, wobei der Oszillator eine Mehrzahl von Faserabschnitten umfasst, wobei jeder Abschnitt mindestens eine Länge einer Faser aufweist, wobei: ein erster Faserabschnitt einen positiven Dispersionswert D2₁ hat, ein zweiter Faserabschnitt einen negativen Dispersionswert D2₂ hat, der erste Faserabschnitt einen negativen Wert für die Dispersion 3. Ordnung D3₁ hat, der zweite Faserabschnitt einen positiven Wert für die Dispersion 3. Ordnung D3₂ hat, und die Dispersionswerte ungefähr die Beziehung erfüllen: 0,2 < (D2₁/D3₁)/(D2₂/D3₂) < 5, wobei die Dispersionswerte eine Gesamtdispersion des Resonators in einem Bereich von ungefähr ±20.000 fs² pro Meter resonatorinterner Faserlänge liefern; und eine Pumpquelle, um den passiv modengekoppelten Faseroszillator zu pumpen.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 1, wobei die Dispersionswerte ungefähr die Beziehung erfüllen: 0,5 < (D2₁/D3₁)/(D2₂/D3₂) < 2.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 1, wobei die Dispersionswerte ungefähr die Beziehung erfüllen: 0,7 < (D2₁/D3₁)/(D2₂/D3₂) < 1,3.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 1, wobei der passiv modengekoppelte Faseroszillator in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 1700 nm bis zu ungefähr 2500 nm arbeitet.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 1, wobei der passiv modengekoppelte Faseroszillator eine Tm-, eine Tm:Ho-, oder eine Ho-dotierte Faser umfasst.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 1, weiterhin umfassend eine Kontinuum-Faser zur Erzeugung eines Superkontinuums.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 6, weiterhin umfassend einen Faserverstärker, der zwischen dem Oszillator und der Kontinuum-Faser eingefügt ist.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 7, wobei der Faserverstärker fähig ist zu einer Solitonen-Kompression höherer Ordnung, nichtlinearer Kompression, Ramon-Soliton-Erzeugung oder chirped pulse amplification.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 7, wobei der Faserverstärker kerngepumpt oder mantelgepumpt ist.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 9, wobei der Faserverstärker kerngepumpt ist mit einem Er-Faserverstärker.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 7, weiterhin umfassend eine hochgradig nichtlineare Quarzglasfaser, die direkt an den Ausgang des Oszillators gespleißt ist.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 7, weiterhin umfassend eine hochgradig nichtlineare Quarzglasfaser, die direkt an den Ausgang des Faserverstärkers gespleißt ist.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 1, wobei der Oszillator kerngepumpt ist und die Pumpquelle umfasst: einen Einzelfrequenz-Laser und einen Er-Faserverstärker, der einen Output des Einzelfrequenz-Lasers verstärkt.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 1, weiterhin umfassend einen Modulator, um eine Ausgangsleistung der Pumpquelle in solch einer Weise zu variieren, dass eine Phasenschlupffrequenz innerhalb des Oszillators gesteuert wird.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 1, wobei der Oszillator einen sättigbaren Absorber umfasst.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 1, wobei der Oszillator als ein Ringoszillator konfiguriert ist.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 1, weiterhin umfassend einen akusto-optischen Frequenzverschieber außerhalb des Resonators zur Steuerung der Phase der Trägerwellen-Einhüllenden.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 6, weiterhin umfassend ein (f-2f)-Interferometer zur Messung der Trägerwellenphase.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 18, wobei das (f-2f)-Interferometer für die Steuerung der Trägerwellenphase des Oszillators konfiguriert ist.
Eine Vorrichtung zum optischen Mikrobearbeiten unterhalb der Oberfläche, aufweisend: ein auf einem Faserlaser basierendes System, welches Pulse erzeugt, die Pulsbreiten kleiner als 100 ps in einem Wellenlängenbereich von 1700 bis 2500 nm haben.
Die Vorrichtung zum optischen Mikrobearbeiten unterhalb der Oberfläche gemäß Patentanspruch 20, wobei die Vorrichtung zum Mikrobearbeiten für das Bearbeiten von Silizium konfiguriert ist.
Ein auf einem Faserlaser basierendes System, umfassend: einen passiv modengekoppelten Faseroszillator, welcher eine Gain-Faser mit einem negativen Dispersionswert D2₁ aufweist; mindestens einen Faserabschnitt mit einem positiven Dispersionswert D2₂, wobei der Absolutwert von D2₁ mindestens 1,5-mal größer als der Absolutwert von D2₂ ist; ein gechirptes Fasergitter, um den restlichen Dispersionswert des Oszillators zu kompensieren, so dass die Gesamtdispersion des Resonators im Bereich von ±20.000 fs² pro Meter Resonator-Faserlänge liegt; und eine Pumpquelle, um den passiv modengekoppelten Faseroszillator zu pumpen.
Ein auf einem Faserlaser basierendes gechirptes Pulsverstärkungssystem, umfassend: einen passiv modengekoppelten Faseroszillator, der bei oder nahe einer Wellenlänge von 2.000 nm arbeitet; einen Puls-Dehner, der Pulse von dem passiv modengekoppelten Faseroszillator empfängt und gedehnte Pulse erzeugt; einen Faserverstärker, der die gedehnten Pulse verstärkt und gedehnte und verstärkte Pulse erzeugt; einen linearen Puls-Kompressor, um die gedehnten und verstärkten Pulse zu komprimieren; und eine Faser mit großer Modenfläche, die konfiguriert ist, um die Pulse, welche aus dem linearen Puls-Kompressor ausgegeben werden, nichtlinear zu komprimieren, um so die Pulse weiter zu komprimieren.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 1, weiterhin umfassend eine resonatorinterne, elektronisch ansteuerbare optische Komponente, die zur Steuerung der Trägerwellenphase in den resonatorinternen Strahlweg eingefügt wird.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 24, wobei die resonatorinterne, elektronisch ansteuerbare optische Komponente einen akusto-optischen Modulator umfasst, der für die Steuerung des resonatorinternen Verlusts und der Trägerwellenphase konfiguriert ist.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 7, weiterhin umfassend eine undotierte Faser, die zwischen dem Verstärker und der Kontinuum-Faser eingefügt ist, wobei die undotierte Faser keinen substantiellen Gain erzeugt.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 26, wobei die undotierte Faser fähig ist zur Solitonen-Kompression höherer Ordnung, zur nichtlinearen Kompression oder zur Raman-Soliton-Erzeugung.
Das auf einem Faserlaser basierende System gemäß Patentanspruch 26, weiterhin umfassend eine hochgradig nichtlineare Quarzglasfaser, die direkt an den Ausgang der undotierten Faser gespleißt ist.
Ein auf einem Faserlaser basierendes System, umfassend: eine Gain-Faser mit negativer Dispersion und eine undotierte Faser mit positiver Dispersion, wobei die Kerngröße der Gain-Faser größer als die Kerngröße der undotierten Faser ist und wobei das System Pulse mit einem näherungsweise parabolischen Pulsspektrum erzeugt.
Ein auf einem Faserlaser basierendes Verstärkungssystem, umfassend: einen passiv modengekoppelten Faseroszillator, der bei oder nahe einer Wellenlänge von 2.000 nm arbeitet; einen Puls-Dehner, der Pulse von dem passiv modengekoppelten Faseroszillator empfängt und gedehnte Pulse erzeugt, wobei der Puls-Dehner eine anomale Dispersion 3. Ordnung liefert; einen Faserverstärker, der die gedehnten Pulse verstärkt und an seinem Ende rekomprimierte und verstärkte Pulse erzeugt.
Ein auf einem Faserlaser basierendes Verstärkungssystem gemäß Patentanspruch 30, wobei der Verstärker nichtlinear ist und einen Wert der Selbstphasenmodulation von mindestens 2 bereitstellt.
Ein auf einem Faserlaser basierendes Verstärkungssystem gemäß Patentanspruch 31, wobei das Spektrum am Ausgang des Verstärkers wegen der Selbstphasenmodulation verbreitert ist.
Ein auf einem Faserlaser basierendes Verstärkungssystem gemäß Patentanspruch 31, wobei die Pulse am Ausgang des Verstärkers wegen der Selbstphasenmodulation nichtlinear komprimiert sind.
Ein auf einem Faserlaser basierendes Verstärkungssystem gemäß Patentanspruch 30, weiterhin umfassend eine hochgradig nichtlineare Faser, die direkt an den Ausgang des Verstärkers gespleißt ist.
Ein auf einem Faserlaser basierendes Verstärkungssystem gemäß Patentanspruch 30, weiterhin umfassend eine undotierte Faser, die direkt an den Ausgang des Verstärkers gespleißt ist.
Ein auf einem Faserlaser basierendes Verstärkungssystem gemäß Patentanspruch 34, weiterhin umfassend eine undotierte Faser, die direkt an den Ausgang des Verstärkers gespleißt ist.
Ein auf einem Faserlaser basierendes Verstärkungssystem gemäß Patentanspruch 35, wobei die undotierte Faser nichtlinear ist und einen Wert für die Selbstphasenmodulation von mindestens 2 liefert.
Ein auf einem Faserlaser basierendes Verstärkungssystem, umfassend: einen passiv modengekoppelten Faseroszillator, der bei einer Wellenlänge bei oder nahe 2.000 nm arbeitet; einen Puls-Dehner, der Pulse von dem passiv modengekoppelten Faseroszillator empfängt und gedehnte Pulse erzeugt; einen Faserverstärker, der die gedehnten Pulse verstärkt und an seinem Ausgang rekomprimierte und verstärkte Pulse erzeugt; und eine hochgradig nichtlineare Faser, die direkt an den Ausgang des Verstärkers gespleißt ist, wobei die hochgradig nichtlineare Faser ein optisches Kontinuum erzeugt.
Ein auf einem Faserlaser basierendes Verstärkungssystem gemäß Patentanspruch 38, weiterhin umfassend eine undotierte Faser, die stromaufwärts von der hochgradig nichtlinearen Faser eingefügt ist.