DE19829684B4 - Modulierbarer Faserlaser - Google Patents

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Abstract

Faserlaser mit
– einer Laserstrahlungsquelle (101) zum Pumpen des Faserlasers (103; 303),
– in ihrer Lichtleistung unabhängig voneinander steuerbaren Laserstrahlungsquellen (104, 105), und
– Mitteln (107, 102, 106, 108, 109, 207, 206, 209, 306, 309) zum Einkoppeln und/oder Überlagern der Lichtanteile der Laserstrahlungsquellen (101, 104, 105) in ein oder mehrere Faserende(n) des Faserlasers (101; 303),
dadurch gekennzeichnet, daß
– die Anzahl der unabhängig steuerbaren Laserstrahlungsquellen (104, 105) zwei ist, und
– eine Steuereinrichtung (112) zum Steuern der zwei unabhängig steuerbaren Laserstrahlungsquellen (104, 105) vorgesehen ist, die aus einem eingehenden Modulationssignal (SE) zwei Modulationssignale (S1 und S2) erzeugt, deren eines (S1) der ersten Laserstrahlungsquelle (104) und deren anderes (S2) der zweiten Laserstrahlungsquelle (105) zuführbar ist,
wobei die Summe der Laserausgangsleistungen (P1 + P2) der beiden unabhängig steuerbaren Laserstrahlungsquellen (104, 105) unabhängig vom anliegenden Modulationssignal (SE) einen konstanten Wert hat (P1 + P2 = const.),...

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Faserlaser gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches, wie er z. B. aus der US 5.253.073 bekannt ist.
  • Auf diesem Gebiet sind bisher bekannt eine nachträgliche Modulation der Laserstrahlung mit AOM und EOM und eine Nachverstärkung von Single-Mode Laserdioden.
  • Als Nachteile des Standes der Technik sind zu nennen: Nachträgliche Modulation ist aufwendig und teuer. Schnelle AOM sind in der Regel nicht leistungsfest. Bei der Nachverstärkung von Single-Mode Dioden läßt sich nur ein geringes Kontrastverhältnis einstellen, da bei ausgeschalteter Laserdiode die verstärkte Spontanemission (ASE) des Faserverstärkers zu einer Verminderung des Kontrastes führt. Beim Einschalten der Laserdiode nach einer längeren Dunkelpause kommt es aufgrund der überhöhten Inversion in der aktiven Faser zu einer kurzzeitigen Leistungsüberhöhung des Ausgangssignals.
  • Die Erfindung ist im Hauptanspruch definiert; Anspruch 2 betrifft eine Weiterbildung. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der 1, 2, 3, 4 und 5 erläutert.
    •
  • 1 zeigt, daß aus einer Laserdiode 101 mit einer Koppeloptik 102 Pumpstrahlung λP in eine aktive Faser 103 durch einen dichroitischen Spiegel 107 hindurch eingekoppelt wird. Strahlungen λ1 und λ2 von zwei Laserdioden 104 und 105, die bei unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, werden mit einem dichroitischen oder teildurchlässigen Spiegel 106 überlagert und über den dichroitischen Spiegel 107 und die Koppeloptik 102 in die aktive Faser 103 eingekoppelt.
  • Die Laserdioden 104 und 105 sind derartig angesteuert, daß die Summe ihrer Leistung konstant (P1 + P2 = const.) ist. Zur Modulation werden die Laserdioden 104 und 105 "gegenphasig" angesteuert (wenn P1 → 0, dann P2 → 1, normiert und umgekehrt). Dadurch wird immer eine gleiche Leistung in der aktiven Faser 103 geführt und der Laserübergang in der Faser bleibt gesättigt.
  • Am Auskoppelende der Faser 103 werden die verstärkten Strahlungen (λ1 und λ2) mit einer Kollimatoroptik 108 kollimiert. Mit einem dichroitischen Spiegel 109 werden die beiden Wellenlängen λ1 und λ2 voneinander getrennt. Die Strahlung 111 einer Wellenlänge (z. B. λ1) wird genutzt, die der anderen (z. B. λ2) wird in einer Strahlfalle 110 absorbiert.
  • Die Wellenlängen λ1 und λ2 der Laserdioden 104 und 105 können eng benachbart sei, so daß sie denselben Laserübergang sättigen, oder sie können soweit auseinander liegen, daß sie zwei unterschiedliche Laserübergänge in der aktiven Faser 103 sättigen. Beide Laserübergänge müssen jedoch aus demselben oberen Laserniveau starten (z. B. 635 nm und 720 nm in Pr/Yb-Faserverstärkern).
  • Wie 2 zeigt, läßt sich statt des Aufbaus mit diskreten optischen Komponenten der Modulator auch rein faseroptisch aufbauen. An Stelle der entsprechenden dichroitischen Spiegel treten hier Wavelength Division Multiplexer (WDM) 206, 207 und 209. Das Funktionsprinzip bleibt gleich.
  • Im Fall der 3 ist die aktive Faser 303 polarisationserhaltend. Die Strahlung der Laserdioden 304 und 305 haben die gleiche Wellenlänge (λ1 = λ2), sind jedoch orthogonal zueinander polarisiert. Die Summe ihrer Leistung ist konstant. Ihre Strahlung wird mit einem Polarisator 306 überlagert und über den dichroitischen Spiegel 107 in die polarisationserhaltende Faser 303 eingekoppelt. Die an der Auskoppelseite der Faser 303 austretende Strahlung wird mit dem Kollimator 108 kollimiert. Mit einem Polarisator 309 werden die nachverstärkten, unterschiedlich polarisierten Strahlungen der beiden Dioden 304 und 305 getrennt. Die Strahlung einer Polarisation 111 wird genutzt, die der anderen Polarisation wird in der Strahlfalle 110 absorbiert.
  • Alle beschriebenen Aufbauten können auch so betrieben werden, daß sich die Strahlungen der beiden Dioden 104 und 105 in der aktiven Faser 103 entgegenlaufen. Dies zeigen die 4, 5 und 6.
  • Der Aufbau in 4 entspricht dem Aufbau in 1. Die Laserdiode 105 ist gegen den Absorber 110 ausgetauscht. Dabei können die Spiegel 106 und 109 auch als teildurchlässige Spiegel ausgeführt sein und beide Dioden 104 und 105 bei der exakt gleichen Wellenlänge emittieren. Die Transmissions-/Reflexionsverhältnisse der Spiegel 106 und 109 werden so gewählt, daß der Einfluß von Rückkopplungen minimiert wird; zum Beispiel sind 90% Transmission, 10% Reflexion günstig.
  • Der Aufbau in 5 entspricht dem Aufbau in 2. Die Laserdiode 105 ist gegen den Absorber 110 ausgetauscht.
  • Der Aufbau in 6 entspricht dem Aufbau in 3. Die Laserdiode 105 ist gegen den Absorber 110 ausgetauscht.
  • Bei allen Varianten können die Strahl-Rückkopplungen auch durch den Einbau optischer Isolatoren in den Strahlengang wirkungsvoll unterdrückt werden.
  • Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch das zwei-Wellenlängen- (1, 2), zwei-Polarisations- (3) bzw. zwei-Richtungs-Verfahren (4, 5 und 6) der Faserverstärker stets in Sättigung gehalten wird. Dadurch wird die unerwünschte ASE vollständig unterdrückt und ein hoher Kontrast erhalten. Eine Inversionsüberhöhung nach Dunkelpausen wird vermieden. Die Leistung eines Nutzlaserstrahls kann auf Null heruntergeregelt werden.
  • Es ist also möglich zu realisieren einen modulierbaren Faserlaser bestehend aus
    • – einer Laserstrahlungsquelle (101) zum Pumpen eines Faserlasers (103; 303),
    • – zwei unabhängig voneinander in ihrer Lichtleistung steuerbaren Laserstrahlungsquellen (104, 105),
    • – Mitteln (107, 102, 106, 108, 109, 207, 206, 209, 306, 309) zum Einkoppeln und/oder Überlagern der Lichtanteile der drei verschiedenen Laserstrahlungsquellen (101, 104, 105) in ein oder mehrere Faserende(n) des Faserlasers (101; 303),
    • – einer Steuereinrichtung (112) die aus einem eingehenden Modulationssignal SE zwei Modulationssignale S1 und S2 generiert, wobei das eine Modulationssignal S1 der ersten steuerbaren Laserstrahlungsquelle 104 und das andere Modulationssignal S2 der zweiten steuerbaren Laserstrahlungsquelle 105 zuführbar ist,
    • – die Modulationssignale gemäß folgender Bedingungen erzeugbar sind: S1 = f1(SE)~P1 S2 = f2(1/SE)~P2, wobei die Summe der Laserausgangsleistungen P1 und P2 der steuerbaren Laserstrahlungsquellen (104, 105) unabhängig vom anliegenden eingehenden Modulationssignal SE einen konstanten Wert hat (P1 + P2 = const.) und
    • – eine der Laserausgangsleistungen (P1 oder P2) als proportional zum eingehenden Modulationssignal SE modulierte Nutzstrahlung zur Verfügung steht und
    • – die andere Laserausgangsleistung als eine umgekehrt proportional zum eingehenden Modulationssignal SE modulierte Nutzstrahlung zur Verfügung steht.
  • Weiter kann die Steuereinrichtung (112) ein elektronischer Verstärker sein.

Claims (2)

  1. Faserlaser mit – einer Laserstrahlungsquelle (101) zum Pumpen des Faserlasers (103; 303), – in ihrer Lichtleistung unabhängig voneinander steuerbaren Laserstrahlungsquellen (104, 105), und – Mitteln (107, 102, 106, 108, 109, 207, 206, 209, 306, 309) zum Einkoppeln und/oder Überlagern der Lichtanteile der Laserstrahlungsquellen (101, 104, 105) in ein oder mehrere Faserende(n) des Faserlasers (101; 303), dadurch gekennzeichnet, daß – die Anzahl der unabhängig steuerbaren Laserstrahlungsquellen (104, 105) zwei ist, und – eine Steuereinrichtung (112) zum Steuern der zwei unabhängig steuerbaren Laserstrahlungsquellen (104, 105) vorgesehen ist, die aus einem eingehenden Modulationssignal (SE) zwei Modulationssignale (S1 und S2) erzeugt, deren eines (S1) der ersten Laserstrahlungsquelle (104) und deren anderes (S2) der zweiten Laserstrahlungsquelle (105) zuführbar ist, wobei die Summe der Laserausgangsleistungen (P1 + P2) der beiden unabhängig steuerbaren Laserstrahlungsquellen (104, 105) unabhängig vom anliegenden Modulationssignal (SE) einen konstanten Wert hat (P1 + P2 = const.), – eine erste der Laserausgangsleistungen (P1) als proportional zum eingehenden Modulationssignal (SE) modulierte Nutzstrahlung zur Verfügung steht und – die andere Laserausgangsleistung (P2) im Vergleich zu der ersten Laserausgangsleistung gegenphasig moduliert ist.
  2. Faserlaser nach Anspruch 1, bei dem die andere Laserausgangsleistung (P2) in einem Absorber (110) absorbiert wird.
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