DE19956739A1

DE19956739A1 - Modenverkoppelte Multimoden-Faserlaserimpulsquelle

Info

Publication number: DE19956739A1
Application number: DE19956739A
Authority: DE
Inventors: Martin E Fermann
Original assignee: IMRA America Inc
Current assignee: IMRA America Inc
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2000-07-06
Anticipated expiration: 2019-11-26
Also published as: DE19964614B4; US20010024458A1; US9595802B2; US20050008044A1; US8873593B2; US20150036702A1; US20140192403A1; JP4668378B2; US6275512B1; US20030202547A1; US20160006208A1; US9570880B2; DE19956739B4; US8761211B2; JP2000200931A; US20160352063A1; US9153929B2; US20160164247A1; US9450371B2

Abstract

Ein Laser nutzt eine Laserresonator-Gestaltung aus, die die stabile Erzeugung von Impulsen mit hoher Spitzenleistung von modenverkoppelten Multimoden-Faserlasern zuläßt, wobei die Begrenzungen der Spitzenleistung von herkömmlichen modenverkoppelten Einmoden-Faserlasern in großem Maße ausgedehnt werden. Modenverkopplung kann durch Einschieben eines sättigbaren Absorbers in den Laserresonator und durch Einschieben von einem oder mehreren Modenfiltern bewirkt werden, wobei die Oszillation der fundamentalen Mode in der Multimoden-Faser sichergestellt wird. Die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung des Absorbers kann durch Einschieben einer zusätzlichen optischen Halbleiter-Leistungsbegrenzungseinrichtung in den Laserresonator minimiert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verstärkung von Einmoden-Lichtimpulsen in Multimoden-Faserverstärkern und insbe sondere auf die Verwendung von Multimoden-Faserverstärkern zur Erhöhung der Spitzenimpulsleistung in einer modenverkoppelten Laserimpulsquelle, die zur Erzeugung ultrakurzer optischer Im pulse verwendet wird.

Über ein Jahrzehnt hinweg sind optische seltenerddotierte Ein moden-Faserverstärker weitverbreitet verwendet worden, um die beugungsbegrenzte optische Verstärkung von optischen Impulsen bereitzustellen. Da Einmoden-Faserverstärker sehr niedrige Rauschniveaus erzeugen, keine Modendispersion verursachen und mit den optischen Transmissionslinien von Einmoden-Fasern kompa tibel sind, sind fast ausschließlich sie in Telekommunikations anwendungen verwendet worden.

Die Verstärkung von Impulsen mit hoher Spitzenleistung in einem beugungsbegrenzten optischen Strahl in optischen Einmoden-Faser verstärkern ist im allgemeinen durch die kleine Faserkerngröße begrenzt, die verwendet werden muß, um den Einmodenbetrieb der Faser sicherzustellen. Im allgemeinen führt das Einsetzen von Nichtlinearitäten wie beispielsweise Selbstphasenmodulation zu ernsthaften Impulsverzerrungen, sobald das Integral des Lei stungsniveaus, das innerhalb der Faser vorhanden ist, mit der Fortpflanzungslänge einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Für eine konstante Spitzenleistung P innerhalb der Faser ist der tolerierbare Wert der Selbstphasenmodulation Φ_n1 gegeben durch

worin A die Fläche der fundamentalen Mode in der Faser ist, λ die Betriebswellenlänge ist, L die Faserlänge und
n₂ = 3,2 × 10^-20 m²/W der nichtlineare Brechungsindex in optischen Siliziumdioxid-Fasern ist.

Als eine Alternative zu Einmoden-Verstärkern ist die Verstärkung in optischen Multimoden-Fasern in Betracht gezogen worden. Ver stärkungsexperimente in optischen Multimoden-Fasern haben jedoch im allgemeinen sowohl zu nicht-beugungsbegrenzten Ausgangssigna len als auch aufgrund der Modendispersion zu nicht akzeptabler Impulsverbreiterung geführt, da die Einbringbedingungen in die optische Multimoden-Faser und die Modenkopplung in der Multimo den-Faser nicht gesteuert worden sind.

Die verstärkte spontane Emission in einer Multimoden-Faser ist durch die selektive Anregung von aktiven Ionen in der Nähe des Zentrums des Faserkerns oder durch Begrenzen der aktiven Ionen auf das Zentrum des Faserkerns verringert worden, gemäß der US- Patentschrift Nr. 5 187 759, deren Inhalt hiermit durch Bezug nahme enthalten ist. Da der Überlapp von Moden niedriger Ordnung in einer optischen Multimoden-Faser am höchsten ist, wenn sich die aktiven Ionen in der Nähe des Zentrums des Faserkerns befin den, wird jegliche verstärkte spontane Emission dann auch vor wiegend in den Moden niedriger Ordnung der Multimoden-Faser er zeugt werden. Als Ergebnis kann die Gesamtmenge an verstärkter spontaner Emission in einer Multimoden-Faser verringert werden, da keine verstärkte spontane Emission in den Moden höherer Ord nung erzeugt wird.

Als Alternative zur Erzeugung von Impulsen mit hoher Leistung ist die Verstärkung chirp-modulierter ("chirped") Impulse mit chirp-modulierten ("chirped") Bragg-Gittern verwendet worden. Eine der Beschränkungen dieser Technik liegt in der relativen Komplexität des Aufbaus.

Kürzlich ist die Verstärkung von Impulsen auf Spitzenleistungen höher als 10 kW in Multimoden-Faserverstärkern erzielt worden. Siehe US-Patent Nr. 5 818 630 mit dem Titel "Single-Mode Amplifiers and Compressors Based an Multi-Mode Fibers", welches an den Anmelder der vorliegenden Anmeldung erteilt wurde und dessen Inhalt hiermit durch Bezugnahme enthalten ist. Wie dort beschrieben ist, wird die Begrenzung der Spitzenleistung, die optischen Einmoden-Faserverstärkern zu eigen ist, vermieden, in dem man die vergrößerte Fläche, die durch die fundamentale Mode innerhalb von Multimoden-Fasern belegt wird, verwendet. Die ver größerte Fläche läßt eine Vergrößerung des Energiespeicher potentials des optischen Faserverstärkers zu, wodurch höhere Im pulsenergien vor dem Einsetzen von unerwünschten Nichtlinearitä ten und Verstärkungssättigung zugelassen werden. Um dies zu er reichen, werden in dieser Anmeldung die Vorteile der Konzentra tion des Verstärkungsmediums in das Zentrum der Multimoden-Fa ser, so daß die fundamentale Mode vorzugsweise verstärkt wird, beschrieben. Diese Verstärkungsbegrenzung wird ausgenutzt, um die fundamentale Mode in einer Faser mit einem großen Quer schnitt durch Verstärkungsführung zu stabilisieren.

Zusätzlich wird in dieser Druckschrift das Schreiben von Bragg- Gittern mit chirp-modulierter Faser auf Multimoden-Fasern mit verringerter Modenkopplung, um die Leistungsbeschränkungen für lineare Impulskompression von optischen Impulsen mit hoher Lei stung zu erhöhen, beschrieben. In diesem System werden Multi moden-Faserverstärker mit Doppelmantel mit relativ großflächigen Hochleistungs-Halbleiterlasern gepumpt. Ferner wird die funda mentale Mode in den Multimoden-Fasern angeregt, indem effiziente Modenfilter verwendet werden. Indem weiterhin Multimoden-Fasern mit geringer Modenkopplung verwendet werden, kann die Fortpflan zung der fundamentalen Mode in den Multimoden-Verstärkern über Längen von mehreren Metern sichergestellt werden, wodurch die Verstärkung von optischen Impulsen mit hoher Leistung in dotier ten Multimoden-Faserverstärkern mit Kerndurchmessern mit mehre ren 10 µm zugelassen wird, während noch ein beugungsbegrenzter Ausgangsstrahl bereitgestellt wird. In diesem System wurde zu sätzlich Mantelpumpen durch Diodenlaser-Anordnungen mit breiter Fläche verwendet, um Multimoden-Faserverstärker in geeigneter Weise anzuregen.

Sowohl aktive modenverkoppelte Laser als auch passiv moden verkoppelte Laser sind in der Lasertechnik wohlbekannt. Bei spielsweise sind kompakte modenverkoppelte Laser unter Verwen dung von seltenerddotierten Einmoden-Fasern als Quellen für ul trakurze Impulse gebildet worden. Eine besonders nützliche Fa ser-Impulsquelle beruht auf passiver Modenverkopplung vom Kerr- Typ. Derartige Impulsquellen sind unter Verwendung von allgemein erhältlichen Standard-Faserkomponenten zusammengestellt worden, um Impulse bei der Bandbreitengrenze von Seltenerd-Faserlasern mit Gigahertz-Repetitionsraten bereitzustellen.

Für sättigbare Halbleiter-Absorber sind kürzlich Anwendungen auf dem Gebiet von passiv modenverkoppelten Lasern für ultrakurze Impulse gefunden worden. Diese Vorrichtungen sind attraktiv, da sie kompakt und preiswert sind und auf einen breiten Bereich von Laserwellenlängen und -Impulsbreiten zugeschnitten werden kön nen. Sättigbare Halbleiter-Quantentopf- und -Volumenabsorber sind auch zur Modenverkopplung von Lasern mit Farbzentren ver wendet worden.

Ein sättigbarer Absorber hat einen intensitätsabhängigen Verlust l. Der Verlust eines Signals mit Intensität I bei einfachem Durchgang durch einen sättigbaren Absorber der Dicke d kann aus gedrückt werden als

l = 1-exp(-αd),

worin α der intensitätsabhängige Absorptionskoeffizient ist, der gegeben ist durch:

a(I) = α₀/(1+I/I_SAT)

Hier ist α₀ der Kleinsignal-Absorptionskoeffizient, der von dem betrachteten Material abhängt. I_SAT ist die Sättigungsintensität, die umgekehrt proportional zur Lebensdauer (τ_A) der absorbieren den Spezies in dem sättigbaren Absorber ist. Somit zeigen sät tigbare Absorber bei höherer Intensität weniger Verlust.

Da der Verlust eines sättigbaren Absorbers intensitätsabhängig ist, wird die Impulsbreite der Laserimpulse verkürzt, wenn sie durch den sättigbaren Absorber hindurchgehen. Die Rate, mit der die Impulsbreite der Laserimpulse verkürzt wird, ist proportio nal zu |dq₀/dI|, worin q₀ der nichtlineare Verlust ist:

q₀ = l(I)-l(I = 0)

l(I = 0) ist eine Konstante (= 1-exp(-α₀d)) und als Einfügungsver lust bekannt. Wie hier definiert, nimmt der nichtlineare Verlust q₀ eines sättigbaren Absorbers mit zunehmender Intensität I ab (sein negativer Wert nimmt zu). |dq₀/dI| bleibt im wesentlichen konstant, bis sich I I_SAT annähert, wobei dieser Wert im Aus bleichbereich, d. h. bei I » I_SAT im wesentlichen zu Null wird.

Damit ein sättigbarer Absorber zufriedenstellend als ein moden verkoppelndes Element wirkt, sollte er eine Lebensdauer (d. h. die Lebensdauer des oberen Zustands der absorbierenden Spezies), einen Einfügungsverlust l (I = 0) und einen nichtlinearen Verlust q₀ haben, welche für den Laser angemessen sind. Idealerweise sollte der Einfügungsverlust niedrig sein, wobei der Wirkungs grad des Lasers erhöht wird, während die Lebensdauer und der nichtlineare Verlust q₀ eine selbststartende und stabile cw-Mo denverkopplung zulassen sollten. Die Eigenschaften des sättigba ren Absorbers ebenso wie die Parameter des Laserresonators wie beispielsweise Auskoppelanteil, Restverlust und Lebensdauer des Verstärkungsmediums spielen alle eine Rolle bei der Entwicklung eines Lasers vom Start bis zur Modenverkopplung.

Wie bei Einmoden-Faserverstärkern ist die Spitzenleistung der Impulse von modenverkoppelten Einmoden-Lasern durch die kleine Faserkerngröße begrenzt worden, die verwendet worden ist, um den Einmodenbetrieb der Faser sicherzustellen. Zusätzlich muß in mo denverkoppelten Einmoden-Faserlasern die nichtlineare Umlauf- Phasenverzögerung auch auf ungefähr π begrenzt werden, um die Er zeugung von Impulsen mit einem sehr großen zeitlich ausgedehnten Hintergrund, die im allgemeinen als ein Sockel ("pedestal") be zeichnet wird, zu verhindern. Für einen modenverkoppelten Stan dard-Einmoden-Erbiumfaserlaser, der bei 1,55 µm arbeitet, mit einem Kerndurchmesser von 10 µm und einer Umlauf-Resonatorlänge von 2 m, was einer Impuls-Repetitionsrate von 50 MHz entspricht, ist die maximale Oszillationsspitzenleistung somit ungefähr 1 kW.

Der Langzeitbetrieb von modenverkoppelten Einmoden-Faserlasern wird bequemerweise sichergestellt, indem man einen gegenüber Um welteinflüssen stabilen Laserresonator wie in dem US-Patent Nr. 5 689 519 mit dem Titel "Environmentally Stable Passively Modelocked Fiber Laser Pulse Source", das an den Anmelder der vorliegenden Anmeldung erteilt wurde und dessen Inhalt hiermit durch Bezugnahme enthalten ist, beschrieben ist, verwendet. Der in dieser Druckschrift beschriebene Laser minimiert durch Um welteinflüsse hervorgerufene Fluktuationen des Polarisations zustands am Ausgang der Einmoden-Faser. In den beschriebenen Ausführungsformen wird dies erreicht, indem ein Paar Faraday- Drehvorrichtungen an gegenüberliegenden Enden des Laserre sonators eingesetzt wird, um lineare Phasenabweichungen zwischen den Polarisations-Eigenmoden der Faser zu kompensieren.

Kürzlich ist die Zuverlässigkeit von Einmoden-Faserlasern mit hoher Leistung, die durch sättigbare Absorber modenverkoppelt sind, stark verbessert worden, indem man nichtlineare Leistungs- Begrenzungsvorrichtungen durch Einbringen von geeigneten Zwei- Photonen-Halbleiter-Absorptionseinrichtungen in den Laserresona tor realisiert hat, wodurch die Spitzenleistung der schädigenden Q-geschalteten Impulse, die oft beim Starten der Modenver kopplung und bei der Anwesenheit von Fehlausrichtungen bzw. Fehlabgleichungen des Laserresonators beobachtet worden sind, minimiert worden sind. Siehe US-Patentanmeldung Nr. 09/149 369, die am 8. September 1998 vom Anmelder der vorliegenden Anmeldung eingereicht wurde, mit dem Titel "Resonant Fabry-Perot Semiconductor Saturable Absorbers and Two-Photon Absorption Power Limiters" und deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme ent halten ist.

Um die von modenverkoppelten Einmoden-Faserlasern erhältliche Impulsenergie zu erhöhen, ist die Oszillation von chirp-modu lierten Impulsen innerhalb des Laserresonators verwendet worden, s. M. Hofer et al., Opt. Lett., Bd. 17, Seiten 807 bis 809. Als Folge werden die Impulse zeitlich ausgedehnt, wodurch eine si gnifikante Verringerung der Spitzenleistung innerhalb des Faser lasers bewirkt wird. Die Impulse können jedoch zeitlich bis hinab zu annähernd der Bandbreitengrenze außerhalb des Laser resonators komprimiert werden. Aufgrund der sich ergebenden ho hen Spitzenleistung müssen optische dispersive Volumen-Verzö gerungsleitungen für die Impulskompression verwendet werden. Für Neodym-Faserlaser können Impulsbreiten in der Größenordnung von 100 fs erhalten werden.

Die Impulsenergie von modenverkoppelten Einmoden-Faserlasern ist auch erhöht worden, indem chirp-modulierte Fasergitter verwendet wurden. Der Wert der negativen Dispersion von chirp-modulierten Fasergittern ist groß, wobei die Impulse innerhalb des Laser resonators dispersiv verbreitert werden, wodurch somit ihre Spitzenleistung verringert wird und was auch zur Oszillation von Impulsen mit hoher Energie innerhalb den Einmoden-Faserlasern führt.

Siehe US-Patent Nr. 5 450 427 mit dem Titel "Technique for the Generation of Optical Pulses in Mode-Locked Lasers by Dispersive Control of the Oscillation Pulse Width' und US-Patent Nr. 5 627 848 mit dem Titel "Apparatus for Producing Femtosecond and Picosecond Pulses from Fiber Lasers Cladding Pumped with Broad Area Diode Laser Arrays", die beide dem Anmelder der vor liegenden Anmeldung erteilt wurden und deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme enthalten ist. In diesen Systemen sind die er zeugten Impulse Bandbreiten-begrenzt, obwohl die typischen Os zillations-Impulsbreiten in der Größenordnung von einigen weni gen ps sind.

Obwohl die dispersive Verbreiterung der Oszillations-Impuls breite innerhalb eines Einmoden-Faserlaserresonators im Ver gleich mit einem "Standard"-Solitonen-Faserlaser die Oszil lations-Impulsenergie erhöht, erhöht sie jedoch nicht die Oszil lations-Spitzenleistung. Die maximale Spitzenleistung, die mit diesen Systemen direkt von dem Faserlaser erzeugt wird, ist noch auf ungefähr 1 kW begrenzt.

Ein weiteres hoch integrierbares Verfahren zur Erhöhung der Spitzenleistung von modenverkoppelten Lasern beruht auf der Ver wendung von chirp-moduliertem, periodisch gepoltem LiNbO₃ (chirpmoduliertes PPLN). Cirp-moduliertes PPLN läßt die simul tane Impulskompression und Frequenzverdopplung eines optisch chirp-modulierten Impulses zu. Siehe US-Patentanmeldung Nr. 08/845 410, die am 25, April 1997 vom Anmelder der vorliegenden Anmeldung eingereicht wurde, mit dem Titel "Use of Aperiodic Quasi-Phase-Matched Gratings in Ultrashort Pulse Sources", deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme enthalten ist. Es sind jedoch im allgemeinen Spitzenleistungen in der Größenordnung von mehreren kW erforderlich, damit chirpmoduliertes PPLN eine Impulskompres sion von ungefähr 3 ps bis 300 fs und eine Frequenzverdopplung mit hohem Umwandlungswirkungsgrad erzeugt. Solch hohe Spitzen leistungen sind typischerweise außerhalb des Bereichs von moden verkoppelten Einmoden-Erbium-Faserlasern.

Diodenlaser-Anordnungen mit breiter Fläche sind zum Pumpen von modenverkoppelten Einmoden-Faserlasern verwendet werden, wobei sehr kompakte. Laserresonatorgestaltungen möglich waren. Das Pumplicht wurde durch eine V-förmige Einkerbung von der Seite der Doppelmantel-Faser her injiziert, eine Technik, die typi scherweise als Seiten-Pumpen bezeichnet wird. Solche Oszillator gestaltungen haben jedoch den Nachteil, daß die Spitzenleistung aufgrund der Einmoden-Struktur der Oszillatorfaser beschränkt ist.

Es ist auch vorgeschlagen worden, daß ein nahezu beugungsbe grenzter Ausgangsstrahl von einem Multimoden-Faserlaser erhalten werden kann, wenn man die Faserlänge kürzer als 15 mm hält und selektiv eine maximale Menge an Rückkopplung für die fundamen tale Mode der optischen Faser bereitstellt. "Efficient laser operation with nearly diffraction-limited output from a diode pumped heavily Nd-doped multimode fiber", Optics Letters, Bd. 21, S. 266 bis 268 (1996), deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme enthalten ist. Bei dieser Technik ist jedoch ernsthafte bzw. starke Modenkopplung ein Problem gewesen, da die verwendeten Multimoden-Fasern typischerweise Tausende von Moden unter stützen. Auch ist nur ein Luftspalt zwischen der Endfläche der Multimoden-Faser und einem Laserspiegel für die Modenselektion vorgeschlagen worden. Daher ist eine nur sehr schlechte Moden- Unterscheidung erhalten worden, was zu einer schlechten Strahl qualität führte.

Während der Betrieb von optischen Verstärkern, insbesondere bei Anwesenheit von großen Impfsignalen, nicht sehr empfindlich ge genüber der Anwesenheit von Störreflexionen ist, hängt die Sta bilität von modenverkoppelten Lasern kritisch von der Minimie rung von Störreflexionen ab. Jegliche Streureflexionen erzeugen Unter-Laserresonatoren innerhalb eines Oszillators und führen zu Injektionssignalen für den cw-Betrieb eines Laserresonators und verhindern somit das Einsetzen der Modenverkopplung. Man nimmt allgemein an, daß für Fabry-Perot-Festkörper-Laserresonatoren eine Unterdrückung der laserresonatorinternen Reflexionen auf ein Niveau « 1% (bezüglich der Intensität) erforderlich ist, um das Einsetzen der Modenverkopplung zu ermöglichen.

Man kann sich vorstellen, daß die laserresonatorinternen Refle xionen, die in modenverkoppelten Standard-Lasern von Betracht sind, konzeptuell äquivalent zur Modenkopplung in Multimoden-Fa sern sind. Jegliche Modenkopplung in Multimoden-Fasern erzeugt natürlich auch einen Unter-Laserresonator mit einem cw-Injek tionssignal, das zu der Menge an Modenkopplung proportional ist. Es ist jedoch sehr schwierig, eine Unterdrückung der Moden kopplung auf ein Niveau « 1% bei allen Multimoden-Faser-Unste tigkeiten zu erzielen. Aufgrund von optischen Aberrationen las sen selbst gut korrigierte Optiken typischerweise die Anregung der fundamentalen Mode in Multimoden-Fasern nur mit einem maxi malen Wirkungsgrad von ungefähr 95% zu. Daher ist man bis jetzt der Überzeugung gewesen, daß Modenverkopplung einer Multimoden- Faser unmöglich ist, und bis jetzt ist kein stabiler Betrieb ei nes modenverkoppelten Multimoden-Faserlasers gezeigt worden.

Die Erfindung beseitigt die vorstehend erwähnten, mit den Be grenzungen der Spitzenleistung in modenverkoppelten Lasern ver bundenen Schwierigkeiten und stellt einen modenverkoppelten Mul timoden-Faserlaser bereit.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Laser nach Anspruch 1, das Verfahren nach Anspruch 51, das Verfahren nach Anspruch 55 sowie der modenverkoppelte Laser nach Anspruch 58 bereit gestellt.

Dieser Laser nutzt Resonatorgestaltungen aus, die die stabile Erzeugung von Impulsen mit hoher Spitzenleistung von modenver koppelten Multimoden-Faserlasern zulassen, wobei die Begrenzun gen der Spitzenleistung von herkömmlichen modenverkoppelten Ein moden-Faserlasern in großem Maße ausgedehnt werden. Modenver kopplung kann durch Einschieben eines sättigbaren Absorbers in den Laserresonator und durch Einschieben von einem oder mehreren Modenfiltern, um die Oszillation der fundamentalen Mode in der Multimoden-Faser sicherzustellen, hervorgerufen werden. Die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung des Absorbers kann durch Einschieben einer zusätzlichen optischen Halbleiter-Leistungshe grenzungseinrichtung in den Laserresonator minimiert werden. Die kürzesten Impulse können auch erzeugt werden, indem man die nichtlineare Polarisationsentwicklung innerhalb der Faser aus nutzt. Die Langzeitstabilität der Laserresonator-Konfiguration wird sichergestellt, indem man einen gegenüber Umwelteinflüssen stabilen Laserresonator verwendet. Pumplicht von einem Dioden laser mit großer Fläche kann in die Multimoden-Faser durch Ver wenden einer Mantel-Pumptechnik eingebracht werden.

Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung kann ein modenver koppelter Faserlaser aufgebaut werden, mit dem beispielsweise nahezu Bandbreiten-begrenzte 360 fs-Impulse mit einer durch schnittlichen Leistung von 300 mW bei einer Repetitionsrate von 66,7 MHz erhalten werden. Die Spitzenleistung dieser beispiel haften Impulse wird auf ungefähr 6 kW geschätzt.

Im folgenden werden die bevorzugten Ausführungsformen der Erfin dung unter Bezugnahme der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen durchgängig gleiche Elemente durch identische Bezugs zeichen bezeichnet werden.

Fig. 1 ist eine schematische Veranschaulichung, die den Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der End-Pumpen zum Injizieren von Pumplicht in die Multimoden-Faser verwendet wird.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die die typische Auto korrelation vom Impulsen zeigt, die gemäß der in Fig. 1 darge stellten Ausführungsform der Erfindung erzeugt worden sind.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die das typische Impuls spektrum zeigt, welches gemäß der in Fig. 1 dargestellten Aus führungsform der Erfindung erzeugt wird.

Fig. 4 ist eine schematische Veranschaulichung, die den Aufbau einer alternativen bevorzugten Ausführungsform unter Verwendung einer Seiten-Pumpeinrichtung zum Injizieren von Pumplicht in die Multimoden-Faser zeigt.

Fig. 5 ist eine schematische Veranschaulichung einer alternati ven Ausführungsform, bei der ein Stück einer Faser mit positiver Dispersion verwendet wird, um chirp-modulierte Impulse in den Laserresonator einzuführen.

Fig. 6 ist eine schematische Veranschaulichung einer alternati ven Ausführungsform, bei der chirp-modulierte Fasergitter mit negativer Dispersion in dem Laserresonator verwendet werden, um nahezu Bandbreiten-begrenzte Impulse mit hoher Energie zu erzeu gen.

Die Fig. 7a und 7b veranschaulichen Querschnitte von polarisa tionserhaltenden Multimoden-Fasern, die verwendet werden können, um gegenüber Umwelteinflüssen stabile Laserresonatoren bei Abwe senheit von Faraday-Drehvorrichtungen aufzubauen.

Fig. 8 ist eine schematische Veranschaulichung einer alternati ven Ausführungsform, bei der eine der in den Fig. 7a und 7b veranschaulichten Fasern verwendet wird.

Die Fig. 9a, 9b und 9c veranschaulichen die Art, auf die die fundamentale Mode der Multimoden-Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung an die Mode einer Einmoden-Faser angepaßt werden kann. Diese umfassen ein optisches Volumen-Abbildungssystem wie in Fig. 9a gezeigt, eine Spleiß-Verbindungsstelle zwischen Multi moden- und Einmoden-Faser, wie in Fig. 9b gezeigt, und einen ko nischen Querschnitt ("tapered section') der Multimoden-Faser, wie in Fig. 9c veranschaulicht.

Fig. 10 ist eine schematische Veranschaulichung einer alternati ven Ausführungsform, bei der ein Fasergitter verwendet wird, um vorwiegend die fundamentale Mode einer Multimoden-Faser zu re flektieren.

Fig. 11 ist eine schematische Veranschaulichung einer alternati ven Ausführungsform, bei der aktive oder aktiv-passive Modenver kopplung zur Modenverkopplung des Multimoden-Lasers verwendet wird.

Fig. 1 veranschaulicht den erfindungsgemäßen modenverkoppelten Laserresonator 11, bei dem ein langes Stück einer verstärkenden Multimoden-Faser 13 innerhalb des Laserresonators verwendet wird, um ultrakurze optische Impulse mit hoher Leistung zu er zeugen. Der hier verwendete Ausdruck "ultrakurz" bedeutet eine Impulsbreite unterhalb 100 ps. Die in dem Beispiel gezeigte Fa ser 13 ist eine 1,0 m lange nicht-doppelbrechende Yb³⁺/Er³⁺-do tierte Multimoden-Faser. Typischerweise wird eine Faser als eine Multimoden-Faser betrachtet, wenn der V-Wert 2,41 überschreitet, d. h., wenn sich Moden zusätzlich zur fundamentalen Mode in der optischen Faser fortpflanzen können. Diese Faser wird auf eine Trommel mit einem Durchmesser von 5 cm aufgewickelt, obwohl Bie gedurchmesser von 1,5 cm oder sogar kleiner verwendet werden können, ohne die Modenverkopplung zu behindern. Aufgrund der Er³⁺-Dotierung hat der Faserkern in diesem Beispiel einen Absorp tionskoeffizienten von ungefähr 40 dB/m bei einer Wellenlänge von 1,53 µm. Die Yb³⁺-Kodotierung bewirkt einen durchschnittli chen Absorptionskoeffizienten von 4,3 dB/m innerhalb des Mantels bei einer Wellenlänge von 980 nm. Die Faser 13 hat eine numeri sche Apertur von 0,20 und einen Kerndurchmesser von 16 µm. Die Außendurchmesser des Mantels der Faser 13 ist 200 µm. Die Faser 13 ist mit einem Polymer mit niedrigem Index beschichtet, wo durch für den Mantel eine numerische Apertur von 0,40 erzeugt wird. Eine 10 cm lange Corning Leaf Einmoden-Faser 15 wird ther misch konisch verjüngt ("tapered"), wobei ein Kerndurchmesser von ungefähr 14 µm erzeugt wird, um einen optimalen Betrieb als Modenfilter sicherzustellen, und dieses lange Stück wird auf ein erstes Ende 17 der Multimoden-Faser 13 schmelz-verspleißt.

Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist der Laserresonator 11 zwischen einem ersten Spiegel 19 und einem zweiten Spiegel 21 gebildet. Man wird erkennen, daß andere Laserresonator-Konfigu rationen für immer wieder umlaufende Impulse wohlbekannt sind und verwendet werden können. In diesem Beispiel definieren die Spiegel 19, 21 eine optische Achse 23, entlang der die Laserre sonator-Elemente ausgerichtet sind.

Der Laserresonator 11 enthält ferner ein Paar Faraday-Drehvor richtungen 25, 27 zur Kompensation von linearen Phasenabweichun gen zwischen den Polarisations-Eigenmoden der Faser, wodurch sichergestellt wird, daß der Laserresonator gegenüber Umweltein flüssen stabil bleibt. Wie hier verwendet, bezieht sich der Aus druck "gegenüber Umwelteinflüssen stabil" auf eine Impulsquelle, die im wesentlichen immun gegenüber einer Abnahme der Impulser zeugung aufgrund von Umwelteinflüssen wie beispielsweise Tempe raturabweichungen ist und die höchstens nur geringfügig empfind lich gegenüber Druckschwankungen ist. Die Verwendung von Fara day-Drehvorrichtungen zur Sicherstellung einer Stabilität gegen über Umwelteinflüssen ist in der US-Patentschrift Nr. 5 689 519, deren Inhalt durch Bezugnahme hier aufgenommen worden ist, de taillierter erklärt.

Ein Polarisations-Strahlteiler 29 auf der Achse 23 des Laserre sonators 11 stellt den Betrieb des Laserresonators 11 bei einer Polarisation sicher, und liefert das Ausgangssignal 30 von dem Laserresonator. Eine Halbwellenplatte 31 und eine Viertelwellen platte 33 werden verwendet, um lineare Phasenverzögerungen in den Laserresonator einzubringen, wobei eine Polarisationssteue rung bereitgestellt wird, die die Optimierung der Polarisations entwicklung innerhalb des Laserresonators 11 für die Modenver kopplung zuläßt.

Um eine Modenverkopplung zu bewirken, ist der Laserresonator 11 als ein Fabry-Perot-Resonator gebildet, indem ein sättigbarer Absorber 35 an dem Ende des Laserresonators in der Nähe des Spiegels 19 eingebracht wird. Der sättigbare Absorber 35 ist vorzugsweise als eine 0,75 µm dicke InGaAsP-Schicht auf einer Oberfläche eines Substrats gewachsen. Die Bandkante des sättig baren InGaAsP-Absorbers 39 ist vorzugsweise auf 1,56 µm gewählt, die Ladungsträger-Lebensdauer beträgt typischerweise 5 ps, und die Sättigungsenergiedichte beträgt 100 MW/cm².

In diesem Beispiel umfaßt das Substrat, das den sättigbaren Ab sorber 35 trägt, mit einer Antireflexionsschicht versehenes InP 37 von hoher Qualität, wobei die mit einer Antireflexionsschicht versehene Oberfläche 39 gegenüber der Seite des offenen Endes des Laserresonators 11 liegt. Das InP-Substrat ist transparent gegenüber Ein-Photonen-Absorption des Signallichts bei 1,56 µm, Zwei-Photonen-Absorption tritt jedoch auf. Dieser Zwei-Photonen- Absorber 39 wird als eine nichtlineare Leistungsbegrenzungsein richtung verwendet, um den sättigbaren Absorber 35 zu schützen.

In dieser beispielhaften Ausführungsform ist der Spiegel 19 durch Abscheiden eines Goldfilms auf die dem Zwei-Photonen-Ab sorber 39 gegenüberliegende Oberfläche des sättigbaren InGaAsP- Absorbers 35 gebildet. Die kombinierte Struktur aus dem sättig baren Absorber 35, dem Zwei-Photonen-Absorber 37 und dem Spiegel 19 stellt ein Reflexionsvermögen von 50% bei 1,56 µm bereit. Die dem sättigbaren Absorber 35 gegenüberliegende Oberfläche des Goldfilm-Spiegels 19 ist an einem Saphirfenster 41 zur Wär meableitung der kombinierten Absorber/Spiegel-Anordnung ange bracht.

Der Laserstrahl von der Faser 15 wird durch eine Linse 43 paral lel gerichtet und nach Drehung durch die Faraday-Drehvorrichtung 25 durch eine Linse 45 wieder auf die mit einer Antireflexions beschichtung versehene Oberfläche 39 des Zwei-Photonen-Absorbers 37 fokussiert. Die Fleckgröße des Laserstrahls auf dem sättigba ren Absorber 35 kann durch Variieren der Position der Linse 45 oder durch Verwendung von Linsen mit verschieden Brennweiten eingestellt werden. Weitere Fokussierlinsen 47 und 49 in dem La serresonator 11 unterstützen die bessere Abbildung des Laser signals auf die Multimoden-Faser 13.

Licht von einer Pumplichtquelle 51, wie beispielsweise einer La serquelle, mit einer Wellenlänge in der Nähe von 980 nm und ei ner Ausgangsleistung von 5 W wird durch ein Faserbündel 57 mit einem Außendurchmesser von 375 µm geleitet. Dieses Pumplicht wird in das der Einmoden-Faser 17 entgegengesetzte Ende 53 der Multimoden-Faser 13 injiziert. Das Pumplicht wird in den Laser resonator 11 über eine Pumpsignal-Injektionsvorrichtung 55 wie beispielsweise einen dichroitischen Strahlteiler für 980/1550 nm eingekoppelt. Linsen 47 und 48 sind für das Einkoppeln der Pumpleistung von dem Faserbündel 57 in den Mantel der Multi moden-Faser optimiert.

Der M² des Strahls beim Ausgang 30 dieser beispielhaften Ausführungsform beträgt typischerweise ungefähr 1, 2. Unter der Annahme, daß die Beeinträchtigung des M²-Werts hauptsächlich auf die nicht perfekte Spleiß-Verbindung zwischen der Multimoden-Fa ser 13 und der Einmoden-Modenfilterfaser 15 zurückzuführen ist, kann abgeschätzt werden, daß die Einmoden-Modenfilterfaser 15 die fundamentale Mode der Multimoden-Faser 13 mit einem Wir kungsgrad von ungefähr 90% angeregt hat.

Modenverkopplung kann erreicht werden, indem man die Fokussie rung des Laserstrahls auf den sättigbaren Absorber 35 optimiert und indem man die Orientierung der resonatorinternen Wellenplat ten 31, 33 optimiert, so daß ein bestimmter Grad der nichtlinea ren Polarisationsentwicklung zugelassen wird. Der modenverkop pelte Betrieb eines Multimoden-Faserlasersystems ohne nichtli neare Polarisationsentwicklung kann jedoch auch erreicht werden, indem man die Menge an Moden-Vermischung in der Multimoden-Faser 13 minimiert und durch eine Optimierung des sättigbaren Absor bers 35.

Die Impulse, die durch die beispielhafte Ausführungsform von Fig. 1 erzeugt werden, werden eine Repetitionsrate von 66,7 MHz haben, mit einer durchschnittlichen Ausgangsleistung von 300 mW bei einer Wellenlänge von 1,535 µm, was eine Impulsenergie von 4,5 nJ ergibt. Eine typische Autokorrelation der Impulse ist in Fig. 2 gezeigt. Eine typische Impuls-Halbwertsbreite von 360 fsec (wobei eine sech²-Impulsform angenommen wird) wird erzeugt. Das entsprechende Impulsspektrum ist in Fig. 3 gezeigt. Die Au tokorrelationsbreite liegt innerhalb eines Faktors von 1,5 der Bandbreitengrenze wie aus dem Impulsspektrum berechnet, was die relativ hohe Qualität der Impulse anzeigt.

Aufgrund der Multimoden-Struktur des Oszillators ist das Impuls spektrum stark moduliert und daher zeigt die Autokorrelation eine beträchtliche Energiemenge in einem Impulssockel an. Es kann abgeschätzt werden, daß die Energiemenge in dem Sockel un gefähr 50% beträgt, was umgekehrt eine Impulsspitzenleistung von 6 kW ergibt, ungefähr 6-mal größer als das, was typischer weise mit Einmoden-Fasern bei einer ähnlichen Impuls-Repetiti onsrate erhalten wird.

Vernachlässigt man die Menge an Selbstphasenmodulation in einem Durchgang durch die Multimoden-Faser 13 und jegliche Selbstpha senmodulation in dem Modenfilter 15 und nimmt man einen linearen Anstieg der Impulsleistung in der Multimoden-Faser 13 in dem zweiten Durchgang an und nimmt man eine effektive Fläche der fundamentalen Mode in der Multimoden-Faser 13 von 133 µm² an, so wird die nichtlineare Phasenverzögerung in dem Multimoden-Oszil lator aus der vorstehenden ersten Gleichung zu Φ_n1 = 1,45 π be rechnet, was dicht an der erwarteten typischen maximalen nicht linearen Verzögerung von passiv modenverkoppelten Lasern liegt.

Die Modulation des erhaltenen Impulsspektrums ebenso wie die Menge des erzeugten Sockels hängt von der Ausrichtung des Spie gels 21 ab. Im allgemeinen führt die optimierte Modenanpassung des optischen Strahls zurück in die fundamentale Mode der Multi moden-Faser zur besten Laserstabilität und zu einer Verringerung der Menge des Sockels und der Modulation des Impulsspektrums. Aus diesem Grund kann eine optimierte Impulsqualität erhalten werden, indem man die Spleiß-Verbindung zwischen der Einmoden- Filterfaser 15 und der Multimoden-Faser 13 verbessert. Aus ein fachen Überlappungsintegralen kann berechnet werden, daß ein op timal konisch sich verjüngender Querschnitt der Corning SMF-25- Faser 15 zu einer Anregung der fundamentalen Mode in der Multi moden-Faser 13 mit einem Wirkungsgrad von 99% führen wird. So mit kann in einem optimierten System jegliches Signal in den Mo den höherer Ordnung auf ungefähr 1% reduziert werden.

Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 veranschaulicht. Wie durch die identischen Elemente und Bezugs zeichen angegeben, ist der Großteil der Laserresonator-Anordnung in dieser Figur identisch zu der in Fig. 1 gezeigten. Gemäß die ser Ausführungsform wird ein hoch integrierter Laserresonator 59 durch Verwenden einer Seiten-Pumpvorrichtung zum Injizieren von Pumplicht in die Multimoden-Faser 13 bereitgestellt. Ein Paar Faserkoppler 61, 63, wie im Stand der Technik wohlbekannt, inji zieren Licht von einem jeweiligen Paar Faserbündel 65 und 67 in den Mantel der Multimoden-Faser 13. Die Faserbündel sind ähnlich zu dem in Fig. 1 gezeigten Bündel 57 und übertragen jeweils Licht von einem Paar Pumpquellen 69 bzw. 71. Alternativ können die Faserbündel 65, 67 und die Faserkoppler 61, 63 durch eine Lichtinjektion in den Mantel der Multimoden-Faser über eine V- förmige Einkerbung auf eine Art, die im Stand der Technik wohl bekannt ist, ersetzt werden. Ein sättigbarer Absorber 73 kann die Elemente 35, 37, 39 und 42, die in Fig. 1 gezeigt sind, um fassen, oder er kann von jeglicher anderer wohlbekannter Gestal tung sein, so lange er einen hohen Schädigungs-Schwellwert be reitstellt.

Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform, die in Fig. 5 veranschaulicht ist, umfaßt der Laserresonator 75 ein Element mit positiver Dispersion. Wie bei Fig. 4 bezeichnen in Fig. 5 ähnliche Bezugszeichen Elemente, die unter Bezugnahme auf Fig. 1 im Detail beschrieben sind. Gemäß dieser Ausführungsform ist ein Abschnitt einer Einmoden-Faser 77 mit positiver Dispersion zwi schen dem zweiten Spiegel 21 und der Linse 49 angebracht. Auf ähnliche Weise könnte ein Abschnitt einer Faser mit positiver Dispersion an dem Ende 53 der Multimoden-Faser 13 oder an dem Ende des Einmoden-Modenfilters 15, welches der Linse 43 gegen überliegt, über eine Spleiß-Verbindung angebracht sein. Fasern mit positiver Dispersion haben typischerweise eine kleine Kern fläche und können die von einem Laser erhältliche Impulsenergie begrenzen. Die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform dient dazu, die in die Faser mit positiver Dispersion 77 injizierte Spitzen leistung zu verringern und somit die Impuls-Ausgangsenergie zu makimieren. Dies wird erreicht, indem man an dem Polarisations- Strahlteiler 29 90 bis 99% der Lichtenergie entzieht.

Bei der Ausführungsform von Fig. 5 kann die Gesamtdispersion in nerhalb des Laserresonators auf Null eingestellt werden, wobei Hochleistungs-Impulse mit einer größeren Bandbreite erzeugt wer den. Alternativ können, indem man die Dispersion des gesamten Laserresonators so einstellt, daß sie positiv ist, durch den La ser chirp-modulierte Impulse mit deutlich erhöhten Impulsener gien erzeugt werden.

Die Verwendung von zwei Einmoden-Modenfilterfasern 15, 77 ist auch vorteilhaft hinsichtlich einer Vereinfachung der Ausrich tung des Lasers. Typischerweise müssen, um Moden-Speckles zu mi nimieren, optische Signale mit breiter Bandbreite verwendet wer den, um die Modenfilterfasern mit der Multimoden-Faser auszu richten. Die Verwendung von zwei Modenfilterfasern 15, 77 läßt die Verwendung von verstärkten spontanen Emissionssignalen, die direkt in der Multimoden-Faser erzeugt worden sind, für eine iterative Ausrichtung von beiden Modenfiltern 15, 77 zu.

Die in dem Laserresonator 75 mit einer insgesamt positiven Dis persion erzeugten chirp-modulierten Impulse können auf annähernd die Bandbreitengrenze bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge hinab komprimiert werden, indem man chirp-moduliertes, peri odisch gepoltes LiNbO₃ 79 für die Erzeugung der Summenfrequenz auf eine Art verwendet, die im Stand der Technik wohlbekannt ist. Das chirp-modulierte, periodisch gepolte LiNbO₃ 79 empfängt das Laserresonator-Ausgangssignal von dem Polarisations-Strahl teiler 29 durch einen optischen Isolator 81. In diesem Fall tre ten aufgrund der Hochleistungseigenschaften von Multimoden-Fa seroszillatoren höhere Umwandlungswirkungsgrade bei der Fre quenzverdopplung im Vergleich zu denen auf, die mit Einmoden-Fa seroszillatoren ermittelt worden sind. Alternativ können zum Komprimieren der chirp-modulierten Impulse bis hinab zur Band breitengrenze anstelle des chirp-modulierten, periodisch gepol ten LiNbO₃ 79 volumenoptische Dispersionskompensationselemente verwendet werden.

Allgemein kann jede nichtlineare optische Mischtechnik wie bei spielsweise Frequenzverdopplung, Raman-Erzeugung, Vier-Wellenmi schen usw. anstelle des chirp-modulierten, periodisch gepolten LiNbO₃ 79 verwendet werden, um die Frequenz des Ausgangssignals des Multimoden-Faseroszillators 13 in eine andere Wellenlänge umzuwandeln. Darüber hinaus ist der Umwandlungswirkungsgrad die ser nichtlinearen optischen Mischverfahren im allgemeinen pro portional zur Lichtintensität oder zum Quadrat der Lichtintensi tät. Somit wird der kleine Restsockel, der in einem Multimoden- Oszillator vorhanden ist, mit stark reduziertem Wirkungsgrad im Vergleich mit dem zentralen Hauptimpuls umgewandelt werden, und daher können Impulse mit viel höherer Qualität erhalten werden.

Wie in der alternativen Ausführungsform von Fig. 6 gezeigt, kön nen sehr hochenergetische optische Impulse auch erhalten werden, indem man ein chirp-moduliertes Fasergitter, wie beispielsweise ein Bragg-Gitter 83, mit negativer Dispersion in den Laserreso nator 85 einschiebt. Solch ein System erzeugt typischerweise an nähernd Bandbreiten-begrenzte Impulse mit ps-Länge und hoher Energie. Aufgrund der verwendeten Multimoden-Faser werden im Vergleich mit Einmoden-Faseroszillatoren viel größere Spitzen leistungen erzeugt. Hier wird das Fasergitter 83 hinter dem Po larisations-Strahlteiler 29 eingeschoben, wobei ein selbst bei Anwesenheit der nicht polarisationserhaltenden Multimoden-Faser 13 gegenüber Umwelteinflüssen stabiler Laserresonator erhalten wird.

Bei jeder der Ausführungsformen der Erfindung ist es vorteil haft, die Sättigung des Multimoden-Faserverstärkers 13 durch verstärkte spontane Emission, die in den Moden höherer Ordnung erzeugt wird, zu minimieren. Dies kann erreicht werden, indem man die Seltenerd-Dotierung zentral auf einen Bruchteil des Kerndurchmessers beschränkt.

Eine optische polarisationserhaltende Multimoden-Faser kann auf gebaut werden, indem man einen elliptischen Faserkern verwendet, oder indem man spannungserzeugende Bereiche an den Mantel der Multimoden-Faser anbringt. Beispiele für derartige Faserquer schnitte sind in den Fig. 7a bzw. 7b gezeigt. Eine polari sationserhaltende Multimoden-Faser läßt den Aufbau von gegenüber Umwelteinflüssen stabilen Laserresonatoren bei Abwesenheit von Faraday-Dreheinrichtungen vor. Ein Beispiel für solch eine Ge staltung ist in Fig. 8 gezeigt. In diesem Fall wird das Aus gangssignal des Laserresonators 87 durch Verwenden eines teil weise reflektierenden Spiegels 89 an einem Ende des Laserresona tors 87 auf eine im Stand der Technik wohlbekannte Weise bereit gestellt.

Um die optimale Anpassung der fundamentalen Mode der Multimoden- Faser 13 an die Mode der Einmoden-Modenfilterfaser 15 in jeder der Ausführungsformen der Erfindung sicherzustellen, kann entwe der ein volumenoptisches Abbildungssystem, eine Spleiß-Verbin dung zwischen der Multimoden-Faser 13 und der Einmoden-Faser 15 oder ein konisch sich verjüngender Querschnitt der Multimoden- Faser 13 verwendet werden. Beispielsweise kann sich die Multimo den-Faser 13, entweder in der in Fig. 7a oder Fig. 7b gezeigten Form, oder in einer nicht polarisationserhaltenden Form, auf ei nen Außendurchmesser von 70 µm konisch verjüngen. Dadurch wird ein Kern-Innendurchmesser von 5,6 µm erzeugt und der Betrieb der Multimoden-Faser an dem konisch sich verjüngenden Ende bei einer Mode sichergestellt. Indem man ferner einen adiabatisch konisch sich verjüngenden Abschnitt ("tapet") verwendet, kann die eine Mode der Multimoden-Faser mit einem Wirkungsgrad von fast 100% angeregt werden. Eine graphische Darstellung der drei diskutier ten Verfahren zur Anregung der fundamentalen Mode in einer Mul timoden-Faser 13 mit einer Einmoden-Modenfilterfaser 15 ist je weils in den Fig. 9a, 9b und 9c gezeigt. Die Verwirklichung in einer Laserresonator-Gestaltung ist nicht separat gezeigt, aber die Spleiß-Verbindung zwischen der Einmoden-Faser 15 und der Multimoden-Faser 13, die in jeder der beschriebenen Ausfüh rungsformen gezeigt ist, kann mit jeder der in diesen Figuren gezeigten drei Alternativen aufgebaut werden.

Fig. 10 zeigt eine zusätzliche Ausführungsform der Erfindung. Hier werden anstelle der Einmoden-Modenfilterfasern 15, die in den vorhergehenden Ausführungsformen verwendet wurden, Fasergit ter wie beispielsweise ein Bragg-Gitter, das direkt in die Mul timoden = Faser 13 geschrieben ist, verwendet, um vorwiegend die fundamentale Mode der Multimoden-Faser 13 zu reflektieren. Licht von der Pumpquelle 51 wird durch das Fasergitter 97 injiziert, um eine besonders einfache Gestaltung des Laserresonators 99 zu ermöglichen. Sowohl chirp-modulierte Fasergitter 97 als auch nicht chirp-modulierte Fasergitter können verwirklicht werden. (Chirp-modulierte oder nicht chirp-modulierte) Gitter mit enger Bandbreite begünstigen die Oszillation von Impulsen mit einer Bandbreite, die kleiner als die Gitterbandbreite ist.

Schließlich können anstelle von passiver Modenverkopplung aktive oder aktiv-passive Modenverkopplungstechniken zur Modenverkopp lung von Multimoden-Fasern verwendet werden. Beispielsweise könnte ein aktiv-passiv modenverkoppeltes System einen optischen Frequenz- oder Amplitudenmodulator (wie bei der aktiven Moden verkopplungsvorrichtung) in Verbindung mit nichtlinearer Polari sationsentwicklung (wie bei der passiven Modenverkopplungsvor richtung) umfassen, um kurze optische Impulse bei einer festen Repetitionsrate ohne einen sättigbaren Absorber zu erzeugen. Ein Diagramm einer modenverkoppelten Multimoden-Faser 13 mit einer optischen Modenverkopplungsvorrichtung 101 ist in Fig. 11 ge zeigt. Auch ist ein optischer Filter 103 gezeigt, der verwendet werden kann, um das Leistungsvermögen des modenverkoppelten La sers 105 zu steigern.

Im allgemeinen sind die hier beschriebenen Laserresonator-Ge staltungen beispielhaft für die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung. Weitere Variationen sind aus den vorstehenden Diskussionen offensichtlich. Insbesondere werden optische Modu latoren, optische Filter, sättigbare Absorber und Elemente zur Polarisationssteuerung in geeigneter Weise an jedem Ende des La serresonators eingeschoben. Gleichermaßen kann das Auskoppel signal an einem optischen Spiegel, einem Polarisations-Strahl teiler oder auch von einem optischen Faserkoppler, der an dem Einmoden-Faserfilter 15 angebracht ist, entzogen werden. Die Pumpleistung kann auch von jedem Ende der Multimoden-Faser 13 oder durch die Seite der Multimoden-Faser 13 in jeder der disku tierten Laserresonator-Konfigurationen eingekoppelt werden. Gleichermaßen können all die diskutierten Laserresonatoren mit jeder Menge an Dispersion betrieben werden. Chirp- und nicht chirp-modulierte Gitter können an jedem Laserresonatorende ein gebaut werden, wobei sie als optische Filter wirken und auch dazu dienen, die Dispersionseigenschaften des Laserresonators zu verändern.

Ein Laser nutzt eine Laserresonator-Gestaltung aus, die die sta bile Erzeugung von Impulsen mit hoher Spitzenleistung von moden verkoppelten Multimoden-Faserlasern zuläßt, wobei die Begrenzun gen der Spitzenleistung von herkömmlichen modenverkoppelten Ein moden-Faserlasern in großem Maße ausgedehnt werden. Modenver kopplung kann durch Einschieben eines sättigbaren Absorbers in den Laserresonator und durch Einschieben von einem oder mehreren Modenfiltern bewirkt werden, wobei die Oszillation der fundamen talen Mode in der Multimoden-Faser sichergestellt wird. Die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung des Absorbers kann durch Einschieben einer zusätzlichen optischen Halbleiter-Leistungsbe grenzungseinrichtung in den Laserresonator minimiert werden.

Claims

1. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen, mit:

- einem Laserresonator (11, 59, 87, 75), durch den wiederholt Lichtenergie entlang einer Laserresonatorachse (23) hin durchgeht;
- einem Stück einer optischen Multimoden-Faser (13), die mit einem Verstärkungsmaterial dotiert ist und die entlang der Laserresonatorachse (23) positioniert ist;
- einer Pumpvorrichtung (51, 69, 71) zum Anregen des Verstär kungsmaterials;
- einer Modenverkopplungsvorrichtung (35), die auf der Laser resonatorachse (23) positioniert ist; und
- einem optischen Führungselement (15), das auf der Laserre sonatorachse (23) positioniert ist und das durch die opti sche Multimoden-Faser (13) verstärkte Licht auf vorzugs weise die fundamentale Mode der optischen Multimoden-Faser (13) beschränkt.

2. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 1, bei dem die Modenverkopplungsvorrichtung ein pas sives Modenverkopplungselement umfaßt.

3. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 2, bei dem das passive Modenverkopplungselement ei nen sättigbaren Absorber (35) umfaßt.

4. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 3, bei dem der sättigbare Absorber (35) InGaAsP um faßt.

5. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 3, der zusätzlich eine Leistungsbegrenzungseinrich tung (39) umfaßt, um den sättigbaren Absorber zu schützen.

6. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 5, bei dem die Leistungsbegrenzungseinrichtung einen Zwei-Photonen-Absorber (39) umfaßt.

7. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 1, bei der das optische Führungselement eine Einmo den-Modenfilterfaser (15) auf der Laserresonatorachse (23) umfaßt.

8. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 7, bei der die Einmoden-Modenfilterfaser (15) an ein Ende der optischen Multimoden-Faser (13) Schmelz-verspleißt ist.

9. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 8, bei dem sich die Multimoden-Faser (13) an der Schmelz-Spleißverbindungsstelle konisch verjüngt.

10. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 8, bei dem sich die Einmoden-Modenfilterfaser (15) an der Schmelz-Spleißverbindungsstelle konisch verjüngt.

11. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 8, bei dem sich sowohl die Einmoden-Modenfilterfaser (15) als auch die Multimoden-Faser (13) an der Schmelz- Spleißverbindungsstelle konisch verjüngen.

12. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 1, bei dem die Pumpvorrichtung (51) an die Multimo den-Faser (13) entlang der Laserresonatorachse (23) gekoppelt ist.

13. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 1, bei dem die Pumpvorrichtung (69, 71) an die Seite der Multimoden-Faser (13) gekoppelt ist.

14. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 13, mit zusätzlich einer optischen Kopplungsvorrich tung (61, 63), um die Pumpvorrichtung (69, 71) an die Multi moden-Faser (13) zu koppeln.

15. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 13, mit zusätzlich einer V-förmigen Einkerbung auf der optischen Multimoden-Faser (13), um die Pumpvorrichtung (69, 71) an die Multimoden-Faser (13) zu koppeln.

16. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 1, mit zusätzlich einem Polarisations-Strahlteiler (29), um die ultrakurzen optischen Impulse von dem Laser aus zugeben.

17. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 1, bei dem der Laserresonator ein Paar Reflektions vorrichtungen (19, 21) an seinen gegenüberliegenden Enden um faßt.

18. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 17, bei dem eine von dem Paar Reflektionsvorrichtun gen (19, 21) teilweise reflektierend ist und das Ausgangs signal für den Laserresonator bereitstellt.

19. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 17, bei dem die Modenverkopplungsvorrichtung einen sättigbaren Absorber (35) umfaßt und bei dem eine der Reflek tionsvorrichtungen (19) auf einer Oberfläche des sättigbaren Absorbers (35) gebildet ist.

20. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 19, bei dem die Modenverkopplungsvorrichtung zusätz lich eine Leistungsbegrenzungseinrichtung (39) umfaßt, um den sättigbaren Absorber (35) zu schützen, und bei der der sät tigbare Absorber (35) auf einer Oberfläche der Leistungsbe grenzungseinrichtung (39) gebildet ist, die einer der Reflek tionsvorrichtungen (19) gegenüberliegt.

21. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 20, bei dem die Leistungsbegrenzungseinrichtung ei nen Zwei-Photonen-Absorber (39) umfaßt.

22. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 1, mit zusätzlich einer Kompensationseinrichtung (25, 27) für lineare Phasenabweichungen auf der Laserresona torachse (23).

23. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 22, bei dem die Kompensationseinrichtung für lineare Phasenabweichungen eine Faraday-Drehvorrichtung (25, 27) um faßt.

24. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 23, bei dem die Kompensationseinrichtung für lineare Phasenabweichungen ein Paar Faraday-Drehvorrichtungen (25, 27) umfaßt.

25. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 22, mit zusätzlich einer linearen Polarisations-Um wandlungseinrichtung (31, 33) auf der Laserresonatorachse (23)

26. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 25, bei dem die lineare Polarisations-Umwandlungs einrichtung eine Wellenplatte (31, 33) umfaßt.

27. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 1, bei dem die Modenverkopplungsvorrichtung ein ak tives Modenverkopplungselement umfaßt.

28. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 27, bei dem das aktive Modenverkopplungselement ei nen optischen Amplitudenmodulator umfaßt.

29. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 27, bei dem das aktive Modenverkopplungselement ei nen optischen Frequenzmodulator umfaßt.

30. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 1, bei dem die ultrakurzen optischem Impulse vor zugsweise in der fundamentalen Mode der optischen Multimoden- Faser (13) eine Impulsbreite unterhalb 500 ps haben.

31. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 1, mit zusätzlich einer Umwelt-Stabilisationsvor richtung (25, 27) auf der Laserresonatorachse (23), um si cherzustellen, daß der Laserresonator gegenüber Umweltein flüssen stabil bleibt.

32. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 31, bei dem die Umwelt-Stabilisationsvorrichtung eine Faraday-Drehvorrichtung (25, 27) umfaßt.

33. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 32, bei dem die Umwelt-Stabilisationsvorrichtung ein Paar Faraday-Drehvorrichtungen (25, 27) umfaßt.

34. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 1, bei dem das optische Führungselement eine opti sche Faser umfaßt, die mit einem Verstärkungsmaterial dotiert ist, um eine Verstärkungs- bzw. Gewinnführung bereitzustel len.

35. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 34, bei dem das Verstärkungsmaterial zentrisch in nerhalb eines Teils des Kerndurchmessers der optischen Faser konzentriert ist.

36. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 1, bei dem das optische Führungselement eine opti sche Einmoden-Faser auf der Laserresonatorachse (23) umfaßt.

37. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 1, bei dem das optische Führungselement einen Moden filter auf der Laserresonatorachse (23) umfaßt.

38. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 37, bei dem der Modenfilter die fundamentale Mode der Multimoden-Faser (13) anregt.

39. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 38, bei dem der Modenfilter die fundamentale Mode der Multimoden-Faser (13) mit einem Wirkungsgrad von minde stens 90% anregt.

40. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 1, bei dem der Laserresonator zusätzlich ein Element mit positiver Dispersion umfaßt.

41. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 40, bei dem das Element mit positiver Dispersion ein Stück einer Einmoden-Faser mit positiver Dispersion umfaßt, das entlang der Laserresonatorachse positioniert ist.

42. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 41, mit zusätzlich einer Auskoppelvorrichtung zum Begrenzen der Lichtenergie in der Einmoden-Faser mit positi ver Dispersion auf weniger als 10% der Spitzenleistung in dem Laserresonator.

43. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 42, mit zusätzlich einer Frequenz-Umwandlungsvor richtung (79) zum Komprimieren von Impulsen, die von dem La serresonator erzeugt worden sind.

44. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 43, bei dem die Frequenz-Umwandlungsvorrichtung ei nen Frequenzverdoppler umfaßt.

45. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 44, bei dem der Frequenzverdoppler chirp-modulier tes, periodisch gepoltes LiNbO₃ (79) umfaßt.

46. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 1, bei dem die Multimoden-Faser (13) einen Kern um faßt, und bei dem das Verstärkungsmaterial in der optischen Multimoden-Faser (13) zentrisch innerhalb des Kerns der Mul timoden-Faser konzentriert ist.

47. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 1, bei dem die optische Multimoden-Faser (13) pola risationserhaltend ist.

48. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 47, bei dem die polarisationserhaltende Multimoden- Faser (13) einen elliptischen Kern hat.

49. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 47, bei dem die polarisationserhaltende Multimoden- Faser (13) spannungserzeugende Bereiche umfaßt.

50. Laser zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 1, bei dem der Laserresonator zusätzlich ein Faser gitter (97) umfaßt, das auf die Multimoden-Faser (13) ge schrieben ist, wobei das Gitter (97) vorwiegend die fundamen tale Mode der Multimoden-Faser (13) reflektiert.

51. Verfahren zum Erzeugen von ultrakurzen Impulsen, mit den Schritten:

- Bereitstellen eines Stücks einer optischen Faser, die mit einem Verstärkungsmaterial dotiert ist;
- wiederholtes Durchgehenlassen von Signallicht durch das Stück der optischen Faser, wobei die ultrakurzen Impulse erzeugt werden; und
- Bereitstellen von gespeicherter Energie innerhalb des Ver stärkungsmaterials, die ausreicht, um die Impulse auf eine Spitzenleistung von mehr als 1 kW zu verstärken.

52. Verfahren zum Erzeugen von ultrakurzen Impulsen nach An spruch 51, mit zusätzlich dem Schritt zum Stabilisieren der optischen Faser gegenüber Umwelteinflüssen.

53. Verfahren zum Erzeugen von ultrakurzen Impulsen nach An spruch 51, mit zusätzlich dem Schritt zum Modenverkoppeln der optischen Faser.

54. Verfahren zum Erzeugen von ultrakurzen Impulsen nach An spruch 51, bei dem der Schritt zum Bereitstellen den Schritt zum Bereitstellen einer Multimoden-Faser, die mit einem Ver stärkungsmaterial dotiert ist, umfaßt.

55. Verfahren zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen mit den Schritten:

- Umlaufenlassen von Lichtenergie innerhalb eines Laserreso nators (11, 59, 75, 87);
- Verstärken der Lichtenergie innerhalb des Laserresonators in einer Multimoden-Faser (13); und
- Beschränken der Lichtenergie innerhalb des Laserresonators (11, 59, 75, 87) im wesentlichen auf die fundamentale Mode der Multimoden-Faser (13).

56. Verfahren zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 55 mit zusätzlich dem Schritt zum Modenverkop peln der Lichtenergie.

57. Verfahren zum Erzeugen von ultrakurzen optischen Impulsen nach Anspruch 55, bei dem der Schritt zum Beschränken den Schritt zum Modenfiltern der Lichtenergie umfaßt.

58. Modenverkoppelter Laser zum Erzeugen von ultrakurzen opti schen Impulsen mit hoher Leistung, mit:

- einer optischen Multimoden-Faser (13), die mit einem Ver stärkungsmaterial dotiert ist, zum Verstärken von optischer Energie;
- Mitteln (51, 69, 71) zum Pumpen der optischen Faser; und
- Mitteln zum Beschränken der optischen Energie, die durch die optische Multimoden-Faser (13) verstärkt worden ist, auf im wesentlichen die fundamentale Mode der optischen Multimoden-Faser.