DE2844129A1

DE2844129A1 - Longitudinal gepumpter yag zu nd hoch 3+ -faserlaser

Info

Publication number: DE2844129A1
Application number: DE19782844129
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Dr Schiffner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-10-10
Filing date: 1978-10-10
Publication date: 1980-04-24

Description

Longitudinal gepumpter ?AG:Nd3+ -Faserlaser
Die Erfindung betrifft einen Faserlaser, dessen Merkmale im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben sind.
Laser mit Neodym als aktiven Atomen in einem Wirtskristall aus Aluminiumoxid und Yttriumoxid (Yttrium-Aluminium-Granat, Y3Al5012, "TAG") besitzen gegenüber anderen Lasern viele Vorzüge, insbesondere einen geringen Schwellwert. Da dieser Laser mit lichtemittierenden Halbleiterdioden (LED) gepumpt werden kann, ferner die für Ubertragungen mittels Lichtleitfasern günstige Wellenlänge von 1,06 /um aufweist und außerdem seine Strahlung sich auf einfache Weise in Lichtleitfasern einkoppeln läßt, ist dieser Laser als Quelle für optische Nachrichtenübertragungen mit Lichtleitfasern von Interesse. Es ist bereits mehrfach vorgeschlagen worden, einen derartigen Neodym- laser als Faserlaser herzustellen (Applied Optics 13 (1974) Seiten 1256 bis 1258, Applied Physics Letters 26 (1975), Seiten 318 bis 320 und 29 (1976) Seiten 37 bis 39 und Laser Focus, April 1977, Seiten 16 bis 18). Es können aber auch andere Lasermaterialien verwendet werden, die sich in Faserform herstellen lassen.
Der in der letztgenannten Literaturstelle beschriebene Laser besteht aus einer Stufenprofil-Lichtleitfaser mit einer Laser-aktiven YAG:Nd-Faser als Kern und einem Quarzglasrohr (Brechungsindex etwas kleiner als der Brechungsindex des Kernes) als Mantel. Der Faserkern (Laserfaser) ist an beiden Enden verspiegelt, wobei die Spiegel die Mantelstirnflächen nicht überdecken. Zum Pumpen der Laserfaser wird eine Lumineszenzdiode verwendet, deren Pumpstrahlung von einem Ende her durch den an dieser Faserstirnfläche befindlichen Spiegel hindurch in die Laserfaser eingekoppelt wird. Der lichtemittierende p-n-Ubergang der Lumineszenzdiode erstreckt sich dabei im wesentlichen nur über die entsprechende Stirnfläche der Laserfaser.
Es hat sich nun gezeigt, daß für die optische Nachrichtenübertragung mittels Lichtleitfasern Laser-Ausgangsleistungen in Milliwattbereich benötigt werden. Die hierfür benötigten Pumpleistungsdichten liegen an der Grenze der Leistungsfähigkeit heutiger Lumineszenzdioden. Derartige Hochleistungs-Lumineszenzdioden dürften Jedoch eine geringe Lebensdauer besitzen, sind aufwendig und bisher nicht handelsüblich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Faserlaser mit einer entsprechenden Pumpanordnung zu finden, für den verhältnismäßig geringe Pumpleistungsdichten benötigt werden.
Diese Aufgabe wird durch einen Faserlases der im Anspruch 1 angegebenen Art gelöst.
Gemäß der Erfindung werden großflächige Lumineszenzdioden verwendet. Das von diesen Dioden emittierte Licht wird zu einem erheblichen Teil in den Mantel aus verlustfreiem Dielektrikum eingestrahl, gelangt jedoch nach Reflexion an der verspiegelten Grenzfläche zwischen Mantel und Hülle in die aktive Laserfaser (Faserkern) und wird dort unter Anregung der Neodym-Atome weitgehend absorbiert.
Vorteilhaft erstreckt sich der zwischen der Lumineszenzdiode und dem entsprechenden Faserende angeordnete Spiegel nur über die Stirnfläche des Faserkerns. Das von den äußeren Bereichen der Lumineszenzdiode eingestrahlte Licht kann dann ungehindert in den Mantel eintreten. Bevorzugt erstreckt sich jedoch der am anderen Faserende angeordnete Spiegel sowohl über die Kernstirnfläche wie über die Mantelstirnfläche, um einen möglichst großen Anteil des innerhalb der verspiegelten Hülle befindlichen Lichtes zu reflektieren. Eine hohe Pumpleistung bei noch niedrigeren Pumpleistungadichten der verwendeten Lumineszenzdioden erhält man durch Verwendung einer zweiten Lumineszenzdiode, die an dem der ersten Lumineszenzdiode entgegengesetzten Faserende angeordnet ist und unter Aussparung der Faserkernstirnfläche die Mantelstirnfläche bedeckt.
Mittels dieser zweiten Laserdiode kann dann auch von der anderen Seite Pumpstrahlung in den Mantel und - nach Reflexion an der verspiegelten Hülle -in die Laserfaser eingekoppelt werden. Durch die Aussparung wird das Laserlicht ausgekoppelt. AuXerdem ist es vorteilhaft, wenn sich der Mantel von den Lumineszenzdioden ausgehend längs der Faser konisch verjüngt. Man erhält dann einen Strahlengang, bei dem die Puipstrahlung bereits nach kurzen in dem Manteldielektrikum verlaufenden Wegen in die aktive Laserfaser reflektiert wird. Die Verengung bewirkt eine Fokussierung der Pumpstrahlung auf den laseraktiven Kern.
Bei üblichen Faserlasern ist die zur geforderten Anregung nötige Pumpleistung bei Faserlängen über etwa 7 mm (bei einer Wellenlänge von 800 nm der Pumpstrahlung) von der Länge der Faser weitgehend unabhängig, so daß die optimale Faserlänge bei etwa 7 mm liegt und durch längere Fasern keine bessere Ausnutzung der Pumpstrahlung erreicht werden kann. In dem verlustarmen Medium des Mantels findet jedoch eine geringere Absorption als in der aktiven Laserfaser statt und für die teilweise im Mantel und teilweise in der Laserfaser verlaufende Strahlengänge ergibt sich somit eine größere optimale Länge (z.B. 15 mm). Der Faserdurchmesser liegt dabei vorteilhaft etwa bei 1 mm.
Anhand von drei Ausführungsbeispielen und drei Figuren wird die Erfindung niher erläutert.
In Fig. 1 ist schematisch ein Faserlaser mit nur einer Lumineszenzdiode und einer konzentrischkonischen Anordnung von Mantel und Hülle dargestellt.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Anordnung mit zwei Lumineszenzdioden und konzentrisch-zylindrischer Anordnung von Mantel und Hülle, Fig. 3 einen entsprechenden Faserlaser mit doppelt-konischer Anordnung von Mantel und Hülle.
Mit 1 ist die aktive Laserfaser, mit 2 der die Faser konzentrisch umgebende Mantel, mit 3 die am Mantel anliegende Hülle und mit 4 die Verspiegelung der Hülle an der Grenzfläche zum Mantel bezeichnet.
Das Fasermaterial ist Y3A15012 mit einer Neodym-Dotierung von etwa 1 Atom-%. Als Hülle dient ein Quarzglas-Rohr, auf dessen Innenfläche eine Metallverspiegelung angebracht ist. Es kann aber auch ein mit einer entsprechenden spiegelnden Fläche versehens Metallrohr oder ein anderes Material verwendet werden. Der Mantel besteht aus einem verlustarmen (d.h. hochtransparenten) dielektrischen Medium, dessen Brechungsindex unter dem Brechungsindex der Laserfaser liegt, also z.B. Quarzglas oder eine Flüssigkeit (z.B. Glyzerin) oder ein Kunststoff (z.B. Polysiloxan).
Die Wellenlänge des Laserlichtes liegt bei 1,06 /um, zum Pumpen wird ein Licht mit einer Wellenlänge von etwa 810 nm benötigt. Hierzu dient eine lichtemittierende Halbleiterdiode (Halbleiter-Lumineszenzdiode) 5, dessen Lichtemission dieser Wellenlänge angepaßt ist, z.B. eine Gallium-Aluminium-Arsenid-LuminesEenzdiode. Der lichtemittierende p-n-Ubergang 6 der Lumineszenzdiode ist großflächig ausgebildet und steht planparallel dem einen Ende von Faser und Mantel gegenüber, wobei sowohl die Faserstirnfläche 7 wie die Mantelstirnfläche 8 von der lichtemittierenden Fläche bedeckt wird. Zwischen diesen Stirnflächen und der Lumineszenzdiode wird eine dielektrische Spiegelschicht angeordnet. Diese Spiegelschicht ist derart an die auftretenden Wellenlängen angepaßt, daß sie für das Laserlicht möglichst vollständig reflektierend ist, jedoch vom Pumplicht möglichst ungeschwächt durchdrungen werden kann.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die der Lumineszenzdiode 5 zugewandte Faserstirnfläche mit einer das Laserlicht reflektierenden Schicht 9 verspiegelt. Am anderen Faserende ist ein Glasplättchen 10 angeordnet, das eine Reflexionsschicht trägt, die für die Laserwellenlänge (1,06 /um.) eine geringe Durchlässigkeit besitzt und ein Auskoppeln des Laserstrahls bei gleichzeitiger Reflexion des Pumplichts ermöglicht. Dieser Spiegel erstreckt sich über die gesamte Stirnfläche von Faser und Mantel.
Der in Fig. 1 gezeigte Strahlengang macht deutlich, daß das von der großflächigen Lumineszenzdiode emittierte Pumplicht durch die Stirnflächen von Mantel und Faser hindurch in die aktive Laserfaser geleitet wird, wobei der überwiegende Anteil des Pumplichtes zunächst im transparenten Mantelmaterial geleitet wird und erst nach Reflexion an der Verspiegelung 4 auf die Laserfaser trifft und dort absorbiert werden kann. Ohne Verwendung der innen verspiegelten Hülle 3 wäre dieser Hauptanteil des Pumplichtes verloren. Die Anordnung gestattet daher, die angestrebte stärkere Anregung mit einer verhältnismäßig geringen Dichte der Lumineszenzstråhlungsleistung zu erreichen.
Bei dem Faserlaser nach Fig. 2 ist die Laserfaser 1 und der hochtransparente Mantel 2 nach Art einer Stufenprofil-Lichtleitfaser konzentrisch ausgebildet, wobei an den Mantel die Verspiegelung 4 einer konzentrischen zylindrischen Hüllen 3 anschließt.
Entsprechend der Lumineszenzdiode 5 ist am anderen Faserende eine Lumineszenzdiode 20 angeordnet, die unter Aussparung eines Fensters zum Austritt des Laserlichtes (Strahl 12) aus der Laserfaser ringförmig ausgebildet ist. Die lichtemittierenden p-n-Ubergänge 6 und 21 sind großflächig, so daß das emittierte Licht teilweise in die Laserfaser, zum größten Teil jedoch, wie in dem Strahlengang dargestellt ist, in den hochtransparenten Mantel eingestrahlt wird. Zwischen den Lumineszenzdioden und den Stirnflächen von Faser und Mantel ist wiederum ein Glasplättchen 11 mit einer dielektrischen Spiegelschicht 10 für die Laserwellenlänge und ein entsprechendes Glasplättchen 22 mit Spiegelschicht 23 am anderen Faserende angeordnet.
Einen noch günstigeren Strahlengang mit einem noch größeren Öffnungswinkel für die Pumpstrahlung erhält man, wenn entsprechend Fig. 3 die Grenzfläche zwischen Mantel und Hülle doppelt konisch ausgebildet ist und sich von den beiden Lumineszenzdioden aus zur Mitte der Laserfaser hin verjüngt. Die im übrigen gleichen Elemente des Faserlasers nach Fig. 3 tragen die Bezugszeichen der Fig. 2.
Die Erfindung gestattet die Verwendung von Lumineszenzdioden als Pumplichtquellen, die zur Erzeugung einer hinreichend hohen Anregung der Laserfaser nicht auf eine besonders starke Emissionsdichte ausgelegt werden müssen, sondern mit mittleren Emissionsdichten auskommen.
5 Patentanspnlche 3 Figuren

Claims

Patentansprüche Faserlaser, bestehend aus a) einem laseraktiven Faserkern, insbesondere einer einkristallinen Faser aus ?ttrium-Aluminium-Granat und einer Neodym3+-Dotierung, b) zwei sich Jeweils Uber eine Stirnfläche des Faserkerns erstreckende Spiegel, c) einer lichtemittierenden Halbleiterdiode an einem Faserende, deren Emissionsfläche sich über die spiegelbedeckte Faserkernstrahlfläche erstreckt, und d) einem den Faserkern zylindrisch umgebenden Mantel aus einem verlustfreien Dielektrikum, dessen Brechungsindex kleiner ist als der Brechungsindex des Faserkerns, und d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß e) der Mantel (2) von einer an der Berührungsfläche (4) verspiegelten Hülle (3) umgeben ist und f) die lichtemittierende Fläche (6) der Halbleiterdiode (5) sich auch fieber die Stirnfläche (8) des Mantels erstreckt.
2. Faserlaser nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sich der Spiegel (10) am anderen Faserende auch über die entsprechende Mantelstirnfläche erstreckt.
3. Faserlaser nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ne t , daß der Mantel (2) sich von der Lumineszenzdiode (5) aus in Faserrichtung konisch verjüngt.
4. Faserlaser nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß am anderen Faser- ende eine zweite, ringförmige lichtemittierende Halbleiterdiode (20) angeordnet ist, deren Emissionsfläche (21) sich über die entsprechende Mantelstirnfläche erstreckt.
5. Faserlaser nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Mantel (2) sich von beiden Halbleiterdioden (5, 20) aus zur Fasermitte hin konisch verjüngt.