DE3486106T2

DE3486106T2 - Faseroptischer Verstärker.

Info

Publication number: DE3486106T2
Application number: DE89115683T
Authority: DE
Inventors: Michael J F Digonnet; Herbert John Shaw
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1983-09-30
Filing date: 1984-09-20
Publication date: 1993-09-30
Anticipated expiration: 2004-09-21
Also published as: IL72845A0; EP0346951A3; JPH0614566B2; CA1210487A; BR8404823A; ATE59117T1; AU3287784A; NO843903L; EP0138411B1; EP0138411A2; KR850002522A; EP0346951B1; DE3486106D1; JPS60115274A; DE3483741D1; ATE87134T1; EP0346951A2; EP0138411A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft faseroptische Verstärker.
Das Konzept optischer Verstärker auf der Basis der Laserwirkung bestimmter Materialien, speziell auf einem makroskopischen Niveau, ist gut bekannt. So ist es z. B. bekannt, eine pumpende Lichtquelle und einen einkristallinen Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG) -Stab mit einigen Millimetern Durchmesser und einigen Zentimetern Länge in einem röhrenförmigen reflektierenden Hohlraum anzuordnen. Beispielweise können die Lichtquelle und der Nd:YAG-Stab so angeordnet sein, daß sie sich zwischen den zwei Brennpunkten eines Hohlraums mit elliptischem Querschnitt erstrecken. In einer derartigen Anordnung trifft das von der Lichtquelle emittierte und von den Wänden des Hohlraums reflektierte Licht auf dem Nd:YAG-Stab auf. Die Lichtquelle ist vorzugsweise so ausgewählt, daß sie Wellenlängen emittiert, die mit den Absorptionsspektren des Nd:YAG-Kristalls übereinstimmen, so daß die Energiezustände der Neodymionen des Kristalls in ein Energieniveau über dem oberen Laserniveau invertiert werden. Nach der Inversion liefert eine anfängliche Relaxation der Neodymionen durch Phononenstrahlung eine ionenfreie Besetzung auf dem oberen Laserniveau. Aus dem oberen Laserniveau werden die Ionen auf ein niedrigeres Energieniveau unter Aussendung von Licht mit einer für das Nd:YAG-Material charakteristischen Wellenlänge relaxieren. Günstigerweise liegt das niedrigere Energieniveau über dem Grundniveau der Ionen, so daß eine schnelle, phononenunterstützte Relaxation zwischen diesem niedrigeren Energieniveau und dem Grundniveau auftreten wird, die das Fortbestehen eines hohen Inversionsverhältnisses innerhalb der gepumpten Ionen zwischen dem oberen Laserniveau und diesem niedrigeren Energieniveau ermöglicht.
Wenn die Besetzung so invertiert ist, wie es aus der Lasertechnologie gut bekannt ist, erzeugt der Nd:YAG auch Fluoreszenz, das heißt eine zufallsbedingte Emission inkohärenten Lichts. Diese spontane Strahlung tritt mit einer Zeitkonstante auf, die gleich der mittleren Lebensdauer der Ionen im invertierten Zustand ist, die für Nd:YAG gleich 230 Mikrosekunden ist.
Wenn nach der Invertierung der Neodymionen des Nd:YAG- Stabs ein Lichtsignal mit der Laserübergangsfrequenz durch den Stab gesendet wird, lösen die Signalphotonen den Übergang der Neodymionen auf das niedrigere Energieniveau aus, wodurch eine kohärente Emission stimulierter Strahlung erzeugt wird, die sich effektiv zu dem durchgesendeten Signal addiert und damit dieses Signal verstärkt.
Die Absorptionslänge des Nd:YAG-Kristalls bei der Pumpwellenlänge (d. h. die Länge des Materials, durch das die Einstrahlung wandern muß, bevor 60% der Einstrahlung absorbiert sind) liegt typisch bei 2 mm und mehr, und demzufolge hatten die in verstärkenden Strukturen eingesetzten Nd:YAG-Kristalle Durchmesser von mindestens dieser Größe, so daß der Kristall einen erheblichen Teil der Pumpstrahlung zwischen der ersten Reflektion von den Hohlraumwänden und dem Durchlauf durch den Kristall absorbieren konnte. Wenn während dieses ersten Durchlaufs durch den Kristall die Pumpeinstrahlung nicht absorbiert wird, wird sie wahrscheinlich durch die Hohlraumwände zurück in die Lichtquelle reflektiert, wo sie wieder absorbiert wird und dabei Wärme in der Lichtquelle erzeugt und den Gesamtwirkungsgrad des Verstärkers reduziert.
Wenn Nd:YAG-Stäbe mit solch großem Durchmesser als Verstärker in faseroptischen Systemen eingesetzt werden, glaubte man optische Komponenten einsetzen zu müssen, wie z. B. Linsen, um das Lichtsignal aus der optischen Faser in den Nd:YAG-Stab und das verstärkte Signal aus dem Nd:YAG-Stab zurück in eine andere Faser zu fokussieren. Derartige optische Systeme erfordern eine sorgfältige Justierung und sind empfindlich gegen Umgebungsveränderungen, wie Vibration und thermische Effekte. Zusätzlich machen die optischen Komponenten und die Größe des Nd:YAG-Stabs das verstärkende System relativ groß und damit für bestimmte Anwendungen impraktikabel. Weiterhin erfordert die ausgedehnte Größe des Nd:YAG-Stabs eine große Menge an Eingangspumpenergie, um eine hohe Energiedichte innerhalb des Stabs zu gewährleisten und eine signifikante optische Verstärkung zu erreichen. Derart hohe Pumpleistungen erfordern Pumplichtquellen mit hohen Ausgangsleistungen, die erhebliche Wärme erzeugen, die typischerweise durch Flüssigkeitskühlung des Hohlraums abgeführt werden muß.
Obwohl Verstärker diese Typs in vielen Anwendungen, wie z. B. in Kommunikationsanwendungen nützlich sind, ergibt ein Einsatz in einem faseroptischen Zirkulationskreisel schwere Einschränkungen bezüglich des Verstärkungssystems. In solchen Kreiseln ist eine optische Faser, typisch mit einer Länge von einem Kilometer oder mehr, in einer Schleife aufgewickelt, und ein Lichtsignal kreist innerhalb der Schleife, typischerweise in beiden Richtungen, herum. Die Bewegung der Schleife bewirkt eine Phasenverschiebung der gegenläufigen Lichtsignale, die zur Messung der Kreiselrotation verwendet werden kann. In solchen Kreiseln ist die während eines Signaldurchlaufs durch die Faser induzierte Phasenverschiebung relativ klein, und es ist von Vorteil, das Lichtsignal innerhalb der Schleife so oft als möglich zirkulieren zu lassen, um diese Phasendifferenz zu erhöhen Beim Durchlaufen eines Kilometers einer optischen Faser wird ein optisches Signal typisch 30 bis 50 % seiner Intensität verlieren. Wenn ein Verstärker in Serie mit der Schleife geschaltet wäre und die bidirektionalen gegenläufigen Lichtsignale um 2 bis 3 dB verstärken könnte, würde er einem Lichtsignal ermöglichen, viele Male innerhalb der Schleife umzulaufen.
Leider machen die relativ ausgedehnte Größe, der hohe Leistungs- und Kühlungsbedarf von Nd:YAG-Stab-Verstärkern nach dem Stand der Technik, wie oben beschrieben, solche Verstärker relativ impraktikabel für Kreisel mit hoher Genauigkeit. Diese Faktoren schränken natürlich die Brauchbarkeit solcher Verstärker auch in anderen Anwendungen, wie z. B. Kommunikationsnetzwerken ein.
Die deutsche Patentanmeldung DE-A-28 44 129 offenbart einen Nd:YAG-faseroptischen Laser, der eine optische Faser mit einem Kern und mit einer Ummantelung um den Kern, die einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern hat, umfaßt. Ein Spiegel ist an einem Faserende angeordnet, während am anderen Ende Halbleiterdioden angeordnet sind, um auf diese Weise Pumplicht in die Laserfaser einzukoppeln. Die Halbleiterdioden überdecken beide Bereiche, den Kernbereich und die Ummantelung der Faser. Die Ummantelung ist von einem Gehäuse mit einer reflektierenden Oberfläche umgeben. Ein Teil des Pumplichts wandert nach der Reflektion an der reflektierenden Oberfläche des Gehäuse durch das Lasermedium und verursacht eine elektronische Besetzungsinversion in der Laserfaser. Das Gehäuse kann zylindrisch sein oder einen konischen Anteil aufweisen. In einer anderen Ausführungsform umfaßt das Gehäuse zwei konische Anteile, die miteinander an den kleinen Enden der konischen Teile verbunden sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist gemäß Anspruch 1 eine faseroptische Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts offenbart, die umfaßt: eine Lichtquelle zur Erzeugung eines kollimierten Pumplichts; eine optische Faser zur Führung eines optischen Signals, die aus Lasermaterial gebildet ist und einen ersten Brechungsindex aufweist; eine Hülse, die zumindest einen Teil der optischen Faser umgibt und einen zweiten Brechungindex aufweist. Die Hülse umfaßt ein erstes Ende zum Empfang des Pumplichts; ein zweites Ende mit einem kleinerem Durchmesser als das erste Ende; und einen Obergangsbereich zwischen den ersten und zweiten Enden, um das Pumplicht von dem ersten Ende auf das zweite Ende zu fokussieren, wobei der zweite Brechungsindex niedriger als der erste-Brechungsindex ist, damit das fokussierte Pumplicht von der Hülse in die Faser gebrochen wird, um die Inversion der elektronischen Besetzung des Lasermaterials zu veranlassen, damit das optische Signal die Emission von Photonen aus dem Lasermaterial stimuliert.
Die Dicke der Hülse am zweiten Ende ist vorzugsweise nicht größer als die Hälfte des Radius der optischen Faser. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Lichtquelle zum Einkoppeln des Pumplichts in das erste Ende an einer Stelle mit einem radialen Versatz zu der optischen Faser montiert.
Die Pumplichtquelle kann auch eine Hochleistungslaserdiode umfassen, die so angeordnet ist, daß die Längsrichtung der emittierenden Fläche rechtwinklig zu einer radialen Linie steht, die durch die Mittenlängsachse der Hülse verläuft. Die bevorzugte Pumplichtquelle, die kollimiertes Licht emittiert, umfaßt eine Hochleistungslaserdiode und eine kollimierende Mikrolinse.
Die Hülse ist vorzugsweise um ihre Mittenlängsachse symmetrisch, und die optische Faser liegt entlang der Mittenlängsachse der Hülse. Zur Führung des optischen Signals innerhalb der optischen Faser kann ein Außenmantel vorhanden sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist gemäß Anspruch 8 ein Verfahren zum seitlichen Pumpen einer aus einem Lasermaterial gebildeten optischen Faser offenbart, um die Inversion der elektronischen Besetzung des Materials zu veranlassen. Dieses Verfahren umfaßt die Schritte der Umhüllung einer optischen Faser mit einer Hülse, die einen niedrigeren Brechungsindex als die optische Faser aufweist, wobei die Hülse an einem Ende einen Querschnitt hat, der groß im Vergleich zum Querschnitt am anderen Ende ist; das Einkoppeln kollimierten Pumplichts in das eine Ende der Hülse; die Fokussierung des Lichts von den einem Ende der Hülse auf das andere Ende; und die Brechung des fokussierten Pumplichts von dem anderen Ende in die optische Faser entlang ihres Umfanges, um die Besetzungsinversion zu veranlassen.
Die Dicke der Hülse an dem anderen Ende ist vorzugsweise weniger als die Hälfte des Radius der optischen Faser.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten mit Bezug auf die Zeichnungen verstehen, in denen:
Fig. 1 eine Darstellung ist, die die physikalische Anordnung der bevorzugten Ausführungsform des Verstärkers der vorliegenden Erfindung mit der Darstellung einer in eine konische Hülse eingebetteten optischen Nd:YAG-Faser zeigt;
Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Ende der Anordnung von Fig. 1 ist, die auf das große Ende der konischen Hülse montierte Laserdioden und Mikrolinsen zeigt, und eine bevorzugte Orientierung für die Laserdioden darstellt, in der die Dimension parallel zu dem Laserdiodenübergang, d. h. die Längsdimension des Übergangs, senkrecht zu einer radialen durch die Längsachse der konisch geformten Hülse verlaufenden Linie angeordnet ist;
Fig. 3 eine Draufsicht auf das andere Ende der Anordnung von Fig. 1 ist, die die reduzierte Dicke der Hülse in dem Wechselwirkungsbereich zeigt;
Fig. 4 eine schematische Darstellung ist, die den optischen Weg eines Beispiel-Strahls bei seinem Durchlauf zwischen der Luft/Hülse-Grenzfläche auf einer Seite der Verstärkerstruktur und der Luft/Hülse-Grenzfläche auf der anderen Seite der Verstärkerstruktur über einer Länge d des Wechselwirkungsbereichs zeigt;
Fig. 5 eine graphische Darstellung des Pumpwirkungsgrades als eine Funktion des Verhältnisses des Faserradius zur Dicke der Hülse für zwei exemplarische Grenzwerte des Hülsenbrechungsindexes, nämlich 1,45 und 1,80, ist;
Fig. 6 eine graphische Darstellung des Pumpwirkungsgrades als eine Funktion des Pumpstrahl-Durchlaufswinkels für verschiedene Werte des Verhältnisses des Faserradius zur Dicke der Hülse für exemplarische Werte des Brechungsindexes der Verstärkerfaser und der Hülse, nämlich 1,45 und 1,80, ist;
Fig. 7 eine vergrößerte perspektivische Ansicht von einer der Lichtquellen von Fig. 1 und 2 ist;
Fig. 8 eine Darstellung des Absorptionsspektrums von Nd:YAG bei 300 K ist;
Fig. 9 eine vereinfachte Energieniveau-Darstellung eines Materials mit vier Laserniveaus, wie z. B. Nd:YAG ist;
Fig. 10 eine Energieniveau-Darstellung von Nd:YAG ist; und
Fig. 11 eine Darstellung ist, die die physikalische Anordnung einer alternativen Ausführungsform des Faserverstärkers der vorliegenden Erfindung darstellt, in der die Verstärkerfaser von entgegengesetzten Enden gepumpt wird.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung umfaßt mit einem ersten Bezug auf die Fig. 1 und 3 eine Signal- oder Verstärkerfaser 12, die mit einer Hülse 14 umgeben ist.
Die Signalfaser 12 umfaßt ein Lasermaterial, das als Einkristall eines ionendotierten Materials, wie z. B. Nd:YAG ausgebildet sein kann, das einen Laserübergang bei der zu verstärkenden Frequenz, d. h. bei der Signalfrequenz aufweist. In einer Beispielskonfiguration kann die Signalfaser 12 einen Durchmesser von etwa 100 um haben, der über die gesamte Länge konstant ist.
Die umgebende Hülse 14 kann aus verschiedenen Materialien, wie Glas, Kristallmaterialien, Epoxyd- Materialien, Plastikmaterialien mit niedrigen Verlusten, oder Flüssigkeiten (wenn sie in einem geeigneten Halbzeug oder Formteil enthalten sind) ausgebildet sein. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Hülse 14 aus Quarz. Diese Hülse 14 ist konisch geformt und hat ein großes Ende 16, das sich zu einem kleinen Ende 18 hin mit einem Übergangsbereich 20 dazwischen verjüngt. In einem speziellen Beispiel kann das große Ende 16 einen Durchmesser von ca. 3 mm, das kleine Ende 18 einen Durchmesser von ca. 200 um aufweisen; der Übergangsbereich 20 zwischen den Endteilen 16, 18 kann eine Länge von ca. 1cm haben, und der Konuswinkel R könnte ca. 8º sein. Man erkennt, daß die Zeichnungen nicht maßstäblich sind und nur zur Darstellung dienen. Die Hülse 14 der bevorzugten Ausführungsform ist entlang ihrer Mittellängsachse 40 (Fig. 2) symmetrisch und die Faser 12 ist entlang der Längsachse 40 der Hülse 14 angeordnet. Da vorteilhafterweise die Hülse 14 die Faser 12 umgibt, sind die Enden 30 und 32 der Faser 12 z. B. für die Stirnflächenkopplung zu den Übertragungs- oder Trägerfasern (nicht gezeigt) gut zugänglich.
Wie am besten in Fig. 2 zu sehen ist, hat das große Ende 16 der Hülse 14 eine ebene Oberfläche 22, die einen im Vergleich zum Durchmesser der Faser 12 großen Durchmesser aufweist, um die Montage mehrerer Pumplichtquellen 24 darauf zu ermöglichen. Die Pumplichtquellen sind auf der Oberfläche 22 zum Einspeisen des Pumplichts in das große Ende 16 der konisch geformten Hülse 14 montiert. Die Einspeisung des Lichts durch die Quellen 24 ist kollimiert, so daß seine Durchlaufrichtung am Anfang parallel zu der Mittelachse der konisch geformten Hülse 14 und parallel zur Signalfaser 12 verläuft.
Für die folgende Beschreibung wird angenommen, daß das zu verstärkende Eingangslichtsignal Si in das eine Ende 30 der Signalfaser 12 eingekoppelt und, nach der Verstärkung, aus dem anderen Ende 32 der Faser 12 als ein Ausgangslichtsignal So ausgekoppelt wird. Es sollte aber beachtet werden, daß in vielen Anwendungen, wie z. B. in Kommunikations- und Rotationserfassungsanwendungen, Signale in beide Enden 30, 32 der Faser 12 eingekoppelt werden, und unabhängig von der Durchlaufrichtung durch die Faser 12 gleichförmig verstärkt werden sollten.
Die Hülse 14 ist für die Wellenlänge des Lichts von den Pumpquellen 24 durchlässig. Vorzugsweise hat die Hülse 14 eine möglichst niedrige Verlustcharakteristik bei dieser Wellenlänge, während es von Vorteil ist, eine möglichst kurze Absorptionslänge der Nd:YAG-Faser 12 bei dieser Wellenlänge zu haben. Wie aus Fig 1 bis 3 zu ersehen ist, stellt die Hülse 14 vorteilhafterweise eine 360º-Schnittstelle mit der Faser 12 zur Verfügung, und schafft damit einen großen Faser/Hülse-Kontaktbereich für die Übertragung des Pumplichts aus der Hülse 14 in die Faser 12.
Die Brechungsindices der Faser 12 und der Hülse 14 sind so gewählt, daß die Signalfaser 12 das Eingangsignal Si an ihr Ende 30 führen kann. Damit bewirkt die Hülse 14 eine Ummantelung der Faser 12, was vorteilhaft für die Reduzierung der Durchlaufverluste in der Faser 12 ist, insbesonders dann, wenn der Brechungsindex der Hülse 14 nahe an, aber leicht unter dem Brechungsindex der Faser 12 liegt. Beispielsweise würde der Einsatz eines Glases mit hohem Brechungsindex für die Hülse 14 in Kombination mit der Nd:YAG-Faser relativ kleine Durchlaufverluste in der Faser 12 ergeben.
Die Brechungsindices für die Hülse 14 und die Faser 12 werden auch danach ausgewählt, daß das Licht von den Pumpquellen 24 aus der Hülse 14 in die Faser 12 eintreten und zumindest teilweise durch die Faser 12 absorbiert werden kann. So hat die Nd:YAG-Faser 12 in der bevorzugten Ausführungsform einen Brechungsindex n&sub1; in der Größenordnung um 1,82. Andererseits hat die Quarzhülse 14 einen Brechungsindex n&sub2; von ca. 1,45. Letztlich ist der Brechungsindex n&sub3; des die Hülse 14 umgebenden Materials kleiner als der Brechungsindex n&sub2; der Hülse 14. Damit sind die Brechungsindices so gewählt, daß gilt: n&sub1;> n&sub2;> n&sub3;. In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel wird der Brechungsindex n&sub3; durch Luft gebildet, trotzdem sollte es verständlich sein, daß eine zweite Ummantelung die Hülse 14 umgeben kann, um die Verluste zu reduzieren, die anderenfalls an der Schnittstelle zwischen der Hülse 14 und der umgebenden Luft wegen Oberflächenunregelmäßigkeiten und daraus resultierenden Rückstreuungen in die Hülse 14 auftreten.
Sobald das Pumplicht in die konisch geformte Hülse 14 eintritt, unterliegt es mehrfachen internen Totalreflektionen, damit das Licht auf seinem Durchlauf zum kleinen Ende 18 fokussiert und komprimiert wird. Wegen der Übersichtlichkeit der Darstellung ist nur ein in die konisch geformte Hülse in Fig. 1 eintretender Strahl 26 gezeigt. Man sieht, daß wegen der sich verjüngenden Geometrie der konisch geformten Hülse 14, der Strahl 26 mehrfache Totalreflektionen mit sukzessiv größer werdenden Einfallswinkeln bezogen auf die Wandung der konisch geformten Hülse 14 ausführt. Wie im Fachgebiet gut bekannt ist, definiert der Ausdruck "Einfallswinkel" den Winkel zwischen einem Strahl (d. h. dem Strahl 26) und einer Linie, die senkrecht auf der reflektierenden Oberfläche ( z. B. auf der Wandung der Hülse 14) im Auftreffpunkt des Strahls auf der Oberfläche steht. Der Strahl wird solange an der Wandung der Hülle 14 totalreflektiert, wie der Einfallswinkel größer als ein Winkel ist, der allgemein als "kritischer" Winkel ("Grenzwinkel") bezeichnet wird und der vom dem Unterschied in den Brechungsindices der Hülse 14 und dem umgebenden Medium abhängt. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Hülse aus amorphem Quarz (geschmolzenem Glas) gebildet, während das umgebende Medium Luft ist, wodurch sich ein kritischer Winkel von ca. 43,6º ergibt. Demzufolge sollten der Konuswinkel R und die Konuslänge so gewählt werden, daß beim Durchtritt des Licht durch die Hülse 14 von dem Ende 16 bis zum Ende 18 der Einfallswinkel kleiner als der kritische Winkel ist, so daß im wesentlichen das gesamte am großen Ende 16 der Hülse 14 eintretende Licht zum kleinen Ende 18 hin gekoppelt wird. Im allgemeinen hängt der erforderliche Konuswinkel sowohl vom Verhältnis der Eintrittsfläche 22 relativ zur Querschnittsfläche des Endes 18 ab, als auch von dem Unterschied im Brechungsindex zwischen der Hülse 14 und dem umgebenden Medium (z. B. Luft) ab. Mathematische Methoden zur Berechnung des Konuswinkels sind im Fachgebiet gut bekannt und z. B. in Fiber Optics: Principles and Applications, von N. S. Kapany, Academic Press (1967), Seite 18-22 beschrieben. Obwohl der Einfallswinkel sukzessiv mit dem Fortschreiten des Lichts durch die Hülse 14 anwächst, kann sich der Einfallswinkel schließlich dennoch stabilisieren, wenn der Durchmesser der Hülse 14 oder der einer anderen Führungsstruktur gleichförmig-wird, z. B. an dem Ende 18, an dem die Dicke der die Faser 12 umgebenden Hülse 14 im allgemeinen über ein Länge 27 gleichförmig wird, was als Wechselwirkungsbereich 28 bezeichnet wird.
Demzufolge fokussiert die konisch geformte Hülse 14 im Endeffekt das durch die Quellen 24 eingespeiste kollimierte Pumplicht auf das kleine Ende 18 und komprimiert das Pumplicht in der Art, daß die optische Dichte (d. h. die Intensität pro Flächeneinheit) des Pumplichts an dem kleinen Ende 18 erhöht wird. Dieses fokussierte Licht wird entlang der Länge 27 von dem Nd:YAG-Material absorbiert, was eine elektronische Besetzungsinversion in dem Wechselwirkungsbereich 28 hervorruft, um so eine Verstärkung zu ermöglichen. Fachleute werden verstehen, daß der Strahl 26 an der Übergangsstelle Hülse 14/Faser 12 gebrochen wird. Für die Übersichtlichkeit der Darstellung ist eine derartige Brechung des Strahls 26 in Fig. 1 nicht gezeigt, wird aber später im Detail mit Bezug auf Fig. 4 diskutiert.
Aus obiger Beschreibung ist es verständlich, daß dadurch, daß der Brechungsindex n&sub1; der Faser 12 größer ist als der Brechungsindex n&sub2; der Hülse 14, Signaleinspeisungen an dem Ende 30 der Faser 12, die durch das System zu verstärken sind, gut innerhalb der Faser 12 geführt werden. Da der Brechungsindex n&sub1; der Faser 12 größer ist als der Brechungsindex n&sub2; der Hülse 14, wird das Pumplicht von den Quellen 24 in die Faser 12 hineingebrochen. Dieses Pumplicht wird jedoch, wie durch den Beispielstrahl 26 in Fig. 1 gezeigt, durch die Hülse 14 geführt, da der Brechungsindex n&sub2; der Hülse 14 größer als der Brechungsindex n&sub3; des umgebenden Materials (Z.B. Luft) ist, unter der Voraussetzung, daß der Konuswinkel R richtig gewählt ist. Damit wird die Pumpeinstrahlung innerhalb der Grenzflächen der Hülse 14 für die Gesamtabsorption durch die Faser 12 geführt. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird die durch den Strahl 26 exemplarisch dargestellte Pumpeinstrahlung durch die Nd:YAG-Faser mit einer Rate absorbiert, die proportional zum Verhältnis der Pfadlänge durch die Faser 12 zur gesamten Pfadlänge durch die Faser 12 und durch die Hülse 14 ist. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, die Hülse so klein wie möglich zu machen, insbesonders in der Länge 27 in der Wechselwirkungszone 28, um die Absorption der Nd:YAG-Faser 12 pro Längeneinheit zu erhöhen. Wie am besten in Fig. 1 und 3 zu sehen ist, ist die Hülse 14 in dem Wechselwirkungsbereich 28 ziemlich dünn, wobei sie z. B. in derselben Größenordnung wie der Radius der Faser 12 liegt.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, die einen Durchlauf des Strahls 26 durch die Signalfaser 12 zeigt, während sich der Strahl durch einen Längsabschnitt d im Wechselwirkungsbereich 28 fortpflanzt. Für die Übersichtlichkeit der Darstellung wird der Strahl 26 als axialer Strahl angenommen, d. h. als ein Strahl, der permanent in einer Ebene liegt, die durch die Längsachse 40 (Fig. 2) der Faser 12 verläuft. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, unterliegt der Pumpstrahl 26 während der Fortpflanzung zur Signalfaser 12 einer internen Totalreflektion mit einem Winkel Rp an der Grenzfläche zwischen der Quarzhülse 14 und der umgebenden Luft. An der Grenzfläche zwischen der Hülse 14 und der Faser 12 wird der Strahl 26 so gebrochen, daß er in die Signalfaser 12 mit einem Winkel von Ra eintritt. Der Strahl 26 wird nach der Durchquerung der Signalfaser 12 nochmals gebrochen, so daß er wieder mit einem Winkel von Rp in die Quarzhülse 14 eintritt. Bei Erreichen der Grenzfläche zwischen der Quarzhülse 14 und der umgebenden Luft wird der Strahl 26 wieder mit einem Winkel Rp nach innen totalreflektiert. Dieser Ablauf wiederholt sich von selbst vielfach entlang dem Wechselwirkungsbereich 28.
Während der oben beschriebenen Fortpflanzung des Strahls 26 durch den Abschnitt d in dem Wechselwirkungsbereich 28 durchquert der Strahl 26 zuerst einen optischen Pfad p durch den oberen Teil der Pumpführung oder der Hülse 14, dann durchquert er eine optische Pfadlänge p' durch die Signalfaser 12, und zum Schluß durchquert er einen optischen Pfad p durch den unteren Teil der Pumpführung oder der Hülse 14. Damit ist die gesamte Pfadlänge des Strahls 26 in der Verstärkerfaser 12 gleich p', während die gesamte Pfadlänge in der Pumpführung 14 gleich 2p ist. Da der Durchlauf des Pumpstrahls 26 durch die Pumpführung 14 nicht zum Pumpen des Faserverstärkers beiträgt, ist der Teil der Pumpleistung, der entlang einer Distanz L der Wechselwirkungszone 28 des Verstärkers absorbiert wird, vom Verhältnis des Pumpstrahlpfads in der Signalfaser 12 zum gesamten Pumpstrahlpfad über die Distanz L abhängig. Die auf diese Weise von der Länge L absorbierte Pumpleistung kann wie folgt definiert werden:
Pabs exp(-αaηL) (1)
wobei αa der Absorptionskoeffizient des Verstärkermediums bei der Pumpfrequenz und η der Wirkungsgrad der Pumpstruktur ist. Der Wirkungsgrad ist als das Verhältnis des Strahlpfads in dem Verstärker zu dem gesamten Strahlpfad über die Distanz L definiert, wobei die Distanz L im Vergleich zu d groß ist (Fig. 4). Demzufolge verbringt das Pumplicht seine gesamte Zeit in der Signalfaser 12, wenn der Wirkungsgrad η = 1 ist, während, wenn der Wirkungsgrad gleich 0 ist, das Pumplicht keine Zeit in der Signalfaser 12 verbringt.
In der schematischen Darstellung von Fig. 4 gilt für η einfach:
η=p'/p'+2p (2)
Mit einfacher Trigonometrie kann gezeigt werden daß:
wobei &epsi; das Verhältnis des Radius ra der Signalfaser 12 zu der Differenz zwischen dem Radius rc der gesamten Struktur und dem Radius ra der Signalfaser ist. In einer Darstellung auf anderem Wege ist &epsi; gleich dem Verhältnis des Signalfaserradius ra zu der Hülsendicke rp; und n&sub2; und n&sub1; sind die Brechungsindices der Hülse 14 bzw. der Faser 12. Damit gilt:
&epsi;=Ra/rc-ra (4)
Wenn der Brechungsindex n&sub1; der Verstärkerfaser 12 nur leicht höher als der Brechungsindex n&sub2; der Hülse 14 ist, reduziert sich Gleichung (2) zu:
η(R)=ra/rc (5)
Damit hängt der Wirkungsgrad des Verstärkers bezogen auf die Leistungsabsorption sehr stark vom Radius der Faser 12 im Vergleich zu dem Radius der Gesamtstruktur in dem Wechselwirkungsbereich 28 ab. Demzufolge zieht man es vor, die Hülse 14 so dünn wie möglich über dem Wechselwirkungsbereich 28 zu machen, und man zieht es noch mehr vor, die Hülse 14 so zu verjüngen, daß die Faser 12 über dem Wechselwirkungsbereich 28 nicht ummantelt ist. Fachleute werden jedoch erkennen, daß es in Abhängigkeit von der Größe der Faser 12 schwierig sein kann, das Pumplicht scharf genug zu fokussieren, so daß der Großteil seiner Energie in der nichtummantelten Faser 12 verbleibt. Typischerweise sind die Verluste umso höher, je schärfer der Focus ist, wenn das Licht durch die konisch geformte Hülse 14 fokussiert wird.
Wie man aus Fig. 5, in der angenommen wird, daß Rp gleich Rc ist (d. h. der Einfallswinkel des Pumpstrahls ist gleich dem kritischen Winkel), ersehen kann, verdoppelt sich der Wirkungsgrad ungefähr, wenn &epsi; sich von 0,5 auf 2 vergrößert, aber ein weiteres Anwachsen von &epsi; ergibt nur relativ kleine Zuwächse im Wirkungsgrad. Weiterhin zeigt Fig. 5, daß ein Erhöhen des Brechungsindexes der Hülse 14 von 1,45 auf 1,8 (was näher an dem Brechungsindex 1,82 der Nd:YAG-Faser 12 liegt) nur einen kleinen Zuwachs im Wirkungsgrad erbringt. Vielmehr ist, wie in Fig. 6 gezeigt, der Wirkungsgrad η über einem breiten Winkelbereich in der Nähe des kritischen Winkels Rc für alle Werte von &epsi; ziemlich konstant, und der Wirkungsgrad erreicht ein Maximum wenn Rp gleich Rc ist. Demzufolge erkennt man aus Fig. 5 und 6, daß der Wert von &epsi; vorzugsweise größer als 2 sein sollte, und damit der Radius ra der Verstärkerfaser 12 vorzugsweise die doppelte Dicke rp der Hülse in dem Wechselwirkungsbereich 28 haben sollte. In einer Darstellung aufanderem Wege sollte der Gesamtradius rc kleiner als das 1 1/2 fache dem Radius ra der Verstärkerfaser 12 sein. Die in Fig. 5 und 6 gezeigten Werte wurden mit Hilfe der Gleichung (2) für eine Nd:YAG-Faser mit einem Brechungsindex von 1,82 berechnet. Die in Fig. 6 gezeigten Werte beruhen auf einer Quarzpumpführung oder Hülse mit einem Brechungsindex von 1,45, während Fig. 5 für eine Hülse mit einem Brechungsindex sowohl von 1,80 als auch 1,45 aufgetragen ist.
Um Moden höherer Ordnung zu anzuregen, können die Lichtquellen 24 an Stellen der Fläche 22 montiert werden, die, wie in Fig. 2 gezeigt, einen Versatz vom Mittelpunkt der Fläche zum Rande hin aufweisen. Aus der Strahlengangdarstellung von Fig. 1 ist es verständlich, daß Strahlen, die in die Fläche 22 nahe am Rande des großen Endes 16 (z. B. Strahl 26) eintreten, höhere Einfallswinkel zu dem Zeitpunkt haben werden, an dem sie das Ende 18 erreichen als entsprechende Strahlen (nicht gezeigt), die näher an dem Mittelpunkt der Fläche 22 eingespeist werden. Nach der Strahlentheorie sind solche erhöhten Einfallswinkel Anzeichen für Moden höherer Ordnung.
Derartige Moden höherer Ordnung können vorteilhaft für die Anregung des Faserlasermaterials sein, da die Strahlen (z. B. der Strahl 26) eine erhöhte Anzahl von Reflektionen ausführen, und damit eine erhöhte Anzahl von Durchgängen durch die Signalfaser 12, wenn sie sich entlang des Bereichs 27 der Signalfaser 12 fortpflanzen und damit die benötigte Länge für eine wesentliche Absorption des Pumplichts durch die Faser 12 in dem Wechselwirkungsbereich 28 minimieren. Mit anderen Worten, auch wenn der laterale Weg eines Einzelstrahls durch die Nd:YAG-Faser 12 wesentlich kürzer als die Absorptionslänge in diesem Material sein kann, so ermöglichen doch die mehrfachen Durchgänge die Absorption eines wesentlichen Prozentsatzes der Pumpquelleneinstrahlung innerhalb der Nd:YAG-Faser 12. Zusätzlich können die Endflächen 22 und 29 der Verstärkerstruktur mit einer hoch reflektiven Beschichtung versehen sein, die für Licht mit der Signalfrequenz durchlässig ist, aber das Pumplicht reflektiert, so daß jeder Pumplichtanteil, der nicht durch das Nd:YAG-Material beim ersten Durchgang durch die Verstärkerstruktur absorbiert wird, für zusätzliche Durchgänge durch das Material reflektiert wird.
Wie in Fig. 7 dargestellt, umfaßt jede Lichtquelle 24 vorzugsweise eine Mikrolinse 50 und eine miniaturisierte lichtemittierende Vorrichtung 52, vorzugsweise eine Hochleistungslaserdiode, die Licht in einem der hochabsorbierenden Bereiche, wie z. B. in dem 800nm-Bereich für das Nd:YAG-Material, wie in Fig. 8 gezeigt, erzeugt. Wie im Fachgebiet gut bekannt, sind Mikrolinsen extrem kleine Glasstäbe aus optischem Glas, die Fokussierungseigenschaften aufgrund der Gradienten des Brechungsindex vom Mittelpunkt zum Rande hin haben. Sie sind in verschiedenen Längen, Durchmessern, Fokuslängen und Aufnahmewinkeln unter dem Markennamen "Selfoc Microlenses" von Nippon Sheet Glass Company, Ltd., New Jersey office, 136 Central Avenue, Clark, New Jersey, erhältlich. In der bevorzugten Ausführungsform hat die Mikrolinse 50 eine Fokuslänge von ca. 1mm. Die Laserdiode 52 ist auf der Mikrolinse 50 mit dem Laserdiodenübergang nahe an der Eintrittsfläche der Linse 50 montiert, und die Linseneigenschaften sind so gewählt, daß das durch die Laserdiode erzeugte Licht kollimiert wird. Die Befestigung der Laserdiode 52 auf der Linse 50 kann durch jedes geeignete Mittel erreicht werden, so z. B. durch eine Klebe- oder durch ein mechanische Montage. Die Linsen wiederum können auf der Fläche 22 der konisch geformten Hülse 14 beispielsweise mit einem optischen Zement befestigt werden. Mehrere Laserdioden 52 können, wenn gewünscht, auf einer einzelnen Linse 50 "gestapelt" werden, um die Leistung weiter zu erhöhen. In einem derartigen Falle können die Dioden eine auf der Oberseite der anderen montiert werden, wobei sich die Längsseiten der Dioden untereinander berühren. Weiterhin ist es verständlich, daß entweder mehr oder weniger Lichtquellen 24 eingesetzt werden können, obwohl die Zeichnungen drei derartige auf der Fläche 22 montierte Quellen 24 zeigen.
Fachleute werden erkennen, daß es im allgemeinen impraktikabel ist, die Länge der emittierenden Fläche (d. h. die Dimension parallel zu dem Laserdiodenübergang) viel größer als den Gesamtradius rc (Fig. 4) des Verstärkers im Wechselwirkungsbereich 28 zu machen, wenn die speziellen Dioden, die als Laserdioden eingesetzt werden, eine schlechte räumliche Kohärenz haben oder vom Multimodustyp sind; anderenfalls entstehen Strahlungsverluste aufgrund von Diffraktion (Beugung), die durch die räumliche Inkohärenz ausgelöst wird, oder dadurch, daß die Moden höherer Ordnung nicht geführt werden. Leider sind gegenwärtig kommerziell erhältliche Hochleistungslaserdioden entweder Multimode-Typen oder haben eine relativ schlechte räumliche Kohärenz, oder beides. Man erwartet, daß sich diese Situation mit den Fortschritten in der Lasertechnologie verbessert.
Mit Bezug auf Fig. 1, 2 und 7 versteht man, daß, obwohl es nicht in den beanspruchten Bereich der Erfindung fällt, die Laserdioden 52 ohne die Kollimationslinsen 50 eingesetzt werden können, so daß Licht direkt von den Dioden 52 in die Fläche 22 eingekoppelt wird. In einem solchen Falle werden die Übertragungsverluste typischerweise jedoch größer als mit Kollimationslinsen sein, da Laserdioden im allgemeinen Licht in einem divergierenden Muster abstrahlen, und einige der divergierenden Strahlen den kritischen Winkel bezüglich der Wandungen des konisch geformten Hülsenteils 20 überschreiten und damit Strahlungsverluste verursachen. Versuche zeigen, daß mit nichtkollimierten Eintrittsstrahlen (ohne Mikrolinse) die Übertragung durch den Konus (d. h. der Anteil des zum Wechselwirkungsbereichs 28 gekoppelten Eintrittslichts) nicht mehr als ungefähr 10% beträgt, während mit kollimiertem Licht (mit Mikrolinsen) die Übertragung auf über 70% oder besser angehoben wird. Demzufolge ist die Verwendung von Mikrolinsen 50 in Verbindung mit den Laserdioden 52 sehr vorteilhaft.
Für nichtkollimiertes Licht (ohne Mikrolinse) scheint die Übertragung durch den konisch geformten Teil 20 im wesentlichen unabhängig von der Plazierung der Laserdiode auf der Fläche 22 zu sein. Dennoch fand man in einem Experiment heraus, daß für kollimiertes Licht (mit der Mikrolinse 50) die Übertragung durch den konisch geformten Teil 20 auf ein Maximum anstieg, wenn die Lichtquelle 24 von der Achse 40 (Fig. 2 und 3) weg in Richtung auf den Rand der Fläche 22 zu verschoben wurde. Die optimale Übertragungsposition kann gefunden werden, indem eine der Lichtquellen 24 solange radial von der Konusachse 40 aus auf der Fläche 22 nach außen verschoben wird, bis die an der Endfläche 29 gemessene Übertragungsleistung maximal ist. Diese Quelle 24 kann dann an dieser Position dauerhaft befestigt werden. Das gleiche Verfahren kann auch für die Plazierung der anderen Quellen 24 angewendet werden. Zusätzlich zieht man es für eine optimale Übertragung vor, dann, wenn die Dioden 52 von der Achse 40 (Fig. 2 und 3) versetzt angeordnet sind, jede Diode so zu orientieren, daß die maximale Dimension (d. h. die Längseite) ihrer emittierenden Fläche senkrecht auf einer imaginären radialen Linie 68 auf der ebenen Fläche 22 steht, die durch die Achse 40, wie in Fig. 2 gezeigt, verläuft.
Damit erlaubt die konisch geformte Hülse 14 die Einkopplung einer hohen Menge optischer Leistung auf den Wechselwirkungsbereich 28 und damit auf die Faser 12, insbesonders dann, wenn sie in Verbindung mit Hochleistungslaserdioden und kollimierenden Mikrolinsen eingesetzt wird. Eine derartig hohe optische Pumpleistung erhöht die Anregung der Nd:YAG-Faser 12 und verbessert damit die Verstärkung.
Mit jetzigem Bezug auf Fig. 8, die eine Darstellung des Absorptionsspektrums des Nd:YAG-Kristalls bei 300 K ist, kann man sehen, daß das Nd:YAG-Material eine relativ hohe optische Dichte und damit eine kurze Absorptionslänge bei bestimmten Wellenlängen hat. Aus diesem Grunde ist es ratsam, die einstrahlenden Pumpquellen 24 (Fig. 1) so zu wählen, daß sie Strahlung auf einer dieser Frequenzen emittieren, um die Absorption der Pumpeinstrahlung in die Nd:YAG-Faser 12 zu maximieren, und damit eine möglichst kurze Länge 27 der Faser 12 zu ermöglichen, während noch eine im wesentlichen vollständige Absorption der Pumpeinstrahlung innerhalb der Verstärkerstruktur stattfinden kann. Fachleute werden verstehen, daß es Vorteile bringt, die Faser 12 so kurz wie möglich zu machen, um die Durchlaufverluste des Signals Si durch die Faser 12 zu reduzieren. Wie man aus Fig. 8 ersehen kann, ist die Wellenlänge 0,58 um gut für die Einstrahlungsquellen 24 geeignet, aber auch die Wellenlängen 0,75 und 0,81 sind relativ gut geeignet.
Mit jetzigem Bezug auf Fig. 9A, die eine Energieniveaudarstellung für den Nd:YAG-Kristall ist, kann man verstehen, daß dann, wenn Pumplicht bei einer der oben beschriebenen Absorptionswellenlängen durch den Nd:YAG- Kristall absorbiert wird, die Neodymionen aus dem Grundzustand in das Pumpband angeregt (gehoben) werden. Aus dem Pumpband relaxieren die Ionen schnell über Phononenwechselwirkungen auf das obere Laserniveau zurück. Von diesem oberen Laserniveau springen die Ionen unter Fluoreszenz auf das untere Laserniveau. Von diesem letzteren Niveau aus findet eine letzte rasche Phononenrelaxation auf den Grundzustand statt. Diese letztere rasche Relaxation in einem Lasersystem mit vier Energieniveaus des in Fig. 9A gezeigten Typs hat Vorteile, da sie ein praktisch leeres unteres Energieniveau erzeugt. Dieses Merkmal ist in Fig. 9B gezeigt, in der die Besetzungsdichten im Pumpband, im oberen Laserniveau, im unteren Laserniveau und im Grundzustand für eine Nd:YAG-Faser während eines kontinuierlichen Pumpbetriebs dargestellt sind. Da die Fluoreszenzrate zwischen dem oberen und unteren Laserniveau relativ langsam im Vergleich zur Phononerelaxation sowohl zwischen dem Pumpband und dem oberen Laserniveau, als auch zwischen dem tieferen Laserniveau und dem Grundzustand ist, ist die Besetzungsdichte auf dem oberen Laserniveau wesentlich höher als die auf dem unteren Laserniveau, wodurch sich ein hohes Inversionsverhältnis ergibt. Die mittlere Lebensdauer auf dem oberen Laserniveau vor der stimulierten Emission ist 230 Mikrosekunden.
Fig. 10 stellt in größerem Detail sowohl die zahlreichen Energiezustände des Nd:YAG-Materials, als auch den Laserübergang dieses Materials dar, der als ein Beispiel in der folgenden Diskussion dient.
Ein Eingangslichtsignal, das mit der Laserübergangswellenlänge (z. B. 1.064 um), d. h. mit einer der Wellenlängen, die durch die Nd:YAG-Ionen während der Relaxation zwischen den oberen und unteren Laserniveaus emittiert wird, die angeregte Faser 12 (Fig. 1) durchläuft, wird die Emission stimulierter Photonen auf der gleichen, mit dem Signal kohärenten Frequenz, auslösen, wodurch das Signal verstärkt wird. Damit wird der Durchtritt von Licht mit dieser Wellenlänge eine Photonen emittierende Relaxation zwischen dem oberen Laserniveau und dem niedrigeren Energieniveau von Fig. 9A verursachen, die in Phase mit dem zu verstärkenden Lichtsignal liegt, wodurch sich eine effektive Verstärkung für das Eingangslichtsignal ergibt.
Die in dem Verstärker dieser Erfindung erreichbare Verstärkung hängt von der Dichte der invertierten Neodymionenbesetzung innerhalb des Nd:YAG-Kristalls ab.
Theoretische Berechnungen der Kleinsignalverstärkung pro Längeneinheit q&sub0; des Verstärkers dieser Erfindung können mit Hilfe der Beziehung q&sub0; = σΔN ausgeführt werden, wobei σ der effektive stimulierte Emissionsquerschnitt, für Nd:YAG ca. 3,0·10&supmin;¹&sup9; cm² für den 1,06 um- Übergang ist, und ΔN die invertierte Besetzungsdichte, gegeben durch:
wobei Pp die gesamte durch die Signalfaser 12 absorbierte Pumpleistung, V das Kristallvolumen und damit Pp/V die gesamte von einer Faservolumeneinheit absorbierte Pumpleistung, tf die Fluoreszenzlebensdauer des oberen Laserniveaus 2 von Fig. 5A ist, d. h. die 230 Mikrosekunden Relaxationszeit der Neodymionen ist, und hνp gleich zur Energie der Pumpphotonen ist.
Die Verstärkung γo einer Verstärkerfaser der Länge L kann ausgedrückt werden als:
γo= gOL (7)
Durch die Kombination der obigen Beziehungen kann man sehen, daß die Verstärkung γo ist:
wobei A die Querschnittsfläche der Verstärkerfaser ist.
Es sollte beachtet werden, daß der Wert Pp die absorbierte Pumpleistung ist und daß eine Verlängerung der Faser 12 nicht notwendigerweise die Verstärkung erhöht.
Folglich kann dann der Wert Pp in dieser Gleichung durch die Eingangspumpleistung ersetzt werden, wenn die Länge der Faser 12 ausreicht, daß die die Nd:YAG-Faser durchlaufende Pumpstrahlung im wesentlichen vollständig absorbiert wird. Für eine typische Pumpphotonenwellenlänge von 0,81 um ist der Wert von γo gleich 0,01 dB für Pp gleich 1 Milliwatt in einer Faser mit 120 um Durchmesser. Um die Nettoverstärkung zu erhalten, muß man jedoch von γo die Faserdurchlaufverluste bei 1,06 um subtrahieren, die das Signal bei seinem Durchlauf durch die Faser 12 erfährt. Ein Faserverlust von 100 dB pro Kilometer würde die Verstärkung nur um 0,001 dB pro Zentimeter reduzieren. Folglich können die Durchlaufverluste innerhalb des Verstärkers auf einem niedrigen Pegel gehalten werden, wenn die Gesamtlänge des Verstärkers durch eine Anordnung dergestalt relativ kurz gehalten werden kann, daß der größte Teil der Pumpleistung im wesentlichen über eine kurze Länge der Faser absorbiert wird.
Man erkennt, daß das in den Wechselwirkungsbereich 28 eintretende Pumplicht von den Quellen 24 dazu tendiert, gleich am Anfang bei dem Ende 18 absorbiert zu werden, und daß damit die Länge 27 des Wechselwirkungsbereichs der Faser 12 nicht gleichmäßig durch die Quellen 24 ausgeleuchtet werden kann. Damit kann die Inversionsdichte der Neodymionen nicht symmetrisch über der Länge 27 verteilt sein. Um diese Asymmetrie zu korrigieren, kann es von Vorteil sein, die Quarzhülse 14 von beiden Seiten gleichzeitig zu pumpen, um sicherzustellen, daß die Inversionsdichte der Neodymionen symmetrisch über der Länge 27 der Faser 12 verläuft. Das Pumpen von beiden Seiten ergibt auch mehr Pumpleistung, damit auch mehr Verstärkung.
Demzufolge kann die Hülse 14, wie in Fig. 11 gezeigt, auch einen zweiten konisch geformten Übergangsbereich 20' mit einem großen Ende 22', auf dem mehrere Lichtquellen 24' montiert sind, beinhalten. Der konisch geformte Bereich 20' kann identisch zu dem konisch geformten Bereich 20 und die Quellen 24' können identisch zu den Quellen 24 sein. Folglich wird mit der Anordnung von Fig. 11 Pumplicht auf beide Enden 22, 22' der Hülse 14 eingekoppelt und die konisch geformten Bereiche 20, 20' fokussieren dieses Pumplicht zur Einführung in den Wechselwirkungsbereich 28 von den dazu entgegengesetzten Enden aus.
Es sollte auch beachtet werden, daß die von den Pumpquellen 24 und 24' an die Nd:YAG-Faser 12 gelieferte Pumpleistung ausreichen sollte, um auf einer kontinuierlichen Basis die bei der Signalverstärkung auftretende verarmte Besetzung innerhalb der Faser 12 zu ersetzen. So werden z. B. in einem Kreisel, in dem ein Impulssignal durch einen Kilometer Faser zirkuliert, die gegenläufigen Signale den Verstärker ca. alle fünf Mikrosekunden durchlaufen. Wenn kontinuierlich arbeitende Pumpquellen eingesetzt werden, sollten sie genügend Leistung erzeugen, so daß sie während jeder Fünf-Mikrosekunden-Periode die während jedem sukzessiven Durchlauf der Signale relaxierte Neodymionenbesetzung neu invertieren können, um eine Besetzung gleich der relaxierten Besetzung derart neu zu invertieren, daß die von den Signalen erfahrene Verstärkung relativ konstant bleibt.
Es sollte auch beachtet werden, daß die in Fig. 1 oder 11 gezeigten Strukturen einen Oszillator oder eine Strahlungsquelle mit der Laserfrequenz der Nd:YAG-Faser ergeben, wenn die Enden (d. h. die Enden 30 und 32 von Fig. 1 oder die Enden 30 und 30' von Fig. 11) geeignet verspiegelt sind. Damit können, durch Anordnung eines Spiegels an dem Ende 30 (Fig. 1 und 11) der Faser 12, der nahezu 100% der Einstrahlung bei der Laserfrequenz reflektiert, und durch Anordnung eines zweiten Spiegels an dem anderen Ende (z. B. an dem Ende 32 von Fig. 1 und 30' von Fig. 11), der einen niedrigeren Prozentsatz der Einstrahlung mit der gleichen Frequenz reflektiert, die in Fig. 1 und 11 gezeigten Strukturen als Faserlaserquelle benutzt werden, in der kohärente Lichtwellen in der Faser 12 hin und her reflektiert und durch den teilreflektierenden Spiegel an dem Ende 32 als kohärente Lichtwellenfronten mit der Laserfrequenz der Faser emittiert werden.
Wenn die in den Fig. 1 und 11 gezeigten Strukturen als Laserquellen benutzt werden, können die Pumpquellen 24 (Fig. 1 und 11) und 24' (Fig. 11) eine Dauerlichtabgabe mit der Pumpwellenlänge erzeugen, wodurch in diesem Falle eine kontinuierliche Dauerlichtausgabe der Faserquelle erzeugt wird. Wenn andererseits das Pumplicht der Quellen 24 und 24' moduliert wird, wird eine modulierte Ausgabe innerhalb der Strukturen der Fig. 1 und 11 erzeugt.
Die konisch geformte Hülse 14 kann unter Verwendung eines hohlen Quarzstabs mit dem gleichen Durchmesser wie der Durchmesser des großen Endteils 16 gefertigt werden. Der Stab wird in einer Hochtemperaturflamme erhitzt und schnell ausgezogen, wobei der Durchmesser des Stabs so reduziert wird, daß die Faser 12 hineinpaßt. Dann werden die Enden des Stabes aufgespalten und die hohlen Stellen im Stab mit einem Indexangleichungsmaterial aufgefüllt, das den gleichen Brechungsindex wie der Quarzstab hat. Die Endflächen 22, 29 werden zum Beispiel mit Hilfe von Miniaturglasplättchen geformt, die durch Kitten oder mit anderen geeigneten Mitteln auf den Stab aufgebracht werden. Fachleute werden erkennen, daß das vorgenannte Verfahren ein Laborverfahren ist und daß auch ausgefeiltere Fertigungstechniken verfügbar sind.

Claims

1. Faseroptische Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts umfassend:

eine Lichtquelle (24) zur Erzeugung kollimierten Pumplichts;

eine optische Faser (12) zur Führung eines optischen Signals, wobei die Faser (12) aus einem Lasermaterial gebildet ist und einen ersten Brechungsindex aufweist;

eine Hülse (14), die zumindest einen Teilbereich der optischen Faser (12) umgibt und einen zweiten Brechungsindex aufweist, wobei die Hülse (14) umfaßt:

ein erstes Ende (16) für den Empfang des Pumplichts;

ein zweites Ende (18) mit einem kleineren Durchmesser als das erste Ende (16); und

einen Übergangsbereich (20) zwischen den ersten und zweiten Enden (16, 18), zur Fokussierung des Pumplichts von dem ersten Ende (16) auf das zweite Ende (18), wobei der zweite Brechungsindex niedriger als der erste Brechungsindex ist, um das fokussierte Pumplicht aus der Hülse (14) in die Faser (12) hineinzubrechen, um die Inversion der elektronischen Besetzung des Lasermaterials auszulösen, damit das optische Signal die Emission von Photonen aus dem Lasermaterial stimulieren kann.

2. Faseroptische Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts, wie in Anspruch 1 definiert, wobei die Dicke der Hülse (14) an dem zweiten Ende (18) nicht mehr als die Hälfte des Radius der optischen Faser (12) ist.

3. Faseroptische Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts, wie in Anspruch 1 definiert, wobei die Lichtquelle (24) zur Einkopplung des Pumplichts in das erste Ende (16) an einer Stelle montiert ist, die radial von der optischen Faser (12) versetzt ist.

4. Faseroptische Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts, wie in Anspruch 3 definiert, wobei die Pumplichtquelle eine Hochleistungslaserdiode (52) aufweist, die so orientiert ist, daß die Längsrichtung der emittierenden Fläche senkrecht zu einer radialen Linie (63) steht, die durch die Mittenlängsachse (40) der Hülse (14) verläuft.

5. Faseroptische Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts, wie in Anspruch 1 definiert, wobei die kollimierte Pumplichtquelle (24) eine Hochleistungslaserdiode (52) und eine kollimierende Mikrolinse (50) umfaßt.

6. Faseroptische Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts, wie in Anspruch 1 definiert, wobei die Hülse (14) symmetrisch bezüglich ihrer Mittenlängsachse (40) ist, und die optische Faser (12) längs der Mittenlängsachse (40) der Hülse (14) liegt.

7. Faseroptische Vorrichtung zur Erzeugung kohärenten Lichts, wie in Anspruch 1 definiert, wobei die Hülse (14) eine Ummantelung zur Führung des optischen Signals innerhalb der optischen Faser (12) darstellt.

8. Verfahren zum seitlichen Pumpen einer optischen Faser (12), die aus einem Lasermaterial gebildet ist, um die Inversion der elektronischen Besetzung des Materials auszulösen, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

Ummanteln der optischen Faser (12) mit einer Hülse (14), die einen niedrigeren Brechungsindex als die optische Faser hat, wobei die Hülse (14) einen Querschnitt an einem Ende (16) hat, der groß ist im Vergleich zu dem Querschnitt an dem anderen Ende (18);

Einkoppen kollimierten Pumplichts in das eine Ende (16) der Hülse;

Fokussieren des Pumplichts von dem einen Ende (16) der Hülse (14) auf das andere Ende (18); und

Brechen des fokussierten Pumplichts von dem anderen Ende (18) in die optische Faser (12) entlang deren Außenrand, um die Besetzungsinversion auszulösen.

9. Verfahren zum seitlichen Pumpen einer optischen Faser, wie in Anspruch 8 definiert, wobei die Dicke der Hülse (14) an dem anderen Ende (18) weniger als die Hälfte des Radius der optischen Faser (12) ist.