DE60017593T2 - Lasereffekte und Laservorrichtungen - Google Patents

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    • H01S3/302—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range using scattering effects, e.g. stimulated Brillouin or Raman effects in an optical fibre

Description

  • Diese Erfindung betrifft ausschließlich Raman-Effekt-Systeme.
  • Mit "Licht" ist elektromagnetische Strahlung, jedoch nicht notwendigerweise sichtbares Licht gemeint, die Erfindung besitzt jedoch wesentliche Anwendungsmöglichkeiten im sichtbaren Spektrum, wobei das sichtbare Spektrum ein wichtiger Bereich ist.
  • Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf kontinuierliche Laser, sie kann jedoch außerdem Verwendungsmöglichkeiten bei gepulsten Lasersystemen haben.
  • Der Leser wird angehalten, den von Elsevier Science veröffentlichten Band 11, Nr. 4, März 1999 von Optical Materials zu lesen, der sieben Artikel enthält, die Festkörper-Raman-Laser und ihre Geschichte betreffen, wobei ein Fachmann diese bereits kennen wird.
  • Ein Fachmann wird anerkennen, dass Festkörper-Diodenlaser bekannt sind und dass sie typischerweise rot sind. Es gibt außerdem gepumpte grüne Dioden-Festkörperlaser, z. B. frequenzgedoppelte Nd:YAD-Laser (sie besitzen einen Verstärkungs-Resonanzhohlraum, der die Frequenz verdoppelt, um grünes Licht zu erzeugen). Das sind kontinuierliche Laser mit einer Leistung von etwa 10 W. Seit kurzer Zeit stehen blaue Festkörperlaser zur Verfügung. Festkörperlaser sind typischerweise leistungsarm, wobei ein Problem darin besteht, dass der Laser gewöhnlich Licht bei lediglich einer Signalwellenlänge erzeugt.
  • Ein weiterer Typ des Lasers ist der Argonionen-Laser und der Kryptonionen-Laser. Sie sind Gaslaser, die häufig eine elektrische Dreiphasen-Stromversorgung und Wasserkühlung benötigen. Sie werden typischerweise in der Unterhaltungsindustrie verwendet. Für diese Laser gibt es gegenwärtig weltweit einen Markt im Umfang von Hunderten Millionen Dollar. Sie werden außerdem für lichtdynamische Therapie, die eine medizinische Verwendungsmöglichkeit darstellt, verwendet. Dabei gibt es wiederum einen sehr großen Markt für Laser für medizinische Verwendungszwecke.
  • Es ist möglich, die Frequenz unter Verwendung von Kristallen zu verdoppeln oder zu verdreifachen. Die gleiche Energie, die in einen Kristall eintritt, muss austreten (wenn eine Erwärmung ignoriert wird). Bei der Frequenzverdoppelung treten zwei Photonen in das Kristall ein (z. B. 1064 μm) und ein Photon (z. B. 532 μm) tritt aus, das eine Energie besitzt, die gleich der Summe der Energien der beiden eintretenden Photonen ist.
  • Es gibt außerdem optische parametrische Oszillatoren (OPOs), die die gleichen Arten von Kristallen verwenden wie eine Vorrichtung zur Frequenzverdoppelung. Bei OPOs tritt ein Photon mit einer Wellenlänge ein und zwei Photonen mit einer anderen Wellenlänge, aber mit der gleichen Gesamtenergie treten aus. Die beiden ausgesendeten Photonen müssen nicht die gleiche Wellenlänge besitzen.
  • Durch Abstimmen der Kristalle in der Weise, dass die unterschiedlichen Gitterebenen der Auftreffrichtung der Strahlung zugewandt sind, ist es möglich, eine solche Abstimmung zu erreichen, dass zwei Photonen jeweils mit einer anderen Frequenz austreten, wobei jedoch wiederum die Summe der Austrittsenergien gleich der ursprünglichen Energie ist. Die Verstärkung ist bei diesen Systemen recht gering. Es ist herkömmlich erforderlich, mit Impulslasern mit hochintensiven Strahlen zu arbeiten.
  • Der OPO-Kristall muss sorgfältig eingestellt sein um sicherzustellen, dass der Brechungsindex für alle drei Wellenlängen gleich ist (d. h. der Pumpstrahl, der Signalstrahl und der Leitstrahl müssen phasenangepasst sein). OPOs sind sehr teuer, da sie typischerweise für einen Laser entworfen werden. Es gibt keine kommerziell verfügbaren kontinuierlichen OPO-Laser, lediglich Impulslaser. Kommerzielle kontinuierliche Laser können nicht die Intensität erreichen, die zum effizienten Betrieb eines OPO erforderlich ist.
  • Ohne Pumpenverlust bezieht sich die Intensität von Ausgangslicht eines OPO auf den Verstärkungskoeffizienten des Kristalls multipliziert mit der Intensität der Pumpstrahlung multipliziert mit der Wechselwirkungslänge, die die Strahlung in dem Kristall besitzt (z. B. die echte Länge multipliziert mit der Anzahl der Durchläufe durch den Kristall). Sie ist eine exponentielle Beziehung der folgenden Art: IAusgang – IEingang × eIPumpe×Verstärkungskoeffizient×Wechselwirkungslänge
  • Bei einem kontinuierlichen Laser, bei dem die Verstärkung gewöhnlich sehr gering ist, muss der erste Spiegel zu 100% reflexionsfähig sein und der zweite Spiegel muss weniger als 100% reflexionsfähig sein, muss jedoch wegen der geringen Verstärkung bei kontinuierlichen Lasern trotzdem eine hohe Reflexionsfähigkeit besitzen. Kontinuierliche Laser erfordern sehr genau gefertigte hochwertige Spiegel. Die Brechung stellt ein Problem dar: Ein Lichtstrahl neigt dazu, nach außen zu dispergieren und je enger der Strahl ist, desto stärker kann der Dispersionseffekt wahrgenommen werden.
  • Kontinuierliche OPOs erfordern eine noch genauere Phasenanpassung als Impulslaser.
  • Laservorrichtungen, die einen Laserstrahl aussenden sollen, und OPOs sind unterschiedliche Vorrichtungen, wobei jedoch OPOs die Lichtverstärkung durch stimulierte Emission verwenden und Lasereffekt-Vorrichtungen sind. Laser und OPOs erreichen beide eine kohärente Verstärkung von Licht durch einen stimulierten Prozess: Bei Lasern erfolgt der stimulierte Prozess infolge eines Elektronenzerfalls, wohingegen der stimulierte Prozess in einem OPO infolge einer parametrischen Umsetzung erfolgt, die aus den nicht linearen optischen Eigenschaften des OPO-Werkstoffs herrührt. Bei Lasern wird die Emission stimuliert, bei OPOs wird das Aufteilen von Photonen stimuliert.
  • Raman-Laser arbeiten nach dem Prinzip eines auftreffenden Pumpphotons, das ein Elektron von einem Grundzustand in einen virtuellen Zustand (kein reeller Quantenzustand) anregt, der um einen Energiebetrag, der gleich der Energie der auftreffenden Strahlung ist, höher ist als der Grundzustand. Das Elektron existiert eigentlich nicht in einem virtuellen Zustand, sondern zerfällt sofort von dem virtuellen Zustand zu einem als Raman-Frequenz bezeichneten natürlichen Schwingungszustand, der höher ist als der Grundzustand. Die Differenz zwischen dem Grundzustand und der Raman-Frequenz ist die Raman-Schwingungsfrequenz (oder Raman-Verschiebung) eines Atoms. Die Differenz zwischen dem virtuellen angeregten Zustand und dem natürlichen Schwingungszustand ist das durch Stokes-Strahlung ausgesendete Photon.
  • Bei einem stimulierten Raman-Laser werden die Zerfallsvorgänge durch das Vorhandensein der ausgesendeten Raman-Emissionen von benachbarten Molekülen stimuliert (virtuell zum natürlichen Raman- Frequenzzustand). Der Wirkungsgrad der Umsetzung der auftreffenden Pumpstrahlung zur ausgegebenen Raman-Strahlung ist durch die Raman-Verschiebung begrenzt (Grundzustand zum natürlichen Raman-Zustand). Ein Quantenwirkungsgrad von 60% wird bei einem Raman-Laser als gering betrachtet. Ein guter Quantenwirkungsgrad eines Raman-Lasers liegt etwa bei 90–95%, dieser kann jedoch nur dann erreicht werden, wenn die Raman-Verschiebung klein ist.
  • Eine weitere Art der Betrachtung des Raman-Effekts besteht darin, dass dann, wenn Strahlung mit einer Frequenz ein Atom passiert, das Atom ein Energiequant bei seiner Raman-Frequenz von dem Photon aufnimmt, wodurch das Photon zurückbleibt, das um seine Raman-Frequenz verschoben ist (bei gleicher Gesamtenergie von Atom und Photon).
  • Atome, die sich bereits in dem angeregten Raman-Zustand befinden, können ihre Energie abgeben und in den Grundzustand zurückkehren und die Energie der auftreffenden Pumpstrahlung vergrößern, wobei sie Energie bei diskreten quantisierten Pegeln hinzufügen, die Mehrfache der natürlichen Raman-Frequenz für das Atom sind. Das erzeugt Strahlung bei der Pumpfrequenz plus Raman-Verschiebung. Diese Strahlung ist die Anti-Stokes-Strahlung.
  • Frühere Raman-Laser wurden als Gaslaser entwickelt, später ging man unter Verwendung von sorgfältig gezogenen Einkristallen zu Festkörper-Lasern über. Der Verstärkungsprozess in Raman-Festkörperlasern ist nahezu der gleiche wie bei anderen Laserarten, wobei die Ausgangsintensität der Strahlung gleich der Intensität der ursprünglichen Signalstrahlung multipliziert mit eg|pump| ist. Da ein Raman-Festkörperwerkstoff viel mehr Atome besitzt, die näher an einander angeordnet sind, gibt es mehr Wechselwirkungen pro Längeneinheit und es ist deswegen möglich, ein Raman-Kristall mit kürzerer Länge zu verwenden. Folglich steigt der Verstärkungskoeffizient g an. Es ist somit einfacher, verhältnismäßig kurze Kristalle (mit einer Länge von z. B. einigen Zentimetern) zu ziehen.
  • Raman-Laser erfordern gewöhnlich eine Pumpquelle mit hoher Energie. Raman-Laser werden durch Impulslaser gepumpt. Bei einem herkömmlichen Raman-Laser wird ein Resonanzhohlraum gewöhnlich durch Spiegel, die sich an jedem Ende des Raman-Werkstoffs befinden, gebildet. Häufig werden Fokussierungslinsen verwendet, um die Pumpintensität in dem Raman-Werkstoff zu vergrößern. Die Lichtintensität ist an dem Linsenbrennpunkt stark vergrößert und das bedeutet, dass der Raman-Effekt wahrscheinlich in dem Bereich nahe am Linsenbrennpunkt auftritt.
  • Herkömmlich ist der zweite Spiegel (und/oder in Wirklichkeit der erste Spiegel) tatsächlich für die Raman-Strahlung teilweise durchlässig, damit ein Strahl den Laserhohlraum verlassen kann, er ist jedoch für andere Strahlungsfrequenzen reflektierend.
  • Der Wirkungsgrad der Gesamtumsetzung eines herkömmlichen gepulsten Festkörper-Raman-Lasers ist trotz der hohen Quanteneffektivität wegen mehreren Faktoren selten größer als 50%. Betrachtet man das zeitliche Profil des Strahls, steigt die Intensität eines Impulses anfangs von einem Pegel, der zu gering ist, um einen Raman-Lasereffekt zu erzeugen (keine Verstärkung), auf einen Punkt an, bei dem der Lasereffekt einsetzt, und fällt zeitlich später auf einen Punkt ab, bei dem der Effekt endet, da die zeitliche Intensität des Strahls wiederum zu gering ist. Es gibt jedoch einen Höchstbe trag, der für die Spitzenintensität eines Strahls zulässig ist, wobei der Strahl dann, wenn er zu intensiv ist, den Kristall beschädigen wird. Es besteht außerdem ein Problem mit dem räumlichen Profil des Strahls, das typischerweise ein Gaußsches Profil ist. Lediglich der mittlere Abschnitt des Strahls im Raum ist ausreichend intensiv, um den Raman-Lasereffekt zu bewirken, wobei der äußere ringförmige Bereich des Strahls typischerweise zu schwach ist, um Raman-Effekte des Lasers zu erzeugen. Ferner benötigt der stimulierte Raman-Prozess eine Zeitspanne, um sich aufzubauen. Bei einer Impulsbreite von 15 Nanosekunden, bei der sich das Licht pro Nanosekunde etwa um einen Fuß fortbewegt, kann das reflektierte Licht des Raman-Hohlraums in dem Lichtverstärkungshohlraum zehn Durchläufe absolvieren, bevor es ausreichend intensiv ist, um wirkungsvoll Leistung aus dem Pumpstrahl zu extrahieren. Deswegen gibt es lediglich in den letzten fünf Nanosekunden eine effektive Laserverstärkung.
  • Es ist seit Jahrzehnten bekannt, dass Raman-Effekte in dem Glaswerkstoff von Glasfasern stattfinden, aber niemand hat eine attraktive kommerzielle Nutzung für sie gefunden. Der Verstärkungskoeffizient von Glas ist zu gering, um sehr nützlich zu sein. Es gibt eine physikalische Begrenzung für die Breite der Faser, ist die Faser jedoch schmaler als die Wellenlänge des Lichts, kann sich das Licht nicht effizient durch die Faser ausbreiten. Es gibt außerdem eine Begrenzung, welche Leistung die Glasfaser aufnehmen kann, bevor sie schmilzt. Raman-Effekt-Laser, die einen Abschnitt einer Glasfaser verwenden, um das Licht zu verstärken, sind bekannt, es sind jedoch auf Grund des geringen Verstärkungskoeffizienten kilometerlange Abschnitte der Glasfaser erforderlich, damit der Raman-Effekt funktioniert. Außerdem ist die Restabsorption des Werkstoffs über diese Länge der Faser verhältnismäßig hoch und das beschränkt den Wir kungsgrad und begrenzt die Funktion auf Wellenlängen, die im Glas eine maximale Durchlässigkeit besitzen (d. h. 1,5 μm). Raman-Effekt-Laser mit kilometerlangen Glasabschnitten, die den Werkstoff Glas verwenden, um den Raman-Effekt zu erzeugen, sind nicht üblich.
  • Es ist außerdem bekannt, Glas zu dotieren, um den Raman-Streuquerschnitt zu verbessern. Siehe z. B. "Optical fibres and amplifiers" von P. W. France, Blackie and Son Ltd, 1991, S. 144–124 und EP-A-0 784 217.
  • Bei Glas gibt es ein Fenster bei etwa 1,5 μm mit sehr geringer Absorption. Das ist eine gute Wellenlänge für Raman-Effekt-Laser, die Verstärkung hängt jedoch von der Wellenlänge ab und der Verstärkungskoeffizient fällt stark ab, wenn sich die Wellenlänge ändert.
  • Wenn ein Einkristall aus Laserwerkstoff gezogen wird, ist ein Wert von einigen Zentimetern die Grenze, die sinnvoll erreicht werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung entstand aus der Betrachtung von Raman-Lasern und Techniken zur Verschiebung der Raman-Wellenlänge, kann jedoch auf andere Typen von Lasern und Vorrichtungen zur Wellenlängenverschiebung angewendet werden.
  • Gemäß einem ersten Aspekt, der im Anspruch 1 definiert ist, umfasst die Erfindung eine Licht aussendende oder Licht erfassende Vorrichtung, die im Gebrauch Licht aussendet und erfasst durch Raman-Emission von Photonen aus einem Photonen aussendenden Werkstoff, der Stokes-Strahlung und/oder Anti-Stokes-Strahlung erzeugen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere Bereiche aus kristallinem, Photonen aussendenden Werkstoff, die im Gebrauch Photonen aussenden, und Kopplungswerkstoff, der die Bereiche aus kristallinem, Photonen aussendenden Raman-Werkstoff betriebsfähig koppelt, aufweist.
  • Der Photonen aussendende Werkstoff kann ein Laserwerkstoff sein oder er kann statt dessen ein OPO-Werkstoff sein. Es gibt jedoch im Zusammenhang mit Lasern eine große Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten.
  • Es ist deswegen nicht erforderlich, dass ein großer Einkristall des Laserwerkstoffs (oder des Photonen aussendenden Werkstoffs) vorhanden ist.
  • Ba(NO3)2 (Bariumnitrat) ist als ein Festkörper-Raman-Medium für gepulste stimulierte Raman-Streulaser verwendet worden. Umsetzungswirkungsgrade von mehr als 30% sind im sichtbaren Licht von der Pumpfrequenz in die erste Stokes-Frequenz möglich. Der Umsetzungswirkungsgrad ist durch den Stoßbetrieb des Impulslasers, der zum Pumpen des Kristalls verwendet wird, den Beschädigungsschwellenwert des Werkstoffs und außerdem durch die begrenzte verfügbare Länge (~10 cm) begrenzt. Bariumnitrat-Kristalle sind hygroskopisch, sehr zerbrechlich und können nicht zu Lichtleitfasern mit einer bedeutenden Länge gezüchtet oder gezogen werden.
  • Als Teil der vorliegenden Erfindung ist nun anerkannt, dass dieser Werkstoff und außerdem jeder andere Werkstoff mit ähnlichen Raman-Eigenschaften zu einer Lichtleitfaser mit beliebiger Länge gebildet werden können, indem sie mit einem Kopplungswerkstoff, z. B. Glas, der den gleiche Brechungsindex besitzt, kombiniert werden.
  • Der Kopplungswerkstoff könnte ein Polymer, z. B. Polymethyl-Methyacrylat (PMMA) sein. Jedes Polymer, das einen gut angepassten Brechungsindex besitzt, nicht durch den Laser geschmolzen wird und die Partikel des Raman-Werkstoffs nicht beschädigt, kann geeignet sein.
  • Ein Artikel vom 15. April 1999 in Optical Communications 162 (1999) S. 191–199, veröffentlicht von Elsevier Science BV erläutert die experimentelle Untersuchung der Verstärkung eines Teststrahls durch stimulierte Raman-Streuung in einer pulverförmigen Probe aus Ba(NO3)2, die in einer Zelle mit Glaswänden gehalten wurde. Eine integrierende Kugel wurde verwendet, um das durch das Pulver ausgesendete Laserlicht zu sammeln und es über eine Faseroptik zu einem Sensor zu übertragen. Der Lasereffekt des Ba(NO3)2 war gepulst.
  • In der vorliegenden Erfindung gibt es gewöhnlich eine große Anzahl von Laserwerkstoffbereichen (Photonen aussendende Bereiche), die typischerweise Festkörperpartikel des Laserwerkstoffs sein können. Es können mehr als Hunderte, Tausende, Zehntausende, Hunderttausende oder Millionen von Partikeln oder Bereichen des Laserwerkstoffs vorhanden sein. Die Laserwerkstoffpartikel sind vorzugsweise in einem Körper aus Kopplungswerkstoff verteilt, wobei eine willkürliche Verteilung am stärksten vorzuziehen ist. Sie können eine willkürliche Orientierung oder eine allgemein geordnete Orientierung besitzen, wobei sie z. B. makroskopisch ausgerichtet sind. Das kann das Erreichen einer Lichtdurchlässigkeit längs einer Faserachse unterstützen. Die Erfindung vermeidet vorzugsweise eine starke Volumenstreuung von Licht bei den Betriebswellenlängen. Wenn die Partikel in dem Körper (z. B. Faser) aus Werkstoff des optischen para metrischen Oszillators sind und die Vorrichtung als ein OPO betrieben werden soll, dann müssen sie relativ zueinander so orientiert sein, dass sie zusammenwirken und kohärente phasenangepasste Ausgänge erzeugen. Eine Orientierung von Partikeln ist für einen Raman-Laser-Betrieb nicht erforderlich, bei dem die Partikel willkürlich verteilt und willkürlich orientiert sein können, es kann jedoch erwünscht sein, sie auszurichten. Es gibt vorzugsweise eine Grundmasse aus Laserwerkstoff/Kopplungswerkstoff, die vorzugsweise ein Festkörper ist. Der Kopplungswerkstoff kann vorzugsweise in einer mit Wänden versehenen Zelle (die z. B. mit Glaswänden versehen ist) gehalten werden. Der Brechungsindex des Laserwerkstoffs und der Brechungsindex des Kopplungswerkstoffs können bei einer Wellenlänge der Laserwirkung beim Betrieb der Vorrichtung im Wesentlichen gleich sein. Die Brechungsindizes des Laserwerkstoffs und des Kopplungswerkstoffs können während des Betriebs der Laservorrichtung auf wenigstens 1, 2, 3, 4, 5 oder mehr Dezimalstellen angepasst sein.
  • Als eine Alternative können lediglich einige wenige größere Partikel oder einige zehn größere Partikel in dem Glasfaser-/Grundmassenkörper vorhanden sein. Die Partikel können eine lang gestreckte Form aufweisen, die im Wesentlichen auf die Achse der Faser oder des Grundmassenkörpers ausgerichtet sein kann.
  • Der Kopplungswerkstoff muss beim Betrieb der Vorrichtung nicht in einem bedeutenden Umfang stimulierte Strahlung aussenden. Alternativ kann der Kopplungswerkstoff beim Betrieb Strahlung aussenden.
  • Die Vorrichtung ist vorzugsweise eine kontinuierliche Raman-Laser vorrichtung. Ein Pumplaser kann vorgesehen sein, wobei dieser ein kontinuierlicher Laser sein kann. Die Pumpvorrichtung kann ein OPO sein.
  • Die Laservorrichtung kann Temperatursteuerungsmittel aufweisen, um die Temperatur in dem Laserwerkstoff und in dem Kopplungswerkstoff zu steuern, um die Anpassung der Brechungsindizes zu unterstützen. Die Grundmasse aus Laserwerkstoff/Kopplungswerkstoff ist vorzugsweise in der Form eines lang gestreckten Körpers, der mit lang gestreckten Oberflächen versehen ist, die im Betrieb auf den Oberflächen auftreffendes ausgesandtes Laserlicht bei einem Winkel unter einem kritischen Winkel zurück in den Körper reflektieren, um dadurch das Laserlicht in dem Körper zu halten. Die Vorrichtung kann vorzugsweise einen Körper und vorzugsweise einen lang gestreckten Körper der Grundmasse aus Laserwerkstoff/Kopplungswerkstoff umfassen, der eine große Anzahl von Partikeln des Laserwerkstoffs aufweist. Der Körper kann ein Verhältnis Länge/Breite von wenigstens 20 und möglicherweise von wenigstens 100 oder größer besitzen. Der Körper kann eine Faser oder eine Litze umfassen. Das Verhältnis Länge/Breite könnte irgendeine geeignete Größe besitzen, z. B. von einer ebenen dünnen Scheibe bis zu einer Faser mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 1 oder 2 μm und einer Länge von mehreren Kilometern. Der Körper muss nicht lang gestreckt sein und könnte z. B. eine beliebige Form aufweisen, z. B. ein Würfel, ein Prisma, eine Linse, eine Kugel oder eine feste geometrische Form. Er muss kein Festkörper sein (er könnte einen Raum definieren oder teilweise definieren). Wenn das Produkt aus der Pumpintensität und der Wechselwirkungslänge ausreichend groß ist, könnte der Körper aus Kopplungs-/Laserwerkstoff mit einer Impulslaserquelle oder einer CW-Laserquelle verwendet werden. Es kann notwendig sein, für CW-Laserquellen einen in stärkerem Maße lang gestreckten Körper zu verwenden, und Impulslaserquellen können für eine Verwendung mit einem Volumenkörper besser geeignet sein.
  • Der Körper kann einen Kern aus einer Grundmasse aus Laserwerkstoff (oder einem anderen Photonen aussendenden Werkstoff)/Kopplungswerkstoff besitzen, der von einer Umhüllung oder einer Plattierung umgeben ist. Die Plattierung kann (bei einer Laserwellenlänge, die in der Laservorrichtung vorhanden ist, wenn diese betrieben wird) einen Brechungsindex besitzen, der sich von dem des Kerns wesentlich unterscheidet. Der Unterschied kann kleiner als 0,05, kleiner als 0,1, kleiner als 0,2 oder kleiner als ein größerer Wert sein. Die Plattierung besitzt vorzugsweise einen Brechungsindex, der kleiner als der des Kerns ist. Die Plattierung kann eine Schutzplattierung sein, die beim Betrieb den Laserwerkstoff des Kerns vor einem Kontakt mit der Luft/seiner Umgebung schützt.
  • Der Laserwerkstoff ist vorzugsweise Raman-Effekt-Laserwerkstoff, der Stokes-Strahlung und typischerweise außerdem Anti-Stokes-Strahlung erzeugen kann, könnte jedoch zusätzlich ein herkömmlicher optisch gepumpter Laserwerkstoff sein (z. B. Nd:YAG, Rubin, Alexandrit, Fosterit, Ho:YAG, Yb:YAG, Er:YAG, Nd:Glas, Er:Glas, Pr:YAG, Cr:GSGG usw.). Der Körper kann entweder Raman-Laserwerkstoff enthalten oder Bereiche sowohl aus Raman-Laserwerkstoff als auch aus herkömmlichem Laserwerkstoff enthalten. Der Kopplungswerkstoff selbst kann ein (bzw. kein) Laserwerkstoff sein.
  • Der Grundmassenkörper aus Laserwerkstoff/Kopplungswerkstoff schafft im Betrieb eine ausreichend große Wechselwirkungslänge für den Raman-Werkstoff, damit der Umsetzungswirkungsgrad wesentlich ist und vorzugsweise wenigstens 20%, wenigstens 40%, wenigstens 80% oder wenigstens 90% beträgt. Die Anordnung kann derart sein, dass sich der Umsetzungswirkungsgrad dem Wert von 100% nähert, wenn alle Raman-Frequenzen (Stokes- und Anti-Stokes-Frequenzen) extrahiert werden.
  • Der Körper oder die Faser kann eine Länge in der Größenordnung von einem Meter oder von mehreren Metern oder in der Größenordnung von zehn Metern oder von mehreren zehn Metern haben. Die Faser besitzt vorzugsweise eine Länge von mindestens 50 Metern, sie könnte jedoch bis zu 100 Metern lang oder länger sein.
  • Die Laservorrichtung kann einen Pumplaser und vorzugsweise einen Festkörper-Pumplaser sowie eine Grundmasse aus Raman-Laserwerkstoff/Kopplungswerkstoff mit einer Länge (oder mit einer Wechselwirkungslänge) aufweisen, derart, dass wenigstens zwei unterschiedliche Farben durch den Körper ausgesendet werden können, wenn die Vorrichtung im Betrieb ist. Die zwei unterschiedlichen Farben können das Pumplicht und eine Stokes-Emission von dem Laserwerkstoff; oder Licht von unterschiedlichen Stokes-Emissionen oder Anti-Stokes-Emissionen umfassen. Es können vorzugsweise wenigstens zwei Farben von dem Körper gleichzeitig ausgesendet werden. Abstimmungsmittel können in der Vorrichtung vorgesehen sein, um Laserlicht mit einer ausgewählten Wellenlänge aus der anderen Farbe oder den anderen Farben, die durch die Vorrichtung ausgesendet werden, auszublenden.
  • Die Laservorrichtung kann mehrere Körper aufweisen, die so angeordnet sind, dass sie im Betrieb verschiedene Farben (oder Kombina tionen von Farben) des Laserlichts in Bezug auf unterschiedliche Stokes- oder Anti-Stokes-Strahlung (oder unterschiedliche Kombinationen von Stokes- oder Anti-Stokes-Strahlung) aussenden. Die Laservorrichtung kann 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder mehr unterschiedliche gefärbte Laserstrahlen möglicherweise gleichzeitig aussenden oder sie kann alternativ abgestimmt werden, um eine Auswahl ihrer möglichen Wellenlängen, möglicherweise eine Wellenlänge zu einem Zeitpunkt oder möglicherweise mehr als eine Wellenlänge zu einem Zeitpunkt auszusenden. Die Farben liegen vorzugsweise im sichtbaren System oder das trifft wenigstens für eine der Farben zu. Die Farben können aus der Gruppe sein, die rot, orange, gelb, grün und blau umfasst.
  • Die Länge der Faser/des Körpers kann derart sein, dass im Betrieb Laserlicht von einer Raman-Emission (oder von dem Pumplaser) sich in dem Prozess befindet, bei dem es durch eine andere Raman-Emission, die durch die eine Emission gesteuert wird, verdrängt wird, wodurch ein Laserlichtausgang mit mehr als einer Wellenlänge geschaffen wird.
  • Es können Laserwerkstoffpartikel einer ersten Art und Laserwerkstoffpartikel einer zweiten Art in der Grundmasse aus Kopplungswerkstoff/Laserwerkstoff vorhanden sein. Die Partikel der ersten Art können aus einer Substanz sein, die von der Substanz der Partikel der zweiten Art verschieden ist. Das ermöglicht, dass ein einzelner Körper die unterschiedlichen Laserwerkstoffe, die vorzugsweise Raman-Laserwerkstoffe sind, aufweist.
  • Vorzugsweise sind die Brechungsindizes des Laserwerkstoffs und des Kopplungswerkstoffs bei der Pumpwellenlänge und vorzugsweise bei der Wellenlänge der ersten Stokes-Emission und insbesondere bei mehreren Wellenlängen der Raman-Emission sehr genau angepasst. Die Brechungsindizes können über einen Wellenlängenbereich von 200 nm oder mehr angepasst sein. Sie können über den Wellenlängenbereich 500–700 nm angepasst sein. Die Brechungsindizes können über das sichtbare Spektrum, z. B. von etwa 400 nm bis etwa 750 nm angepasst sein. Viele Raman-Werkstoffe sind über einen größeren Bereich als diesen durchlässig und die Brechungsindizes können z. B. über einem Bereich von etwa 300 nm bis etwa 5000 nm angepasst sein.
  • Die Laserwerkstoffpartikel können im Vergleich zu der Betriebswellenlänge der Laservorrichtung (oder aller Betriebswellenlängen) so klein sein, dass im Betrieb im Wesentlichen keine Volumenstreuung von Licht stattfindet. Eine Streuung kann entweder Mie- oder Rayleigh-Streuung sein. Die Partikel besitzen einen Durchmesser (oder eine größte Länge), der kleiner als die Wellenlänge der Pumpwellenlänge ist und möglicherweise maximal 50% oder maximal 10% davon beträgt. Es kann dann erforderlich sein, den Brechungsindex des Kopplungswerkstoffs (falls im Wesentlichen keine Streugrenzflächen vorhanden sind) in Abhängigkeit von der Streuwellenlänge im Vergleich zu den Betriebswellenlängen anzupassen.
  • Der Körper kann einige Partikel aus Raman-Werkstoff (oder einem anderen Laser oder Photonen aussendenden Werkstoff), die groß sind und eine Volumenstreuung des Lichts ausführen, sowie einige Partikel, die zu klein sind, um eine Volumenstreuung des Lichts auszuführen, aufweisen. Die großen und die kleinen Partikel können aus unterschiedlichen Werkstoffen sein. Das Kopplungsmittel kann im Brechungsindex an die größeren Partikel oder sowohl an große als auch an kleine Partikel angepasst sein.
  • Die Laservorrichtung kann einen Laserwerkstoff/Kopplungskörper, vorzugsweise eine Faser zur Verwendung mit einem Pumplaser und einem optischen Ausgabesystem umfassen. Alternativ kann die Laservorrichtung einen Pumplaser und/oder ein optisches Ausgabesystem enthalten.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt, der im Anspruch 17 definiert ist, umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen oder Erfassen von Laserstrahlung, bei dem ein Laserkörper mit mehreren Bereichen aus kristallinem Raman-Laserwerkstoff verwendet wird, die durch einen Kopplungswerkstoff betriebsfähig miteinander gekoppelt sind, wobei die Bereiche aus kristallinem Raman-Laserwerkstoff Stokes- oder Anti-Stokes-Raman-Emissionen erzeugen.
  • Das Verfahren umfasst vorzugsweise das Pumpen des Körpers mit Laserlicht, das Raman-Effekt-Emissionen aus den Laserwerkstoffbereichen bewirkt.
  • Das Verfahren umfasst vorzugsweise das Verwenden einer großen Anzahl von Raman-Laserwerkstoffpartikeln, die in einer Kopplungsgrundmasse vorgesehen sind. Der Brechungsindex des Laserwerkstoffs ist vorzugsweise an den des Kopplungswerkstoffs angepasst. Die Partikel können willkürlich verteilt und/oder willkürlich orientiert sein.
  • Das Verfahren umfasst vorzugsweise das Erzeugen von Laserlicht mit mehr als einer Wellenlänge aus dem selben Raman-Laserwerkstoff/Kopplungsmittelkörper durch Anordnen des Körpers in der Wei se, dass Laseremissionen von wenigstens zwei der folgenden Arten erzeugt werden: Pumplaser; erste Stokes-Emission; zweite Stokes-Emission; dritte Stokes-Emission; vierte Stokes-Emission; folgende Stokes-Emissionen; erste Anti-Stokes-Emission; folgende Anti-Stokes-Emissionen.
  • Das Verfahren kann das Erzeugen von Laserlicht mit unterschiedlichen Wellenlängen umfassen, indem mehr als eine Art von Raman-Laserwerkstoff in dem Körper vorhanden ist und indem die unterschiedlichen Raman-Wechselwirkungen der unterschiedlichen Werkstoffen verwendet werden, um Laserlicht mit unterschiedlichen Wellenlängen zu erzeugen.
  • Das Verfahren kann das Anordnen des Körpers umfassen, derart, dass im Wesentlichen das gesamte Licht, das von dem Körper ausgesendet wird, eine einzige Wellenlänge besitzt.
  • Das Verfahren kann das Emittieren von Laserlicht mit mehr als einer Wellenlänge umfassen, indem Körper mit ähnlicher Zusammensetzung, aber mit unterschiedlichen Längen oder unterschiedlichen effektiven Längen vorhanden sind, so dass sie Raman-Effekt-Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen aussenden.
  • Das Verfahren umfasst vorzugsweise das Verkürzen der Länge des Körpers auf eine gewünschte Länge, die gewählt wurde, damit eine gewünschte Raman-Wellenlänge oder mehrere gewünschte Raman-Wellenlängen ausgesendet werden. Das Verfahren kann das Reflektieren von Laserlicht längs des Körpers umfassen, damit das Licht mehrere Durchgänge durch den Körper ausführt.
  • Gemäß einem dritten Aspekt, der im Anspruch 23 definiert ist, umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Laservorrichtung oder eines optischen parametrischen Oszillators OPO, bei dem kristalliner Raman-Laserwerkstoff bzw. optischer parametrischer Raman-Werkstoff einem Kopplungswerkstoff hinzugefügt wird, wobei Raman-Laserpartikel oder Raman-OPO-Partikel entweder (i) mit einem Kopplungswerkstoff gemischt werden; oder (ii) in dem Kopplungswerkstoff gelöst oder durch diesen getragen werden und auskristallisieren, um in dem Kopplungswerkstoff Kristalle zu bilden.
  • Das Verfahren umfasst vorzugsweise, dass der Raman-Laserwerkstoff oder der OPO-Werkstoff mit dem Kopplungsmittel vorhanden ist, während das Kopplungsmittel in einem flüssigen Zustand ist und anschließend abbindet, um einen festen Körper zu bilden (z. B. Mischen von Partikeln des Raman-Laser-/OPO-Werkstoffs mit einem flüssigen Kopplungsmittel). Das Verfahren umfasst vorzugsweise das Ziehen oder Spinnen einer Fasergrundmasse aus Kopplungsmittel/Raman-Werkstoff und einer Fasergrundmasse aus Kopplungsmittel/OPO-Werkstoff. Eine Plattierung wird vorzugsweise bei dem Raman-Laserwerkstoff und dem Kopplungsmittel-Grundmassenkörper angewandt. Die Plattierung kann mit dem Kern gemeinsam gezogen oder gemeinsam extrudiert werden oder kann aufgebracht werden, nachdem der Kern gebildet wurde.
  • Das Verfahren kann das Schneiden oder das andersartige Bilden eines Körpers aus einer Raman-Laserwerkstoff/Kopplungsmittelfaser mit einer vorgegebenen Länge umfassen, die gewählt wurde, um eine vorgegebene Ausgangswellenlänge des Raman-Lasers zu aktivieren.
  • Gemäß einem vierten Aspekt umfasst die Erfindung die Verwendung einer Glasfaser, die Raman-Laserwerkstoffpartikel enthält, in einem Laser, um Laserlicht zu erzeugen. Das erzeugte Laserlicht besitzt vorzugsweise mehr als eine Wellenlänge.
  • Gemäß einem fünften Aspekt umfasst die Erfindung die Verwendung von einer oder von mehreren Längen der Körper aus Raman-Laserwerkstoff/Kopplungsmittel, um eine Laservorrichtung herzustellen, die Laserlicht mit wenigstens zwei oder drei Farben erzeugen kann.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung die Verwendung von Glas oder einer Polymerfaser oder eines Polymerkörpers, die Laserwerkstoffpartikel oder -bereiche enthalten, in einem Laser, um Laserlicht zu erzeugen oder zu erfassen.
  • Die vorliegende Erfindung besteht darin, eine Lichtleitfaser zu verwenden, um den Laserstrahl zu begrenzen und um einen Laserhohlraum zu bilden, damit eine Laseraktivität/Verstärkung in dem in der Faser vorgesehenen Raman-Werkstoff stattfinden kann, wobei die Stokes/Anti-Stokes-Strahlung teilweise darin eingeschlossen ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der Werkstoff des Kopplungsmittels selbst ein Laserwerkstoff sein (z. B. Er:Glas oder Nd:Glas). Somit können sowohl der Werkstoff des Kopplungsmittels als auch der Laserwerkstoff Laserstrahlen aussenden. Der Laserwerkstoff kann das Licht modifizieren, das durch den Laserstrahlen aussendenden Werkstoff des Kopplungsmittels ausgesendet wird, oder der Laserstrahlen aussendende Werkstoff des Kopplungsmittels kann umgekehrt das Licht modifizieren, das durch die Laserwerkstoffbereiche ausgesendet wird. Ein Pumplaser (z. B. eine Diodenlaserquelle) könnte z. B. einem herkömmlichen Faserlaser pumpen, in dem Faserlaser könnten jedoch Raman-Partikel eingebettet sein, die seine Faserlaser-Wellenlänge an Ort und Stelle so verschieben, dass der Ausgang bei der Wellenlänge bzw. den Wellenlängen der Raman-Emission erfolgen würde.
  • Die Erfindung kann bei einer Photonen-Bandlücken-Vorrichtung oder einer Photonen-Kristall-Vorrichtung angewendet werden. Diese können die Herstellung einer Faser mit großem Kerndurchmesser ermöglichen, die trotzdem im Einzelmodus arbeitet. Die Vorrichtung kann so beschaffen sein, dass sie bei einem Gegenstand angewendet wird, um die Herstellung von gefälschten Gegenständen zu unterbinden.
  • Photonenkristallfasern werden in Birks, T. A.; Knight, T. C.; Russel, P. Steuerung J., "Endlessly Single Mode Photonic Crystal Fibre", in Optical Letters, Bd. 22, S. 961, 1977 erläutert. Photonen-Bandlücken-Fasern werden in R. F. Cregan; B. J. Morgan; J. L. Knight; T. A. Birks; P. St J. Russel; P. J. Roberts; D. C. Allan, Science, Bd. 285, S. 1537, 1999 erläutert. Kurz gesagt und allgemein ausgedrückt besitzt eine Photonenkristallfaser einen festen Kern mit vielen Löchern und ein Bündel aus Kapillarröhren verläuft parallel zum Kern. Eine Photonen-Bandlücken-Faser besitzt ein hohles Zentrum mit einem Luftspalt.
  • Nachdem die Erfindung gemacht wurde, wurde eine Suche ausgeführt und Folgendes gefunden: das Patent GB 2.289.159, das einen Laser mit dotiertem Glas offenbart, das mit einem Halbleiter-Mikrokristallit, z. B. Cadmium dotiert ist; das Patent US 5.717.517 offenbart einen gepumpten Lichtverstärker, der Licht absorbiert; das Patent US 5.434.878 offenbart eine Laserfarbe unter Verwendung von starker Volumenstreuung von Licht.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
  • 1 eine Lichtleitfaser gemäß der Erfindung zeigt;
  • 1A eine Einzelheit der Lichtbrechung in der Faser zeigt;
  • 2 einen geschätzten Umsetzungswirkungsgrad für die Vorrichtung von 1 zeigt;
  • 3 eine Reihe von geschätzten Umsetzungswirkungsgraden für die Vorrichtung von 1 zeigt, die jedoch mit Pumplasern unterschiedlicher Leistung gepumpt werden;
  • 4 zeigt, wie sich der Durchlass der Vorrichtung von 1 mit der Anzahl von Partikeln in der Faser für drei verschiedene Werte der Fehlanpassung zwischen den Brechungsindizes der die Raman-Strahlung aussendenden Partikel und einer Kopplungsmittel-Grundmasse ändert;
  • 5 eine Tabelle mit einigen Werkstoffen zeigt, von denen bekannt ist, dass sie die Fähigkeit eines Raman-Lasers besitzen und zur Verwendung in der Erfindung geeignet sein können;
  • 6 eine weitere Tabelle ist, die geschätzte Raman-Verstärkungskoeffizienten für eine Anregung bei 1064 nm für unterschiedliche Werkstoffe zeigt;
  • 7 die Ausgangsleistung als eine Funktion der Faserlänge für die Vorrichtung von 1 zeigt;
  • 8 die Ausgangsleistung als eine Funktion der Faserlänge für die Vorrichtung von 1 zeigt, jedoch mit einer teilweise reflektierenden Beschichtung am Ausgang der Faser und mit einer zu 100% reflektierenden Beschichtung am Eingang der Faser (wobei sich die Reflexionsfähigkeiten auf die Raman-Wellenlängen und nicht auf die Pumpwellenlänge beziehen);
  • 9 einen Laser schematisch zeigt, der die Vorrichtung von 1 verwendet;
  • 10 eine alternative Laservorrichtung schematisch zeigt;
  • 11 die Außenansicht des Lasers der 10 oder 11 zeigt;
  • 11A eine weitere Laservorrichtung zeigt;
  • die 12 und 13 alternative Faseroptiken zeigen;
  • 14 einige Merkmale der Faser von 1 mit vergrößerten Winkeln zeigt;
  • die 15 und 16 weitere alternative Fasern zeigen; und
  • 17 das Prinzip der Stokes- und Anti-Stokes-Emissionen zeigt.
  • 17 erläutert schematisch das Prinzip von Raman-Verschiebungen. Ein ankommendes Photon 10 trifft auf ein (nicht gezeigtes) Molekül und das Molekül besitzt eine natürliche angeregte Schwingungsfrequenz 12(R) auf einem höheren Energiepegel als sein Grundzustand 14(g). Das Molekül oder ein Elektron des Moleküls kann so betrachtet werden, dass es in einen virtuellen Pseudo-Anregungszustand V angeregt ist, von dem es sofort zu dem angeregten Raman-Schwingungszustand 12 zerfällt, wobei es ein Photon 16 mit einer Energie aussendet, die um einen quantisierten Betrag kleiner ist als die des auftreffenden Photons 10 (um die Energiedifferenz zwischen R und g kleiner). Somit tritt Licht mit einer Wellenlänge ein (Photon 10) und Licht mit einer anderen größeren Wellenlänge (Photon 16) tritt aus. Das ist Stokes-Strahlung.
  • Wenn in ähnlicher Weise ein Photon 18 auf ein Atom trifft, das in seinem angeregten verschobenen Raman-Zustand R ist, kann es die Raman-Verschiebungsenergie aufnehmen und bei einer höheren Frequenz absorbiert/neu ausgesendet werden (Photon mit dem Bezugszeichen 20), wobei das Atom auf seinen Grundzustand zurückfällt. Das ist die Anti-Stokes-Strahlung. Es wird anerkannt, dass dann, wenn viele Photonen mit der richtigen Energie vorhanden sind, der Raman-Effekt stimuliert wird. Eine Lichtverstärkung durch stimulierte Emission kann erreicht werden, wenn die Bedingungen zutreffend sind.
  • 1 zeigt schematisch eine Laserglasfaser 22 mit einem zylindrischen Kern 24, der von einer ringförmigen Plattierung oder Einfassung 26 umgeben ist.
  • Der Kern 24 umfasst Raman-Emissions/Raman-Laserpartikel 28, die in einer Glasgrundmasse 30 gehalten werden. Der Brechungsindex des Glases 30 ist bei der interessierenden Lichtwellenlänge von beispielsweise 580 nm (gelb) bis auf drei Dezimalstellen gleich dem Brechungsindex der Partikel 28. Ein geeignetes Glas kann BaK 1 sein, es muss jedoch in der Weise mit anderen Glassorten gemischt sein und/oder in der Weise temperaturgesteuert sein, dass die gewünschte Anpassung von n in der gewünschten Genauigkeit erreicht wird.
  • Die Partikel sind in dem Beispiel von 1 Bariumnitrat-Kristalle (Ba(NO3)2). Sie besitzen in diesem Beispiel eine Größe von etwa 1 μm.
  • Die Plattierung 26 ist ein Glas mit einem anderen Brechungsindex (n), der typischerweise ein kleinerer Wert n ist. In diesem Beispiel ist ein Brechungsindex um einige Prozentpunkte kleiner als der Brechungsindex der Glas-Raman-Grundmasse (GRM).
  • 1 zeigt Eingangs-Pumplaserlicht 32, das über eine Linse 34 an einem Ende in die Glasfaser 22 eingegeben wird. Für einen Bariumnitrat-Raman-Laser wäre 532 nm (grün) eine geeignete Pumpwellenlänge. Wenn sich das gepumpte Laserlicht in dem Glas fortbewegt, trifft es auf die Ba(NO3)2-Partikel/Kristalle und eine Brechung/Reflexion ist durch die sehr genaue Anpassung des Brechungsindex praktisch ausgeschlossen. In dem Ba(NO3)2 wird Stokes-Strahlung 36 bei einer ersten Stokes-Wellenlänge 563 nm (gelb) erzeugt. Wenn das gelbe Licht 36 auf Ba(NO3)2 trifft, wirkt es als eine Pumpfrequenz für eine zweite Stokes-Strahlung 38 (bei 599 nm, orange). Das orange Licht wirkt außerdem als eine Pumpfrequenz für eine dritte Stokes-Strahlung 40 (bei 639 nm, rot) usw. Es wird anerkannt, dass dann, wenn ein anfänglicher Abschnitt der Lichtleitfaser 22 von dem Licht durchlaufen wurde, an jedem Punkt in dem Abschnitt der Faser Licht, erstes Stokes-Licht, zweites Stokes-Licht, sowie Stokes-Licht der dritten und vierten Ordnung vorhanden ist. Die Intensität des Lichts bei einer beliebigen zulässigen Frequenz wird außerdem durch die Absorption des Glas/Raman-Werkstoffs bei dieser Frequenz und den Wirkungsgrad der verschiedenen Stokes-Emissionen bestimmt. In Abschnitten der Glasfaser, die von dem Pumplasereingang entfernt sind, ist praktisch das gesamte Licht zu anderen Frequenzen umgesetzt.
  • Ein geeigneter Durchmesser für den Kern 24 liegt bei etwa 2 μm bis 5 μm (in Abhängigkeit von dem Unterschied des Brechungsindex zwischen dem GRM-Kern und der Plattierung). Eine geeignete radiale Dicke für die Plattierung 25 liegt bei einigen zehn Mikrometern.
  • Die Faser 22 erzeugt einen Laser mit einer Leistung in der Größenordnung von 1 W, es ist jedoch in Abhängigkeit von dem Kernwerkstoff wahrscheinlich möglich, bei einem Kerndurchmesser von 2 μm eine Leistung in der Größenordnung von 10 W zu erreichen. Somit wird ohne Orientierung der Raman-Werkstoffpartikel in der Faser ein kohärenter Laserausgang mit einer beträchtlichen Leistung erreicht.
  • Somit stellt die GRM-Faser von 1 eine Möglichkeit dar, mehrere Farben des Laserlichts (bei unterschiedlichen Raman-Linien) zu erzeugen.
  • Es wird außerdem anerkannt, dass Anti-Stokes-Strahlung, die in dem Ba(NO3)2-Laser erzeugt wird, das grüne Pumplaserlicht in blaue Anti-Stokes-Strahlung erster Ordnung (504 nm) umsetzen kann. Es ist vorstellbar, dass gleichfalls Anti-Stokes-Strahlung zweiter Ordnung, dritter Ordnung und weiterer Ordnungen erzeugt werden kann.
  • Die Anzahl von Partikeln und die Intensität des auftreffenden Lichts bestimmen, ob in der Faser 22 Lasereffekte auftreten. Wenn die ursprüngliche Intensität zu gering ist oder nicht genug Partikel für die Raman-Laser-Erzeugung vorhanden sind, oder wenn zu viel Licht verloren geht, bevor ein stimulierter Raman-Effekt stattfindet, kann die Faser das Pumplicht nicht wirkungsvoll in Raman-Wellenlängen umsetzen.
  • 2 zeigt den geschätzten Wirkungsgrad der Raman-Umsetzung für einer Faser mit 5 μm Kerndurchmesser mit der Leistung 1 W mit Ba(NO3)2-Kristallen in der Glas-Raman-Grundmasse (GRM) und zeigt, dass eine Wechselwirkungslänge unter etwa 1,25 m nicht besonders nützlich ist. In dem Bereich der Wechselwirkungslänge von 1,25 m bis 1,75 m ist der Umsetzungswirkungsgrad auf die Wechselwirkungslänge empfindlich. Bei einer Wechselwirkungslänge von mehr als 1,75 m nähert sich der Quanten-Umsetzungswirkungsgrad theoretisch dem Quantengrenzwert. Es ist deshalb in diesem Beispiel erwünscht, eine Wechselwirkungslänge von mindestens etwa 1,75 m zu haben, wenn ein großer Umsetzungswirkungsgrad gewünscht ist (die Wechselwirkungslänge ist gleich der Faserlänge, wenn keine Reflexionen an Endflächen der Faser vorhanden sind).
  • Es kann außerdem in bestimmten Anwendungen erwünscht sein, den Laser in dem Bereich zu betreiben, der mit dem Bezugszeichen 42 angegeben ist, in dem der Umsetzungswirkungsgrad auf Änderungen der Wechselwirkungslänge empfindlich ist. Das wird später erläutert.
  • 3 zeigt einen berechneten Umsetzungswirkungsgrad bei einer Wechselwirkungslänge für die Lichtleitfaser von 1, die mit Pumplasern unterschiedlicher Intensität gepumpt wird. Die Linie 44 entspricht einem 1 W-Pumplaser (wie in 2); die Linie 46 entspricht einem 5 W-Pumplaser; und die Linie 48 entspricht einem 100 mW-Pumplaser. Die Figur zeigt, je geringer die Leistung des Pumplasers ist, desto größer ist die Wechselwirkungslänge, die erforderlich ist, um sich dem maximalen Raman-Umsetzungswirkungsgrad anzunähern.
  • Die Formel, die zur Berechnung des vorhergesagten Raman-Umsetzungswirkungsgrads bei einer Wechselwirkungslänge verwendet wird, ist eine Standard-Formel.
  • Jedes Partikel 28, das durch Strahlung getroffen wird, stellt eine Möglichkeit der Streuung dar. Selbst die beste Anpassung des Brechungsindex des Raman-Werkstoffs 28 an den Kopplungswerkstoff 30 ist nicht über einen großen Frequenzbereich absolut genau. Je größer die Anzahl der Grenzflächen Partikelkopplungsmittel/Träger ist, desto stärker ist die Streuung und desto geringer ist der Umsetzungswirkungsgrad. Hier ist die Anzahl der Partikel und nicht notwendigerweise ihre Größe relevant (siehe weiter unten). Die Konzentration der Partikel ist normalerweise im Vergleich zur Anzahl der Partikel besonders relevant.
  • 4 zeigt eine Berechnung, die die Gesamtdurchlassfähigkeit für die Faser von 1 zeigt und wie sie sich mit der Anzahl der Partikel und mit der Fehlanpassung zwischen dem Brechungsindex des Raman-Werkstoffs und des Brechungsindex des Kopplungsmittel/Partikelträger-Mediums ändert. Die Kurve 50 zeigt die Durchlassfähigkeit gegenüber der Anzahl der Partikel für einen Unterschied bei den Brechungsindizes von 0,01, die Kurve 52 für einen Unterschied bei den Brechungsindizes von 0,001 und die Kurve 54 für einen Unterschied bei den Brechungsindizes von 0,0001. Je mehr Partikel vorhanden sind, desto genauer müssen die Brechungsindizes übereinstimmen.
  • In der Praxis sind die Partikel nicht kugelförmig, die Kurven verlaufen trotzdem in der gezeigten Weise, wobei 4 ferner die allgemeine Beziehung zwischen dem zugelassenen Wert Δn und der Anzahl der Partikel, die zulässig ist, bevor sich die Durchlassfähigkeit drastisch verringert, veranschaulicht.
  • 5 zeigt eine Liste von Werkstoffen, die der Raman-Laserwerkstoff sein können. Das ist keine vollständige Liste. Es wird angemerkt, dass die Raman-Partikel gemäß der Erfindung Einkristalle oder Partikel aus polykristallinem Werkstoff sind.
  • 6 zeigt Raman-Informationen für eine weitere Liste von Werkstoffen, die den Raman-Werkstoff bilden könnten.
  • 7 zeigt einen berechneten Leistungsausgang eines kontinuierlichen Raman-Lasers bei einer Faserlänge und gibt die Wellenlänge des Ausgangs bei der fraglichen Länge und Leistung an. Dies gilt für die Anordnung von 1 mit einem 1 W-Pumplaser und Ba(NO3)2-Kristallen (die ausreichend vorhanden sind, um stimuliertes Raman-Licht zu erzeugen).
  • Die Linie 50 gibt den Pumpeingangslaser bei 532 nm an. Für eine Faser, die kürzer als etwa 2 m ist, ist das Ausgangslicht praktisch das gesamte Pumplicht, wobei im Wesentlichen kein Raman-Effekt stattfindet. Dies ist als Bereich 51 angegeben. Wenn die Pumpleistung mit der Länge abfällt, steigt die erste Stokes-Emission, die mit dem Bezugszeichen 52 angegeben ist, rampenförmig an, so dass bei einer Faser mit der Länge von etwa 3 m bis etwa 7 m der Ausgang der Faser im Wesentlichen vollständig die erste Stokes-Emission ist (563 nm), die mit dem Bezugszeichen 53 angegeben ist. Die Intensität der übertragenen ersten Stokes-Strahlung verringert sich mit der Länge der Faser, wenn die zweite Stokes-Strahlung (mit dem Bezugszeichen 54 angegeben) überhand nimmt, und von etwa 8 m bis 16 m ist der Ausgang im Wesentlichen vollständig die zweite Stokes-Frequenz (etwa 599 nm), die mit dem Bezugszeichen 55 angegeben ist. Die dritte Stokes-Strahlung, die mit dem Bezugszeichen 56 angegeben ist, nimmt überhand und von etwa 17 m bis 26 m ist der Ausgang im Wesentlichen vollständig die dritte Stokes-Strahlung (639 nm), die mit dem Bezugszeichen 57 angegeben ist. In ähnlicher Weise nimmt die vierte Stokes-Strahlung 58 überhand, wenn die Faser länger wird und von etwa 28 m bis 44 m ist der Ausgang im Wesentlichen vollständig die vierte Stokes-Strahlung (mit dem Bezugszeichen 59 angegeben).
  • 7 ist eigentlich nicht vollkommen richtig, da sie Anti-Stokes-Emissionen ignoriert, die noch weitere Farben einführen und die Leistungen, die für die übertragene Stokes-Strahlung gezeigt sind, verringern. 7 zeigt jedoch, dass bei bestimmten Längen spezielle Wellenlängen in starkem Maße übertragen/ausgesendet werden, wohingegen andere Wellenlängen praktisch auf null zurückgehen. Sie zeigt außerdem, dass es bei bestimmten Längen möglich ist, das Aussenden von Licht zu bewirken, das zwei unterschiedliche Farben (und mit Anti-Stokes möglicherweise 3 oder 4 oder mehr Farben aus dem gleichen Faserabschnitt) aufweist.
  • Es wird außerdem angemerkt, dass dann, wenn die Faser bestimmte Längen besitzt, bei denen Licht mit einer Frequenz beginnt, die Lasererzeugung der nächsten Stokes-Emission zu bewirken (z. B. bei etwa 2,5 m, 7,9 m, 16,3 m, 27,9 m und etwa 44 m), eine bedeutende Ausgangsleistung für zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlicher Frequenz vorhanden ist. Derartige Übergangsbereiche sind mit den Bezugszeichen 60, 62, 64, 66, 68 angegeben. Es kann erwünscht sein, die Länge der Faser so einzurichten, dass wenigstens zwei Farben ausgesendet werden.
  • 7 gilt für einen Kerndurchmesser von 2 μm und einen "Füllfaktor" von 0,1, d. h. ein Zehntel des Glasvolumens im Kern ist durch Bariumnitrat ersetzt.
  • 8 zeigt die Ausgangsleistung gegenüber der Faserlänge für eine Faser mit einer teilweise reflektierenden Beschichtung am Ausgang der Faser und einer zu 100% reflektierenden Beschichtung am anderen Ende (am Eingang der Faser), wobei die Reflexionsfähigkeit bei der Raman-Wellenlänge angegeben ist. Die Beschichtung mit teilweiser Reflexionsfähigkeit ist so gewählt, dass die Reflexionsfähigkeit ansteigt, wenn die Raman-Wellenlängen größer werden. Das vergrößert die "effektive Länge" der Faser für jede nachfolgend erzeugte Raman-Wellenlänge. Das verkürzt die erforderliche Länge der Faser, um die "n-te" Raman-Linie zu erreichen.
  • Ein Vorteil der Plattierung besteht darin, dass sie die GRM und den darin enthaltene Raman-Werkstoff vor der äußeren Umgebung schützt. Manche Raman-Werkstoffe sind hygroskopisch und könnten sich verschlechtern, wenn zugelassen wird, dass sie mit Luft in Kontakt gelangen.
  • Ein weiterer Vorteil der Plattierung besteht darin, dass sie hilft, den optischen Ausbreitungsmodus für einen vorgegebenen Kerndurchmesser zu steuern. Das wird durch die Fehlanpassung des Brechungsindex zwischen dem Kern und der Plattierung erreicht.
  • Es sollte an diesem Punkt erwähnt werden, dass der Brechungsindex von Werkstoffen bei einer bestimmten Wellenlänge sich typischerweise mit der Temperatur (und mit der Belastung) ändert. Temperatur und Belastung können z. B. den Gitterabstand von kristallinen Werkstoffen ändern und das verändert ihren Brechungsindex.
  • Wenn keine gute Übereinstimmung des Brechungsindexes mit dem geforderten Grad der Genauigkeit zwischen zwei Werkstoffen bei einer Temperatur vorhanden ist, kann deshalb die Temperatur geändert werden, um eine bessere Übereinstimmung zu erhalten. Die Änderungsrate von n mit der Temperatur ist typischerweise bei zwei Werkstoffen für jeden Werkstoff unterschiedlich, so dass es häufig möglich ist eine Temperatur zu finden, bei der ihre Brechungsindizes übereinstimmen.
  • Diese Idee kann ferner verwendet werden, um die Brechungsindizes von drei (oder mehr) unterschiedlichen Werkstoffen anzupassen oder besser anzupassen (siehe unten). Eine sorgfältige Steuerung von Werkstoffen und/oder der Temperatur und/oder der Belastung kann verwendet werden, um 2, 3, 4 oder mehr unterschiedliche Werkstoffe über einen weiten Bereich von Betriebswellenlängen innerhalb eines vorgegebenen Genauigkeitsgrads anzupassen.
  • 9 zeigt schematisch eine mögliche Lasereinheit 90 für die Unterhaltungsindustrie, z. B. einen Laser zum Erzeugen einer Lichtschau, die z. B. bei einem Konzert, in einem Theater, bei einem Freiluft-Ereignis, in einer Diskothek usw. stattfinden könnte. Der Laser 90 besitzt einen Hauptpumplaser 92, der z. B. einen kontinuierlichen Festkörper-Diodenlaser oder einen diodengepumpten Laser mit einer Leistung von beispielsweise 0,1 W bis einigen Watt oder einigen zehn Watt umfasst, wobei eine Laservorrichtung 94 eine Spirale aus Lichtleitfaser umfasst, wie in 1 gezeigt ist; eine Farbauswahleinrichtung 96; eine Ausgangsanzeige oder eine Lichtausgabeeinheit oder -modul 98; wahlweise eine Temperatursteuereinheit 100 und einen Steuerprozessor oder Computer 102.
  • Die Vorrichtung 94 des Lasers 90 wird in einem der in 7 gezeigten Übergangsbereiche 60, 62, 64, 66, 68 betrieben und gibt deswegen Laserlicht mit wenigstens zwei Farben (z. B. grün und gelb, Übergang 60; gelb und orange, Übergang 62; orange und rot, Übergang 64) aus.
  • Die Farbwähleinrichtung 117 kann entweder beide Farben bzw. mehr als ein Farbe durchlassen oder sie kann als ein Filter wirken, das mehr oder weniger einer bestimmten Farbe und von bestimmten Farben durchlässt. Auf diese Weise kann der Laserstrahl (durch Mischen/proportionales Anpassen der durchgelassenen Strahlen) von einer beliebigen Farbe zu allen anderen Farben und den dazwischen liegenden Farben wechseln. Der Laser 90 ist deswegen abstimmbar oder er ist ein Mehrfachlinien-Laser. Eine optische Anzeigeeinheit 98 projiziert den Strahl, um ein beliebiges Muster/eine beliebige Anzeige herzustellen. Die Temperatursteuereinheit 100 ist möglicherweise nicht vorgesehen sein, wobei sie jedoch in dem gezeigten Beispiel vorhanden ist. Sie ist vorgesehen, um die Spule 94 auf der korrekten Temperatur zu halten, so dass sie bei einer Temperatur betrieben wird, die eine Anpassung des Brechungsindex des Laserwerkstoffs und des Kopplungswerkstoffs erreicht. Die Spule kann möglicherweise so angeordnet sein, dass sie in einem Übergangsbereich 60, 62, 64 usw. betrieben wird. Alternativ kann die Spule so angebracht sein, dass sie einen von dem Übergangsbereich entfernten Betriebsbereich besitzt. Die Einheit 100 kann erwärmen und/oder kühlen. Die Steuereinheit 102 steuert den Betrieb der Komponenten 92 bis 100. Sie kann programmierbar sein. Sie kann mehrere einprogrammierte Anzeigen besitzen und der Benutzer zwischen ihnen wählen. Eine graphische Schnittstelle oder eine Tastaturschnittstelle können an dem Laser 90 vorgesehen sein oder es kann ein Anschluss für eine Verbindung mit einem Computer oder mit anderen Eingabemitteln (z. B. eine Telephonleitung) vorgesehen sein.
  • Die Lasereinheit 90 ist außerdem in 11 gezeigt und benötigt lediglich eine Einsteckverbindung mit einer gewöhnlichen Halthaltssteckdose (240 V, 50 Hz in Großbritannien) an Stelle einer speziellen 3-phasigen Industrie-Stromversorgung und benötigt keine Verbindung mit einer Wasserleitung zur Wasserkühlung (da sie keine Wasserkühlung benötigt). Das ist das Fall, da der Pumplaser nun kein gepulster Hochleistungslaser ist, der Wasserkühlung benötigt, sondern statt dessen ein Laser ist, der keine Wasserkühlung benötigt (z. B. ein CW-Raman-Laser).
  • 10 zeigt schematisch eine modifizierte Lasereinheit 104, die der Einheit von 9 ähnlich ist, jedoch einen größeren Bereich von Farben (Ausgangswellenlängen) erzeugen kann. Das wird erreicht durch die Laservorrichtung 94, die mehrere unterschiedliche Längen der Faseroptik aufweist, die durch die Bezugszeichen 105, 106, 107 angegeben sind und so abgestimmt sind, dass sie Ausgangs-Raman-Laserlicht mit unterschiedlichen Frequenzen erzeugen. In jedem Abschnitt der Faseroptik befindet sich ein Raman-Laserwerkstoff, der im Brechungsindex an einen Kopplungswerkstoff/Glas angepasst und dessen Länge so gewählt ist, dass er Licht entweder auf einem Plateau 51, 53, 55, 57 usw. (einzelne Farbe) oder an einem Übergang 60, 62, 64, 66 (mehr als eine Farbe) erzeugt. Wenn die Längen dieser Fasern in geeigneter Weise gewählt sind, ist es somit möglich, aus einem einzelnen Pumplaser Licht mit der Pumpfrequenz und mit den ersten, zweiten und dritten gemäß Raman-Effekt verschobenen Frequenzen zu erzeugen. Es ist möglicherweise vorzuziehen, jeweils eine Faser zu haben, die Licht bei einer maximalen Laserausgangsleistung für eine bestimmte Wellenlänge des Lichts erzeugt, oder es kann vorteilhaft sein, dass die Fasern eine Länge besitzen, so dass sie an einem Übergangspunkt betrieben werden, oder dass eine Mischung von Fasern an einem Plateaupunkt und an einem Übergangspunkt vorhanden ist. Die Fasern können während der Abstimmung nacheinander gepumpt werden, oder sie können alle gleichzeitig gepumpt werden (d. h. gemeinsame Verwendung des Pumpstrahls), wobei der Ausgang unter Verwendung der Einrichtung 96 abgestimmt wird. Wenn alle Fasern gleichzeitig gepumpt werden, können sie entweder physikalisch getrennt sein oder an den Eintritts- und/oder Austrittsenden optisch gekoppelt sein.
  • Wie oben erwähnt wurde, machen Anti-Stokes-Emissionen die Situation komplizierter als die in 7 gezeigte Situation, aber es gibt trotzdem noch Abschnitte der Faser, die abgestimmt werden, um vorrangig Licht mit einer Wellenlänge oder eine Mischung aus 2 (oder mehr) Lichtwellenlängen bei brauchbaren Frequenzen zu erzeugen.
  • Es wird anerkannt, dass eine Faser oder ein Körper aus einer Raman-Werkstoff/Kopplungsmittel-Grundmasse ohne Plattierung vorgesehen werden könnte. Das ist in 12 dargestellt.
  • 13 veranschaulicht eine weitere Idee: Es sind Partikel aus zwei unterschiedlichen Raman-Werkstoffen, die mit den Bezugszeichen 70 und 71 angegeben sind, in einem Grundmasse/Kopplungsmittel 72 (mit oder ohne Plattierung) vorhanden. Das ermöglicht, dass eine einzelne Faser mit einer einzelnen Länge bei einer einzelnen Temperatur erste Stokes-Emissionen mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt. Wenn ferner ein Raman-Werkstoff (M1) einzeln Stokes-Emissionen M1S1, M1S2, M1S3 usw. aufweist und ein zweiter Raman-Werkstoff M2 einzeln Stokes-Emissionen M2S1, M2S2, M2S3 usw. aufweist, kann die M1S1-Strahlung als eine Pumpe für die M2S1-Emissionen wirken, die durch eine andere Frequenz gepumpt werden, wodurch sich aus M2 – M2S2 (M1S1pump) eine Stokes-Emission mit unterschiedlicher Farbe ergibt, und umgekehrt kann die M2S1-Strahlung M1-Stokes-Emissionen pumpen, damit sich eine andere Frequenz M1S2 (M2S1pump) ergibt. Die Anzahl der Farben steigt möglicherweise rasch an, da die zweite und folgende Stokes-Emissionen jedes Werkstoffs jeweils eine Pumpfrequenz mit unterschiedlicher Frequenz füreinander schaffen. Wenn auch noch die Anti-Stokes-Strahlung eingebracht wird ist es möglich, einen großen Bereich an Farben aus lediglich zwei Raman-Werkstoffen zu erhalten.
  • Es ist natürlich möglich, mehr als zwei Raman-Werkstoffe in einer Raman-Kopplungsmittel-Grundmasse bereitzustellen.
  • Eine Laservorrichtung kann unterschiedliche Raman-Kopplungsmit tel-Grundmassenkörper mit unterschiedlichen Werten n aufweisen, um den Bereich von Farben, die erzeugt werden können, zu erweitern. 11A zeigt z. B. eine Lasereinheit mit drei GRM-Fasern, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen und jeweils eine unterschiedliche Länge besitzen, wobei jedoch zwei oder mehr die gleiche Länge besitzen könnten. Die Vorrichtung von 11A oder von 10 kann umschaltbar sein, um unterschiedliche Fasern zu verwenden.
  • Es wird außerdem anerkannt, dass die Länge einer Faser oder allgemeiner ausgedrückt eines Körpers aus Raman-Werkstoff/Kopplungsmittel, der nicht notwendigerweise eine Faser ist, effektiv vergrößert werden kann, indem bewirkt wird, dass das Licht diesen Körper bzw. die Faser wiederholt durchläuft. Das kann erreicht werden, indem Reflektoren oder reflektierende Beschichtungen an den Enden des Körpers bzw. der Faser angeordnet werden. Die Reflektoren können eine ausgewählte Wellenlänge reflektieren und/oder besitzen wenigstens eine teilweise Durchlassfähigkeit bei einer weiteren ausgewählten Wellenlänge (oder wenigstens einer von ihnen kann bei einer gewählten Wellenlänge teilweise durchlässig sein, um einen Laserstrahl auszugeben). 8 zeigt die Wirkung der Hinzufügung von reflektierenden Beschichtungen bei der gleichen Faser, die in 7 verwendet wurde. Die Wirkung besteht darin, dass die Länge der Faser, die benötigt wird, um eine vorgegebene Raman-Wellenlänge zu erhalten, deutlich verkleinert wird.
  • 14 zeigt mehrere Merkmale, wovon eines eine teilweise reflektierende Beschichtung 40 am Austrittsende ist (und eine zu 100% reflektierende Beschichtung am Eintrittsende).
  • Ein Problem, das bei Fasern auftritt, in denen eine Laserwirkung erzeugt wird, z. B. die bekannten kilometerlangen vollständig aus Glas bestehenden Laservorrichtungen, besteht darin, dass es schwierig sein kann, eine ausreichend große anfängliche Pumplaserintensität in die Faser zu bringen, um eine effiziente Laserwirkung zu erhalten, ohne das Glas zu schmelzen.
  • Mit der Anordnung von 1 ist es möglich, das anfängliche Laserlicht durch die Plattierung 26 sowie durch den den Raman-Laserwerkstoff enthaltenden Kern 24 einzugeben, wodurch die Intensität des Lichts in dem Kern in ersten Abschnitten der Faser verringert wird. (Es ist an sich bekannt, dass eine Faser mit einem Kern und einer Plattierung vorhanden ist und Licht in die Plattierung eingeleitet wird.) Licht in der Plattierung streut über die Länge der Faser in den Kern, die Intensität in dem Kern hat sich dann jedoch durch Streuung nach außen verringert und deshalb nimmt kein Abschnitt der Faser eine zu hohe Intensität des Lichts auf, wodurch ihr Schmelzen bewirkt werden würde. 14 veranschaulicht das Eingeben von Pumplaserlicht, das mit dem Bezugszeichen 142 angegeben ist, sowohl in den Kern als auch in die Plattierung, wobei möglicherweise eine Linse verwendet wird, und zeigt ein von der Plattierung durchgelassenes Photon 146, das in den Kern 1 eintritt, nachdem es vorwiegend oder wenigstens teilweise durch die Plattierung befördert wurde. Es kann erwünscht sein, dass in manchen Fällen der wesentliche Teil oder im Wesentlichen das gesamte Pumplicht über die Plattierung eingeleitet wird.
  • Es gibt außerdem am linken Ende der Faser von 14 eine Beschichtung, die für Licht der Pumpwellenlänge durchlässig ist, jedoch für Stokes-Strahlung zu 100% reflektierend ist.
  • 15 veranschaulicht eine alternative Glasfaser mit darin enthaltenem Raman-Laserwerkstoff. Diesmal ist der Raman-Werkstoff in einer Form vorhanden, die Partikel aufweist, die so klein sind, dass sie keine Volumenstreuung von Licht über einer bestimmten Wellenlänge bewirken, so dass Rayleigh-Streuung auftritt. Wenn die Partikel des Raman-Werkstoffs ausreichend klein sind, sollte deshalb keine Volumenstreuung stattfinden. Bei diesem Regime ist die Anpassung der Brechungsindizes weniger dringend erforderlich, wobei kleine Partikel vorhanden sein können, die in einer Glasfaser oder in anderem Kopplungswerkstoff gehalten werden.
  • 15 zeigt eine Lichtleitglasfaser 150 mit einem Kern 152, der Glas 153 mit Staub oder Partikeln 154 aus Raman-Werkstoff und eine Plattierung 156 umfasst. Eine Alternative ist ohne Plattierung vorgesehen. Die Partikel aus Raman-Werkstoff sind so klein, dass sie Licht bei den Pump- und Raman-Wellenlängen nicht wesentlich streuen. Eine weitere Alternative ist mit einem Plattierungs-/Halterohr, jedoch ohne Trägergrundmasse für die Partikel aus Raman-Werkstoff vorgesehen.
  • 16 zeigt eine Lichtleitfaser 160 mit einem Kern 162, der große Partikel aus Raman-Werkstoff 161 in einer Glasgrundmasse 163 aufweist. Kleine Partikel 164 aus einem anderen oder möglicherweise dem gleichen Raman-Werkstoff werden außerdem in der Glasgrundmasse gehalten. Eine Glasplattierung 165 ist vorgesehen. Die kleinen Partikel können größer oder kleiner als die Streuungsgröße sein.
  • Obwohl die speziellen Ausführungsformen gezeigt haben, dass die Glasfaser selbst einen Laserhohlraum umfasst, wird anerkannt, dass die Glas-Raman-Grundmasse oder die Raman-Kopplungsmittel-Grundmasse (oder eigentlich eingebundene feine Raman-Partikel) in einem Resonanzhohlraum eines herkömmlichen Lasers verwendet werden könnten.
  • Das Licht kann ferner mehrere Durchgänge durch den den Raman-Werkstoff enthaltenden Körper ausführen oder es kann lediglich einen Durchgang ausführen.
  • Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass es erwünscht sein kann, Pumplaserlicht in den Körper bzw. die Faser, die Raman-Werkstoff enthalten, mit einer räumlichen Verteilung einzuleiten, die absichtlich keine Gaußsche Verteilung ist. Wenn die Faser einen ausreichend großen Querschnitt besitzt, kann sie eine Mehrfachmodus-Wellenausbreitung unterstützen. Es kann erwünscht sein, dass sich zweite und/oder dritte (oder höhere) Moden entweder zusätzlich zum Gaußschen Modus oder an Stelle von diesem ausbreiten. Die Moden höherer Ordnung ermöglichen größere optische Schnittwinkel in der Faser, die mit der Erzeugung von Anti-Stokes-Licht durch 4 Wellen-Mischprozesse unterstützt werden. Die 4 Wellen-Mischung ist ein kohärenter Prozess und auf Grund der natürlichen streuenden Eigenschaften des Kerns ist ein Schnittwinkel der internen Lichtstrahlen erforderlich, um die korrekte Phasenanpassung für den 4 Wellen-Mischprozess sicherzustellen.
  • Durch Bariumnitrat (oder anderen Raman-Werkstoffen), das einem im Index angepassten Glas möglicherweise als feines Pulver hinzugefügt wird und durch gründliches Mischen ist es unter der Voraussetzung, dass der Schmelzpunkt des Glases niedriger ist als der Schmelzpunkt des Bariumnitrats (865 K), möglich, eine Laserlicht leitfaser zu bilden, die Laserlicht erzeugen kann. Bei der Stokes-Erzeugung gibt es keine Phasenanpassungsanforderungen oder Polarisationsprobleme mit Bariumnitrat und deshalb können die Kristallpartikel in dem Glasgrundwerkstoff bei willkürlichen Orientierungen angeordnet sein. In einer Ausführungsform sollte die Packungsdichte der Partikel möglichst groß sein und die Partikelgröße sollte für die geforderten Abmessungen der Lichtleitfaser möglichst groß sein. 2 μm-Partikel mit hoher Dichte sollten die Herstellung einer Einzelmodusfaser für die Verwendung im sichtbaren Spektrum ermöglichen, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Partikel den Faserkern überbrücken und die Struktur schwächen. Die Übereinstimmung des Brechungsindex muss sehr gut sein, andernfalls weist die Faser hohe Streuungsverluste auf. Die Indexübereinstimmung muss sich über einen Wellenlängenbereich erstrecken, der ausreichend groß ist, damit er die Pumplinie und die erzeugten Stokes-Linien (mehrere Stokes-Linien) enthält.
  • Es kann möglich sein, den Raman-Werkstoff direkt aus der Lösung in dem Glas in Mikroform herauszukristallisieren, d. h. der Raman-Werkstoff wird im geschmolzenen Glas aufgelöst, dann würden sich durch gesteuerte Abkühlung einer übersättigten Lösung Mikrokristalle des Raman-Werkstoffs in dem Glasvolumen bilden.
  • Der Raman-Werkstoff kann als Pulver hinzugefügt und aufgelöst bzw. nicht aufgelöst werden.
  • Bariumnitrat besitzt eine relativ kleine Raman-Verschiebung (1047 cm–1), deshalb stellt es eine gute Wahl für diese Anwendung dar. Bei einer Pumpwellenlänge von 532 nm (grün) sind die erste, die zweite und die dritte Stokes-Wellenlänge 563 nm (gelb), 599 nm (orange) bzw. 639 nm (rot). In einer Mehrfachmodus-Lichtleitfaser, die effektiv eine interne Fokussierung durch Reflexionen in der Faserwand besitzt, kann eine Anti-Stokes-Erzeugung möglich werden, die zu einem 504 nm-Ausgang (blau) aus der Pumpstrahlung mit 532 nm führt (die Fokussierung in der Faser vergrößert die Intensität an bestimmten Punkten und ermöglicht eine Phasenanpassung bei der Anti-Stokes-Erzeugung). Weitere Festkörper-Raman-Werkstoffe, die außerdem für einen Einschluss in einen Glasgrundkörper geeignet sein könnten, sind CaNO3, Pb(NO3)2, NaNO3 und KNO3. Ferner wird angenommen, dass Diamant wegen seiner ausgezeichneten Stabilität und der thermischen Eigenschaften möglicherweise am besten geeignet ist, wobei der leistungsbegrenzende Faktor der Schmelzpunkt des Glases sein würde. Außerdem besitzt Diamant einen Raman-Wirkungsgrad, der größer ist als der von den meisten anderen festen Werkstoffen (siehe 5).
  • Eine Glas-Raman-Grundmasse (GRM) könnte entweder als Volumenkörper als eine herkömmliche Festkörper-Raman-Vorrichtung zur Verwendung mit Impulslasern oder als eine Faser zur Verwendung mit CW-Lasern verwendet werden. Als Volumenkörper sollte der Werkstoff eine leichtere Skalierung auf höhere Leistungen ermöglichen und sollte dann, wenn es mit einer Lage aus bariumnitratfreiem Glas (oder mit einer anderen Schutzbeschichtung) beschichtet ist, nicht hygroskopisch sein.
  • In Faserform sollte die Plattierungslage eine hygroskopische Verschlechterung des Werkstoffs verhindern. Sowohl in Volumenform als auch in der Faserform könnte die GRM als ein Raman-Generator (Verwendung bei einfachem Durchgang) oder als Raman-Oszillator mit Rückkopplung auf die Pump- und Raman-Wellenlängen verwen det werden. In dem Generator-Modus haben vorläufige Berechnungen frühere Angaben bestätigt, dass ein Pumpen auf Wirkungsgrade der Stokes-Umsetzung, die sich der Quantengrenze nähern, mit wenigen zehn Metern der Einzelmodus-Lichtleitfaser-GRM erreicht werden können. Wenn die Faser tatsächlich bei der Stokes-Wellenlänge im Einzelmodus ist, sollte eine Güte des Strahls mit eingeschränkter Brechung erreichbar sein, indem einfach die Stokes-Emission vom Ende der Faser neu gebündelt wird.
  • Ein weiterer Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass sie ermöglichen kann, dass die Raman-Erzeugung mit der aufkommenden Technologie von Photonen-Bandlückenstrukturen kombiniert wird. Dabei könnten die physikalischen Abmessungen des Werkstoffs sehr groß gemacht werden, während trotzdem die Signalmodus-Charakteristiken einer herkömmlichen Lichtleitfaser beibehalten werden. Eine GRM-Photonen-Bandlückenstruktur könnte ermöglichen, dass die GRM zu sehr hohen CW-Lichtleistungen skaliert wird.
  • Es wird angenommen, dass es möglich ist, einen CW-Laser herzustellen, der eine Leistung von mehreren hundert Watt und möglicherweise mehrere zehn oder hundert Kilowatt besitzt.
  • Es wird anerkannt, dass eine Hauptidee darin besteht, Glas als einen Grundkörper zu verwenden und eine räumliche Begrenzung zu schaffen, in dem Glas jedoch Partikel zu verwenden, um den Raman-Effekt/Verstärkung zu erzeugen. Es ist in einigen Ausführungsformen wichtig, den Brechungsindex für die Wellenlängen, die den Raman-Effekt-Werkstoff und das Glas betreffen, anzupassen.
  • Bereiche, in denen Raman-Effekt-Werkstoffe verwendet werden, enthalten die Verwendung von Raman-Partikeln in Lacken und in Farbstoffen, z. B. für den Schutz gegen Fälschungen. Ein Schutz für eine Grundmasse aus Kopplungsmittel-Werkstoff mit darin befindlichem Raman-Effekt-Werkstoff sowie für Partikel, auf denen sich eine Menge des Grundmassenwerkstoffs befindet, wird angestrebt. Die Grundmasse kann eine Lage oder einen Lack umfassen, der auf einen gegen Fälschung zu schützenden Gegenstand aufgebracht wird.
  • Die Partikel aus Raman-Werkstoff in der Glasgrundmasse sind entweder Einkristalle oder polykristallin.
  • Es ist möglich, wirkungsvolle Beschichtungen auf das Ende der Glasfaser aufzubringen, um die Frequenz des Ausgangslichts zu wählen, das auf eine Signalwellenlänge zur Ausgabe abgestimmt ist (oder um bestimmte Wellenlängen auszuschließen). Die Endbeschichtung kann außerdem verwendet werden, um Licht in der Faser hin und her zu reflektieren, um mehrere Durchgänge durch die Faser zu erreichen und den Lasereffekt zu vergrößern. Unterschiedliche Stokes-Linien zeigen eine unterschiedliche effektive Länge der Faser in Abhängigkeit von ihren Frequenzen, da die reflektierenden Beschichtungen frequenzabhängig sein können. Auf diese Weise ist es möglich, eine andere Intensitätssteuerung zu erreichen.
  • Andere Bereiche, in denen ein Glasfaser-Raman-Laser verwendet werden könnte, enthalten die Werkstoffverarbeitung und das Projektionsfernsehen, es könnte z. B. möglich sein, Laserlicht mit drei unterschiedlichen Farben rot, blau, grün ohne Linse auszugeben.
  • Eine Laserdiode kann geschaffen werden, die der Faser oder dem Körper zugeordnet ist oder mit diesem einteilig ist und z. B. an einem Ende einer Faser befestigt ist.
  • Der Kern kann ausreichend groß sein, um mehr als einen Modus der Lichtübertragung aufzunehmen, und in Abhängigkeit davon, wo der Kern geschnitten ist, kann die Intensität des Lichts variiert werden. (Das heißt, die Länge des Kabels legt fest, welcher Modus an diesem Punkt übertragen wird – Stehwelleneffekte).
  • Die Vorrichtung könnte als ein Raman-Verstärker für eine Fernerfassung z. B. an einer Verunreinigungsstelle verwendet werden. Jede Chemikalie besitzt als einen eindeutigen Fingerabdruck infolge der Absorption von Energie einer bestimmten Wellenlänge eine Raman-Verschiebung. Da es möglich ist, Energie mit einer bekannten Laserfrequenz über einen ausgesandten Laserstrahl anzuwenden und ein zurückgegebenes, sehr schwaches, durch Raman-Effekt ausgesendetes Licht (frequenzverschoben) zu erfassen, ist es möglich, einen Raman-Verstärker für eine Anordnung auszuwählen, um eine solche Frequenz des Werkstoffs zu erhalten, dass er im Wesentlichen lediglich Licht mit der Frequenz verstärkt, nach der gesucht wird, d. h. er ist ein Sensor zum Erfassen einer vorgegebenen Chemikalie. Ein Schutz für einen derartigen Sensor, der die vorliegende Erfindung verwendet, wird angestrebt.
  • Eine weitere Verwendungsform könnte ein Temperatursensor oder ein Belastungssensor sein. Der Raman-Lasereffekt ist auf Temperatur und Belastung empfindlich, da der Brechungsindex des Kristalls bzw. des Raman-Laserwerkstoffs auf Temperatur und Belastung empfindlich ist. Bei der Verwendung als Temperatursensor könnte z. B. die Temperatur bei einem normalen Betrieb so beschaffen sein, dass die Vorrichtung in dem schnell veränderlichen Abschnitt der Kurve des Intensitätsausgangs gegenüber dem Intensitätseingang betrieben wird und eine Änderung der Temperatur das System rasch aus der Raman-Verstärkungszone verschieben kann. Änderungen der Belastung können gleichfalls Änderungen am Wirkungsgrad des Raman-Lasers bewirken. Ein Schutz für Sensoren, der die vorliegende Erfindung beinhalten, wird angestrebt.
  • Es ist möglich, dass die Plattierung so beschaffen ist, dass sie den gleichen Brechungsindex bei der Pumpfrequenz besitzt wie der Kern, und Pumplicht in die Plattierung (sowie in den Kern oder nur in die Plattierung) zu bringen, wenn sich jedoch die Wellenlänge auf Grund des Raman-Effekts in der Plattierung ändert, können die Plattierung und der Kern für das Licht mit der anderen Frequenz unterschiedliche Brechungsindizes besitzen. Auf diese Weise kann das Raman-Licht in dem Kern mit geringem Durchmesser eingefangen werden und das Licht mit Pumpfrequenz kann durch eine Faser mit größerem Durchmesser aufgenommen werden, wodurch eine größere Pumpintensität aufgenommen werden kann.
  • Hypothetisch sollten Flüssigkeits- und Gasversionen der vorliegenden Erfindung funktionieren. Es ist schwieriger sich die Herstellung einer Gas- oder Flüssigkeitsvorrichtung vorzustellen, sie sind jedoch möglich. Es gibt Technologien, wie etwa ein Polymer mit verteilten Flüssigkristallen, die so angepasst werden könnten, um eine Raman/Laservorrichtung wie in der vorliegenden Erfindung herzustellen.
  • Einige Raman-Werkstoffe besitzen in Abhängigkeit von der Ausbreitungsrichtung von Licht durch den Werkstoff oder von dem Polarisa tionszustand des Pumplichts eine andere Stokes-Verschiebung. Wenn die Raman-Faservorrichtung aus einem derartigen Raman-Werkstoff aufgebaut ist und die Orientierung der Partikel willkürlich ist, können deshalb mehrere Stokes-(und Anti-Stokes-)Verschiebungen gleichzeitig möglich sein. Wenn die Faser nicht von dem die Polarisation aufrechterhaltenden Typ ist, kann sich gleichfalls der innere Polarisationszustand über die Länge der Faser ändern; gemeinsam mit der willkürlichen Orientierung ändert das den effektiven Polarisationszustand des Pumplichts für jedes Partikel, was wiederum zu einer größeren Anzahl von möglichen Raman-Verschiebungen führt. Es ist vorgesehen, dass die Faser bzw. der Körper von einem die Polarisation aufrechterhaltenden Typ ist (so dass die Polarisation über seine Länge gleich ist) oder nicht (daher ändert sich die Polarisation über seine Länge).

Claims (24)

  1. Licht aussendende oder erfassende Vorrichtung, die im Betrieb Licht aussendet oder erfasst durch Raman-Emission von Photonen von einem Photonen aussendenden Werkstoff, der Stokes-Strahlung und/oder Anti-Stokes-Strahlung erzeugen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere Bereiche aus kristallinem, Photonen aussendendem Werkstoff (28), der im Betrieb Photonen aussendet, und Kopplungswerkstoff (30), der die Bereiche aus kristallinem, Photonen aussendendem Werkstoff (28) betriebsfähig koppelt, aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die eine kontinuierliche Raman-Laservorrichtung (90, 104) umfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der der Kopplungswerkstoff (30) ein Glas oder ein Polymer ist.
  4. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Bereiche (28) mit Photonen aussendendem Raman-Werkstoff Bereiche mit parametrischem Oszillatorwerkstoff umfassen und bei dem die Vorrichtung einen optischen parametrischen Oszillator umfasst.
  5. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der der Brechungsindex des Photonen aussendenden Raman-Werkstoffs (28) und der Brechungsindex des Kopplungswerkstoffs (30) über den Wellenlängenbereich 500–700 nm im Wesentlichen angepasst sind.
  6. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der der Brechungsindex des Photonen aussendenden Raman-Werkstoffs (28) und der Brechungsindex des Kopplungswerkstoffs (30) angepasst sind und die Temperatursteuerungsmittel aufweist, um die Temperatur des Photonen aussendenden Raman-Werkstoffs und des Kopplungswerkstoffs zu steuern, um die Anpassung der Brechungsindizes zu unterstützen.
  7. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der der Kopplungswerkstoff (30) und der Photonen aussendende Werkstoff (28) in der Form einer Faser oder eines Strangs (22) vorgesehen sind, der einen Kern aus einer Grundmasse aus Photonen aussendendem Werkstoff/Kopplungswerkstoff besitzt, die von einer Umhüllung oder einer Plattierung (26) umgeben ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die einen nicht fasrigen Volumenfestkörper umfasst.
  9. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, die einen Pumplaser und einen Grundmassenkörper aus Raman-Laserwerkstoff/Kopplungswerkstoff mit einer solchen Länge aufweist (oder wobei die Wechselwirkungslänge so beschaffen ist), dass beim Betrieb der Vorrichtung Licht mit wenigstens zwei unterschiedlichen Farben von dem Körper ausgesendet werden kann.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die wenigstens zwei unterschiedlichen Farben beliebige Farben aus der Gruppe rot, orange, gelb, grün und blau sind.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Anordnung so beschaffen ist, dass im Betrieb Laserlicht von einer Raman-Emission eine andere Raman-Emission pumpt, wodurch ein Laserlichtausgang mit mehr als einer Wellenlänge oder ein Sensor, der Licht mit mehr als einer Wellenlänge erfassen kann, geschaffen wird.
  12. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, die Partikel oder Bereiche aus Photonen aussendendem Raman-Werkstoff einer ersten Art (28, 70) und Partikel oder Bereiche aus Photonen aussendendem Raman-Werkstoff einer zweiten Art (71) in einer Grundmasse (72) aus Kopplungswerkstoff/Photonen aussendendem Raman-Werkstoff aufweist.
  13. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der der Kopplungswerkstoff (30, 72) so beschaffen ist, dass er Strahlung einer ersten Wellenlänge aussendet und die Bereiche aus Photonen aussendendem Raman-Werkstoff so beschaffen sind, dass sie Strahlung einer anderen Wellenlänge aussenden.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Emission von Strahlung von dem Kopplungswerkstoff (30, 72) oder den Bereichen (28, 70, 71) aus Photonen aussendendem Raman-Werkstoff so beschaffen ist, dass sie die Emission von Strahlung von dem anderen von Kopplungswerkstoff und Photonen aussendendem Raman-Werkstoff bewirkt.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, bei der der Kopplungswerkstoff (30, 72) so beschaffen ist, dass er Strahlung einer ersten Wellenlänge erzeugt, wenn er durch eine Quelle angesteuert wird, und die Bereiche (28, 70, 71) aus Photonen aussendendem Raman-Werkstoff Bereiche oder Partikel aus Raman-Laserwerkstoff umfassen, die im Betrieb die Wellenlänge von wenigstens einem Teil der Strahlung, die durch die Vorrichtung ausgegeben wird, ändert.
  16. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, die eine Photonen-Bandlücken-Vorrichtung oder eine Photonen-Kristall-Vorrichtung oder einen Detektor oder einen Sensor umfasst.
  17. Verfahren zum Herstellen oder Erfassen von Laserstrahlung, das das Verwenden eines Laserkörpers mit mehreren Bereichen aus kristallinem Raman-Laserwerkstoff (28) umfasst, die durch einen Kopplungswerkstoff (30) betriebsfähig miteinander gekoppelt sind, wobei die Bereiche aus kristallinem Raman-Laserwerkstoff Stokes- und/oder Anti-Stokes-Strahlungen erzeugen.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, das das Verwenden von Laserlicht umfasst, das in den Körper eingeleitet wird, um eine Raman-Effekt-Emission aus den Bereichen aus Raman-Laserwerkstoff zu bewirken.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, das das Verkürzen der Länge des Körpers auf eine gewünschte Länge umfasst, die gewählt ist, um eine gewünschte Raman-Wellenlänge oder mehrere gewünschte Raman-Wellenlängen auszusenden oder zu erfassen.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, das das Erzeugen von Laserlicht mit mehr als einer Wellenlänge aus dem gleichen Körper aus Raman-Laserwerkstoff/Kopplungsmittel umfasst, indem der Körper angeordnet wird, so dass wenigstens zwei der folgenden Laseremissionen erzeugt werden: Pumplaser; erste Stokes-Emissionen; zweite Stokes-Emissionen; dritte Stokes-Emissionen; vierte Stokes-Emissionen; nachfolgende Stokes-Emissionen; erste Anti-Stokes-Emission; nachfolgende Anti-Stokes-Emissionen.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 20, das das Erzeugen oder Erfassen von Laserlicht mit unterschiedlichen Wellenlängen, indem mehr als eine Art des Raman-Laserwerkstoffs in dem Körper vorhanden ist, und das Verwenden der unterschiedlichen Raman-Wechselwirkungen der unterschiedlichen Werkstoffe, um unterschiedliche Wellenlängen des Laserlichts zu erzeugen, umfasst.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, das das Erzeugen oder Erfassen von Laserlicht mit unterschiedlichen Wellenlängen, indem Körper mit ähnlicher Zusammensetzung, aber mit unterschiedlichen Längen oder effektiven Längen vorhanden sind, so dass sie Raman-Effekt-Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen aussenden oder erfassen, umfasst.
  23. Verfahren zum Herstellen einer Laservorrichtung oder eines optischen parametrischen Oszillators OPO, das das Hinzufügen von kristallinem Raman-Laserwerkstoff oder optischem parametrischen Raman-Werkstoff zu einem Kopplungswerkstoff (39) umfasst, wobei die Raman-Laserpartikel entweder (i) mit einem Kopplungswerkstoff gemischt sind, um darin kristalline Bereiche zu bilden, oder (ii) in dem Kopplungswerkstoff gelöst sind oder getragen werden und auskristallisieren, um in dem Kopplungswerkstoff Kristalle zu bilden.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, das das Schneiden oder das andersartige Bilden einer Faser oder eines Körpers aus Raman-Laserwerkstoff/Kopplungsmittel mit einer vorgegebenen Länge, die so gewählt ist, dass eine vorgegebene Raman-Laser-Ausgangswellenlänge erreicht wird, umfasst.
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