DE602004001127T2 - Seite gepumpte faserlaser - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft Laser und, genauer gesagt, seitengepumpte Faserlaser.
  • STAND DER TECHNIK
  • Für viele Anwendungen diodengepumpter Faserlaser (z.B. eine Materialbearbeitung, wie beispielsweise Schneiden und Schweißen von Metallen) sind eine Dauerstrich-("cw" = continuous wave)-Hochleistung und eine hohe Strahlqualität (nahe der Beugungsgrenze) nötig. Die Fasergeometrie ist für einen Hochleistungsbetrieb mit mehreren Kilowatt ("kW") gut geeignet, weil die übermäßige Hitze über die Länge der Faser aufgrund der langen, dünnen Geometrie der Faser effizient entfernt werden kann, was eine Hitzeentfernung von einer Faser mit einer höheren Geschwindigkeit als von einem voluminösen Festkörperlaser zulässt.
  • Faserlaser müssen durch eine externe Energiequelle gepumpt werden, um eine Strahlung zu erzeugen, und aufgrund der endlichen Effizienz eines Faserlasers muss die externe Energiequelle mehr Energie zuführen, als von dem Faserlaser e mittiert wird. Somit ist eine effiziente und ökonomische Kopplung von Pumpenergie in den aktiven Bereich eines Faserlasers erwünscht.
  • Viele Festkörperlaser haben eine Ausgangswellenlänge zwischen etwa 1 – 2 μm. Laser mit einer solchen Ausgangswellenlänge können mit einem Dotierungsmittel, wie beispielsweise Nd, Er, Yb und Vn, dotiert sein. Daher nimmt die folgende Beschreibung eine Wellenlänge in dieser Größenordnung an, wenn sie einen Faserlaser beschreibt. Jedoch sind in dem Fall, in welchem die Ausgangswellenlänge unterschiedlich von dieser Annahme ist, Dimensionen des Lasers in einem geeigneten Maßstab zu der Ausgangswelle.
  • Allgemein besteht ein Faserlaser mit doppeltem Mantel typischerweise aus einem Monomode-Kern zum Führen der Ausgangslaserstrahlung, der in einem Multimode-Wellenleiterbereich zum Führen der Pumplaserstrahlung eingebettet ist. Der Multimode-Wellenleiterbereich kann in einem Außenmantel eingebettet sein. Der Multimode-Mantel hat einen Durchmesser in der Größenordnung von einigen zehn bis mehreren hundert Mikrometern und trägt das Licht von einer oder mehreren Pumpdioden, die entlang der Seite der Faser verteilt und eingekoppelt sind ("seitengepumpter Faserlaser") oder alle an den zwei Enden der Faser angeordnet sind ("endgepumpter Faserlaser").
  • Die aktiven Bereiche haben einen kleineren Durchmesser als die Mantelbereiche und tragen das Laser-Dotierungsmittel. Das Dotierungsmittel absorbiert Strahlung bei der Pumpwellenlänge und erzeugt eine Verstärkung bei der Ausgangslaserwellenlänge. Eine Pumplaserstrahlung sollte sowohl den Multimode-Wellenleiterbereich als auch die aktiven Bereiche effizient durchdringen, um den aktiven Bereich zu pumpen.
  • Um eine Dauerstrich- bzw. cw-Ausgangsleistung in der Größenordnung von mehreren kW zu erreichen, muss eine Pumpleistung, die größer als die Ausgangsleistung ist, durch den aktiven Bereich des Faserlasers absorbiert werden. Typischerweise wird die Pumpleistung durch Hochleistungs-Diodenlaser erzeugt. Einzelemitter-Diodenlaservorrichtungen erreichen cw-Ausgangsleistungen von 5 Watt. Somit müssen einige Hundert oder sogar Tausende der Einzelemitter-Vorrichtungen für Ausgangsleistungen von mehreren kW effizient in den Faserlaser gekoppelt werden.
  • Jedoch ist ein individuelles Kontaktieren, Halten und Faserkoppeln von Tausenden von Einzelemitter-Vorrichtungen schwierig und teuer.
  • Daher können Hochleistungs-Diodenlaseranordnungen, die mehrere Emitter in einer einzelnen Vorrichtung kombinieren und Gesamtausgangsleistungen von 50 Watt oder darüber ergeben, gewählt werden, um Hochleistungs-Festkörperlaser zu pumpen. Die Ausgangsapertur einer solchen Anordnung ist typischerweise 10 mm × 1 um mit einer Strahldivergenz entlang der langen Achse von etwa 5 – 10° und einer Divergenz bei der kleinen Achse von etwa 40 – 70°. Während die höhere Ausgangsleistung einer Diodenlaseranordnung gegenüber einer Einzelemittervorrichtung vorteilhaft ist, verbietet der stark astigmatische Ausgangsstrahl der Anordnung effektiv eine Faserkopplung von solchen Vorrichtungen ohne eine komplizierte zusätzliche Optik (einer so genannten Mikrooptik). Selbst mit einer Mikrooptik ist eine Faserkopplung von Diodenlaseranordnungen schwierig.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Es kann ein natürliches Fenster in einer optischen Faser erzeugt werden, durch welches Pumplicht zum Pumpen eines aktiven Bereichs der Faser gesendet werden kann. Das Fenster kann so positioniert werden, dass das durch das Fenster gesendete Pumplicht innerhalb der Faser intern vollständig reflektiert wird.
  • Die optische Faser der Erfindung ist im Anspruch 1 definiert und implementiert das im Anspruch 12 definierte Verfahren.
  • Gemäß einem ersten allgemeinen Aspekt enthält eine optische Faser eine radiale Achse, eine Längsachse, eine erste Fensterfläche, die zum Empfangen einer Pumpstrahlung und zum Senden der Pumpstrahlung in die optische Faser geeignet ist, eine zweite Oberfläche, die zum internen gesamten Reflektieren einer innerhalb der optischen Faser empfangenen Pumpstrahlung geeignet ist, und einen aktiven Bereich innerhalb der optischen Faser zum Erzeugen einer Strahlung bei einer charakteristischen Wellenlänge, wenn er mit einer Pumpstrahlung gepumpt wird. Eine Normalenrichtung der ersten Fensterfläche ist nicht parallel zu einer Richtung der radialen Achse bei der ersten Fensterfläche.
  • Gemäß einem zweiten allgemeinen Aspekt enthält eine Faserlaseranordnung eine optische Faser, eine Diodenlaseranordnung, die zum Emittieren einer Pumpstrahlung geeignet ist, und ein optisches Element, das zwischen der Diodenlaseranordnung und der ersten Oberfläche angeordnet ist und zum Führen der Pumpstrahlung von der Diodenlaseranordnung zur optischen Faser geeignet ist. Die optische Faser enthält eine radiale Achse, eine Längsachse, eine erste Fensterfläche, die zum Empfangen der Pumpstrahlung und zum Senden der Pumpstrahlung in die optische Faser geeignet ist, eine zweite Oberfläche, die zum internen gesamten Reflektieren einer innerhalb der optischen Faser empfangenen Pumpstrahlung geeignet ist, und einen aktiven Bereich innerhalb der optischen Faser zum Erzeugen einer Strahlung bei einer charakteristischen Wellenlänge, wenn er mit einer Pumpstrahlung gepumpt wird. Eine Normalenrichtung der ersten Fensterfläche ist nicht parallel zu einer Richtung der radialen Achse bei der ersten Fensterfläche. Das optische Element ist weiterhin zum Führen der Pumpstrahlung von der Diodenlaseranordnung zur ersten Oberfläche der optischen Faser geeignet.
  • Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten. Beispielsweise kann ein Winkel zwischen der Normalenrichtung der ersten Fensterfläche und der Richtung der radialen Achse bei der ersten Fensterfläche größer als etwa 15 Grad, größer als etwa 45 Grad oder größer als etwa 60 Grad sein. Die Normalenrichtung der ersten Fensterfläche kann im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der radialen Achse bei der ersten Fensterfläche sein. Die erste Fensterfläche kann im Wesentlichen parallel zur Längsachse der optischen Faser sein und die Fensterfläche kann im Wesentlichen flach sein.
  • Ein Winkel zwischen einer Normalenrichtung der zweiten Oberfläche und einer Richtung der radialen Achse bei der zweiten Oberfläche kann kleiner als etwa 30 Grad sein. Eine Normalenrichtung der zweiten Oberfläche kann im Wesentlichen parallel zu einer Richtung der radialen Achse bei der zweiten Oberfläche sein. Die zweite Oberfläche kann gekrümmt sein.
  • Die optische Faser kann weiterhin eine dritte Fensterfläche mit einer Normalenrichtung enthalten, die nicht parallel zu einer Richtung der radialen Achse bei der dritten Fensterfläche ist, wobei die dritte Fensterfläche zum Empfangen einer Pumpstrahlung geeignet ist. Die dritte Fensterfläche kann im Wesentlichen flach sein.
  • Der aktive Bereich kann eine transversale Dimension haben, die kleiner als die charakteristische Wellenlänge ist.
  • Gemäß einem dritten allgemeinen Aspekt enthält ein Verfahren zum Pumpen eines Faserlasers mit einer Längsachse, einer radialen Achse und einer azimutalen Achse ein Erzeugen eines Strahls einer Pumpstrahlung und ein Injizieren des Strahls einer Pumpstrahlung in den Faserlaser in einer derartigen Richtung, dass der Strahl einer Pumpstrahlung eine Komponente entlang der Längsachse, der radialen Achse und der Azimutachse des Faserlasers hat.
  • Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten. Der Faserlaser kann eine Fensterfläche mit einer Normalenrichtung haben, die nicht parallel zu einer Richtung der radialen Achse bei der ersten Fensterfläche ist, und der Strahl einer Pumpstrahlung kann in den Faserlaser durch die erste Fensterfläche injiziert werden. Der Strahl einer Pumpstrahlung kann durch eine Diodenlaseranordnung erzeugt werden.
  • Solange es nicht anders definiert ist, haben alle technischen und wissenschaftlichen Ausdrücke, die hierin verwendet werden, dieselbe Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu welchem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden wird. Obwohl Verfahren und Materialien, die ähnlich oder äquivalent zu denjenigen sind, die hierin beschrieben sind, beim Ausführen oder Testen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, werden nachfolgend geeignete Verfahren und Materialien beschrieben. Alle Veröffentlichungen, Patentanmeldungen, Patente oder andere hierin angegebene Referenzen sind in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme enthalten. In einem Streitfall wird die vorliegende Beschreibung, einschließlich der Definitionen, kontrollieren. Zusätzlich sind die Materialien, Verfahren und Beispiele nur illustrativ und sollen nicht beschränkend sein.
  • Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und aus den Ansprüchen klar werden.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1a ist eine schematische Querschnittsansicht einer Diodenlaseranordnung zum Pumpen eines Faserlasers.
  • 1b ist eine schematische Querschnittsansicht einer Diodenlaseranordnung zum Pumpen eines Faserlasers.
  • 2 ist eine schematische Drauf-, Seiten- und Isometrieansicht einer Diodenlaseranordnung zum Pumpen eines Faserlasers.
  • 3 ist eine schematische Drauf-, Seiten- und Isometrieansicht einer Multidiodenlaseranordnung zum Pumpen eines Faserlasers.
  • 4a ist eine Draufsicht auf eine Diodenlaseranordnung zum Pumpen eines Faserlasers.
  • 4b ist eine schematische Isometrieansicht der Ausbreitung von Pumplicht in einem Faserlaser.
  • 4c ist eine schematische Isometrieansicht der Ausbreitung von Pumplicht in einem Faserlaser.
  • 5 ist eine Draufsicht auf mehrere Diodenlaseranordnungen zum Pumpen eines Faserlasers.
  • 6 ist eine Querschnittsansicht eines Faserlasers, der seitlich gepumpt werden kann.
  • 7 ist eine Querschnittsansicht eines Faserlasers, der seitlich gepumpt werden kann.
  • Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen zeigen gleiche Elemente an.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Um eine Pumpstrahlung von einer Hochleistungslaseranordnung in den aktiven Bereich eines Faserlasers zu koppeln, kann ein Querschnitt für die Faser ausgewählt werden, der wenigstens eine planare Oberfläche hat (d.h. ein fasernatürliches Fens ter). Eine solche planare Oberfläche lässt eine effiziente Kopplung des Ausgangslaserstrahls von der Hochleistungs-Diodenlaseranordnung in den Faserlaser ohne ein Formen des Strahls von der Anordnung mit einer Mikrooptik zu. Die Strahlung der Laseranordnung kann durch das fasernatürliche Fenster nahezu tangential zu einer gekrümmten Faseroberfläche der Faser injiziert werden. Die Strahlung der Laseranordnung kann auch so injiziert werden, dass das Pumplicht innerhalb der Faser eine wesentliche Komponente entlang der Längsrichtung der Faser hat. Die Größe der Längskomponente wird durch den Injektionswinkel αi bestimmt, der als der Winkel zwischen der Längsachse der Faser und der Einfallsachse des Pumpstrahls außerhalb der Faser definiert ist. Weil das Pumplicht typischerweise von Luft aus in ein Fasermaterial mit einem Brechungsindex, der größer als derjenige von Luft ist, injiziert wird, wird der Ausbreitungswinkel αp typischerweise größer als der Injektionswinkel sein. Der Ausbreitungswinkel ist als der Winkel zwischen dem schraubenförmigen Ausbreitungspfad des Pumplichts in der Faser und der Achse der Faser definiert. Aufgrund der wesentlichen Längskomponente des Pumpstrahls innerhalb des Faserlasers und der großen Divergenz entlang der schnellen Achse der Strahlen ist die Existenz lokaler Moden des Pumplichts innerhalb des Faserlasers unwahrscheinlich.
  • Nimmt man Bezug auf 1a, erzeugt eine Hochleistungs-Diodenlaseranordnung (10), die aus mehreren Hochleistungs-Diodenlasern besteht, eine Laserstrahlung (110) zum Pumpen des Faserlasers (40). Die Pumpstrahlung (110) wird zu einer planaren Glasplatte (20) gekoppelt, die einen Brechungsindex n > nluft hat, so dass die Laserstrahlung (110) effizient von einem Ende der Glasplatte zum anderen Ende geführt wird. Die Pumplaserstrahlung (110) tritt aus der Glasplatte aus und durch ein fasernatürliches Fenster (30) in der Faser (40) in die Faser (40) ein. Innerhalb der Faser (40) wird die Pumplaserstrahlung (110a und 110b) durch ein aktives Material (in 1 nicht gezeigt) absorbiert, das in Reaktion auf die Pumpstrahlung eine Strahlung einer charakteristischen Wellenlänge erzeugt.
  • Das fasernatürliche Fenster (30) kann eine flache Oberfläche sein, die zum Empfangen einer Strahlung von einem Pumplaser geeignet ist, die in die Faser (40) injiziert wird. Nimmt man Bezug auf die 1b, hat das fasernatürliche Fenster (30) eine Normalenachse zu seiner Oberfläche (36), die nicht parallel zu einer radialen Achse (34a) der Faser ist, die das Fenster (30) bei einer Stelle auf der Oberfläche des Fensters schneidet. Somit kann die Oberfläche des fasernatürlichen Fensters (30) allgemein parallel zu einer radialen Achse (34) der Faser (40) sein, wie es in 1a gezeigt ist. Anders ausgedrückt kann die Normalenrichtung (36) des Fensters senkrecht zu einer radialen Achse (34) der Faser sein, die das Fenster (30) schneidet. Nimmt man Bezug auf 1b, muss jedoch die Normalenachse (36) des Fensters (30) nicht senkrecht zu einer radialen Achse der Faser sein, die das Fenster (30) schneidet. Die Länge des fasernatürlichen Fensters (30) läuft im Wesentlichen entlang und im Wesentlichen parallel zu der Längsachse der Faser (40).
  • Nimmt man wieder Bezug auf 1a, ist die Pumplaserstrahlung (110a und 110b) innerhalb des Faserlasers (40) durch eine interne Vollreflexion von der inneren gekrümmten Oberfläche (32) der Faser (40) begrenzt. Nimmt man nun Bezug auf 1b, kann eine Normalenrichtung (38) an einer Stelle auf der Oberfläche (32) allgemein parallel zu der Richtung der radialen Achse (34b) sein, die die Oberfläche (32) bei dieser Stelle schneidet. Die Normalenrichtung (38) der Oberfläche (32) muss nicht absolut parallel zu der radialen Achse (34b) sein und kann tatsächlich nicht irgendwo parallel zu der radialen Achse sein, wenn die zylindrische Symmetrie der Faser (40) unterbrochen ist (z.B. durch das natürliche Fenster (30)).
  • Nimmt man wieder Bezug auf 1a, sind zwei Strahlen einer Pumplaserstrahlung (110a und 110b) gezeigt, wie sie sich von der Hochleistungs-Diodenanordnung (10) in die Faser (40) ausbreiten. Die Divergenz der Strahlen (110a und 110b) innerhalb der Faser (40) ist sofort sehr groß und verhindert dadurch effektiv die Resonanz lokaler Moden, die eine Kopplung zu lokalisierten Bereichen eines Lasermaterials in der Faser (40) vermeiden könnten.
  • Nimmt man Bezug auf 2a, ist eine Pumplaserstrahlung von der Hochleistungs-Diodenlaseranordnung (10) durch eine planare Glasplatte (20) durch das natürliche Fenster (30) in eine Faser (40) gekoppelt. Die Faser (40) hat eine gekrümmte Oberfläche (32) mit einem Querschnitt, der in der Form einer Spirale ist. Eine solche Form stellt eine natürliche Position für das natürliche Fenster (30) zur Verfügung, durch welches eine Pumpstrahlung (110a und 110b) in die Faser (40) aufgenommen werden kann, und stellt auch eine effiziente Struktur zum Unterdrücken lokaler Moden des Pumplichts innerhalb der Faser (40) zur Verfügung. Die Pumpstrahlung (110a und 110b) wird durch ein laseraktives Material in der Faser absorbiert, das eine Strahlung mit einer Wellenlänge erzeugt, die für das aktive Material charakteristisch ist. Die durch das aktive Material erzeugte Strahlung kann entlang der Längsachse der Faser (40) zwischen zwei Reflektoren (z.B. Spiegeln oder Gittern) oszillieren, die einen Resonanzraum definieren. Die Strahlung mit einer charakteristischen Wellenlänge wird verstärkt, weil dann, wenn das Licht innerhalb des Resonanzraums oszilliert, die optische Verstärkung bei der charakteristischen Wellenlänge größer als der optische Verlust ist.
  • Nimmt man Bezug auf 2b, können mehrere Hochleistungs-Diodenlaser oder Diodenlaseranordnungen (10) eine Pumplaserstrahlung durch angebrachte planare Glasplatten (20) und durch das natürliche Fenster (30) in eine Faser (40) koppeln. Während die Hochleistungs-Diodenlaser (10) benachbart zueinander sein können, ist dies nicht nötig. Der Abstand zwischen irgendwelchen zwei Diodenlasern kann derart gewählt werden, dass er am besten zu den Notwendigkeiten des Faserlasers (40) passt.
  • Nimmt man Bezug auf 3, können mehrere Hochleistungs-Diodenlaser (10) eine Pumplaserstrahlung durch planare Glasplatten (20), durch mehrere natürliche Fenster (30a) und (30b) und in eine Faser (40) koppeln. Die Faser (40) kann einen Querschnitt haben, der aus zwei versetzten Halbkreisen gebildet ist, um dadurch zwei natürliche Fenster (30a) und (30b) natürlich zu bilden und auch eine effiziente Struktur zum Unterdrücken lokaler Moden zur Verfügung zu stellen.
  • Die Faser (40) kann unter Verwendung standardmäßiger Techniken hergestellt werden, die im Stand der Technik bekannt sind. Beispielsweise kann eine Vorform unter Verwendung einer Vielfalt von Techniken erzeugt werden (z.B. durch Ablagern von verschmolzenem Silica- bzw. Quarzruß an der Innenseitenwand eines Rohrs aus verschmolzenem Quarz und darauf folgendes Sintern des resultierenden Rohrs, um einen Stab bzw. eine Stange zu bilden; durch Ablagern von verschmolzenem Silica- bzw. Quarzruß an der Außenseite eines Keramikstabs, Kühlen der resultierenden Struktur, Extrahieren des Stabs und Sintern des resultierenden Rohrs, um einen Stab bzw. eine Stange zu bilden; oder durch eine axiale Dampfablagerung von verschmolzenem Quarzruß auf einem Stab aus reinem Quarzruß, um einen Stab bzw. eine Stange zu bilden). Die Vorform wird zu der gewünschten Querschnittsform der Faser (40) durch Zuschneiden oder Schneiden der Vorform geschnitten. Beispielsweise kann eine zylindrische Vorform entlang ihrer Längsachse in Hälften geschnitten werden und können die zwei halbzylindrischen Hälften durch Sintern der zwei Hälften miteinander in einer versetzten Position voneinander erneut aneinander an gebracht werden, um den bei der Endfaser erwünschten Querschnitt zu erzeugen. Eine Faser (40) wird dann aus der Vorform unter Verwendung bekannter Techniken gezogen und der Querschnitt der gezogenen Faser behält die Querschnittsform der Vorform bei, aus welcher sie gezogen wird.
  • Nimmt man Bezug auf 4a, wird eine Strahlung von der Hochleistungs-Diodenlaseranordnung (10) durch eine Glasplatte (20) in eine Faser (40) durch eines der natürlichen Faserfenster (30) gesendet. Die Strahlung der Hochleistungs-Diodenlaseranordnung wird durch das fasernatürliche Fenster (30) nahezu tangential zu der auf andere Weise gekrümmten Faseroberfläche (32) mit einer wesentlichen Längskomponente injiziert. Die Strahlung vom Diodenlaser (10) wird in einer Richtung mit einer Komponente entlang der Längsrichtung sowie der Azimutrichtung der Faser injiziert. Somit hat der injizierte Pumpstrahl radiale, azimutale und longitudinale Komponenten entlang den durch die Faser (40) definierten Achsen. Die Größe der Längskomponente wird durch den Injektionswinkel αi (12) bestimmt, der als der Winkel zwischen der Faserachse (50) und der Pumpstrahl-Einfallsachse definiert ist. Ebenso wird deshalb, weil das Pumplicht typischerweise von Luft (Brechungsindex n1) aus in ein Fasermaterial mit einem Brechungsindex n2 > n1 injiziert wird, der Ausbreitungswinkel αp (13) typischerweise größer als der Injektionswinkel sein, wie es in 4a gezeigt ist. Der Ausbreitungswinkel αp (13) ist als der Winkel zwischen dem schraubenförmigen Ausbreitungspfad der Pumpstrahlstrahlung (110) und der Achse (50) der Faser (40) definiert. Aufgrund der wesentlichen Längskomponente des Pumplaserstrahls und der großen Divergenz bezüglich der schnellen Achse von 40 – 70°, ist die Existenz lokaler Moden in der Pumpstrahlung, die das aktive Material im Faserlaser vermeiden, unwahrscheinlich.
  • Nimmt man Bezug auf 4b und 4c, können mögliche Beziehungen zwischen der Breite des Pumplichtstrahls und der Neigung des schraubenförmigen Ausbreitungspfads der Pumpstrahlstrahlung (110) gesehen werden. Jedoch deshalb, weil die Divergenz des Pumplichtstrahls in sowohl der vertikalen als auch der horizontalen Richtung vorhanden ist, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Figur den tatsächlichen Strahlpfad zeigt. Sie wird nur dazu verwendet, mögliche Situationen für eine Überlagerung von mehreren Pumplaserstrahlen zu zeigen.
  • Nimmt man Bezug auf 4b, ist die Ausbreitung eines Pumplaserstrahls (110) dargestellt, wobei die anfängliche Breite des Pumplaserstrahls nahezu identisch zur schraubenförmigen Neigung ist, die durch den Ausbreitungswinkel αp definiert ist. Wenn eine Vielfalt von Pumplaserstrahlen auf derartige Weise injiziert wird, überlagern sich die mehreren Strahlen und erhöhen daher die Intensität innerhalb der Faser. Nimmt man Bezug auf 4c, ist für die Ausbreitung von mehreren Pumplaserstrahlen (110a, 110b 110c) die anfängliche Breite der Pumplaserstrahlen kleiner als die schraubenförmige Neigung, die durch den Ausbreitungswinkel αp definiert ist. Wenn eine Vielfalt von Pumplaserstrahlen auf derartige Weise injiziert wird, überlagern sich die mehreren Strahlen nicht notwendigerweise, und die Pumpstrahlintensität kann auf einen erwünschten Wert beschränkt werden. Irgendein Verhältnis einer anfänglichen Breite des Pumplaserstrahls und der durch den Ausbreitungswinkel αp definierten schraubenförmigen Neigung ist möglich, was eine Einstellung der Pumplichtintensität innerhalb der Faser auf irgendeinen erwünschten Wert zulässt.
  • Nimmt man Bezug auf 5a, besteht ein Faserlaser aus einem semitransparenten Auskoppelspiegel (510), einem Rückseitenspiegel (520), einer Faser (40), die in mehrere Abschnitte (400) aufgewickelt sein kann und die durch eine Vielfalt von Pumplaseranordnungen (600) seitlich gepumpt werden kann. 5b zeigt einen ähnlichen Faserlaser wie in 5a, aber es ist gezeigt, dass zusätzlich zu Pumplaseranordnungen (600), die eine Pumpleistung in eine Längsrichtung injizieren, eine Vielfalt von Pumplaseranordnungen (610) eine Pumplaserleistung in die entgegengesetzte Richtung injizieren kann.
  • Nimmt man Bezug auf 6, ist eine mögliche Konfiguration des Querschnitts einer Faser (40) gezeigt, wobei die Faser (40) effizient unter Verwendung der oben beschriebenen Verfahren gepumpt wird. Eine Faser mit einer Oberfläche (32) mit einem Querschnitt, der in der Form einer Spirale ist, erzeugt eine Position für ein planares natürliches Fenster (30) einer Rechteckform. Die Faser könnte aus einem Multimode-Wellenleiterbereich (70) bestehen, der entweder nur das Pumplaserlicht (Faserlaser mit doppeltem Mantel) trägt oder sowohl das Pumplaserlicht als auch die Faserlaserausgabe trägt. Einer oder mehrere aktive Bereiche (80) können beliebig innerhalb des Multimode-Wellenleiterbereichs (70) angeordnet sein und irgendeine erwünschte Form haben. Aktive Bereiche (80) erzeugen eine Strahlung bei einer Wellenlänge, die charakteristisch für das aktive Material ist, wenn sie Energie absorbieren. Die aktiven Bereiche (80) müssen die in den aktiven Bereichen erzeugte Strahlung nicht begrenzen oder führen. Vielmehr begrenzen die aktiven Bereiche (80) dann, wenn die aktiven Bereiche (80) eine Dimension haben, die im Vergleich mit der Ausgangswellenlänge des Faserlasers (40) klein genug ist, die Strahlung nicht, und eine Strahlung wird durch den gesamten Multimode-Wellenleiterbereich (70) der Faser (40) geführt. Ein Außenmantel (60) kann angewendet werden, um die Begrenzung der Pumplaserstrahlung und der Faserlaserstrahlung innerhalb des Wellenleiterbereichs (70) zu erhöhen.
  • Der Außenmantel (60) kann ein homogenes transparentes Material mit einem Brechungsindex n3 < n2 sein, wobei n2 der Brechungsindex des Multimode-Wellenleiterbereichs (70) ist, eine Vielfalt von konzentrischen Mantelschichten von Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, um dadurch einen dielektrischen Spiegel für das Pumplaserlicht zur Verfügung zu stellen, oder ein metallischer Spiegel.
  • Nimmt man Bezug auf 7, ist ein Querschnitt einer Faser (40) gezeigt, der eine Oberfläche (32) hat, die in der Form von zwei Halbkreisen ist, die etwas versetzt sind und die zwei benachbarte planare rechteckförmige natürliche Fenster (30a und 30b) zum Koppeln der Pumplaserstrahlung in die Faser (40) natürlich erzeugt. Ebenso ist der Multimode-Wellenleiterbereich (70), der aktive Bereich (80) und ein Außenmantel (60) gezeigt.
  • ANDERE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Es ist zu verstehen, dass, während die Erfindung in Verbindung mit ihrer detaillierten Beschreibung beschrieben worden ist, die vorangehende Beschreibung den Schutzumfang der Erfindung darstellen und nicht beschränken soll, der durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche definiert ist. Andere Aspekte, Vorteile und Modifikationen liegen innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Ansprüche.

Claims (14)

  1. Optische Faser, die folgendes aufweist: – eine radiale Achse; – eine Längsachse; – eine erste Fensterfläche mit einer Normalenrichtung, die nicht parallel zu einer Richtung der radialen Achse bei der ersten Fensterfläche ist, wobei die erste Fensterfläche zum Empfangen einer Pumpstrahlung und zum Senden der Pumpstrahlung in die optische Faser geeignet ist; – eine zweite Oberfläche, die zur internen Vollreflexion einer innerhalb der optischen Faser empfangenen Pumpstrahlung geeignet ist; und – einen aktiven Bereich innerhalb der optischen Faser zum Erzeugen einer Strahlung bei einer charakteristischen Wellenlänge, wenn er mit der Pumpstrahlung gepumpt wird.
  2. Optische Faser nach Anspruch 1, wobei ein Winkel zwischen der Normalenrichtung der ersten Fensterfläche und der Richtung der radialen Achse bei der ersten Fensterfläche größer als etwa 15 Grad, vorzugsweise größer als etwa 45 Grad, und noch bevorzugter größer als etwa 60 Grad ist.
  3. Optische Faser nach Anspruch 1, wobei die Normalenrichtung der ersten Fensterfläche im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der radialen Achse bei der ersten Fensterfläche ist.
  4. Optische Faser nach Anspruch 1, wobei die erste Fensterfläche im Wesentlichen parallel zur Längsachse der optischen Faser ist.
  5. Optische Faser nach Anspruch 1, wobei die erste Fensterfläche im Wesentlichen flach ist.
  6. Optische Faser nach Anspruch 1, wobei ein Winkel zwischen einer Normalenrichtung der zweiten Oberfläche und einer Richtung der radialen Achse bei der zweiten Oberfläche kleiner als etwa 30 Grad ist.
  7. Optische Faser nach Anspruch 1, wobei eine Normalenrichtung der zweiten Oberfläche im Wesentlichen parallel zu einer Richtung der radialen Achse bei der zweiten Oberfläche ist.
  8. Optische Faser nach Anspruch 1, wobei die zweite Oberfläche gekrümmt ist.
  9. Optische Faser nach Anspruch 1, die weiterhin eine dritte Fensterfläche mit einer Normalenrichtung aufweist, die nicht parallel zu einer Richtung der radialen Achse bei der dritten Fensterfläche ist, wobei die dritte Fensterfläche zum Empfangen einer Pumpstrahlung geeignet ist und vorzugsweise die dritte Fensterfläche im Wesentlichen flach ist.
  10. Optische Faser nach Anspruch 1, wobei der aktive Bereich eine transversale Dimension hat, die kleiner als die charakteristische Wellenlänge ist.
  11. Faserlaseranordnung, die folgendes aufweist: – (a) eine optische Faser nach einem der vorangehenden Ansprüche; – (b) eine Diodenlaseranordnung, die zum Emittieren der Pumpstrahlung geeignet ist; und – (c) ein optisches Element, das zwischen der Diodenlaseranordnung und der ersten Oberfläche angeordnet ist und zum Führen einer Pumpstrahlung von der Diodenlaseranordnung zur ersten Fensterfläche der optischen Faser geeignet ist.
  12. Verfahren zum Pumpen eines Faserlasers mit einer Längsachse, einer radialen Achse und einer Azimutachse, wobei das Verfahren folgendes aufweist: – Erzeugen eines Strahls einer Pumpstrahlung; – Injizieren des Strahls einer Pumpstrahlung in den Faserlaser in einer derartigen Richtung, dass der Strahl einer Pumpstrahlung eine Komponente entlang der Längsachse, der radialen Achse und der Azimutachse des Faserlasers hat.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Faserlaser eine Fensterfläche mit einer Normalenrichtung hat, die nicht parallel zu einer Richtung der radialen Achse bei der ersten Fensterfläche ist, und wobei der Strahl eine Pumpstrahlung in den Faserlaser durch die erste Fensterfläche injiziert wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Strahl einer Pumpstrahlung durch eine Diodenlaseranordnung erzeugt wird.
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