DE69511166T2

DE69511166T2 - Faserlaser mit linearer Polarisation

Info

Publication number: DE69511166T2
Application number: DE69511166T
Authority: DE
Inventors: Jean-Francois Bayon; Pascal Bernage; Marc Douay; Pierre Niay
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Gula Consulting LLC
Priority date: 1994-05-20
Filing date: 1995-05-18
Publication date: 1999-12-16
Anticipated expiration: 2015-05-19
Also published as: FR2720198B1; FR2720198A1; DE69511166D1; EP0683550A1; EP0683550B1; US5561675A

Description

Die Erfindung betrifft einen Faserlaser mit linearer Polarisation.
Wie bei allen Lasern kann es bei bestimmten Anwendungen vorteilhaft oder sogar notwendig sein, über eine linear polarisierte Emission in einer stabilen Polarisationsrichtung zu verfügen.
Der erfindungsgemäße Laser ist also ein Faserlaser, der ermöglicht, eine linear polarisierte, transversale Monomode- Lichtwellenemission zu erhalten. Ein solcher Laser ist auf einer Vielzahl verschiedenster Gebiete einsetzbar, z. B. der Telekommunikation, der Spektroskopie, der Medizin, der Detektion chemischer Arten, der Telemetrie.
Die optische Strahlung eines Lasers, der ein transversales Monomode-Bündel abstrahlt, wird generell durch zwei Gruppen rechtwinklig polarisierter Longitudinalmoden gebildet. Diese Moden haben in einem anderen Milieu als dem Vakuum verschiedene Resonanzfrequenzen; der Polarisationszustand der abgestrahlten Welle ist zufällig.
Bei den Faserlasern können äußere Einflüsse wie z. B. Drücke, Schwingungen und Temperaturveränderungen zu Brechzahländerungen und Polarisationskopplungen führen. Dies kann temporär die Leistung jeder Polarisation verändern, so daß ein Polarisator genügt, um ein, polarisiertes Bündel zu erhalten. Die Ausgangsleistung des Polarisators kann zufälligen Veränderungen unterliegen, selbst dann, wenn die Gesamtausgangsleistung (vor dem Polarisator) konstant bleibt.
Außerdem modifizieren die Kopplungsphänomene die Resonanzfrequenzen der Longitudinalmodengruppen in unkontrollierter Weise. Dieser Effekt erweist sich als störend bei allen Laseranwendungen, bei denen die Emissionsfrequenz zeitlich unveränderlich sein muß.
Bei bestimmten Lasertypen ist die Emission auf natürliche Weise polarisiert oder kann leicht polarisiert werden. Es handelt sich um Resonatoren, die eine Differentialverstärkung aufgrund der beiden Polarisationseigenschwingungen aufweisen. Ein bekanntes Beispiel für polarisierte Emission ist das der Halbleiterlaser (GaAlAs), bei denen die Verstärkungsanisotropie, verursacht durch die Struktur des Wellenleiters, in Verbindung mit dem homogenen Charakter der beteiligten Übergänge eine polarisierte Emission gewährleistet. Ein anderes Beispiel künstlich polarisierter Emission ist das der Gaslaser mit das aktive Gaselement verschließenden Brewsterplatten, wobei diese Platten zugleich dazu dienen, Störhohlräume bzw. -resonatoren zu vermeiden und und einen ausreichenden Differentialverlust bei den beiden Linearpolarisationsschwingungen einzuführen (da Gaslaser sehr kleine Verstärkungen haben, genügt eine kleine Verlustedifferenz).
Der Fall der Laser mit seltenerden-dotierten Fasern ist spezieller. Zunächst haben die Emissionlinien bei Umgebungstemperatur eine vorherrschende inhomogene Komponente, was die simultane Schwingung mehrerer Wellenlängen und Polarisationsarten zuläßt. Es genügt folglich nicht, bei diesen Medien bzw. Materialien eine schwache Differentialverstärkung bei den Polarisationszuständen einzuführen, um eine geradlinige polarisierte Emission in einer stabilen Richtung zu gewährleisten (eine Monopolarisations-Emission ereignet sich in Wirklichkeit in der Pumpzone, die enthalten ist zwischen den den beiden Polarisationen entsprechenden Schwellen, kann aber in der Praxis nicht ausgenutzt werden). Außerdem ist bei einer klassischen Faser der Polarisationszustand der Laserwelle sehr sensibel für die äußeren Parameter und kann sich schnell und zufällig verändern.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, diese Nachteile zu beseitigen.
Das Dokument Proc. SPIE, August 1993, Bd. 2044, Seiten 246-260, macht bekannt mit einen Faserlaser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft also einen linear polarisierten Faserlaser, bei dem die Faser eine doppelbrechende optische Faser mit Polarisationserhaltung ist, die an jedem ihrer Enden ein photo-induziertes Bragg-Gitter aufweist.
Die Bragg-Wellenlängen dieser Gitter können im wesentlichen gleich sein. Die beiden Gitter können ebenfalls unter unterschiedlichen Bedingungen induziert werden. In diesem Fall werden die beiden Gitter derart realisiert, daß sie zwischen den Resonanzpeaks der den beiden Polarisationsschwingungen entsprech enden Bragg-Wellenlängen Abstände aufweisen, die größer sind als die Bandbreite des entsprechenden Gitters, um eine monopolarisierende Emission zu realisieren.
Um eine bestimmte Polarisation zu liefern, bringt man für die beiden Gitter die Bragg-Wellenlängen in Übereinstimmung, die derselben Polarisation entsprechen.
Nach einer anderen Variante kann man auch eine π/2- Polarisations-Rotationsvorrichtung vorsehen.
In diesem Fall bringt man die einer ersten Polarisation entsprechende Bragg-Wellenlänge in einem Gitter in Übereinstimmung mit der Bragg-Wellenlänge, die einer zweiten, zur ersten senkrechten Polarisation in dem anderen Gitter entspricht.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, beispielartigen und nicht einschränkenden Beschreibung hervor, bezogen auf die beigefügten Figuren:
- die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Faserlasers;
- die Fig. 2 und 3 stellen Kennlinien bekannter Laser und des erfindungsgemäßen Lasers dar.
Erfindungsgemäß ist zunächst vorgesehen, die Polarisationen getrennt zu stabilisieren und zu verarbeiten. Dazu benutzt man eine doppelbrechende Faser mit Polarisationserhaltung. Beispielsweise sieht man eine Faser mit einer Doppelbrechung höher als 10&supmin;&sup4; vor. Die Degeneration zwischen Polarisationsschwingungen (linearen) ist dann ausreichend hoch, um die Kopplung zwischen diesen Schwingungen unter üblichen Benutzungsbedingungen der Faser vernachlässigbar zu machen.
Jedoch genügt eine, schwache Verstärkungsdifferenz nicht, um eine linear polarisierte Emission zu gewährleisten, wenn die Pumprate hoch ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Resonator bei einer der beiden Polarisationsschwingungen wegzulassen.
Die Fig. 1 liefert ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Eine doppelbrechende optische Faser F weist an jedem ihrer Enden ein photoinduziertes Gitter R1, R2 auf.
Die Herstellung eines solchen Gitters ist eine dem Fachmann bekannte Technik. Sie wendet die Interferenz zweier Lichtwellen an. Die Figur der Interferenzen schafft Brechzahlschichten.
Die Gitter R1 und R2 sind so realisiert, daß sie den optischen Resonator nur für eine einzige Polarisation schließen. Diese Gitter arbeiten innerhalb der Bragg-Bedingungen und erfüllen, wie dies in der Technik bekannt ist, die Rollen von Resonatorspiegeln.
Die Resonanzwellenlängen eines photoinduzierten Gitters sind verschieden für jede der doppelbrechenden Achsen, und dieser Unterschied kann größer als die Bandbreite des Gitter gemacht werden. Indem man mittels eines adäquaten Verfahrens die Resonanzwellenlängen jedes Gitters beherrscht, und indem man den Resonator konfiguriert (hauptsächlich bezüglich der Entwicklung der Polarisationszustände), gelingt es, eine leistungsstabile Monopolarisationsemission zu realisieren.
Es ist folglich nötig, für einen der Polarisationseigenzustände eine Frequenzabstimmung zwischen den beiden den Laserresonator abschließenden Gittern herzustellen und dabei sicherzustellen, daß diese Gitter für den anderen Polarisationseigenzustand nicht abgestimmt sind.
Bei den in der Folge beschriebenen besonderen Ausführungen, wird folglich die Spiegelfunktion des Resonators durch photoinduzierte Gitter realisiert. Eine wesentliche charakteristische Einrichtung ist daher die Herstellung und Benutzung eines polarisationsselektiven Resonators. Ein zweiter kritischer Punkt ist die Stabilität der Polarisationseigenzustände gegenüber äußeren Störungen. Man benutzt dazu eine Faser mit linearer Doppelbrechung.
Die beiden photoinduzierten Gitter R1, R2 haben nach einer Ausführungsart dieselbe Teilung, können aber so gewählt werden, daß sie nicht dieselbe Bragg-Wellenlänge haben.
Jedoch kann dasselbe physikalische Gitter eine Resonanz für eine Polarisation X und eine Resonanz für eine Polarisation Y haben. Es gibt einen Unterschied zwischen den beiden Bragg- Wellenlängen für die beiden Polarisationen, und dies für ein bestimmtes Gitter. In der Folge wird nun dieser Unterschied für die beiden Gitter R1 und R2 variiert und verändert, indem die Induzierungsbedingungen der beiden Gitter modifiziert werden.
Die beiden Gitter sind so konzipiert, daß sie geringfügig unterschiedliche Bragg-Wellenlängen haben. In diesem Fall hat das eine Gitter R1 die Bragg-Wellenlänge λ 1 und das andere Gitter R2 die Bragg-Wellenlänge λ 2. Die Lichtwelle breitet sich in der Faser mit zwei rechtwinkligen Polarisationen X und Y aus. Die Bragg-Wellenlängen der beiden Gitter sind dann in mittlerer Bragg- Wellenlänge sehr wenig versetzt.
Noch genauer kann man die beiden Gitter R1 und R2 so realisieren, daß die Abstände zwischen den beiden Resonanzpeaks der Bragg-Wellenlängen der beiden Polarisationen X und Y ausreichend sind für die beiden Gitter. Das heißt, daß, wenn man für das erste Gitter R1 einen Abstand Δλ 1 zwischen den Bragg- Resonanzen für die Polarisationen X und Y hat, dieser Abstand Δλ 2 ist zwischen den Bragg-Resonanzen für die Polarisationen X und Y in dem Gitter R2, mit Δλ 2 verschieden von Δλ 1. Der Ausdruck "ausreichend" bedeutet, daß die Abstände zwischen den beiden Resonanzpeaks der Bragg-Wellenlängen der beiden Polarisationen X und Y größer sind als die Bandbreite des Gitters.
Es wird dann nur die Bragg-Wellenlänge für eine bestimmte Polarisation (z. B. X) in einem Gitter mit der Bragg-Wellenlänge für dieselbe Polarisation in dem anderen Gitter in Übereinstimmung gebracht.
Unter diesen Bedingungen können die Bragg-Wellenlängen für die andere Polarisation (Polarisation Y) nicht in Übereinstimmung gebracht werden für die beiden Gitter.
Nach einer Ausführungsart dreht man die beiden Polarisationen X und Y um π/2 zwischen den beiden Gittern R1 und R2 im Kern der Faser. Dies kann mit Hilfe eines Filters erfolgen, der die Rolle eines Polarisationsrotators spielt, oder auch, indem man die Faser unterbricht und die Verbindung der beiden Schnittenden an derselben Stelle realisiert, wobei man die beiden Stücke um 90º gegeneinander verdreht in bezug auf eine zu der geraden Querschnittsebene senkrechte Achse. Zudem werden die Gitter R1 und R2 bei dieser Ausführungsart so realisiert, daß man die mittleren Braggwellenlängen leicht versetzt und man die Resonanz der Polarisation X des Gitter R1 mit der Resonanz Y des Gitter R2 in Übereinstimmung bringt. So erhält man eine bessere Auflösung bei den Polarisationen.
Nach einer anderen Ausführungsart sieht man vor, die Gitter R1 und R2 so herzustellen, daß ihr Reflexionsgrad null ist bei einer Polarisation X und maximal bei einer Polarisation Y (oder umgekehrt).
Die verwendete Faser kann eine Faser mit asymmetrischer Struktur sein. Zum Beispiel eine Faser mit einem elliptischen geraden Querschnitt. Die Gitter R1 und R2 werden durch Interferenz von zwei Lichtwellen realisiert und durch Bestrahlung mit Hilfe einer ultravioletten Strahlung. Die Bestrahlungszeit der beiden Gitter wird so berechnet, daß man für beide Gitter einen für eine Polarisation maximalen Reflektivitätsfaktor erhält. Der Laser wird also linear polarisiert, denn für die andere Polarisation gibt es keinen Resonator.
In Fig. 1 ist also die doppelbrechende Faser mit diesen beiden Gittern R1, R2 dargestellt. Eine optische Quelle (Laser) liefert eine Pumpwelle O1 mit zwei zueinander rechtwinkligen Polarisationen P1 und P2. Wie vorhergehend beschrieben, liefert die optische Faser F am Ausgang ein Bündel O2, z. B. entsprechend P1 linear polarisiert.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurden Versuche durchgeführt. Die Fig. 2 und 3 zeigen zwei Beispiele der Entwicklung der Laseremissions-Kennlinien bei einer klassischen Konfiguration des Stands der Technik (Kurven "a") und einer erfindungsgemäß stabilisierten Konfiguration (Kurve "b").
In jedem der Fälle wurde ein äußerer Parameter variiert (es handelt sich bei diesem Versuch um eine resonator-interne Spannung).
Die Fig. 2 liefert Kurven der durch den gepumpten Laser in Abhängigkeit von der Zeit emittierten Leistung.
Die Fig. 3 liefert Emissionsfrequenzen-Diagramme.
Die Kurve "a" in Fig. 2 zeigt eine starke Schwankung der Leistung. Die Kurven a1, a2 und a3 der Fig. 3 zeigen starke Veränderungen der Schwingungswellenlänge.
Hingegen zeigt die der Erfindung entsprechende Kurve b der Fig. 2 eine Leistungsstabilität, und die Kurven b1, b2 und b3 in Fig. 3 zeigen eine wellenlängenstabile Emission.
Es ist also klar bewiesen, daß der erfindungsgemäße Faserlaser eine linear polarisierte Emission entsprechend einer stabilen Richtung und mit konstanter Leistung (> 1mw) liefern kann. Festzustellen ist, daß die benutzte Methode vollständig kompatibel ist mit Monofrequenzen-Laserausführungen (eine einzige Longitudinal-Resonanz).
Die Reflexionskoeffizienten und die Resonanzwellenlänge eines in einer Faser mit starker Doppelbrechung photoinduzierten linearen Gitters verändern sich in Abhängigkeit davon, ob das Licht parallel zur schnellen Achse oder zur langsamen Achse polarisiert wird. Die Kurven B (b der Fig. 2 und 3) erhielt man, indem man in einer doppelbrechenden Faser Gitter mit unterschiedlichen Versuchbedingungen induziert.
Zum Beispiel ermöglicht eine leichte Zugkraft, ausgeübt auf eines der Gitter, die Abstimmung für eine der Polarisationen zu erhalten und dabei für die rechtwinklige Polarisation außer Resonanz zu sein, und man erhält die Zugkraft aufrecht, um diesen Unterschied beizubehalten.
Die doppelbrechende Faser kann eine Faser mit asymmetrischem Kern sein. Sie kann auch eine in der Technik bekannte Faser mit asymmetrischer Spannung sein, wobei ihre Struktur derartig ist, daß die Spannungen asymmetrisch auf den Kern wirken, was zu Brechzahldifferenzen führt und Ausbreitungsachsen unterschiedlicher Geschwindigkeiten schafft, schnelle Achse und langsame Achse genannt.
Zum Beispiel kann die optische Hülle bzw. der Mantel der Faser lokal mit Bor dotiert werden, was die Ausdehnungskoeffizienten des Mantels modifiziert. Der Kern der Faser kann mit Germanium dotiert werden, was ermöglicht, ein Gitter zu induzieren, die Wärmeausdehnungskoeffizienten zu modifizieren und infolgedessen die Asymmetrie der Spannungen zu erhöhen.

Claims

1. Faserlaser, gepumpt durch eine Lichtwelle mit linearer Polarisation, eine doppelbrechende optische Faser (F) umfassend, die an jedem ihrer Enden ein photo-induziertes Bragg-Gitter (R1, R2) besitzt und zwei zueinander rechtwinklige Polarisationsmoden aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die optische Faser eine sehr starke Doppelbrechung hat, größer als 10&supmin;&sup4;, und dadurch, daß die beiden Gitter (R1, R2) so realisiert sind, daß sie Abstände zwischen den beiden Resonanzpeaks der den beiden Polarisationsmoden entsprechenden Bragg-Wellenlängen aufweisen, die größer als die Bandbreite des entsprechenden Gitters sind, um eine monopolarisierende Emission zu realisieren.

2. Faserlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Bragg-Wellenlängen der beiden Gitter so versetzt sind, daß für die beiden Gitter nur die Bragg-Wellenlängen zur Koinzidenz gebracht werden, die derselben Polarisationsmode entsprechen.

3. Faserlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine π/2-Polarisationsrotationsvorrichtung umfassen, die ermöglicht, die Polarisationen um D/2 zu drehen.

4. Faserlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gitter so realisiert sind, daß sie die Resonanz einer ersten Polarisation in einem ersten Gitter R1 zur Koinzidenz bringen mit der Resonanz einer zweiten, zur ersten senkrechten Polarisation in dem zweiten Gitter R2.

5. Faserlaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gitter für zwei zueinander rechtwinklige Polarisationsmoden unterschiedliche Reflektivitätskoeffizienten aufweisen.

6. Faserlaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektivitätskoeffizienten für eine erste Polarisationsmode in den beiden Gittern maximal sind und für eine zweite, zur ersten Mode rechtwinkligen Polarisationsmode minimal sind.

7. Faserlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser eine Faser mit dissymmetrischer Struktur ist und/oder asymmetrische Spannungen aushält.