DE69601034T2

DE69601034T2 - Zweiwellenlängengepumpter,rauscharmer wellenleiterlaser

Info

Publication number: DE69601034T2
Application number: DE69601034T
Authority: DE
Inventors: Gary A. Simsbury Ct 06070 Ball
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1995-03-06
Filing date: 1996-03-06
Publication date: 1999-04-15
Anticipated expiration: 2016-03-07
Also published as: DE69601034D1; ES2125723T3; US5594747A; JP3933199B2; EP0813759A1; CA2212434C; WO1996027927A1; CA2212434A1; JPH11501770A; EP0813759B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft Laser mit einem optischen Wellenleiter, der einen Verstärkungsabschnitt aufweist, insbesondere Faserlaser und speziell Faserlaser mit geringem Rauschen.

Technischer Hintergrund

Auf dem Gebiet von Faserlasern ist es bekannt, daß ein Faserlaser ein Stück einer optischen Faser (oder einen Laserhohlraum) enthält, der mit einem optisch aktiven Seltenerd-Ion (oder einem Verstärkungsmedium) beispielsweise Neodym oder Erbium, dotiert ist und optische Reflektoren aufweist, die um eine vorbestimmte Strecke entlang der Faser bei dazwischenliegendem Verstärkungsmedium beabstandet sind. Die Faser wird optisch von Pumplicht gepumpt, welches eine vorbestimmte Pumpwellenlänge besitzt, welche das Verstärkungsmedium anregt, so daß die Besetzung mit angeregten Atomen größer ist als die Besetzung mit nichtangeregten Atomen (oder weniger angeregten Atomen) im Laserübergang (bekannt als Besetzungsumkehr). Wenn die Energie der Atome in dem Verstärkungsmaterial in ihren ursprünglichen nichtangeregten Zustand (oder auf ein niedrigeres Energieniveau) zurückkehrt, werden Photonen mit einer vorbestimmten Laserwellenlänge emittiert. Solche emittierten Photonen bewirken (oder stimulieren), daß andere angeregte Atome in dem Verstärkungsmedium ähnliche Photonen emittieren, so daß der bekannte Lasereffekt entsteht. Die optischen Reflektoren sind so ausgebildet, daß sie eine vorbestimmte Lichtmenge der Laser-Wellenlängen reflektieren, wobei die Hohlraumlänge und der Betrag der Hohlraumverstärkung derart eingestellt sind, daß Licht mit der Laserwellenlänge kontinuierlich innerhalb des Hohlraums schwingt, so daß der Laserbetrieb aufrechterhalten bleibt. Außerdem reflektiert mindestens einer der Reflektoren nicht das Licht der Pumpwellenlänge, so daß das Pumplicht über einen der endseitigen Reflektoren in den Hohlraum eintreten kann.
Es ist außerdem bekannt, daß derartige Reflektoren Bragg-Gitter sein können, die direkt auf die optische Faser aufgeprägt sind, wie dies in den US-Patenten 4 807 950 und 4 725 110 mit dem Titel "Method for Impressing Gratings within Fiber Optics", beide von Glenn et al, beschrieben ist.
Ein derartiger Laser läßt sich so ausbilden und fertigen, daß ein Laserbetrieb bei einem einzelnen Longitudinalmode bei schmaler Linienbreite und durchgehender Abstimmbarkeit in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich erreicht wird, wie dies in dem US-Patent 5 305 335 mit dem Titel "Single Longitudinal Mode Pumped Optical Waveguide Laser Arrangement" von Ball et al sowie in dem US-Patent 5 317 576 mit dem Titel "Continuously Tunable Single-Mode Rare-Earth Doped Pumped Laser Arrangement", von Ball et al beschrieben ist.
Solche Faserlaserquellen bieten die Möglichkeit verbesserter Leistungsfähigkeit, so zum Beispiel höherer Leistung und schmalerer Linienbreite, verglichen mit Halbleiterlaserquellen und diodengepumpten Festkörperlaserquellen, die üblicherweise in Lichtwellenleiter-Systemen verwendet werden.
Allerdings ist es auch bekannt, daß die Intensität des Ausgangslichts eines Faserlasers möglicherweise zeitlichen Schwankungen (oder Rauschen) unterliegt. Dieses Rauschen wird als relatives Intensitätsrauschen (RIN; Relative Insensity Noise) bezeichnet und wird typischerweise in dB/Hz in Bezug auf den Dauerstrich-(cw)Laserpegel gemessen; er besitzt ein Stärkenprofil, welches sich in bekannter Weise mit der Frequenz ändert. Bei einem zum Stand der Technik gehörenden, mit Erbium dotierten Faserlaser beispielsweise kann das RIN bei niedrigen Frequenzen (z. B. bei weniger als 100 KHz) -110 dB betragen, und bei höheren Frequenzen (z. B. oberhalb von 100 MHz) -140 dB betragen. Während dieser Rauschpegel möglicherweise akzeptabel ist für digitale Systeme, ist er nicht hinnehmbar bei solchen analogen Anwendungen wie zum Beispiel dem Kabelfernsehen, welches einen Rauschpegel von etwa -160 dB/Hz bei hohen Frequenzen verlangt.
Es gibt außerdem in dem RIN-Profil bei niedrigen Frequenzen (zum Beispiel bei etwa 250 KHz, abhängig von der Laserleistung) eine lokale Resonanzspitze (oder Rauschspitze), die sich auf die Relaxationsschwingungen im Laserhohlraum bezieht. Diese Spitze besitzt einen Wert von etwa -80 dB/Hz bei einigen herkömmlichen Systemen. Für digitale und analoge Übertragungssysteme ist es wünschenswert, die RIN-Rauschzacke weitestgehend zu verringern, beispielsweise auf weniger als -120 dB/Hz.
Eine Möglichkeit, RIN zu verringern, ist das Heraufsetzen der Laser- Ausgangsleistung. Eine im Stand der Technik bekannte Methode zum Steigern der Laserleistung ist das Steigern der Dotierstoffkonzentration des Hohlraums. Eine derartig erhöhte Konzentration führt jedoch häufig zu Cluster-Effekten in dem Er, was den Laserwirkungsgrad reduziert und zu eigener Erzeugung von Überschwingspitzen führt.
Ein weiterer Weg zur Steigerung der Leistung ist die Verwendung eines effizienteren Verstärkungsmediums, beispielsweise einer co-dotierten Erbium-Ytterbium-Faser, beschrieben in dem Artikel: Kringlebotn et al. "Efficient Diode-Pumped Single-Frequency Erbium: Ytterbium Fiber Laser", IEEE Photonics Techn. Lett., Vol. 5, No. 10, Seiten 1162- 1164 (Okt. 1993); und J. Kringlebotn et al. "Highly-efficient, Lownoise Grating-feedback Er3+:Yb3+ Codoped Fibre Laser", Electr. Lettr., Band 30, No. 12, Seiten 972-973 (Juni 1994). Wenngleich derart gesteigerte Leistung das Gesamt-RIN bei sämtlichen Frequenzen verringert, beseitigt diese Methode nicht die bei niedriger Frequenz auftretende RIN-Spitze. Außerdem erhöht sich mit gesteigerter Laserleistung auch die Frequenz, bei der die RIN-Rausch-Spitze auftritt. Es ist also wünschenswert, einen Faserlaser zu schaffen, der ein reduziertes RIN-Profil sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Frequenzen aufweist.

Offenbarung der Erfindung

Ziele der Erfindung beinhalten die Schaffung eines Faserlasers, die ein reduziertes Betragsprofil sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Frequenzen aufweist.
Erfindungsgemäß umfaßt ein polarisationsgesteuerter Wellenleiterlaser einen optischen Festkörper-Wellenleiter, der Laserlicht ausbreitet; ein Paar reflektierender Elemente in einem vorbestimmten Abstand entlang dem Wellenleiter, jeweils das Laserlicht reflektierend; einen Verstärkungsabschnitt des Wellenleiters zwischen den reflektierenden Elementen, dotiert mit einem ersten Seltenerd-Dotierstoff und einem zweiten Seltenerd-Dotierstoff; wobei eines der reflektierenden Elemente eine vorbestimmte Menge des Laserlichts als Laserausgangslicht durchläßt; eine erste Pumpeinrichtung zum Bilden eines ersten Pumpsignals bei einer ersten Pumpwellenlänge, wobei das erste Pumpsignal auf den Verstärkungsabschnitt des Wellenleiters auftrifft; eine zweite Pumpeinrichtung, die auf ein Pumpsteuersignal anspricht, um ein zweites Pumpsignal bei einer zweiten Pumpwellenlänge zu bilden, wobei das zweite Pumpsignal auf den Verstärkungsabschnitt des Wellenleiters auftrifft, wobei der erste Dotierstoff das zweite Pumpsignal nicht absorbiert; eine Steuereinrichtung zum Bilden des Pumpsteuersignals für die zweite Pumpeinrichtung und zum Einstellen des Pumpsteuersignals derart, daß das zweite Pumpsignal die Besetzungsumkehr in dem Laserübergang des zweiten Dotierstoffs ansprechend auf das Ausgangslicht einstellt, um dadurch relativ starkes Rauschen des Ausgangslichts zu reduzieren; wobei der erste Dotierstoff das erste Pumpsignal absorbiert und Energie aus dem ersten Dotierstoff, die von dem ersten Dotierstoff in den zweiten Dotierstoff übergeht, absorbiert, und der zweite Dotierstoff das Laserlicht emittiert, das erste Pumpsignal mehr von dem ersten Dotierstoff als von dem zweiten Dotierstoff absorbiert wird; der zweite Dotierstoff das zweite Pumpsignal absorbiert und eine Pump-Laserübergangs-Zeit aufweist, die schneller ist als eine Pump-Laserübergangs- Zeit des ersten Dotierstoffs; und die Übergangszeit des zweiten Dotierstoffs schnell genug ist, um der Steuereinrichtung zu ermöglichen, das relative Intensitätsrauschen des Ausgangslichts in einem vorbestimmten Frequenzbereich zu verringern.
Die vorliegende Erfindung stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik insofern dar, als ein Faserlaser mit niedrigem RIN von zum Beispiel -160 dB/Hz bei hohen Frequenzen geschaffen wird, während außerdem die Relaxations-Schwingungs-RIN- Spitze bei niedrigen Frequenzen reduziert wird, beispielsweise auf -120 dB/Hz. Die Erfindung verwendet einen co-dotierten Faserlaserhohlraum, beispielsweise Er&spplus;³:Yb&spplus;³ (Erbium:Ytterbium) und Pumpen bei doppelter Wellenlänge. Eine erste Pumpwellenlänge λP1 pumpt wirksam das Yb in den angeregten Zustand, und die Yb-Energie wird auf die Er-Atome übertragen, die schließlich bei der gewünschten Laserfrequenz Laserbetrieb bewirken. Weil Yb effizient gepumpt wird, erreicht man eine hohe Pumpabsorption und damit eine hohe Laser-Ausgangsleistung und demzufolge ein verringertes RIN. Gleichzeitig pumpt eine zweite Pumpwellenlänge λP2 (verschieden von λP1) direkt das Erbium (Er) bei einer Wellenlänge in der Nähe des Laserübergangs und bevölkert damit rasch den Laserübergang. Dies ermöglicht eine ausreichende Bandbreite für eine Rückführ-Regelung der Laserintensität bei der Laserwellenlänge, wodurch das zweite Pumpsignal veranlaßt wird, das durch Relaxationsschwingungen in dem Laser hervorgerufene niederfrequente RIN-Überschwingen zu beherrschen. Alternativ kann zusätzlich eine Regelschleife gebildet werden durch Verwendung des λP1-Pumpens zum Regeln der RIN bei sehr niedriger Frequenz (Gleichstrom bis 1 KHz). Die oben erwähnten sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher im Lichte der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines bei doppelter Wellenlänge gepumpten rauscharmen Faserlasers gemäß der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Energiediagramm eines Er&spplus;³:Yb&spplus;³-Hohlraums des mit zwei Wellenlängen gepumpten Faserlasers gemäß der Erfindung.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung des relativen Intensitätsrauschens (RIN) im Stand der Technik und gemäß der Erfindung.
Fig. 4 ist ein schematisches Blockdiagramm eines mittels zwei Wellenlängen gepumpten, rauscharmen Faserlasers, bei dem beide Pumpwellenlängen auf den Laser von dessen einem Ende her auftreffen, entsprechend der vorliegenden Erfindung.

Bester Weg zum Ausführen der Erfindung

Bezugnehmend auf Fig. 1 enthält ein mit zwei Wellenlängen gepumpter rauscharmer Faserlaser 10 einen Faserlaser 12 mit Bragg-Gittern 14 und 16, die in den Kern der Faser mit einem vorbestimmten Zwischenabstand eingebettet sind. Zwischen den Gittern 14 und 16 befindet sich eine Zone der Faser 18, die insgesamt oder teilweise dotiert ist mit zwei vorbestimmten Seltenerd-Dotierstoffen (oder einem Verstärkungs- oder aktiven Medium), beispielsweise Erbium (Er&spplus;³) und Ytterbium (Yb&spplus;³), wobei die Zone als Laserhohlraum 18 fungiert. Die Er:Yb-Dotierung kann ähnlich derjenigen sein, wie sie in dem Artikel von Kringlbotn et al diskutiert ist: "Efficient Diode-Pumped Single-Frequency Erbium: Ytterbium Fiber Laser", IEEE Photonics Techn. Lett., Vol. 5, Nr. 10, Seiten 1162-1164 (Oktober 1993).
Bekanntlich ist ein Bragg-Gitter eine periodische Änderung des Brechungsindex des Faserkerns, die ein Reflexions-Profil aufweist, welches ein vorbestimmtes schmales Licht-Wellenlängenband reflektiert und sämtliche übrigen Wellenlängen passieren läßt. Die Gitter 14 und 16 haben einen solchen Gitterabstand, daß ein Spitzen-Reflexionsvermögen bei einer Laserwellenlänge λL (bei z. B. 1550 Nanometern für einen mit Erbium dotierten Hohlraum) der Faserlaser erhalten wird. Die Gitter 14 und 16 können durch jede beliebige Methode nach dem Stand der Technik ausgebildet werden, beispielsweise dadurch, daß sie der optischen Faser aufgeprägt werden, wie dies in den US-Patenten 4 807 950 und 4 725 110 mit dem Titel "Method for Impressing Gratings within Fiber Optics" von Glenn et al diskutiert ist. Auf Wunsch kann auch jede andere Methode zum Einprägen der Gitter 14 und 16 in die Faser verwendet werden. Die Giter 14 und 16 können an einander abgewandten Enden des Laserhohlraums 18 gespleißt sein, wenn dies erwünscht ist, oder der Abschnitt der Faser, wo sich die Gitter 14 und 16 befinden, kann dotiert sein, wenn dies erwünscht ist.
Die Gitter 14 und 16 und der dotierte Faserhohlraum 18 (oder der Faserhohlraum mit einem darin befindlichen Verstärkungsmedium) bilden die drei Grundelemente eines typischen Faserlasers, wie dies in den US-Patent 5 305 335 mit dem Titel "Single Longitudinal Mode Pumped Optical Waveguide Laser Arrangement" von Ball et al und in dem US- Patent 5 3I7 576 mit dem Titel "Continuously Tunable Single-Mode Rare-Earth Doped Pumped Laser Arrangement" von Ball et al ebenso beschrieben ist wie in dem US-Patent 5 237 576 mit dem Titel "Article Comprising an Optical Fiber Laser" von DiGiovanni, die sämtlich hier durch Bezugnahme inkorporiert sind.
Genauer: Der Faserlaser 12 wird von einem ersten Eingangs-Pumplicht 20 gepumpt, welches von einer ersten Pumplichtquelle 22, zum Beispiel einer Laserdiode, kommt. Das Pumplicht 20 besitzt eine erste Pumpwellenlänge λP1, beispielsweise 980 Nanometer. Das Pumplicht 20 läuft entlang der Faser 24 zu einem Port 26 eines bekannten Wellenlängenmultiplexers (WDM; Wavelength Division Multiplexer) 28, der für eine wellenlängenempfindliche Kopplung des Lichts sorgt. Das Licht 20 wird auf ein Port 30 des WDM 28 gekoppelt und läuft entlang der optischen Faser 32 des Faserlasers 12.
Das Pumplicht 20 läuft durch das Gitter 16 (da die Pumpwellenlänge λP1 nicht im Reflexions-Wellenlängenband des Gitters 16 liegt) und gelangt in den Laserhohlraum 12. Die Pumpwellenlängen λP1 regt in erster Linie den Ytterbium-(Yb)Teil des Verstärkungsmediums im Hohlraum 18 auf ein vorbestimmtes Energieniveau an. Die Energie der angeregten Yb- Atome geht über auf die Erbium-(Er)Atome, und das Er emittiert Photonen mit der Laserwellenlänge λL, wie durch eine Linie 36 angedeutet (und ausführlicher unten diskutiert) ist.
Wie oben diskutiert, sind die Gitter 14 und 16 des Faserlasers derart ausgestaltet, daß sie eine schmale Reflexions-Wellenlänge bei der Wellenlänge λL aufweisen. Typischerweise reflektiert das vordere Gitter 14 99,5% des Lichts bei der Laserwellenlänge λL, während das hintere Gitter 16, über das das Ausgangs-Laserlicht 40 austritt, typischerweise 70% des Hohlraumlichts 36 bei der Laserwellenlänge λL reflektiert. Auf Wunsch können andere prozentuale Reflexionswerte verwendet werden. Das Licht 36 bei der Laserwellenlänge λL, welches das hintere Gitter 16 passiert, verläßt den Laser als Ausgangs-Laserlicht 40 entlang der Faser 32.
Außerdem wird eine vorbestimmte Menge des Hohlraumlichts 36 von dem Gitter 16 reflektiert, was durch eine Linie 44 angedeutet ist und das Licht 44 trifft auf das Gitter 14 auf, welches seinerseits die vorerwähnte vorbestimmte Lichtmenge bei der Laserwellenlänge reflektiert und einen Teil des Lichts 46 aus dem Hohlraum 18 bei der Laserwellenlänge entlang der Faser 48 ausläßt.
Wie bekannt, muß für die Aufrechterhaltung des Laserbetriebs die Laserbedingung (oder der Laser-Schwellenwert) erfüllt sein (das heißt die Umlauf-Kleinsignalverstärkung, multipliziert mit dem Umlauf Verlust für Licht innerhalb des Hohlraums ist größer oder gleich eins).
Erreicht wird dies dadurch, daß der Betrag der Hohlraumverstärkung, die Länge des Hohlraums und das Reflexionsvermögen der Gitter derart eingestellt werden, daß diese Bedingung erfüllt ist. Es sollte gesehen werden, daß die Länge des Hohlraums für die Erfindung nicht kritisch ist, das heißt die Erfindung arbeitet bei einem Hohlraum beliebiger Länge. Für einen Einzel-Längsmodenbetrieb allerdings sollte der Laserhohlraum möglichst kurz sein.
Der Laser 12 wird außerdem von einem zweiten optischen Signal 52, das von einer optischen Pumplichtquelle 54, zum Beispiel einer Laserdiode kommt, mit einer zweiten Pumpwellenlänge λP2 von zum Beispiel 1480 nm, gepumpt. Die Quelle 54 liefert das zweite Pumpsignal 54 entlang einer Faser 56 an ein Port 58 eines WDM 60, ähnlich dem WDM 28. Der WDM 60 koppelt das Licht 52 auf ein Port 62 des WDM, von wo es auf die Faser 48 gelangt. Das Pumplicht 52 passiert das Gitter 14 und gelangt in den Hohlraum 18. Das Pumplicht 52 regt den Er-Teil des Er-Yb-Verstärkungsmediums an und ermöglicht dem Er, Laserlicht mit der Laserwellenlängen λL (z. B. 1550 nm) zu emittieren. Wie oben diskutiert wird, schwingt Licht innerhalb des Hohlraums mit λL bei Resonanz in dem Hohlraum zwischen den Reflektoren 14 und 16, wobei ein Teil des Lichts den Laser als Ausgangslichtsignale 46 bzw. 40 verlassen kann.
Das Licht 46 tritt in das Port 62 des WDM 60 ein, der das Licht 46 mit der Laserwellenlänge λL an ein Port 64 des WDM 60 koppelt. Das Licht 46 läuft entlang einer optischen Faser 66 und wird einem optischen Detektor 68 zugeführt, der das Signal 46 erfaßt und ein dementsprechendes elektrisches Signal auf eine Leitung 70 gibt. Die Leitung 70 führt zu einer Steuerschaltung 72, die ein elektrisches Signal über eine Leitung 74 an die Pumpquelle 54 liefert. Die Steuerschaltung 72 enthält bekannte elektronische Steuerkomponenten (z. B. OP-Verstärker etc.), dazu ausgelegt, eine PID-Regelschleife für die Intensität des Ausgangslichts von dem Laser zu bilden und dabei das niederfrequente RIN (bei etwa 250 KHz) des Lasers zu verringern, ähnlich der Schaltung, die beschrieben ist in dem Artikel: Ball et al. "Low Noise Single Frequency Linear Fibre Laser", Elect. Lett. Vol. 29, Nr. 18, Seiten 1623-1625 (September 1993). Alternativ kann die Steuerschaltung 72 einen bekannten Rechner enthalten, der mit entsprechender, bekannter Steuersoftware ausgestattet ist.
Das Licht 40, welches den Laser 12 verläßt, beinhaltet Licht mit der Laserwellenlänge λL sowie Licht mit der Pump-Wellenlänge λP2, welches nicht von dem Verstärkungsmedium des Faserlasers 12 absorbiert worden ist. Das Licht 40 wird dem Port 30 des WDM 28 entlang der Faser 32 zugeleitet. Der WDM 28 koppelt das Licht 40 auf ein Port 76 des WDM 28, welches den WDM über eine Faser 78 verläßt, und welches das Ausgangslicht des mit doppelter Wellenlänge gepumpten Faserlasers 10 ist.
Das Licht 40 von dem WDM 28 läuft durch einen optischen Isolator 82, der Licht in nur einer Richtung durchläßt, und des fällt auf einen optischen Faserverstärker 84. Der Verstärker 84 enthält eine optische Faser, die mit einem Seltenerd-Dotierstoff (oder einem Verstärkungsmedium), beispielsweise Erbium, dotiert ist, und er bildet Ausgangslicht 86 aus dem Eingangssignal 40, welches bei der Laserwellenlängen λL verstärkt ist. Das Licht 86 läuft durch einen Ausgangsisolator 88, der Licht in nur einer Richtung durchläßt, um dann entlang einer Faser 90 zu laufen und schließlich die Faser 90 zu verlassen, wie durch eine Linie 92 angedeutet ist. Der Verstärker 84 verwendet die verbleibende Pumpenergie bei der zweiten Pumpwellenlängen λP2 (die nicht von dem Verstärkungsmedium des Faserlasers 12 absorbiert wurde), um das Verstärker-Verstärkungsmedium auf ein Niveau anzuregen, welches die stimulierte Emission von Photonen bei der Laserwellenlänge λL durch den Verstärker 84 gestattet.
Der Isolator 82 verhindert, daß von dem Verstärker 84 in Richtung des WDM 28 abgegebenes Licht 94 in den Faserlaser 12 eintritt und dessen Betrieb unterbricht. Der Isolator 88 verhindert, daß externe optische Signale in den Verstärker 84 eintreten und dessen Betrieb unterbrechen.
Die allgemeine Anordnung von Faserlaser und Verstärker ist ähnlich derjenigen eines Master Oscillator Power Amplifiers (MOPA), wie er in der anhängigen US-Anmeldung SN 08/013 490 "Embedded Bragg Grating Pumped Optical Waveguide Laser Source/Power Amplifier Arrangement" von Ball et al beschrieben ist. Allerdings braucht die Erfindung nicht in Verbindung mit einem Faserverstärker 84 und/oder den Isolatoren 82 und 88 eingesetzt zu werden.
Nunmehr auf Fig. 2 Bezug nehmend, pumpt die erste Pumpwellenlängen λP1 vornehmlich die Yb-Atome auf ein Energieniveau E&sub2; in einem Pumpübergang, der durch eine Linie 100 angedeutet ist. Die Yb-Enegie E&sub2; geht mittels Photonen-Übergang über auf Er-Atome bei einem ähnlichen Er-Energieniveau. Die Energie der Er-Atome klingt in einem laserlosen (oder nicht-strahlenden) Übergang von dem E&sub2;-Niveau ab auf ein E&sub1;- Energieniveau, angedeutet durch eine Linie 102. Von dem E&sub1;-Niveau erfolgt ein Laserübergang auf Grundenergieniveau E&sub0;, angedeutet durch eine Linie 104, wobei Photonen mit der Laserwellenlänge λL emittiert werden. Der Yb-Anteil der Verstärkungsmediums weist eine hocheffiziente Energieabsorption bei dem Pumplicht von 980 nm auf. Somit wird der größte Teil der Pumpenergie mit der ersten Pumpwellenlänge λP1 von dem Yb-Laserverstärkungsmedium absorbiert, und es ist eine hohe Laser-Ausgangsleistung von z. B. 20 mW erzielbar. Da die erste Pumpwellenlänge λP1 (980 nm) innerhalb des Absorptions-Wellenlängenbandes von Er liegt, absorbiert Er einen kleinen Anteil der Pumpleistung bei λP1, angedeutet durch eine gestrichelte Linie 106. Da allerdings die Yb-Absorption bei 980 nm viel größer ist als diejenige von Er bei 980 nm, wird nahezu die gesamte Pumpleistung von dem Yb absorbiert und geht dann über auf das Er.
Gleichzeitig mit dem Pumpen des Lasers 12 mit der ersten Pumpwellenlänge λP1 wird der Laser auch gepumpt mit der zweiten Pumpwellenlänge λP2 (z. B. 1480 nm). Die zweite Pumpwellenlänge λP2 pumpt das Er auf eine Energie E&sub3;, die durch eine Linie 108 angedeutet ist. Allerdings wird das Yb von der λP2 deshalb nicht gepumpt, weil diese Wellenlänge außerhalb des Absorptions-Wellenlängenbandes für Yb liegt. Die Er-Atome klingen in einem kleinen strahlungsfreien Übergang ab auf das E&sub1;-Energieniveau. Dann erfolgt ein Laserübergang 104 von E&sub1; auf Grundniveau E&sub0;, und es werden Photonen mit der Laserwellenlänge λL emittiert.
Weil die Differenz zwischen den Energieniveaus E&sub3; und E&sub1; klein ist und die Niveaus E&sub3; und E&sub1; Teil einer gemeinsamen Energiegruppe sind, ist der Übergang von der Energie E&sub3; auf die Energie E&sub1; ein rasches Abklingen, wobei die Zeitkonstante (oder die Lebensdauer) des E&sub3;-Anregungszustands kurz ist. Somit haben die 1480 nm betragenden Er- Energiezyklusübergänge 108 und 110 von Pumpen auf Laserbetrieb eine relativ hohe Bandbreite. Im Gegensatz dazu sind aus ähnlichen Gründen die Pump-Laserbetrieb-Zyklus-Übergänge 100 und 102 für das Yb bei 980 viel langsamer. Folglich läßt sich das Pumpen bei 1480 nm in einer geschlossenen Regelschleife dazu verwenden, die Besetzung der angeregten Atome in dem Energieniveau E&sub1; einzustellen (d. h. die Besetzungsumkehr bei dem Laserübergang 104 einzustellen) und damit das RIN in dem Laser bei viel höheren Frequenzen zu reduzieren als dann, wenn die Schleife um die Pumpwellenlänge λ&sub1; für das Yb bei 980 nm geschlossen würde.
Fig. 3 zeigt eine Frequenzgang-Darstellung des RIN für verschiedene Faserlaser-Konfigurationen. Eine Kurve 300 zeigt das RIN für einen zum Stand der Technik gehörigen, mit Erbium dotierten Faserlaser mit einer Rausch-Spitze (bedingt durch Relaxations-Schwingung) bei etwa 250 KHz und einem Spitzenwert von RIN am Punkt 302 von etwa -80 dB/Hz. Das Hochfrequenz-RIN (bei mehr als 1000 MHz) liegt bei etwa -140 dB. Wird Gebrauch gemacht von der rückgeführten Regelung des Pumpens zur Verringerung des RIN, so wird die Rausch-Spitze in der durch eine Kurve 303 angedeuteten Weise unterdrückt. Bei einem Er:Yb-dotierten Faserlaser wird die Ausgangsleistung stark erhöht, und demzufolge wird die gesamte RIN-Kurve verringert, wie durch eine kurzgestrichelte Linie 304 dargestellt ist. Allerdings existiert immer noch die Rausch-Spitze 306 bei dem Er:Yb, sie hat sich jedoch zu einer höheren Frequenz von zum Beispiel 1 MHz verschoben. Wenn allerdings die Schleife geschlossen wird, indem das schnellere Pumpen bei der Wellenlänge von 1480 nm erfindungsgemäß geregelt wird, wird der Rausch- Zacken 306 im wesentlichen eliminiert, während ein niedrigerer RIN- Wert (-160 dB/Hz) bei hohen Frequenzen beibehalten wird, wie durch eine Kurve 308 angedeutet ist.
Insbesondere bildet die Steuerschaltung 72 (Fig. 1) eine geschlossene Regelschleife zur RIN-Verringerung bezüglich des Pumpens bei 1480 nm. Weil die Zeitkonstante für den Pump-Laserbetrieb-Zyklus bei 1480 nm schneller ist als bei dem Pump-Laserbetrieb-Zyklus für Yb bei 980 nm, wie oben ausgeführt wurde, kann die Steuerschaltung 72 eine Regelschleifen-Bandbreite aufweisen, die schnell genug ist, um die RIN- Spitze 306 bei etwa 1 MHz praktisch zu beseitigen. RIN-Spitzen bei oberhalb von 1 MHz können auf Wunsch unterdrückt werden, vorausgesetzt, die Bandbreite des Reglers 72 und die Zeit vom Pumpen zum Laserbetrieb ist kurz genug, um eine solche Regelung aufrechterhalten zu können.
Das Pumpen bei 1480 nm hat ausreichende Dominanz, um das RIN um mindestens 20 dB/Hz zu verringern. Weil die 1480-Nanometer-Wellenlänge von dem Yb nicht absorbiert wird, wird die Pumpleistung bei 1480 nm direkt von dem Er absorbiert, wodurch die Regel-Autorität des Pumpens bei 1480 nm maximiert wird.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Leitung 70 auch zu einer zusätzlichen Steuerschaltung 96 geführt werden, die ein Steuersignal über eine Leitung 98 liefert, um die Yb-Pumpquelle 22 für 980 nm zu steuern, damit eine Niederfrequenz-RIN-Steuerung des Ausgangs-Laserlichts 40 erfolgt. Die Steuerschaltung 96 ist ein Standard-PID-Regler, ähnlich der Steuerschaltung 72, die eine geringe Bandbreite besitzt und dazu dienen kann, die Ausgangsintensität bei sehr niedrigen Frequenzen, beispielsweise Gleichstrom bis 1 KHz zu stabilisieren. Andere Regelfrequenzbereiche können nach Wunsch verwendet werden, vorausgesetzt, die Steuerschaltung 96 und der Pump-Laserbetrieb-Übergang sind schnell genug, um eine solche Regelung durchführen zu können. Alternativ können die Steuerschaltungen 96 und 72 zu einer einzigen (nicht gezeigten) Steuerschaltung kombiniert werden, oder es kann ein Rechner verwendet werden mit einem Software-Regelprogramm (nicht dargestellt), wobei ein Eingangssignal auf der Leitung 70 und zwei Ausgangs-Regelsignale auf den Leitungen 74 und 98 geführt werden.
Anstatt zwei Pumpsignale 20 und 52 von einander abgewandten Enden des Faserlasers 12 gemäß Fig. 1 einzuleiten, können die Signale 20 und 52 auch an nur einem Ende des Faserlasers eingespeist werden. Eine solche Ausführungsform ist in Fig. 4 gezeigt.
Nach Fig. 4 wird das erste Pumpsignal 20 von der Pumpquelle 22 einem Port 202 eines optischen Kopplers 200 zugeführt. Außerdem wird das zweite Pumpsignal 59 in der Faser 56 von der Pumpquelle 54 einem Port 204 des Kopplers 200 zugeführt. Der Koppler 200 koppelt die Eingangssignale 20 und 52 auf ein Ausgangsport 206 in Form eines kombinierten optischen Signals 208, welches beide Pumpwellenlängen λP1 und λP2 beinhaltet. Das Licht 208 läuft entlang einer Faser 210 und wird einem Port 212 eines Wellenlängenmultiplexers 214 ähnlich dem oben in Verbindung mit Fig. 1 diskutierten WDM 60 zugeführt. Der WDM koppelt das Licht 208 auf ein Port 216 des WDM 214. Das Licht 208 läuft entlang der Faser 48 zu dem Faserlaser 12 und passiert das Gitter 14, um in den Laserhohlraum 18 zu gelangen, wo die beiden Wellenlängen λP1 und λP2 das Er:Yb-Laserverstärkungsmedium in ähnlicher Weise pumpen, wie dies oben in Verbindung mit Fig. 1 erläutert wurde. Wie ebenfalls oben ausgeführt wurde, liefert der Faserlaser 12 Laser-Ausgangslichtsignale 40 und 46 an einander abgewandten Enden des Lasers 12 mit der Laserwellenlängen λL entlang den Fasern 32 bzw. 48. Das Ausgangslicht 40 kann dann auf den Verstärker 84 und Isolato ren 82 und 88 gemäß Fig. 1 gekoppelt werden, oder kann - alternativ - ohne Verstärkung als Ausgangssignal hergenommen werden.
Das Ausgangslaserlicht 46 läuft entlang der Faser 48 und tritt am Port 216 erneut in den WDM 214 ein. Der WDM 214 koppelt das Licht 46 auf ein Port 218, wo das Licht 46 entlang der Faser 66 auf den (oben diskutierten) optischen Detektor 68 gelangt. Der Detektor 68 liefert ein elektrisches Signal über die Leitung 70, kennzeichnend für das Licht 46, und das Signal wird in die oben diskutierte Steuerschaltung 72 eingespeist. Die Steuerschaltung 72 gibt ein Steuersignal über die Leitung 74 an die Pumpquelle 52, wie oben in Verbindung mit Fig. 1 diskutiert wurde. Optional kann die Leitung 70 auch zu der zusätzlichen Steuerschaltung 96 geführt werden, die das Steuersignal über die Leitung 98 zum Steuern der Yb-Pumpquelle 220 bei 980 nm liefert, um eine Steuerung des niederfrequenten RIN, das heißt bei weniger als 1 KHz, des Ausgangs-Laserlichts 40 zu erreichen, wie oben in Verbindung mit Fig. 1 erläutert wurde.
Auf Wunsch kann jede andere Methode zum optischen Pumpen eines Faserlasers mit zwei (oder mehr) Wellenlängen verwendet werden. Beispielsweise könnte Pumplicht seitlich in den Laserhohlraum anstatt über die Enden des Hohlraums eingekoppelt werden.
Obschon die Erfindung in Verbindung mit der Verwendung von Bragg- Gittern an jedem Ende des Laserhohlraums 18 offenbart wurde, findet das Konzept der RIN-Verringerung gemäß der Erfindung gleichermaßen Anwendung bei Faserlaser-Hohlräumen, die mehr konventionelle Spiegel verwenden, beispielsweise Dielektrika oder andere reflektierende Flächen, um für eine optische Hohlraum-Rückkopplung zu sorgen. Außerdem sollte gesehen werden, daß die Erfindung gleichermaßen gut arbeitet bei einem anderen optischen Festkörper-Wellenleiter, beispielsweise einem planaren, rippenförmigen oder kanalförmigen Wellenleiter anstelle einer optischen Faser.
Obschon die Erfindung beschrieben wurde unter Bezugnahme auf die Verwendung von Erbium und Ytterbium als die zwei Co-Dotierstoffe für den Laserhohlraum 18, sollte gesehen werden, daß beliebige zwei (oder mehr) Dotierstoffe eingesetzt werden können, vorausgesetzt, der erste Dotierstoff absorbiert wirksam eine Pumpwellenlänge und übergibt seine Energie an einen zweiten Dotierstoff, und der zweite Dotierstoff absorbiert wirksam eine zweite Pumpwellenlänge und besitzt eine Pump- Laserbetrieb-Übergangszeit, die schneller ist als diejenige für den ersten Dotierstoff, damit eine geschlossene Schleifenregelung der Laserintensität des zweiten Pumpens zur Reduzierung von RIN-Spitzen möglich ist.
Ferner kann die Erfindung eingesetzt werden bei einer co-dotierten verteilten Rückkopplungs-Laseranordnung ähnlich derjenigen, die in folgenden Artikeln beschrieben ist: J. Kringlebotn et al. "Er&spplus;³:Yb&spplus;³- Codoped Fiber Distributed-Feedback Laser", Optics Letters, Vol. 19, No. 24, Seiten 2101-2103 (Dezember 1994); und H. Kogelnik et al. "Coupled-Wave Theory of Distributed Feedback Lasers", J. Appl. Phys., Vol. 43, Nr. 5, Seiten 2327-2335 (Mai 1972). In diesem Fall erstrecken sich die Gitter 14 und 16 des Faserlasers 12 von einander abgewandten Enden der Faser in Richtung von deren Mitte, enden jedoch ein vorbestimmtes Stück voneinander entfernt, zum Beispiel einer viertel Laserwellenlänge, um den Einzel-Longitudinalmoden-Laserbetrieb zu unterstützen. Alternativ können die Gitter 14 und 16 durch ein durchgehendes Gitter ersetzt werden, ohne allerdings die Viertel-Wellenlängen-Lücke. Dies führt typischerweise zu einem Mehrfach-Longitudinalmoden-Laserbetrieb.

Claims

1. Wellenleiterlaser, umfassend:

einen optischen Festkörper-Wellenleiter (18), der Laserlicht führt;

ein Paar reflektierender Elemente (14, 16), die mit einem vorbestimmten Abstand voneinander entlang dem Wellenleiter angeordnet sind und jeweils Laserlicht reflektieren;

einen Verstärkungsabschnitt des Wellenleiters zwischen den reflektierenden Elementen, dotiert mit einem ersten Seltenerd- Dotierstoff und einem zweiten Seltenerd-Dotierstoff;

wobei eines der reflektierenden Elemente eine vorbestimmte Menge des Laserlichts als Laserausgangslicht durchläßt;

eine erste Pumpeinrichtung (22) zum Bilden eines ersten Pumpsignals (20) mit einer ersten Pumpwellenlänge, wobei das erste Pumpsignal auf den Verstärkungsabschnitt des Wellenleiters trifft, das erste Pumpsignal von dem ersten Dotierstoff stärker absorbiert wird als von dem zweiten Dotierstoff und der erste Dotierstoff die Wellenlänge des ersten Pumpsignals (20) absorbiert, und Energie von dem ersten Dotierstoff übergeht von dem ersten Dotierstoff in den zweiten Dotierstoff, und der zweite Dotierstoff das Laserlicht emittiert;

dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem aufweist:

eine zweite Pumpeinrichtung (54), die auf ein Pumpsteuersignal anspricht, um ein zweites Pumpsignal (52) bei einer zweiten Pumpwellenlänge zu liefern, wobei das zweite Pumpsignal (58) auf den Verstärkungsabschnitt des Wellenleiters (18) trifft und der erste Dotierstoff das zweite Pumpsignal (52) nicht absorbiert,

der zweite Dotierstoff das zweite Pumpsignal (52) absorbiert und eine Pump-Laserbetrieb-Übergangszeit hat, die schneller ist als die Pump-Laserbetrieb-Übergangszeit des ersten Dotierstoffs;

eine Steuereinrichtung (78, 70, 68, 74) zum Bereitstellen des Pumpsteuersignals für die zweite Pumpeinrichtung (54) sowie zum Einstellen des Pumpsteuersignals ansprechend auf das Ausgangslicht, so daß das zweite Pumpsignal die Besetzungsumkehr beim Laserübergang des zweiten Dotierstoffs einstellt, um dadurch relativ starkes Rauschen des Ausgangslichts zu verringern, und

die Übergangszeit des zweiten Dotierstoffs schnell genug ist, um der Steuereinrichtung zu ermöglichen, das relativ starke Rauschen des Ausgangslichts über einen vorbestimmten Frequenzbereich hinweg zu verringern.

2. Laser nach Anspruch 1, bei dem mindestens eines der reflektierenden Elemente (14, 16) ein Bragg-Gitter aufweist.

3. Laser nach Anspruch 1, bei dem der erste Seltenerd-Dotierstoff Ytterbium aufweist.

4. Laser nach Anspruch 1, bei dem der zweite Seltenerd-Dotierstoff Erbium aufweist.

5. Laser nach Anspruch 1, bei dem in dem Laser nur ein einzelner Longitudinalmode schwingt.

6. Laser nach Anspruch 1, bei dem der Frequenzbereich kleiner als etwa 1 MHz ist.

7. Laser nach Anspruch 1, bei dem die reflektierenden Elemente eine verteilte Rückkopplungsanordnung aufweisen.

8. Laser nach Anspruch 1, bei dem der Laser optisch mit einem optischen Verstärker (84) gekoppelt ist.

9. Laser nach Anspruch 1, bei dem die Steuereinrichtung eine Einrichtung (96, 98) aufweist, um ein zweites Pumpsteuersignal an die erste Pumpeinrichtung (22) zu liefern, und um das zweite Pumpsteuersignal ansprechend auf das Ausgangslicht einzustellen, um dadurch relativ starkes Rauschen im Ausgangslicht bei niedrigen Frequenzen zu verringern.

10. Laser nach Anspruch 9, bei dem die Steuereinrichtung (96, 98) relativ starkes Rauschen des Ausgangslichts bei Frequenzen im Bereich von Gleichstrom bis 1 KHz verringert.