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Diese Erfindung betrifft optische
Fasern und optische Fasereinrichtungen, wie z. B. optische Faserlaser.
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Optische Faserlaser für den Dauerstrichbetrieb
(cw) oder den gepulsten Betrieb machen Gebrauch von verstärkenden
optischen Fasern, die mit Reflektoren angeordnet sind, um eine Laserkavität zu bilden.
Beispielsweise beschreibt die Veröffentlichungsreferenz [1] ein
gütegeschaltetes
optisches Faserlasersystem mit einer einzelnen Mode, das eine erbiumdotierte
Einzelmodenfaser mit geringer numerischer Apertur einsetzt, die
von einem Diodenlaser gepumpt wird, um 50 nS Pulse mit 160 μJ zu erzeugen,
die zwischen 1530 und 1560 nm einstellbar sind. Die US-A-5,121,460
beschreibt eine optische Faser gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1. Die Scheitelwertsdifferenz im Brechungsindex zwischen dem ersten
Ummantelungsbereich und dem Kern beträgt 0,005.
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Bislang hat sich der Hauptteil der
Arbeit an erbiumdotierten Fasern auf das Maximieren der kleinen
optischen Signalverstärkung
konzentriert, die wiederum einen kleinen "Spotgrößen"- oder Modenfelddurchmesser (MFD) erfordert.
Dies stellt ebenso einen Einzelmodenbetrieb zur Verfügung, der
in Anwendungen, die eine hohe Strahlqualität erfordern, in Kommunikationsanwendungen
und in Anwendungen, die sehr kurze Pulse benötigen, als wünschenswert
erachtet wird – siehe
[1].
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Ein Problem, das jedoch in solchen
dotierten Fasereinrichtungen bemerkt wurde, ist, daß die Nicht-Linearität innerhalb
des Kerns den optischen Ausgang bei hohen Leistungen stören kann,
was zu Grenzen führt,
die die Scheitelwertsleistung betreffen, die in der Faser aufgenommen
werden können, bevor
nicht-lineare Störungen,
wie z. B. die Selbstphasenmodulation, offensichtlich werden. In
einem Beispiel beträgt
die maximal tolerierbare Scheitelwertsleistung in 1 m einer vorher
dotierten optischen Faser etwa 500 W.
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Ähnliche
Probleme können
ebenso in cw-Lasern und Verstärkern
auftreten, wo nicht-lineare Effekte, wie z. B. die Brillouin-Streuung,
die Ausgangsleistung begrenzen können,
wenn mit engen Linienbreiten (z. B. < 10 MHz) gearbeitet wird. Für 1 m einer konventionellen
Faser im Dauerstrichbetrieb bzw. cw-Betrieb beträgt die nicht-lineare Grenze
für die Brillouin-Streuung
etwa 20 W.
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Eine weitere Beschränkung auf
der verfügbaren
Ausgangsleistung von gepulsten Faserlasern ist die Energiespeicherkapazität der verstärkenden Faser.
Die hohen Verstärkungseffizienzen
konventioneller Einzelmodenfasern begrenzen die Energie, die gespeichert
werden kann, auf etwa 10 μJ.
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So gibt es eine anhaltende Notwendigkeit
für immer
größere Scheitelwertleistungen
und Pulsenergien, während
die Möglichkeit
des Einzelmodusbetriebs beibehalten wird; diese werden jedoch durch nicht-lineare
Effekte und durch die niedrige Energiespeicherung in konventionellen
Fasern begrenzt.
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Diese Erfindung stellt eine optische
Faser zur Verfügung
mit einer Mantel- bzw. Umhüllungsschicht,
die einen Kern umgibt, wobei die Mantelschicht zumindest einen ersten,
relativ innen liegenden Bereich, einen dritten, relativ außen liegenden Bereich
und einen zweiten Bereich aufweist, der zwischen dem ersten und
dem dritten Bereich angeordnet ist, wobei der zweite Bereich einen
größeren Brechungsindex
hat als der erste und der dritte Bereich, und wobei die Scheitelwertsdifferenz
in dem Brechungsindex zwischen dem ersten Mantelbereich und dem
Kern weniger als etwa 0,0030 beträgt.
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Eine Faser gemäß der Erfindung ist in der Lage,
in einem einzelnen transversalen Modus zu arbeiten, jedoch mit einem
viel höheren
MFD als in konventionellen Einzelmodenfasern – in einigen Prototypen bis
zu 40 μm.
In einer verstärkenden
oder lasernden Anwendung kann dies zu dramatisch reduzierten nicht-linearen
Effekten und zu einer dramatisch erhöhten Energiespeicherfähigkeit
der Fasern führen, was
eine Einzelmoduspulsenergie in Prototypeinrichtungen von 0,5 mJ
oder, wenn ein kleines Multimodensignal toleriert wird, bis zu 0,85
mJ erlaubt. Es ist geplant, daß die
Erfindung eine Technologie bereitstellt, die Pulsenergie in dem
mJ-Regime erlaubt.
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In Prototypfasern gemäß der Erfindung
sind die nicht-linearen Schwellwerte 20- bis 25-mal größer als
in konventionellen Fasern, so daß die Leistungshandhabungsfähigkeit
der Faser entsprechend erhöht
wird.
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So wie sie für gepulste Anwendungen geeignet
sind, können
Fasern gemäß der Erfindung
eine erhöhte
Leistung in cw-Einzelfrequenzlasern, Verstärkern und verknüpften Vorrichtungen
bereitstellen und können
die nicht-linearen Schwellwerte innerhalb passiver Einrichtungen,
wie z. B. Bragg-Gittern, erhöhen.
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Die Faserkonstruktion ist ebenso
mit Mantelpumptechniken (siehe [1]) kompatibel, so daß entsprechende
Anstiege in der durchschnittlichen Ausgangsleistung, die von solchen
Vorrichtungen verfügbar
ist, bereitgestellt werden.
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Der Brechungsindex der Mantelstruktur,
die oben definiert ist, stellt zwei Hauptvorteile zur Verfügung.
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Als erstes ergibt sie eine erhöhte Spotgröße für die geführte Fundamentalmode.
Dies reduziert nicht-lineare Effekte durch das einfache Bereitstellen eines
größeren Querschnittsbereichs,
in dem sich das Licht ausbreitet, so daß die Energiedichte innerhalb
des Kerns reduziert wird.
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Als zweites kann sie den Faserbiegeverlust für die Fundamentalmode
(ein etabliertes Problem) verringern. In Prototyp-Ausführungsformen
wurde eine Verbesserung des Biegeverlusts zwischen 10 und 40 dB
beobachtet. Für
einen 21 μm-Kernfaserprototyp
wurde ein makroskopischer Biegeverlust bei einem 30 cm-Radius von
weniger als 0,1 dB/m beobachtet.
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Ein weiteres Merkmal ergibt sich
aus der kleinen Brechungsindexdifferenz zwischen dem Kern und dem
Mantel, was wiederum bedeutet, daß die Faser eine sehr niedrige
numerische Apertur (NA), so niedrig wie z. B. 0,06 in einigen Prototyp-Ausführungsformen
hat. Die niedrige NA stellt sicher, daß es wenige realisierbare optische
Ausbreitungsmodi gibt, selbst für
einen großen
Kernbereich, und kann so das Problem des Koppelns von Energie (z.
B. durch verstärkte
spontane Emission oder ASE) in unerwünschte Moden abschwächen. Ein
bevorzugter großer äußerer Durchmesser
der Fasern (z. B. größer als
etwa 200 μm)
kann ebenso helfen, die Modenkopplung abzuschwächen.
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Die Anordnung, die von der Erfindung
definiert ist, kann sehr vorteilhaft sein, wenn sie als eine Einzelmodenfaser
implementiert wird, da die niedrige NA und die neue Hüllenstruktur
die Fun damentalmode über
die normale Grenze des Kerns und nach außen zu der bevorzugten "Ring"-Struktur innerhalb des Mantels aufspreizen
kann. Dies erhöht
den MFD der Faser und erhöht
seine Energiespeicherkapazität und
verringert die nicht-linearen Effekte, da die Energiedichte an jeder
Position reduziert wird. Noch größere Vorteile
können
jedoch in einer Multimodenfaser erhalten werden, d. h. in einer,
die in der Lage ist, mehr als nur die Fundamentalmode zu tragen
(siehe Anhang 1 für
eine analytische Ableitung des Begriffs "Einzelmode", obgleich eine Arbeitsdefinition im Stand
der Technik breit akzeptiert wird). In solch einem Fall kann der
MFD noch weiter erhöht
werden, während
die niedrige NA fungiert, um die verfügbaren Moden der Struktur zu
beschränken.
Weiterhin kann in einem Verstärker
oder einer Laserkonfiguration, wenn eine verstärkende Dotierungsverteilung
gewählt
ist (wie z. B. die Dotierung eines zentralen Bereiches des Kerns),
die vorteilhafterweise mit einer Mode überlappt (z. B. der Fundamentalmode;
es könnte
jedoch eine andere Mode sein), die Multimodenfaser effektiv in einem
Einzelmode arbeiten. Somit kann der doppelte Vorteil erhalten werden
mit einer Faser, die einen relativ großen "Multimode"-Kern hat, so daß die Leistungshandhabungskapazität des Faserkerns,
die in einem Einzelmodus betrieben wird, durch den Einfluß der Plazierung
des Dotierstoffs, verbessert wird.
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Der Einzelmodenbetrieb in verstärkenden Anwendungen,
wo der verstärkende
Dotierstoff vorzugsweise im wesentlichen auf den Kern beschränkt ist,
entsteht, da der module Überlapp
der Fundamentalmode mit dem symmetrisch dotierten Kern viel größer ist
als der module Überlapp
irgendeiner anderen Mode. Dies führt
zu einer signifikanten Verstärkungsdifferenz
zwischen der Fundamentalmode und anderen Moden, was im Ergebnis
einen Einzelmodenbetrieb zur Verfügung stellt mit einer Faser
mit einem genügend
großen
Kern, um den Multimodebetrieb zu unterstützen. (In anderen Ausführungsformen
könnte eine
andere Dotierstoffverteilung – vielleicht
eine asymmetrische – verwendet
werden, um eine andere Mode außer
der Fundamentalmode zu begünstigen.)
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Diese Erfindung stellt ebenso einen
optischen Faserverstärker
zur Verfügung,
der eine dotierte Faser aufweist, wie sie oben definiert wurde, und
der eine Einrichtung aufweist für
das Injizieren von Pumpstrahlung in die Faser.
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Die Erfindung stellt ebenso einen
optischen Faserlaser zur Verfügung,
der aufweist: einen optischen Faserverstärker, wie oben definiert, eine
Reflektoreinrichtung, die relativ zu dem optischen Faserverstärker angeordnet
ist, so daß sie
den Laserbetrieb innerhalb des optischen Faserverstärkers fördert.
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Die Erfindung wird nun beispielhaft
unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen
gleiche Teile durch gleiche Bezugszahlen bezeichnet werden und in
denen:
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1 schematisch
eine optische Faser zeigt,
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2 schematisch
ein Brechungsindexprofil der optischen Faser von 1 zusammen mit den Modenverteilungen
innerhalb der Faser zeigt,
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3 eine
Laserkavität
zeigt,
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4 schematisch
ein Pulsspektrum und eine Autokorrelationsfunktion zeigt,
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5 schematisch
ein Pulsspektrum und eine Autokorrelationsfunktion zeigt,
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6 ein
Graph der Pulsenergie und der Pulsbreite über der Pulswiederholungsrate
ist,
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7 ein
Graph ist, der die Strahleigenschaften zeigt,
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8 ein
Graph ist, der die Ausgangsleistung über der Pumpleistung zeigt,
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9 ein
Graph ist, der die Strahleigenschaften zeigt,
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10 bis 13 schematische Graphen sind, die
die Ergebnisse eines Computermodellverfahrens zeigen, die auf das
Faserdesign angewendet wurden,
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14 schematisch
die experimentelle Konfiguration einer beispielhaften Ausführungsform zeigt,
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15 schematisch
das Brechungsindexprofil des Kerns einer Faser zeigt, die in der
Ausführungsform
von 14 verwendet wird,
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16 schematisch
einen Querschnitt einer verkapselten Faser zeigt,
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17 ein
Graph der Pulsenergie und der durchschnittlichen Leistung als Funktion
der Wiederholungsfrequenz für
verschiedene einfallende Leistungen ohne ASE-Rückkopplung ist,
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18 ein
Graph der Pulsenergie und der durchschnittlichen Leistung als eine
Funktion der Wiederholungsfrequenz für verschiedene Einfalleistungen
mit ASE-Rückkopplung
ist und
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19 ein
schematisches Indexprofil einer hypothetischen Faser ist für die Zwecke
der Ableitung, die im Anhang ausgeführt ist.
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In 1 weist
eine optische Faser 10 einen Glaskern 20 auf,
der von einem Glasmantel 30 umgeben ist. Eine Linie A-A
kennzeichnet eine Achse durch das Zentrum der Faser, entlang der
der Brechungsindex in 2 gezeigt
ist. (In 2 wird angenommen,
daß der
Brechungsindex der Faser zirkularsymmetrisch um die Längsachse
der Faser ist, so daß die
Bereiche der zu beschreibenden Faser im allgemeinen zylinderförmig sind.)
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Das gemessene Brechungsindexprofil
entlang der Linie A-A für
eine Prototypfaser ist in 2 gezeigt
(durchgezogene Linie). Der Faserkern 20 besteht aus einem
Zentralbereich 22 mit niedriger numerischer Apertur (NA)
und einem leicht erhöhten äußeren Ring 24.
Der innere Bereich ist mit 400 ppm (parts per million) Erbium dotiert,
während
der äußere Ring
undotiert ist. In der Ummantelung der Faser liegt ein relativ innen
liegender Mantelabschnitt 26 neben dem Kern. Es folgt dann
ein Bereich 27 von erhöhtem
Brechungsindex (in einer radialen Richtung) gefolgt von einem Bereich 28 erniedrigtem
Brechungsindex. Schließlich
hat der relativ außen
liegende Mantelbereich 29 einen ähnlichen Brechungsindex wie
der relativ innen liegende Bereich 26.
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Andere geeignete Dotierstoffe beinhalten seltene
Erden, wie z. B. Ytterbium, Thulium, Neodymium, Holmium oder irgendeine
Kombination von Dotierstoffen mit oder ohne Erbium. Natürlich können andere
verstärkende
Dotierstoffe oder Kombinationen hieraus einschließlich anderer
seltener Erden benutzt werden.
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Der Bereich 28 mit abgesenktem
Brechungsindex ist ein Artefakt des Faserherstellungsprozesses und
wird nicht als wichtig oder zu den vorteilhaften Effekten der Struktur,
wie sie beschrieben wurde, beitragend erachtet.
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Aufgrund der Rotationssymmetrie der
Faser sind die Bereiche 26, 27, 28 und 29 alle
im wesentlichen zylinderförmig.
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Die Faser wird gebildet durch Herunterziehen
eines Preforms auf einen äußeren Durchmesser von
235 μm (Mikrometer),
was einen dotierten Kerndurchmesser von 21 μm ergibt. Für diese Parameter wurde vorhergesagt,
daß die
Faser fünf
geführte
Moden bei einer Wellenlänge
von 1560 nm (Nanometern) unterstützt,
von denen die ersten beiden schematisch als gepunktete und gestrichelte
Linien in 2 gezeigt
sind.
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Die anderen drei Moden, die von einer
Faser getragen werden, mit einem Kern dieser Größe sind schwach geführte sogenannte "Ring"-Moden, indem sie
in dem "Ring" des Mantels (in
dem Bereich 27) mit erhöhtem
Brechungsindex konzentriert sind und erhöhten Biegeverlusten unterliegen,
was sie aus einer praktischen Perspektive als vernachlässigbar
erscheinen läßt.
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Der Ring 27 hat einen zweifachen
Zweck. Als erstes zeigt die theoretische Modellbildung des Profils,
daß er
hilft, den Biegeverlust für
die Mode niedrigster Ordnung um bis zu 40 dB zu reduzieren. Als zweites
erhöht
er die Spotgröße um bis
zu 25% abhängig
von dem Kernradius. Aus 2 ist
zu entnehmen, daß nur
die Fundamentalmode einen signifikanten Überlapp mit dem dotierten Zentralbereich hat.
Zusätzlich
reduziert der große äußere Durchmesser
die Kopplung zwischen der Fundamentalmode und der Mode zweiter Ordnung,
was sicherstellt, daß die
Faser im wesentlichen mit einer Einzelmode betrieben wird, wenn
sie in einer Laseranwendung verwendet wird.
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Einige bevorzugte Bereiche der Dimensionen
für die
Verwendung bei der Herstellung der Faser von 2 sind wie folgt:
radiale Breite
des Mantel-"Rings" 27: zwischen
etwa 0,1- und etwa 3-mal dem Kernradius; vorzugsweise zwischen etwa
0,5- und etwa 1,5-mal dem Kernradius; bevorzugter zwischen etwa
0,75- und etwa 1,25-mal dem Kernradius; noch bevorzugter zwischen
etwa 0,75- und etwa 1-mal dem Kernradius.
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Brechungsindexdifferenz des Mantelrings 27 (d.
h. die Differenz zwischen dem Bereich 27 und dem Bereich 26 als
ein Mehrfaches der Scheitelwertsdifferenz zwischen dem Bereich 26 und
dem Kern):
zwischen etwa 0,1 und etwa 2; vorzugsweise zwischen
etwa 0,2 und etwa 1; noch bevorzugter zwischen etwa 0,4 und etwa
0,6.
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Breite des inneren Mantelbereichs 26:
zwischen etwa 0,1- und etwa 2-mal dem Kernradius; vorzugsweise zwischen
etwa 0,25- und etwa 1,5-mal dem Kernradius; bevorzugter zwischen
etwa 0,75- und etwa
1,25-mal dem Kernradius.
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Brechungsindex-"Mulde" 22 im Zentrum des Kerns: Diese
tritt vorzugsweise über
etwa die Hälfte des
Kernradius auf und vorzugsweise sollte die niedrigste Brechungsindexdifferenz
zwischen dem Kern und dem Mantelbereich 26 (als ein Teil
der Scheitelwertsbrechungsindexdifferenz zwischen dem Kern und der
Mantelregion 26) zwischen etwa 0 und etwa 0,95 sein, vorzugsweise
zwischen etwa 0,25 und etwa 0,75; bevorzugter um etwa 0,5.
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Scheitelwertsbrechungsindexdifferenz
zwischen dem Kern und dem Mantelbereich 26: vorzugsweise
weniger als etwa 0,0030; bevorzugter weniger als etwa 0,0025; bevorzugter
weniger als etwa 0,0020; noch bevorzugter weniger als etwa 0,0015.
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Kerndurchmesser: vorzugsweise größer als etwa
20 μm.
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Betriebswellenband der Faser: Jede
geeignete Faserwellenlänge,
im allgemeinen jedoch um 1550 nm – z. B. das Er/Yb-Betriebsband,
oder sagen wir zwischen 1530 und 1560 nm.
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Der Brechungsindex des inneren Mantelbereichs 26 kann
niedriger ausgeführt
werden als der des äußeren Mantelbereichs 29,
was einen verbesserten MFD oder eine verbesserte Spotgröße auf Kosten
eines erhöhten
Biegeverlustes ergibt.
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3 zeigt
schematisch eine Laserkavität, die
unter Verwendung der Faser der 1 und 2 gebildet wird. Das Pumplicht
mit 980 nm wird von einer Pumpquelle (nicht gezeigt), wie z. B.
einem 2,5 W Ti:Saphir-Laser mit einer Starteffizienz von ≈70% geliefert.
Das Pumplicht tritt durch einen dichroitischen Spiegel M1 in eine
Laserkavität,
die durch die Endreflexion der Faser und einen hochreflektierenden Spiegel
M2 gebildet wird. In der Kavität
gibt es eine Linse L1, eine Länge
40 der dotierten optischen Faser des oben beschriebenen Typs, eine λ/2-Wellenplatte
WP1, eine λ/4
Wellenplatte WP2, einen akustooptischen Frequenzshifter (akustooptischen Bragg-Zellenmodulator
SF) der bei einer Frequenz von 110 MHz arbeitet, und einen Polarisator
P1.
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In einer alternativen Ausführungsform
können
Mantelpumptechniken verwendet werden.
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Im Betrieb reflektiert der hochreflektierende Spiegel
M2 den in erster Ordnung abgelenkten Strahl von dem akustooptischen
Frequenzverschieber. Dieser Strahl enthält tatsächlich Licht, das in der Frequenz
um 110 MHz verschoben ist, so daß der Effekt der ist, daß Licht
um 110 MHz pro Umlauf entlang der Kavität nach unten verschoben wird.
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An dem Ausgangsende (das linke Ende
in der Zeichnung) werden etwa 4% des Lichts zurück in die Kavität gekoppelt
(was von der Fresnel-Reflexion des gespaltenen Endes der Faser herrührt), während der
dichroitische Spiegel M1 verwendet wird, um die 1560 nm-Strahlung
von dem ankommenden Pumpstrahl zu trennen.
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Die Anwesenheit des Frequenzverschiebers in
der Kavität
stellt sicher, daß jede
cw-Strahlung irgendwann
aus der Erbium-Verstärkungsbandbreite der
Kavität
geschoben wird und ausfällt.
Im Gegensatz dazu erzeugen Pulse hoher Intensität nicht-lineare neue Frequenzen
während
jedes Umlaufs, wodurch sichergestellt wird, daß die Zentralfrequenz der Pulse
innerhalb der Verstärkungsbandbreite
des Mediums bleibt, was einen stabilen Betrieb erlaubt. Diese Form
des Mode-Lockings
bzw. der Modenkopplung ist bekannt und sehr ähnlich der ID der "Sliding Guiding Filters", die in Solitonenübertragungsleitungen üblich sind.
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Nach der Modenkopplung betrug die
Folgefrequenz der Prototyp-Einrichtung 10,5 MHz für eine Faserlänge 40 von
14 m. Die Polarisatoroptik in der Kavität ist nicht notwendig für die Modenkopplung, sondern
wirkt stattdessen, um die modengekoppelten Pulse durch nicht-lineare
Polarisationsentwicklung zu verkürzen.
Diese Kavitätskonstruktion
kann ebenso in einem gütegeschalteten
Mode verwendet werden, wobei der Hauptunterschied zwischen der Modenkopplung
und der Güteschaltung
der ist, daß für die Güteschaltung
der Frequenzshifter FS periodisch geschaltet wird, während er
für den
modengekoppelten Fall kontinuierlich an ist.
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Wie es bei frequenzverschiedenen
Lasern üblich
ist, arbeitet die Prototyp-Einrichtung in einer Anzahl von Ausgangsmodenbetrieben.
Wenn der Laser nicht modengekoppelt war, sondern stattdessen als
cw-Laser lief, hatte er einen Maximalausgang von 512 mW mit einer
einfallenden Pumpleistung von 2,4 W. Die Quanteneffizienz des Lasers
betrug näherungsweise
75%.
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Bei hohen Einfallsleistungen würde der
Laser üblicherweise
die Modenkopplung von sich aus starten, obgleich er bei niedrigen
Leistungen manchmal von einigen Störungen profitiert (es wurde
beobachtet, daß ein
Klopfen auf die optische Bank ihn typischerweise beim Start unterstützt). Mit
der Modenkopplung verändert
sich weder die durchschnittliche Leistung noch das Modenprofil signifikant.
Bei den Leistungen, die für
das Selbststarten notwendig sind, war der Laser instabil mit mehreren
Pulsen in der Kavität,
und um einen stabilen Ausgang zu erhalten, wurde die Pumpleistung
reduziert, bis es nur einen Einzelpuls in der Kavität gab.
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Wenn die Modenkopplung stattgefunden hatte,
wurde eine Ausgangspulsform beobachtet, die entweder ein langer
Rechteckpuls mit einer Breite zwischen 20 und 30 ps oder ein viel
kürzerer "sech"-förmiger Puls
war.
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Eine typische Autokorrelation und
ein Spektrum eines "langen" Pulses ist in 4 gezeigt. Die Pulse sind
20 ps lang mit einer spektralen Breite von 0,12 nm und einer Pulsenergie
von 20 nJ. Diese relativ langen Pulse wurden erzielt ohne die Polarisationsoptiken
(WP1, WP2, P1) in der Kavität.
Solche langen Rechteckpulse werden im frequenzverschobenen Laser
erwartet. Die Pulsenergie wird zum Prioritätstag in dieser Anmeldung als
Rekord angesehen oder zumindest als sehr hoch für passivmodengekoppelte Faserlaser.
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Man glaubt, daß der Energieanstieg aufgrund
des größeren Modenbereichs
der Fasern erfolgt und die erwartete Skalierung zwischen der Spotgröße und der
Ausgangsenergie bestätigt.
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Das zweite getrennte modengekoppelte
Regime ist in 5 gezeigt.
Hier beträgt
die Pulsbreite 900 fs, obgleich sie sich ohne die Polarisationssteuerung
auf 4 ps erweitert und nahezu transformationsbegrenzt ist mit einer
spektralen Breite von 208 nm. Die gemessene Durchschnittspulsleistung
beträgt
16 mW, was eine Pulsenergie von ~1,6 nJ und eine Scheitelwertsleistung
von 1,7 kW ergibt.
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Die Pulsenergie ist vergleichbar
mit derjenigen, die von gezogenen Pulslasern erhalten wird. Die Seitenkeulen
auf dem Pulsspektrum sind bei diesen Solitonlasern üblich und
aus ihrem Abstand ist es möglich,
die Faserdispersion zu ≈20
ps (nm·km)
abzuschätzen,
was näherungsweise
der von Quarzglas ist, wie von der Faserkonstruktion erwartet wird.
Von diesen Puls- und Faserparametern wird die Solitonordnung auf
1,24 am Laserausgang abgeschätzt. Zum
Vergleich wäre
die fundamentale Solitonenergie in einer konventionell dotierten
Faser mit derselben Dispersion ≈20
pJ.
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Maximale Durchschnittsausgangsleistungen wurden
für eine
Kavitätslänge von
8 m erreicht. In diesem Fall trat die Laserschwelle bei ~900 mW
einfallender Pumpleistung auf. Die durchschnittliche Steigungseffizienz
betrug ~50% in Bezug auf die Startpumpleistung entsprechend einer
geschätzten Quantensteigungseffizienz
von ~75%, was anzeigt, daß trotz
des ungewöhnlichen
Designs die Faser immer noch hocheffizient ist. Laserausgangsleistungen weit über 500
mW wurden im gütegeschalteten
Betrieb bei voller einfallender Pumpleistung (2,5 W) erzielt. Die
maximale gütegeschaltete
Pulsenergie für diese
Faserlänge
betrug ~0,4 mJ, die bei Folgefrequenzen von weniger als 500 Hz erzielt
wurden. Die Betriebslaserwellenlänge
betrug 1548 nM, die minimale Pulsdauer betrug 40 ns, was eine maximale Pulsscheitelwertsleistung
von 10 kW ergibt.
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Die höchsten Pulsenergien wurden
für eine Faserlänge von
12 m erzielt. In 6 ist
die Ausgangspulsenergie als eine Funktion der Pulsfolgefrequenz
für diese
Länge aufgetragen.
Man sieht, daß bei
Folgefrequenzen von weniger oder gleich 200 Hz Pulsenergien von
mehr als 0,5 mJ erhalten werden. Die Pulsenergien bei niedrigen
Folgefrequenzen wurden auf drei unterschiedliche Weisen gemessen, um
die erhaltenen Ergebnisse zu bestätigen. Als erstes wurden Messungen
der Durchschnittsleistung durchgeführt und aus einer Untersuchung
der temporären
Laserdynamik zwischen den Pulsen wurde eine Korrektur für (Dauerstrich-)
ASE, die während des
Verstärkungserholungszustandes
emittiert wurden, durchgeführt.
Als zweites wurden Durchschnittsenergiemessungen verwendet, die
ASE-Korrektur wurde jedoch basierend auf den Zeitdurchschnittsspektralmessungen
des Laserausgangs durchgeführt.
Schließlich
wurden Direktpulsenergiemessungen (Pulshöhe) auf einem kalibrierten schnellen
Detektor aufgenommen (was keine ASE-Korrektur erfordert). Alle Durchschnittsleistungsmeßgeräte, die
verwendet wurden, waren innerhalb der Kalibrierung und wurden gegeneinander aus
Gründen
der Konsistenz abgeglichen. Für
die höchste
erhaltene Pulsenergie betrug die durchschnittliche Ausgangsleistung
bei 200 Hz 134 mW und die durchschnittliche ASE-Leistung, die mit
ausgeschalteten Güteschalter
emittiert wurde, betrug 37 mW. Der Beitrag von ASE zu der gesamten
aufgezeichneten Signalleistung während
der Güteschaltung
bei 200 Hz wurde bei 31 mW abgeschätzt unter Verwendung des Verfahrens
1 und bei 28 mW unter Verwendung des Verfahrens 2, was zu Pulsenergieabschätzungen
von 0,514 bzw. 0,527 mJ für
die Verfahren 1 bzw. 2 führte.
Die direkten Pulsenergiemessungen ergaben einen Wert von ~0,52 mJ,
was zu einem Durchschnittswert für
unsere Messungen von ~0,52 mJ führt.
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6 zeigt
ebenso die Variation der Pulsbreite mit der Pulsfolgefrequenz. Wie
erwartet, verringert sich die Pulsbreite mit reduzierter Folgefrequenz
und entsprechend erhöhter
Energie. Der Höcker
in der Kurve zeigt eine ausgeprägte
Pulsformveränderung
an (Bildung einer ausgeprägten
Seitenkeule), die bei einer Folgefrequenz von ~800 Hz auftritt.
Die Pulsbreite der 0,52 mJ-Pulse betrug 70 ns. Die entsprechende
Scheitelwertsleistung betrug somit ~7 kW. Die spektrale Bandbreite
dieser Pulse betrug ~10 nm, obgleich dies sich mit anwachsender Wiederholungsrate
(abfallender Pulsenergie) rasch reduzierte. Bandbreiten so schmal
wie 0,1 nm konnten erzielt werden für Pulsenergien bis zu 0,250
mJ durch Einsetzen eines optischen Malbandfilters in der Kavität.
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Die Ortsmode des Laserausgangs wurde durch
Strahlabtast- und Strahlqualitäts-
(M2) Messungen charakterisiert. Die M2-Messungen ergaben Werte von 1,1 und 1,2
für die
beiden orthogonalen, transversalen Ortskoordinaten, was die hochqualitative Einzelmodennatur
des Strahls bestätigt.
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Faser-MFD-Messungen wurden durchgeführt unter
Verwendung einer Knife-Edge- bzw. Messerschneidentechnik und die
Divergenz des Laserausgangs von dem gespalteten Faserende (Lasern zwischen
zwei flachen Spalten, 96% Ausgangskoppler) wurde charakterisiert.
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Diese Ergebnisse sind in 7 dargestellt, die den Spot-Durchmesser über dem
Abstand z von dem Faserende zeigt mit einer theoretisch bestangepaßten Kurve
basierend auf der Gauß- Strahlausbreitung
für ein
Faser-MFD von 34 μm
(Hauptkurve) und einer Darstellung des gemessenen Ortsintensitätsprofils
(inset).
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Der Modenbereich der Faser wird somit
zu ~910 nm2 abgeschätzt, was näherungsweise 20- bis 30-mal dem von
konventionellen erbiumdotierten Fasern entspricht und um 3-mal größer ist
als vorher in einem strikt Einzelmodensystem berichtet wurde.
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Bei der Faserlänge mit maximaler Ausgangsleistung
von 8 m, die oben erwähnt
wurde, wurde die Ausgangsleistung des Lasers über der Pumpleistung für eine Mehrzahl
von Pulswiederholungsraten gemessen und die Ergebnisse sind in 8 dargestellt. In 8 sind die verschiedenen
Kurven:
ausgefüllte
Kreise – Dauerstrichbetrieb
Dreiecke – 4 kHz-Pulswiederholung
ausgefüllte Quadrate – 1 kHz-Pulswiederholung
nicht
ausgefüllte
Quadrate – 400
Hz-Pulswiederholung
Weitere Leistungsmessungen wurden auf einer
zweiten Prototyp-Ausführungsform
durchgeführt
mit einer 27 μm
Durchmesser Kernfaser mit einem entsprechenden äußeren Durchmesser von 300 μm.
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Theoretisch wurde abgeschätzt, daß diese Faser
3–4 Kernmoden
führt.
Erneut wurde die Kavitätenlänge empirisch
auf 9 m für
maximale Pulsenergie optimiert. In 9 (Hauptkurve)
ist die Pulsenergie als eine Funktion der Folgefrequenz für eine Faserlänge von
9 m gezeigt.
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In dieser Ausführungsform wurden Pulsenergien
bis zu 0,83 mJ bei Wiederholungsraten von unter 100 Hz erreicht
(berechnet wie vorher für
die 21 μm-Kernfaser
beschrieben). Die Dauer dieser Pulse betrug 80 ns und ihre entsprechende
Scheitelwertsleistung betrug ~10 kW. Ortsmodenprofilmessungen wurden
wie vorher beschrieben durchgeführt.
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Eine Darstellung des gescannten Intensitätsmodenprofils
ist im Inset in 9 dargestellt,
das ein ganz gutes Gauß-Profil
zeigt, obgleich erwähnt
werden sollte, daß die
Mode als ziemlich elliptisch beobachtet wurde. Diese Beobachtung
wurde durch M2-Messungen bestätigt, die
Werte von 2,0 bzw. 1,3 für
die beiden Ellipsenachsen ergaben. Die Modenqualität ist somit
leicht verschlechtert in dieser höheren Multimodenstruktur, vermutlich
durch Modenkopplung.
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Ein anderer Vorteil dieser Faserkonstruktion ist
ihre relative Immunität
gegenüber
Biegungsverlusten. Die 10 bis 13 stellen einige theoretische Modelle
der Faser dar, um dies zu demonstrieren.
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Insbesondere 10 stellt schematisch zwei Brechungsindexprofile
dar, die in dem Modellierungsprozeß verwendet wurden. In einem
ersten Profil (durchgezogene Linie) wird ein mit Spitzenwert versehener
Kern eingesetzt, ein Mantelring (27 in 2) wird ausgelassen. In dem zweiten Profil
wird der Ring (gestrichelte Linie) zu der Kernstruktur des ersten
Profils hinzugefügt.
Die Formen der verwendeten Profile in dem Modellprozeß sind kantig
und etwas schematisch, sie repräsentieren
jedoch die Prinzipien, die hinter den Strukturen stehen.
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In den 11 bis 13 sind verschiedene Ergebnisse,
die von dem Computermodell abgeleitet wurden, dargestellt als durchgezogene
Linien (für
die erste Struktur) und gestrichelte Linien (für die Struktur einschließlich des
Mantelrings).
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11 stellt
die Spotgröße über dem
Kernradius dar und zeigt, daß die
Spotgröße durchgehend mit
dem Mantelring größer ist
als ohne. Der Anstieg der Spotgröße in der
durchgezogenen Kurve zu niedrigen Radien hin stellt eine instabile
Mode dar, wenn der Kern im Ergebnis zu klein wird, um eine stabile Mode
zu begrenzen.
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12 stellt
den effektiven Bereich der Mode über
dem Kernradius dar und erneut ist dieser durchgehend größer für die Mantelringstruktur.
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Schließlich stellt 13 den Biegeverlust über dem Kernradius für eine Faserbiegung
mit einem Radius von 30 cm dar. Die Biegeverlustleistung ist durchgehend
besser mit dem Mantelring als ohne.
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In anderen Ausführungsformen können die Fasern,
die oben beschrieben wurden, in optischen Vorrichtungen verwendet
werden, wie z. B. Fasergittern, z. B. einschließlich photosensitiven Dotierstoffen,
wie z. B. Germanium und/oder Bor. Solche Einrichtungen werden ebenso
von dem großen
MFD und der niedrigen Modenkopplung, die oben beschrieben wurde,
profitieren.
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In Ausführungsformen der Erfindung
können geeignet
konstruierte dotierte Multimodefasern verwendet werden, um Faserlaser
zu konstruieren, die einen robusten Einzelmodenausgang bereitstellen, wodurch
somit ein Betätigungsfeld
bereitgestellt wird für
das Erweitern des Bereichs von Einzelmodenausgangsleistungen und
Energien, die von den Faserlasersystemen erreichbar sind. Prototyp-Ausführungsformen
können
sehr hohe Einzelmodenpulsenergien für eine aktive Fasereinrichtung
bereitstellen, die > 0,5
mJ Ausgangspulse (M2 < 1,2) aus einem gütegeschalteten Faserlaser und
noch höhere
Pulsenergien (bis zu 0,85 mJ) mit leicht verschlechterten Ortsmodenqualität M2 < 2,0
erzielen. Die erreichten Pulsscheitelwertsleistungen betrugen ~10
kW, was, wie wir glauben, ebenso ein Rekord für ein gütegeschaltetes Faserlasersystem
ist. Die Ausführungsformen sind
ebenso vollständig
mit dem Mantelpumpkonzept kompatibel [10], was die Entwicklung von
mJ-Systemen mit
höherer
Durchschnittsleistung (Multi-10 W) unterstützt.
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Eine weitere Prototyp-Ausführungsform
eines gütegeschalteten,
mantelgepumpten, ytterbiumdotierten Faserlasers mit großem Modenbereich (LMA)
wird nun unter Bezug auf die 14 bis 18 beschrieben. Es wurde
gefunden, daß der
Laser, betrieben bei 1090 nm, in der Lage ist, rekordbrechende 2,3
mJ Ausgangspulsenergien bei einer 500 Hz-Wiederholungsrate und über 5 W
durchschnittliche Ausgangsleistung bei höheren Folgefrequenzen in einem hochhellen
Strahl (M2 = 3) zu erzeugen. Eine ähnliche
Faser erzeugte > 0,5
mJ Pulse in einem beugungsbegrenzten Strahl.
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14 stellt
den experimentellen Aufbau dar, der in dieser Prototyp-Ausführungsform
verwendet wurde. Eine 36 m Yb-dotierte Faser 100 wurde vom
Ende her gepumpt mit einem 915 nm strahlförmigen Diodenbarren 110[19]
mit einer Starteffizienz von etwa 60%. Für die Güteschaltung wurde ein akustooptischer
Modulator (AOM) 120 eingesetzt. Ein Faserende "B" wurde winklig poliert, um eine Rückkopplung
zu unterdrücken.
Ursprünglich
verschloß eine
rechtwinklige Faserfläche
die Kavität
an dem anderen Ende "A". Das Ende wurde
poliert, da es sich als schwierig erwies, die rechtwinklige Faser mit
ausreichender Genauigkeit zu spalten. Es wurde gefunden, daß die Laserleistung
bei niedrigen Folgefrequenzen von der Qualität dieser Fläche abhängt.
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Andere Komponenten des experimentellen Aufbaus
beinhalten Spiegel 130, Linsen 140 und dichroitische
Spiegel 150. Einer der dichroitischen Spiegel und ein konventioneller
Spiegel wurden als optionale Rückkopplungseinheit 160 angeordnet,
deren Effekt unten beschrieben wird.
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Wie schematisch in 16 gezeigt ist, hat die Faser 100 eine
rechteckige innere Hülle 200 aus im
wesentlichen reinem Siliciumdioxid (175 × 350 μm), die durch Walzen des Faserpreforms
gebildet wurde, und hat eine äußere Ummantelung 210 aus Silikonkautschuk,
was eine NA der inneren Ummantelung von 0,4 bereitstellt. Ein Aluminiumsilikat-LMA-äußerer Ring 120 ist
in dem Mantel zentriert. Der äußere Ring 220 von
erhöhtem
Brechungsindex erhöht
den Modenbereich und reduziert den Biegeverlust der Fundamentalmode.
Yb wird nur in den inneren Ring 230 (d. h. den Kern) eingebracht.
Er hat ein NA von 0,075 und einen Durchmesser von 44 μm und bietet
eine große
Sättigungsenergie.
Das niedrige NA-LMA-Design reduziert die Anzahl von geführten Kernmoden
und verbessert weiterhin die Energiespeicherung. Selbst dann trägt der Kern
etwa 20 Moden bei der Betriebswellenlänge von 1090 nm. Die Faser
wurde mit 0,3 Gew.-% Yb3+ dotiert. Die Radialverteilung
von Ytterbium erzeugt eine bevorzugte Verstärkung für die Fundamentalmode, die
eine gute Ausgangsstrahlqualität
sicherstellt. Es wurde von der Verwendung einer ähnlichen Konstruktion in einer kerngepumpten
erbiumdotierten Faserquelle berichtet, die 0,5 mJ Ausgangsenergie
in einem einzelnen transversalen Modus [20] erzielt. Dieser Ansatz
wurde jedoch vorher weder in einer mantelgepumpten Geometrie verwendet
noch mit einer Yb-Dotierung. Die in 16 gezeigte
Anordnung kann über
den Mantel gepumpt werden.
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Wie oben erwähnt wurde, wurden zwei unterschiedliche
Auskopplungsanordnungen in der Vorrichtung von 14 verwendet, entweder einfach eine rechtwinklig
polierte Fasertläche
an dem Faserende "A" oder die Anordnung 116,
die innerhalb des gestrichelten Rechtecks gezeigt ist, mit einem
leicht gewinkelten Faserende, einem 5 nm breiten dichroitischen
Bandpassfilter, der bei 1035 nm arbeitet, und einem hochreflektierenden
Spiegel.
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Bei Folgefrequenzen unter 2 kHz wurde
festgestellt, daß sich
ASE zwischen den Pulsen aufbaut und die Pulsenergie begrenzte. Die
ASE an dem Faserende "B" dominiert die gesamten
ASE-Verluste, da es von den Reflexionen an dem Faserende "A" gebildet wurde. Durch Eliminieren der
Reflexion (unter Verwendung eines winklig gespalteten Endes an dem
Faserende "A") wurde sichergestellt,
daß ein Großteil der
ASE an dem Ende "A" an der kürzeren Wellenlänge von
1035 nm emittiert wurde [3]. Diese ASE wurde von dem Laserausgang
mit einem Schmalbandfilter separiert und zurück in die Kavität reflektiert,
während
die Rückkopplung
um 1090 nm niedrig gehalten wurde. Mit anderen Worten lenkt der dichroitische
Spiegel 150 in der Rückkopplungseinheit 160 den
Laserausgang ab, erlaubt es jedoch der ASE-Emission, zu passieren,
und so in die Kavität zurückreflektiert
zu werden durch den HR-Spiegel 130 in der Rückkopplungseinheit 160.
Dies "recycelt" effektiv die ASE-Emission.
Dies verringerte die ASE-Verluste um näherungsweise 2,5 W oder 65%. Ein
entsprechendes Schema wurde vorher in erbiumdotierten Faserverstärkern verwendet
[22]. Gegeben ist, daß bei
einer 500 Hz-Wiederholungsrate der Filter nur etwa 78% reflektierte;
ein besserer Bandpassfilter würde
die Wiedergewinnung des Großteils
der 2,3 mJ der Ausgangspulsenergie, die nach dem dichroitischen
Spiegel verfügbar
ist, erlauben. Realistische Verbesserungen in der Faserkonzentration
sollten ebenso die Pulsenergien und die mit diesem Ansatz erzielbare
Strahlqualität
verbessern.
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Die 17 und 18 zeigen die Pulsenergieabhängigkeit
von der Wiederholungsrate und der Pumpleistung mit und ohne ASE.
Pulsenergien von 1,6 mJ bei 1 kHz und 1 mJ bei 5 kHz wurden erreicht, was
einer Durchschnittsleistung von 5 W entspricht. Die Pulsdauer reichte
von 0,1 bis zu einigen Mikrosekunden (abfallend mit ansteigender
Pulsenergie) und zeigte Scheitelwerte, die durch die Kavitätsumlaufzeit
(0,36 μs)
voneinander getrennt sind. Bei hohen Energien dominierte ein einzelner
Peak, der kürzer als
0,1 μs ist,
den Puls. Der Ausgangsstrahl zeigte eine gute Ortsqualität trotz
des Multimodekerns (M2 = 1,3).
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Zusammenfassend wurde für die höchsten Pulsenergien
in dieser Prototyp-Ausführungsform
die ASE bei 1035 nm "recycelt". Die experimentellen
Ergebnisse stellen eine dreifache Erhöhung der Pulsenergie gegenüber vorher
veröffentlichten
gütegeschalteten
Faserlasern dar und etablieren Faserlaser fest als kompakte, Multiwatt-,
Multimillijoulepulsquellen mit einem breiten Anwendungsbereich für wissenschaftliche
und industrielle Anwendungen.
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Es versteht sich, daß, obgleich
Faserindexprofile gezeigt wurden, wo die Indexsenken in dem zentralen
Teil des Kerns vorhanden sind, solch eine Senke nicht notwendig
ist. In der Tat kann für
relativ größere Fasern
(z. B. eine Kerngröße der Ordnung von
100 μm)
ein Brechungsindexprofil, das oben flach oder gerundet ist, bevorzugt
sein, da bei großen Kerndurchmessern
die niedrigste Ordnungsmode dazu tendieren kann, dem Kernindexprofil
zu folgen. Somit kann ein oben flacheres Indexprofil helfen, sicherzustellen,
daß eine
Fundamentalmode erster Ordnung bevorzugt ist. Diese Kerngröße kann
viel größer sein
als die, die im Detail beschrieben wurde – in der Tat können Kerne
von weit über
100 μm verwendet
werden. Eine größere Kerngröße und insbesondere
ein größeres Verhältnis der
Kerngröße zu der
Mantelgröße tendiert
dazu, einen besseren Überlapp
zwischen dem Pumplicht und dem Kern zu geben. Dies kann zu kürzeren Vorrichtungen
führen,
die weniger anfällig
gegenüber
Nicht-Linearität
sind und die kürzere
Pulse erzeugen können.
Dies kann wiederum eine Vorrichtung bereitstellen mit einer größeren Scheitelwertsausgangsleistung.
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ANHANG
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Man betrachte ein hypothetisches
Brechungsindexprofil einer optischen Faser, wie es in
-
19 der
Zeichnungen gezeigt ist. Dieses Profil hat hauptsächlich ein
Haubenprofil mit einem Kern mit Radius a und einem Brechungsindex
n2, umgeben von einer Ummantelung des Brechungsindex n1. Die Ableitung unten definiert folgend
der Veröffentlichung "Optical Fibre Communications – Principles
and Practice", J.
M. Senior, Prentice Hall, 1992, einen Bereich des Radius a in Abhängigkeit
von n1, n2 und der
in Frage stehenden Wellenlängen,
wobei die Faser als Single-Mode-Betrieb angesehen wird.
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Definiere:
-
-
Die numerische Apertur NA wird definiert durch: NA = (n22 – n21 )½ =
n1(2Δ)½
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Nun ist v = normalisierte Frequenz,
wo:
-
-
Eine Faser wird als Single-Mode angesehen für v < 2,405, d. h.:
-
-
Beispiel
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Für
eine Faser, wo: λ = 1,55 μm; n1 – n2 = 0,002; n1 = 1,46ist
dann:
Δ =
1,37 × 10–3;
und NA = 0,0076
-
Damit ist die Faser Single-Mode,
wenn der Faserradius ist: α < 7,8 μm
-
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-
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