WO2001095440A1 - Laser mit einer lichtleitfaser - Google Patents

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WO2001095440A1
WO2001095440A1 PCT/EP2000/005266 EP0005266W WO0195440A1 WO 2001095440 A1 WO2001095440 A1 WO 2001095440A1 EP 0005266 W EP0005266 W EP 0005266W WO 0195440 A1 WO0195440 A1 WO 0195440A1
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laser
polarizing
special
optical fiber
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PCT/EP2000/005266
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Andreas TÜNNERMANN
Holger Zellmer
Original Assignee
Carl Zeiss Jena Gmbh
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    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
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    • H01S3/09415—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode the pumping beam being parallel to the lasing mode of the pumped medium, e.g. end-pumping
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    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof

Definitions

  • the invention relates to a laser with an optical fiber within a resonator, the core of which is suitably doped for excitation of laser light, and with a polarizing element provided for polarizing the laser light.
  • Such lasers are suitable for applications for which a polarized laser beam is required.
  • applications in the consumer area such as video projection with laser beams, in which the intensity control is not very complex using a simple polarizer in the presence of a polarized laser beam, or in which two images in different polarization states with corresponding polarization states Glasses with polarization-filtering glasses make a stereo image visible to the viewer.
  • Such lasers for polarizing laser beams usually have a polarizing element in the resonator, in particular with different losses for different polarization devices. Because of the polarizing element provided within the resonator, only light of one polarization direction is amplified, so that almost all of it is used for the laser process Available pump power is converted into the laser beam with the polarization state given by the polarizing element.
  • Fibers with an elliptical active core can be used as the polarizing element in fiber fibers.
  • an anarmophotic and therefore non-circular beam profile is obtained.
  • the currently possible polarization ratio for linear polarization is 5 to 1, which is too low for many applications.
  • the object of the invention is therefore to provide a fiber laser of the type mentioned, in which the polarizing element is of particularly simple construction and which can be implemented almost independently of the choice of the glass material suitable for the spectral range.
  • the polarizing element is a section of the optical fiber and / or a device is provided with which the optical fiber itself or a section of it can be polarized.
  • the optical fiber itself is used here.
  • it is not the entire fiber which acts as a polarizer, but only a section which is birefringent, for example.
  • a special device can also be provided which can produce the polarization effect in special fibers.
  • the polarizing element is a special polarizing fiber.
  • birefringent fibers are particularly suitable, such as the quartz fiber exemplified in the introduction, while the rest of the optical fiber is designed as a lasing fiber with regard to the requirements, in particular for the stimulated emission of light of the desired wavelength.
  • the special polarizing fiber is spliced onto the optical fiber provided for reading. It is advantageous to support polarization if the spliced ends are joined together at an angle, in particular the Brewster angle.
  • the special polarizing fiber is connected to the optical fiber provided for reading via a fiber coupler.
  • fiber couplers are known, for example, from telecommunications, in which standard fiber connections are made, in particular via special fiber couplers, into which the fiber ends to be connected are inserted on both sides on a defined axis.
  • a liquid medium within this fiber coupler ensures a corresponding refractive index between the cores of the two fibers in order to enable the light to pass from one end of the fiber part into the other without loss.
  • the special polarizing fiber is separated from the optical fiber provided for reading, whereby an optical system, in particular a lens system, is provided between it and the polarizing fiber for coupling and decoupling the laser light into and out of the special polarizing fiber.
  • polarization is adjustable.
  • a controllable device for the polarization is provided in accordance with the following preferred developments of the invention. It is particularly preferred that a device is provided with which the optical fiber and the special fiber can be pressurized radially and rotated in the circumferential direction.
  • Such devices are available, for example, as so-called PoLaRITE TM polarization controllers from General Photonics Corporation, in which the fiber is pressurized with the aid of a special fiber holder via an adjusting screw.
  • This type of polarization setting can be provided, for example, on the optical fiber provided for reading.
  • a special polarizing fiber which is connected to the optical fiber provided for reading, a certain proportion of polarization can be brought about and a further polarization component can be set via the optical fiber provided for reading or another fiber part.
  • At least one loop is formed in the fiber or in the special fiber, the angle of which can be changed to other loops.
  • Such devices are manufactured, for example, in the USA by the company "Fiber ControJ Industries". They have three so-called paddles, into each of which several turns of an optical fiber are inserted. The three paddles can be tilted towards one another. By adjusting the angle of the paddles to one another and to the desired one The direction of polarization of the output beam is sufficient with three paddles to allow adjustment of the full Poincare sphere of polarization.
  • the polarization electrically for this purpose, in the examples mentioned above, motor controls could be used to pressurize a fiber part or to change the angle between the loops. In addition to the pressurization, it is also possible to provide special polarizing fibers that are magnetically or electro-optically sensitive.
  • the output power of the laser can be controlled via such a setting option via the polarization control if, according to a preferred development of the invention, a setting device for the polarization is provided and a control device is connected to this setting device, with which the power of the polarized output beam in particular is kept constant becomes.
  • a setting device for the polarization is provided and a control device is connected to this setting device, with which the power of the polarized output beam in particular is kept constant becomes.
  • the power of the laser beam has to be measured during operation, which is supplied to the control device for regulation in a known manner as the actual value after comparison with a target value.
  • the power of the output beam for obtaining the actual value can be determined by branching off a small partial beam, for example with the aid of a partially transparent mirror.
  • the laser is constructed in a particularly simple manner according to a preferred development of the invention, in which at least one end face of the optical fiber or the special polarizing fiber is mirrored as a resonator mirror. This saves a special mirror and a corresponding coupling / decoupling optics between the optical fiber and the mirror. The effort is then significantly reduced compared to other laser structures.
  • the resonator mirror here does not only mean metallized surfaces or dielectric layers, for example, Bragg structures incorporated in fibers can also be used for mirroring (fiber Bragg gratings).
  • the laser light is coupled out of the laser on the pump side, a dichroic mirror in particular being provided for separating pump and laser radiation. You then only need a single, highly coated resonator mirror, which is used to couple the pump radiation or to couple out the laser radiation. This also reduces the effort.
  • pump light and laser light can also be separated by a polarization beam splitter if the pump light is also appropriately polarized.
  • the invention with its developments, in particular because practically innumerable types of fibers with the most varied properties can be used to realize them, is largely independent of the type of laser process.
  • the invention can be used not only in the excitation of simple laser states but also, for example, in so-called upconversion lasers, in which the lasing atoms are brought into a very high state by a multiphoton excitation process, which then falls back to the ground state due to stimulated emissions. Then the achievable wavelength is significantly less than the wavelength of the pump radiation.
  • Such lasers are particularly interesting for the generation of visible light, in which infrared radiation from commercially available laser diodes can be used as the pump structure.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the invention.
  • Fig. 2 shows another embodiment as Fig. 1, but with a
  • Fig. 3 shows another embodiment in which pump radiation and laser radiation are coupled out or coupled out from the same side of the resonator.
  • Fig. 1 the basic structure of a fiber laser is shown, on which most of the essential features can be made clear.
  • the pump radiation 102 is coupled into a fiber laser 100 from a pump source 101, which is preferably a laser diode, via coupling optics 103.
  • the fiber laser 100 has a resonator formed from mirrors 105 and 110.
  • the active material for the laser process excited by the pump radiation 102 is formed by a suitably doped core of a fiber 107 provided between the resonator mirrors 105 and 110,
  • the pump radiation 102 is coupled directly into the fiber via the coupling optics 103 and stimulates the laser process.
  • the laser radiation 111 then generated then leaves the fiber laser 100 through the resonator mirror 110.
  • the mirrors 105 and 110 in contrast to the example from FIG. 1, can also be provided as reflecting on the optical fiber 107.
  • so-called “fiber bragy gratings” can also be used, that is, changes in the refractive index introduced into the fiber 107, which likewise have a reflective effect if the wavelength is tuned appropriately.
  • the fiber laser shown in FIG. 1 has a special feature compared to conventional fiber lasers.
  • the active optical fiber 107 does not extend continuously from the mirror 105 to 110.
  • At coupling points 106 and 108, respectively, it is coupled to special fiber pieces 104 and 109, which guide the light to the mirrors 105 and 110.
  • the fiber pieces 104 and / or 109 can be used with a suitable design for the polarization of the laser light.
  • the fiber 109 belonged to the type of fibers which have different losses for different polarization states.
  • it can be designed, for example, as a so-called single-mode polarizing fiber or as a polarization-maintaining fiber with additional polarizing properties.
  • a polarization direction for the laser excitation and thus for the stimulated emission of the corresponding polarization state is preferred in the resonator, which also affects the polarization of the laser beam 111 in such a way that a polarization state occurs much more frequently than the one orthogonal to it.
  • a fiber with the same property can also be provided in the fiber section 104.
  • a single strand 104 or 109 with the corresponding properties is sufficient to set the polarization, so that the desired polarization of the output beam 111 takes place.
  • the arrangement shown in the starting example with the lasing fiber between two polarizing fiber pieces 104 and -109 is therefore to be understood as purely exemplary. Any arrangement of any pieces of laser-active optical fibers 107 and polarizing fiber pieces 104 and 109 will cause the same effect, but it should be noted that the degree of polarization essentially depends on their design. Such a structure, as shown in Fig. 1, was experimentally realized with PrYb fiber fibers. A linear polarization of greater than 10: 1 was found in the laboratory.
  • the coupling points 106 and 108 mentioned above can be designed in various ways.
  • the fibers were spliced together. Another possibility of joining is by gluing. It may also be advisable to use the fiber couplers known from telecommunications technology, in which the fiber ends to be coupled are brought together on an optical axis and a liquid ensures the refractive index adjustment between the two fiber ends.
  • the joined fiber ends at the coupling points 106 and 108, since then the passage of light from a polarization device is also preferred at the coupling point.
  • the Brewster angle is particularly suitable as an angle for the inclination.
  • the coupling point 108 is now realized with the aid of an optical system 211, which couples the light from one fiber part 207 into the other fiber part 209.
  • This optical system will generally be a lens group.
  • the fiber pieces 204 and 209 shown in FIG. 2 also take over the generation of the laser process.
  • the fiber piece 207 in between, on the other hand, serves for polarization.
  • the fiber 207 provided for polarization is wound in a plurality of loops 212, which are pressure-operated by means of a so-called fiber polarization controller be charged.
  • the loops 212 extend radially from the optical axis of the fiber and are mutually adjustable in angle, as is known in particular from US 4,389,090. By changing the angles between the loops 212 relative to one another, a complete setting for all degrees of freedom of the polarization is possible.
  • This setting is particularly advantageous if you want to guarantee particularly high degrees of polarization for the laser radiation 111 at the output.
  • the exact implementation of such regulations are known from the prior art and do not require any further explanation here.
  • a pressure on the fiber 107 with known devices then likewise leads to a change in polarization and thus to a polarized output beam of the laser radiation 111.
  • the laser radiation 111 was taken from the opposite side of the coupling of the pump radiation 102, the laser beam 111 can also be taken from the same side from which the pump radiation 102 is also coupled into the fiber 107. This requires a change in the coupling optics 103 in a known manner.
  • a dichroic mirror 313 is also used to separate the pump radiation 102 from the laser radiation 111. Instead of a dichroic mirror you can on the basis of the defined Polarization directions of laser radiation 111 also use a polarization beam splitter to separate pump radiation 102 and laser radiation 111.
  • the previous exemplary embodiments are distinguished by a simple generation of polarized laser radiation using conventional i.e. non-polarization-maintaining optical fibers.
  • magneto-optically or electro-optically active materials can also be used for special fiber parts and the desired polarization can be generated by corresponding electrical or magnetic fields. Due to the separation of polarization and laser excitation by means of the.
  • the illustrated embodiment of different fiber parts allows all known effects to be exploited independently of the laser excitation, so that there is little restriction for the choice of material with regard to the laser processes used and for the different types of polarization in the design of such lasers. Surprisingly, it is possible to achieve this advantage without having to deviate significantly from the simple structure that is customary for a fiber laser.

Abstract

Bei einem Laser (100) mit einer Lichtleitfaser (107; 204, 209) innerhalb eines Resonators, deren Kern zur Anregung von Laserlicht (111) geeignet dotiert ist, und mit einem zur Polarisation des Laserlichts (111) vorgesehenen polarisierenden Element, ist vorgesehen, daß das polarisierende Element ein Teilstück (104, 109; 207) der Lichtleitfaser (107; 204, 209) ist und/oder eine Einrichtung (212) vorgesehen ist, mit der die Lichtleitfaser (107; 204, 209) selbst oder ein Teilstück (104, 109; 207) von ihr polarisierbar ist.

Description

Laser mit einer Lichtleitfaser
Die Erfindung bezieht sich auf einen Laser mit einer Lichtleitfaser innerhalb eines Resonators, deren Kern zur Anregung von Laserlicht geeignet dotiert ist, und mit einem zur Polarisation des Laserlichts vorgesehenen polarisierenden Element.
Derartige Laser sind für Anwendungen geeignet, für die ein polarisierter Laserstrahl benötigt wird. Neben dem technisch/physikalischen Einsatzgebiet gibt es auch Anwendungen im Konsumerbereich, wie beispielsweise die Videoprojektion mit Laserstrahlen, bei der sich die Intensitätssteuerung bei Vorliegen eines polarisierten Laserstrahls durch einen einfachen Polarisator wenig aufwendig gestaltet oder bei der sich mittels zweier Bilder in voneinander verschiedenen Polarisationszuständen bei entsprechenden Brillen mit polarisationsfilternden Brillengläsern für die Zuschauer ein Stereobild sichtbar machen läßt.
Derartige Laser für polarisierende Laserstrahlen weisen im Resonator üblicherweise ein polarisierendes Element, insbesondere mit unterschiedlichen Verlusten für unterschiedliche Polarisationseinrichtung, auf. Aufgrund des vorgesehenen polarisierenden Elements innerhalb des Resonators wird nur Licht einer Polarisationsrichtung verstärkt, so daß nahezu die gesamte für den Laserprozeß zur Verfügung stehende Pumpleistung in den Laserstrahl mit dem durch das polarisierende Element gegebenen Polarisationszustarid konvertiert wird.
Als polarisierendes Element können in Faseriasem Fasern mit elliptischem aktiven Kern eingesetzt werden. Dabei erhält man allerdings ein anarmophotisches und damit unrundes Strahlprofil. Außerdem liegt das gegenwärtig mögliche Polarisationsverhältnis für lineare Polarisation bei 5 zu 1 , was für viele Anwendungsfälle zu niedrig ist.
Weiter wurde zum Erzielen einer polarisierenden Wirkung vorgeschlagen, Fasern mit Spannungsdoppelbrechung im aktiven Kern einzusetzen, wobei die Spannungsdoppelbrechung durch Verwendung von Materialien mit unterschiedlicher thermischer Ausdehnung erzeugt wird. Diese Technik war bisher nur bei Quarzfasern erfolgreich einsetzbar. Das bedeutet, bei vielen technischen Anwendungen, insbesondere bei den im sichtbaren Bereich verwendbaren Materialien mit geringen Phononenenergien, wie ZBLAN-Fasern, ist ein derartiges Vorgehen nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Faserlaser der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem das polarisierende Element besonders einfach aufgebaut ist und das nahezu unabhängig von der Wahl des für den Spektralbereich geeigneten Glasmaterials verwirklicht werden kann.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das polarisierende Element ein Teilstück der Lichtleitfaser ist und/oder eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der die Lichtleitfaser selbst oder ein Teilstück von ihr polarisierbar ist.
Im Gegensatz zum vorhergenannten Polarisator nach dem Stand der Technik wird hier die Lichtleitfaser selbst verwendet. Im Gegensatz zu dem obengenannten Beispiel mit Quarzfasern wirkt aber erfindungsgemäß nicht die gesamte Faser als Polarisator, sondern nur ein Teilstück, das beispielsweise doppelbrechend ist. Erfindungsgemäß kann auch eine spezielle Einrichtung vorgesehen sein, die den Polarisationseffekt in speziellen Fasern hervorrufen kann.
Wie dies im einzelnen geschieht, wird im nachfolgenden noch deutlicher werden. Wichtig ist hier aber vor allen Dingen, daß der Aufwand gegenüber dem Stand der Technik verringert ist. Dies gilt vor allem nicht nur deshalb, weil ein spezieller Polarisator entfällt, sondern auch deswegen, weil zusätzliche Baugruppen zum Ein- und Auskoppeln in einen bzw. von einem bekannten Polarisafor eingespart werden können. Das ist sofort einsichtig, denn schon wenn nur ein Teilstück der Glasfaser polarisierend ausgebildet wäre, beispielsweise dadurch, daß ein Teilstück eingefügt wird, entsteht der gewünschte Polarisationseffekt. In diesem Fall lassen sich die Kerne des Teilstücks und der übrigen Faser zum Lasen leicht so nah aneinander bringen, daß das Licht vom Teilstück zur zum Lasen vorgesehenen Lichtleitfaser und zurück verlustarm übergehen kann, so daß zusätzliche Ein- und Auskoppeloptiken entfallen können, wie sie bei herkömmlichen Polarisatoren durchaus üblich sind.
Insbesondere bezüglich der Ausbildung des polarisierenden Elements als Teilstück der Lichtleitfaser ist gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß das polarisierende Element eine spezielle polarisierende Faser ist. Dazu bieten sich vor allen Dingen doppelbrechende Fasern an, wie die in der Einleitung beispielhaft genannte Quarzfaser, während der Rest der Lichtleitfaser als lasende Faser bezüglich den Bedürfnissen, insbesondere zur stimulierten Emission von Licht der gewünschten Wellenlänge, ausgebildet wird.
Im Prinzip hat man dann ein Teilstück der Lichtleitfaser, das zum Lasen vorgesehen und ausgelegt ist, und ein anderes Teilstück, das zum Erzeugen der gewünschten Polarisationsrichtung dient. Dabei ist es völlig gleichgültig, wie die spezielle polarisierende Faser relativ zu der zum Lasen vorgesehenen Lichtleitfaser angeordnet ist. Es ist z. B. möglich, die spezielle polarisierende Faser in der Mitte der zum Lasen vorgesehenen Lichtleitfaser einzufügen. Eine andere Möglichkeit ist durch eine Anordnung gegeben, bei der die zum Lasen vorgesehene Lichtleitfaser zwischen polarisierenden Faserteilen angeordnet ist. Außerdem kann man aber auch beliebige periodische und/oder unperiodische Strukturen mit abwechselnden polarisierenden Faserteilen sowie zum Lasen vorgesehenen Lichtleitfaserteilen einsetzen. Bezüglich der Anordnung gibt es keine Beschränkung, wenn nur die Gesamtlängen der polarisierenden Faserteile zum Polarisieren sowie die zum Lasen vorgesehenen Faserteile für die verlangte Ausgangsleistung groß genug gewählt sind. Besonders vorteilhaft ist es allerdings für eine Vereinfachung der Fertigung, wenn nur ein einziges Teilstück eine zum Lasen vorgesehene Lichtleitfaser und ein anderes Teilstück eine polarisierende Faser ist.
Die folgenden Weiterbildungen beziehen sich vor allen Dingen auf die Verbindung zwischen der speziellen polarisierenden Faser und der zum Lasen vorgesehenen Lichtleitfaser.
Gemäß einer ersten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die spezielle polarisierende Faser an der zum Lasen vorgesehenen Lichtleitfaser angespleißt. In vorteilhafter Weise polarisationsunterstützend ist dabei, wenn die zusammengespleißten Enden unter einem Winkel, insbesondere dem Brewsterwinkel, zusammengefügt sind.
Gemäß einer anderen vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung ist die spezielle polarisierende Faser über einen Faserkoppler mit der zum Lasen vorgesehenen Lichtleitfaser verbunden. Derartige Faserkoppler sind beispielsweise aus der Telekommunikation bekannt, bei der standardmäßig Faserverbindungen, insbesondere über spezielle Faserkoppler, hergestellt werden, in den die zu verbindenden Faserenden beidseitig auf einer festgelegten Achse eingeführt sind. Ein flüssiges Medium innerhalb dieses Faserkopplers sorgt für einen entsprechenden Brechungsindex zwischen den Kernen der beiden Fasern, um ein verlustloses Übertreten des Lichts von einem Faserteilende in das andere zu ermöglichen.
Insbesondere, wenn sich die Notwendigkeit ergibt, eine spezielle Justierung zwischen der zum Lasen vorgesehenen Lichtleitfaser und der speziellen polarisierenden Faser vorzunehmen, ist eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung empfehlenswert, bei der die spezielle polarisierende Faser von der zum Lasen vorgesehenen Lichtleitfaser getrennt ist, wobei sich zwischen ihr und der polarisierende Faser ein optisches System, insbesondere ein Linsensystem, zum Ein- und Auskoppeln des Laserlichts in und aus der speziellen polarisierenden Faser vorgesehen ist.
Besonders vorteilhaft ist es allerdings, wenn die Polarisation einstellbar ist. Deswegen wird gemäß der folgenden vorzugsweisen Weiterbildungen der Erfindung eine steuerbare Einrichtung für die Polarisation vorgesehen. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der die Lichtleitfaser und die spezielle Faser radial mit Druck beaufschlagbar und in Umfangsrichtung verdrehbar sind.
Derartige Einrichtungen sind beispielsweise als sogenannte PoLaRITE™ Polarization Controllers von der Firma General Photonics Corporation erhältlich, bei denen die Faser mit Hilfe eines speziellen Faserhalters über eine Einstellschraube mit Druck beaufschlagt wird. Diese Art der Polarisationseinstellung läßt sich beispielsweise an der zum Lasen vorgesehenen Lichtleitfaser vorsehen. Es läßt sich aber auch eine spezielle Faser, wie vorher schon dargestellt, mit der zum Lasen vorgesehenen Lichtleitfaser verbinden, wobei der Druck dann nur auf die spezielle Faser aufgebracht wird. Weiter kann mit einer speziellen polarisierenden Faser, die mit der zum Lasen vorgesehenen Lichtleitfaser verbunden ist, ein gewisser Polarisationsanteil bewirkt werden und ein weiterer Polarisationsanteil über die zum Lasen vorgesehene Lichtleitfaser oder einen anderen Faserteil eingestellt werden. Diese Beispiele zeigen, daß es prinzipiell völlig gleichgültig ist, an welcher Stelle oder auf welche Weise die Faser mit Druck beaufschlagt wird. Die Auswahl der optimalen Stellen und der entsprechenden Auslegung der Faserteile liegt durchaus im Bereich des Fachkönnens eines Fachmanns, so daß für den speziellen Anwendungsfall keine bestimmte Lehre gegeben werden muß.
Bei einer ähnlichen, wenn auch anders arbeitenden Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß in der Faser oder in der speziellen Faser mindestens eine Schleife ausgebildet ist, deren Winkel zu anderen Schleifen veränderbar ist.
Einrichtungen, bei denen Schleifen zueinander verstellbar angeordnet sind, sind allgemein erhältlich. Zur Wirkungsweise und speziellen Aufbau derartiger EinStelleinrichtungen sei hier auf die US 4,389,090 verwiesen.
Derartige Einrichtungen werden beispielsweise in der USA durch die Firma »Fiber ControJ Industries" hergestellt. Sie weisen drei sogenannte Paddel auf, in die jeweils mehrere Windungen einer Lichtleitfaser eingefügt werden. Die drei Paddel sind gegeneinander verkippbar. Durch die Winkeleinstellung der Paddel zueinander sowie zur gewünschten Polarisationsrichtung des Ausgangsstrahls sind bei drei Paddeln ausreichend Freiheitsgrade gegeben, um eine Einstellung der vollen Poincarekugel der Polarisation zu ermöglichen. Neben der vorher genannten manuellen Einstellung ist es ferner möglich, die Polarisation elektrisch einzustellen. Dazu könnte man bei den vorher genannten Beispielen Motorsteuerungen zur Druckbeaufschlagung eines Faserteils oder zur Winkeländerung zwischen den Schleifen einsetzen. Weiter ist es neben der Druckbeaufschlagung auch möglich, spezielle polarisierende Fasern vorzusehen, die magneto- oder elektrooptisch empfindlich sind.
Insbesondere läßt sich beispielsweise die Ausgangsleistung des Lasers bei einer derartigen Einstellmöglichkeit über die Polarisationskontrolle regeln, wenn gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung eine Einsteileinrichtung für die Polarisation vorgesehen ist und an dieser Einstellungseinrichtung eine Steuereinrichtung angeschlossen ist, mit der insbesondere die Leistung des polarisierten Ausgangsstrahls konstant gehalten wird. Dazu muß prinzipiell nur die Leistung des Laserstrahls im Betrieb gemessen werden, die als Istwert nach Vergleich mit einem Sollwert der Steuereinrichtung zum Regeln in bekannter Weise zugeführt wird. Die Leistung des Ausgangsstrahls zur Gewinnung des Istwertes läßt sich mittels Abzweigen eines geringen Teilstrahls, beispielsweise mit Hilfe eines teildurchlässigen Spiegels, bestimmen.
Besonders einfach ist der genannte Laser gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung aufgebaut, bei der mindestens eine Endfläche der Lichtleitfaser oder der speziellen polarisierenden Faser als Resonatorspiegel verspiegelt ist. Dadurch spart man einen besonderen Spiegel sowie eine entsprechende Aus/Einkoppeloptik zwischen Lichtleitfaser und Spiegel ein. Der Aufwand ist dann gegenüber anderen Laserstrukturen deutlich verringert. Als Resonatorspiegel sind hier nicht nur metallisierte Flächen oder dielektrische Schichten gemeint, es können beispielsweise auch in Fasern eingebrachte Braggstrukturen zum Spiegeln eingesetzt werden (fiber Bragg gratings).
Besonders bevorzugt ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, daß das Laseriicht an der Pumpseite aus dem Laser ausgekoppelt wird, wobei insbesondere ein dichrotischer Spiegel zum Trennen von Pump- und Laserstrahlung vorgesehen ist. Man benötigt dann nur einen einzigen hoch vergüteten Resonatorspiegel, der zum Einkoppeln der Pumpstrahlung beziehungsweise zum Auskoppeln der Laserstrahlung eingesetzt wird. Auch dadurch läßt sich der Aufwand verringern. Statt eines dichroitischen Spiegels und aufgrund der Polarisation des Laserlichts läßt sich Pumplicht und Laserlicht auch durch einen Polarisationsstrahlteiler trennen, wenn das Pumplicht ebenfalls in geeigneter Weise polarisiert ist.
Wie aus dem Vorstehendem auch deutlich geworden sein wird, ist die Erfindung mit ihren Weiterbildungen, insbesondere weil zur Verwirklichung praktisch unzählig viele Arten von Fasern mit unterschiedlichsten Eigenschaften einsetzbar sind, weitgehend unabhängig von der Art des Laserprozesses. So kann die Erfindung beispielsweise nicht nur bei Anregung von einfachen Laserzuständen sondern beispielsweise auch bei sogenannten Upconversionlasern eingesetzt werden, bei denen die lasenden Atome durch einen Multiphotonanregungsprozeß in einen sehr hohen Zustand versetzt werden, der dann aufgrund stimulierter Emissionen wieder in den Grundzustand fällt. Dann ist die erreichbare Wellenlänge wesentlich geringer als die Wellenlänge der Pumpstrahlung. Derartige Laser sind insbesondere für das Erzeugen von sichtbarem Licht interessant, bei dem als Pumpstrucktur Infrarotstrahlung von handelsüblichen Laserdioden verwendet werden kann.
Weitere Besonderheiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel wie Fig. 1, jedoch mit einem
Polarisationskoπtroller sowie einer speziellen Koppeloptik;
Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem Pumpstrahlung und Laserstrahlung von der gleichen Seite des Resonators einbeziehungsweise ausgekoppelt werden.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Faserlasers gezeigt, an dem auch die meisten wesentlichen Merkmale deutlich gemacht werden können. Aus einer Pumpquelle 101, die vorzugsweise eine Laserdiode ist, wird die Pumpstrahlung 102 über eine Koppeloptik 103 in einen Faserlaser 100 eingekoppelt. Der Faserlaser 100 weist einen aus Spiegeln 105 und 110 gebildeten Resonator auf. Das aktive Material für den durch die Pumpstrahlung 102 angeregten Laserprozeß wird von einem geeignet dotierten Kern einer zwischen den Resonatorspiegeln 105 und 110 vorgesehenen Faser 107 gebildet,
Die Pumpstrahlung 102 wird über die Koppeloptik 103 direkt in die Faser eingekoppelt und regt den Laserprozeß an. Die daraufhin erzeugte Laserstrahlung 111 verläßt den Faserlaser 100 dann durch den Resonatorspiegel 110. Zum Vereinfachen des Aufbaus können insbesondere die Spiegel 105 und 110 im Unterschied zum Beispiel von Fig. 1 auch als Verspiegelung auf der Lichtleitfaser 107 vorgesehen werden. Neben Verspiegelungen mit metallischen und/oder dielektrischen Schichten sind auch sogenannte „fiber Bragy gratings" verwendbar, das sind in die Faser 107 eingebrachte Brechungsindexänderungen, die ebenfalls bei geeigneten Wellenlängenabstimmung reflektierend wirken.
Der in Fig. 1 gezeigte Faserlaser weist gegenüber herkömmlichen Faserlasern eine Besonderheit auf. Die aktive Lichtleitfaser 107 erstreckt sich nicht durchgehend vom Spiegel 105 zu 110. An Koppelstellen 106 beziehungsweise 108 ist sie an spezielle Faserstücke 104 und 109 angekoppelt, die das Licht zu den Spiegeln 105 und 110 leiten. Die Faserstücke 104 und/oder 109 können bei entsprechender Auslegung zur Polarisation des Laserlichts eingesetzt werden.
Die Faser 109 gehörte im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 , zu der Art von Fasern, die unterschiedliche Verluste für verschiedene Polarisationszuständen aufweisen. Sie kann dazu beispielsweise als sogenannte Single Mode Polarizing Faser oder als polarisationserhaltende Faser mit zusätzlichen polarisierenden Eigenschaften ausgebildet sein. Dadurch wird im Resonator eine Polarisationsrichtung für die Laseranregung und damit für die stimulierte Emission des entsprechenden Polarisationszustandes bevorzugt, die sich auch auf die Polarisation des Laserstrahls 111 so auswirkt, daß ein Polarisationszustand wesentlich häufiger vorkommt als der dazu orthogonale.
Eine Faser mit gleicher Eigenschaft kann auch beim Faserabschnitt 104 vorgesehen werden. Im allgemeinen reicht aber zur Polarisationseinstellung ein einziger Strang 104 oder 109 mit den entsprechenden Eigenschaften, damit die gewünschte Polarisation des Ausgangsstrahls 111 erfolgt. Die im Ausgangsbeispiel gezeigte Anordnung mit der lasenden Faser zwischen zwei polarisierenden Faserstücken 104 und -109 ist daher als rein beispielhaft zu verstehen. Jede beliebige Anordnung aus beliebigen Stücken laseraktiven Lichtleitfasern 107 und polarisierenden Faserstücken 104 und 109 wird den gleichen Effekt verursachen, wobei aber zu beachten ist, daß der Polarisationsgrad im wesentlichen von deren Auslegung abhängt. Ein derartiger Aufbau, wie er in Fig. 1 gezeigt wurde, wurde experimentell mit PrYb-Faseriasern verwirklicht. Im Labor ließ sich dabei eine lineare Polarisation von größer als 10:1 nachweisen.
Die schon vorher genannten Koppelstellen 106 und 108 können in verschiedenster weise ausgebildet werden. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 waren die Fasern zusammengespleißt. Eine andere Möglichkeit des Zusammenfügens ergibt sich durch Verkleben. Außerdem kann es empfehlenswert sein, die aus der Telekommunikationstechnik bekannten Faserkoppler einzusetzen, bei denen die zu koppelnden Faserenden auf einer optischen Achse zusammengeführt werden und eine Flüssigkeit für die Brechungsindexanpassung zwischen den beiden Faserenden sorgt.
Insbesondere ist es dabei günstig, die zusammengefügten Faserenden an den Koppelstellen 106 und 108 abzuschrägen, da dann der Durchgang vom Licht einer Polarisationseinrichtung auch an der Koppelstelle bevorzugt ist. Als Winkel für die Schräg ung eignet sich vor allem der Brewster Winkel.
Weitere Besonderheiten der hier dargestellten Laser sind aus Fig. 2 ersichtlich. Gleiche Bezugszeichen bedeuten bei allen Figuren immer die gleiche Funktion.
Im Unterschied zu Fig. 1 ist jetzt die Koppelstelle 108 mit Hilfe eines optischen Systems 211 verwirklicht, welches das Licht von einem Faserteil 207 in den anderen Faserteil 209 einkoppelt. Dieses optische System wird im allgemeinen eine Linsengruppe sein.
Im Unterschied zu Fig. 1 übernehmen ferner die in Fig. 2 dargestellten Faserstücke 204 und 209 die Erzeugung des Laserprozesses. Das dazwischen liegende Faserstück 207 dient dagegen zur Polarisation.
Die zur Polarisation vorgesehene Faser 207 ist dazu in mehreren Schleifen 212 gewickelt, die mittels eines sogenannten Fiber-Polarisation-Controllers mit Druck beaufschlagt werden. Die Schleifen 212 erstrecken sich radial von der optischen Achse der Faser und sind gegeneinander winkelverstellbar, wie es insbesondere aus der US 4,389,090 bekannt ist. Durch Änderungen der Winkel zwischen- den Schleifen 212 gegeneinander ist eine vollständige Einstellung für alle Freiheitsgrade der Polarisation möglich.
Diese Einstellweise ist besonders vorteilhaft, wenn man besonders hohe Polarisationsgrade für die Laserstrahlung 111 am Ausgang garantieren will. Insbesondere ist es aber auch möglich, die Polarisationskontrolle zu steuern und insbesondere die Leistung des Laserstrahls 111 im Ausgang zu regeln, wenn ein Teil dieser Laserstrahlung abgezweigt wird, über einen Photodetektor elektrisch gewandelt und diese elektrische Größe als Istwert mit einem Sollwert verglichen wird, wonach durch den Vergleich eine Regelgröße gebildet wird, mit dem der Kontroller über Winkelverstellung der Schleifen 212 nachgeregelt wird. Die genaue Ausführung solcher Regelungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und bedürfen hier keiner weiteren Erläuterung.
Aus dem Beispiel von Fig. 2 wurde deutlich, daß man auch durch Druckbeaufschlagung eine entsprechende Polarisation und Verdrehung des druckbeaufschlagten Teils gegen die übrige Faser erreichen kann.
Dies kann man beispielsweise auch ausnützen, indem im Beispiel von Fig. 1 eine durchgehende an einem Teilstück druckbeaufschlagte Faser 107 eingesetzt wird, wobei die Koppelstellen 106 und 108 entfallen dabei, so daß die Faserabschnitte 104 und 109 für dieses Beispiel nur als Fortsetzung der laseraktiven Faser 107 zu betrachten sind. Ein Druck auf die Faser 107 mit bekannten Einrichtungen führt dann ebenfalls zu einer Poiarisationsänderung und damit zu einem polarisierten Ausgangsstrahl der Laserstrahlung 111.
Während die Laserstrahlung 111 bei den vorhergehenden Beispielen auf der entgegengesetzten Seite der Einkopplung der Pumpstrahlung 102 entnommen wurde, kann man den Laserstrahl 111 auch von der gleichen Seite, von der auch die Pumpstrahlung 102 in die Faser 107 eingekoppelt wird, entnehmen. Dies erfordert einmal eine Änderung der Einkoppeloptik 103 in bekannter Weise. Weiter wird ein dichroitischer Spiegel 313 eingesetzt, um die Pumpstrahlung 102 von der Laserstrahlung 111 zu trennen. Anstelle eines dichroitischen Spiegels kann man aufgrund der definierten Polarisationsrichtungen der Laserstrahlung 111 auch einen Polarisationsstrahlteiler zur Trennung von Pumpstrahlung 102 und Laserstrahlung 111 einsetzen.
_ _ _ i Die in den vorherigen Beispielen angegebenen Änderungen können natürlich auch bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 durchgeführt werden.
Insbesondere zeichnen sich die vorhergehenden Ausführungsbeispiele durch eine einfache Erzeugung von polarisierter Laserstrahlung mit konventionellen d.h. nicht polarisationserhaltenden Lichtwellenleitern aus.
Unerwarteterweise ergab sich noch ein weiterer Effekt. Bei Verwendung derartiger Fasern stellte sich heraus, daß ein besserer Schutz der mechanisch/thermisch empfindlichen Endflächen von Fasern für Laser im sichtbaren und infraroten Spektralbereich gegeben ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß spezielle Fasern 104, 109 gewählt werden können, die unempfindlicher gegen Laserstrahlung und •Umwelteinflüsse sind als beispielsweise die mit laseraktiven Material versehene spezielle Lichtleitfaser 107.
Neben der vorher genannten Einstellung eines Polarisationszustandes über Druck auf die Faser kann man für spezielle Faserteile auch magnetooptisch oder elektrooptisch wirksame Materialien einsetzen und die gewünschte Polarisation durch entsprechende elektrische oder magnetische Felder erzeugen. Aufgrund der Trennung von Polarisation und Laseranregung mittels der bei dem . dargestellten Ausführungsbeispiel unterschiedlichen Faserteilen lassen sich alle bekannten Effekte unabhängig von der Laseranregung ausnutzen, so daß man für die Materialauswahl bezüglich der eingesetzten Laserprozesse sowie für die unterschiedlichen Polarisationsarten bei der Auslegung derartiger Laser nur wenig beschränkt ist. Erstaunlicherweise ist es möglich, diesen Vorteil zu erreichen, ohne von dem bei einem Faserlaser üblichen einfachen Aufbau wesentlich abweichen zu müssen.

Claims

Ansprüche
1. Laser (100) mit einer Lichtleitfaser (107; 204, 209) innerhalb eines Resonators, deren Kern zur Anregung von Laserlicht (111) geeignet dotiert ist, und mit einem zur Polarisation des Laserlichts (111) vorgesehenen polarisierenden Element, dadurch gekennzeichnet, daß das polarisierende Element ein Teilstück (104, 109;
207) der Lichtleitfaser (107; 204, 209) ist und/oder eine Einrichtung (212) vorgesehen ist, mit der die Lichtleitfaser (107; 204, 209) selbst oder ein Teilstück ( 04, 09; 207) von ihr polarisierbar ist.
2. Laser (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das polarisierende Element eine spezielle polarisierende Faser (104, 109; 207) ist.
3. Laser (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spezielle polarisierende Faser (104, 109; 207) an der zum Lasen vorgesehenen Lichtleitfaser (107; 204, 209) angespleißt ist.
4. Laser (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengespleißten Enden, insbesondere unter den Brewsterwinkel, geschrägt sind.
5. Laser (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spezielle polarisierende Faser (104, 109; 207) über einen Faserkoppler mit der zum Lasen vorgesehenen Lichtleitfaser (107; 204, 209) verbunden ist.
6. Laser (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spezielle polarisierende Faser (104, 109; 207) von der zum Lasen vorgesehenen
Lichtleitfaser (107; 204, 209) getrennt ist und sich zwischen ihr und der polarisierenden Faser ein optisches System (211), insbesondere ein
Linsensystem, zum Ein- und Auskoppeln des Laserlichts (111) in und aus der speziellen polarisierenden Faser (104, 109; 207) vorgesehen ist.
7. Laser (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (212) vorgesehen ist, mit der die Lichtleitfaser (107; 204, 209) oder die spezielle Faser (104, 109; 207) radial mit Druck beaufschlagbar und in Umfangsrichtung verdrehbar sind.
8. Laser (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Faser (107) oder in der speziellen Faser (104, 109; 207) mindestens eine
Schleife ausgebildet ist, deren Winkel zu anderen, Schleifen veränderbar ist.
9. Laser (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einsteileinrichtung für die Polarisation und eine an diese zur Einstellung von dieser geeignete Steuereinrichtung vorgesehen sind, welche insbesondere die Leistung des polarisierten Laserstrahles (111) konstant halten.
10. Laser (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Endfläche der Lichtleitfaser (107; 204, 209) oder der speziellen polarisierenden Faser (104, 109; 207) als Resonatorspiegel verspiegeit ist.
11. Laser (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserlicht (111) an der Pumpse'rte aus dem Laser ausgekoppelt ist und insbesondere ein dichroitischer Spiegel (313) zum Trennen von Pump- und Laserstrahlung vorgesehen ist.
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