WO2004102751A1 - Laserdioden-gepumpter faserlaser mit aufwärtskonvension über multi-photonen absorption - Google Patents

Laserdioden-gepumpter faserlaser mit aufwärtskonvension über multi-photonen absorption Download PDF

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WO2004102751A1
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laser device
glass fiber
laser
housing
doped glass
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PCT/EP2004/003615
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Christian Ribbat
Volker GÄBLER
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Spectra-Couleur Gmbh
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    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094092—Upconversion pumping

Definitions

  • the invention relates to a laser device with a pump laser diode for generating a pump light and an actively doped glass fiber, which is capable of converting long-wave to short-wave light (up-conversion).
  • Argon ion lasers or HeNe lasers with emission wavelengths of 0.49 ⁇ m or 0.63 ⁇ m are currently considered to be the state of the art for generating blue or red laser light. These are gas laser systems that even in the smallest design still have dimensions above 5,000 cm 3 (argon ion laser). In addition, there are complex power supplies for high-voltage supply and power current with dimensions of approx. 40,000 cm 3 .
  • SHG lasers can be operated with visible emission, but have a fundamental problem of stability of the output power, the so-called "green prob gru": Coupling different modes leads to considerable fluctuations in the output power over time.
  • the fluctuation of the output power prevents use in applications such as e.g. in confocal microscopy, fluorescence analysis or imaging systems in which power fluctuations can only be tolerated in the range of about 2-3% .
  • the rectangular dimensions of the waveguide mean that laser diodes provide an asymmetrical beam profile that is particularly poor in the visible and are therefore for the Use of coupling in glass fibers only to a limited extent An improvement in the beam and stability properties of the laser systems just described is currently not foreseeable.
  • the invention is based on the object of producing short-wave visible and infrared laser light by means of a highly compact up-conversion laser device. Another object of the invention is to reduce the size of an up-conversion laser device so that it can be built into a miniature device.
  • the invention is based on the object of generating visible and infrared light efficiently and stably.
  • the pump light of a pump laser diode is coupled into an actively doped glass fiber with the aid of first optics. An upward conversion of the pump light takes place in the glass fiber.
  • the pump laser diode is designed so that it can be housed in a housing.
  • the surface of the coupling end of the upward conversion laser device is advantageously provided with a dielectric coating.
  • the configuration of the first optics as miniature optics is also advantageous.
  • the term "natural optics" here refers to a single lens or a system of lenses or elements influencing the light propagation, which may be permanently connected and have dimensions in the millimeter range. This miniature optics can then be integrated into the housing.
  • the optics are advantageously glued on.
  • the process is simple and inexpensive to stick on.
  • the up-conversion laser device includes a first photodiode for monitoring the pump laser diode performance.
  • the up-conversion laser device has a second photodiode for monitoring the up-converted light generated in the optical fiber.
  • the second photodiode is insensitive to the light wavelength of the pump light or is made insensitive by an optical filter.
  • the upward conversion laser device of the invention has a housing in which at least the pump laser diode is introduced. This housing advantageously has dimensions that are smaller than 50 x 40 x 30 mm 3 and thus allow miniaturization of the system.
  • the housing is advantageously made from one piece, which allows high-precision manufacturing to 10 ⁇ m accuracy in CNC technology, and is firmly closed by a lid.
  • electrical Durcli guides are attached in the housing.
  • the housing of the upward conversion device is hermetically sealed and filled with a special gas or gas mixture.
  • the glass fiber has a second end which is provided with a second optical system analogous to the first.
  • This second optic is also attached directly to the second end of the glass fiber in order to keep the dimensions as small as possible.
  • the glass fiber is advantageously a fiber coupler that transfers light into a second coupled glass fiber.
  • the glass fiber can be designed as a fiber laser, which converts light from long-term to short-wave light.
  • the conversion can e.g. happen with the help of an actively doped glass fiber.
  • an actively doped glass fiber e.g. Rare earth ions such as thulium Tm3 + or praseodymium Pr3 + are introduced into the core of the fiber. Active doping with the rare earth ions can directly absorb pump light and emit its own light. The generation of the laser light in the active glass fiber causes a high beam quality and
  • Point stability Due to the use of glass fibers with a very small cross-section, e.g. of single-mode glass fibers, the generation of the laser emission is extremely efficient. Optical efficiencies of more than 50% can be achieved, which is about a factor of 2 to 5 better than with comparable fiber-coupled laser sources. By shifting the laser process into the active glass fiber, pump laser diodes with easy-to-manufacture wavelengths can be used for excitation.
  • the glass fiber or elements influencing the polarization in the housing influence the polarization of the light in the glass fiber.
  • the glass fiber itself or a section of the glass fiber may have an elliptical shape, for example elliptical, of the fiber core that deviates from the circular shape, which prefers polarized emission.
  • the deviation from the circular shape can be achieved by the shaping of the fiber material during the drawing process or by subsequent deformation. The deformation due to the lateral pressure of a wedge or a clamp is also conceivable.
  • the assembly of the up-conversion laser device is preferably carried out by an automated process, e.g. Mikroassembherung.
  • up-conversion laser device A new development of the up-conversion laser device is the micro-technological implementation of up-conversion laser systems based on active glass fibers, as well as their coupling to diode lasers using small opto-electronic components. Instead of the previously used macromechanical design of solid-state and fiber laser devices, with the exception of diode lasers, can
  • the active fibers are integrated in the smallest housing. This applies in particular to the combination with an optically active glass fiber in the form of a fiber laser, for visible or infrared laser light.
  • FIG. 1 shows a timing diagram of the up-conversion process.
  • FIG. 2 shows a side view of the up-conversion laser device.
  • FIG. 3 shows a top view of the up-conversion laser device from FIG. 2
  • the upconversion laser device consists of an actively doped glass fiber, for example from LeVF (France), Fiberlabs (Japan), Corning (USA) or ER. Photonics (Canada) (110), which is embedded in a suitable protective casing (tubing) and is provided with plugs or ferrules on both fiber ends (119 + 120).
  • the thickness of the actively doped glass fiber (110) varies from a core diameter of 1 ⁇ m to 400 ⁇ m, at one
  • the plugs (106 + 111) are e.g. fiber adapters used in telecommunications.
  • the connectors can be of different types for both fiber ends (119 + 120).
  • the glass fiber (110) is provided at the fiber ends (119 + 120) with optical mirrors, which are either directly on the end faces in the form of dielectric layers of e.g. Aluminum oxide, tantalum oxide or hafhium oxide are applied (104 + 112) or in the glass fiber (110) by e.g. UV exposure can be embedded (107 + 113).
  • Rare earth ions such as Tm, Yb, Nd, Er or Pr cause the interior of the fiber resonator to convert boring pump light into short-wave laser light, e.g. pump light with a wavelength of 1123 ⁇ m in laser light with a wavelength of 482 nm e.g. by means of a three-stage up-conversion process as shown in FIG. 1.
  • the glass fiber (110) is now with a pump laser diode (101) by a micro-assembly process in a miniature housing (105) e.g. a so-called “butterfly” (miniature package with electrical side Durcli galvalirunge ⁇ ), "HHL” - (miniature package for high heat load) or "TO3" housing (miniature package with rear
  • Bond wires (102) connect the electrical ducts to the connections of the pump laser diode (101) or a photodiode (117).
  • the valve body (105) preferably has dimensions smaller than 50x40x30mm3, the invention being not restricted to this size.
  • a protective hose or tube made of metal, Teflon, carbon (e.g. in the form of carbon fiber connections) or plastic is pushed lengthways over the fiber.
  • a fiber end (119) is fixed with the end connector (106) in the miniature housing (105), for example by gluing with UV adhesive or welding on the inner block (114). The miniature housing (105) is thus firmly connected to the inner block (114) and glass fiber (110).
  • the inner block (114) preferably consists of a good heat-conducting material, for example an aluminum nitride ceramic, and forms a heat sink.
  • the inner block (114) is mounted on a device for active cooling, preferably thermoelectric cooling (116) by means of a Peltier element.
  • the pump laser diode (101) is also mounted in the miniature housing (105).
  • the pump laser diode (101) itself is built on a small chip, which is then attached to the inner block (114).
  • a thermistor is integrated as a temperature sensor for setting and regulating the heat sink temperature of the inner block (114).
  • the heat sink temperature can e.g. the wavelength of the pump light is varied or kept constant.
  • a first optic glued in the housing (105) or directly on the fiber end (119)
  • the first optics (109) can e.g. around one or more microlenses such as Trade spherical, cylindrical or GRIN lenses or elements with a lens-like effect.
  • the first optics (109) are adjusted in such a way that the output power of the pump laser diode (101) is transferred into the actively doped glass fiber (110) and is passed on there as a result of the waveguide.
  • the first optics (109) adjusted in this way are fixed by gluing or welding in the housing or on the fiber end (119) and the entire miniature housing (105) is hermetically sealed. Suitable as an adhesive e.g. Thermal epoxy, UV epoxy or post-curing UV adhesive with pre-exposure. Before the hermetic seal, an enrichment of the housing interior (108) with a protective gas composition e.g. done with nitrogen. After the hermetic completion, the upward conversion laser device is to be regarded as a single indivisible component or module.
  • the laser emission is emitted at the other fiber output (120) and is therefore available for application purposes.
  • the color of the laser emission refers preferably in the visible and near infrared spectral range, corresponding to wavelengths from 0.35 ⁇ m to 1 ⁇ m.
  • the up-conversion laser device is provided with a photodiode (117) for measuring the light generated by the pump laser diode (101).
  • the power of the pump laser diode (101) can be checked by means of this photodiode (117) and regulated via an electronic feedback.
  • the laser power of the fiber laser is also indirectly regulated.
  • the photodiode (117) can be selectively sensitive only to the short-wave laser light of the fiber laser and e.g. measure the scattered light emerging from the actively doped glass fiber at the first fiber end. In this way, non-linear dependencies in the control behavior can be compensated for directly by the pump laser diode (101).
  • the regulation is also carried out by controlling the power of the pump laser diode (101). Filters or mirrors can be used to select the short- or long-wave light.
  • the installation of several photodiodes (117) is also conceivable.
  • the upward conversion laser device is expanded by a birefringent wave plate (115).
  • a birefringent wave plate 115
  • Polarization direction happen with a so-called ⁇ / 4 plate.
  • the combination with a polarizer in the beam path (not shown), e.g. a thin-film polarizer can increase the blocking effect.
  • Laser device with modulators or polarizers possible, which allow modulation of the output power due to pressure, electro- or magneto-optical effects.
  • the operation of the upconversion laser device as an amplifier or superfluorescence source can also be achieved by adapting the glass fibers (110) or mirrors.

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Abstract

Laservorrichtung, die in einem Gehäuse (105) eine Pumplaserdiode (101) mit einer Einkoppeloptik (109) kombiniert. Zur Umwandlung des langwelligen Lichts der Pumplaserdiode (101) in kurzwelliges Licht ist eine aktiv dotierte Glasfaser (110) am Gehäuse (105) angebracht, die auch als Faserlaser genutzt werden kann.

Description

TITEL DER ERFINDUNG
Aufwärtskonversions -Laservorrichtung mit aktiv dotierter Glasfaser
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Laservorrichtung mit einer Pumplaserdiode zur Erzeugung eines Pumplichtes und einer aktiv dotierten Glasfaser, die in der Lage ist eine Umwandlung von langwelligem in kurzwelliges Licht (Aufwärtskonversion) durchzuführen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Zur Erzeugung kurzwelliger sichtbarer und naher infraroter Laserstrahlung werden hochkompakte Laservorrichtungen benötigt. Gleichzeitig müssen diese Norrichtungen den geforderten Ansprüchen an Laserstrahlqualität und Stabilität genügen. Derzeit gibt es keine Lasersysteme, die die geforderten Randbedingungen hinreichend und zugleich erfüllen. Mit der Ein_fiihrung optischer Fasern aus Glas zur Leistungs- bzw. Datenübertragung, sind die Anforderungen an Strahlqualität und Stabilität zusätzlich gewachsen.
Für die Umsetzung einer Laservorrichtung, die zur Erzeugung von sichtbarem und nahem infrarotem Laserlicht geeignet ist, das effizient mit sehr dünnen Glasfasern (z.B. Monomode- Glasfasern) gekoppelt werden kann, besteht daher ein nachhaltiger Bedarf.
STAND DER TECHNIK
Als Stand der Technik zur Erzeugung von blauem bzw. rotem Laserlicht gelten momentan Argonionenlaser bzw. HeNe-Laser mit Emissionswellenlängen von 0.49 μm bzw. 0.63 μm. Hierbei handelt es sich um Gaslasersysteme, die selbst in kleinster Bauform noch Dimensionen oberhalb von 5 000 cm3 besitzen (Argonionenlaser). Dazu kommen aufwändige Netzgeräte für die Hochspannungsversorgung und den Leistungsstrom mit Dimensionen von ca. 40 000 cm3. Alternative Lasersysteme, wie Laserdioden oder SHG-Laser (SHG: Frequenzverdoppelung - second harmonic generation), die Argonionen- und HeNe-Laser ersetzen sollten, haben sich bisher aufgrund unzureichender Strahlqualität bzw. Stabilität nicht durchsetzen können. SHG- Laser können zwar mit sichtbarer Emission betrieben werden, besitzen jedoch ein grundlegendes Stabilitätsproblem der Ausgangsleistung, das so genannte „green prob lern": Kopplung von verschiedenen Moden führt zu erhebücher zeitlicher Schwankung der Ausgangsleistung. Die Schwankung der Ausgangsleistung verhindert den Einsatz in Anwendungen wie z.B. in der Konfokal-Mikroskopie, der Fluoreszenzanalyse oder bei Bildgebenden Systemen bei denen Leistungsschwankungen nur im Bereich von etwa 2-3 % toleriert werden können. Laserdioden liefern durch die rechteckige Dimensionierung des Wellenleiters ein unsymmetrisches und besonders im Sichtbaren schlechteres Strahlprofil und sind daher für die Kopplung in Glasfasern nur eingeschränkt einzusetzen. Eine Verbesserung der Strahl- bzw. Stabilitätseigenschaften der eben beschriebenen Lasersysteme ist derzeit nicht absehbar.
Generell ist zu bemerken, dass bisher übliche Laser mit sichtbarer oder infraroter Emission im Wellenlängenbereich von 0.35 μmbis 1 μm einen Laserstrahl in einem Spiegel - oder Rechteckwellenleiter - Resonator erzeugen und hieraus abstrahlen. Bei diesen Lasern wird das Laserlicht nicht in einer Glasfaser generiert oder daraus emittiert. Laserlicht, das aus Glasfasern, insbesondere Monomode-Glasfasern, abgestrahlt wird, ist für viele Anwendungen, wie z.B. in der Biotechnologie, Telekommunikation oder Messtechnik aufgrund der zweckmäßigen Koppelbarkeit von großem Vorteil. Kompakte Lasersysteme, die Laserlicht in einer Faser erzeugen und daraus emittieren gab es bisher nur mit Wellenlängen oberhalb von 1 μm, z.B. in Form von Faserlasern oder Verstärkern mit einer Emission um 1.3 μm oder 1.55 μm - den Telekommunikationswellehlängen. Hierbei handelt es sich um sogenannte 3- bzw. 4-Niveaulaser in dotierten Glasfasern, die durch Dioden optisch angeregt werden. Solche Systeme und ihr Aufbau aus Pumplasern und Erbium dotierten Faserverstärkern (EDFA) werden z.B. in JDS Uniphase, JDSUniversity, Product Courses: 980 nm Pump Modules - Introduction, September 2002, beschrieben.
Für den Wellenlängenbereich unterhalb von 1 μm konnte bisher keine zufriedenstellende Lösung in Form von Faserlasern gefunden werden, da für 3- oder 4-Niveaulaser in diesem Wellenlängenbereich keine geeigneten Glasfaseπnaterialien bzw. Pumpdioden zur Verfügung standen.
Aufgrund der nachhaltigen Forderung nach einer Möglichkeit zur Faserkopplung wurden herkömmliche Laser mit sichtbarer oder infraroter Emission im Wellenlängen bereich von 0.35 μm bis 1 μm nachträglich mit einer Glasfaser kombiniert. Diese nachträgliche Ankopplung führt allerdings zu erheblichen Verlusten der Laserleistung und einem hohen zusätzlichen Systemaufwand. Besonders problematisch ist für die Einkopplung von Laserstrahlung aus SHG- Lasern und Kristalllasern die „Wanderung" des Laserstrahls. Die Emissionsrichtung variiert geringfügig, dies hat aber Verluste bei der Einkopplung zufolge. Insbesondere bei der Verwendung von Monomode-Glasfasern können die Kopplungsverluste sehr hoch sein und mehr als 70 % erreichen.
Ansätze für Faserlaserquellen sind in den folgenden Patenten bzw. Anmeldungen zu finden. Der in der Patentanmeldung DE-A-199 25 686 (Carl Zeiss Jena) beschriebene "Laser mit einer Lichtleitfaser" zielt vor allem auf die Beeinflussung der Polarisation durch externe polarisierende Elemente oder äußere Effekte. Die Patentanmeldung DE-A-19926299 (Carl Zeiss Jena) beschreibt einen Upconversion (Aufwärtskonversions)- Laser. Die Anmeldung WO 01/99243 AI benutzt externe Spiegel um zwischen zwei Wellenlängen umschalten zu können. Diese Patentanmeldungen beschreiben sehr komplizierte Aufbauten aus Einzelteilen, die keine kompakte Bauform besitzen und nicht in ein Miniaturbauteil zu überführen sind. Aufwärtskonversions-Faserlaser sind ebenfalls in der Dissertationsschrift „Upconversionfaserlaser im blauen Spektralbereich", Volker Gabler, Berlin 2001, beschrieben. Doch auch hier ist die Umsetzung in eine kompakte Aufwärtskonversions - Laservorrichtung nicht ausgeführt.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde kurzwelliges sichtbares und infrarotes Laserhcht durch eine hochkompakte Aufwärtskonversions -Laservorrichtung zu erzeugen. Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zu Grunde, die Dimensionierung einer Aufwärtskonversions-Laservorrichtung so zu verringern, dass sie in ein Miniaturbauteil eingebaut werden kann.
Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, sichtbares und infrarotes Licht effizient und stabil zu erzeugen.
Diese Aufgaben werden durch eine Aufwärtskonversions- Laservorrichtung gelöst. Das Pumplicht einer Pumplaserdiode wird mit Hilfe einer ersten Optik in eine aktiv dotierte Glasfaser eingekoppelt. In der Glasfaser findet eine Aufwärtskonversion des Pumplichtes statt. Die Pumplaserdiode ist so ausgestaltet, dass sie in einem Gehäuse untergebracht werden kann.
Vorteilhaft ist die Oberfläche des Einkoppelendes der Aufwärtskonversions-Laservorrichtung mit einer dielektrischen Beschichtung versehen.
Ebenfalls vorteilhaft ist die Ausgestaltung der ersten Optik als Miniaturoptik. Der Begriff "MJώaturoptik" bezieht sich hierbei auf eine Einzellinse bzw. ein System von Linsen oder die Lichtausbreitung beeinflussenden Elementen, die gegebenenfalls fest verbunden sind und insgesamt Abmessungen im Millimeterbereich besitzen. Diese Miniaturoptik kann dann im Gehäuse mit integriert werden.
Zur Anbringung der Optik an das Einkoppelende wird die Optik vorteilhaft aufgeklebt. Das Aufkleben ist verfahrenstechnisch einfach und kostengünstig.
In einer Ausffilirungsform enthält die Aufwärtskonversions -Laservorrichtung eine erste Photodiode zur Überwachung der Pumplaserdiodenleistung.
Eine andere Ausführungsform der Aufwärtskonversions-Laservorrichtung besitzt eine zweite Photodiode zur Überwachung des in der Glasfaser erzeugten aufwärts konvertierten Lichtes. Vorteilhafterweise derart, dass die zweite Photodiode für die Lichtwellenlänge des Pumplichtes unempfindlich ist oder durch einen optischen Filter unempfindlich gemacht wird. Die Aufwärtskonversions -Laservorrichtung der Erfindung weist ein Gehäuse auf, in dem zumindest die Pumplaserdiode eingebracht ist. Dieses Gehäuse hat vorteilhaft Abmessungen, die kleiner als 50 x 40 x 30 mm3 sind, und somit eine Miniaturisierung des Systems erlauben. Das Gehäuse ist vorteilhaft aus einem Stück hergestellt, was eine hochpräzise Fertigung auf lOμm Genauigkeit in CNC Technologie erlaubt, und durch einen Deckel fest verschlossen.
Zur Versorgung mit Energie und zur Steuerung der Aufwärtskonversions-Laservorrichtung werden in dem Gehäuse elektrische Durcliführungen angebracht.
Das Gehäuse der Aufwärtskonversior__5-Lase_^orrichtung ist in einer Ausführungsform hermetisch abgeschlossenen und mit einem speziellen Gas oder Gasgemisch gefüllt.
In einer weiteren Ausfiihrungsform hat die Glasfaser ein zweites Ende, das mit einer zweiten Optik analog zur ersten versehen ist. Diese zweite Optik ist auch unmittelbar an das zweite Ende der Glasfaser angebracht, um die Abmessung möglichst gering zu halten.
Bei der Glasfaser handelt es sich vorteilhaft um einen Faserkoppler, der Licht in eine zweite angekoppelte Glasfaser transferiert.
Die Glasfaser kann als ein Faserlaser ausgebildet werden, der Licht von langweihgem in kurzwelliges Licht umwandelt. Die Umwandlung kann z.B. mit Hilfe einer aktiv dotierten Glasfaser geschehen. In der aktiv dotierten Glasfaser sind z.B. Selten- Erd-Ionen wie Thulium Tm3+ oder Praseodym Pr3+ in den Kern der Faser eingebracht. Die aktive Dotierung mit den Selten-Erd-Ionen kann Pumplicht direkt absorbieren und eigenes Licht emittieren. Die Erzeugung des Laserlichtes in der aktiven Glasfaser bewirkt eine hohe Strahlqualität und
Punktstabilität. Aufgrund des Einsatzes von Glasfasern mit sehr kleinem Querschnitt, z.B. von Monomode-Glasfasern, ist die Erzeugung der Laseremission äußerst effizient. Es können optische Wirkungsgrade von mehr als 50 % erzielt werden, was etwa einen Faktor 2 bis 5 besser ist als bei vergleichbaren fasergekoppelten Laserquellen. Durch die Verlagerung des Laserprozesses in die aktive Glasfaser können zur Anregung Pumplaserdioden mit leicht herzustellenden Wellenlängen genutzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform beeinflusst die Glasfaser oder die Polarisation beeinflussende Elemente im Gehäuse die Polarisation des Lichtes in der Glasfaser. Beispielsweise kann die Glasfaser selbst, oder ein Abschnitt der Glasfaser eine von der Kreisform abweichende z.B. elliptische Form des Faserkernes aufweisen, was eine polarisierte Emission bevorzugt. Die Abweichung von der Kreisform kann durch die Formgebung des Fasermaterials beim Ziehprozess oder eine nachträghche Verformung erzielt werden. Ebenso ist die Verformung durch den seitlichen Druck eines Keiles oder einer Klemme denkbar.
Die Montage der Aufwärtskonversions -Laservorrichtung erfolgt vorzugsweise durch einen automatisierten Prozess, z.B. Mikroassembherung.
Eine Neuentwicklung der Aufwärtskonversions-Laservorrichtung besteht in der mikrotechnologischen Umsetzung von Aufwärtskonversions -Lasersystemen auf der Basis von aktiven Glasfasern, sowie deren Kopplung an Diodenlaser mittels opto-elektronischen Kleinstbauteilen. Anstelle von bisher verwendeten makromechanischer Bauweise von Festkörper- und Faserlaservorrichtungen, ausgenommen Diodenlaser, können unter
Verwendung der Miniaturoptik, die aktiven Fasern in Kleinstgehäuse integriert werden. Dies gilt insbesondere für die Kombination mit einer optisch aktiven Glasfaser in Form eines Faserlasers, für sichtbares oder infrarotes Laserlicht.
ABBILDUNGEN:
Fig. 1 zeigt ein Termschema des Aufwärtskonversionsprozesses Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der Aufwärtskonversions-Laservorrichtung Fig. 3 zeigt eine Draufsicht der Aufwärtskonversions -Laservorrichtung aus Fig. 2
AUSFUHRUNGSBEISPIEL
Der Aufbau einer hermetisch abgeschlossenen Aufwiirtskonversions-Laservorrichtung mit aktiv dotierter Glasfaser gemäß der Erfindung sei folgend anhand der Abbildungen 2 und 3 beschrieben. Die Aufwärtskonversions-Laservorrichtung besteht aus einer aktiv dotierten Glasfaser z.B. von LeVF (Frankreich), Fiberlabs (Japan), Corning (USA) oder ER. Photonics (Canada) (110), die in eine geeignete Schutzummantelung (Tubing) eingebettet ist und an beiden Fasernden (119 + 120) mit Steckern bzw. Ferrulen versehen wird. Die Dicke der aktiv dotierten Glasfaser (110) variiert von einem Kerndurchmesser von 1 μm bis 400 μm, bei einem
Durchmesser der Schutzummantelung von maximal 5500 μm. Bei den Steckern (106 + 111) handelt es sich um z.B. in der Telekommunikation eingesetzte Faseradapter. Die Stecker können für beide Faserenden (119 + 120) von unterschiedlicher Art sein. Die Glasfaser (110) ist an den Faserenden (119 + 120) mit optischen Spiegeln versehen, die entweder direkt auf die Endflächen in Form von dielektrischen Schichten aus z.B. Aluminiumoxyd, Tantaloxyd oder Hafhiumoxyd aufgebracht sind (104 + 112) oder in die Glasfaser (110) durch z.B. UV- Behchtung eingebettet werden (107 + 113). Durch den eben beschriebenen Aufbau, der eine Rückkopplung des Lichtes an den Faserenden (119 + 120) bewirkt, wird die aktiv dotierte Glasfaser (110) zum Faserresonator für Laseraktivität geeignet.
Die in den Faserkern eingebrachten aktiven Ionen z. B. Selten-Erd- Ionen wie Tm, Yb, Nd, Er oder Pr bewirken im Inneren des Faserresonators die Umsetzung von langweiligem Pumplicht in kurzwelliges Laserhcht, z.B. von Pumplicht mit einer Wellenlänge von 1123 um in Laserlicht mit einer Wellenlänge von 482 nm z.B. mit Hilfe eines dreistufigen Aufwärtskonversionsprozess wie er in Fig. 1 dargestellt ist.
Die Glasfaser (110) wird nun mit einer Pumplaserdiode (101) durch ein Mikromontageverfahren in einen Miniaturgehäuse (105) z.B. einem sogenannten "Butterfly' (Miniatur- Package mit seitlichen elektrischen Durclifülirungeη), „HHL"- (Miniatur-Package für hohe Wärmebelastung) oder „TO3"-Gehäuse (Miniatur-Package mit rückwärtigen
DurcliM-rungen) verbunden. Bonddrähte (102) verbinden die elektrischen Durcl___ührungen mit den Anschlüssen der Pumplaserdiode (101) oder einer Photodiode (117). Das Mimaturgehäuse (105) hat vorzugsweise Abmessungen kleiner als 50x40x30mm3, wobei die Erfindung auf diese Größe nicht beschränkt ist. Zum Schutz und zur Verbesserung der mechanischen Stabilität wird längs über die Faser ein Schutzschlauch bzw. Rohr aus z.B. Metall, Teflon, Carbon (z.B. in Form von Kohlenstoff-Faserverbindungen) oder Plastik geschoben. Ein Faserende (119) wird mit dem Endstecker (106) im Miniaturgehäuse (105) z.B. durch Kleben mit UV-Kleber oder Schweißen auf dem Innenblock (114) fixiert. Somit sind Miniaturgehäuse (105) mit Innenblock (114) und Glasfaser (110) fest verbunden. Der Innenblock (114) besteht bevorzugt aus einem gut Wärme leitendem Material, z.B. einer Alun_ umnitridkeramik, und bildet eine Wärmesenke. Der Innenblock (114) ist auf einer Vorrichtung zur aktiven Kühlung montiert, bevorzugt eine thermoelektrische Kühlung (116) mittels eines Peltierelements.
Des Weiteren wird die Pumplaserdiode (101) ebenfalls im Miniaturgehäuse (105) montiert. Die Pumplaserdiode (101) selbst ist dabei auf einem kleinen Chip aufgebaut, der dann auf dem Innenblock (114) befestigt wird.
Zur Einstellung und Regelung der Wärmesenkentemperatur des Innenblockes (114) ist ein Thermistor, nicht in der Abbildung dargestellt, als Temperatursensor integriert. Durch die Wärmesenkentemperatur kann z.B. die Wellenlänge des Pumplichtes variiert oder konstant gehalten werden. Eine im Gehäuse (105) oder auch direkt auf das Faserende (119) aufgeklebte erste Optik
(109) koppelt Pumplicht von der Pumplaserdiode (101) in das Faserende (119).
Bei der ersten Optik (109) kann es sich z.B. um eine oder mehrere Mikrolinsen wie z.B. Kugel-, Zylinder- oder GRIN-Linsen oder Elemente mit linsenartiger Wirkung handeln. Die erste Optik (109) wird derart justiert, dass die Ausgangsleistung der Pumplaserdiode ( 101 ) in die aktiv dotierte Glasfaser (110) transferiert und dort infolge der Wellenleitung weitergeleitet wird. Die so justierte erste Optik (109) wird durch Kleben oder Schweißen fest im Gehäuse oder auf dem Faserende (119) fixiert und das gesamte Miniaturgehäuse (105) hermetisch abgeschlossen. Als Klebstoff eignet sich z.B. Wärme-Epoxy, UV-Epoxy oder nachhärtender UV-Kleber mit Vorbelichtung. Vor dem hermetischen Abschluss kann eine Anreicherung des Gehäuseinnenraums (108) mit einer schützenden Gaszusammensetzung z.B. mit Stickstoff erfolgen. Nach dem hermetischen Abschluss ist die Aufwärtskonversions -Laservorrichtung als eine einziges unteilbares Bauteil bzw. Modul zu betrachten.
Die Leistung der Pumplaserdiode, die mit Hilfe der ersten Optik (109) in die aktive Glasfaser
(110) eingekoppelt wird, erzeugt in dieser eine kurzwellige sichtbare oder infrarote Laseremission. Die Laseremission wird am anderen Faserausgang (120) abgestrahlt und steht damit für Anwendungszwecke zur Verfügung. Die Farbe der Laseremission bezieht sich vorzugsweise auf den sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich, entsprechend Wellenlängen von 0.35 μm bis 1 μm.
In Fig. 3 ist die Aufwärtskonversions-Laservorrichtung mit einer Photodiode (117) zur Messung des von der Pumplaserdiode (101) erzeugten Lichtes versehen. Mittels dieser Photodiode (117) kann die Leistung der Pumplaserdiode (101) überprüft und über eine elektronische Rückkopplung geregelt werden. Durch die Regelung der Pumpleistung wird mittelbar ebenfalls die Laserleistung des Faserlasers geregelt. Zur besseren Kontrolle des tatsächlichen Leistungsverhaltens des Faserlasers kann die Photodiode (117) selektiv nur für das kurzwellige Laserlicht des Faserlasers empfindlich sein und z.B. das aus der aktiv dotierten Glasfaser am ersten Faserende austretende Streulicht messen. Hierdurch können nichtlineare Abhängigkeiten im Steuerverhalten durch die Pumplaserdiode (101) direkt ausgeglichen werden. Die Regelung erfolgt ebenfalls über die Steuerung der Leistung der Pumplaserdiode (101). Zur Selektion des kurz- bzw. langwelligen Lichtes können Filter oder Spiegel eingesetzt werden. Auch der Einbau mehrerer Photodioden (117) ist denkbar.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Aufwärtskonversions -Laservorrichtung um eine doppelbrechende Wellenplatte (115) erweitert. Hierdurch kann ein Zurückkoppeln optischer Leistung auf die Pumplaserdiode (101) infolge von Reflexion bzw. rückwärtiger Emission veπnindert oder ganz verhindert werden. Dies kann z.B. durch Drehung der
Polarisationsrichtung mit einer so genannten λ/4-Platte geschehen. Die Kombination mit einem Polarisator im Strahlengang (nicht dargestellt), z.B. einem Dünnschichtpolarisator, kann die blockende Wirkung noch verstärken.
Neben der obig beschriebenen Vorrichtung ist die Kombination der Aufwärtskonversions -
Laservorrichtung mit Modulatoren oder Polarisatoren möglich, die durch Druck, elektro- oder magneto-optische Effekte eine Modulation der Ausgangsleistung zulassen. Auch der Betrieb der Aufwärtskonversions -Laservorrichtung als Verstärker oder Superfluoreszenzquelle kann durch Anpassung der Glasfasern (110) oder Spiegel erreicht werden. Weiterhin besteht die Möghchkeit in das Miniaturgehäuse (105) der Aufwärtskonversions-Laservorrichtung eine Öffnung zu integrieren, durch die die Luft bzw. Gasmischung des Gehäuseinneren (108) neu befüllten werden kann. 101 Pumplaserdiode
102 Verdrahtung
103 elektrische Durclifiihrungen (Pins)
104 Beschichtung Faserseite 1
105 Gehäuse
106 Stecker / Ferrule Seite 1
107 Fasergitter Seite 1
108 Gehäuseinnenraum
109 erste Optik
110 aktiv dotierte Glasfaser
111 Stecker / Ferrule Seite 2
112 Beschichtung Faserseite 2
113 Fasergitter Seite 2
114 Innenblock als Heatsink (Submo unt)
115 Wellenplatte
116 Kühler (TEC)
117 Photodiode
118 Deckel
119 Faserende 1
120 Faserende 2

Claims

ANSPRUCHE
1. Laservorrichtung, umfassend i.) eine Pumplaserdiode (101) zur Erzeugung eines Pumplichtes, ii.) eine erste Optik (109) zur Einkopplung des Pumplichtes in eine
Glasfaser (110), iii.) ein Gehäuse (105), in dem zumindest die Pumplaserdiode (101) eingebracht ist, iv.) eine aktiv dotierte Glasfaser (110), wobei die aktiv dotierte Glasfaser (110) in der Lage ist, eine Umwandlung von langwelligem in kurzwelliges Licht durchzuführen.
2. Laservorrichtung nach Anspruch 1 , wobei das Licht der Pumplaserdiode (101) unter Einsatz eines Faserkopplers in die aktiv dotierte Glasfaser (110) geleitet wird.
3. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die aktiv dotierte Glasfaser (110) fest mit dem Gehäuse (105) verbunden ist.
4. Laservorrichtung nach einem der der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Optik (109) fest auf ein Einkoppelende (119) der aktiv dotierten Glasfaser (110) aufgebracht ist.
5. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche des Einkoppelendes (119) mit einer dielektrischen Beschichtung
(104) versehen ist.
6. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Optik (109) als eine Miniaturoptik ausgebildet ist.
7. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Optik (109) als eine Miniaturoptik ausgebildet ist, die aus 1 bis 5 Linsen besteht.
8. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Optik (109) auf das Einkoppelende (119) aufgeklebt ist.
9. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiter eine oder mehrere Photodioden (117) aufweist.
10. Laservorrichtung nach Anspruch9, wobei eine oder mehrere Photodioden
(117) für das aus der Pumplaserdiode (101) austretende Licht empfindlich sind.
11. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei eine oder mehrere Photodioden (117) für das aus der aktiv dotierten Glasfaser (110) am ersten Faserende (119) austretende, kurzwellige Licht empfindlich sind.
12. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei eine oder mehrere Photodioden (117) mittels eines optischen Filters nur für das kurzwellige aus der aktiv dotierten Glaslaser (110) austretende Licht, nicht jedoch für das langwellige aus der Pumplaserdiode austretende Licht empfindlich sind.
13. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Teil der aktiv dotierten Glasfaser (110) eine polarisierende Wirkung auf das im Inneren der Faser geleitete Licht ausübt.
14. Laservorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Teil der aktiv dotierten Glasfaser (110) eine polarisierende Wirkung auf das im Inneren der aktiv dotierten Glasfaser (110) geleitete Licht ausübt, und diese Wirkung durch eine bleibende Verformung der aktiv dotierten Glasfaser (110) erzielt wird.
15. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktiv dotierte Glasfaser (110) durch einen Schutzmantel geschützt ist.
16. Laservorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Schutzmantel aus Metall ist.
17. Laservorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Schutzmantel aus Teflon ist.
18. Laservorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Schutzmantel aus Carbon ist.
19. Laservorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Schutzmantel aus Plastik ist.
20. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (105) als ein Miniaturgehäuse mit Abmessungen kleiner als 50 x 40 x 30 mm ausgebildet ist.
21. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (105) als T03-Gehäuse ist ausgebildet ist.
22. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (105) als Butterfly-Gehäuse ist ausgebildet ist.
23. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (105) als HH_L_- Gehäuse ist ausgebildet ist.
24. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Gehäuse (105) einen Innenblock (114) beinhaltet der aus einem gesonderten Material wie z.B. Metall, Keramik, Silizium oder Graphit besteht.
25. Laservorricrtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Gehäuse (105) ein oder mehrere die Temperatur stabilisierende Elemente integriert sind.
26. Laservorrichtung nach Anspruch 25, wobei mindestens eines der die Temperatur stabilisierenden Elemente ein Peltier-Elemente ist.
27. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im
Gehäuse (105) ein oder mehrere Temperatursensoren integriert sind.
28. Laservorrichtung nach Anspruch 27, wobei mindestens einer der Temperatursensoren ein Thermistor ist.
29. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Gehäuse (105) ein oder mehrere die Polarisation beeinflussende Elemente integriert sind.
30. Laservorrichtung nach Anspruch 29, wobei mindestens eines der die
Polarisation beeinflussenden Elemente eine doppelbrechende Wellenplatte (115) ist.
31. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (105) elektrische Durchführungen (103) aufweist.
32. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (105) aus einem Stück gefertigt ist.
33. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Gehäuse (105) hermetisch abgeschlossenen ist.
34. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (105) mit einem speziellen Gas oder Gasgemisch gefüllt ist
35. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktiv dotierte Glasfaser (110) ein zweites Ende (120) aufweist, das mit einer zweiten Optik versehen ist.
36. Laservorrichtung nach Anspruch 35, wobei die zweite Optik unmittelbar auf das zweite Ende (120) der aktiv dotierten Glasfaser (110) aufgeklebt ist.
37. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 35 oder 36, wobei das zweiten Ende (120) der aktiv dotierten Glasfaser (110) untrennbar mit einem zweiten Gehäuse
Figure imgf000017_0001
ist.
38. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der aktiv dotierten Glasfaser (110) um einen Faserlaser handelt.
39. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Einkoppelende (119) der aktiv dotierten Glasfaser (110) mit einem ersten optischen Spiegel versehen ist.
40. Laservorrichtung nach Anspruch 39, wobei der erste optische Spiegel eine Beschichtung ist.
41. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Ende (120) der aktiv dotierten Glasfaser (110) mit einem zweiten optischen Spiegel versehen ist.
42. Laservorrichtung nach Anspruch 41 , wobei der zweite optische Spiegel eine Beschichtung ist.
43. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 41 oder 42, wobei der zweite optische Spiegel das Pumplicht in die aktiv dotierte Glasfaser zurückreflektiert.
44. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 39 bis 43, wobei die Reflexion der optischen Rückkopplung an den optischen Spiegeln der aktiv dotierten Glasfaser (110) eine oder mehrere Wellenlängen der Laseremission der aktiven Dotierung unterstützt.
45. Laservomchtung nach Anspruch44, wobei die Reflexion eine oder mehrere Wellenlängen der Laseremissionen der aktiv dotierten Glasfaser unterdrückt.
46. Laservorrichtung nach Anspruch44, wobei die Reflexion aus dem Spektrum der möglichen Laserwellenlängen gezielt eine Laserwellenlänge auswählt, wobei diese Laserwellenlänge versetzt vom Emissionsmaximum der aktiven Dotierung liegt.
47. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktiv dotierte Glasfaser ( 110) die Polarisation des Pumplichtes in der aktiv dotierten
Glasfaser (110) beeinflusst.
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