WO2009036942A1 - Seitengepumptes optisch aktives bauteil sowie lasersystem - Google Patents

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WO2009036942A1
WO2009036942A1 PCT/EP2008/007664 EP2008007664W WO2009036942A1 WO 2009036942 A1 WO2009036942 A1 WO 2009036942A1 EP 2008007664 W EP2008007664 W EP 2008007664W WO 2009036942 A1 WO2009036942 A1 WO 2009036942A1
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pumping light
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PCT/EP2008/007664
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Andreas Langner
Gerhard Schoetz
Mario Such
Stephan Grimm
Volker Reichel
Volker Krause
Georg Rehmann
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Heraeus Quarzglas Gmbh & Co. Kg
Institut Fuer Photonische Technologien E.V.
Laserline Gesellschaft Fuer Entwicklung Und Vertrieb Von Diodenlasern Mbh
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    • H01S3/176—Solid materials amorphous, e.g. glass silica or silicate glass

Definitions

  • the present invention relates to a side-pumped optically active component which has a longitudinal axis along which an active zone of an optically active material having a first refractive index n ⁇ _ extends, which has a frontal Auskoppelende for optical radiation, along which a pumping light zone with a second refractive index np runs, which has a coupling end for pumping light and which is bounded by a lateral surface facing the active zone, passes through the pumping light in the active zone.
  • the invention relates to a laser system, comprising a pumping light source which generates pumping light radiation with a radial intensity distribution, as well as a pumping light zone, an active zone, a coupling end, a coupling-out end and a coupling-out path having optically active component.
  • optically active components in rod or fiber form are used, for example, as high-power lasers or in communication technology as optical fiber amplifiers with a laser-active core and a pump casing enveloping the core.
  • optical fiber amplifiers with a laser-active core and a pump casing enveloping the core.
  • optically active component includes not only lasers but also optical amplifiers and so-called superluminescence sources.
  • Fiber amplifiers can compensate for losses in optical waveguides during optical data transmission by coupling laser light into the fiber core, which excites laser active substances in the active zone by means of "optical pumping."
  • the light pulse passing through the fiber core absorbs energy from the excited lumen on and ⁇ urch strengthened.
  • the laser-active substances can also be excited by the coupled pumping light to emit laser light, as is the case with high-power lasers in fiber or rod form.
  • the laser-active material contains, for example, crystalline Nd: YAG or it is in the form of quartz glass which contains dopants which cause a release or a reinforcement of laser radiation in the host material quartz glass.
  • the dopants are usually rare earth cations (lanthanides) or cations of the so-called transition metals.
  • US Pat. No. 5,892,876 A discloses a laser fiber in the form of a multi-mode active fiber which has two core zones, namely a central, inner core zone which is doped with a laser-active substance and an outer core zone without an active substance.
  • the core zones are separated by a restricted zone.
  • In the central core zone a plurality of light core modes are guided, and in the outer core zone a plurality of cladding modes are performed.
  • the refractive indices of the respective zones are matched to one another such that the fundamental mode couples less strongly with the cladding modes than the modes of higher order (secondary modes).
  • This refractive index profile therefore acts in favor of the fundamental mode as an optical filter for the secondary modes likewise guided in the inner core zone, so that virtually a monomode fiber can be obtained despite a large core.
  • a similar laser active fiber is also described in US 5,892,876 A.
  • the aim here is to adapt the radial concentration distribution of the active ions to the radial distribution intensity of the pump light in order to improve the efficiency of the incident pump light. Therefore, an optimized concentration distribution of the active ions during fiber production should not be changed.
  • the barrier prevents the migration of the laser-active substance from the core zone during the fiber-drawing process and therefore consists of comparatively high-viscosity glass. As a result, the radial concentration distribution of the active ions as predefined in the preform also remains in the laser fiber.
  • the intensity distribution of the pump light which is suitable for this optimized distribution of the active ions is set by the refractive indices of the inner and outer core zone and the separation zone and shows an intensity maximum in the central core region which drops rapidly towards the outside.
  • the pump light is coupled into the active fiber core on the face side and thereby inevitably absorbs primarily in the vicinity of the coupling-in point in the region of the end face of the fiber.
  • the pumping light intensity then decreases exponentially with increasing fiber length.
  • Such an optically active component in the form of a side-pumped laser is known from US-5,048,026 A.
  • a fiber amplifier is described, with a cylindrical, laser-active core of Nd: YAG and a coupling-out end for the laser radiation, and which is surrounded by a sleeve-shaped pump casing made of quartz glass.
  • the pump casing is conically formed in a front longitudinal region, so that its thickness decreases in the direction of the coupling-out end.
  • the pumping light takes and opens into a rear, cylindrical part, which is flush with the Auskoppelende of the core.
  • the pumping light is radiated into the pump casing at the end face opposite the outfeed end and reciprocated back and forth between the casing surfaces of the pump casing and traverses the laser-active core.
  • the pump cladding has a refractive index that is greater than the refractive index of the environment (such as air) but less than the refractive index of the laser active core.
  • the angle to the lateral surfaces becomes steeper with each reflection, so that the pumping light is focused on the laser-active core in the cylindrical region.
  • the laser system comprises a quartz glass element which serves for optically pumping a laser rod which is inserted in a central bore of the quartz glass element.
  • the quartz glass element tapers conically in the propagation direction and it is mirrored on the outside.
  • a plurality of laser diodes are used, which radiate at different radial positions end side into the quartz glass element.
  • the pump light rays impinge on the reflective coating at axially different positions and are reflected from there into the laser rod.
  • the pumping light irradiated into the quartz glass element has a substantially annular intensity distribution and it is also possible, depending on the number and position of the laser diodes, to distribute the irradiation of the pumping light more or less evenly over the length of the laser rod.
  • the device itself and the adjustment of the components are very expensive.
  • the device comprises a laterally pumped Nd: YAG laser and a pump light source.
  • the laser fiber is surrounded by a jacket which in turn th of an inside mirror; ve r! H ⁇ üe.
  • the Msnta! It consists of a material with a lower refractive index than the laser fiber and tapers conically in the light propagation direction.
  • a glass arranged plate At the coupling end is a glass arranged plate, which reflects both the pumping light and allows a coupling out of laser light.
  • the pump light irradiated by the pump light source from its broad frontal end into the cladding is reflected at a certain angle on the mirrored shell and then impinges on the lateral surface of the laser fiber.
  • the invention has for its object to improve the known optically active component in view of a higher efficiency of the pump light, while its advantages in terms of a slight deterioration of the core zone in the coupling point of the pump light and the occurrence of non-linear effects due to high absorption of the pump light avoid as much as possible.
  • Another object of the invention is to provide a laser system which avoids impairments of the core zone in the area of the coupling point of the pump light and the occurrence of non-linear effects even at high pumping light powers, and at the same time enables high efficiency of the pump light.
  • the optically active component starting from an optically active component of the type mentioned in the present invention, that the peripheral surface of the pumping light zone facing the active zone adjacent to a separation zone having a refractive index n ⁇ , which is smaller than np, so that on the one hand, the pumping light zone is suitable for guiding the pumping light, and on the other hand, a decoupling of the guided pumping light from the pumping light zone via the separating zone into the active zone takes place via a decoupling path between the coupling end and the decoupling end.
  • the optically active component according to the invention is designed as a quartz glass body, for example in the form of a fiber, a rod or a tube, the active zone, separation zone and pumping light zone being an integral part of the quartz glass body.
  • the separation zone directly or indirectly adjoins the active zone. It has a smaller refractive index than the material of the active zone and thus contributes to the light conduction in the active zone.
  • the separation zone directly or indirectly adjoins the pumping light zone.
  • the separation zone can be designed to be relatively thin, which, for example, keeps the expenditure for doping for lowering the refractive index small.
  • the pumping light zone extends along the active zone.
  • the pumping light zone is designed in the invention so that it is suitable for guiding light. This means that a multiple reflection within the pumping light zone is possible.
  • a "refractive index jump downwards" is provided for this purpose on the lateral surface facing the active zone This means that the separation zone adjoining this lateral surface has a smaller refractive index than the pumped light zone If the pumping light zone is formed in layers with an inner and an outer lateral surface on both sides to provide a refractive index jump down to ensure the condition for a light guide (by multiple reflection).
  • the aim of this measure is thus to enable a multiple reflection of pumping light modes and a guidance of the pumping light within the pumping light zone. This measure is not obvious, because the guided in the pumping light zone
  • the conditions for the reflection of the guided pump light change at least over part of the length of the pumped light zone - namely via the coupling-out path - so that pumped light gradually arrives in the active zone in a defined manner ,
  • This causes a uniform activation of the optically active substances over the length of the relevant decoupling path and leads to a higher efficiency of the irradiated pumping light.
  • a multiplicity of measures are suitable which preferably comprise one or more of the following variants:
  • the pumping light zone has a thickness which varies in the direction of the longitudinal axis via the coupling-out path
  • the pumping light zone has a refractive index n P which varies in the direction of the longitudinal axis via the coupling-out path
  • the separation zone has at least over the decoupling distance a refractive index nj varying in the direction of the longitudinal axis, and / or (d) the pumping light zone has a bend over the decoupling path, (e) the pumping light zone has scattering centers via the decoupling path.
  • a change in the thickness of the pumping light zone in the axial direction is provided.
  • the thickness of the pumping light zone decreases in the main propagation direction of the pumped light radiation.
  • the change in thickness is embodied as a conical taper of the pumped light zone in the propagation direction of the guided pump light or onion-like tapering with what is known as a "tapering mold”.
  • the refractive index of the pumping light zone changes in the axial direction.
  • the conditions for reflection of the pumping light at the interface with the separation zone change, resulting in a gradual decoupling of the pumping light into the separation zone.
  • the refractive index of the pumped light zone decreases in the main propagation direction of the pumped light radiation.
  • the refractive index n ⁇ of the separation zone changes over at least part of its length, in particular if the refractive index of the tre ⁇ nzone increases over at least part of its length, viewed in the direction of the coupling-out end.
  • the NA of the pumping light zone is reduced over the Decoupling distance, so that a uniform coupling of pumping light into the active zone can also take place when the thickness of the pumping light zone over the respective length section is constant.
  • the change in the refractive index in the direction of the longitudinal axis is produced, for example, in the production of the pumped light zone by means of a customary deposition method of synthetic, doped SiO 2 (OVD, VAD, MCVD) in that the concentration of the dopant is varied over the longitudinal axis.
  • a customary deposition method of synthetic, doped SiO 2 OLED, VAD, MCVD
  • the coupling-out of pumping light from the pumping light zone according to variant (d) takes place by bending the latter - for example in the form of a coil or a spiral.
  • the "direction" of the light guide in the pumping light zone deviates from the straight main propagating direction of the pumping light radiation, so that the reflection light in the pumping light zone continuously changes the reflection conditions in the axial direction so that pumping light modes are defined according to the degree of bending and gradually enter the separation zone.
  • the separation zone into the active zone is provided that the pumping light zone has scattering centers at least over part of its length.
  • the scattering centers there is a directed or non-directional reflection of the pumping light radiation, which also generates light modes for which the conditions for a total reflection at the interface to the separation zone are not met, so that these light modes reach the active zone via the separation zone.
  • the scattering centers are generated by evenly or statistically distributed regions with a refractive index other than that of the pumped light zone.
  • the regions can be formed by amorphous or crystalline particles, for example by graffiti particles.
  • the change in question may be continuous, stepwise or irregular over the length of the pumping light zone. ne or the separation zone once or more times in succession.
  • the aim of these measures is to change the conditions for the reflection over the length of the relevant activation section such that for different pumping light modes guided within the pumping light zone axially different locations result, at which the angles of incidence of the light modes to the the active zone facing lateral surface are too steep for total reflection.
  • the pumping light zone thus has the task of guiding the pumping light.
  • the physical effect of total reflection is used to guide the light.
  • one or more of the above measures (a) to (d) are provided, which cause the pumping light after each reflection at an ever steeper angle to the interface with the medium meets the refractive index nr. As soon as the angle of incidence (angle between incident pumping beam and interface normal) becomes smaller than the critical angle of total reflection, the condition for total reflection is no longer satisfied and the pumping light can penetrate into the active zone and optically pump it.
  • the target zone directly adjoins the active zone.
  • the separation zone contributes directly to the guidance of the radiation in the active zone.
  • the separation zone thereby simultaneously contributes to guiding the light of the pumping light in the pumping light zone and to guiding the radiation in the active zone and also ensures an immediate and undisturbed transition of the pumping light which has entered into the separation zone into the active zone.
  • the suitable thickness of the separation zone depends on the thickness of the optically active component. In the case of an optically active component in the form of a fiber, it has proved favorable if the separation zone has a thickness of at least 5 ⁇ m.
  • the pumping light zone, the separation zone and the active zone preferably consist of quartz glass and form integral zones of a monolithic quartz glass body.
  • quartz glass is also understood to mean a glass containing high-silica content with an SiO 2 content of at least 80% by weight.
  • the separation zone consists of quartz glass which is doped with fluorine.
  • Fluorine causes a lowering of the decomposition inc-sx of quartz glass and can also be concentrated in high concentrations up to 9% by weight, preferably in the range between see 1 to 5 wt .-%, comparatively simple and homogeneous in quartz glass bring.
  • the pumped light zone with a lateral surface facing away from the active zone adjoins an outer medium with a refractive index ⁇ A , where: n A ⁇ n ⁇ .
  • the pumping light zone is in this case in the radial cross-section annular and it adjoins with its inner shell to the separation zone, and with its outer shell to an outer medium.
  • the refractive index n A of the outer medium is preferably chosen as low as possible and in particular as much as possible lower than IT 1 -. If the critical angles of the total reflection of the separation zone / pumping light zone interface and the pumping surface zone / outer medium interface differ greatly, leakage of the pumping light into the external medium can be more easily prevented.
  • the refractive indices of pumping light zone and separation zone in the region of the coupling-out end are as large as possible (+/- 0.1% relative to the higher of the two refractive indices) and at the same time smaller as the refractive index n L of the active zone.
  • the refractive index of the separation zone over a partial length of the decoupling distance or preferably successively increased or - preferably - the refractive index of the pumped light zone is reduced locally or successively, or both measures are taken. If the refractive index of Tre ⁇ n- zone in the region of that of the pump light zone is a light guide by multiple reflection in the pump light zone is no longer possible, so that the residual pump light hnhe in the Aktivznnfi Mr. Rmr.hun ⁇ sinHpnt »r ⁇ 's d ⁇ ? R vnn Tr p nnznne and pumping light zone, passes.
  • the cooling of the optically active component can take place via the pumped light zone by means of air or liquid cooling.
  • the external medium is in the form of an outer jacket, which is preferably provided with a metallic surface layer.
  • the pumping light zone is provided by an outer sheath with a lower refractive index ⁇ A, which contributes to the guidance of the pumping light in the pumping light zone.
  • This embodiment makes it possible to cool the optically active component via a direct connection to the outer casing or to a metallic surface layer on the outer casing. Over this metallic surface layer, a particularly good heat-dissipating connection to a heat sink is possible, such as a solder joint.
  • the outer surface of the pumped light zone facing away from the active zone is provided with a metal layer.
  • the metal layer can serve both for dissipating heat and for dissolving, so that even in the case of contact with media having a higher refractive index, for example soiling or holders, the light guidance in the pumping light zone is maintained.
  • the layer thickness of the outer shell is designed such that in axial Direction provides a constant outer diameter of the optically active component.
  • variable thickness profile of the pumping light zone is compensated by the outer shell so that an axially uniform overall outer diameter of the (2 ⁇ ktiv ⁇ n bag '? ⁇ rr
  • ibt. D' ⁇ S eichte ⁇ d ⁇ H ⁇ n dh?> H ⁇ n ⁇ H ⁇ » S optically active component and proves to be particularly for a cylindrical optically active component with a small outer diameter (less than 2.5 mm) as favorable, which rests against a flat heat sink or can be laid wound between two heat sinks. Because of the uniform outer diameter, a uniform heat transfer from the optically active component is made possible to the heat sink.
  • the optically active component can also be provided with a metallic coating. In order to further improve the heat transfer, a two-sided thermal connection of the outer jacket by inserting soft metal foils (for example, indium) or by soldering is suitable.
  • an outer layer made of a plastic and / or carbon is preferably provided.
  • the outer layer made of a plastic (polymer coating) makes it possible, with a sufficiently small outer diameter of the optically active component, to wind it up, as is otherwise known from optical fibers
  • a plastic polymer coating
  • carbon coating prevents primarily a diffusion of impurities in the fiber.
  • the active zone, the separation zone, the pumped light zone - and / or an optional outer jacket - are designed microstructured.
  • the light guide in a microstructured optical component is influenced by cavities, which run through the component over its entire length, and which are arranged in a specific geometric arrangement around the core region.
  • a microstructured optical fiber are described in DE 10 2006 019 333, the disclosure content of which relating to the design and manufacture of such components is hereby incorporated.
  • the microstructuring for example by the use of several rods with different refractive indices for the production of the active zone (so-called "multifilament core”) - allows not only the finer adjustment of the refractive index but also a defined adjustment of the doping in the radial direction, such as a centrally higher refractive index Preference for the centrally managed basic mode.
  • the decoupling path has a length in the range of 0.1 m to 100 m, preferably a length of at least 1 m.
  • the pumping light power is coupled as completely as possible over the length of the decoupling path into the active zone.
  • a long decoupling distance facilitates the axial equalization of the decoupled pumping light power, resulting in a pumping light power which is relatively small on average, but a correspondingly long distance of the pumped active zone.
  • the pumping light in the pumping light zone is subject to optical damping.
  • the specified length range for the decoupling path represents a suitable compromise to this extent. In this regard, it has also proven useful if the light guided in the pumping light zone is decoupled via the decoupling path at a decoupling rate which is characterized by an average intensity decrease of at least 1% /. m (based on the intensity value before the start of the decoupling path) is characterized.
  • a light guide in the pumping light zone via a decoupling path with a length of more than 100m which - depending on the type of optically active component and the pumping light zone - with a noticeable loss may be accompanied by optical attenuation of the pump light.
  • the light guided in the pumping light zone is decoupled via the decoupling path with a decoupling rate which is determined by an average intensity decrease of not more than 10% / cm, preferably not more than 1% / cm to the intensity value before the start of the decoupling path).
  • a light guide in the pumping light zone results over a decoupling path with a length less than 10 cm, which is accompanied by a comparatively high average intensity of the pump light coupled out into the active zone.
  • the cone angle is preferably less than 0.1 rad.
  • the suitable cone angle depends on the length of the decoupling path and the thickness of the separating layer. In most cases, a small cone angle below 0.1 rad (about 5 degrees) is sufficient to achieve the desired gradual but complete coupling of pump light across the separation zone into the active zone. At cone angles of less than 0.002 mrad, however, there is no appreciable extraction of pump light.
  • an embodiment of the component according to the invention is particularly preferred in which the pumping light zone has at least over a part of the decoupling path a radial cross section which deviates from a circular ring shape, and in particular a radial cross section in the form of a circular ring with at least one outer flat.
  • the deviation from the circular ring shape causes a change in the light guide within the pumping light zone.
  • light modes (so-called helix modes) are thereby hindered and changed, which can not be readily coupled into the core.
  • the change in geometry of the pumping light zone contributes in this respect to a more effective decoupling of the pumping light.
  • a simple and particularly effective change in geometry compared to a simple circular ring shape is produced by the fact that the outer jacket of the pumping light zone is ground flat on one side or on several (preferably opposite) sides, and so one or more flats of the circular ring shape are produced.
  • the embodiment with a flattening is also referred to in the literature as "D-shape", that with two opposite flats also as "double D-shape".
  • the D-shape and double-D shape of the pumping light zone have proven to be particularly favorable, especially in conjunction with a tapered cross-sectional area of the pumping light zone.
  • the refractive index n P of the pumped light zone is lower than the refractive index n L of the active zone.
  • the refractive index n P of the pumping light zone is greater than the refractive index n L of the active zone.
  • the highest possible beam quality of the light beam guided in the active zone is desired.
  • the numerical aperture of the active zone is to be kept as small as possible, but this is limited by the low refractive index of the separation zone. This effect can be counteracted by the fact that the refractive index np of the pumping light zone is greater than the refractive index n ⁇ _ of the active zone. Thus, a particularly good beam quality is achieved despite effective separation zone.
  • the above-mentioned technical object is achieved on the basis of a laser system of the aforementioned type in that the optically active component is designed as a side-pumped optically active component having a separation zone according to the invention, in the pumping light zone, active zone and separation zone forming integral zones of a monolithic body.
  • the separation zone has a smaller refractive index than the material of the active zone and thus contributes to the light conduction in the active zone.
  • the separation zone directly or indirectly adjoins the pumping light zone and thus also contributes to the light guidance in the pumping light zone.
  • the active zone, separation zone and pumping light zone are an integral part of the optically active component, so that any expense for an adjustment of the zones to each other is eliminated.
  • the component is preferably made of quartz glass.
  • the light guide in the pumping light zone and the defined axial outcoupling of the pumping light effect a uniform activation of the optically active substances over the length of the respective decoupling path and thus contribute to a high efficiency of the radiated pumping light, wherein impairments of the core zone in the coupling point of the pumping light and the Occurrence of non-linear effects are avoided.
  • the coupling end for the pumping light is one of the two front ends of the laser or they are both ends.
  • the term laser system is understood here to mean systems in which the optically active component is a laser, an optical amplifier or a superiumine zenzario.
  • the pumping light zone at the coupling end comprises a contour
  • the radial intensity distribution of the pumping light is adapted to this contour such that the maximum or the maximums of the intensity distribution within the contour lie.
  • the intensity distribution of the pumping light is adapted to the substantially annular cross-sectional area (contour) of the pumping light zone, such that the intensity maximum or the intensity maxima are within the ring contour, a load on the active zone by the high-energy pumped light radiation is largely avoided.
  • the radial intensity distribution of the pump light is adapted to the contour in such a way that the pump light zone has at least 75%, preferably at least 85%, intensity Pumping light is applied, and / or if the radial intensity distribution of the pumping light is adapted to the contour such that the active zone is applied with less than 10%, preferably less than 5% of the intensity of the pumping light.
  • LEDs light-emitting diodes
  • lasers in particular laser diodes
  • FIG. 1 shows an embodiment of the optically active component according to the invention in the form of a laser fiber with a pumping zone which is annular in radial cross section and conical in axial cross section, FIG.
  • FIG. 2 shows the radial refractive index profile of the embodiment according to FIG. 1
  • FIG. 3 shows an embodiment of the optically active component according to the invention in the form of a laser fiber with a pumping zone which is circular in radial cross-section and conical in axial cross-section;
  • FIG. 4 shows an embodiment of the optically active component according to the invention in FIG.
  • FIG. 5 shows the embodiment of the optically active component according to FIG. 1 in the form of a laser fiber, which is also provided with a plastic coating, in a radial cross section, FIG.
  • FIG. 6 shows an embodiment of the optically active component according to the invention with an additional outer sheath and a metallic surface layer in a radial cross section
  • FIG. 7 shows a cylindrical embodiment of the optically active component according to the invention in the form of a laser in an axial cross section
  • 8 shows an alternative embodiment of a radial refractive index profile of a laser fiber
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment of a laser system according to the invention using a laser with a double D-shaped pumped light zone
  • FIG. 11 shows the intensity distribution over the coupling end face of the laser of FIGS. 9 and 10.
  • Fig. 1 shows schematically a longitudinal section through a laser fiber according to the invention.
  • the laser-active core 1 has a cylindrical shape and extends along the longitudinal axis 9. It is enveloped over its entire length by a separating layer 2 and a pump casing 3.
  • the core 1 consists of laser-active quartz glass which is doped with 0.25 mol% of Yb 2 O 3 and with 1.0 mol% of Al 2 O 3 .
  • the refractive index of the core quartz glass is slightly larger than that of undoped quartz glass. It has a diameter of 0.1 mm and its numerical aperture (NA) is 0.2.
  • NA numerical aperture
  • the separation layer 2 gives the maximum aperture angle of the emitted laser radiation 5 (the NA of the laser fiber) via the numerical aperture, which results from the refractive indices of the core 1 and the separation layer 2.
  • the laser radiation 5 to be emitted is generated by optical pumping via the pump casing 3.
  • the separating layer 2 enclosing the core 1 consists of quartz glass which is doped with 4% by weight of fluorine and which has a lower refractive index than un-doped quartz glass of 14 ⁇ 10 -3
  • the lower refractive index of the separating layer 2 causes the laser radiation generated in the Core 1 is performed.
  • the pump casing 3 consists of undoped quartz glass. Its jacket surface 10 facing the core 1 directly adjoins the separating layer 2, and its peripheral surface 11 which faces the core 1 is adjacent to air.
  • the Piirnpmante! 3 is conical, with its thickness over a length of 20 m from the Einkoppelstirnseite 6 for the pumping light 8 to Auskoppelstirnseite 7 for the laser light from 1 mm to 100 microns continuously decreases. The cone angle is thus about 0.02 mrad.
  • the NA of the laser fiber can be adjusted over a wide range, independently of the refractive index of the pumping jacket 3. Furthermore, the reduction in refractive index of the separating layer 2 causes the pumping light 8 in the pumping jacket 3 to be guided until the condition for the total reflection is no longer satisfied and the pumping radiation can penetrate into the core 1.
  • the pumping light 8 is guided in the pump casing 3. Due to its conical shape, every reflection at the interfaces to outer medium 4 and separating layer 2 leads to an increasingly steeper reflection angle. If the reflection angle becomes too steep after several reflections, the condition of the total reflection between the pump casing 3 and separating layer 2 is no longer satisfied, and the pump radiation 8 can penetrate through the separating layer 2 into the core 1 and trigger a population inversion in the active core 1, which results in sufficiently high excitation power gives the laser emission 5.
  • the pump casing 3 instead of a tapered in the direction of the Auskoppelende 7 out, conical training in a direction towards the Auskoppelende 7 towards non-linearly tapered, curved course.
  • a course results, for example, when elon- gating a glass cylinder in the form of a drawing bulb or a so-called "tapers".
  • the pumping light 8 is coupled in at the coupling-in side 6 (via the larger of the two circular end faces 6 of the pumping jacket 3).
  • the NA of the coupled pumping light 8 is adapted to the NA of the pumping jacket 3 in such a way that a uniform coupling of the pumping light 8 through the separating layer 2 is achieved over the full length of the core 1.
  • the pumping light 8 can in this case completely or only partially irradiate the conical end surface 6.
  • the pumping light 8 is irradiated into the pump casing 3 in such a way that the area of the active core surface is not acted upon or as little as possible supplied with pumping light 8. This measure will be explained in more detail below with reference to FIG. 8.
  • the cooling of the rod takes place via the conical pump jacket surfaces of the rod and can be carried out by means of air or liquid cooling.
  • the end faces of the conical pump jacket 3 can be designed as a resonator mirror.
  • an antireflection coating for the pumping light wavelength and a highly reflective coating is required on the pump-side end face 6.
  • the coupling out of the laser radiation 5 takes place via the smaller cone end surface 7, which is provided with a suitable partially transmitting output coupling mirror layer.
  • corresponding mirrors can also be designed as separate components on one or both sides.
  • one or both end surfaces or resonator mirrors provided there are arranged obliquely to the longitudinal axis of the active core, as is known in optical amplifiers or so-called super luminescence sources.
  • the fiber end faces planar for lasers, oblique for optical amplifiers or for superluminescence sources, even without an antireflective coating or without a highly reflective coating, already satisfy a requirement as a "resonator”.
  • the length of the optically active component may be in a range of several cm to several meters.
  • the diameter is typically in the range of 0.5-10 mm.
  • the laser fiber has a length of 20 m and this also corresponds to the length of the coupling-out path. Due to the irradiation conditions and the cone angle of about 0.02 mrad results in a decoupling, which is characterized by an average intensity decrease of about 6% / cm (based on the intensity value before the start of the decoupling path), so that even before the end of the decoupling the in the pumping light zone guided intensity of the pumping light is close to zero.
  • the refractive index of the separating layer 2 increases starting from the coupling-in side 6 in the direction of the coupling-out side 7.
  • the NA of the pumping jacket 3 reduces over the length of the laser fiber, so that a uniform coupling of pumping light 8 into the core region 1 takes place.
  • this configuration can be dispensed with a conical design of the pumping sheath 3.
  • the refractive indices of the pump casing 3 and the separation layer 2 are approximately the same on the outcoupling side 7.
  • the guidance and continuous decoupling of pump light 8 from the pump casing 3 into the core 1 takes place by means of a variable refractive index in the region of the pump casing 3.
  • the width of the pump medium is increased over the entire length of the laser in the main propagation direction of the pump Pumping light radiation, whereas the separation layer 2 in this case a uniform course of the refractive index over the length of the laser has.
  • the refractive index of the pumping jacket 3 in the region of the coupling-in side 6 corresponds to that of undoped quartz glass and decreases continuously to -14.times.10.sup.- 3 (in comparison with undoped quartz glass) in the region of the coupling-out side 7.
  • the outcoupling side 7 approaches Refractive indices of separation layer 2 and pump casing 2 and are ideally identical, to allow complete coupling of the pumping light 8 in the core 1.
  • the laser-active core 1 is designed microstructured. He is traversed by cavities which are parallel to the longitudinal axis 9. As a result, an additional adjustment variable for the refractive index is provided.
  • the microstructuring of the laser core 1 allows not only the finer adjustment of the refractive index but also a defined adjustment of the doping.
  • the embodiment shown in FIG. 3 is a laser fiber with a pumping zone 23 which is circular in radial cross-section and surrounded by a separating layer 22 and by a laser-active, tubular region 21.
  • the pumping light zone 21 is conically formed with tapered from the coupling end 6 to Auskoppelende 7 diameter.
  • the wall thicknesses of separating layer 22 and laser-active region 21 are constant over the length of the laser fiber.
  • FIG. 4 shows a rod-shaped pumping light zone 33, which tapers from the coupling end 6 to the coupling-out end 7. It is surrounded by a separating layer 32 and by a laser-active, tubular region 31, which likewise tapers from the coupling end 6 to the coupling end 7.
  • a separating layer 32 and by a laser-active, tubular region 31, which likewise tapers from the coupling end 6 to the coupling end 7.
  • FIG. 5 shows a radial cross section of a laser fiber according to FIG. 1, which has been provided with a plastic jacket 51 during the elongation process.
  • the conical laser fiber thus obtained has an outer diameter of 1.7 mm at its wide end. It is flexible, windable and can be used for example as a fiber amplifier.
  • FIG. 6 shows a radial cross section of a laser rod, in which the pump casing 3 is surrounded by a thin cladding layer 61 of quartz glass with a thickness in the range of at least 20 ⁇ m.
  • the refractive index of the cladding layer 61 is lowered by doping fluorine to a value below that of the separation layer 2 to ensure the guidance of the pumping light radiation.
  • the cladding layer 61 is externally provided with a metal layer 62. To cool the laser, a heat sink is connected to the metal layer 62 by soldering.
  • the laser according to the invention is in the form of a fiber, which corresponds to the embodiment of FIG. 1 with regard to core 1, separating layer 2 and pumping jacket 3.
  • the pump casing 3 is surrounded by a cladding layer 71 made of quartz glass whose refractive index is lowered by doping fluorine to a value below that of the separating layer 2.
  • the cladding layer 71 is conical, such that its thickness uniformly increases from the coupling-in side 6 to the outcoupling side 7.
  • the conicity of the cladding layer 71 is equal to that of the pumping jacket 2, so that the overall result is a uniform outer diameter of the laser fiber.
  • the fiber is also provided with a metallic coating. It can be laid wound between two cooling plates. Due to the uniform diameter, a uniform heat transfer from the fiber to the cooling plates is possible. In order to achieve an optimal connection to the cooling plate, a bilateral lateral thermal connection via the insertion of soft indium films or by soldering advantageous.
  • Fig. 8 shows a schematic representation of the radial refractive index profile in a laser fiber of quartz glass as explained with reference to FIG. 1, with the difference that the refractive index of the pumping shell 83 is set by a doping with germanium to a value which is higher than the refractive indices of Separation layer 82 and core 81.
  • the fiber is provided with a plastic jacket 84, whose refractive index is lower than that of the separation zone 82nd
  • this refractive index profile enables a particularly good beam quality of the laser light guided in the core.
  • the laser system 95 shown schematically in FIG. 9 comprises a laser fiber 90 which (as shown in FIG. 10) consists of a laser-active core 91, a separating layer 92, a pump casing 93 and an outer layer 94 made of plastic.
  • the laser system 95 also includes a laser diode stack 97 of eight laser diodes which emit a pumping light having a wavelength of 915 nm and a power density of 2.5 kW // cm 2 .
  • Each laser diode of the laser diode stack 97 is associated with a rod-shaped microlens 98, via which the pumped light radiation
  • the radial intensity distribution ungsprofi I of the pumping light radiation 100 can be set on the coupling end face.
  • This intensity distribution profile is characterized by a double focus.
  • the laser system 95 is equipped with a prism 102, which is used to divide the focused pumping light beam. Therefore, two pumping light beams 105, 106 are focused on the coupling end face of the laser 90.
  • the size of the spots 107, 108 is adapted to the cross-sectional geometry of the pump casing in the region of Einkoppelstir ⁇ seite and is each 0.3 mm (width) x 0.8 mm (length).
  • the spots 107, 108 are arranged so that their long axes parallel to each other and between them the laser-active core 91 of the laser 90 is arranged.
  • the radial intensity distribution of the pumped light radiation achieved in this way can be seen in the top view of the coupling-in front surface according to FIG. 10.
  • the rectangular in cross-section pumping light spots 97 are arranged so that more than 99% of the pumping light is discharged directly onto the end face of the pumping shroud 93. In contrast, the core 91 is charged with less than 1% of the intensity of the pumping light.
  • the pumping mantle 93 has at the coupling end a deviating from the annular shape radial cross-sectional area, namely a contour 98 in a so-called double-D shape, formed in the two opposite outer circumferential surfaces of the pumping shroud 93 as parallel plan sides 96 are.
  • the pump casing 93 tapers from the coupling end to the coupling-out end of the laser fiber with a cone angle of 0.01 rad.
  • the diagram of FIG. 11 shows the radial intensity distribution profile of the above-described double-focus pump light radiation.
  • the radiation intensity I (in relative terms) is plotted along the fiber radius r, where the intensity corresponds to the position of the fiber longitudinal axis.
  • the intensity profile shows two plateau-like maximum intensity maxima, both within the range of the pumping mantle. Outside the pumping mantle, the intensity drops rapidly to zero.
  • the cross-section of the pumping jacket can deviate from the annular surface and be configured, for example, as an octagonal (for example polygonal), D-shaped or double-D-shaped, star-shaped, flower-shaped and the like.
  • octagonal for example polygonal
  • D-shaped or double-D-shaped, star-shaped, flower-shaped and the like reduce, in analogy to the double-core fiber, the formation of helix rays which are not available in the active core and thus not available for pumping. The efficiency of the pump light is thus improved.
  • the core zone and the pumping light zone are concentric with one another.
  • an eccentric arrangement of the core zone (active zone) is provided within the optically active component. This arrangement has advantages in the coupling of pumping light, when thereby the core zone is displaced into a region of the fiber in which it is less affected by the end-side irradiated pumping light. This reduces the absorption of the pump light in the area of the coupling surface.
  • an eccentric arrangement of the core zone is also easier to cool from the outside.
  • the design according to the invention of the optically active component also has the following advantages over the prior art:
  • the pump light is coupled into the fiber on the front side and guided both in the core and in the pump jacket.
  • the fiber is thus stressed very unevenly, the pumping light is absorbed in the fiber primarily in the vicinity of the coupling point, because here the intensity is highest.
  • the absorbed power then decreases exponentially with increasing length.
  • the active core absorbs the pumping light too much in the vicinity of the coupling nozzles and the fiber is damaged by the generation of heat or by a too high degree of inversion (photodarkening) ,
  • the fiber is damaged by the generation of heat or by a too high degree of inversion (photodarkening) .
  • these long fibers are limited in their applicability by nonlinear effects such as SBS and SRS (stimulated Raman scattering and Brillouin scattering).
  • the active core is not pumped end-to-end. Instead, the pumping light is first led through the use of the separating layer with a reduced refractive index only in the pumping jacket.
  • the conical shape of the pumping mantle causes the pumping beam to hit the interface with the separating layer with every reflection at the interface between the pumping mantle and the outer medium, with a steadily increasing angle of incidence. Only when this reflection angle of the guided pump radiation is steeper than the critical angle of total reflection, penetrates
  • the pumping light through the separation layer in the core and pumps it. Since the pump light is coupled into the fiber / rod at different angles, the pump light penetrates into the core at a different location, depending on the angle of incidence. Thus, there is a more homogeneous distribution of absorption in the core over the rod length than is the case in a standard double-core laser fiber, since the
  • a plastic coating can be dispensed with. This has several advantages. On the one hand, the production costs are reduced because one can do without an additional work step. On the other hand avoids possible heat problems, which results from a possible interaction of the plastic coating with a part of the pump radiation. Through this interaction
  • the plastic coating 25 can lead to a heating of the plastic coating and in the unfavorable case to a destruction of the laser fiber or the laser rod. Furthermore, by dispensing with the plastic coating, with a suitable choice of the external medium (for example water or air), a larger refractive index jump or a larger NA at the interface between pumping jacket and external medium is obtained
  • the opening angle of the emitted laser radiation over a wide range is independent of the refractive index of the pump sheath adjustable.
  • the opening angle of the emitted laser radiation is determined only by the NA, which results from the reduced refractive index of the separating layer and the refractive index of the active core, but not by the refractive index of the pumping jacket.
  • the aperture angle of the emitted laser radiation or the NA of the laser can be adjusted over a wide range.
  • Bar lasers are constructed from a laser-active rod. There is no light-guiding layer around the rod. When pumping, the laser rod heats up. This heating results in the so-called “thermal lensing” effect, which locally changes due to the heating of the refractive index of the rod, which reduces the beam quality of the emitted laser radiation, in contrast to which a laser rod according to the invention has a light-guiding active region, so that "thermal lensing "effects due to the multiple reflections at the interface to the separation layer do not effect a substantial influence on the beam quality.
  • the diameter of the conical laser rod according to the invention is smaller than that of a conventional bar laser, whereby the conical laser rod can be better cooled. As a result, either “thermal lensing" effects are additionally suppressed, or what is more important, higher pumping and laser energy densities are possible.

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Abstract

Um ein bekanntes seitengepumptes optisch aktives Bauteil, das eine Längsachse aufweist, entlang der sich eine Aktivzone (1) aus einem optisch aktiven Material mit einem ersten Brechungsindex nL erstreckt, die ein stirnseitiges Auskoppelende (7) für optische Strahlung aufweist, entlang der eine Pumplichtzone (3) mit einem zweiten Brechungsindex nP verläuft, die ein Einkoppelende (6) für Pumplicht aufweist und die von einer der Aktivzone zugewandten Mantelfläche begrenzt ist, über die Pumplicht (8) in die Aktivzone (1) gelangt, im Hinblick auf einen höheren Wirkungsgrad des Pumplichts zu verbessern, und dabei gleichzeitig dessen Vorteile hinsichtlich einer geringen Beeinträchtigung der Kernzone im Bereich der Einkoppelstelle des Pumplichts und des Auftretens nicht-linearer Effekte durch hohe Absorption des Pumplichts möglichst zu vermeiden, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass die der Aktivzone zugewandte Mantelfläche der Pumplichtzone an eine Trennzone (2) angrenzt, die einen Brechungsindex nT aufweist, der kleiner ist als nP, so dass die Pumplichtzone zur Führung des Pumplichts geeignet ist, und dass mindestens über einen Teil der Strecke zwischen Einkoppelende und Auskoppelende eine allmähliche Auskopplung des Pumplichts aus der Pumplichtzone über die Trennzone in die Aktivzone erfolgt. Allmähliche Auskopplung wird beispielsweise durch eine über die Auskoppelstrecke variierende Dicke der Pumplichtzone erzielt.

Description

Seitengepumptes optisch aktives Bauteil sowie Lasersystem
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein seitengepumptes optisch aktives Bauteil, das eine Längsachse aufweist, entlang der sich eine Aktivzone aus einem optisch aktiven Material mit einem ersten Brechungsindex nι_ erstreckt, die ein stirnseitiges Auskoppelende für optische Strahlung aufweist, entlang der eine Pumplichtzone mit einem zweiten Brechungsindex np verläuft, die ein Einkoppelende für Pump- licht aufweist und die von einer der Aktivzone zugewandten Mantelfläche begrenzt ist, über die Pumplicht in die Aktivzone gelangt.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Lasersystem, umfassend eine Pumplichtquelle, die Pumplichtstrahlung mit einer radialen Intensitätsverteilung erzeugt, sowie ein eine Pumplichtzone, eine Aktivzone, ein Einkoppelende, ein Auskoppelende und eine Auskoppelstrecke aufweisenden optisch aktiven Bauteils.
Technischer Hintergrund
Seitengepumpte optisch aktive Bauteile in Stab- oder Faserform werden zum Beispiel als Hochleistungslaser oder in der Kommunikationstechnologie als optische Faserverstärker mit einem laseraktiven Kern und einen den Kern umhüllenden Pumpmantel eingesetzt. Unter dem Begriff „optisch aktives Bauteil" werden außer Lasern auch optische Verstärker und so genannte Superlumineszenzquellen zu- sammengefasst.
Faserverstärker können Verluste in Lichtwellenleitern bei der optischen Datenübertragung ausgleichen, indem durch so genanntes „optisches Pumpen" Laser- licht in den Faserkern eingekoppelt wird, das laseraktive Substanzen der Aktivzone anregt. Der durch den Faserkern laufende Lichtpuls nimmt Energie von den angeregten lüneri z.usäiziich auf und wird αaαurch verstärkt. Alternativ dazu können die laseraktiven Substanzen durch das eingekoppelte Pumplicht auch selbst zur Abgabe von Laserlicht angeregt werden, wie dies bei Hochleistungslasern in Faser oder Stabform der Fall ist.
Das laseraktive Material enthält beispielsweise kristallines Nd:YAG oder es liegt in Form von Quarzglas vor, das Dotierstoffe enthält, die eine Abgabe oder eine Verstärkung von Laserstrahlung im Wirtsmaterial Quarzglas bewirken. Bei den Dotierstoffen handelt es sich in der Regel um Seltenerd-Kationen (Lanthanoide) oder um Kationen der sogenannten Übergangsmetalle.
Aus der US 5,892,876 A ist eine Laserfaser in Form einer aktiven Multimodefaser bekannt, die zwei Kernzonen aufweist, nämlich eine zentrale, innere Kernzone, die mit einer laseraktiven Substanz dotiert ist und eine äußere Kernzone ohne aktive Substanz. Die Kernzonen sind durch eine Sperrzone voneinander getrennt. In der zentralen Kernzone werden mehrere Licht-Kernmoden geführt, und in der äußeren Kernzone werden mehrere Mantelmoden geführt. Die Brechungsindizes der jewei- ligen Zonen sind so aufeinander abgestimmt, dass der Grundmode mit den Mantelmoden weniger stark koppelt als die Moden höherer Ordnung (Nebenmoden). Dieses Brechzahlprofil wirkt daher zu Gunsten des Grundmode wie ein optischer Filter für die in der inneren Kernzone ebenfalls geführten Nebenmoden, so dass trotz großem Kern quasi eine Monomodefaser erhalten werden kann.
Eine ähnliche laseraktive Faser ist auch in der US 5,892,876 A beschrieben. Hierbei geht es darum, die radiale Konzentrationsverteilung der aktiven Ionen an die radiale Verteilungsintensität des Pumplichts anzupassen, um den Wirkungsgrad des eingestrahlten Pumplichts zu verbessern. Daher soll auch eine optimierte Konzentrationsverteilung der aktiven Ionen während der Faserherstellung nicht mehr verändert werden.
Es wird eine innere Kernzone vorgeschlagen, die laseraktive Ionen enthält und die umgeben ist von einer äußeren Kernzone, die keine laseraktive Substanz enthält. Zwischen der inneren und der äußeren Kernzone ist eine Trennzone vorgesehen, deren Rrpc-hungsinHex kleiner ist a!ε der beider Kcrnzoπeπ. Die Treππzϋiϊe vei- hindert die Migration der laseraktiven Substanz aus der Kernzone beim Faser- ziehprozess und sie besteht daher aus Glas mit vergleichsweise hoher Viskosität. Dadurch bleibt die radiale Konzentrationsverteilung der aktiven Ionen wie sie in der Vorform vorgegebenen worden ist, auch in der Laserfaser erhalten.
Die zu dieser optimierten Verteilung der aktiven Ionen passende Intensitätsverteilung des Pumplichts wird durch die Brechungsindizes von innerer und äußerer Kernzone und Trennzone eingestellt und sie zeigt ein Intensitätsmaximum im zentralen Kernbereich, das nach außen hin rasch abfällt.
Bei den laseraktiven Fasern dieser Art wird das Pumplicht stirnseitig in den aktiven Faserkern eingekoppelt und dadurch zwangsläufig vorrangig in der Nähe der Einkoppelstelle - also im Bereich der Stirnseite der Faser - absorbiert. Die Pumplicht- Intensität nimmt danach mit zunehmender Faserlänge exponentiell ab.
Um eine ausreichende Pumplichtwirkung auch noch nach einer gewissen Eindringtiefe zu gewährleisten, ist eine besonders hohe Energiedichte der Pumplichtstrahlung im Einkoppelbereich erforderlich. Dies geht mit einer Degradation des Kernbereichs durch Wärmeeinwirkung und Photodarkening einher. Außerdem füh- ren die hohe Energiedichte des Pumplichts im Einkoppelbereich einerseits und die exponentielle Abnahme der Pumplichtleistung andererseits zu unerwünschten nicht-linearen Effekten.
Diese Nachteile vermeiden seitengepumpte optisch aktive Bauteile und Lasersysteme gemäß der eingangs genannten Gattung, bei denen das Pumplicht nicht di- rekt in den laseraktiven Kern, sondern über die Mantelfläche in den Kern eingekoppelt wird. Wegen der Länge der Faser ist die Mantelfläche um ein Vielfaches größer als die Faser-Stirnfläche. Dies ermöglicht das Einkoppeln einer hohen Anregungsenergie ohne Beeinträchtigung des Kernbereichs des optisch aktiven Bauteils.
Ein derartiges optisch aktives Bauteil in Form eines seitengepumpten Lasers ist aus der US-5,048,026 A bekannt. Es wird ein Faserverstärker beschrieben, mit einem zylinderförmigen, laseraktiven Kern aus Nd:YAG und einem Auskoppelende für die Laserstrahlung, und der von einem hülsenförmigen Pumpmantel aus Quarzglas umgeben ist. Der Pumpmantel ist in einem vorderen Längenbereich konisch ausgebildet, so dass seine Dicke in Richtung auf das Auskoppelende ab- - A -
nimmt und in einen hinteren, zylinderförmigen Teil mündet, der mit dem Auskoppelende des Kerns bündig abschließt. Das Pumplicht wird an der dem Auskoppelende gegenüberliegenden Stirnseite in den Pumpmantel eingestrahlt und zwischen den Mantelflächen des Pumpmantels hin- und her-reflektiert und durchquert dabei den laseraktiven Kern. Um dies zu gewährleisten, weist der Pumpmantel einen Brechungsindex auf, der größer ist als der Brechungsindex der Umgebung (wie etwa Luft) aber kleiner als der Brechungsindex des laseraktiven Kerns. Im konischen Teil des Pumpmaπtels wird dabei mit jeder Reflexion der Winkel zu den Mantelflächen steiler, so dass das Pumplicht auf den laseraktiven Kern im zylindri- sehen Bereich fokussiert wird.
Ein ähnlicher Laser und ein Lasersystem der eingangs genannten Gattung sind auch aus der US 5,086,433 A bekannt. Das Lasersystem umfasst ein Quarzglaselement, das zum optischen Pumpen eines Laserstabes dient, welcher in einer zentrale Bohrung des Quarzglaselements eingesetzt ist. Das Quarzglaselement verjüngt sich in Ausbreitungsrichtung konisch und es ist außen verspiegelt.
Als Pumplichtquellen werden mehrere Laserdioden eingesetzt, die an unterschiedlichen radialen Positionen stimseitig in das Quarzglaselement einstrahlen. Je nach radialer Position der Laserdiode treffen die Pumplichtstrahlen an axial unterschiedlichen Positionen auf die Verspiegelung und werden von dort in den Laserstab reflektiert.
Das in das Quarzglaselement eingestrahlte Pumplicht hat eine im Wesentlichen ringförmige Intensitätsverteilung und es ist auch möglich, je nach Anzahl und Position der Laserdioden, die Einstrahlung des Pumplichts über die Länge des Laserstabes mehr oder weniger gleichmäßig zu verteilen. Die Vorrichtung selbst und die Justierung der Bauteile sind jedoch sehr aufwändig.
Die DE 28 44 129 A1 beschreibt eine ähnliche Vorrichtung zum optischen Pumpen eines Laserstabes. Die Vorrichtung umfasst einen seitlich gepumpter Nd:YAG- Laser und eine Pumplichtquelle. Die Laserfaser ist von einem Mantel und dieser wiederum von einer innen verspiege!ten Hϋüe umgeben. Der Msnta! besteht aus einem Werkstoff mit niedrigerem Brechungsindex als die Laserfaser und er verjüngt sich konisch in Licht-Ausbreitungsrichtung. Am Auskoppelende ist ein Glas- plättchen angeordnet, das sowohl das Pumplicht reflektiert als auch ein Auskoppeln von Laserlicht ermöglicht.
Das von der Pumplichtquelle ab seinem breiten stirnseitigen Ende in den Mantel eingestrahlte Pumplicht wird in einem bestimmten Winkel an der verspiegelten Hülle reflektiert und trifft dann auf die Mantelfläche der Laserfaser auf.
Technische Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte optisch aktive Bauteil im Hinblick auf einen höheren Wirkungsgrad des Pumplichts zu verbessern, und dabei gleichzeitig dessen Vorteile hinsichtlich einer geringen Beeinträchtigung der Kernzone im Bereich der Einkoppelstelle des Pumplichts und des Auftretens nichtlinearer Effekte durch hohe Absorption des Pumplichts möglichst zu vermeiden. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Lasersystem bereitzustellen, das auch bei hohen Pumplichtleistungen Beeinträchtigungen der Kernzone im Bereich der Einkoppelstelle des Pumplichts und das Auftreten nicht-linearer Effek- te vermeidet, und das gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad des Pumplichts ermöglicht.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des optisch aktiven Bauteils ausgehend von einem optisch aktiven Bauteil der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die der Aktivzone zugewandte Mantelfläche der Pumplichtzone an eine Trennzone angrenzt, die einen Brechungsindex nτ aufweist, der kleiner ist als np, so dass die Pumplichtzone einerseits zur Führung des Pumplichts geeignet ist, und dass andererseits über eine Auskoppelstrecke zwischen Einkoppelende und Auskoppelende eine allmähliche Auskopplung des geführten Pumplichts aus der Pumplichtzone über die Trennzone in die Aktivzone erfolgt.
Das erfindungsgemäße optisch aktive Bauteil als Quarzglaskörper beispielsweise in Form einer Faser, eines Stabes oder eines Rohres ausgebildet, wobei Aktivzone, Trennzone und Pumplichtzone integraler Bestandteil des Quarzglaskörpers sind.
In der Aktivzone wird Lichtstrahlung geführt, erzeugt, beziehungsweise verstärkt. Die Trennzone grenzt unmittelbar oder mittelbar an die Aktivzone an. Sie weist einen kleineren Brechungsindex als das Material der Aktivzone auf und trägt somit zur Lichtführung in der Aktivzone bei. Außerdem grenzt die Trennzone unmittelbar oder mittelbar an die Pumplichtzone an. Die Trennzone kann relativ dünn ausge- bildet sein, was beispielsweise den Aufwand für eine Dotierung zur Absenkung des Brechungsindex gering hält.
Die Pumplichtzone erstreckt sich entlang der Aktivzone. Im Gegensatz zu dem eingangs beschriebenen bekannten Laser mit konischer Form des Pumpmantels ist die Pumplichtzone bei der Erfindung so ausgelegt, dass sie zur Lichtführung geeignet ist. Das bedeutet, dass eine Mehrfachreflexion innerhalb der Pumplichtzone möglich ist. Insbesondere ist hierzu an der der Aktivzone zugewandten Mantelfläche ein „Brechzahlsprung nach unten" vorgesehen. Das bedeutet, dass die an diese Mantelfläche angrenzende Trennzone einen kleineren Brechungsindex aufweist als die Pumplichtzone. Sofern die Pumplichtzone schichtförmig mit einer inneren und einer äußeren Mantelfläche ausgebildet ist, ist beiderseits ein Brechzahlsprung nach unten vorzusehen, um die Bedingung für eine Lichtführung (durch Mehrfachreflexion) zu gewährleisten.
Ziel dieser Maßnahme ist somit, eine Mehrfachreflexion von Pumplicht-Moden und eine Führung des Pumplichts innerhalb der Pumplichtzone zu ermöglichen. Diese Maßnahme liegt nicht auf der Hand, denn das in der Pumplichtzone geführte
Pumplicht muss zur Anregung optisch aktiver Substanzen letztlich in die Aktivzone gelangen, damit es seinen bestimmungsgemäßen Zweck erfüllen kann.
Um dies zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich zumindest über einen Teil der Länge der Pumplichtzone - nämlich über die Auskoppelstrecke - die Bedingungen für die Reflexion des geführten Pumplichts so ändern, dass Pumplicht in definierter Art und Weise nach und nach in die Aktivzone gelangt. Dies bewirkt eine gleichmäßige Aktivierung der optisch aktiven Substanzen über der Länge der betreffenden Auskoppelstrecke und führt zu einem höheren Wirkungsgrad des eingestrahlten Pumplichts. Für die allmähliche und definierte Auskopplung von Pumplicht aus der Pumplichtzone in die Aktivzone ist eine Vielzahl von Maßnahmen geeignet, die vorzugsweise eine oder mehrere der folgenden Varianten umfassen:
(a) die Pumplichtzone weist über die Auskoppelstrecke eine in Richtung der Längsachse variierende Dicke auf,
(b) die Pumplichtzone weist über die Auskoppelstrecke einen in Richtung der Längsachse variierenden Brechungsindex nP auf,
(c) die Trennzone weist mindestens über die Auskoppelstrecke einen in Richtung der Längsachse variierenden Brechungsindex nj auf, und/oder (d) die Pumplichtzone weist über die Auskoppelstrecke eine Biegung auf, (e) die Pumplichtzone weist über die Auskoppelstrecke Streuzentren auf.
Bei der besonders bevorzugten Variante (a) ist eine Änderung der Dicke der Pumplichtzone in axialer Richtung vorgesehen. Die Dicke der Pumplichtzone nimmt dabei in Hauptausbreitungsrichtung der Pumplichtstrahlung ab. Im ein- fachsten Fall ist die Dickenänderung als konische Verjüngung der Pumplichtzone in Ausbreitungsrichtung des geführten Pumplichts oder ziehzwiebelähnliche Verjüngung mit so genannter „Taperform" ausgeführt.
Bei der bevorzugten Variante (b) ist vorgesehen, dass sich der Brechungsindex der Pumplichtzone in axialer Richtung verändert. Dies führt dazu, dass sich die Bedingungen für eine Reflexion des Pumplichtes an der Grenzfläche zur Trennzone ändern, und es dadurch zu einer allmählichen Auskopplung des Pumplichts in die Trennzone kommt. Der Brechungsindex der Pumplichtzone nimmt hierzu in Hauptausbreitungsrichtung der Pumplichtstrahlung ab.
Die gleiche Wirkung wird erzielt, wenn sich gemäß bevorzugter Variante (c) der Brechungsindex nγ der Trennzone über mindestens einen Teil ihrer Länge ändert, insbesondere wenn der Brechungsindex der Treπnzone mindestens über einen Teil ihrer Länge - in Richtung zum Auskoppelende gesehen - zunimmt.
Durch die - kontinuierlich oder schrittweise - axiale Änderung des Brechungsindex gemäß den Varianten (b) und (c) reduziert sich die NA der Pumplichtzone über die Auskoppelstrecke, so dass eine gleichmäßige Einkopplung von Pumplicht in die Aktivzone auch dann erfolgen kann, wenn die Dicke der Pumplichtzone über den betreffenden Längenabschnitt konstant ist.
Die Änderung des Brechungsindex in Richtung der Längsachse wird beispielswei- se bei der Herstellung der Pumplichtzone mittels eines üblichen Abscheideverfahrens von synthetischem, dotiertem SiO2 (OVD, VAD, MCVD) dadurch erzeugt, dass die Konzentration des Dotierstoffs über der Längsachse variiert wird.
Alternativ oder ergänzend dazu erfolgt die Auskopplung von Pumplicht aus der Pumplichtzone gemäß Variante (d), indem diese gebogen wird - beispielsweise in Form einer Spule oder einer Spirale. In dem Fall weicht die „Richtung" der Lichtführung in der Pumplichtzone von der geraden Hauptausbreitungsrichtung der Pumplichtstrahlung ab, so dass sich für das in der Pumplichtzone geführte Pumplicht die Reflexionsbedingungen in axialer Richtung laufend ändern, so dass Pumplicht-Moden je nach Grad der Biegung definiert und nach und nach in die Trennzone eintreten können.
Bei einer weiteren Variante zur Auskopplung von Pumplicht aus der Pumplichtzone die Trennzone in die Aktivzone ist vorgesehen, dass die Pumplichtzone mindestens über einen Teil ihrer Länge Streuzentren aufweist.
An den Streuzentren kommt es zu einer gerichteten oder ungerichteten Reflexion der Pumplichtstrahlung, die auch Lichtmoden erzeugt, für die die Bedingungen für eine Totalreflexion an der Grenzfläche zur Trennzone nicht erfüllt sind, so dass diese Lichtmoden über die Trennzone in die Aktivzone gelangen. Die Streuzentren werden durch gleichmäßig oder statistisch verteilte Bereiche mit anderem Brechungsindex als demjenigen der Pumplichtzone erzeugt. Die Bereiche können durch amorphe oder kristalline Partikel gebildet werden, beispielsweise durch Gra- fit-Partikel.
Bei allen Varianten, die auch gemeinsam vorgesehen sein können, kann die betreffende Änderung (Dicke der Pumplichtzone / Brechungsinriex / Biegung) kontinuierlich, schrittweise oder auch unregelmäßig über die Länge der Pumplichtzo- ne beziehungsweise der Trennzone einmal oder mehrmals hintereinander erfolgen.
Ziel dieser Maßnahmen ist es, die Bedingungen für die Reflexion über die Länge der betreffenden Aktivierungs-Teilstrecke so zu verändern, dass sich für verschie- dene, innerhalb der Pumplichtzone geführte Pumplicht-Moden axial unterschiedliche Orte ergeben, an denen die Auftreffwinkel der Lichtmoden zu der der Aktivzone zugewandten Mantelfläche zu steil für Totalreflexion sind.
Die Gewährleistung der Lichtführung innerhalb der Pumplichtzone einerseits und die axiale Änderung der Bedingungen für die Reflexion an der Grenzfläche ande- rerseits, führen dazu, dass die unterschiedlichen Lichtmoden des Pumplichts an axial unterschiedlichen Orten in die Aktivzone eintreten. Wird das Pumplicht mit unterschiedlichen Winkeln stirnseitig in die Pumplichtzone eingekoppelt, ergibt sich je nach Einkoppelwinkel eine andere Stelle, an der die Bedingung für die Totalreflexion nicht mehr erfüllt ist, und das Pumplicht in die Aktivzone eindringt. Dies bewirkt eine gleichmäßige Aktivierung der optisch aktiven Substanzen über der Länge der Auskoppelstrecke und führt zu einem höheren Wirkungsgrad des eingestrahlten Pumplichts.
Die Pumplichtzone hat somit die Aufgabe, das Pumplicht zu führen. Dabei wird zum Führen des Lichtes der physikalische Effekt der Totalreflexion genutzt. Um dennoch ein Eindringen der Pumplicht-Moden in die Aktivzone zu ermöglichen, sind eine oder mehrere der oben genannten Maßnahmen (a) bis (d) vorgesehen, die bewirken, dass das Pumplicht nach jeder Reflexion in immer steilerem Winkel auf die Grenzfläche zum Medium mit dem Brechungsindex nr trifft. Sobald der Einfallswinkel (Winkel zwischen einfallendem Pumplichtstrahl und der Grenzflächen- normalen) kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion wird, ist die Bedingung für Totalreflexion nicht mehr erfüllt und das Pumplicht kann in die Aktivzone eindringen und diese optisch pumpen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lasers yreπzi die Treππzone unmittelbar an die Aktivzone an. Die Trennzone trägt dabei unmittelbar zur Führung der Strahlung in der Aktivzone bei.
Dabei hat es sich besonders bewährt, wenn die Trennzone an die Pumplichtzone und an die Aktivzone unmittelbar angrenzt, wobei der Brechungsindex nτ der Trennzone kleiner als nP und kleiner als nL ist
Die Trennzone trägt dadurch gleichzeitig zur Lichtführung des Pumplichts in der Pumplichtzone und zur Führung der Strahlung in der Aktivzone bei und sie gewährleistet außerdem einen unmittelbaren und ungestörten Übergang des in die Trennzone eingetretenen Pumplichts in die Aktivzone.
Die geeignete Dicke der Trennzone hängt von der Dicke des optisch aktiven Bauteils ab. Bei einem optisch aktiven Bauteil in Form einer Faser hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Trennzone eine Dicke von mindestens 5 μm aufweist.
Vorzugsweise bestehen die Pumplichtzone, die Trennzone und die Aktivzone aus Quarzglas und bilden integrale Zonen eines monolithischen Quarzglaskörpers.
Die Ausbildung der Zonen aus ein und demselben Grundwerkstoff - nämlich dotiertem oder undotiertem Quarzglas - erleichtert die Herstellung und vermeidet weitgehend Probleme infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen. Die Zonen sind integrale Bestandteile des optisch aktiven Bauteils, so dass jeglicher Aufwand für eine Justierung der Zonen zueinander entfällt. Der Brechungsindex von Quarzglas kann durch Zugabe von Dotierstoffen oder durch Mikrostrukturie- rung abgesenkt und erhöht werden. Unter „Quarzglas" wird hier auch ein hochkie- selsäurehaltiges Glas mit einem SiO2-Anteil von mindestens 80 Gew.-% verstanden.
Im Hinblick auf einen niedrigen Brechungsindex nτ der Trennzone hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Trennzone aus Quarzglas besteht, das mit Fluor dotiert ist.
Fluor bewirkt eins Absenkung dec Ercchungsinc-sx von Quarzglas und lässt sich auch in hohen Konzentrationen bis zu 9 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich zwi- sehen 1 bis 5 Gew.-%, vergleichsweise einfach und homogen in Quarzglas einbringen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optisch aktiven Bauteils grenzt die Pumplichtzone mit einer der Aktivzone abgewand- ten Mantelfläche an ein Außenmedium mit einem Brechungsindex ΠA an, wobei gilt: nA < nτ.
Die Pumplichtzone ist hierbei im radialen Querschnitt ringförmig ausgebildet und sie grenzt mit ihrem Innenmantel an die Trennzone, und mit ihrem Außenmantel an ein Außenmedium an. Die Brechzahl nA des Außenmediums ist dabei vor- zugsweise möglichst niedrig gewählt und insbesondere möglichst viel niedriger als IT1-. Wenn sich die Grenzwinkel der Totalreflexion der Grenzfläche Trennzone /Pumplichtzone und der Grenzfläche Pumplichtzone/Außenmedium stark unterscheiden, kann ein Austreten des Pumplichts in das Außenmedium einfacher unterbunden werden.
Im Hinblick hierauf hat es sich bewährt, wenn der Unterschied der Brechungsindizes zwischen nA und nj mindestens 0,003 beträgt.
Um die gesamte Pumpstrahlung aus dem Bereich der Pumplichtzone in die Aktivzone zu leiten, sind die Brechungsindizes von Pumplichtzone und Trennzone im Bereich des Auskoppelendes möglichst gleich groß (+/-0,1 % bezogen auf den hö- heren der beiden Brechungsindizes) und gleichzeitig kleiner als der Brechungsindex nL der Aktivzone.
Zu diesem Zweck wird der Brechungsindex der Trennzone über eine Teillänge der Auskoppelstrecke oder bevorzugt sukzessive erhöht oder - vorzugsweise - der Brechungsindex der Pumplichtzone wird lokal oder sukzessive verringert, oder es werden beide Maßnahmen vorgenommen. Wenn der Brechungsindex der Treπn- zone im Bereich desjenigen der Pumplichtzone liegt ist eine Lichtführung durch Mehrfachreflexion in der Pumplichtzone nicht mehr möglich, so dass das restliche Pumplicht in die Aktivznnfi Herrn Rmr.hunπsinHpnt hnhe»r ist θ's d<?r vnn Trpnnznne und Pumplichtzone, gelangt. Die Kühlung des optisch aktiven Bauteils kann über die Pumplichtzone mittels Luft- oder Flüssigkeitskühlung erfolgen. Es wird jedoch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen optisch aktiven Bauteils bevorzugt, bei der das Außenmedium in Form eines Außenmantels ausgebildet ist, der vorzugsweise mit einer metalli- sehen Oberflächenschicht versehen ist.
Die Pumplichtzone ist hierbei von einem Außenmantel mit einem niedrigeren Brechungsindex ΠA versehen, der zur Führung des Pumplichts in der Pumplichtzone beiträgt. Diese Ausführungsform ermöglicht eine Kühlung des optisch aktiven Bauteils über eine direkte Anbindung an den Außenmantel beziehungsweise an eine metallische Oberflächenschicht auf dem Außenmantel. Über diese metallische Oberflächenschicht ist eine besonders gute wärmeableitende Verbindung zu einem Kühlkörper möglich, wie etwa eine Lötverbindung.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des optisch aktiven Bauteils ist die der Aktivzone abgewandte Mantelfläche der Pumplichtzone mit einer Metall- schicht versehen.
Die Metallschicht kann hierbei sowohl der Wärmeableitung als auch als Verspie- gelung dienen, so dass auch bei Kontakt mit Medien mit höherem Brechungsindex, wie zum Beispiel Verschmutzungen oder Halterungen, die Lichtführung in der Pumplichtzone erhalten bleibt.
Insbesondere im Hinblick auf eine optimale Kühlung des optisch aktiven Bauteils bei einer Ausführungsform des optisch aktiven Bauteils mit einer in Richtung der Längsachse gesehen variierenden Dicke der Pumplichtzone hat es sich außerdem als günstig erwiesen, wenn die Schichtdicke des Außenmantels derart ausgelegt ist, dass sich in axialer Richtung ein konstanter Außendurchmesser des optisch aktiven Bauteils ergibt.
Dabei wird der variable Dickenverlauf der Pumplichtzone durch den Außenmantel so kompensiert, dass sich ein axial gleichmäßiger Gesamt-Außendurchmesser des opt'sch βktivβn Beutel'? βrr|ibt. D'ΘS e^eichte^ d'β Hβndh?>hιιnπ H<=»S optisch aktiven Bauteils und erweist sich insbesondere für ein zylinderförmiges optisch aktives Bauteil mit geringem Außendurchmesser (weniger als 2,5 mm) als günstig, das an einem planen Kühlkörper anliegt oder zwischen zwei Kühlkörpern gewickelt verlegt werden kann. Wegen des gleichmäßigen Außendurchmessers wird ein gleichmäßiger Wärmeübergang vom optisch aktiven Bauteil zum Kühlkörper ermöglicht. Das optisch aktive Bauteil kann auch hierbei mit einer metallischen Beschichtung versehen sein. Um den Wärmeübergang weiter zu verbessern, ist eine beidseitige thermische Anbindung des Außenmantels durch Einfügen von weichen Metallfolien (zum Beispiel aus Indium) oder mittels Lötverbindung geeignet.
Insbesondere bei einem zylinderförmigen optisch aktiven Bauteil mit einem maxi- malen Außendurchmesser von 2,5 mm oder weniger ist vorzugsweise eine Außenschicht aus einem Kunststoff und/oder aus Carbon vorgesehen.
Die Außenschicht aus einem Kunststoff (Polymer-Coating) ermöglicht - bei ausreichend geringem Außendurchmesser des optisch aktiven Bauteils - ein „Aufwickeln" wie dies auch sonst von optischen Fasern bekannt ist. Mittels eines Verfah- rens wie es in der DE 10 2004 051 294 A beschrieben ist, ist auch bei größerem Durchmesser (mehr als 2,5 mm) ein Heißverformen des optisch aktiven Bauteils zu einer Spule möglich (auch ohne ein Polymer-Coating). Eine alternativ oder ergänzend dazu vorgesehene Beschichtung mit Carbon verhindert in erster Linie ein Eindiffundieren von Verunreinigungen in die Faser.
Es hat sich auch bewährt, wenn die Aktivzone, die Trennzone, die Pumplichtzone - und/oder ein gegebenenfalls vorhandener Außenmantel - mikrostrukturiert ausgeführt sind.
Die Lichtführung in einem mikrostrukturierten optischen Bauteil (Faser, Vorform, Stab) wird durch Hohlräume beeinflusst, die das Bauteil über dessen gesamte Länge durchziehen, und die in einer bestimmten geometrischen Anordnung um den Kernbereich angeordnet sind. Beispiele einer mikrostrukturierten optischen Faser sind in der DE 10 2006 019 333 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hinsichtlich der Ausbildung und Herstellung derartiger Bauteile hiermit einbezogen wird. Die Mikrostrukturierung - zum Beispiel durch den Einsatz mehrerer Stäbe mit unterschiedlichem Brechungsindex zur Herstellung der Aktivzone (so genannte „Mul- tifilamentkeme" - erlaubt neben der feineren Einstellung der Brechzahl auch eine definierte Einstellung der Dotierung in radialer Richtung, wie etwa einen zentral höheren Brechungsindex zur Bevorzugung des zentral geführten Grundmodes.
Es hat sich bewährt, wenn die Auskoppelstrecke eine Länge im Bereich von 0,1 m bis 100 m, vorzugsweise eine Länge von mindestens 1m, aufweist.
Die Pumplichtleistung wird über die Länge der Auskoppelstrecke in die Aktivzone möglichst vollständig ausgekoppelt. Eine lange Auskoppelstrecke erleichtert die axiale Vergleichmäßigung der ausgekoppelten Pumplichtleistung, so dass sich eine zwar im Mittel verhältnismäßig geringe Pumplichtleistung, jedoch eine entsprechend lange Strecke der gepumpten Aktivzone ergeben. Andererseits unterliegt auch das Pumplicht in der Pumplichtzone einer optischen Dämpfung. Der angegebene Längenbereich für die Auskoppelstrecke stellt insoweit einen geeig- neten Kompromiss dar. Im Hinblick darauf hat es sich auch bewährt, wenn das in der Pumplichtzone geführte Licht über die Auskoppelstrecke mit einer Auskoppelrate ausgekoppelt wird, die durch eine mittlere Intensitätsabnahme von mindestens 1 %/m (bezogen auf den Intensitätswert vor Beginn der Auskoppelstrecke) gekennzeichnet ist.
Bei einer mittleren Intensitätsabnahme von weniger als 1 %/m ergibt sich für eine vollständige Auskopplung des Pumplichts eine Lichtführung in der Pumplichtzone über eine Auskoppelstrecke mit einer Länge von mehr als 100m, was -je nach Art des optisch aktiven Bauteils und der Pumplichtzone - mit einem merklichen Verlust durch optische Dämpfung des Pumplichts einhergehen kann. In dem Zusammen- hang hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn das in der Pumplichtzone geführte Licht über die Auskoppelstrecke mit einer Auskoppelrate ausgekoppelt wird, die durch eine mittlere Intensitätsabnahme von maximal 10%/cm, vorzugsweise maximal 1%/cm, (bezogen auf den Intensitätswert vor Beginn der Auskoppelstrecke) gekennzeichnet ist.
Bei einer mittleren Intensitätsabnahme von mehr als 10%/cm ergibt sich eine Lichtführung in der Pumplichtzone über eine Auskoppelstrecke mit einer Länge von weniger als 10 cm, was mit einer vergleichsweise hohen mittleren Intensität des in die Aktivzone ausgekoppelten Pumplichts einhergeht.
Im Fall, dass sich die Pumplichtzone über die Auskoppelstrecke konisch verjüngt, ist der Konuswinkel vorzugsweise kleiner als 0,1 rad.
Der geeignete Konuswinkel hängt von der Länge der Auskoppelstrecke und der Stärke der Trennschicht ab. In den meisten Fällen genügt ein geringer Konuswinkel unterhalb von 0,1 rad (etwa 5 Grad), um das gewünschte allmähliche aber vollständige Auskoppeln von Pumplicht über die Trennzone in die Aktivzone zu erreichen. Bei Konuswinkeln von weniger als 0,002 mrad ergibt sich jedoch keine nennenswerte Auskopplung von Pumplicht mehr.
Im Hinblick auf eine effektive Auskopplung des Pumplichts aus der Pumplichtzone wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils besonders bevorzugt, bei der die Pumplichtzone mindestens über einen Teil der Auskoppelstrecke einen radialen Querschnitt aufweist, der von einer Kreisringform abweicht, und insbesondere einen radialen Querschnitt in Form eines Kreisrings mit mindestens einer Außenabflachung.
Die Abweichung von der Kreisringform bewirkt eine Veränderung der Lichtführung innerhalb der Pumplichtzone. Insbesondere werden dadurch Lichtmoden (so genannte Helixmoden) behindert und geändert, die nicht ohne weiteres in den Kern eingekoppelt werden können. Die Geometrieänderung der Pumplichtzone trägt insoweit zu einem effektiveren Auskoppeln des Pumplichts bei. Eine einfache und besonders wirksame Geometrieänderung gegenüber einer einfachen Kreisringform wird dadurch erzeugt, dass der Außenmantel der Pumplichtzone an einer Seite oder an mehreren (vorzugsweise gegenüberliegenden) Seiten plan geschlif- fen wird, und so eine oder mehrere Abflachungen der Kreisringform erzeugt werden. Die Ausführungsform mit einer Abflachung wird in der Literatur auch als „D- Form" bezeichnet, diejenige mit zwei gegenüberliegenden Abflachungen auch als „Doppel-D-Form". Die D-Form und Doppel-D-Form der Pumplichtzone haben sich insbesondere in Verbindung mit einer sich verjüngenden Querschnittsfläche der Pumplichtzone als besonders günstig erwiesen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optisch aktiven Bauteils ist der Brechungsindex nP der Pumplichtzone niedriger ist als der Brechungsindex nL der Aktivzone.
Dadurch wird gewährleistet, dass die Lichtführung in der Aktivzone besser ist als die Lichtführung in der Pumplichtzone, wodurch eine Übertragung von Lichtrmo- den von der Aktivzone in die Pumplichtzone vermieden wird. Diese Maßgabe gilt mindestens über einen Teil der Länge der Auskoppelstrecke.
Bei einer alternativen und gleichermaßen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils ist vorgesehen, dass der Brechungsindex nP der Pump- lichtzone größer ist als der Brechungsindex nL der Aktivzone.
Üblicherweise wird eine möglichst hohe Strahlqualität des in der Aktivzone geführten Lichtstrahls angestrebt. Zu diesem Zweck ist die numerische Apertur der Aktivzone möglichst klein zu halten, was aber durch den niedrigen Brechungsindex der Trennzone begrenzt wird. Diesem Effekt kann dadurch entgegengewirkt wer- den, dass der Brechungsindex np der Pumplichtzone größer ist als der Brechungsindex nι_ der Aktivzone. Somit wird trotz wirksamer Trennzone eine besonders gute Strahlqualität erzielt.
Hinsichtlich des Lasersystems wird die oben angegebene technische Aufgabe ausgehend von einem Lasersystem der eingangs genannten Gattung erfindungs- gemäß dadurch gelöst, dass das optisch aktive Bauteil als ein eine Trennzone aufweisendes seitengepumptes optisch aktives Bauteil gemäß der Erfindung ausgebildet ist, bei dem Pumplichtzone, Aktivzone und Trennzone integrale Zonen eines monolithischen Körpers bilden.
Die Trennzone weist einen kleineren Brechungsindex als das Material der Aktiv- zone auf und sie trägt somit zur Lichtführung in der Aktivzone bei. Außerdem grenzt die Trennzone unmittelbar oder mittelbar an die Pumplichtzone und trägt somit auch zur Lichtführung in der Pumplichtzone bei.
Die Pumplichtzone erstreckt sich mindestens über eine Teillänge der Aktivzone (=Auskoppelstrecke). Wesentlich ist dabei, dass die Pumplichtzone zur Lichtfüh- rung geeignet ist, also eine Mehrfachreflexion innerhalb der Pumplichtzone ermög- licht, und dass gleichzeitig Maßnahmen vorgesehen sind, die eine definierte und reproduzierbare Auskopplung von Pumplicht in die Aktivzone gewährleisten, wie dies oben anhand des erfindungsgemäßen optisch aktiven Bauteils näher erläutert ist. Dabei sind Aktivzone, Trennzone und Pumplichtzone integraler Bestandteil des optisch aktiven Bauteils, so dass jeglicher Aufwand für eine Justierung der Zonen zueinander entfällt. Das Bauteil besteht vorzugsweise aus Quarzglas.
Die Lichtführung in der Pumplichtzone und die definierte axiale Auskopplung des Pumplichts bewirken eine gleichmäßige Aktivierung der optisch aktiven Substanzen über der Länge der betreffenden Auskoppelstrecke und tragen so zu einem hohen Wirkungsgrad des eingestrahlten Pumplichts bei, wobei Beeinträchtigungen der Kernzone im Bereich der Einkoppelstelle des Pumplichts und das Auftreten nicht-linearer Effekte vermieden werden.
Das Einkoppelende für das Pumplicht ist eines der beiden stirnseitigen Enden des Lasers oder es sind beide Enden.
Unter dem Begriff Lasersystem werden hier Systeme verstanden, bei denen das optisch aktive Bauteil ein Laser , ein optischer Verstärker oder eine Superiumines- zenzquelle ist.
In Verbindung mit einer im Wesentlichen ringförmigen Pumplichtzone, bei der die Pumplichtzone am Einkoppelende eine Kontur umfasst, hat es sich als günstig erwiesen, wenn die radiale Intensitätsverteilung des Pumplichts an diese Kontur derart angepasst ist, dass das Maximum oder die Maxima der Intensitätsverteilung innerhalb der Kontur liegen.
Dadurch, dass die Intensitätsverteilung des Pumplichts an die im wesentlichen ringförmige Querschnittsfläche (Kontur) der Pumplichtzone angepasst ist, derart, dass das Intensitätsmaximum oder die Intensitätsmaxima innerhalb der Ringkontur liegen, wird eine Belastung der Aktivzone durch die energiereiche Pumplichtstrahlung weitgehend vermieden.
In dem Zusammenhang hat es sich sonders bewährt, wenn die radiale Intensitätsverteilung des Pumplichts an die Kontur derart angepasst ist, dass die Pumplicht- zone mit mindestens 75%, vorzugsweise mindestens 85% der Intensität des Pumplichts beaufschlagt wird, und/oder wenn die radiale Intensitätsverteilung des Pumplichts an die Kontur derart angepasst ist, dass die Aktivzone mit weniger als 10%, vorzugsweise mit weniger als 5% der Intensität des Pumplichts beaufschlagt wird.
Als Pumplichtquelle sind vorzugsweise Licht emittierenden Dioden (LEDs) oder Laser, insbesondere Laserdioden, vorgesehen.
Ausführunqsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt anhand schematischer Darstel- lung im Einzelnen:
Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen optisch aktiven Bauteils in Form einer Laserfaser mit einer im radialen Querschnitt ringförmigen und im axialen Querschnitt konischen Pumplichtzone,
Fig. 2 das radiale Brechzahlprofil der Ausführungsform gemäß Fig. 1. Fig. 3 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen optisch aktiven Bauteils in Form einer Laserfaser mit einer im radialen Querschnitt kreisförmigen und im axialen Querschnitt konischen Pumplichtzone,
Fig. 4 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen optisch aktiven Bauteils in
Form eines Lasers mit einem insgesamt konischen axialen Querschnitt von Pumplichtzone, Trennzone und Aktivzone,
Fig. 5 die Ausführungsform des optisch aktiven Bauteils gemäß Fig. 1 in Form einer Laserfaser, die außerdem mit einer Kunststoffbeschichtung versehen ist, in einem radialen Querschnitt,
Fig. 6 eine Ausführungsform des optisch aktiven Bauteils gemäß der Erfindung mit einem zusätzlichen Außenmantel und einer metallischen Oberflächenschicht in einem radialen Querschnitt,
Fig. 7 eine zylinderförmige Ausführungsform des erfindungsgemäßen optisch aktiven Bauteils in Form eines Lasers in einem axialen Querschnitt, Fig. 8 eine alternative Ausführungsform eines radialen Brechzahlprofils einer Laserfaser,
Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel für ein Lasersystem gemäß der Erfindung unter Einsatz eines Lasers mit Doppel-D-förmiger Pumplichtzone,
Fig. 10 eine vergrößerte Draufsicht auf die Einkoppel-Stirnseite des Lasers von Figur 9, und
Fig.11 die Intensitätsverteilung über der Einkoppel-Stirnseite des Lasers der Figuren 9 und 10.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine Laserfaser gemäß der Er- findung. Der laseraktive Kern 1 ist zylinderförmig ausgebildet und erstreckt sich entlang der Längsachse 9. Er ist über seine gesamte Länge umhüllt von einer Trennschicht 2 und einem Pumpmantel 3.
Der Kern 1 besteht aus laseraktivem Quarzglas, das mit 0,25 mol-% Yb2O3 und mit 1 ,0 mol-% AI2O3 dotiert ist. Der Brechungsindex des Kern-Quarzglases ist gering- fügig größer als der von undotiertem Quarzglas. Er hat einen Durchmesser von 0,1 mm und seine numerische Apertur (NA) beträgt 0,2. Die Trennschicht 2 gibt über die numerische Apertur, die sich aus den Brechzahlen des Kerns 1 und der Trennschicht 2 ergibt, den maximalen Öffnungswinkel der emittierten Laserstrahlung 5 vor (die NA der Laserfaser). Im laseraktiven Kern 1 wird die zu emittierende Laserstrahlung 5 durch optisches Pumpen über den Pumpmantel 3 erzeugt.
Die den Kern 1 umhüllende Trennschicht 2 besteht aus Quarzglas, das mit 4 Gew.-% Fluor dotiert ist und das einen um 14 x 10"3 niedrigeren Brechungsindex als undotiertes Quarzglas aufweist. Der niedrigere Brechungsindex der Trennschicht 2 bewirkt, dass die erzeugte Laserstrahlung im Kern 1 geführt wird.
Der Pumpmantel 3 besteht aus undotiertem Quarzglas. Seine dem Kern 1 zugewandte Mantelfläche 10 grenzt unmittelbar an die Trennschicht 2 an, und seine dem Kern 1 ahgewanHte Mantelfläche 11 grenzt an Luft. Der Piirnpmante! 3 ist konisch ausgeführt, wobei seine Dicke über eine Länge von 20 m von der Einkoppelstirnseite 6 für das Pumplicht 8 bis zur Auskoppelstirnseite 7 für das Laserlicht von 1 mm auf 100 μm kontinuierlich abnimmt. Der Konuswinkel beträgt somit etwa 0,02 mrad.
Durch diese Einstellung der Brechungsindizes des Kerns 1 und der Trennschicht 2 kann die NA der Laserfaser über einen weiten Bereich unabhängig von der Brech- zahl des Pumpmantels 3 eingestellt werden. Weiterhin bewirkt die Brechzahlabsenkung der Trennschicht 2, dass das Pumplicht 8 im Pumpmantel 3 so lange geführt wird, bis die Bedingung für die Totalreflexion nicht mehr erfüllt ist und die Pumpstrahlung in den Kern 1 eindringen kann.
Bis zum Eintreten dieser Bedingung wird das Pumplicht 8 im Pumpmantel 3 ge- führt. Durch dessen konische Form kommt es bei jeder Reflexion an den Grenzflächen zu Außenmedium 4 und Trennschicht 2 zu einem zunehmend steileren Reflexionswinkel. Wird der Reflexionswinkel nach mehreren Reflexionen zu steil, ist die Bedingung der Totalreflexion zwischen Pumpmantel 3 und Trennschicht 2 nicht mehr erfüllt, und die Pumpstrahlung 8 kann durch die Trennschicht 2 in den Kern 1 eindringen und eine Besetzungsinversion im aktiven Kern 1 auslösen, wodurch sich bei genügend hoher Anregungsleistung die Laseremission 5 ergibt.
Das Außenmedium 4 ist im Ausführungsbeispiel Luft, deren Brechzahl (n =1 ) niedriger ist als derjenige der Trennschicht 2. Dadurch wird verhindert, dass das Pumplicht 8 nach mehreren Reflexionen zwar in Richtung der Trennschicht 2 aber nicht in Richtung des Außenmediums 4 austreten kann.
Bei einer alternativen Ausführungsform zeigt der Pumpmantel 3 anstelle einer sich in Richtung zum Auskoppelende 7 hin linear verjüngenden, kegelförmigen Ausbildung einen sich in Richtung zum Auskoppelende 7 hin nicht linear verjüngenden, gekrümmten Verlauf. Ein derartiger Verlauf ergibt sich beispielsweise beim Elon- gieren eines Glaszylinders in Form einer Ziehzwiebel oder eines so genannten „Tapers".
Fig. 2 zeigt den radialen Brechungsindexverlauf über die Laserfaser entlang der Linie A-A' in schematischer Darstellung, wobei die jeweiligen radialen Faserbersi- che Luft 4, Pumpmantel 3, Trennschicht 2 und Kern 1 mit den jeweiligen Bezugs- Ziffern gekennzeichnet sind. Das Pumplicht 8 wird an der Einkoppelseite 6 (über die größere der beiden kreisförmigen Endflächen 6 des Pumpmantels 3) eingekoppelt. Die NA des eingekoppelten Pumplichts 8 ist dabei an die NA des Pumpmantels 3 so angepasst, dass eine gleichmäßige Einkopplung des Pumplichts 8 durch die Trennschicht 2 hin- durch über die volle Länge des Kerns 1 erreicht wird. Das Pumplicht 8 kann hierbei vollständig oder nur partiell die konische Endfläche 6 bestrahlen. Vorzugsweise wird das Pumplicht 8 so in den Pumpmantel 3 eingestrahlt, dass der Bereich der aktiven Kernfläche nicht oder möglichst wenig mit Pumplicht 8 beaufschlagt wird. Diese Maßnahme wird weiter unten anhand Fig. 8 noch näher erläutert. Die Kühlung des Stabes erfolgt über die konischen Pumpmantelflächen des Stabes und kann mittels Luft- oder Flüssigkeitskühlung ausgeführt sein.
Die Endflächen des konischen Pumpmantels 3 können als Resonatorspiegel ausgeführt sein. Hierbei ist auf der pumpseitigen Endfläche 6 eine Antireflex- Beschichtung für die Pumplichtwellenlänge und eine hochreflektierende Beschich- tung erforderlich. In dieser Konfiguration erfolgt die Auskopplung der Laserstrahlung 5 über die kleinere Konusendfläche 7, die mit einer geeigneten teiltransmittie- renden Auskoppelspiegelschicht versehen ist. Anstelle einer Beschichtung können auch entsprechende Spiegel ein- oder beidseitig als separate Bauteile ausgeführt sein.
Bei einer alternativen Ausführungsform sind eine oder beide Endflächen beziehungsweise dort vorgesehen Resonatorspiegel schräg zur Längsachse des aktiven Kerns angeordnet, wie dies bei optischen Verstärkern oder so genannten Su- perlumineszeπzquellen bekannt ist. Im einfachsten Fall genügen die Faserendflächen (plan für Laser, schräg für optische Verstärker oder für Superlumineszenz- quellen) auch ohne Antireflexbeschichtung oder ohne hochreflektierende Beschichtung bereits einer Anforderung als "Resonator".
Es ist möglich, eine passive Faser an die der Pumpseite zugewandte Konusendfläche 6 zu spleißen. Weiterhin besteht die Möglichkeit über "Fibre Grätings" die Funktion des Endspiegels in die passive Faser zu integrieren.
Bei konischen Lasern ist es möglich, das verstärkte Laserlicht an der großen Stirnfläche, an der kleinen Stirnfläche oder an beiden Stirnflächen zu extrahieren. E- benso ist es möglich, den Laser von der großen Stirnfläche aus, von der kleinen Stirnfläche aus oder von beiden Stirnflächen aus zu pumpen. Das beidseitige Pumpen ist vorteilhaft, um die Kemzone gleichmäßiger mit der Pumplichtstrahlung zu beaufschlagen.
Die Länge des optisch aktiven Bauteils kann in einem Bereich von einigen cm bis zu einigen Metern betragen. Der Durchmesser liegt typischerweise im Bereich von 0,5 - 10 mm. Im Ausführungsbeispiel hat die Laserfaser eine Länge von 20m und dies entspricht auch der Länge der Auskopplungsstrecke. Aufgrund der Einstrahlungsbedingungen und des Konuswinkels von etwa 0,02 mrad ergibt sich eine Auskoppelrate, die durch eine mittlere Intensitätsabnahme von etwa 6%/cm (bezogen auf den Intensitätswert vor Beginn der Auskoppelstrecke) gekennzeichnet ist, so dass bereits vor dem Ende der Auskoppelstrecke die in der Pumplichtzone geführte Intensität des Pumplicht nahe Null liegt.
In einer modifizierten Anordnung steigt der Brechungsindex der Trennschicht 2 von der Einkoppelseite 6 ausgehend in Richtung der Auskoppelseite 7 an. Hierbei reduziert sich die NA des Pumpmantels 3 über der Länge der Laserfaser, so dass eine gleichmäßige Einkopplung von Pumplicht 8 in den Kernbereich 1 erfolgt. In dieser Konfiguration kann auf eine konische Ausführung des Pumpmantels 3 verzichtet werden.
Um die gesamte Pumpstrahlung aus dem Bereich des Pumpmantels 3 in den Kern 1 zu leiten, sind die Brechungsindizes von Pumpmantel 3 und Trennschicht 2 im an der Auskoppelseite 7 etwa gleich groß. Die Brechungsindizes werden im Bereich der Auskoppelseite 7 daher sukzessive verringert, so dass an der Auskoppelseite näherungsweise gilt: Brechungsindex (Kern D > Brechungsindex (nPumpmantei 3 =nTrennschicht 2)-
Bei einer alternativen Ausführungsform des Lasers erfolgt die Führung und kontinuierliche Auskopplung von Pumplicht 8 aus dem Pumpmantel 3 in den Kern 1 durch einen variablen Brechungsindex im Bereich des Pumpmantels 3. Der Bre- üiϊünysiiiuex des Pumpmanteis nimmt dabei über die gesamte Länge des Lasers in Hauptausbreitungsrichtung der Pumplichtstrahlung ab, wohingegen die Trennschicht 2 in diesem Fall einen gleichmäßigen Verlauf des Brechungsindex über der Länge des Lasers aufweist. Der Brechungsindex des Pumpmantels 3 entspricht dabei im Bereich der Einkoppelseite 6 demjenigen von undotiertem Quarzglas und nimmt kontinuierlich bis auf -14 x 10"3 (gegenüber undotiertem Quarzglas) im Bereich der Auskoppelseite 7 ab. Auch in diesem Fall nähern sich auf der Auskoppelseite 7 die Brechungsindizes von Trennschicht 2 und Pumpmantel 2 an und sind im Idealfall identisch, um eine vollständige Einkopplung des Pumplichts 8 in den Kern 1 zu ermöglichen.
Bei einer weiteren, in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lasers, ist der laseraktive Kern 1 mikrostrukturiert ausgeführt. Er ist dabei von Hohlräumen durchzogen, die parallelen zur Längsachse 9 verlaufen. Dadurch wird eine zusätzliche Einstellgröße für den Brechungsindex zur Verfügung gestellt. Die Mikrostrukturierung des Laserkerns 1 erlaubt neben der feineren Einstellung der Brechzahl auch eine definierte Einstellung der Dotierung.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform handelt es sich um eine Laserfa- ser mit einer im radialen Querschnitt kreisförmigen Pumplichtzone 23, die von einer Trennschicht 22 und von einem laseraktiven, rohrförmigen Bereich 21 umgeben ist. Die Pumplichtzone 21 ist konisch mit sich vom Einkoppelende 6 zum Auskoppelende 7 verjüngenden Durchmesser ausgebildet. Die Wandstärken von Trennschicht 22 und laseraktivem Bereich 21 sind über die Länge der Laserfaser konstant.
Hinsichtlich der Materialien und Brechungsindizes von Pumplichtzone 23, Trennschicht 22 und laseraktiven Bereich 21 treffen die obigen Erläuterungen zur Ausführungsform gemäß den Figuren 1 und 2 zu. Die Abmessungen der Laserfaser gemäß Figur 3 ergeben sich durch Herunterskalieren der oben für den Stab ange- gebenen Abmessungen um den Faktor 6.
Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform eines Laserstabs zeigt eine stabförmi- ge Pumplichtzone 33, die sich vom Einkoppelende 6 zum Auskoppelende 7 verjüngt. Sie ist von einer Trennschicht 32 und von einem laseraktiven, rohrförmigen Bereich 31 umgeben, die sich ebenfalls sich vom Einkoppelende 6 zum Auskop- pelende 7 hin verjüngen. Hinsichtlich der Materialien, Abmessungen und Brechungsiπdizes von Pumplichtzone 33, Trennschicht 32 und laseraktiven Bereich 31 treffen die Erläuterungen zu der oben anhand der Figuren 1 und 2 beschriebenen Ausführungsform zu.
Fig. 5 zeigt einen radialen Querschnitt einer Laserfaser gemäß Fig. 1 , die wäh- rend des Elongierprozesses mit einem Kunststoffmantel 51 versehen worden ist. Die so erhaltene konische Laserfaserweist an ihrem breiten Ende einen Außendurchmesser von 1 ,7 mm auf. Sie ist biegsam, aufwickelbar und kann zum Beispiel als Faserverstärker eingesetzt werden.
Fig. 6 zeigt einen radialen Querschnitt eines Laserstabs, bei dem der Pumpmantel 3 mit einer dünnen Mantelschicht 61 aus Quarzglas mit einer Dicke im Bereich von mindestens 20 μm umgeben ist. Der Brechungsindex der Mantelschicht 61 ist durch Zudotieren von Fluor auf einen Wert unterhalb desjenigen der Trennschicht 2 abgesenkt, um die Führung der Pumplicht-Strahlung sicher zu stellen. Die Mantelschicht 61 ist außen mit einer Metallschicht 62 versehen. Zur Kühlung des La- sers wird mittels Lötverbindung ein Kühlkörper an die Metallschicht 62 angebunden.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform liegt der erfindungsgemäße Laser in Form einer Faser vor, die hinsichtlich Kern 1 , Trennschicht 2 und Pumpmantel 3 der Ausführungsform von Fig. 1 entspricht. Zusätzlich ist der Pumpmantel 3 von einer Mantelschicht 71 aus Quarzglas umgeben, deren Brechungsindex durch Zudotieren von Fluor auf einen Wert unterhalb desjenigen der Trennschicht 2 abgesenkt ist. Im Unterschied zur Mantelschicht 61 der Ausführungsform gemäß Fig. 6 ist die Mantelschicht 71 konisch ausgebildet, derart, dass ihre Dicke von der Einkoppelseite 6 bis zur Auskoppelseite 7 gleichmäßig zunimmt. Die Konizität der Mantelschicht 71 ist gleich groß derjenigen des Pumpmantels 2, so dass sich insgesamt ein gleichmäßiger Außendurchmesser der Laserfaser ergibt. Die Faser ist außerdem mit einer metallischen Beschichtung versehen. Sie kann gewickelt zwischen zwei Kühlplatten verlegt werden. Aufgrund des gleichmäßigen Durchmessers ist ein gleichmäßiger Wärmeübergang von der Faser zu den Kühlplatten möglich. Um eine optimale Anbindung an die Kühlplatte zu erlangen, ist eine beid- seitige thermische Anbindung über das Einfügen von weichen Indium Folien oder mittels Lötverbindung vorteilhaft.
Fig. 8 zeigt in schematischer Darstellung den radialen Brechzahlverlauf bei einer Laserfaser aus Quarzglas wie anhand Fig. 1 erläutert, mit dem Unterschied, dass der Brechungsindex des Pumpmantels 83 durch eine Dotierung mit Germaniumoxid auf einen Wert eingestellt ist, der höher liegt als die Brechungsindizes von Trennschicht 82 und Kern 81. Die Faser ist mit einem Kunststoffmantel 84 versehen, dessen Brechungsindex niedriger ist als derjenige der Trennzone 82.
Dieses Brechzahlprofil ermöglicht trotz wirksamer Trennzone 82 eine besonders gute Strahlqualität des im Kern geführten Laserlichts.
Das in Fig. 9 schematisch dargestellte Lasersystem 95 umfasst eine Laserfaser 90, die (wie Fig. 10 zeigt) aus einem laseraktivem Kern 91 , einer Trennschicht 92, einem Pumpmantel 93 und einer Außenschicht 94 aus Kunststoff besteht.
Zum Lasersystem 95 gehören außerdem ein Laserdiodenstapel 97aus acht La- serdioden, die ein Pumplicht mit einer Wellenlänge von 915 nm und einer Leistungsdichte von 2,5 kW//cm2 emittieren. Jeder Laserdiode des Laserdiodenstapels 97 ist eine stabförmige Mikrolinse 98 zugeordnet, über die die Pumplichtstrahlung
100 einem schematisch dargestellten Strahlformer 99 und einer Fokussierlinse
101 zugeführt und auf die Einkoppel-Endfläche der Laserfaser 90 fokussiert wird.
Über den Strahlformer 99 und die Fokussierlinse 101 kann das radiale Intensitätsverteil ungsprofi I der Pumplichtstrahlung 100 auf der Einkoppel-Endfläche eingestellt werden. Ein bevorzugtes Intensitätsverteilungsprofil ist kreisförmig mit einem dem Pumpmantel angepassten Durchmesser und mit einer in radialer Richtung im Wesentlichen konstanten Intensität. In einem Diagramm, in dem die Intensität über den Faserradius aufgetragen ist (Nullpunkt=Faserachse), zeigt dieses Intensitätsprofil ein Plateau auf etwa konstantem Niveau, das beiderseits im Bereich des Pumpmantelradius auf Null abfällt. Da es hierbei im Unterschied zu den ansonsten üblichen Pumplicht-Intensitätsverteilungfin in G^uß-Giocke^orrp, ein ausgeprägtes zentrales Maximum der Pumplicht-Intensitätsverteilung vermieden wird, wird der Kern mit lediglich etwa 1 % der insgesamt eingestrahlten Pumplichtleistung belastet.
Ein anderes bevorzugtes radiales Intensitätsverteilungsprofil der Pumplichtstrahlung 100 wird nachfolgend anhand der Figuren 9 bis 11 näher erläutert. Dieses Intensitätsverteilungsprofil zeichnet sich durch einen Doppelfokus aus. Zu diesem Zweck ist das Lasersystem 95 mit einem Prisma 102 ausgestattet, das zur Teilung des fokussierten Pumplichtstrahls eingesetzt wird. Es werden daher zwei Pumplichtstrahlen 105, 106 auf die Einkoppel-Endfläche des Lasers 90 fokussiert. Die Größe der Spots 107, 108 ist an die Querschnittsgeometrie des Pumpmantels im Bereich der Einkoppelstirπseite angepasst und beträgt jeweils 0,3 mm (Breite) x 0,8 mm (Länge). Die Spots 107, 108 sind dabei so angeordnet, dass ihre langen Achsen parallel zueinander verlaufen und zwischen ihnen der laseraktive Kern 91 des Lasers 90 angeordnet ist.
Die so erzielte radiale Intensitätsverteilung der Pumplichtstrahlung ist in der Drauf- sieht auf die Einkoppel-Stimfläche gemäß Fig. 10 erkennbar. Die im Querschnitt rechteckigen Pumplicht-Spots 97 sind so angeordnet, dass mehr als 99 % des Pumplichts direkt auf die Stirnfläche des Pumpmantels 93 abgegeben wird. Demgegenüber wird der Kern 91 mit weniger als 1% der Intensität des Pumplichts beaufschlagt.
Eine weitere Besonderheit des Pumpmantels 93 liegt darin, dass er am Einkoppelende eine von der Ringform abweichende radiale Querschnittsfläche aufweist, nämlich eine Kontur 98 in einer sogenannten Doppel-D-Form, bei der zwei sich gegenüberliegende Außenmantelflächen des Pumpmantels 93 als zueinander parallele Planseiten 96 ausgebildet sind. Der Pumpmantel 93 verjüngt sich vom Ein- koppelende zum Auskoppelende der Laserfaser mit einem Konuswinkel von 0,01 rad.
Das Diagramm von Fig. 11 zeigt das radiale Intensitätsverteilungsprofil der oben erläuterten Pumplichtstrahlung mit Doppelfokus. Die Strahlungsintensität I (in relativer Eiiiiieü) isi übei den Faserradius r aufgetragen, wooei der ι\ιuιιpunκt der Posi- tion der Faser-Längsachse entspricht. Das Intensitätsprofil zeigt zwei plateauähn- liche Intensitätsmaxima, die beide innerhalb des Bereichs des Pumpmantels liegen. Außerhalb des Pumpmantels Fällt die Intensität rasch auf Null ab.
Wie in Fig. 10 in einem Ausführungsbeispiel gezeigt, kann der Querschnitt des Pumpmantels von der Kreisringfläche abweichen und beispielsweise n-eckig (bei- spielsweise polygonal), mit D-Form oder Doppel-D-Form, Sternform, Blütenform und dergleichen ausgeführt sein. Diese Ausführungsformen reduzieren, in Analogie zur Doppelkernfaser, die Ausbildung von Helixstrahlen die nicht in den aktiven Kern -eindringen und damit nicht zum Pumpen desselben zur Verfügung stehen. Die Effizienz des Pumplichts wird so verbessert.
Bei den in den Figuren 1 bis 11 dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen optisch aktiven Bauteils und des Lasersystems verlaufen Kernzone und Pumplichtzone konzentrisch zueinander. Alternativ dazu ist eine exzentrische Anordnung der Kemzone (Aktivzone) innerhalb des optisch aktiven Bauteils vorgesehen. Diese Anordnung hat Vorteile bei der Einkopplung von Pumplicht, wenn dadurch die Kernzone in einen Bereich der Faser verlagert wird, in der er weniger von dem stirnseitig eingestrahlten Pumplicht getroffen wird. Dies reduziert die Absorption des Pumplichts im Bereich der Einkoppelfläche. Darüber hinaus lässt sich eine exzentrische Anordnung der Kernzone auch leichter von außen kühlen.
Außer den bereits genannten Vorteilen hat die erfindungsgemäße Ausführung des optisch aktiven Bauteils gegenüber dem Stand der Technik auch noch folgende Vorzüge:
Bei einer Doppelkern-Laserfaser wird das Pumplicht stirnseitig in die Faser eingekoppelt und sowohl im Kern als auch im Pumpmantel geführt. Die Faser wird somit stark ungleichmäßig beansprucht, das Pumplicht wird in der Faser vorrangig in der Nähe der Einkoppelstelle absorbiert, weil hier die Intensität am höchsten ist. Die absorbierte Leistung fällt dann mit zunehmender Länge exponentiell ab. Durch eine Verwendung von sehr langen und niedrig dotierten aktiven Kernen, wird hierbei vermieden, dass der aktive Kern das Pumplicht zu stark in der Nähe der Ein- koppelsteüs absorbiert und die Faser durch die entstehende Wärmeentwicklung oder durch einen zu hohen Inversionsgrad (Photodarkening) geschädigt wird. Die- se langen Fasern sind aber durch nichtlineare Effekt wie SBS und SRS (stimulierte Ramaπ- und Brillouinstreuung) in ihrer Einsetzbarkeit begrenzt.
Gemäß der Erfindung wird der aktive Kern nicht stirnseitig gepumpt. Das Pumplicht wird vielmehr durch die Verwendung der Trennschicht mit reduzierter Brech- 5 zahl zuerst nur im Pumpmantel geführt. Die konische Form des Pumpmantels bewirkt, dass der Pumpstrahl mit jeder Reflexion an der Grenzfläche zwischen Pumpmantel und Außenmedium mit einem stetig steiler werdenden Einfallswinkel auf die Grenzfläche zur Trennschicht trifft. Erst wenn dieser Reflexionswinkel der geführten Pumpstrahlung steiler ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion, dringt
10 das Pumplicht durch die Trennschicht in den Kern und pumpt diesen. Da das Pumplicht in unterschiedlichen Winkeln in die Faser/den Stab eingekoppelt wird, dringt das Pumplicht je nach Einfallswinkel an einer anderen Stelle in den Kern ein. Somit ergibt sich über die Stablänge eine homogenere Verteilung der Absorption im Kern als dies in einer Standard-Doppelkern-Laserfaser der Fall ist, da der
15 Kern nicht von der Stirnseite sondern gleichmäßiger durch die Mantelfläche gepumpt wird. Durch die im Vergleich zum Doppelkern-Laserfaser homogenere Verteilung des Pumplichts im aktiven Kern sind auch höhere Dotierungen des aktiven Kerns möglich, da sich die beim Pumpen im Kern deponierte Wärme gleichmäßiger über das aktive Volumen verteilt.
20 Auf eine Kunststoffbeschichtung kann dabei verzichtet werden. Dies hat mehrere Vorteile. Zum einen werden die Produktionskosten gesenkt, da auf einen zusätzlichen Arbeitsschritt verzichtet werden kann. Zum anderen vermeidet man mögliche Hitzeprobleme, die sich durch eine mögliche Wechselwirkung der Kunststoffbeschichtung mit einem Teil der Pumpstrahlung ergibt. Durch diese Wechselwirkung
25 kann es zu einer Erhitzung der Kunststoffbeschichtung und im ungünstigen Fall zu einer Zerstörung der Laserfaser bzw. des Laserstabes kommen. Weiterhin ergibt sich durch den Verzicht auf die Kunststoffbeschichtung bei geeigneter Wahl des Außenmediums (z.B. Wasser oder Luft) ein größerer Brechzahlsprung bzw. eine größere NA an der Grenzfläche zwischen Pumpmantel und Außenmedium als bei
Sri .St?ndard-Doppe!ksrr: LGSsrfasern. Somit ist die Verwendung von Pumpquellen mit schlechterer Strahlqualität möglich, da auch noch Strahlen im Pumpmantel geführt werden, die in einem sehr steilen Winkel auf die Grenzfläche zwischen Mantel und Außenmedium treffen.
Außerdem ist der Öffnungswinkel der emittierten Laserstrahlung über einen weiten Bereich unabhängig von der Brechzahl des Pumpmantels einstellbar. Der Öff- nungswinkel der emittierten Laserstrahlung ist nur über die NA, die sich durch die reduzierte Brechzahl der Trennschicht und die Brechzahl des aktiven Kerns ergibt, nicht aber über die Brechzahl des Pumpmantels bestimmt. Durch geeignete Wahl und Anpassung der Brechzahlen des aktiven Kerns und des Trennschicht (durch geeignete Dotanden-Konzentrationen) kann der Öffnungswinkel der emittierten Laserstrahlung beziehungsweise die NA des Lasers über einen weiten Bereich eingestellt werden.
Es ergibt sich eine Steigerung der maximalen Pumpleistung und - effizienz durch Vergrößerung der Einkoppelfläche. Durch die sehr große Einkoppelendfläche des Pumpmantels ist im Vergleich zur kleinen Endfläche einer Standard-Doppelkern- Laserfaser eine einfachere und effektivere Einkopplung der Pumpstrahlung möglich. Somit kann auf die Verwendung von aufwendigen Einkoppeloptiken und auf die Verwendung von kostenintensiven Pumpquellen mit hoher Strahlqualität verzichtet werden.
Stablaser sind aufgebaut aus einem laseraktiven Stab. Um den Stab herum gibt es keine lichtführende Schicht. Beim Pumpen kommt es zu einer Erwärmung des Laserstabs. Diese Erwärmung führt zum sogenannten „Thermal Lensing" Effekt, bei dem sich durch die Erwärmung der Brechzahl des Stabes lokal ändert. Dadurch sinkt die Strahlqualität der emittierten Laserstrahlung. Im Gegensatz dazu hat ein Laserstab gemäß der Erfindung einen lichtführenden aktiven Bereich, so dass „thermal lensing" Effekte auf Grund der Mehrfachreflexionen an der Grenzfläche zur Trennschicht keine substantielle Beeinflussung der Strahlqualität bewirken. Außerdem ist der Durchmesser des konischen Laserstabes gemäß der Erfindung kleiner als der eines konventionellen Stablasers, wodurch der konische Laserstab besser gekühlt werden kann. Hierdurch werden entweder „thermal Len- sing" Effekte zusätzlich unterbunden oder was wesentlicher ist, höhere Pump und Laser-Energiedichten ermöglicht.

Claims

Patentansprüche
1. Seitengepumptes optisch aktives Bauteil, das eine Längsachse (9) aufweist, entlang der sich eine Aktivzone (1 , 21 , 31 ) aus einem optisch aktiven Material mit einem ersten Brechungsindex nL erstreckt, die ein stirnseitiges Auskoppe- lende (7) für optische Strahlung (5) aufweist, entlang der eine Pumplichtzone
(3, 23, 33) mit einem zweiten Brechungsindex np verläuft, die ein Einkoppelende (6) für Pumplicht (8) aufweist und die von einer der Aktivzone (1 , 21 , 31) zugewandten Mantelfläche (10) begrenzt ist, über die Pumplicht (8) in die Aktivzone (1 , 21 , 31 ) gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass die der Aktivzone (1 , 21 , 31 ) zugewandte Mantelfläche (10) der Pumplichtzone (3, 23, 33) an eine
Trennzone (2, 22, 32) angrenzt, die einen Brechungsindex nj aufweist, der kleiner ist als nP) so dass die Pumplichtzone (3, 23, 33) einerseits zur Führung des Pumplichts (8) geeignet ist, und dass andererseits über eine Auskoppelstrecke zwischen Einkoppelende (6) und Auskoppelende (7) eine allmähliche Auskopplung des geführten Pumplichts (8) aus der Pumplichtzone (3, 23, 33) über die Trennzone (2, 22, 32) in die Aktivzone (1 , 21 , 31 ) erfolgt.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die allmähliche Auskopplung des Pumplichts (8) in die Aktivzone (1, 21 , 31 ) eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen umfasst: (a) die Pumplichtzone (3, 23, 33) weist über die Auskoppelstrecke eine in Richtung der Längsachse (9) variierende Dicke auf,
(b) die Pumplichtzone (3, 23, 33) weist über die Auskoppelstrecke einen in Richtung der Längsachse (9) variierenden Brechungsindex nP auf,
(c) die Trennzone (2, 22, 32) weist über die Auskoppelstrecke einen in Richtung der Längsachse (9) variierenden Brechungsindex nj auf,
(d) die Pumplichtzone (3, 23, 33) weist über die Auskoppelstrecke eine Biegung auf,
(e) die Pumplichtzone (3, 23, 33) weist über die Auskoppelstrecke Streuzentren auf.
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennzone (2, 22, 32) unmittelbar an die Aktivzone (1 , 21 , 31 ) angrenzt.
4. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, die Trennzone (2, 22, 32) an die Pumplichtzone (3, 23, 33) und an die Aktivzone (1, 21, 31) unmittelbar angrenzt und dass der Brechungsindex nj der Trennzone (2, 22, 32) kleiner als nP und kleiner als nι_ ist.
5. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtzone (3, 23, 33), die Trennzone (2, 22, 32) und die Aktivzone (1, 21, 31) aus Quarzglas bestehen und integrale Zonen eines monolithischen Quarzglaskörpers bilden.
6. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennzone (2, 22, 32) aus Quarzglas besteht, das mit Fluor dotiert ist.
7. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtzone (3, 23, 33) mit einer der Aktivzone (1 , 21 , 31 ) abgewandten Mantelfläche (11 ) an ein Außenmedium (4) mit einem Brechungsindex nA angrenzt, wobei nA < nτ ist.
8. Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied der Brechungsindizes von nA und nτ mindestens 0,003 beträgt.
9. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Auskoppeleπdes (7) die Brechungsindizes von Pumplichtzone (3, 23, 33) nP und Trennzone (2, 22, 32) nτ möglichst gleich groß sind (+/-0,1%, bezogen auf den höheren der beiden Brechungsindizes) und kleiner als der Brechungsindex nL der Aktivzone (1 , 21 , 31) sind.
10. Bauteil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenmedium in Form eines Außenmantels (51 , 61 , 71 ) ausgebildet ist.
11. Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel mit einer metallischen Oberflächenschicht (62, 72) versehen ist.
12. Bauteil nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einer in Richtung der Längsachse (9) gesehen variierenden Dicke der Pumplichtzone (3) die Schichtdicke des Außenmantels (71) derart ausgelegt ist, dass sich in axialer Richtung (9) ein konstanter Außendurchmesser des optisch aktiven Bauteils ergibt.
13. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die der Aktivzone abgewandte Mantelfläche der Pumplichtzone mit einer Metallschicht versehen ist.
14. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem optisch aktiven Bauteil mit einem maximalen Außendurchmesser von 2,5 mm oder weniger eine Außenschicht (51) aus einem Kunststoff und/oder aus Carbon vorgesehen ist.
15. Bauteil nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivzone, die Trennzone und oder die Pumplichtzone mikro- strukturiert ausgeführt sind.
16. Bauteil nach Anspruch 10 und einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 und 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel mikrostrukturiert ausgeführt ist.
17. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtzone mindestens über einen Teil der Auskoppelstrecke einen radialen Querschnitt, der von einer Kreisringform abweicht, und insbesondere einen radialen Querschnitt in Form eines Kreisrings mit mindestens einer Außenabflachung, aufweist.
18. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelstrecke eine Länge im Bereich von 0,1 m bis 100 m, vorzugsweise eine Länge von mindestens 1 m aufweist.
19. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Pumplichtzone geführte Licht über die Auskoppelstrecke mit einer Auskoppelrate ausgekoppelt wird, die durch eine mittlere Intensitätsabnahme von mindestens 1%/m (bezogen auf den Intensitätswert vor Beginn der Auskoppelstrecke) gekennzeichnet ist.
20. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Pumplichtzone geführte Licht über die Auskoppelstrecke mit einer Auskoppelrate ausgekoppelt wird, die durch eine mittlere Intensitätsabnahme von maximal 10%/cm, vorzugsweise maximal 1%/cm (bezogen auf den Intensitätswert vor Beginn der Auskoppelstrecke) gekennzeichnet ist.
21. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Pumplichtzone (3, 23, 33) über die Auskoppelstrecke konisch verjüngt und dass der Konuswinkel kleiner als 0,1 rad ist.
22. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex np der Pumplichtzone (3, 23, 33) niedriger ist als der
Brechungsindex nι_ der Aktivzone (1, 21 , 31).
23. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex nP der Pumplichtzone (3, 23, 33) größer ist als der Brechungsindex nι_ der Aktivzone (1, 21 , 31 ).
24. Lasersystem, umfassend eine Pumplichtquelle (97), die Pumplichtstrahlung mit einer radialen Intensitätsverteilung erzeugt, sowie ein eine Pumplichtzone (3, 23, 33, 93), eine Aktivzone, ein Einkoppelende (6), ein Auskoppelende (7) und eine Auskoppelstrecke aufweisendes optisch aktives Bauteil (90), dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Bauteil als ein eine Trennzone (2, 22, 32; 92) aufweisender seitengepumptes optisch aktives Bauteil (90) nach einem der Ansprüche 1 bis 23 ausgebildet ist, bei dem Pumplichtzone (3, 23, 33; 93), Aktivzone (1, 21, 31 , 91 ) und Trennzone (2, 22, 32, 92) integrale Zonen eines monolithischen Körpers bilden.
25. Lasersystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtzone (3, 23, 33, 93) am Einkoppelende eine Kontur (98) umfasst, und dass die radiale Intensitätsverteilung des Pumplichts an die Kontur (98) derart ange- passt ist, dass das Maximum oder die Maxima der Intensitätsverteilung inner- halb der Kontur (98) liegen.
26. Lasersystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale In- teπsitätsverteilung des Pumplichts an die Kontur (98) derart angepasst ist, dass die Pumplichtzone (3, 23, 33, 93) mit mindestens 75%, vorzugsweise mindestens 85% der Intensität des Pumplichts beaufschlagt wird.
27. Lasersystem nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Intensitätsverteilung des Pumplichts an die Kontur (98) derart angepasst ist, dass die Aktivzone (1, 21, 31, 91 ) mit weniger als 10%, vorzugsweise mit weniger als 5% der Intensität des Pumplichts beaufschlagt wird.
28. Lasersystem nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass als Pumplichtquelle (97) Licht emittierenden Dioden (LEDs) oder Laser, insbesondere Laserdioden (97), vorgesehen sind.
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