WO2009149703A1

WO2009149703A1 - Verfahren zur erzeugung gepulster laserstrahlung mit einem faserlaser

Info

Publication number: WO2009149703A1
Application number: PCT/DE2009/000820
Authority: WO
Inventors: Dieter Hoffmann; Jens Geiger; Martin Traub
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2009-12-17
Also published as: DE102008028037A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung mit einem optisch gepumpten Faserlaser (3), bei dem ein oder mehrere Diodenlaser (2, 2a) als Pumplaser eingesetzt werden, sowie eine zugehörige Laseranordnung. Das Verfahren und die Anordnung zeichnen sich dadurch aus, dass der Faserlaser (3) gewinngeschaltet betrieben wird, wobei die Diodenlaser (2, 2a) überpulst werden, um die Pulsleistung für den gewinngeschalteten Betrieb des Faserlasers (3) bereitzustellen. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung kann auf einen Güteschalter verzichtet werden, der sich bisher nicht ohne weiteres in einen Faserlaser integrieren lässt.

Description

Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung mit einem Faserlaser

Technisches Anwendungsgebiet und Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung mit einem optisch gepumpten Faserlaser, bei dem ein oder mehrere Diodenlaser als Pumplaser eingesetzt werden.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist beispielsweise aus Y. Wang, „Pulse evolution of a Q-switched ytterbium-doped double-clad fiber laser", Opt.Eng. 42(9), 2521-2526 (September 2003) bekannt. Diese Veröffentlichung zeigt den klassischen Ansatz der Verwendung eines dioden-gepumpten, gütegeschalteten Faserlasers. Zur Güteschaltung wird ein akusto- optischer Modulator im Laserresonator eingesetzt. Bei einem solchen Laser wird das verstärkende Medium kontinuierlich oder mit langen Pulsen gepumpt, deren Pumppulsdauer im Bereich der Lebensdauer des oberen Laserniveaus, d.h. bei einigen hundert Mikrosekunden bis zu einigen Millisekunden liegt. Mit dem akusto- optischen Modulator wird die Resonatorgüte zwischen hoher und niedriger Güte geschaltet. Der Laser arbeitet in Zyklen, die sich aus den beiden Phasen Pumpphase und Laserphase zusammensetzen. In der Pumpphase wird die Resonatorgüte niedrig geschaltet, so dass keine Lasertätigkeit einsetzen kann. Die durch den Pumplaser eingebrachte Energie wird im Lasermedium in Form von angeregten Atomen oder Molekülen gespeichert. Sobald die gewünschte Energiemenge gespeichert ist, wird der Q

Resonator auf hohe Güte umgeschaltet, so dass die Laserphase beginnt. Die Leistung der aus dem Rauschen heraus entstehenden Lasertätigkeit steigt in kurzer Zeit, d.h. innerhalb von 1 ns bis 1 μs, stark an und verbraucht dabei die gespeicherte Energie schneller, als sie durch den Pumplaser nachgeliefert werden kann. Der sich ausbildende Laserpuls endet, sobald die gespeicherte Energie aufgebraucht ist. Anschließend wird die Resonatorgüte wieder auf niedrig geschaltet und der Zyklus beginnt von neuem. Bei Verwendung von Doppelmantelfasern wird bei derartigen Lasern das Strahlparameterprodukt bei vergleichsweise geringen Leistungsverlusten stark verringert, wodurch sich die Flussdichte der Laserstrahlung erhöht. Die in der relativ langen Pumpphase gespeicherte Energie wird während der Laserphase in einem vergleichsweise kurzen Laserpuls entladen. Dadurch wird in der Pulsspitze eine Laserleistung erreicht, die die Leistung des Pumplasers bei weitem übersteigt. Insgesamt wird mit einem derartigen Laser eine im Vergleich zum Pumplaser hohe Strahlqualität sowie eine hohe Laserleistung erreicht. Allerdings lassen sich die eingesetzten Güteschalter bisher nicht in die Faser integrieren, so dass ein Teil des Resonators außerhalb der Faser verlaufen muss.

In US 2007/0189339 Al wird ein mittels Laserdioden gepumpter Faserlaser im modulierten Laserbetrieb beschrieben, dessen Ausgangsleistung in Echtzeit über die Beeinflussung des Laserdiodenstroms, und damit der Pumpleistung der Laserdioden, geregelt wird. Die Laserdioden können kontinuierlich oder gepulst betrieben werden. Die US 2006/0171426 Al zeigt einen diodengepumpten Faserlaser mit einem polarisationserhaltenden Faserkoppler . Im modulierten Betrieb folgt das Ausgangssignal des Faserlasers dem modulierten Pumpsignal.

Die US 2004/0188399 Al beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen mit einer vorgegebenen zeitlichen Signalform, insbesondere einer rechteckigen Signalform mit steilen Flanken. Hierfür wird ein Seedlaser moduliert betrieben, so dass das Ausgangssignal die gewünschte Signalform erhält. Über einen Laserverstärker wird die notwendige Laserleistung erzeugt, ohne die Signalform zu verändern.

Die DE 10 2005 060 487 Al zeigt ein

Festkörperlasersystem in einer Freistrahlanordnung, das mittels gepulst betriebener Laserdioden longitudinal gepumpt wird. Durch den gepulsten Betrieb der Laserdioden können höhere Impulsspitzenleistung bei geringer mittlerer thermischer Belastung der Laserdioden abgegeben werden.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung hoher Strahlqualität mit einem optisch gepumpten Faserlaser anzugeben, die einen vollständig in der Faser ausgebildeten Resonator ermöglicht und sich kostengünstig realisieren lässt. Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Anordnung nach Patentanspruch ' 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patent- ansprüche oder lassen sich der nachfolgenden

Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung mit einem optisch gepumpten Faserlaser werden ein oder mehrere Diodenlaser als Pumplaser eingesetzt. Der Faserlaser wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren gewinngeschaltet betrieben, wobei die Diodenlaser überpulst werden, um die Pulsleistung für den gewinngeschalteten Betrieb des Faserlasers kostengünstig bereitzustellen.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung kann gepulste Laserstrahlung hoher Strahlqualität erzeugt werden, bei der das Strahlparameterprodukt besser als das eines Diodenlasers vergleichbarer mittlerer Ausgangsleistung ist. Die Pulsdauer liegt im Bereich von 1 ns bis 10 μs . Die Wiederholrate kann frei eingestellt werden von Einzelschussbetrieb bis zu einem Puls-Pausenverhältnis von etwa 50 %.

Bei der Entwicklung des vorgeschlagenen Verfahrens bzw. der zugehörigen Anordnung wurde erkannt, dass ein gewinngeschalteter Betrieb eines Faserlasers mit Diodenpumplasern im Normalbetrieb eine sehr hohe mittlere Ausgangsleistung der Diodenlaser erfordern würde, die, wenn überhaupt realisierbar, mit sehr hohen Kosten für die Bereitstellung derartiger Diodenlaser verbunden wäre. Diese Problematik, die bisher eine Realisierung diodengepumpter, gewinngeschalteter Faserlaser verhindert hat, wird bei der vorliegenden Erfindung durch das Überpulsen der Diodenlaser umgangen. Beim Überpulsen werden herkömmliche Diodenlaser mit im Vergleich zu den obigen Anforderungen vergleichsweise niedriger mittlerer Ausgangsleistung, die kostengünstig verfügbar sind, jeweils für die Dauer des Pulses mit Strömen oberhalb der im Dauerstrich- betrieb zulässigen Ströme angesteuert. Dadurch werden die für den gewinngeschalteten Betrieb des Faserlasers erforderlichen hohen Pulsleistungen erreicht. Aufgrund der jeweils nur kurzzeitigen Betriebsweise der Diodenlaser außerhalb ihrer Spezifikation wird eine Zerstörung der Diodenlaser vermieden.

In der bevorzugten Ausgestaltung werden die Diodenlaser von einer Stromquelle mit gepulstem Strom versorgt, die niederinduktiv und impedanzangepasst an die Diodenlaser angeschlossen ist. Dies vermeidet

Probleme mit Reflexionen oder hohen Verlusten bei der Versorgung der Diodenlaser mit den für den überpulsten Betrieb erforderlichen hohen Strompulsen.

Die dazugehörige Anordnung umfasst somit einen Diodenlaser oder eine Diodenlaseranordnung als Pumplaser, der vorzugsweise über eine Transportfaser mit dem Faserlaser verbunden ist. Der Faserlaser umfasst als Lasermedium eine aktive Faser, deren Kern unter Absorption von Pumplicht Laserlicht verstärken kann. Der Laserresonator selbst wird vorzugsweise durch faserintegrierte Strukturen gebildet, die einen Teil des Lichts reflektieren. Hierbei kann es sich beispielsweise um Faser-Bragg-Gitter handeln. Der Diodenlaser bzw. die Diodenlaseranordnung ist mit einem oder mehreren Netzteilen als Stromquelle verbunden, die möglichst niederinduktiv und impedanzangepasst an den oder die Diodenlaser angeschlossen ist und diese mit gepulstem Strom versorgt.

Der Laser arbeitet in zwei Phasen, der Pumpphase und der Laserphase. In der Pumpphase emittiert der Pumplaser einen Pumplichtpuls. Dieser wird von der aktiven Faser des Faserlasers absorbiert und seine Energie gespeichert. In der anschließenden Laserphase führt die in der Pumpphase gespeicherte Energie dazu, dass aus dem Rauschen heraus oder unterstützt durch ein Seed-Signal Lasertätigkeit einsetzt. Die Leistung der Laserstrahlung steigt in kurzer Zeit stark an und verbraucht die in der Pumpphase gespeicherte Energie. Der sich ausbildende Laserpuls endet, sobald die gespeicherte Energie aufgebraucht ist. Der Laser durch- läuft die beiden Phasen zyklisch. Die Wiederholrate der Pulse kann dabei durch die Ansteuerung der ein oder mehreren Diodenlaser mit den erforderlichen Strömen zwischen einem Einzelschussbetrieb und dem Betrieb mit einem Puls-Pause-Verhältnis von nahezu 50% variiert werden, ohne die Diodenlaser oder den Faserlaser zu gefährden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung werden mehrere Diodenlaser als Pumplaser für den Faserlaser ein- gesetzt. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um

Diodenlasermodule, die mit einem Pumpkoppler in einer Faser zusammengefasst und synchron von einer Stromquelle mit kurzen Strompulsen von 10 bis 1000 ns Dauer angesteuert werden. Vorzugsweise werden hierbei Diodenlasersubmodule eingesetzt, beispielsweise mit einer Wellenlänge zwischen 900 und 1000 nm, die mit einem 7:1 oder 19:1 Pumpkoppler in einer Faser zusammengefasst sind. Die Stromquelle kann über ein impedanzangepasstes Kabel an die Diodenlasersubmodule angeschlossen werden, wobei die Module sowohl in Serie als auch in Reihe angeschlossen sein können. Alternativ kann jedes Diodenlasersubmodul oder jeder Diodenlaser auch durch einen eigenen Stromtreiber versorgt werden, wobei die Stromtreiber dann zueinander synchronisiert werden müssen.

Als aktive Faser des Faserlasers kann beispiels- weise eine 1 bis 100 m lange dotierte Quarzglasfaser, beispielsweise eine Ytterbium-dotierte Quarzglasfaser, mit einer Doppelmantelstruktur eingesetzt werden. Der Kern dieser Faser kann beispielsweise einen Durchmesser zwischen 4 und 40 μm bei einer numerischen Apertur von 0,03 bis 0,1 aufweisen. Der Pumpmantel kann einen Durchmesser zwischen 50 bis 400 μm bei einer numerischen Apertur von 0,15 bis 0,7 aufweisen.

Vorzugsweise wird der Laserresonator von zwei Faser-Bragg-Gittern gebildet, welche in den Kern der Faser eingeschrieben sind. Das eine Gitter weist hierbei eine Reflektivität von über 90% bei der Laserwellenlänge auf und stellt das hochreflektierende Gitter dar, während das andere eine Reflektivität zwischen 0,1 und 50 % aufweist und als Auskoppelgitter für die erzeugte Laserstrahlung dient. Selbstverständlich lässt sich der Laserresonator auch durch andere Strukturen realisieren, die die entsprechenden

Reflektivitäten für die Laserstrahlung bereitstellen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind alle optischen Komponenten der Laseranordnung miteinander verspielst. Die Diodenlaser bzw. die Diodenlaser- submodule sind mit den Eingängen des Pumpkopplers verspielst. Die Ausgangsfaser des Pumpkopplers ist, ggf. über eine Transportfaser, mit einem Ende des hochreflektierenden Gitters des Faserlasers verspielst. Das andere Ende des hochreflektierenden Gitters ist mit einem Ende der dotierten Faser, das andere Ende der Faser mit dem Auskoppelgitter verspielst.

Ein wichtiges Merkmal des vorgeschlagenen Lasers ist die genaue zeitliche Entwicklung von Pump- und Laserpuls. Der Pumppuls läuft dem Laserpuls zeitlich voraus. Die Zeitdauer zwischen Beginn des Pumppulses und Beginn des Laserpulses wird als Pulsaufbauzeit bezeichnet. Die Pumppulsdauer entspricht typischerweise etwa der Pulsaufbauzeit des Faserlasers. Der Pumppuls endet in jedem Fall, sobald der Laserpuls des Faserlasers zu Ende ist. Im Allgemeinen beträgt die Pumppulsdauer zwischen 1 ns und 10 μs . In der bevorzugten Ausgestaltung werden die Diodenlaser so angesteuert, dass eine Pumppulsdauer zwischen 10 ns und 5 μs erreicht wird. In diesen Zeitbereichen liegt auch die Pulsaufbauzeit des Faserlasers.

Zur Verdeutlichung des Unterschieds zwischen gewinngeschaltetem und moduliertem Betrieb sei auf die Figuren 4 und 5 verwiesen. Im gewinngeschalteten Betrieb (Fig. 4) lässt sich eine diskrete Pumpphase und eine Laserphase unterscheiden. In der Pumpphase wird durch die eingestrahlte Pumpleistung P eine Inversion I aufgebaut. In der Laserphase entlädt sich die in der Inversion gespeicherte Energie in einem Puls S. Die Inversion fällt am Ende des Pulses unter die Laserschwelle L und kann bei geeigneter Konfiguration bis auf Null abfallen. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile: keine oder geringe Wechselwirkung zwischen aufeinander folgenden Laserpulsen optimale Nutzung der gespeicherten Energie kürzeste Pulsdauern

Im modulierten Betrieb (Fig. 5) folgt die Signalleistung S instantan der Pumpleistung P. Die

Inversion liegt dabei konstant an der Laserschwelle. Nachdem die Pumpleistung abgeschaltet ist, endet auch die Signalemission sofort und die im Lasermedium verbleibende Inversion entlädt sich langsam über spontane Emission.

Die Form des Pumppulses wird durch den zeitlichen Verlauf des Stroms gesteuert, der durch die Pumplaserdioden fließt. Vorzugsweise werden die Strompulse in ihrer Form gezielt beeinflusst. So können beispielsweise Strompulse jeweils in Form eines ansteigenden oder abfallenden Sägezahns oder in Form eines oder mehrerer Plateaus erzeugt werden. Auch das Überlagern zweier oder mehrerer Stromquellen mit gleichem oder unterschiedlichem zeitlichen Verlauf ist für die Ansteuerung der Diodenlaser möglich. Ein weiterer wesentlicher Aspekt des vorgeschlagenen Faserlasers besteht in der Verwendung einer schnellen Stromquelle, die kurze und intensive Strompulse mit den oben genannten Pulsdauern liefert und über einen niederinduktiven, impedanzangepassten Anschluss mit dem einen oder den mehreren Diodenlasern verbunden ist. Dieser Anschluss kann u.a. durch direkte Kontaktierung des Diodenlasers mit der Elektronik des Strompulsers bei sehr kurzen Leitungslängen erfolgen, bspw. über ein kurzes Kabel oder über einen kurzen Wellenleiter.

Der Pumplaser kann dabei aus einem einzelnen Diodenlaser bzw. Emitter, einer Anordnung einzelner Diodenlaser, einem Diodenlaserbarren oder einem Stapel von Diodenlaserbarren bestehen. In jedem Fall ist der Pumplaser fasergekoppelt, entweder in eine Transportfaser oder direkt in die aktive Faser des Faserlasers. Bei der Transportfaser handelt es sich vorzugsweise um eine Mehrmodenfaser mit einem Kerndurchmesser zwischen 50 und 800 μm.

Bei Einkopplung des Pumplasers in eine Transportfaser können auch mehrere Transportfasern mit einem Faserkoppler, auch als Pumpkoppler bezeichnet, in eine Faser zusammengeführt, die dann mit der aktiven Faser des Faserlasers verbunden ist. Dabei kann der Faserkoppler auch eine Faser enthalten, die einen Kern gleicher Größe wie die aktive Faser aufweist, so dass das Laserlicht aus der aktiven Faser durch den Faserkoppler hindurchgeführt wird (sogenannte Signaldurchführung) . Wird ein Pumplaser eingesetzt, der aus einer Anordnung einzelner Emitter oder einem Stapel von Diodenlaserbarren besteht, dann kann jedes der Einzelelemente auch mit einem eigenen Strompulser angesteuert werden, wobei die einzelnen Strompulser zueinander synchronisiert sind. Die Synchronisierung kann durch ein Triggersignal erfolgen, das auf alle einzelnen Strompulser verteilt wird. Weiterhin kann auch ein Strompulser als Master ein Triggersignal an alle anderen Strompulser (Slaves) senden, um diese zu synchronisieren .

Ein Betrieb des Pumplasers bei unterschiedlichen Pulswiederholraten führt zu unterschiedlichen thermischen Lasten im Diodenlaser und damit zu einer Wellenlängendrift. Es ist daher vorteilhaft, die Wellenlänge des Pumplasers zu stabilisieren, z.B. mittels Volumen-Bragg-Gitter, sodass sich die Absorptionscharakteristik in der aktiven Faser nicht verändert.

Sowohl der Pumplaser als auch der Faserlaser weisen eine Laserschwelle auf, die zunächst überwunden werden muss bevor ein Laserbetrieb einsetzt. Um die Ausgangspulsenergie zu steigern, kann zusätzlich zu den Strompulsen ein Konstantstrom durch die Laserdiode geleitet werden. Dieser senkt die Laserschwelle in der Laserdiode ab.

Die aktive Faser speichert die Energie des

Pumppulses und gibt sie durch stimulierte Emission an den sich aufbauenden Laserpuls ab. Ihre Aufgabe ist es, die spektralen oder räumlichen Eigenschaften des verwendeten Pumplichts umzuwandeln. Es kann sich bei dieser Faser auch um eine polarisationserhaltende oder eine polarisierende Faser handeln. Die Faser kann sowohl als Stufenindex- als auch photonische Faser realisiert sein.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird als aktive Faser eine mit Seltenen Erden dotierte Quarzglasfaser mit einer Doppelmantelstruktur eingesetzt. Die Faser verfügt somit über einen Kern, der mit Seltenerdatomen dotiert ist, und über einen Mantel, in den das Pumplicht eingekoppelt werden kann. Eine derartige Doppelmantelfaser erhöht die Brillanz bzw. Flussdichte des abgestrahlten Laserlichts in Bezug auf das verwendete Pumplicht. Dazu wird das Pumplicht, dessen Wellenlänge im Bereich der Absorptionsbanden der verwendeten Seltenerdatome liegt, in den Mantel der Faser eingekoppelt. Aufgrund der großen geometrischen Abmessungen und der hohen numerischen Apertur des Mantels ist hierfür nur eine niedrige Brillanz notwendig. Das eingekoppelte Pumplicht wird von den im Kern konzentrierten Seltenerdatomen absorbiert. Lasertätigkeit tritt im Kern der Faser auf. Dieser Faserkern ist entweder grundmodig oder von niedriger Modenordnung ausgeführt.

Vorzugsweise weist die aktive Faser keinen kreissymmetrischen Querschnitt auf, sondern beispielsweise einen polygonalen oder D-förmigen Mantel für die Führung des Pumplichts, wodurch die Absorption des

Pumplichts über die Länge der Faser verbessert wird. Beispiele für Seltenerdatome zur Dotierung der Faser sind Neodym, Ytterbium, Holmium, Thulium und Erbium. Der Durchmesser des Faserkerns liegt vorzugsweise zwischen 4 bis 50 μm bei einer numerischen Apertur von 0,01 bis 0,2. Die Lichtführung im Kern kann entweder auf einen Brechungsindexsprung (Stufenindex- faser) oder auf einer Mikrostruktur basieren (photonische Faser) .

Der Kern ist vorzugsweise von einem Quarzglas- mantel mit einem Durchmesser von 50 bis 800 μm umgeben. Dieser Quarzmantel ist wiederum von einem Material mit geringem Brechungsindex umgeben, so dass er selbst Licht führen kann. Das umgebende Material kann im speziellen dotiertes Quarzglas, niederbrechender

Kunststoff oder mikrostrukturiertes Quarzglas sein, so dass der Quarzmantel eine numerische Apertur von 0,2 bis 0,8 aufweist. Anstelle von Quarzglas kann auch ein anderes Material für die Faser eingesetzt werden, beispielsweise Fluorglas.

Der Laserresonator wird von zwei reflektierenden Elementen gebildet. Diese Elemente sind vorzugsweise fasergekoppelt, z.B. Faser-Bragg-Gitter . In der bevorzugten Ausgestaltung sind die reflektierenden Elemente zur Bildung des Resonators in der Faser integriert. Das eine Element ist hochreflektierend mit einem Reflexionsgrad > 90% ausgeführt, wobei sich diese Angaben auf den Kern der Faser bei der Laserwellenlänge beziehen. Das andere reflektierende Element dient als Laserauskoppler und weist einen Reflexionsgrad von 0,1 bis 50 % auf, auch hier in Bezug auf den Kern der Faser bei der Laserwellenlänge. In einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Lasers kann auch zusätzlich eine weitere aktive Faser an die aktive Faser des Faserlasers angeschlossen sein. Diese weitere Faser ist so beschaffen, dass sie das eingestrahlte Laserlicht zu einer anderen Wellenlänge konvertiert. Diese weitere Faser kann auch von Resonatorspiegeln zur Bildung eines weiteren Resonators umgeben sein. Beispielsweise kann diese weitere Faser so ausgebildet sein, dass sie Upkonversion, Downkon- version, 4-Wellen-Mischung, Frequenzvervielfachung oder stimulierte Raman-Streuung eine Verschiebung der Laserwellenlänge bewirkt.

In einer weiteren Ausgestaltung kann in die aktive Faser des Faserlasers zusätzlich zum Pumplicht auch Laserlicht bei der Emissionswellenlänge des Lasers eingekoppelt werden, das dann als Seed-Signal dient. Diese Einkopplung kann sowohl durch den Kern der Faser als auch über den Mantel für das Pumplicht erfolgen. Ziel dieser zusätzlichen Einkopplung ist eine Stabilisierung der zeitlichen und spektralen Parameter des Laserpulses. Von dem bereits bekannten Konzept der Oszillator-Verstärker-Anordnung unterscheidet sich dieser Aufbau dadurch, dass er weiterhin das oben beschriebene zeitliche Verhalten aufweist und dass die Einkopplung des Seed-Signals nicht zwingend über den Faserkern erfolgen muss, sondern auch über den Fasermantel erfolgen kann.

Weiterhin kann der vorgeschlagene Faserlaser auch mit einer Kombination aus Gewinn- und Güteschaltung betrieben werden. Durch eine Modulation der Rück- kopplung über ein entsprechendes Element im Laserresonator kann die Pulsaufbauzeit verlängert werden. Im Gegensatz zu einem gütegeschalteten Laser wird die Modulation jedoch nicht so stark eingestellt, dass die Lasertätigkeit im Grenzfall des kontinuierlichen Pumpens vollständig unterdrückt wird.

Pumppuls und Laserpuls können bei einer Betriebsweise des Faserlasers auch zeitlich so aufeinander abgestimmt sein, dass der Laser resonant gepumpt wird. Die Modulation der Pumpleistung wird dabei so gewählt, dass sie das Ausbilden eines pulsförmigen Überschwingers beim Einsetzen der Lasertätigkeit unterstützt .

Der Laserresonator des vorgeschlagenen Faserlasers kann neben der aktiven Faser auch zusätzlich einen sättigbaren Absorber enthalten. Dafür kann beispielsweise die Länge der aktiven Faser so groß gewählt werden, dass nach Absorption des Pumplaserpulses in einem Teil der Faser noch keine Nettoverstärkung vorliegt. Dieser Teil der Faser wirkt dann als sättigbarer Absorber, welcher zu einer Ausbildung von Sub- pulsen innerhalb des Hauptpulses führen kann bis hin zur Modenkopplung.

In einer weiteren Ausgestaltung wird in den Resonator des Faserlasers zusätzlich zu der aktiven Faser ein Stück passive Faser eingespleist . Durch diese Maßnahme können die Pulsdauer und Anschwingzeit des Lasers verlängert werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung werden wellenlängenstabilisierte Pumpdioden eingesetzt. Dies ist besonders günstig, wenn der gewinngeschaltete Faserlaser mit variablen Pulsraten betrieben wird. Unterschiedliche Repetitionsraten des gewinngeschalteten Faserlasers führen zu wechselnder thermischer Last für die Pumpdioden. Die Emissionswellenlänge eines Diodenlasers hängt von seiner Temperatur ab und sie wächst mit etwa 0,3 bis 0,4 nm/K bei zunehmender Temperatur. Dadurch führen unterschiedliche Repetitionsraten zu schwankenden Emissionswellenlängen des Pumplasers. Ist das Absorptionsband des aktiven Lasermediums vergleichweise schmal (1 bis 5 nm, Beispiel Ytterbium-Glas bei 976 +/- 2 nm) so führen die Wellen- längenschwankungen dazu, dass die Pumpstrahlung unterschiedlich gut absorbiert wird und folglich schwankt die Signalpulsenergie / -leistung. Die Wellenlängenstabilisierung der Pumpdioden lässt sich durch Vorsehen einer DFB-Struktur oder eines Volumen-Bragg-Gitters erreichen [Ch. Wessling et al. „Dense wavelength multiplexing for a high power diode laser", Proceedings of the SPIE, Volume 6104, pp . 214-221 (2006)] .

Das vorgeschlagene Verfahren sowie die zugehörige Anordnung weisen gegenüber dem klassischen Ansatz eines gütegeschalteten Lasers den Vorteil auf, dass für den Betrieb kein Güteschalter erforderlich ist. Hochleistungsgüteschalter basieren auf Kristallen, die sich nicht nahtlos in eine Faser integrieren lassen. Die für hohe mittlere Leistungen und hohe Modulationstiefen besonders geeigneten akusto-optischen und elektro- optischen Modulatoren erfordern daher eine Freistrahloptik, welche die mittlere Leistung bis zu der die Systeme funktionieren, auf wenige 10 Watt begrenzt. Wellenleiter basierte Modulatoren weisen beim heutigen Stand der Technik sehr hohe Transmissionsverluste von 20 bis 50 % auf. Auch diese lassen sich nicht in die eigentliche Laserfaser integrieren, so dass auch hier eine problematische Schnittstelle auftritt.

Ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist, dass ein gewinngeschalteter Faserlaser auch problemlos im Einzelschussbetrieb arbeiten kann. Dies ist mit gütegeschalteten Faserlasern nicht möglich, da die gespeicherte Inversion hier zu starker ASE (Amplified Spontaneous Emission, verstärkte spontane Emission) führt. Diese stellt ein unerwünsch- tes Grundrauschen dar und kann mitunter durch

Ausbildung unkontrollierter Pulse zur Zerstörung des Lasers führen. Da im gewinngeschalteten Betrieb die Wiederholrate des Lasers durch den Pumplaser vorgegeben wird, findet zwischen den Pulsen kein Ansammeln von Inversion und Energie statt. Die oben genannte Zerstörungsgefahr ist so ausgeschlossen.

Der vorgeschlagene gewinngeschaltete, diodengepumpte Faserlaser eignet sich als hochrepetierendes Lasersystem mit verhältnismäßig kurzer Pulspause bei gleichzeitig hoch überpulster Pumpquelle. Die mittlere Leistung liegt dabei in einem ähnlichen Bereich wie die Pulsspitzenleistung. Ein besonderer Vorteil des vorgeschlagenen Faserlasers besteht in dem geringen Anteil an verstärkter spontaner Emission, vor allem im Vergleich zu einer Oszillator-Verstärker-Anordnung. Wesentliche Anwendungsgebiete eines derartigen Lasers sind die Lasermaterialbearbeitung, beispielsweise in den Bereichen Bohren, Gravieren und Mikroschweißen, sowie die Messtechnik. Außerdem kann der Laser auch gepulste Stab- oder Scheibenlaser substituieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Der vorgeschlagene Faserlaser wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Beispiel für den Aufbau des vorgeschlagenen Faserlasers;

Fig. 2 ein Beispiel für die Nutzung eines Dioden- laserbarrens mit Pumpkoppler als Pumplaser;

Fig. 3 ein Beispiel für den Aufbau der aktiven Faser;

Fig. 4 einen typischen zeitlichen Zusammenhang von Pumpleistung, Inversion und Signalleistung eines gewinngeschalteten Lasers; und

Fig. 5 einen typischen zeitlichen Zusammenhang von

Pumpleistung, Inversion und Signalleistung eines moduliert betriebenen Lasers.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Figur 1 zeigt stark schematisiert ein Beispiel für den Aufbau des vorgeschlagenen Faserlasers. Der Faserlaser 3 weist eine aktive Faser 4 mit einer Länge zwischen 1 und 100 m auf. Die aktive Faser 4 ist im vorliegenden Beispiel eine Ytterbium-dotierte Glasfaser mit Doppelmantelstruktur. Der Resonator wird von zwei Faser-Bragg-Gittern 5, 6 gebildet, einem hochreflektierenden 5 und einem niedrigreflektierenden 6, das die Funktion des Auskopplers hat. Der Pumppuls wird von einer fasergekoppelten Pumplaserdiode 2 erzeugt, die von einem Strompulser 1 mit einem kurzen Strompuls angesteuert wird. Der Strompulser 1 stellt eine schnelle Stromquelle dar, die intensive Strompulse mit Strompulsdauern zwischen 10 und 1000 ns liefern kann. Der Strompulser 1 ist mit einer kurzen Verbindungsleitung 14 mit der Pumplaserdiode 2 verbunden. Diese Verbindungsleitung 14 ist so ausgeführt, dass eine niederinduktive, impedanzangepasste Verbindung zwischen dem Strompulser 1 und der Pumplaserdiode 2 erreicht wird. Besonders vorteilhaft kann hierbei ein geeigneter Wellenleiter wie beispielsweise ein Rund- oder Flachbandkabel eingesetzt werden oder ein sogenannter Streifenleiter.

Anstelle einer einzelnen Pumplaserdiode 2 kann ein Diodenlasermodul, beispielsweise ein Diodenlaserbarren oder mehrere übereinander gestapelte Diodenlaser- Barren, genutzt werden. Die von den zahlreichen Emittern eines derartigen Laserbarrens emittierten Pumpstrahlen müssen dann geeignet zusammengefasst und in die aktive Faser eingekoppelt werden. Figur 2 zeigt hierbei ein Beispiel, bei dem ein Diodenlaserbarren 2a eingesetzt wird. Die von diesem Laser-Barren 2a emittierten Pumpstrahlen werden über einen Pumpkoppler 7 in einer Faser 8, in der vorliegenden Patentanmeldung auch als Transportfaser bezeichnet, zusammengefasst . Diese Transportfaser 8 ist dann mit dem Faserlaser 3 verbunden. Die aktive Faser 4 des Faserlasers 3 ist vorzugsweise als Doppelmantelfaser ausgebildet, bei der das Pumplicht in den inneren Mantel 12 eingekoppelt wird. Dies ist anhand der Figur 3 schematisch dargestellt. In dieser Figur ist die aktive Faser 4 als Doppelmantelfaser zu erkennen. Diese Doppelmantelfaser weist einen inneren Kern 11 für das Laserlicht 10 des Faserlasers, den so genannten Laserkern, einen inneren Mantel 12 für das Pumplicht 9, auch als Pumpkern bezeichnet, und einen äußeren Mantel 13 auf. Mit einer derartigen Faser ist es möglich, die Strahlung von Hochleistungslaserdioden in die Faser einzukoppeln. Zur Erhöhung der Absorption der Pumpstrahlung im Laserkern 11 der Faser weist der Pumpkern 12 vorzugsweise keinen kreisförmigen Querschnitt auf. Im vorliegenden Beispiel wird ein Pumpkern in D-Form eingesetzt, wie dies im rechten Teil der Figur im Querschnitt zu erkennen ist. Weiterhin bieten sich hier auch andere Querschnittsformen, beispielsweise eine polygonale oder eine rechteckige Form an. Bei kreisrundem Querschnitt des Pumpkerns 12 kann auch eine dezentrale Anordnung des Laserkerns 11 erfolgen. Diese von der kreisrunden Geometrie abweichende Form des Faseraufbaus erhöht den Anteil der im Laserkern 11 absorbierten Pumpstrahlung.

Die folgende Tabelle zeigt Beispiele für die Parameter des vorgeschlagenen Faserlasers, unterteilt in drei Gruppen, einem gut realisierbaren Bereich, einem erweiterten Parameterbereich und einem noch möglichen Bereich, mit denen der Faserlaser betrieben werden kann. Als Parameter werden hierbei einerseits die Laserionen für die Dotierung der aktiven Faser, der Kerndurchmesser der aktiven Faser, die numerische Apertur (NA) des Kerns, der Manteldurchmesser sowie die numerische Apertur des inneren Mantels im Falle der Doppelkernfaser, das Fasermaterial und die Fasertypen angeführt. Auf der anderen Seite werden Pulsenergie,

Pulsdauer, Repetierrate, Pumppulsdauer, Pumpkonzept und Pumpwellenlängen angegeben. Schließlich kann noch die Art des Laserresonators verändert werden. Die Reflektivitäten des hochreflektierenden Resonator- spiegeis, beispielsweise des Bragg-Gitters 5, sowie des Auskoppelspiegels, beispielsweise des Bragg-Gitters 6, können in den genannten Bereichen liegen.

Name des Gut realisierbarer Erweiterter Möglicher Parameters Bereich ParameterBereich bereich

Pulsenergie 50 μJ - 1 mJ 10 μJ- 1OmJ 100pJ-100mJ

Pulsdauer 100ns-1 μs 20 ns - 5 μs 1 ns- 100 μs

Repetierrate 1 kHz -100 kHz 1 Hz - 500 kHz 1 Hz -50 MHz

Laserionen Yb₁Er Tm, Ho, Nd

Kerndurchmesser 6 μm - 25 μm 4 μm - 50 μm 4 μm - 100 μm

Kern-NA 0,06-0,1 0,04-0,15 0,03-0,22

Pumppulsdauer 50 ns - 1 μs 10 ns-5 μs 1 ns-100 μs

Mantel100 μm- 250 μm 50 μm - 400 μm 50 μm - 800 μm durchmesser

Mantel-NA 0,2 - 0,44 0,12-0,6 0,1 -0,8

Fasermaterial Quarz ZBLAN,

Fluorglas

Fasertypen Stufenindex Photonisch, Air- Mikrostrukturierte

Clad Kerne

Pumpkonzept N-zu-1 -Koppler Endgepumpt Seitengepumpt

Pumpwellen900 bis 990 nm 800 bis 1500 UV-NIR längen nm

Laserresonator Faser-Bragg- Freistrahl- Faser-Schleifen-

Gitter Spiegel Spiegel

Reflektivität HR 95 - 99 % 90 - 99,9 % 80-100%

ReflektivitätAK 5-10% 3-20 % 0,1 -50%

Im Gegensatz zu einem gütegeschalteten Faserlaser kann bei dem vorgeschlagenen gewinngeschalteten Faserlaser vollständig auf einen Schalter verzichtet werden, der die Resonatorgüte zwischen hoch und niedrig umschaltet. Die Pulserzeugung basiert einzig auf der Zuführung der Pulsenergie in einem hinreichend kurzen Zeitintervall. Die bisher eingesetzten Schalter sind derzeit nicht als faserintegrierte Komponenten verfügbar und eine Verfügbarkeit, vor allem bei hohen mittleren Leistungen, ist auch nicht absehbar. Weiterhin zeichnet sich der vorgeschlagene Laser auch durch einen geringeren Anteil an verstärkter spontaner Emission (ASE) aus, vor allem im Vergleich zu einer Oszillator-Verstärker-Anordnung.

Bezuqs zeichenliste

1 Strompulser

2 Pumplaserdiode

2a Diodenlaserbarren

3 Faserlaser

4 Aktive Faser

5 Hochreflektierendes Bragg-Gitter

6 Niedrigreflektierendes Bragg-Gitter

7 Pumpkoppler

8 Transportfaser

9 PumplaserStrahlung

10 Laserstrahlung des Faserlasers

11 Innerer Kern bzw. Laserkern

12 Innerer Mantel bzw. Pumpkern

13 Äußerer Mantel

14 Verbindungsleitung

P Pumpleistung

I Inversion

S Signalleistung

L Laserschwelle

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung mit einem optisch gepumpten Faserlaser (3) , bei dem ein oder mehrere Diodenlaser (2, 2a) als Pumplaser eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserlaser (3) gewinngeschaltet betrieben wird, wobei die Diodenlaser (2, 2a) überpulst werden, um die Pulsleistung für den gewinn- geschalteten Betrieb des Faserlasers (3) bereitzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diodenlaser (2, 2a) von einer Stromquelle (1) mit gepulstem Strom versorgt werden, die niederinduktiv und impedanzangepasst an die Diodenlaser (2, 2a) angeschlossen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Pumpstrahlung der Diodenlaser (2a) über einen Koppler (7) in einer Faser (8) zusammengefasst und die Diodenlaser (2a) von der Stromquelle (1) synchron mit Strompulsen angesteuert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strompulse eine Dauer aufweisen die zwischen 10 ns und 1000 ns liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Diodenlaser (2, 2a) so betrieben werden, dass sie eine Pumppulsdauer aufweisen, die zwischen 1 ns und 10 μs liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Diodenlaser [2, 2a) so betrieben werden, dass sie eine Pumppulsdauer aufweisen, die zwischen 10 ns und 5 μs liegt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktive Faser (4) mit einer Doppelmantelstruktur eingesetzt und das Pumplicht in einen inneren Mantel (12) der aktiven Faser (4) eingekoppelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktive Faser (4) mit einem Kern eingesetzt wird, der mit Seltenerd-Atomen dotiert ist.

9. Anordnung zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung, mit einem Faserlaser (3) und einem oder mehreren Diodenlasern (2, 2a) , die als Pumplaser für den

Faserlaser (3) ausgebildet und angeordnet und mit einer oder mehreren Stromquellen (1) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Stromquellen (1) für die Versorgung des einen oder der mehreren Diodenlaser (2, 2a) mit Strompulsen ausgebildet sind, die durch Überpulsung des einen oder der mehreren Diodenlaser (2, 2a) einen gewinngeschalteten Betrieb des Faserlasers (3) ermöglichen.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Stromquellen (1) impedanzangepasst an den oder die Diodenlaser (2,

2a) angeschlossen sind.

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass Pumpstrahlung der mehreren Diodenlaser (2a) über einen Koppler (7) in einer Faser (8) zusammengefasst ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Diodenlaser (2a) durch einen oder mehrere Diodenlaserbarren gebildet werden.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass alle optischen Komponenten der Anordnung miteinander verspielst sind.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserlaser (3) einen Laserresonator aufweist, der durch faserintegrierte Strukturen gebildet wird, die einen Teil der Laserstrahlung reflektieren.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserlaser (3) eine aktive Faser (4) mit einem Kern aufweist, der mit Seltenerd-Atomen dotiert ist.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserlaser (3) eine aktive Faser (4) mit einer Doppelmantelstruktur aufweist, wobei das

Pumplicht in einen inneren Mantel (12) der aktiven Faser (4) eingekoppelt wird.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerer Kern (11) der aktiven Faser (4) einen Durchmesser zwischen 4 und 50 μm bei einer numerischen Apertur von 0,01 bis 0,2 und der innere Mantel (12) einen Durchmesser zwischen 50 bis 400 μm bei einer numerischen Apertur von 0,15 bis 0,7 aufweisen.