WO2013143862A1 - Pumpstrahlungsanordnung und verfahren zum pumpen eines laseraktiven mediums - Google Patents

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WO2013143862A1
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pumping
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Dirk Sutter
Alexander Killi
Jochen KLEINBAUER
Yufeng Li
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Trumpf Laser Gmbh + Co. Kg
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Definitions

  • the present invention relates to a pump radiation arrangement, comprising: a pump radiation source for generating pump radiation, and means for
  • Wavelength stabilization of the pump radiation source for example in the form of a lattice structure.
  • the invention also relates to a method for pumping a laser-active medium, comprising the steps of: generating pump radiation with a pump radiation source, stabilizing the wavelength of the pump radiation, for example by means of a lattice structure, and pumping the laser-active medium by means of the pump radiation.
  • the Pump radiation source and comprises a reflector having a grid structure.
  • the reflector is in optical communication with the semiconductor diode laser and is aligned with an output beam of the diode laser such that a portion of the radiation in the output beam is reflected back into the diode laser by the reflector.
  • the laser radiation generated by the radiation source described in WO 2006/025849 A2 can serve as pump radiation for pumping a laser-active medium.
  • a laser active medium typically has a very narrow absorption line, i. a very narrow wavelength range in which the pump radiation is absorbed.
  • the wavelength-dependent feedback of a portion of the pump radiation to the pump radiation source advantageous since stabilization of the emitted wavelength takes place, so that the transmitted from the reflector portion of the pump radiation has a much narrower bandwidth than would be the case without such stabilization.
  • the pump efficiency can thus be increased by the reflector since the proportion of pump radiation received by the laser-active medium increases.
  • the path of the pump radiation through the laser-active medium should also be as long as possible in order to increase the absorption.
  • long beam paths in the laser-active medium can cause thermal effects that lead to a deterioration in the beam quality of the laser radiation generated or amplified by the active medium.
  • the beam quality of the generated or amplified laser radiation should be significantly higher than that of the pump radiation, so that at similar beam waists the pump radiation diverges much more strongly and thus a good spatial overlap of pump and laser radiation and thus an efficient energy transfer from pumping on
  • Laser radiation is guaranteed only over a short distance. Furthermore, for many lasers or amplifiers, long path lengths within the active medium are unfavorable for other reasons, e.g. For ultrashort pulse lasers usually the linear dispersion and / or at high peak powers the non-linearity of the medium (e.g.
  • Lasermedium selected as short as possible and there is a multiple passage of the pump radiation or a pump from several sides.
  • the pump radiation or a pump from several sides.
  • a pump radiation arrangement of the type mentioned further comprising: a laser active medium, which is traversed bidirectionally by the pump radiation, a retroreflector for the reflection of not absorbed by the laser active medium pump radiation along the substantially same beam path or beam path back to
  • Pump radiation source and a wavelength-selective element for preventing wavelength stabilization of the pump radiation source by filtering out unwanted spectral components of not absorbed by the laser-active medium pump radiation e.g. one or more may be by means of a respective means, in particular a grid structure,
  • wavelength-stabilized laser diode can be used.
  • the wavelength-selective element can be the desired spectral component of the
  • Spectral components which lie on the edge or outside the absorption line of the laser-active medium and therefore less or not absorbed and which may adversely affect the efficiency of the pump radiation arrangement, by means of at least one wavelength-selective element are filtered out.
  • the means used to stabilize the wavelength of the pumping radiation source, more precisely the laser-active medium present there, may be a lattice structure inscribed in the laser-active medium, e.g.
  • the lattice structure can also be arranged outside the laser-active zone, but in a waveguide integrated on the same chip
  • DBR distributed Bragg reflector laser
  • the pump radiation arrangement has a retroreflector for the reflection of pump radiation not absorbed by the laser-active medium, typically along the essentially identical beam path back to the pump radiation source.
  • the retroreflector allows the pumping radiation to pass through the iaser active medium at least once more, thereby increasing the efficiency of the laser beam
  • Solid angle, cf. For example, WO2001 / 057970A1, and a doubling of the pump light passages can not be achieved there or only at disproportionate costs without the use of a retroreflector.
  • the means or the grid structure forms the
  • Wavelength stabilization a wavelength-dependent reflector to reflect a portion of the generated pump radiation back to the pumping radiation source and supply a transmitted portion of the pumping radiation to the laser-active medium.
  • the reflector may, for example, be a volume Bragg grating, which may be arranged at a distance from the pump radiation source or a pump diode provided there. If a wavelength-stabilized fiber laser is used as the pump radiation source, the wavelength-stabilized pump radiation of such a pump fiber laser can be e.g. be produced by a designed as a fiber Bragg G itter reflector. In general, the
  • Pump radiation wavelength-stabilizing reflector form a coupling mirror of the pump radiation source.
  • the retroreflector for the feedback of the pump radiation to the pump radiation source optionally with the
  • wavelength-stabilizing reflector can be identical.
  • the pumped laser active medium is potentially within the resonator of the pump radiation source.
  • the losses that result from the absorption of the pump radiation within this (possibly coupled external) resonator must not be so strong that the pump radiation source no longer emits narrow-band laser radiation. Therefore, the retroreflector should be designed narrower (i.e., reflect a smaller wavelength range) than the absorption line of the pumped laser active medium.
  • the wavelength-selective element is an interference filter.
  • the effect of such an interference filter is based on the interference between direct and multiply reflected radiation on thin layers.
  • the wavelength-selective element is as
  • Edge filter or formed as a combination of edge filters, of which one or more only radiation at the desired wavelength and
  • transmit longer-wave radiation and one or more of which transmit radiation in addition to radiation at the desired wavelength and shorter-wavelength radiation.
  • filters can be used, which by the absorption of pump radiation
  • the respective filters can be designed as bandpass filters, high-pass filters or low-pass filters.
  • the interference filter is at an angle to
  • Beam direction of the pump radiation aligned etalon is based on the basic principle of the Fabry-Perot interferometer, typically two parallel, at a close range .
  • arranged plane mirror surfaces are used to form a resonator (cavity).
  • a resonator (cavity)
  • Such an etalon transmits only radiation at a wavelength which is the resonance condition Fulfills.
  • the unwanted radiation components can be selectively decoupled, since the angle at which the transmission of the etalon is maximum, can be selectively influenced by the angle.
  • the etalon used is preferably a substrate, for example in the form of a thin plane-parallel plate (as a resonator), which is provided on both side surfaces with a (partially) reflective coating. This can be done on a substrate, for example in the form of a thin plane-parallel plate (as a resonator), which is provided on both side surfaces with a (partially) reflective coating. This can be done on a
  • a coating applied to the other side surface may comprise another stack of alternating high and low refractive quarter-wave layers.
  • half-wave and quarter-wave layers refer to the optical thickness of the layers, which corresponds to the adhesion or to a quarter of the central (resonant) wavelength of the etalon, but may also include other types Etalons, for example, so-called air-gap etalons (English, “air-spaced etalons”) are used, in which two thin plane plates are held by spacers at a predetermined distance from each other.
  • the etalon is as
  • a suitable alternating stack of high and low refractive quarter-wave layers as a partial reflector on a back-coated substrate can be followed by a multiple of a half-wave layer and a renewed alternating stack of quarter wave layers as the second partial reflector, the number of respective layers being chosen such that the etalon in resonance has a nearly 100% transmission.
  • quarter wave layers other suitable layer systems can be selected.
  • the pump radiation arrangement has a collecting element for deflecting and / or absorbing the unwanted spectral components deflected out of the path of the pump radiation by the wavelength-selective element, in particular an etalon.
  • the unwanted spectral components are reflected by the etalon (or another tilted wavelength-selective element) and decoupled from the beam path of the pump radiation due to the arrangement of the etalon at a tilt angle to the beam direction.
  • the collecting element may, for example, be provided with a reflective coating in order to deflect the unwanted radiation components onto an absorber.
  • the collecting element can also be designed as an absorber itself, which absorbs the power of the unwanted radiation components, for example in the manner of a heat sink.
  • the laser-active medium is a solid-state crystal and the wavelength-selective element, in particular the interference filter, is in
  • Solid-state crystal or disposed between the solid state crystal and the retroreflector is typically a doped crystal, for example a Yb: YAG or a Yb: sesquioxide crystal (eg Yb: Lu 2 O 3 ).
  • the pumped solid-state medium may have a different geometry: for example, it may be a laser disk, which is usually passed through several times by the pump radiation, in that the pump radiation is repeatedly reflected back to the laser disk with the aid of several mirrors.
  • a rod-shaped laser medium (rod laser) or a plate-shaped medium (so-called slab laser) may also be used as the iaser-active solid-state medium.
  • the retroreflector is designed as a wavelength-selective element.
  • the wavelength-selective element may in this case form a mirror, onto which the pump radiation impinges at a suitably selected angle of incidence, different from 0 °, in order to reflect it back to the laser-active medium, for example a Blaze grating in Littrow arrangement.
  • a Blaze grating reflects Strahung only in a certain direction and thus at given wavelength only in a certain order of diffraction.
  • the angle of incidence corresponds to the angle of reflection (and the so-called blaze angle), so that the pump radiation is reflected back into itself.
  • the retroreflector can also be an end mirror, onto which the pump radiation impinges substantially perpendicularly, so that the pump radiation is reflected back into itself.
  • a mirror of the pumping light arrangement which does not serve as a retroreflector or as an end mirror, serve as a wavelength-selective element and be provided for this purpose, for example with a grid structure and / or (interference) filter with a
  • the retroreflector has a
  • a lattice structure or a pattern of refractive index variations can be realized in different ways, for example as described in WO 2006/025849 A2 cited at the outset. as a holographic grating, as a photonic crystal with band gaps (English, "photonic bandgap crystal"), as an interference filter reflector, etc.
  • the retroreflector is designed as a volume Bragg G itter.
  • a volume Bragg grating can be produced, for example, by using a photo-thermo-refractive material of a radiation distribution with a photo-thermo-refractive material is exposed to a periodic pattern, as described in detail in WO 2006/025849 A2.
  • the retroreflector is a grating waveguide mirror
  • the grating waveguide mirror may be formed as described in the article "High Reflectivity Grating Waveguide Coatings for 1064 nm" by A. Bunkowski et al., Classical and Quantum Gravity 23, 7297ff Medium (substrate) a high refractive medium applied, soft forms the waveguide.
  • a grid structure is mounted, which leads in combination with the total reflection at the interface between the two media to a constructive interference and thus to the reflection of radiation at a particular wavelength (target wavelength).
  • the laser active medium is a laser active fiber and the pump radiation assembly includes a pump fiber section for supplying pump radiation to the laser active fiber.
  • the pumping radiation assembly serves to pump an optical fiber, more specifically a laser active (e.g., ytterbium or erbium doped) core of an optical fiber.
  • the pump radiation can e.g. through a component to
  • Wavelength division multiplexing is coupled from the pump radiation source into the pump fiber section
  • the pump radiation is guided parallel to the fiber core or its jacket along an interaction region and couples into the pump
  • the pump radiation arrangement has another
  • a pumping laser section for supplying pumping radiation not absorbed by the laser active fiber to the retroreflector.
  • the pumping fiber section and the further pumping fiber section can in this case form two sections of the same pumping fiber which runs parallel (and at a small distance) to the laser-active fiber in an intermediate pumping fiber section.
  • the pumping fiber section and the further pumping fiber section can in this case form two sections of the same pumping fiber which runs parallel (and at a small distance) to the laser-active fiber in an intermediate pumping fiber section.
  • Pumpfaserabitese be spliced at the two ends of the interaction region to the laser-active fiber or on the mantle.
  • the retroreflector is used to return the pump radiation via the further pump fiber section to the interaction region, so that it is guided back to the pump radiation source via the first pump fiber section.
  • an optical pumping can take place, in which the pump radiation is coupled into the laser-active fiber on the face side and if necessary also decoupled again. This is particularly helpful when pump radiation with high pump power density is to be coupled directly into the laser-active core of the fiber, or if the
  • the retroreflector is embodied as a fiber Bragg grating formed in the further pump fiber section (Engl. "Fiber Bragg grating").
  • a fiber Bragg grating can by means of a laser pattern generator in the region of a free end of the Possaser section and serves as a wavelength-selective element.
  • the lens is used for focusing or collimation of the end of the second
  • wavelength-selective element e.g. a volume Bragg grating can be used as a retroreflector.
  • the pump radiation arrangement comprises at least one further pump radiation source for supplying further pump radiation to the laser-active fiber, the further pump radiation typically having a pump radiation wavelength adjacent to the pump radiation of the pump radiation source.
  • the pumping radiation of the pumping radiation sources can be coupled into the laser-active fiber in the same direction or in opposite directions via a WDM element or a DWDM element (dense wavelength multiplexing) .
  • the invention also relates to a method of the aforementioned Type for pumping a laser-active medium, which comprises the following further step:
  • wavelength-selective element to prevent a Wavelength stabilization of the pump radiation source.
  • Method may be formed as described above.
  • the advantages described above in connection with the pump radiation arrangement also apply correspondingly to the method for pumping the laser-active medium.
  • the wavelength of the pumping radiation is stabilized by a wavelength dependent reflector (typically having a grating structure) which reflects back a portion of the generated pumping radiation back to the pumping radiation source and supplies a transmitted portion of the pumping radiation to the lasing medium, i. the grid structure acts as a reflector.
  • a wavelength dependent reflector typically having a grating structure
  • Such a lattice structure may e.g. be formed in the form of a volume Bragg grating or a fiber Bragg grating.
  • FIG. 1 a, b are schematic representations of a pump radiation source in the form of a
  • Fig. 2 is a schematic representation of a spectrum of the
  • FIG. 3c is a schematic representation of a disk laser pumping radiation arrangement with a thin-film etalon as the wavelength-selective element
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of the wavelength-dependent transmission of two different etalons according to FIGS. 3a-c, FIG.
  • FIG. 5 shows a representation of an embodiment of the pumping radiation arrangement with a grating-waveguide mirror as a wavelength-selective element at an angle of incidence different from 0 °
  • FIG. 6 shows an illustration of an embodiment of the pump radiation arrangement with a wavelength-selective element in the form of a volume Bragg grating
  • Fig. 1a, b show very schematically a pump radiation source 1 in one
  • the pump radiation source 1 in the present example is a laser diode for generating pump radiation at a target wavelength ⁇ ⁇ of eg 969 nm for pumping Yb: YAG or of eg 976 nm for pumping Yb: Lu 2 O 3 as laser-active Medium.
  • Pump radiation source 1 has an active region 2, in which photons or pump radiation 3 is generated when the pump radiation source 1 with a
  • the active region 2 in the present example consists of InGaAs, but it is understood that other semiconductor materials can be used.
  • Pump radiation source 1 is applied to a heat sink 4 and emits pump radiation 3, which runs along the Z direction of an XYZ coordinate system.
  • the pump radiation 3 emerges divergently from the pump radiation source 1, wherein the divergence which the pump radiation 3 has in the Y direction (so-called “fast axis") differs from the divergence of the pump radiation 3 in the X direction (so-called “slow axis ").
  • the pump radiation 3 impinges on a reflector in the form of a volume Bragg grating 5, which has a lattice structure which in the present case is designed as a line pattern or line grating.
  • the volume Bragg grating 5 reflects back a portion 3a of the impinging pump radiation 3 to the pump radiation source 1 in order to detect unwanted modes which are reflected in the pump radiation source 1
  • the volume Bragg grating 5 has a comparatively small influence on the divergence of the pump radiation 3 in the Y direction, for which reason a cylindrical lens 6a is arranged between the pump radiation source 1 and the volume Bragg grating 5 in order to collimate the pump radiation 3.
  • a further cylindrical lens 6b may be provided for collimation.
  • a diverging lens may also be provided in order to increase unwanted modes in the pump radiation source 1
  • the further lens 6b may also be completely dispensed with.
  • a single lens element may be used to adjust the divergence of the pump radiation 3 in both the y-direction and the z-direction.
  • the volume Bragg grating 5 may be different than in Fig. 1 a. b is to be attached directly to the surface at which the pump radiation 3 exits the pump radiation source 1.
  • the radiation intensity has an intensity distribution which has a maximum at the target wavelength ⁇ ⁇ and which has a substantially Gaussian, narrow-band profile 8.
  • Such a narrow intensity profile 8 can be generated when with the help of the volume Bragg grating 5 as shown above, a proportion of the 3a
  • Pump radiation 3 is reflected back into the pump radiation source 1 and into the active region 2.
  • a narrow-band intensity profile 8 is advantageous because the pump radiation 3 serves for pumping a laser-active medium, which is only within one
  • FIG. 2 shows by way of example such a (calculated) absorption spectrum 7 of a laser-active medium in the form of a thin Yb: YAG laser disk in one
  • Multipass pump radiation arrangement with retroreflector, at high inversion is
  • Absorption line absorbs significantly lower spectral components and therefore return to the pump diode.
  • the gain spectrum of the pumping light source 1 or the diode also supports spontaneous emission of radiation outside the narrowband emitted
  • Spectral range 8 which can oscillate with sufficient feedback via the retroreflector to laser radiation.
  • the spectrum of the pumping diode 8 differs because of the limited reflectivity of the volume Bragg grating reflector used at a wavelength of 969 nm from to broader, unwanted emission bands 10 at wavelengths from 965 nm to 966 nm or at wavelengths from 971 nm to 972 nm Depending on the location of the gain spectrum of the diode or depending on
  • Diode temperature and semiconductor composition can be excited to either short-wave or long-wave radiation or both short-wave and long-wave radiation.
  • FIGS. 3a, b show such a laser-active medium 12 in the form of a Yb: YAG
  • Laser crystal which in a pump radiation arrangement 1 1 in the pump beam path 13 of the pump radiation source 1 is arranged and which is excited by the pump radiation 3 to emit (not shown) laser radiation at an emission wavelength of about 1030 nm.
  • the portion 3b of the pump radiation 3 transmitted by the volume Bragg grating 5, which passes through the volume of the laser crystal 12 along an interaction length D is used. Since the traversed by the pump radiation 3 length D can not be made arbitrarily large, especially due to thermal effects, only a part of the
  • End mirror 14 mounted in the pumping radiation assembly 1 1, which reflects the non-absorbed by the laser medium 12 pumping radiation 3c in back.
  • the end mirror 14 reflects the pump radiation 3c back to the laser-active medium 12 so that it is again traversed by the pump radiation 3b and once again traverses the interaction length D, wherein a further part of the pump radiation 3 is absorbed by the laser medium 12.
  • the pump radiation arrangement 1 1 shown in FIG. 3 a, b represents a simplified example and that if necessary
  • a plurality of further mirrors may be provided in the pumping radiation arrangement 1 1 in order to realize more than just two pumping passes through the laser medium 12.
  • a laser-active crystal made of a material other than Yb: YAG can be used.
  • the laser-active medium may also have a different geometry than the rod-shaped geometry shown in Fig. 3a, b, for example, the laser-active medium 12 may take the form of a disc or a plate.
  • Pumping radiation 3c is transmitted by the latter and, together with the portion 3a of the pumping radiation 3 reflected back at the volume Bragg grating 5, enters the pumping radiation source 1.
  • the radiation component 3c not absorbed by the laser-active medium 12 and reflected back into the pump radiation source 1 not only has spectral components at the target wavelength ⁇ ⁇ but also spectral components 10 which lie in the edge region of the excitable amplification spectrum of the pump radiation source 1.
  • the unabsorbed spectral component of the back-reflected pump radiation 3c typically has a power which is greater than that in FIG Range of the target wavelength ⁇ 2 , since the lying in this wavelength range power component was essentially absorbed by the laser-active medium. Therefore, this unwanted spectral component 10 leads to a destabilization of the wavelength of the pump radiation source 1, in particular at high pump powers, which leads to a broadening of the radiation emitted by the pump radiation source 1
  • Wavelength spectrum leads.
  • a wavelength-selective element in the form of a plate-shaped etalon 15 is mounted in the pumping radiation arrangement 11 of FIG. 3a, b.
  • the plate-shaped etalon 15 has a thickness d of about 40 to 50 microns and is provided at the two parallel side surfaces with a reflective coating B.
  • the Etalon 5 is opposite the
  • FIG. 3 c shows by way of example a further exemplary embodiment of a
  • Pumping radiation arrangement 1 1 for pumping a thin laser disk 12 (hidden in Fig. 3c).
  • the pump radiation 3 of a pump radiation source 1 in the form of a pump diode having a volume Bragg grating integrated into the pump radiation source 1 (not shown in Fig. 3c) and which is projected onto e.g. 969 nm for a Yb: YAG
  • Laser disk 12 or eg 976 nm for a Yb: Lu 2 0 3 laser disk 12 is stabilized is homogenized via a transport fiber 16 and fed through a perforated disk 17 of a collimating lens 18.
  • the collimating lens 18 collimates the pumping radiation 3b, which is transmitted through the wavelength-selective element 15, which is formed in the present example as in Fig. 3a, b as a thin-film etalon, while unwanted spectral components 10 and reflected by a
  • Mirrored perforated disc 7 are directed to a (not shown) cooled heat sink.
  • the transmitted from the etalon 15 pumping radiation 3b occurs in a part of
  • Pumping radiation arrangement 1 as it is known from WO2001 / 057970A1 and which is therefore not described in detail herein.
  • the pump radiation 3b is in many passes through a parabolic mirror 19 and over several deflecting prisms 20a, 20b again and again to the back mirrored laser disk 12th directed, which is arranged in the focal point of the parabolic mirror 19.
  • the pumping radiation 3b is partially absorbed by the laser-active medium 12 present there before it is reflected by a retroreflector 14, which in the present example is formed as a mirrored retro-prism pair 20a, 20b hit on the roof edge, and essentially the same
  • Pump radiation 3 through the pump radiation assembly 1 are e.g. However, 65% of the central spectral peak of the pump radiation 3 absorbs only about 20% of the edge areas, i. About 80% are reflected back to the pumping radiation source 1.
  • the proportion of the absorbed unwanted spectral components would grow more strongly than that in the absorption line.
  • the volume Bragg grating 5 is typically designed so that it reflects, for example, only about 20% of the edge regions of the pump spectrum.
  • the angle of incidence of the pumping radiation 3b on the etalon 15 or the etalon 15 itself can be precisely by a suitable device (not shown)
  • the mode of action of the etalon 15 on the pump radiation 3 will be explained below with reference to FIG. 4, which shows in a highly schematic manner the wavelength-dependent transmission T of the etalon 15 in two different configurations.
  • the transmission T of the etalon 15 varies as a function of the wavelength between a maximum transmission T 3x and a minimum transmission T M ini or T M in 2
  • the difference between the maximum transmission T Max and the minimum transmission T M ini, T M in2 also called contrast , can be adjusted by means of the coating B, more precisely by the choice of the reflectivity of the coating B, wherein the minimum value T M ini, T M in2 can be eg 50% of the maximum transmission T Max .
  • the (half-width) width di, d 2 of a peak of the transmission distribution T can be adjusted across the thickness d of the etalon 15.
  • the wavelength at which the transmission of the etalon 15 is maximum can be adjusted over the tilt angle ⁇ and is typically chosen so that this wavelength coincides with the target wavelength ⁇ ⁇ . Manufacturing tolerances of the etalon 15, which slightly shift the resonance wavelength under normal incidence, can thus be compensated by varying the tilt angle ⁇ .
  • the required tilt angle ⁇ is typically small and is between about 2 ° and a maximum of about 20 °.
  • the etalon 15 reflected, unwanted spectral background of
  • pump radiation 3b can be directed geometrically to a jet sump, so that excessively reflected pump radiation 3, in particular during the fine-tuning of the tilt angle ⁇ , is not
  • a highly reflective coated perforated disc 17 through the opening of a
  • Swinging occurs outside the absorption line of the active medium 12.
  • a reflective element for example in the form of a grating-waveguide mirror 14a, which serves as an end mirror, can also be used for the filtering of unwanted spectral components 10
  • Pumping radiation arrangement 1 serves, as shown in Fig. 5.
  • the grating waveguide mirror 14a reflects only pump radiation 3 in a narrow spectral range around the target wavelength ⁇ ⁇ and allows the filtering of unwanted spectral components 10 of the pump radiation 3.
  • the grating waveguide mirror 14a can be formed, for example, as in the article cited above which is incorporated herein by reference for the purposes of this application.
  • Both the grating parameters and the width of the waveguide, ie the distance between the beam entry surface on which the grating is formed, and the substrate, can be suitably matched to one another to constructive interference for pump radiation 3 at the target wavelength ⁇ ⁇ to obtain.
  • the grating waveguide mirror 14a can have a higher angular acceptance and a comparatively broadband reflection than typical volume Bragg gratings with higher reflectivity, so that a fine adjustment can possibly be dispensed with.
  • the grating-waveguide mirror 14a is used as a retro-reflector under non-perpendicular incidence, ie at an angle ⁇ to the beam direction 13, in a Littrow arrangement in which the angle of incidence and the angle of incidence of the grating
  • Retroreflector also serve a volume Bragg grating 14 b, as shown in Fig. 6.
  • the volume Bragg grating 14b is designed to reflect the impinging pump radiation 3 only in the desired wavelength range around the target wavelength ⁇ (with no pump radiation being transmitted). Also in this way it can be prevented that unwanted spectral components are reflected back to the pumping radiation source 1.
  • volume Bragg grating 14b without angular fine tuning matches the wavelength ⁇ ⁇ of the pump radiation source 1 stabilized by the reflector 5
  • a period-modulated volume Bragg grating (“chirped VBG") 14b even if it is assumed that the reflectance of the volume Bragg grating 14b is very clearly below 100%, eg., the reflectance of such a volume Bragg grating 14b is limited by its small refractive index difference at 80-90%, so would this proportion of the on the way through the pumping radiation arrangement 1 1 not yet absorbed pump radiation 3 on the way back available.
  • Wavelength-selective element has been formed, a wavelength selection can optionally also be done on other mirrors of the pumping radiation arrangement 1 1, for example, mirrors, which serve for the folding of the beam path or for the realization of multiple passes through the laser-active medium 12.
  • a wavelength selection can optionally also be done on other mirrors of the pumping radiation arrangement 1 1, for example, mirrors, which serve for the folding of the beam path or for the realization of multiple passes through the laser-active medium 12.
  • Spectral components are realized, if one of them shares next to the desired pump wavelength ⁇ ⁇ only longer wavelength spectral regions, while the other part reflects next to the desired pump wavelength ⁇ ⁇ only shorter wavelength spectral regions. Also, besides volume Bragg gratings and grating waveguide mirrors, other types of reflective ones can be used
  • wavelength-selective elements are used, which may advantageously have a lattice structure.
  • a pump radiation arrangement 11 which serve for pumping a laser-active medium in the form of a signal fiber 22 with laser-active fiber section 26, ie with doped (eg erbium-doped) core, are described in greater detail below with reference to FIGS. 7a-c.
  • the pump radiation 3 emerging from the pump radiation source 1 is coupled into a first pump fiber section 23a, to which a reflector in the form of a fiber Bragg generator 5 for wavelength stabilization is inscribed in the region of an entrance end fiber end.
  • the first pump fiber section 23a to which a reflector in the form of a fiber Bragg generator 5 for wavelength stabilization is inscribed in the region of an entrance end fiber end.
  • Pumper fiber portion 23a is coupled to the signal fiber 22 with laser active fiber portion 26, e.g. via a wavelength division multiplexer (WDM element), via a lateral coupling or via a pumping fiber section which runs parallel to the signal fiber 22 with laser-active fiber section 26 and a
  • WDM element wavelength division multiplexer
  • Interaction region forms with a length D, is coupled to the pump radiation 3 in the signal fiber 22, as indicated in Fig. 7a.
  • a first and second further fiber Bragg gratings 24 a, b are inscribed, which serve as the end mirror of a resonator formed on the laser-active fiber 22.
  • the second fiber Bragg grating 24b preferably represents an outcoupler, to which those in the laser active
  • Fiber section 26 generated laser radiation is coupled out.
  • Radiation power at the second further fiber Bragg grating 24b is greater here than at the first further fiber Bragg grating 24a, i. the
  • the pumping fiber 23 has a further pumping fiber section 23c, at which the pumping radiation not absorbed by the laser-active fiber 22 is guided away from it.
  • a further fiber Bragg grating 4c is inscribed in the pump fiber 23, which serves as an end mirror or a retroreflector to guide the pump radiation 3c back to the laser-active fiber section 26, so that a further radiation component into the signal fiber 22 with laser active fiber section 26 is coupled.
  • FIG. 7b shows a pump radiation arrangement 11, which differs from that shown in FIG. 7a in that, instead of the further fiber Bragg grating 14c, a volume Bragg grating 14d serves as an end mirror and as a wavelength-selective element.
  • an objective 25 is provided in the present example which collimates or focuses the pump radiation 3 emerging from the end of the further pump fiber section 23c this hits the volume Bragg grating 14d.
  • the lens 25 is shown in simplified form in FIG. 7b as a lens, such an objective can comprise a number of optical elements, which for example can also be embodied as reflective optical elements.
  • a further objective can also be provided in order to couple the pump radiation 3 from the pump radiation source 1 into the first pump fiber section 23a.
  • a volume Bragg grating can be provided to reflect a portion of the pump radiation 3 to the pump radiation source 1 back.
  • FIG. 7c shows a further embodiment of a pump radiation arrangement 11. in which a wavelength-sensitive element 15a between the first
  • the pump radiation source 1 may be e.g. be a wavelength stabilized diode. It can, however, e.g. be yourself a fiber laser.
  • Wavelength-selective element 15a may, for example, be a wavelength division multiplexer (WDM element) and at the same time pump radiation 3b from
  • the pumping radiation 3b can be coupled out of the laser-active fiber section 26 by a further wavelength multiplexer 15b into a pumping fiber section 23c leading to a retroreflector.
  • a retroreflector 14a e.g. can be designed as a fiber Bragg grating and the unabsorbed pump radiation 3c deflects back into the laser-active fiber section 26, to such
  • a fiber Bragg grating directly into the signal fiber 22 (see Fig. 7c), but it is also possible to write a fiber Bragg grating directly into the signal fiber 22 or wavelength multiplexer element 15b or coupled to a corresponding spliced pump fiber section 23c.
  • the retroreflector 14a also has wave length selective properties in this case. Instead of a fiber Bragg grating 14a but also a conventional
  • Retroreflector can be used, e.g. one of the components described above or also a mirrored fiber end.
  • a wavelength-selective element can of course be positioned elsewhere between the pumping light source 1 and the retroreflector 14a.
  • DWDM dense wavelength division multiplexing
  • Pump radiation source can be used 1 a whose wavelength must not be identical to that of the first pump radiation source 1, but, for. may be stabilized to a closely adjacent wavelength by another wavelength-selective element 5a (e.g., in the form of a Bragg grating).
  • another wavelength-selective element 5a e.g., in the form of a Bragg grating.
  • Wavelength coupling can be the wavelength-selective element 15a for
  • Coupling of pumping radiation into the laser-active fiber section 26 is a DWDM Be element 15a, in which also the pump radiation from another
  • Pump radiation source 1 a is optically coupled.
  • the non-absorbed pump radiation can be distributed by a further corresponding DWDM element 15b at the other end of the laser-active fiber section 26 to a plurality of different wavelength ports, in each of which a retroreflector 14a, c is provided for the adjacent pump radiation wavelengths, as indicated in Fig. 7c.
  • the retroreflector may e.g. be formed as a fiber Bragg grating 14a, c, which in a respective fiber portion spliced to the DWDM element 15b, which is assigned to a respective port,
  • a single-port DWDM element 15b may be used which directs the closely spaced wavelengths into a common fiber section 23c to which a retroreflector 14a is optically coupled.
  • a single fiber Bragg grating 14a which is suitable for reflecting the different pump radiation wavelengths, can serve as a retroreflector.
  • the pump radiation of a plurality of pump radiation sources can be coupled via a WDM element or a DWDM element 15a in the same direction in the laser-active fiber core 26 and the
  • Pump radiation from the pump radiation sources can be separated from the laser radiation via another WDM or DWDM element 15c.
  • At least two pump wavelengths can be coupled into the laser-active fiber section 26 in opposite directions (and on opposite sides) via two separate WDM elements 15a, c (see FIG.
  • at least one further pumping light source is optically coupled to the WDM element 15c on which the further pumping fiber section 23c for the reflection of the pumping radiation of the pump radiation source 1 is connected, which is coupled in via the WDM element 15a at the other end of the laser-active fiber section 26.
  • Pumping of the laser-active fiber 22 or of the laser-active fiber section 26 may also be effected by optical pumping, in which the pump radiation 3 is coupled into the signal fiber 22 on the face side and optionally also coupled out again on the front side or
  • pump radiation sources with a different structure are also possible.
  • the above-described and other pump radiation sources can be used with rod, slab, disc, or fiber lasers. Of particular interest is such use in high power fiber lasers.
  • Peak power must be there to suppress nonlinear effects such as Raman and Brillouin scattering active fibers with a short length can be used.
  • the active core In order to efficiently absorb pump radiation and achieve a high peak power of the laser radiation, the active core must be pumped directly. For this purpose you need a pumping radiation of high intensity and high brilliance, which can be achieved via a DWM diode array. Is pumped from two sides or with reverse reflection a double pass of
  • the pump diodes can be lured from its stabilized wavelength as described above and the DWM does not work anymore, which by the provision of wavelength-selective

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pumpstrahlungsanordnung (11), umfassend: eine Pumpstrahlungsquelle (1) zum Erzeugen von Pumpstrahlung (3), ein Mittel (5) zur Wellenlängenstabilisierung der Pumpstrahlungsquelle (1), sowie ein laseraktives Medium (12), das von der Pumpstrahlung (3) bidirektional durchlaufen wird. Die Pumpstrahlungsanordnung (11) weist auch einen Retroreflektor (14) zur Reflexion von nicht vom laseraktiven Medium (12) absorbierter Pumpstrahlung (3c) zurück zur Pumpstrahlungsquelle (1) sowie ein wellenlängenselektives Element (15) zur Vermeidung einer Wellenlängendestabilisierung der Pumpstrahlungsquelle (1) durch Filterung von unerwünschten Spektralanteilen (10) von nicht vom laseraktiven Medium (12) absorbierter Pumpstrahlung (3c) auf. Beispielsweise kann zum Pumpen eine Laserdiode mit externem Volume-Bragg-Grating verwendet werden, wobei in einem gekoppelten Resonator der LD sich ein Yb:YAG als laseraktives Medium befindet als auch ein Fabry-Perot Etalon zur Unterdrückung von spektralen Anteilen, welche nicht von dem schmalbandigen VBG unterdrückt werden.

Description

Pumpstrahlungsanordnung und Verfahren zum Pumpen eines laseraktiven Mediums Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpstrahlungsanordnung, umfassend: eine Pumpstrahlungsquelle zum Erzeugen von Pumpstrahlung, sowie Mittel zur
Wellenlängenstabilisierung der Pumpstrahlungsquelle, beispielsweise in Form einer Gitterstruktur. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Pumpen eines laseraktiven Mediums, umfassend die Schritte: Erzeugen von Pumpstrahlung mit einer Pumpstrahlungsquelle, Stabilisieren der Wellenlänge der Pumpstrahlung beispielsweise mittels einer Gitterstruktur, sowie Pumpen des laseraktiven Mediums mittels der Pumpstrahlung.
Aus der WO 2006/025849 A2 ist eine Strahlungsquelle für hohe
Strahlungsleistungen bekannt geworden, die einen Halbleiter-Diodenlaser als
Pumpstrahlungsquelle und einen Reflektor umfasst, der eine Gitterstruktur aufweist. Der Reflektor steht mit dem Halbleiter-Diodenlaser in optischer Verbindung und ist zu einem Ausgangsstrahl des Diodenlasers derart ausgerichtet, dass ein Teil der Strahlung im Ausgangsstrahl durch den Reflektor in den Diodenlaser zurück reflektiert wird.
Die mit Hilfe der in der WO 2006/025849 A2 beschriebenen Strahlungsquelle erzeugte (vom Reflektor transmittierte) Laserstrahlung kann als Pumpstrahlung zum Pumpen eines laseraktiven Mediums dienen. Ein solches laseraktives Medium weist typischer Weise eine sehr schmale Absorptionslinie, d.h. einen sehr schmalen Wellenlängenbereich auf, in dem die Pumpstrahiung absorbiert wird. Für das
Pumpen eines laseraktiven Mediums ist die wellenlängenabhängige Rückkopplung eines Anteils der Pumpstrahlung zur Pumpstrahlungsquelle vorteilhaft, da hierbei eine Stabilisierung der emittierten Wellenlänge stattfindet, so dass der von dem Reflektor transmittierte Anteil der Pumpstrahlung ein wesentlich schmalbandigeres Spektrum aufweist als dies ohne eine solche Stabilisierung der Fall wäre. Durch den Reflektor kann somit die Pump-Effizienz erhöht werden, da der Anteil der vom laseraktiven Medium aufgenommenen Pumpstrahlung zunimmt. Für ein effizientes Pumpen sollte auch der Weg der Pumpstrahlung durch das laseraktive Medium möglichst lang sein, um die Absorption zu erhöhen. Allerdings können lange Strahlwege im laseraktiven Medium thermische Effekte hervorrufen, die zu einer Verschlechterung der Strahlqualität der durch das aktive Medium erzeugten bzw. verstärkten Laserstrahiung führen. Desweiteren soll üblicherweise die Strahlqualität der erzeugten bzw. verstärkten Laserstrahlung deutlich höher sein als die der Pumpstrahlung, so dass bei ähnlichen Strahltaillen die Pumpstrahlung wesentlich stärker divergiert und somit eine gute räumliche Überlappung von Pump- und Laserstrahlung und somit ein effizienter Energietransfer von Pump- auf
Laserstrahlung nur über eine kurze Strecke gewährleistet ist. Ferner sind für viele Laser bzw. Verstärker lange Weglängen innerhalb des aktiven Mediums aus anderen Gründen ungünstig, so stört z.B. für Ultrakurzpulslaser meist die linearen Dispersion und/oder bei hohen Spitzenleistungen die Nichtlinearität des Mediums (z.B.
Selbstphasenmodulation, Vierwellenmischen, Raman- oder Brillouin-Streuung etc.). Daher wird insbesondere bei Laserkristallen aber auch bei Lasergläsern, wie z.B. Verstärkerfasern als laseraktivem Medium in Faserlasern, die Wegstrecke im
Lasermedium so kurz wie möglich gewählt und es erfolgt ein Mehrfachdurchgang der Pumpstrahlung bzw. ein Pumpen von mehreren Seiten. Bevorzugt kann die
Pumpstrahlung an einem Endspiegel in sich zurück reflektiert werden, wodurch ein nicht vom laseraktiven Medium absorbierter Anteil der Pumpstrahlung zur
Pumpstrahlungsquelle zurück reflektiert wird, damit der doppelte Propagationsweg durch das Lasermedium erfolgt und die Absorptionseffizienz maximiert wird.
Auch die wellenlängenstabilisierte Pumpstrahlung, die von dem Reflektor
transmittiert wird, weist jedoch in der Regel, trotz des die Wellenlänge schmalbandig reflektierenden Reflektors, einen Spektralanteil in einem Wellenlängenbereich auf, der nicht oder nur schwach vom laseraktiven Medium absorbiert wird. Dieser unerwünschte Spektralanteil wird durch den Endspiegel zur Pumpstrahlungsquelle zurück reflektiert, insbesondere wenn die Pumpstrahlungsanordnung bei hohen Strahlungsleistungen betrieben wird, vor allem wenn z.B. bei Dreiniveau- oder Quasi- Dreiniveau-Lasermedien die Absorption aufgrund steigender Inversion des
Lasermediums ausbleicht, was insbesondere bei der sogenannten Zero-Phonon- Absorptionslinie auftritt (z.B. 969 nm bei Yb:YAG oder 976 nm bei Yb:Lu203), tritt jedoch das Problem auf, dass der unerwünschte zurück reflektierte Spektralanteil zu einer Destabilisierung der Pumpstrahlungsquelle führt, so dass sich das Spektrum der Pumpstrahlung, welches von dem Reflektor transmittiert wird, ungewollt verbreitert. Ein solches Ausweichen des Pumpstrahlungsspektrums vor dem
Absorptionsspektrum des laseraktiven Mediums reduziert die Effizienz der
Pumpstrahlungsanordnung trotz des Reflektors, so dass die Ausgangsleistung des Lasers oder Verstärkers sich nicht wie gewünscht steigern lässt.
Aufgabe der Erfindung Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pumpstrahlungsanordnung und ein Verfahren zum Pumpen eines laseraktiven Mediums dahingehend
weiterzubilden, dass eine hohe Effizienz insbesondere auch bei hohen
Pumpleistungen sichergestellt ist. Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Pumpstrahlungsanordnung der eingangs genannten Art, weiter umfassend: ein laseraktives Medium, das von der Pumpstrahlung bidirektional durchlaufen wird, einen Retroreflektor zur Reflexion von nicht vom laseraktiven Medium absorbierter Pumpstrahlung entlang des im wesentlichen selben Strahlenganges bzw. Strahlwegs zurück zur
Pumpstrahlungsquelle sowie ein wellenlängenselektives Element zur Verhinderung einer Wellenlängendestabilisierung der Pumpstrahlungsquelle durch Herausfilterung von unerwünschten Spektralanteilen von nicht vom laseraktiven Medium absorbierter Pumpstrahlung. Als Pumpstrahlungsquelle kann z.B. eine oder es können mehrere mittels einer jeweiligen Mittels, insbesondere einer Gitterstruktur,
wellenlängenstabilisierte Laserdiode(n) verwendet werden. Je nach Auslegung kann das wellenlängenselektive Element die gewünschten Spektralanteile der
Pumpstrahlung transmittieren oder reflektieren.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass unerwünschte Spektralanteile, d.h.
Spektralanteile, die am Rand oder außerhalb der Absorptionslinie des laseraktiven Mediums liegen und daher weniger oder gar nicht absorbiert werden und die sich nachteilig auf die Effizienz der Pumpstrahlungsanordnung auswirken können, mittels mindestens eines wellenlängenselektiven Elements ausgefiltert werden. Die
Verwendung eines wellenlängenselektiven Elements im Strahlengang der
Pumpstrahlung vermeidet die Nachteile, die bei anderen Möglichkeiten zur
Verhinderung des Eintritts der ungewollten Strahlungsanteile in die
Pumpstrahlungsquelle bestehen. So kann beispielsweise das Einfügen eines optischen Isolators (z.B. eines Faraday-Isolators) zwischen der
Pumpstrahlungsquelle und dem laseraktiven Medium insbesondere bei hohen Laserleistungen aufgrund der Restabsorption nicht sinnvoll eingesetzt werden. Bei dem zur Wellenlängenstabilisierung der Pumpstrahlungsquelle, genauer gesagt des dort vorhandenen laseraktiven Mediums, verwendeten Mittel kann es sich um eine Gitterstruktur handeln, welche dem laseraktiven Medium einbeschrieben ist, wie dies z.B. bei Laserquellen vom so genannten„Distributed Feedback Laser"(DFB)- Typ der Fall ist, wie er z.B. in der DE102009019996B4 beschrieben wird. Auch kann die Gitterstruktur außerhalb der laseraktiven Zone, aber in einem auf demselben Chip integrierten Wellenleiter angeordnet sein, wie dies z.B. beim so genannten „distributed Bragg reflector laser"(DBR)-Laser der Fall ist.
Die Pumpstrahlungsanordnung weist einen Retroreflektor zur Reflexion von nicht vom laseraktiven Medium absorbierter Pumpstrahlung typischer Weise entlang des im Wesentlichen gleichen Strahlenganges zurück zur Pumpstrahlungsquelle auf. Der Retroreflektor ermöglicht es, dass die Pumpstrahlung das iaseraktive Medium zumindest ein weiteres Mal durchläuft, wodurch sich die Effizienz der
Pumpstrahlungsanordnung erhöht. Zwar lässt sich die Zahl der
Pumplichtdurchgänge auch ohne einen Retroreflektor mit Hilfe von mehrfachen Umlenkungen erhöhen, allerdings nutzen insbesondere Multipass- Pumpstrahlungsanordnungen für Scheibenlaser bevorzugt einen großen
Raumwinkel, vgl. beispielsweise die WO2001/057970A1 , und eine Verdopplung der Pumplichtdurchgänge lässt sich dort nicht oder nur zu unverhältnismäßigen Kosten ohne die Nutzung eines Retroreflektors erreichen.
Zwar könnte man an Stelle der Verwendung eines wellenlängenselektiven Elements auch versuchen, den Strahlverlauf der Pumpstrahlung so zu verändern, dass der von dem Retroreflektor zurück reflektierte Anteil der Pumpstrahlung das laseraktive Medium unter einem anderen Winkel durchläuft, so dass die an diesem zurück reflektierte Pumpstrahlung nicht mehr in die Pumpstrahlungsquelle eintritt. Allerdings würde sich bei diesem Vorgehen der Überlappbereich im laseraktiven Medium verkleinern und die Strahlqualität der in dem laseraktiven Medium erzeugten
Laserstrahlung abnehmen, wenn sich die Strahlqualität der Pumpstrahlung nicht ohne weiteres steigern lässt, so dass auch bei der Verwendung eines Retroreflektors ein wellenlängenselektives Element zur Stabilisierung der Pumpstrahlungsquelle besonders vorteilhaft ist. Bei einer weiteren Ausführungsform bildet das Mittel bzw. die Gitterstruktur zur
Wellenlängenstabilisierung einen wellenlängenabhängigen Reflektor, um einen Anteil der erzeugten Pumpstrahlung zur Pumpstrahlungsquelle zurück zu reflektieren und einen transmittierten Anteil der Pumpstrahlung dem laseraktiven Medium zuzuführen. Bei dem Reflektor kann es sich beispielsweise um ein Volumen-Bragg-Gitter handeln, welches von der Pumpstrahlungsquelle bzw. einer dort vorgesehenen Pumpdiode beabstandet angeordnet sein kann. Wird als Pumpstrahlungsquelle ein welleniängenstabilisierter Faserlaser verwendet, kann die welleniängenstabilisierte Pumpstrahlung eines solchen Pump-Faserlasers z.B. durch einen als Faser-Bragg- G itter ausgeführten Reflektor erzeugt werden. Ganz allgemein kann der die
Pumpstrahlung wellenlängenstabilisierende Reflektor einen Auskoppelspiegel der Pumpstrahlungsquelle bilden.
Ebenso ist für den Fachmann verständlich, dass der Retroreflektor zur Rückkopplung der Pumpstrahlung zur Pumpstrahlungsquelle gegebenenfalls mit dem
wellenlängenstabilisierenden Reflektor identisch sein kann. In diesem Fall befindet sich das gepumpte laseraktive Medium potenziell innerhalb des Resonators der Pumpstrahlungsquelle. Die Verluste, die durch die Absorption der Pumpstrahlung innerhalb dieses (ggfs. gekoppelten externen) Resonators entstehen, dürfen nicht so stark sein, dass die Pumpstrahlungsquelle nicht mehr schmalbandige Laserstrahlung emittiert. Daher sollte der Retroreflektor schmalbandiger ausgelegt sein (d.h. einen kleineren Wellenlängenbereich reflektieren) als die Absorptionslinie des gepumpten laseraktiven Mediums.
Auch eine Erhöhung des vom Reflektor zurück reflektierten, gewünschten spektralen Anteils der Pumpstrahlung würde zwar zu einer Verbesserung der Wellenlängen- Stabilisation führen, erhöht aber zugleich die optische Belastung der
Pumpstrahlungsquelle bzw. von zur Strahlformung verwendeten optischen
Elementen, so dass die Pumpstrahlungsquelle bzw. das strahlformende Element beschleunigt altern bzw. zerstört werden. Ebenso kann durch erhöhte Rückkopplung vom Reflektor die Effizienz der Pumpstrahlungsquelle sinken, so dass die
Verwendung eines wellenlängenselektiven Elements zur Wellenlängenstabilisation auch bei Verwendung eines Reflektors vorteilhaft ist. In einer Ausführungsform ist das wellenlängenselektive Element ein Interferenzfilter. Die Wirkung eines solchen Interferenzfilters beruht auf der Interferenz zwischen direkter und mehrfach reflektierter Strahlung an dünnen Schichten.
In einer weiteren Ausführungsform ist das wellenlängenselektive Element als
Kantenfilter oder als eine Kombination von Kantenfiltern ausgebildet, von denen einer oder mehrere nur Strahlung bei der gewünschten Wellenlänge sowie
längerwellige Strahlung transmittieren, und von denen einer oder mehrere andere neben Strahlung bei der gewünschten Wellenlänge auch kürzerwellige Strahlung transmittieren. In manchen Fällen kann es auch ausreichen, nur auf einer Seite der Absorptionslinie des laseraktiven Mediums eine spektrale Filterung vorzunehmen, um die Pumplichtquelle zu stabilisieren.
Es versteht sich, dass als wellenlängenselektive Elemente ggf. auch Filter verwendet werden können, welche durch die Absorption von Pumpstrahlung eine
wellenlängenselektive Wirkung haben. Die jeweiligen Filter können als Bandpass- Filter, Hochpass-Filter oder Tiefpass-Filter ausgebildet sein.
In einer Weiterbildung ist der Interferenzfilter ein unter einem Winkel zur
Strahlrichtung der Pumpstrahlung ausgerichtetes Etalon. Die Wirkung eines Etalons beruht auf dem Grundprinzip des Fabry-Perot-Interferometers, bei dem typischer Weise zwei parallel zueinander ausgerichtete, in einem geringen Abstand .
(beispielsweise von ca. 40 Mikrometern) angeordnete plane Spiegelflächen verwendet werden, um einen Resonator (Kavität) zu bilden. Ein solches Etalon transmittiert nur Strahlung bei einer Wellenlänge, welche die Resonanzbedingung erfüllt. Durch die Anordnung eines solchen Etalons, dessen Flächennormale unter einem (typischer Weise kleinen) Winkel zur Strahlrichtung geneigt ist, um
Rückreflexionen der unerwünschten Spektralkomponenten zur
Pumpstrahlungsquelle zu vermeiden, können die unerwünschten Strahlungsanteile gezielt ausgekoppelt werden, da über den Winkel die Wellenlänge, bei der die Transmission des Etalons maximal ist, gezielt beeinflusst werden kann.
Als Etalon wird bevorzugt ein Substrat, beispielsweise in Form einer dünnen planparallelen Platte (als Resonator), verwendet, die an beiden Seitenflächen mit einer (teil-)reflektierenden Beschichtung versehen ist. Hierbei kann an einer
Seitenfläche eine Beschichtung z.B. in Form eines Stapels alternierender hoch und niedrig brechender Viertelwellen-Schichten auf dem rückseitig entspiegelten Substrat angebracht werden, dessen Dicke z.B. einem Vielfachen einer Halbwellenschicht entspricht. Eine an der anderen Seitenfläche angebrachte Beschichtung kann einen weiteren Stapel von alternierenden hoch und niedrig brechenden Viertelwellen- Schichten aufweisen. Die Angaben„Halbwellen-,, bzw.„Viertelwellen-"-Schichten beziehen sich hierbei auf die optische Dicke der Schichten, welche der Hafte bzw. einem Viertel der zentralen (resonanten) Wellenlänge des Etalons entspricht. Es können ggf. aber auch andere Arten von Etalons, beispielsweise so genannte Luft- Spalt-Etalons (engl,„air-spaced etalons") verwendet werden, bei denen zwei dünne Planplatten durch Abstandshalter in einem vorgegebenen Abstand zueinander gehalten werden. in einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Etalon als
Dünnschichtetalon ausgebildet, d.h. das Etalon wird innerhalb einer Dünnschicht- Beschichtung erzeugt. Dazu kann z.B. ein geeigneter alternierender Stapel hoch und niedrig brechender Viertelwellenschichten als Teilreflektor auf einem rückseitig entspiegelten Substrat gefolgt werden von einem Vielfachen einer Halbwellenschicht sowie einem erneuten alternierenden Stapel von Viertelwellenschichten als zweitem Teilreflektor, wobei die Anzahl der jeweiligen Schichten so gewählt wird, dass das Etalon in Resonanz eine nahezu 100% ige Transmission aufweist. An Stelle von Viertelwellenschichten können auch andere geeignete Schichtsysteme gewählt werden. Bei einer Weiterbildung weist die Pumpstrahlungsanordnung ein Auffang-Element zum Umlenken und/oder Absorbieren der von dem wellenlängenselektiven Element, insbesondere einem Etalon, aus dem Weg der Pumpstrahlung abgelenkten unerwünschten Spektralanteile auf. Die unerwünschten Spektralanteile werden von dem Etalon (oder einem anderen verkippt angeordneten welleniängenselektiven Element) reflektiert und wegen der Anordnung des Etalons unter einem Kippwinkel zur Strahlrichtung aus dem Strahlengang der Pumpstrahlung ausgekoppelt. Das Auffang-Element kann z.B. mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sein, um die unerwünschten Strahlungsanteile auf einen Absorber umzulenken. Das Auffang- Element kann auch selbst als Absorber ausgebildet sein, welcher die Leistung der unerwünschten Strahlungsanteile aufnimmt, z.B. in der Art einer Wärmesenke.
Bei einer Ausführungsform ist das laseraktive Medium ein Festkörperkristall und das wellenlängenselektive Element, insbesondere der Interferenzfilter, ist im
Strahlengang der Pumpstrahlung zwischen der Gitterstruktur und dem
Festkörperkristall oder zwischen dem Festkörperkristall und dem Retroreflektor angeordnet. Bei dem Festkörpermedium bzw. Festkörperkristall handelt es sich typischer Weise um einen dotierten Kristall, beispielsweise um einen Yb:YAG- oder einen Yb:Sesquioxid-Kristalls (z.B. Yb:Lu203). Das gepumpte Festkörpermedium kann eine unterschiedliche Geometrie aufweisen: Beispielsweise kann es sich um eine Laserscheibe handeln, die in der Regel mehrmals von der Pumpstrahiung durchlaufen wird, indem die Pumpstrahlung mit Hilfe von mehreren Spiegeln immer wieder zur Laserscheibe zurück reflektiert wird. Alternativ können als iaseraktives Festkörpermedium u.a. auch ein stabförmiges Lasermedium (Stablaser) oder ein plattenförmiges Medium (so genannter Slablaser) verwendet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Retroreflektor als wellenlängenselektives Element ausgebildet. Auf diese Weise kann auf das Vorsehen eines zusätzlichen, transmittiven optischen Elements zur Wellenlängenselektion im Strahlengang der Pumpstrahlung verzichtet werden. Das wellenlängenselektive Element kann hierbei einen Spiegel bilden, auf den die Pumpstrahlung unter einem geeignet gewählten, von 0° verschiedenen Einfallswinkel auftrifft, um diese zum laseraktiven Medium zurück zu reflektieren, beispielsweise ein Blaze-Gitter in Littrow-Anordnung. Ein solches Blaze-Gitter reflektiert Strahung nur in eine bestimmte Richtung und somit bei gegebener Wellenlänge nur in eine bestimmte Beugungsordnung. Bei der Littrow- Anordnung entspricht der Einfallswinkel dem Ausfallswinkel (und dem so genanten Blaze-Winkei), so dass die Pumpstrahlung in sich zurück reflektiert wird. insbesondere kann es sich bei dem Retroreflektor aber auch um einen Endspiegel handeln, auf den die Pumpstrahlung im Wesentlichen senkrecht auftrifft, so dass die Pumpstrahlung in sich zurück reflektiert wird. Gegebenenfalls kann auch ein Spiegel der Pumplichtanordnung, weicher nicht als Retroreflektor bzw. als Endspiegel dient, als wellenlängenselektives Element dienen und zu diesem Zweck z.B. mit einer Gitterstruktur versehen sein und/oder als (interferenz-)filter mit einer
wellenlängenselektiven Beschichtung versehen sein.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform weist der Retroreflektor eine
Gitterstruktur auf. Sowohl bei dem Retroreflektor als auch bei dem Reflektor der Pumpstrahlungsquelle kann eine Gitterstruktur bzw. ein Muster von Brechungsindex- Variationen auf unterschiedliche Weise realisiert werden, beispielsweise wie dies in der eingangs zitierten WO 2006/025849 A2 beschrieben ist. als holographisches Gitter, als photonischer Kristall mit Bandlücken (engl,„photonic bandgap crystal"), als I nterferenzfilter-Reflektor. etc.
Bevorzugt ist eine Weiterbildung, bei welcher der Retroreflektor als Volumen-Bragg- G itter ausgebildet ist. Ein solches Volumen-Bragg-Gitter (engl,„volume Bragg grating") kann beispielsweise hergestellt werden, indem ein p h oto-th erm o-ref ra kti ves Material (engl,„photo-thermo-refractive material") einer Strahlungsverteilung mit einem periodischen Muster ausgesetzt wird, wie dies in der WO 2006/025849 A2 im Detail beschrieben ist.
In einer Weiterbildung ist der Retroreflektor als Gitter-Wellenleiter-Spiegel
ausgebildet. Ein solcher Spiegel weist eine hohe Winkelakzeptanz sowie eine hohe Effizienz auf, so dass ggf. auf eine Fein-Justage verzichtet werden kann. Der Gitter- Wellenleiter-Spiegel kann beispielsweise wie in dem Artikel„High Reflectivity Grating Waveguide Coatings for 1064 nm" von A. Bunkowski et al., Classical and Quantum Gravity 23, 7297ff beschrieben ausgebildet sein. Bei einem solchen Spiegel ist auf ein niedrig brechendes Medium (Substrat) ein hoch brechendes Medium aufgebracht, weiches den Wellenleiter bildet. An der dem Substrat abgewandten Seite des hoch brechenden Mediums ist eine Gitterstruktur angebracht, welche in Kombination mit der Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen den zwei Medien zu einer konstruktiven Interferenz und somit zur Reflexion von Strahlung bei einer bestimmten Wellenlänge (Ziel-Wellenlänge) führt.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das laseraktive Medium eine laseraktive Faser und die Pumpstrahlungsanordnung umfasst einen Pumpfaserabschnitt zum Zuführen von Pumpstrahiung zu der laseraktiven Faser. In diesem Fall dient die Pumpstrahlungsanordnung zum Pumpen einer optischen Faser, genauer gesagt eines laseraktiven (z.B. Ytterbium oder Erbium-dotierten) Kerns einer optischen Faser. Die Pumpstrahlung kann z.B. durch eine Komponente zum
Wellenlängenmultiplexen (englisch:„wavelength division multiplexer", WDM) von der Pumpstrahlungsquelle in den Pumpfaserabschnitt eingekoppelt werden. Für das optische Pumpen wird die Pumpstrahlung parallel zum Faserkern bzw. zu dessen Mantel entlang eines Wechselwirkungsbereichs geführt und koppelt in den
laseraktiven Faserkern ein bzw. wird von diesem absorbiert. Es versteht sich, dass auch ein direktes (stirnseitiges) Pumpen der laserkativen Faser ggf. ohne
Verwendung von Pumpfaserabschnitten zur Zu- sowie ggf. zur Abführung von Pumpstrahlung möglich ist.
Bei einer Weiterbildung weist die Pumpstrahlungsanordnung einen weiteren
Pumpfaserabschnitt zum Zuführen von von der laseraktiven Faser nicht absorbierter Pumpstrahlung zu dem Retroreflektor auf. Der Pumpfaserabschnitt und der weitere Pumpfaserabschnitt können hierbei zwei Abschnitte ein- und derselben Pumpfaser bilden, die in einem dazwischen liegenden Pumpfaserabschnitt parallel (und in geringem Abstand) zur laseraktiven Faser verläuft. Alternativ können die
Pumpfaserabschnitte an den beiden Enden des Wechselwirkungsbereichs an die laseraktive Faser bzw. an deren Mantel angespleißt werden. In jedem Fall wird der Retroreflektor genutzt, um die Pumpstrahlung über den weiteren Pumpfaserabschnitt zum Wechselwirkungsbereich zurückzuführen, so dass dieser über den ersten Pumpfaserabschnitt zur Pumpstrahlungsquelle zurück geführt wird. Gegebenenfalls kann auch ein optisches Pumpen erfolgen, bei dem die Pumpstrahlung stirnseitig in die laseraktive Faser eingekoppelt und ggf. auch wieder ausgekoppelt wird. Dies ist insbesondere hilfreich, wenn Pumpstrahlung mit hoher Pumpleistungsdichte direkt in den laseraktiven Kern der Faser eingekoppelt werden soll, bzw. wenn die
gewünschte Pumpleistung nicht fasergekoppelt verfügbar ist. Bei einer Weiterbildung ist der Retroreflektor als in dem weiteren Pumpfaserabschnitt gebildetes Faser-Bragg-Gitter (engl,„fiber bragg grating") ausgebildet. Ein solches Faser-Bragg-Gitter kann mittels eines Laser-Pattern-Generators in den Bereich eines freien Endes des Pumpfaserabschnitts eingeschrieben werden und dient als wellenlängenselektives Element.
In einer weiteren Weiterbildung ist zwischen einer Stirnseite des zweiten
Pumpfaserabschnitts und dem Retroreflektor ein Objektiv angeordnet. Das Objektiv dient der Fokussierung bzw. Kollimation der aus dem Ende des zweiten
Pumpfaserabschnitts ausgekoppelten Pumpstrahlung auf den Retroreflektor, der in diesem Fall bevorzugt als Volumen-Bragg-Gitter ausgebildet ist. Durch das Vorsehen eines solchen Objektivs kann auch bei einem Faserlaser als laseraktivem Medium ein herkömmliches, d.h. nicht in den Faserkern einbeschriebenes
wellenlängenselektives Element, z.B. ein Volumen-Bragg-Gitter als Retroreflektor genutzt werden.
Bei einer Weiterbildung umfasst die Pumpstrahlungsanordnung mindestens eine weitere Pumpstrahlungsquelie zum Zuführen von weiterer Pumpstrahlung zu der laseraktiven Faser, wobei die weitere Pumpstrahlung typischer Weise eine zu der Pumpstrahlung der Pumpstrahlungsquelle benachbarte Pumpstrahlungswellenlänge aufweist. In diesem Fall kann die Pumpstrahlung der Pumpstrahlungsquellen über ein WDM-Element oder ein DW DM-Element (engl,„dense wavelength multiplexing", dichte Wellenlängenkopplung) gleichläufig oder gegenläufig in die laseraktive Faser eingekoppelt werden. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Pumpen eines laseraktiven Mediums, welches folgenden weiteren Schritt umfasst:
Herausfiltern von Spektralanteilen von nicht vom laseraktiven Medium absorbierter und mittels eines Retroreflektors zur Pumpstrahlungsquelle zurückgelenkter
Pumpstrahlung mittels eines wellenlängenselektiven Elements zum Verhindern einer Wellenlängendestabilisierung der Pumpstrahlungsquelle. Das wellenlängenselektive Element bzw. die Pumpstrahlungsanordnung, die bei der Durchführung des
Verfahrens verwendet wird, kann wie weiter oben beschrieben ausgebildet sein. Die weiter oben im Zusammenhang mit der Pumpstrahlungsanordnung beschriebenen Vorteile gelten entsprechend auch für das Verfahren zum Pumpen des laseraktiven Mediums.
Bei einer Variante erfolgt das Stabilisieren der Wellenlänge der Pumpstrahlung durch einen wellenlängenabhängigen Reflektor (typischer Weise mit einer Gitterstruktur), der einen Anteil der erzeugten Pumpstrahlung zur Pumpstrahlungsquelle zurück reflektiert und einen transmittierten Anteil der Pumpstrahlung dem laseraktiven Medium zuführt, d.h. die Gitterstruktur wirkt als Reflektor. Eine solche Gitterstruktur kann z.B. in Form eines Volumen-Bragg-Gitters oder eines Faser-Bragg-Gitters ausgebildet werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschlie- ßende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen: Fig. 1 a,b schematische Darstellungen einer Pumpstrahlungsquelle in Form einer
Halbleiter-Laserdiode mit einem Reflektor in Form eines Volumen-Bragg- Gitters,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Spektrums der von der
Pumpstrahlungsquelle erzeugten Pumpstrahlung in einer Pumpanordnung mit Retroreflektor ohne bzw. mit Verwendung des erfindungsgemäßen welleniängenselektiven Elementes, . 3a, b schematische Darstellungen einer Pumpstrahlungsanordnung mit einem Etalon als wellenlängenselektivem Element,
Fig. 3c eine schematische Darstellung einer Scheibenlaser- Pumpstrahlungsanordnung mit einem Dünnschicht-Etalon als wellenlängenselektivem Element,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der wellenlängenabhängigen Transmission von zwei unterschiedlichen Etalons gemäß Fig. 3a-c,
Fig. 5 eine Darstellung einer Ausführungsform der Pumpstrahlungsanordnung mit einem Gitter-Wellenleiter-Spiegel als wellenlängenselektivem Element unter einem von 0° verschiedenen Einfallswinkel,
Fig. 6 eine Darstellung einer Ausführungsform der Pumpstrahlungsanordnung mit einem wellenlängenselektiven Element in Form eines Volumen-Bragg- Gitters, sowie
Fig. 7a-c Darstellungen von Ausführungsformen einer Pumpstrahlungsanordnung zum Pumpen eines Lasermediums in Form einer laseraktiven Faser.
Fig. 1a, b zeigen stark schematisch eine Pumpstrahlungsquelle 1 in einer
Seitenansicht bzw. in einer Aufsicht. Bei der Pumpstrahlungsquelle 1 handelt es sich im vorliegenden Beispiel um eine Laserdiode zur Erzeugung von Pumpstrahlung bei einer Ziel-Wellenlänge λζ von z.B. 969 nm zum Pumpen von Yb:YAG oder von z.B. 976 nm zum Pumpen von Yb:Lu203 als laseraktivem Medium. Die
Pumpstrahlungsquelle 1 weist einen aktiven Bereich 2 auf, in dem Photonen bzw. Pumpstrahlung 3 erzeugt wird, wenn die Pumpstrahlungsquelle 1 mit einer
Stromdichte bestromt wird, welche die Schwellenstromdichte übersteigt. Der aktive Bereich 2 besteht im vorliegenden Beispiel aus InGaAs, es versteht sich aber, dass auch andere Halbleiter-Materialien verwendet werden können. Die
Pumpstrahlungsquelle 1 ist auf eine Wärmesenke 4 aufgebracht und emittiert Pumpstrahlung 3, die entlang der Z-Richtung eines XYZ-Koordinatensystems verläuft. Die Pumpstrahlung 3 tritt aus der Pumpstrahlungsquelle 1 divergent aus, wobei die Divergenz, welche die Pumpstrahlung 3 in Y-Richtung (so genannte„fast axis") aufweist, sich von der Divergenz der Pumpstrahlung 3 in X-Richtung (so genannte „slow axis") unterscheidet. Die Pumpstrahlung 3 trifft auf einen Reflektor in Form eines Volumen-Bragg-Gitters 5 auf, welches eine Gitterstruktur aufweist, die im vorliegenden Fall als Linienmuster bzw. Liniengitter ausgebildet ist. Das Volumen- Bragg-Gitter 5 reflektiert einen Anteil 3a der auftreffenden Pumpstrahlung 3 zur Pumpstrahlungsquelle 1 zurück, um unerwünschte Moden, die in der
Pumpstrahlungsquelie 1 angeregt werden, zu unterdrücken.
Das Volumen-Bragg-Gitter 5 hat auf die Divergenz der Pumpstrahlung 3 in Y- Richtung einen vergleichsweise geringen Einfluss, weshalb eine Zylinderlinse 6a zwischen der Pumpstrahlungsquelle 1 und dem Volumen-Bragg-Gitter 5 angeordnet ist, um die Pumpstrahlung 3 zu koliimieren. In analoger Weise kann zur Änderung der Divergenz der Pumpstrahlung 3 in X-Richtung eine weitere Zylinderlinse 6b zur Kollimation vorgesehen sein. Es versteht sich, dass zur Änderung der Divergenz in X-Richtung an Stelle der Fokussierlinse 6b auch eine Zerstreuungslinse vorgesehen werden kann, um unerwünschte Moden in der Pumpstrahlungsquelle 1 zu
unterdrücken. Ebenso kann in manchen Anordnungen auf die weitere Linse 6b auch vollständig verzichtet werden. Auch kann anders als in Fig. 1 a, b gezeigt ein einziges Linsenelement verwendet werden, um die Divergenz der Pumpstrahlung 3 sowohl in Y-Richtung als auch in Z-Richtung anzupassen. Auch kann das Volumen-Bragg- Gitter 5 gegebenenfalls anders als in Fig. 1 a. b gezeigt ist unmittelbar an der Fläche angebracht werden, an welcher die Pumpstrahlung 3 aus der Pumpstrahlungsquelle 1 austritt.
Der Effekt des Volumen-Bragg-Gitters 5 auf die Pumpstrahlung 3, die von der Pumpstrahlungsquelle 1 erzeugt wird, ist in Fig. 2 erkennbar, welche die
Strahlungsintensität der Pumpstrahlung 3, am Beispiel einer Pumpanordung für Yb:YAG als iaseraktivem Medium, in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ zeigt. Die Strahlungsintensität hat eine Intensitätsverteilung, die bei der Zielwellenlänge λζ ein Maximum aufweist und die ein im Wesentlichen gaußförmiges, schmalbandiges Profil 8 aufweist. Ein solches schmales Intensitätsprofil 8 kann erzeugt werden, wenn mit Hilfe des Volumen-Bragg-Gitters 5 wie oben dargestellt ein Anteil 3a der
Pumpstrahlung 3 in die Pumpstrahlungsquelle 1 bzw. in den aktiven Bereich 2 zurück reflektiert wird. Ein schmalbandiges Intensitätsprofil 8 ist vorteilhaft, da die Pumpstrahlung 3 zum Pumpen eines laseraktiven Mediums dient, welches nur innerhalb eines
vergleichsweise schmalen Wellenlängenbereichs 7 Strahlung effizient absorbiert. Fig. 2 zeigt exemplarisch ein solches (berechnetes) Absorptionsspektrum 7 eines laseraktiven Mediums in Form einer dünnen Yb:YAG-l_aserscheibe in einer
Multipass-Pumpstrahlungsanordnung mit Retroreflektor, bei hoher Inversion.
Aufgrund der begrenzten Anzahl an Pumpstrahlungsdurchgängen sowie wegen des Ausbleichens der Absorption bei Inversion werden zu beiden Seiten der
Absorptionslinie signifikant geringere Spektralanteile absorbiert und gelangen daher zur Pumpdiode zurück.
Das Verstärkungsspektrum der Pumplichtquelle 1 bzw. der Diode unterstützt auch spontane Strahlungsemission außerhalb des schmalbandigen emittierten
Spektralbereichs 8, welche bei ausreichender Rückkopplung über den Retroreflektor zu Laserstrahlung anschwingen kann. Das Spektrum der Pumpdiode 8 weicht wegen der begrenzten Reflektivität des verwendeten Volumen-Bragg-Gitter-Reflektors bei einer Wellenlänge von 969 nm aus zu breiteren, unerwünschten Emissionsbanden 10 bei Wellenlängen von 965 nm bis 966 nm bzw. bei Wellenlängen von 971 nm bis 972 nm. Je nach Lage des Verstärkungsspektrums der Diode bzw. je nach
Diodentemperatur und Halbleiterzusammensetzung kann entweder zu kurzwellige oder zu langwellige Strahlung oder sowohl zu kurzwellige als auch zu langwellige Strahlung angeregt werden. Durch Hinzufügen eines wellenlängenselektiven
Elements (Filters) können diese breiteren Emissionsbanden 10 unterdrückt werden, so dass eine Intensitätsverteilung 9 (in Fig. 2 gestrichelt dargestellt) entsteht, die derjenigen ohne die Rückkopplung über den Retroreflektor entspricht. Dadurch steigt der durch die Laserscheibe absorbierte Anteil der Pumpstrahlung sowie daraufhin die Effizienz bzw. die Ausgangsleistung des gepumpten laseraktiven Mediums.
Fig. 3a, b zeigen ein solches laseraktives Medium 12 in Form eines Yb:YAG
Laserkristalls, welcher in einer Pumpstrahlungsanordnung 1 1 im Pumpstrahlengang 13 der Pumpstrahlungsquelle 1 angeordnet ist und welcher durch die Pumpstrahlung 3 angeregt wird, um (nicht gezeigte) Laserstrahlung bei einer Emissionswellenlänge von ca. 1030 nm zu emittieren. Zum Pumpen dient der vom Volumen-Bragg-Gitter 5 transmittierte Anteil 3b der Pumpstrahlung 3, welcher durch das Volumen des Laserkristalls 12 entlang einer Wechselwirkungslänge D hindurch tritt. Da die von der Pumpstrahlung 3 durchlaufene Länge D insbesondere aufgrund von thermischen Effekten nicht beliebig groß gemacht werden kann, wird nur ein Teil der
Pumpstrahlung 3 von dem Lasermedium 12 absorbiert. Um den nicht absorbierten Strahlungsanteil dennoch zum Pumpen nutzen zu können und auf diese Weise die Effizienz des Pumpvorgangs zu erhöhen, ist ein Retroreflektor in Form eines
Endspiegels 14 in der Pumpstrahlungsanordnung 1 1 angebracht, welcher die nicht vom Lasermedium 12 absorbierte Pumpstrahlung 3c in sich zurück reflektiert. Der Endspiegel 14 reflektiert die Pumpstrahlung 3c zum laseraktiven Medium 12 zurück, so dass dieses erneut von der Pumpstrahlung 3b durchlaufen wird und nochmals die Wechselwirkungslänge D zurücklegt, wobei ein weiterer Teil der Pumpstrahlung 3 vom Lasermedium 12 absorbiert wird. Es versteht sich, dass die in Fig. 3a, b gezeigte Pumpstrahlungsanordnung 1 1 ein vereinfachtes Beispiel darstellt und dass ggf.
mehrere weitere Spiegel in der Pumpstrahlungsanordnung 1 1 vorgesehen sein können, um mehr als nur zwei Pumpdurchgänge durch das Lasermedium 12 zu realisieren. Auch kann als laseraktives Medium 12 ein laseraktiver Kristall aus einem anderen Material als Yb:YAG verwendet werden. Das laseraktive Medium kann auch eine andere Geometrie aufweisen als die stabförmige Geometrie, die in Fig. 3a, b gezeigt ist, beispielsweise kann das laseraktive Medium 12 die Form einer Scheibe oder einer Platte annehmen.
Die von dem Endspiegel 14 zum Volumen-Bragg-Gitter 5 zurück reflektierte
Pumpstrahlung 3c wird von diesem transmittiert und tritt gemeinsam mit dem am Volumen-Bragg-Gitter 5 zurück reflektierten Anteil 3a der Pumpstrahlung 3 in die Pumpstrahlungsquelle 1 ein. Der nicht vom laseraktiven Medium 12 absorbierte, in die Pumpstrahlungsquelle 1 zurück reflektierte Strahlungsanteil 3c weist nicht nur Spektralanteile bei der Zielwellenlänge λζ auf, sondern auch Spektralanteile 10, die im Randbereich des anregbaren Verstärkungspektrums der Pumpstrahlungsquelle 1 liegen. Der nicht absorbierte Spektralanteil der zurück reflektierten Pumpstrahlung 3c weist hierbei typischer Weise eine Leistung auf, die größer ist ais diejenige im Bereich der Zielwellenlänge λ2, da der in diesem Wellenlängenbereich liegende Leistungsanteil im Wesentlichen vom laseraktiven Medium absorbiert wurde. Daher führt dieser unerwünschte Spektralanteil 10 insbesondere bei hohen Pumpleistungen zu einer Destabilisierung der Wellenlänge der Pumpstrahlungsquelle 1 , welche zu einer Verbreiterung des von der Pumpstrahlungsquelle 1 emittierten
Wellenlängenspektrums führt.
Um die Pumpstrahlungsquelle 1 vor den unerwünschten zu dieser zurück
reflektierten Spektralanteilen zu schützen, ist in der Pumpstrahlungsanordnung 1 1 von Fig. 3a, b ein wellenlängenselektives Element in Form eines plattenförmigen Etalons 15 angebracht. Das plattenförmige Etalon 15 weist eine Dicke d von ca. 40 bis 50 Mikrometern auf und ist an den beiden parallelen Seitenflächen mit einer reflektierenden Beschichtung B versehen. Das Etalon 5 ist gegenüber der
Strahlrichtung 13 der Pumpstrahlung 3 unter einem Winkel α verkippt.
Fig. 3c zeigt exemplarisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Pumpstrahlungsanordnung 1 1 zum Pumpen eines dünnen Laserscheibe 12 (in Fig. 3c verdeckt). Die Pumpstrahlung 3 einer Pumpstrahlungsquelle 1 in Form einer Pumpdiode, die ein in die Pumpstrahlungsquelle 1 integriertes Volumen-Bragg-Gitter aufweist (in Fig. 3c nicht gezeigt) und die auf z.B. 969 nm für eine Yb:YAG-
Laserscheibe 12 oder z.B. 976 nm für eine Yb:Lu203-Laserscheibe 12 stabilisiert ist, wird über eine Transportfaser 16 homogenisiert und durch eine Lochscheibe 17 einer Kollimationslinse 18 zugeführt. Die Kollimationslinse 18 kollimiert die Pumpstrahlung 3b, welche durch das wellenlängenselektive Element 15 transmittiert wird, das im vorliegenden Beispiel wie in Fig. 3a, b als Dünnfilm-Etalon ausgebildet ist, während unerwünschte Spektralkomponenten 10 reflektiert und von der mit einer
Verspiegelung versehenen Lochscheibe 7 zu einer (nicht gezeigten) gekühlten Wärmesenke gelenkt werden. Die von dem Etalon 15 transmittierte Pumpstrahlung 3b tritt in einen Teil der
Pumpstrahlungsanordnung 1 1 ein, wie er aus der WO2001/057970A1 bekannt ist und welcher daher vorliegend nicht im Detail beschrieben wird. Die Pumpstrahlung 3b wird in vielen Durchgängen über einen Parabolspiegel 19 und über mehrere Umlenkprismen 20a, 20b immer wieder zur rückseitig verspiegelten Laserscheibe 12 gelenkt, welche im Brennpunkt des Parabolspiegels 19 angeordnet ist. Die Pumpstrahlung 3b wird vom dort vorhandenen laseraktiven Medium 12 zum Teil absorbiert, bevor sie an einem Retroreflektor 14, welcher im vorliegenden Beispiel als ein auf der Dachkante getroffenes, verspiegeltes Retroprismenpaar 20a, 20b ausgebildet ist, reflektiert wird und über den im Wesentlichen gleichen
geometrischen Weg rückwärts erneut durch die Laserscheibe 12 und schließlich zurück durch das Etalon 15 und die Transportfaser 16 zur Pumpdiode 1 gelangt.
Während die Pumpstrahlung einer freilaufende Diode, d.h. ohne Rückreflexion durch das (nicht gezeigte) Volumen-Bragg-Gitter perfekt auf die Absorptionswellenlänge der Laserscheibe 12 stabilisiert ist, kann bei einer welleniängenstabilisierten
Pumpdiode ohne ein zusätzliches wellenlängenselektives Element, z.B. in Form des in Fig. 3c gezeigten Etalons 15, in der Pumpstrahlungsanordnung 1 1 das
Diodenspektrum derart ausweichen (vgl. Fig. 2), dass es mit der Absorptionslinie der Laserscheibe 12 nicht mehr übereinstimmt und die Absorption und damit die
Effizienz des Scheibenlasers bzw. die Leistung der von diesem emittierten
Laserstrahlung 21 drastisch abnimmt. Bei einem kompletten Durchgang der
Pumpstrahlung 3 durch die Pumpstrahlungsanordnung 1 (Hin- und Rückweg) werden z.B. 65% des zentralen spektralen Peaks der Pumpstrahlung 3 absorbiert aber nur ca. 20 % der Randbereiche, d.h. ca. 80% werden zur Pumpstrahlungsquelle 1 zurück reflektiert.
Zwar würden bei Verwendung einer dickeren Laserscheibe oder bei Erhöhung der Zahl der Umläufe oder bei Reduktion der Inversion der Laserscheibe jeweils der Anteil der absorbierten unerwünschten Spektralanteile stärker wachsen als der bei der Absorptionslinie. Allerdings ist es zur Erreichung guter Strahlqualität oder zur Reduktion der Komplexität oder zur Vermeidung nichtlinearer Effekte vorteilhaft, eine dünnere Laserscheibe bzw. eine begrenzte Zahl von Pumplichtdurchgängen bzw. eine höhere Inversion zu nutzen. Bei Dioden als Pumpstrahlungsquelle 1 , die über ein Volumen-Bragg-Gitter 5 stabilisiert werden, ist das Volumen-Bragg-Gitter 5 typischer Weise so ausgelegt, dass es z.B. nur ca. 20% der Randbereiche des Pumpspektrums reflektiert. Der Rest dieser unerwünschten Spektralanteile wird zurück zur Diode transmittiert und führt dort zu einer Destabilisierung und damit zu einer Abnahme der Pumpeffizienz. Es versteht sich, dass die hier genannten Zahlenwerte nur beispielhaften Charakter haben und den Geltungsbereich der Erfindung nicht beschränken.
Der Einfallswinkel der Pumpstrahlung 3b auf das Etalon 15 bzw. das Etalon 15 selbst lässt sich durch eine geeignete (nicht gezeigte) Vorrichtung präzise auf die
gewünschte Transmissionscharakteristik einstellen. Die Wirkungsweise des Etalons 15 auf die Pumpstrahlung 3 wird nachfolgend anhand von Fig. 4 erklärt, welche stark schematisiert die wellenlängenabhängige Transmission T des Etalons 15 bei zwei unterschiedlichen Konfigurationen zeigt. Die Transmission T des Etalons 15 variiert wellenlängenabhängig zwischen einer maximalen Transmission T 3x und einer minimalen Transmission TMini bzw. TMin2- Die Differenz zwischen der maximalen Transmission TMax und der minimalen Transmission TMini , TMin2, auch Kontrast genannt, kann mit Hilfe der Beschichtung B, genauer gesagt durch die Wahl der Reflektivität der Beschichtung B eingestellt werden, wobei der minimale Wert TMini , TMin2 z.B. 50% der maximalen Transmission TMax betragen kann.
Die (Halbwerts-)Breite d-i , d2 eines Peaks der Transmissionsverteilung T kann über die Dicke d des Etalons 15 eingestellt werden. Die Wellenlänge, bei welcher die Transmission des Etalons 15 maximal ist, kann über den Kippwinkel α eingestellt werden und wird typischer Weise so gewählt, dass diese Wellenlänge mit der Ziel- Wellenlänge λζ übereinstimmt. Fertigungstoleranzen des Etalons 15, welche unter senkrechtem Einfall die Resonanzwellenlänge geringfügig verschieben, können somit durch Variation des Kippwinkels α ausgeglichen werden. Der hierfür benötigte Kippwinkel α ist typischer Weise klein und liegt zwischen ca. 2° und maximal ca. 20°.
Der vom Etalon 15 reflektierte, unerwünschte spektrale Untergrund der
Pumpstrahlung 3b kann, ggfs. nach Reflexion an weiteren Optiken, geometrisch zu einem Strahlsumpf gelenkt werden, so dass übermäßig reflektierte Pumpstrahlung 3 insbesondere während der Feinabstimmung des Kippwinkels α nicht zu
Beschädigungen führen kann. So kann z.B. wie in Fig. 3c gezeigt eine hoch reflektierend beschichtete Lochscheibe17, durch deren Öffnung eine
Pumpstrahlungsfaser 16 geführt wird, verhindern, dass Rückreflexe zu Klebestellen des Fasersteckers gelangen und die Lochscheibe 17 kann dafür sorgen, dass solche Reflexe umgelenkt und in der gut gekühlten Steckeraufnahme absorbiert werden. Wesentlich ist, dass unerwünschte Spektralanteile 10 auf ihrem Weg durch das Etalon 15, die Pumpoptik (z.B. 19, 20a, 20b in Fig. 3c) und über den Retroreflektor 14 wieder zurück zur Pumpstrahlungsquelle 1 so weit abgeschwächt werden, dass diese Verluste in der Bilanz mit dem Verstärkungsspektrum der
Pumpstrahlungsquelle 1 überwiegen, so dass es nicht zu einem parasitären
Anschwingen außerhalb der Absorptionslinie des aktiven Mediums 12 kommt.
Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung eines wellenlängenselektiven Elements in Form eines transmissiven optischen Elements, z.B. eines Etalons 15, kann für die Filterung von unerwünschten Spektralanteilen 10 auch ein reflektierendes Element verwendet werden, beispielsweise in Form eines Gitter-Wellenleiter-Spiegels 14a, der als Endspiegel der Pumpstrahlungsanordnung 1 dient, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Der Gitter-Wellenleiter-Spiegel 14a reflektiert nur Pumpstrahlung 3 in einem schmalen Spektralbereich um die Ziel-Wellenlänge λζ und ermöglicht die Filterung von unerwünschten Spektralanteilen 10 der Pumpstrahlung 3. Der Gitter- Wellenleiter-Spiegel 14a kann beispielsweise wie in dem eingangs zitierten Artikel ausgebildet sein, der bezüglich dieses Aspekts durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
Sowohl die Gitter-Parameter als auch die Breite des Wellenleiters, d.h. der Abstand zwischen der Strahleintrittsfläche, an der das Gitter gebildet ist, und dem Substrat, können geeignet aufeinander abgestimmt werden, um eine konstruktive Interferenz für Pumpstrahlung 3 bei der Ziel-Wellenlänge λζ zu erhalten. Der Gitter-Wellenleiter- Spiegel 14a kann bei höherer Reflektivität eine höhere Winkelakzeptanz sowie eine vergleichsweise breitbandige Reflexion aufweisen als typische Volumen-Bragg- Gitter, so dass ggf. auf eine Fein-Justage verzichtet werden kann. In Fig. 5 wird der Gitter-Wellenleiter-Spiegel 14a als Retroreflektor unter nicht-senkrechtem Einfall, d.h. unter einem Winkel ß zur Strahlrichtung 13 verwendet, und zwar in einer Littrow- Anordnung, bei welcher der Einfallswinkel und der Ausfallswinkel des Gitter-
Wellenleiter-Spigels 14a übereinstimmen, so dass die Pumpstrahlung 3b, 3c in sich zurück reflektiert wird. Es versteht sich, dass der Gitter-Welienleiter-Spiegel 14a auch unter senkrechtem Einfall (ß = 0°) oder unter einem vom Littrow-Winkel abgeweichenden Kippwinkel verwendet werden kann. An Stelle eines Gitter-Wellenleiter-Spiegeis 14a kann als Endspiegel bzw. als
Retroreflektor auch ein Volumen-Bragg-Gitter 14b dienen, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Das Volumen-Bragg-Gitter 14b ist ausgebildet, die auftreffende Pumpstrahlung 3 nur in dem gewünschten Wellenlängenbereich um die Ziel- Wellenlänge λζ herum zu reflektieren (wobei keine Pumpstrahlung transmittiert wird). Auch auf diese Weise kann verhindert werden, dass unerwünschte Spektralanteile zur Pumpstrahlungsquelle 1 zurück reflektiert werden. Um sicher zu stellen, dass ein solches Volumen-Bragg-Gitter 14b ohne Winkelfeinabstimmung auf die Wellenlänge λζ der durch den Reflektor 5 stabilisierten Pumpstrahlungsquelle 1 passt, kann es notwendig sein, ein periodenmoduliertes Volumen-Bragg-Gitter („chirped VBG") 14b zu verwenden, um ausreichende Breitbandigkeit zu erreichen, wobei die Reflektanz eines solchen Volumen-Bragg-Gitters 14b durch seine geringe Brechzahldifferenz limitiert wird. Selbst wenn man annimmt, dass die Reflektanz des Volumen-Bragg- Gitters 14b sehr deutlich unter 100% liegt, z.B. bei 80-90%, so wäre doch dieser Anteil der auf dem Hinweg durch die Pumpstrahlungsanordnung 1 1 noch nicht absorbierten Pumpstrahlung 3 auf dem Rückweg nutzbar.
Obgleich bei den beiden obigen Beispielen der Endspiegel 14 als
wellenlängenselektives Element ausgebildet wurde, kann eine Wellenlängen- Selektion ggf. auch an anderen Spiegeln der Pumpstrahlungsanordnung 1 1 erfolgen, beispielsweise an Spiegeln, die zur Faltung des Strahlengangs bzw. zur Realisierung von Mehrfachdurchgängen durch das laseraktive Medium 12 dienen. So kann durch eine Kombination mehrerer spektral scharfkantiger Beschichtungen (Interferenzfilter) auf unterschiedlichen Spiegeln die Unterdrückung unerwünschter
Spektralkomponenten realisiert werden, wenn deren einer Anteil neben der gewünschten Pumpwellenlänge λζ nur längerwellige Spektralbereiche reflektiert, während deren anderer Anteil neben der gewünschten Pumpwellenlänge λζ nur kürzerwellige Spektralbereiche reflektiert. Auch können neben Volumen-Bragg- Gittern und Gitter-Wellenleiter-Spiegeln andere Arten von reflektierenden
wellenlängenselektiven Elementen eingesetzt werden, die vorteilhafter Weise eine Gitterstruktur aufweisen können. Weitere Ausführungsbeispieie einer Pumpstrahlungsanordnung 1 1 , welche zum Pumpen eines laseraktiven Mediums in Form einer Signalfaser 22 mit laseraktivem Faser-Abschnitt 26, d.h. mit dotiertem (z.B. Erbium-dotiertem) Kern dienen, werden nachfolgend anhand von Fig. 7a-c näher beschrieben. Bei der dort gezeigten Pumpstrahlungsanordnung 1 1 wird die aus der Pumpstrahlungsquelle 1 austretende Pumpstrahlung 3 in einen ersten Pumpfaserabschnitt 23a eingekoppelt, an dem im Bereich eines eintrittsseitigen Faserendes ein Reflektor in Form eines Faser-Bragg- G itters 5 zur Wellenlängen-Stabilisierung einbeschrieben ist. Der erste
Pumpfaserabschnitt 23a ist an die Signalfaser 22 mit laseraktivem Faserabschnitt 26 gekoppelt, und zwar z.B. über einen Wellenlängenmultiplexer (WDM-Element), über eine seitliche Einkopplung oder über einen Pumpfaserabschnitt, der parallel zur Signalfaser 22 mit laseraktivem Faserabschnitt 26 verläuft und einen
Wechselwirkungsbereich mit einer Länge D bildet, an dem Pumpstrahlung 3 in die Signalfaser 22 eingekoppelt wird, wie in Fig. 7a angedeutet ist.
In die Signalfaser 22, genauer gesagt in deren Kern, sind ein erstes und zweites weiteres Faser-Bragg-Gitter 24a, b eingeschrieben, die als Endspiegel eines an der laseraktiven Faser 22 gebildeten Resonators dienen. Das zweite Faser-Bragg-Gitter 24b stellt bevorzugt einen Auskoppler dar, an dem die in dem laseraktiven
Faserabschnitt 26 erzeugte Laserstrahlung ausgekoppelt wird. Die
Strahlungsleistung an dem zweiten weiteren Faser-Bragg-Gitter 24b ist hierbei größer als an dem ersten weiteren Faser-Bragg-Gitter 24a, d.h. die
Pumpstrahlungsrichtung 3b ist im vorliegenden Beispiel gegenläufig zur
Strahlungsrichtung der in dem laseraktiven Faserabschnitt 26 erzeugten
Laserstrahlung. Es versteht sich von selbst, dass z.B. im Fall einer Faser- Verstärkeranordnung die weiteren Faser-Bragg-Gitter 24a, 24b entfallen können.
Bei dem in Fig. 7a gezeigten Beispiel weist die Pumpfaser 23 einen weiteren Pumpfaserabschnitt 23c auf, an dem die nicht von der laseraktiven Faser 22 absorbierte Pumpstrahlung von dieser weg geführt wird. Am Ende des weiteren Pumpfaserabschnitts 23c ist in die Pumpfaser 23 ein weiteres Faser-Bragg-Gitter 4c eingeschrieben, welches als Endspiegel bzw. als Retroreflektor dient, um die Pumpstrahlung 3c zurück zum laseraktiven Faserabschnitt 26 zu führen, so dass ein weiterer Strahlungsanteil in die Signalfaser 22 mit laseraktivem Faserabschnitt 26 eingekoppelt wird. Durch das Faser-Bragg-Gitter 14c als wellenlängenselektives Element werden unerwünschte Spektralanteile unterdrückt und es wird im
Wesentlichen nur Pumpstrahlung 3c bei der Ziel-Wellenlänge λζ zur
Pumpstrahlungsquelle 1 zurück reflektiert.
Fig. 7b zeigt eine Pumpstrahlungsanordnung 1 1 , die sich von der in Fig. 7a gezeigten dadurch unterscheidet, dass an Stelle des weiteren Faser-Bragg-Gitters 14c ein Volumen-Bragg-Gitter 14d als Endspiegel sowie als wellenlängenselektives Element dient. Um die Pumpstrahlung aus dem weiteren Pumpfaserabschnitt 23c in einer Freistrahl-Propagation zum Volumen-Bragg-Gitter 14d zu führen, ist im vorliegenden Beispiel ein Objektiv 25 vorgesehen, welches die aus dem Ende des weiteren Pumpfaserabschnitts 23c austretende Pumpstrahlung 3 kollimiert bzw. foküssiert, bevor diese auf das Volumen-Bragg-Gitter 14d trifft. Obwohl das Objektiv 25 in Fig. 7b vereinfacht als Linse dargestellt ist, kann ein solches Objektiv mehrere optische Elemente umfassen, die beispielsweise auch als reflektierende optische Elemente ausgebildet sein können. Gegebenenfalls kann auch ein weiteres Objektiv vorgesehen sein, um die Pumpstrahlung 3 von der Pumpstrahlungsquelle 1 in den ersten Pumpfaserabschnitt 23a einzukoppeln. Auch kann anders als in Fig. 7a, b gezeigt an Stelle eines Faser-Bragg-Gitters 5 als Reflektor ein Volumen-Bragg-Gitter vorgesehen werden, um einen Anteil der Pumpstrahlung 3 zur Pumpstrahlungsquelle 1 zurück zu reflektieren. Auch die Verwendung einer Pumpstrahlungsquelle 1 in Form eines DFB- oder DBR-Lasers mit integrierter Gitterstruktur zur
Wellenlängenstabilisierung ist möglich. Fig. 7c zeigt eine weitere Ausführungsform einer Pumpstrahlungsanordnung 1 1 . bei der ein wellenlängensensitives Element 15a zwischen dem ersten
Pumpfaserabschnitt 23a der durch ein welleniängenselektives Element 5
stabilisierten Pumpstrahlungsquelle 1 und dem laseraktiven Faserabschnitt 26 positioniert ist. Die Pumpstrahlungsquelle 1 kann z.B. eine wellenlängenstabilisierte Diode sein. Sie kann aber z.B. auch selbst ein Faserlaser sein. Das
wellenlängenselektive Element 15a kann zum Beispiel ein Wellenlängenmultiplexer (WDM-Element) sein und zugleich die Pumpstrahlung 3b aus dem
Pumpfaserabschnitt 23a in die Signalfaser 22 bzw. in den laseraktiven Faserabschnitt 26 einkoppeln, wie in Fig. 7c dargestellt ist, möglich ist aber auch ein wellenlängenselektives Element in Form eines Etalons, eines Gitters, etc.
Die Pumpstrahlung 3b kann durch einen weiteren Wellenlängenmultiplexer 15b aus dem laseraktiven Faserabschnitt 26 in einen zu einem Retroreflektor führenden Pumpfaserabschnitt 23c ausgekoppelt werden. Ein Retroreflektor 14a, der z.B. als Faser-Bragg-Gitter ausgeführt sein kann und der nicht absorbierte Pumpstrahlung 3c in den laseraktiven Faserabschnitt 26 zurücklenkt, kann an ein solches
Wellenlängenmultiplexer-Element 15b bzw. an einen entsprechenden angespleissten Pumpfaserabschnitt 23c gekoppelt werden (vgl. Fig. 7c), es ist aber auch möglich, ein Faser-Bragg-Gitter direkt in die Signalfaser 22 einzuschreiben. Der Retroreflektor 14a weist in diesem Fall ebenfalls welleniängenselektive Eigenschaften auf. An Stelle eines Faser-Bragg-Gitters 14a kann aber auch ein herkömmlicher
Retroreflektor verwendet werden, z.B. eine der oben beschriebenen Komponenten oder auch ein verspiegeltes Faserende. Ebenso kann natürlich an anderer Stelle zwischen Pumplichtquelle 1 und Retroreflektor 14a ein wellenlängenselektives Element positioniert werden.
An Stelle einer einzelnen Pumpstrahlungsquelle 1 können auch auf unterschiedliche Wellenlängen stabilisierte Pumpstrahlungsquellen verwendet werden, die z.B. über die so genannte dichte Wellenlängenkopplung (als„dense wave multiplexing", DWM oder auch als„dense wavelength division multiplexing", DWDM bezeichnet) überlagert werden, wie dies z.B. in der WO2002071 1 19 gezeigt ist, welche bezüglich dieses Aspekts durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. DWDM führt typischer Weise zu einer höheren Brillanz der verwendeten
Pumpstrahlung.
Beispielsweise kann - wie in Fig. 7c gezeigt ist - mindestens eine weitere
Pumpstrahlungsquelle 1 a verwendet werden, deren Wellenlänge nicht identisch mit derjenigen der ersten Pumpstrahlungsquelle 1 sein muss, sondern z.B. durch ein anderes weilenlängenselektives Element 5a (z.B. in Form eines Bragg-Gitters) auf eine dicht benachbarte Wellenlänge stabilisiert sein kann. Im Falle dichter
Wellenlängenkopplung kann das welleniängenselektive Element 15a zur
Einkopplung von Pumpstrahlung in den laseraktiven Faserabschnitt 26 ein DWDM- Element 15a sein, in welches auch die Pumpstrahlung aus einem weiteren
Pumpfaserabschnitt 23d eingekoppelt wird, der mit der weiteren
Pumpstrahlungsquelle 1 a optisch gekoppelt ist. Die nicht absorbierte Pumpstrahlung kann durch ein weiteres entsprechendes DWDM-Element 15b am anderen Ende des laseraktiven Faserabschnitts 26 auf mehrere unterschiedliche Wellenlängenports verteilt werden, in denen jeweils ein Retroreflektor 14a,c für die benachbarten Pumpstrahlungswellenlängen vorgesehen ist, wie in Fig. 7c angedeutet ist. Der Retroreflektor kann z.B. als Faser-Bragg-Gitter 14a,c ausgebildet sein, welches in einem jeweiligen an das DWDM-Element 15b angespleissten Faserabschnitt, der einen jeweiligen Port zugeordnet ist,
eingeschrieben und an die jeweilige Wellenlänge der Pumpstrahlung angepasst ist.
Alternativ kann ein DWDM-Element 15b mit nur einem Port verwendet werden, welches die dicht benachbarten Wellenlängen in einen gemeinsamen Faserabschnitt 23c lenkt, an den ein Retroreflektor 14a optisch gekoppelt wird. In diesem Fall, bei dem Pumpstrahlung bei mehreren Wellenlängen über einen gemeinsamen Port des DWDM-Elements 15b ausgekoppelt wird, kann ein einziges Faser-Bragg-Gitter 14a, welches zur Reflexion der verschiedenen Pumpstrahlungswellenlängen geeignet ist, als Retroreflektor dienen.
Es versteht sich, dass ein entsprechendes Vorgehen auch bei der in Fig. 7b gezeigten Pumpstrahlungsanordnung 1 1 möglich ist. Die Pumpstrahlung mehrerer Pumpstrahlungsquellen kann über ein WDM-Element oder ein DWDM-Element 15a gleichläufig in den laseraktiven Faserkern 26 eingekoppelt werden und die
Pumpstrahlung der Pumpstrahlungsquellen kann über ein weiteres WDM- oder DWDM-Element 15c von der Laserstrahlung getrennt werden.
Es versteht sich, dass an Stelle eines gleichläufigen Pumpens wie in Fig. 7c gezeigt auch ein gegenläufiges Pumpen des laseraktiven Faserabschnitts 26 erfolgen kann. Dazu können mindestens zwei Pumpwellenlängen über zwei separate WDM- Elemente 15a,c (vgl. Fig. 7b) gegenläufig (und an gegenüberliegenden Seiten) in den laseraktiven Faserabschnitt 26 eingekoppelt werden. In diesem Fall wird mindestens eine weitere Pumplichtquelle optisch mit dem WDM-Element 15c gekoppelt, an dem auch der weitere Pumpfaserabschnitt 23c zur Reflexion der Pumpstrahlung der Pumpstrahlungsquelle 1 angeschlossen ist, die über das WDM-Element 15a am anderen Ende des laseraktiven Faserabschnitts 26 eingekoppelt wird. Alternativ zum oben in Zusammenhang mit Fig. 7a-c beschriebenen seitlichen
Pumpen der laseraktiven Faser 22 bzw. des laseraktiven Faser-Abschnitts 26 kann auch ein optisches Pumpen erfolgen, bei dem die Pumpstrahlung 3 stirnseitig in die Signalfaser 22 eingekoppelt und ggf. auch wieder stirnseitig ausgekoppelt bzw.
reflektiert wird.
Es versteht sich, dass Pumpstrahlungsquellen mit einem anderen Aufbau ebenfalls möglich sind. Die oben beschriebenen und andere Pumpstrahlungsquellen können bei Stab-,Slab-, Scheiben- oder Faserlasern verwendet werden. Besonders interessant ist ein solcher Einsatz bei Hochleistungs-Faserlasern. Für hohe
Spitzenleistungen müssen dort zur Unterdrückung von nichtlinearen Effekten wie z.B. der Raman- und Brillouin-Streuung aktive Fasern mit einer kurzen Länge verwendet werden. Damit effizient Pumpstrahlung absorbiert werden kann und eine hohe Spitzenleistung der Laserstrahlung erreicht werden kann, muss der aktive Kern direkt gepumpt werden. Hierfür benötigt man eine Pumpstrahlung hoher Intensität und hoher Brillanz, was über eine DWM-Diodenanordnung erreicht werden kann. Wird von zwei Seiten gepumpt oder mit Rückreflektion ein Doppeldurchgang der
Pumpstrahlung durch die Faser erreicht, können die Pumpdioden wie oben beschrieben aus ihrer stabilisierten Wellenlänge gelockt werden und die DWM funktioniert nicht mehr, was durch das Vorsehen von wellenlängenselektiven
Elementen verhindert werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Pumpstrahlungsanordnung (1 1 ), umfassend:
eine Pumpstrahlungsquelle (1 ) zum Erzeugen von Pumpstrahlung (3), sowie ein Mittel (5, 5a) zur Wellenlängenstabilisierung der Pumpstrahlungsquelle (1 ), gekennzeichnet durch:
ein laseraktives Medium (12, 22), das von der Pumpstrahlung (3) bidirektional durchlaufen wird,
einen Retroreflektor (14, 14a-d) zur Reflexion von nicht vom laseraktiven Medium (12, 22) absorbierter Pumpstrahlung (3c) zurück zur Pumpstrahlungsquelle (1 ), und
ein wellenlängenselektives Element (14a-d, 15, 15a, 15b) zur Verhinderung einer Wellenlängendestabilisierung der Pumpstrahlungsquelle (1 ) durch Herausfilterung von unerwünschten Spektralanteilen (10) von nicht vom laseraktiven Medium (12, 22) absorbierter Pumpstrahlung (3c).
2. Pumpstrahiungsanordnung nach Anspruch 1 , bei welcher das Mittel zur
Wellenlängenstabilisierung (5, 5a) als wellenlängenabhängiger Reflektor ausgebildet ist, um einen Anteil (3a) der erzeugten Pumpstrahlung (3) zur Pumpstrahlungsquelie (1 ) zurück zu reflektieren und einen transmittierten Anteil (3b) der Pumpstrahlung (3) dem laseraktiven Medium (12, 22) zuzuführen.
3. Pumpstrahlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das wellenlängenselektive Element ein Interferenzfilter (15) ist.
4. Pumpstrahlungsanordnung nach Anspruch 4, bei welcher der Interferenzfilter ein unter einem Winkel (et) zur Strahlrichtung (13) der Pumpstrahlung (3)
ausgerichtetes Etalon (15) ist.
5. Pumpstrahlungsanordnung nach Anspruch 5, bei welcher das Etalon (1 5) als Dünnschichtetalon ausgebildet ist.
6. Pumpstrahlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: ein Auffang-Element (17) zum Umlenken und/oder Absorbieren der von dem wellenlängenselektiven Element (15) aus dem optischen Weg (13) der Pumpstrahlung (3) abgelenkten unerwünschten Spektralanteile (10).
7. Pumpstrahlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
welcher das laseraktive Medium ein Festkörperkristall (12) ist und das
wellenlängenselektive Element (15) im Strahlengang der Pumpstrahlung (3) zwischen dem Mittel (5) zur Wellenlängenstabilisierung und dem Festkörperkristall (12) oder zwischen dem Festkörperkristall (12) und dem Retroreflektor (14) angeordnet ist.
8. Pumpstrahlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
welcher der Retroreflektor, der insbesondere einen Endspiegel für die
Pumpstrahlung (3) bildet, als wellenlängenselektives Element (14a-d) ausgebildet ist.
9. Pumpstrahlungsanordnung nach Anspruch 8, bei welcher der Retroreflektor (14a- d) eine Gitterstruktur aufweist.
10. Pumpstrahlungsanordnung nach Anspruch 9, bei welcher der Retroreflektor als Volumen-Bragg-Gitter (14b, 14d) ausgebildet ist.
1 1 . Pumpstrahlungsanordnung nach Anspruch 9, bei welcher der Retroreflektor als Gitter-Wellenleiter-Spiegel (14c) ausgebildet ist.
12. Pumpstrahlungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 8 bis 1 1 , bei dem das laseraktive Medium eine laseraktive Faser (22) ist und die
Pumpstrahlungsanordnung (1 1 ) weiter umfasst:
einen Pumpfaserabschnitt (23a) zum Zuführen von Pumpstrahlung (3) zu der laseraktiven Faser (22).
13. Pumpstrahlungsanordnung nach Anspruch 12, weiter umfassend: einen weiteren Pumpfaserabschnitt (23c) zum Zuführen von von der laseraktiven Faser (22) nicht absorbierter Pumpstrahlung (3) zu dem Retroreflektor (14c, 14d).
14. Pumpstrahlungsanordnung nach Anspruch 13, bei welcher der Retroreflektor als in dem weiteren Pumpfaserabschnitt (23c) gebildetes Faser-Bragg-Gitter (14c) ausgebildet ist.
15. Pumpstrahlungsanordnung nach Anspruch 13, bei der zwischen einem
austrittsseitigen Ende des weiteren Pumpfaserabschnitts (23c) und dem
Retroreflektor (14d) ein Objektiv (25) angeordnet ist.
16. Pumpstrahlungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, weiter
umfassend: eine weitere Pumpstrahlungsquelle (1 a) sowie einen weiteren Pumpfaserabschnitt (23d) zum Zuführen von weiterer Pumpstrahlung zu der laseraktiven Faser (22).
17. Verfahren zum Pumpen eines laseraktiven Mediums (12, 22), umfassend:
Erzeugen von Pumpstrahlung (3) mit einer Pumpstrahlungsquelle (1 ),
Stabilisieren der Wellenlänge (λζ) der Pumpstrahlung (3), sowie
Pumpen des laseraktiven Mediums (12, 22) mittels der Pumpstrahlung (3), gekennzeichnet durch
Herausfiltern von Spektralanteilen (10) von nicht vom laseraktiven Medium (12, 22) absorbierter Pumpstrahlung (3c) mit Hilfe eines wellenlängenselektiven Elements (14a-d, 15, 15a, 15b) zum Verhindern einer
Wellenlängendestabilisierung der Pumpstrahlungsquelle (1 ), wobei die nicht vom laseraktiven Medium (12, 22) absorbierte Pumpstrahlung (3c) von einem
Retroreflektor (14, 14a-d) zur Pumpstrahlungsquelle (1 ) zurück reflektiert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Stabilisieren der Wellenlänge (λζ) der Pumpstrahlung (3) durch einen wellenlängenabhängigen Reflektor (5, 5a) erfolgt, der einen Anteil (3a) der erzeugten Pumpstrahlung (3) zur Pumpstrahlungsquelle (1 ) zurück reflektiert und einen transmittierten Anteil (3b) der Pumpstrahlung (3) dem laseraktiven Medium (12, 22) zuführt.
PCT/EP2013/055217 2012-03-30 2013-03-14 Pumpstrahlungsanordnung und verfahren zum pumpen eines laseraktiven mediums WO2013143862A1 (de)

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