WO2016173917A1 - Faseroptischer lasergenerator - Google Patents

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WO2016173917A1
WO2016173917A1 PCT/EP2016/058862 EP2016058862W WO2016173917A1 WO 2016173917 A1 WO2016173917 A1 WO 2016173917A1 EP 2016058862 W EP2016058862 W EP 2016058862W WO 2016173917 A1 WO2016173917 A1 WO 2016173917A1
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wavelength
wavelengths
branching
coupling
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PCT/EP2016/058862
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Matthias Jaeger
Tobias TIESS
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Leibniz-Institut Fuer Photonische Technologien E.V.
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    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
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    • H01S3/1106—Mode locking
    • H01S3/1109—Active mode locking

Definitions

  • the invention relates to a fiber optic laser generator for generating laser pulses at one or more wavelengths selected from a wavelength range, having an annular structure and unidirectional rotation in the annular structure.
  • a laser generator comprises at least one amplification module, which comprises at least one optical or electric pump device, which in turn is coupled to the annular structure.
  • the fiber optic laser generator further includes at least one fiber optic wavelength-selective grating structure which is reflective to light of each of the selected wavelengths, each of the selected wavelengths being reflected from the wavelength range at a different location such that reflections of different wavelengths occur at different times.
  • the fiber-optic laser generator further comprises a second coupling branching point in the direction of rotation and at each of which at least three fibers converge, of which in each case two fibers are assigned to the annular structure and one of the wavelength-selective grating structures is integrated in a branching fiber. wherein the two coupling branching points are formed such that light traveling in the direction of rotation is first conducted into the fiber with the wavelength-selective grating structure and light reflected in each case by the wavelength-selective grating structure is coupled back into the annular structure in the circumferential direction.
  • the wavelength-selective grating structure in the fiber branching off at the second coupling branch point is essentially identical to the fiber splitting off at the first coupling branch point, but is coupled mirror-inverted compared to the first coupling branch point and is consequently mirrored, so that no matter what the wavelength at the second coupling branch point back into the annular structure coupled laser pulses substantially the same period in the Resonator, ie the annular structure including the branching fibers, and thus have a constant pulse repetition frequency.
  • the fiber optic laser generator also includes means for selecting laser pulses of a subset of the selected wavelengths.
  • Fiber-integrated processes typically use fiber Bragg gratings.
  • a single fiber Bragg grating is used as a narrow band filter.
  • the temperature is varied by means of a heating element, wherein it is exploited that the fiber expands when heated in the longitudinal direction.
  • the fiber Bragg grating is mounted on a piezoelectric ceramic material, when a voltage is applied, the fiber is stretched or compressed in the longitudinal direction. Such a method is also described in DE 695 06 273 T2.
  • a single fiber Bragg grating as a filter offers only a low spectral freedom, which is reflected by the mechanical strength of the fiber in a very limited spectral tuning range.
  • An extension of the spectral working range based on fiber Bragg gratings is possible when using so-called chirped grating structures.
  • the grating period changes along the longitudinal direction of the fiber. This can be done continuously using a chirped fiber Bragg grating, or in discrete steps using many fiber Bragg gratings with different reflection wavelengths, the latter arrangement being also referred to as an array of fiber Bragg gratings.
  • the individual grids in the array can in turn be effective or chirped only for individual wavelengths. However, they do not have to be arranged in ascending or descending order according to their wavelengths. As long as gratings are ordered in terms of ascending or descending wavelengths, one also speaks of an array of step-chirped fiber Bragg gratings.
  • the effective reflection wavelength of the chirped grating structure can be timed.
  • a suitable arrangement is described for example in US 2009/0067456 A1.
  • the emission wavelength can be varied based on the principle that different spectral components differ in their resonator cycle time. If the losses with a corresponding period are varied with a modulator, the emission wavelength can be changed on the basis of the lattice properties.
  • a static pulse repetition rate over the spectral tuning range can be achieved, for example, by means of a second filter installed inversely to the first one.
  • the second spectral filter must be identical to the first with respect to the reflection wavelength and the grating position, so that the time shifts of different spectral components cancel each other over a resonator and a constant cycle time of different wavelengths is guaranteed.
  • the solution described in WO 03/043149 is based on a Fabry-Perot resonator, which has various disadvantages. This resonator is bidirectionally operated, even in a variant realized as a ring structure. Pulse can and must rotate in both directions.
  • the feedback of the spectral filter is therefore not isolated from the spectral amplification, which reduces both the spectral signal quality and the efficiency by means of feedback.
  • resonators in which the pulses travel in both directions tend to so-called "spatial hole burning" due to the interference of forward and backward propagating longitudinal modes, which further limits the efficiency.
  • the object of the invention is to improve a fiber optic, preferably wavelength tunable laser generator of the type described above to the effect that on the one hand ensures a constant pulse repetition rate and on the other hand, the best possible spectral signal quality and efficiency is obtained.
  • This object is achieved with such a fiber-optic laser generator in that the means for selecting laser pulses of a subset of the selected wavelengths in turn comprise means for modulating the light such that per revolution of a laser pulse this is at least twice modulated and due to runtime differences is selectable depending on the wavelength. In this way, even in a unidirectional operation constant pulse repetition rates can be achieved regardless of the wavelength, the unidirectional operation also ensures high spectral purity and high efficiency. With the aid of the modulation, the emission wavelength or an emission wavelength range or the subset of selected wavelengths can be controlled.
  • the double modulation of the laser pulse per revolution can be realized in various ways.
  • the means for selection comprise either a first modulator controlled by a first function generator or a second modulator controlled by a second function generator. If a first modulator is used, this is between the first coupling branch point and the wavelength-selective grating structure of the branching fiber. If a second modulator is used, this is arranged between the second coupling branch point and the wavelength-selective grating structure of the branching fiber.
  • the emission wavelength can be controlled by means of an adapted circuit of the first or second modulator based on different transit times for different wavelengths in the lattice structure, the modulator specifies the interaction time of the signal with the lattice structure.
  • the unidirectional ring structure enables efficient decoupling, feedback from the grating structure on the one hand and amplification in the active medium on the other hand can be optimally separated from each other so that feedback and the associated loss of efficiency are suppressed.
  • the circuit of the modulator is preferably such that at times when light having wavelengths from the subset of the selected wavelengths pass through the first and second modulators, respectively, it is switched to transmission, and otherwise, i. at wavelengths not out of this subset, set to losses. In the latter case, the transmission is blocked, for example by absorption or scattering.
  • the reflected signals pass through the first and the second modulator - depending on which is installed in the laser generator - twice each, so that the condition mentioned above is met.
  • the selection means comprise both a first modulator controlled by a first function generator and a second modulator with a second function generator.
  • tion generator driven second modulator wherein in relation to the circulation of a light pulse in each case at least one coupling branch point between the two modulators is arranged.
  • the circulation includes the path traveled in the at least one wavelength-selective grating structure.
  • at least two modulations per revolution must take place in the resonator, wherein a modulation between the first and second reflection takes place and a further modulation takes place before the first or after the second reflection. This condition can be realized in different ways.
  • the first and second modulators are arranged either between the first and second coupling branch point and the wavelength-selective grating structure of the branching fiber, in another related embodiment on the annular structure on either side of one of the two coupling branch points.
  • These two embodiments of the second alternative may also be combined so that one of the two modulators is disposed on the annular structure and the other of the two modulators on the branching fiber is between a coupling branch point and the wavelength-selective grating structure.
  • the first and second modulators can be switched between the transmission and the losses via the respectively assigned function generator. It is essential that the light signal passes through at least one of the modulators before the first or after the second impingement on the wavelength-selective grating structure and the other modulator passes between the first and the second impingement on the wavelength-selective grating structure.
  • One modulator can also be arranged on the ring structure, while the other is arranged on the branching fiber between the coupling branch point and the wavelength-selective grating structure. The selection of the subset from the selected wavelengths also takes place here based on transit time differences for the individual wavelengths.
  • First and second function generator are connected via a controller, and the second function generator is controlled depending on the first means of a delay time T D.
  • the lengths of the first and second time periods ti and t 2 and the delay time T D are matched to one another such that the intersection or the intersection of the two subregions corresponds to the subset of the selected wavelengths, so that only light of the wavelengths in the subset of the selected wavelengths is transmitted back into the annular structure by the second modulator. In periods where the modulators are not switched to transmission they are set to losses.
  • the first modulator can, for example, during a first period ti for a first portion of the selected wavelengths, and the second modulator during a second period of time t be 2 connected to a second portion of the selected wavelengths in transmission when both modulators are arranged in the branching fiber, the delay time T D is then applied to the path between adapted to the two modulators.
  • the fiber branching off at the first coupling branch point is connected to the second coupling branch point as branching fiber and the wavelength-selective grating structure between formed the two coupling branch points in the - only - branching off to the wavelength-selective grating structure fiber.
  • only one branching fiber is used, which connects the two coupling branch points to one another and to which the wavelength-selective lattice structure is impressed.
  • Branching fibers are to be distinguished from outcoupling: In the former, radiation is coupled in and also fed back into the annular structure, without leaving the resonator - the combination of ring structure and branching fibers.
  • outcoupling fibers are used for coupling out laser pulses, for example, and coupling fibers serve to supply radiation.
  • Incoming and outcoupling fibers are usually connected via fiber couplers with the fiber optic laser generator.
  • the coupling branching points may, for example, be designed as circulators, at which at least three fibers converge, and / or as fiber couplers with at least three converging fibers.
  • a fourth fiber in the fiber coupler can serve, for example, for coupling out laser pulses.
  • a free-wheeling coupling is possible in principle.
  • the first and / or second coupling branch point can also be formed as a polarization-dependent circulator, between the circulator and the wavelength-selective grating structure, for example, a polarization-modifying element can be arranged, for example a ⁇ / 2 plate.
  • the wavelength-selective grating structure can be used, for example, as a fiber Bragg grating, as an array of fiber grids. Bragg gratings, be configured as a chirped fiber Bragg grating or as a combination thereof, ie as a combination of different types of gratings and arrays.
  • the wavelength-selective grating structure can also be configured as an array of chirped and discrete fiber Bragg gratings.
  • the fiber-optic laser generator expediently comprises means for specifying the direction of rotation.
  • means for specifying the direction of rotation When using circulators as coupling branch points, these can already be used to specify the direction of rotation. If fiber couplers or a free-jet coupling are used as the coupling branch point, then the means for specifying the direction of rotation advantageously comprise at least one isolator.
  • the means for specifying can also be realized solely by means of an adapted length of the fiber in that part of the annular structure in which the total light pulse or the individual light pulses can basically propagate counter to the direction of rotation.
  • the fiber lengths are chosen such that pulses which run counter to the direction of rotation arrive at the respective other modulator at a point in time at which this modulator is switched to high losses.
  • the modulation means comprise a control for modulating the amplification, preferably in the at least one amplification module.
  • the amplification can be achieved electronically via semiconductor structures or optically by stimulated emission, stimulated Raman scattering, or other nonlinear optical amplification mechanisms.
  • separate gain modules can be used for the modulation of the gain, with appropriate positioning in the resonator can also be used for feeding the radiation amplification module.
  • the invention also relates to a method for generating laser pulses in a fiber optic laser generator with a unidirectional, annular structure.
  • a pumping device in a laser medium by optical amplification eg, by amplified spontaneous emission, stimulated Raman scattering, or other non-linear optical amplification mechanisms
  • radiation in a broad band wavelength range is generated and coupled in a circumferential direction into a fiber optic annular structure .
  • the radiation - ie the wave packet which comprises light of the entire, generally broadband emission spectrum - is coupled into a branching optical fiber.
  • the radiation for selected wavelengths from the wavelength range at a wavelength-selective grating structure is reflected a first time.
  • a single signal is generated for each of the selected wavelengths, a single signal corresponds to a wave packet around a single wavelength, the lattice structure being designed to reflect light of this wavelength.
  • the individual signals generated are in each case coupled in the circumferential direction into the annular structure, wherein the reflection takes place at different wavelength-dependent locations in the branching fiber, so that the individual signals are coupled into the annular structure at different times depending on the wavelength ,
  • the individual signals are coupled from the other direction into the branching fiber and reflected there at the wavelength-selective grating structure a second time and essentially - apart from a systematic dispersion due to the fiber properties - coupled simultaneously in the circumferential direction in the annular structure .
  • Single signals of a subset of the selected wavelengths are selected by two-time modulation based on differences in propagation time for different wavelengths, with one modulation between the first and second reflections and the other modulation occurring before the first or after the second reflection.
  • the temporal modulation of the individual signals leads to the fact that laser pulses are formed from the individual signals over several revolutions in the resonator, in addition to the selection of the wavelengths. Finally, these laser pulses with wavelengths in the subset of the selected wavelengths are coupled out of the resonator, in principle freely selectable positions in the resonator-both in the annular structure and in the branching fiber. The decoupling can also be done after a repeated amplification, or after repeated passage through a part of the annular structure.
  • the method can be carried out in particular with the embodiments of a fiber-optic laser generator described above, the procedures described in this context are also possible embodiments of the method.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a fiber-optic laser generator with two wavelength-selective grating structures
  • FIG. 2 shows an embodiment of a fiber-optic laser generator with only one wavelength-selective grating structure
  • 3 a-c show the spectral relationships in the fiber at different locations during the circulation in the laser generator
  • 4 a-b show the signal profile of a function generator for one or two wavelengths to be coupled out
  • FIG. 5 a-c show further embodiments of a fiber-optic laser generator with a wavelength-selective grating structure
  • Fig. 8 shows an alternative embodiment of a fiber optic laser generator with two
  • FIG. 10 shows an alternative embodiment of a fiber-optic laser generator
  • Fig. 1 1 shows a further embodiment of a fiber-optic laser generator.
  • a first example of a fiber optic laser generator is shown, which is designed to generate laser pulses at one or more wavelengths selected from a wavelength range.
  • the fiber optic laser generator is formed with an annular structure and unidirectional circulation in the annular structure, which is also referred to below as a ring structure.
  • Laser pulses - also referred to as light pulses - therefore run only in one direction through the ring structure, here in a clockwise direction.
  • Such a fiber-optic laser generator comprises at least one amplification module 1, which here comprises an active optical fiber 2 as part of an optical pump device 3 coupled to the ring structure.
  • another type of optical amplification may be used.
  • the fiber-optic laser generator comprises exactly one amplification module 1, but it is also possible to arrange a plurality of amplification modules 1 in series or in parallel, and a single amplification module can also contain a plurality of serially or parallelly arranged active optical fibers 2 if, for example, the arrangement is in multipulse mode. Mode should be operated.
  • the electromagnetic radiation from individual, parallel-arranged active optical fibers 2 can then be coupled into the ring structure, for example via corresponding wavelength-selective couplers, for example WDM couplers (WDM-Wavelength Division Multiplexing).
  • the optical pump device 3 is symbolized here by the arrow pointing to the ring structure.
  • the radiation generated in a wide wavelength range is in this way fed into a passive optical fiber 4, which forms the ring structure.
  • the fiber-optic laser generator comprises at least one decoupling device 5 for decoupling laser pulses.
  • the decoupling device is arranged in the example shown in FIG. 1 in the upper segment of the ring structure, but it can also be arranged at other locations, for example in the direction of rotation directly in front of the reinforcing module 1, as shown for example in Fig. 2.
  • the fiber-optic laser generator may also comprise a plurality of decoupling devices 5.
  • the fiber optic laser generator comprises at least one fiber optic wavelength-selective grating structure 6, which is designed to be reflective for light of each of the selected wavelengths. Each of the selected wavelengths from the wavelength range is thereby reflected at a different location in the grating structure 6, so that reflections of different wavelengths occur at different times.
  • the fiber-optic laser generator comprises two such fiber-optic, substantially identical wavelength-selective grating structures 6, which each branch off from the passive optical fiber 4 forming the ring structure. With a corresponding embodiment, however, it is possible to make do with a single fiber-optic, wavelength-selective grating structure 6.
  • the fiber-optic laser generator also has a first coupling branch point in the direction of rotation and at least two fibers run together at both coupling branch points, two of which are associated with the annular structure and integrates one of the wavelength-selective grating structures in a branching fiber is.
  • Both coupling branching points are designed such that light traveling in the direction of rotation is first conducted into the fiber with the wavelength-selective grating structure 6 and light reflected in each case by the wavelength-selective grating structure 6 is coupled back into the annular structure in the circumferential direction.
  • the first coupling branch point is formed as a first circulator 7 and the second coupling branch point as a second circulator 8.
  • the fiber optic grating structure is here formed as an array of fiber Bragg gratings, but may as well be single Be configured fiber Bragg gratings, for example, if only one wavelength is to be coupled out, or as a chirped fiber Bragg grating in order to make optimal use of the available bandwidth of wavelengths can.
  • the second coupling branching point does not have to be directly downstream of the first one, rather the term "downstream" also includes the possibility of arranging further optical elements between these two coupling branching points, for example a decoupling device 5 and / or an amplification module 1.
  • the fiber optic laser generator comprises two coupling branching points which communicate with each other via the ring structure.
  • the coupling branch points are designed as the first circulator 7 and as the second circulator 8.
  • the coupling branch points are designed as the first circulator 7 and as the second circulator 8.
  • the wavelength-selective grating structure 6 in the fiber branching off at the second coupling branch point is constructed substantially identical to that in the fiber branching off at the first coupling branch point, but connected to the second coupling branch point in such a way that it differs from the grating structure 6 in FIG
  • the fiber branching off at the first coupling branching point is mirrored through, which implies that it couples mirrored to the second coupling and branching point.
  • the fiber optic laser generator also includes means for selecting laser pulses of a subset of the selected wavelengths. These means for selection in turn comprise means for modulating the light as a function of the wavelength such that, per revolution of a laser pulse, it can be modulated at least twice and selected as a function of the wavelength due to propagation time differences.
  • AOM acousto-optic modulators
  • the means for selection or the means for modulating the light comprise either a first modulator controlled by a first function generator or a second modulator driven by a second function generator.
  • First or second modulator - depending on which modulator is used - are arranged between the first and second coupling branch point and the wavelength-selective grating structure 6 of the branching there fiber.
  • a second function generator 9 is arranged with a second modulator 10 in FIG. 20 of the fiber branching off at the second coupling branch point, the second circulator 8.
  • the two grid structures 6 shown in FIG. 1 should be constructed as identical as possible.
  • each of the laser pulses has a wavelength-dependent residence time in FIG the second grid structure, ie in the drawing left of the second modulator 10, caused by the spatial distance of the grating for the individual wavelengths in the grating structure 6, can be controlled by appropriate, controlled by the function generator 9 switching the modulator 10 between a state in which the light is almost completely transmitted, and another state in which the electromagnetic radiation impinging on the modulator 10 suffers high losses and is blocked, specifically select laser pulses of specific wavelengths, which again via the second coupling branch point i n the passive optical fiber 4 of the ring structure are coupled.
  • the fiber optic grating structures 6 are designed to select from a broadband, continuous spectrum a number N of wavelengths, where N is usually between 2 and 100, depending on the nature of the application.
  • N is usually between 2 and 100, depending on the nature of the application.
  • a modulator which is controlled by a function generator, can also be dispensed with.
  • a wavelength-selective filter for coupling out of the laser pulses in the beam path.
  • a modulator can also be dispensed with, and the grating structure 6 can be designed for more wavelengths than are actually supplied to the application, for example a fluorescence microscope.
  • the fiber branching off at the first coupling branching point is connected to the second coupling branching point as fiber branching there, wherein the wavelength-selective grating structure 6 is formed between the two coupling branching points in the branching fiber.
  • Such a configuration is shown in FIG.
  • the fiber containing this wavelength-selective grating structure 6 is connected at one end to the first coupling branch point - here the circulator 7 - and at its second end to the second coupling branch point - here the second circulator 8.
  • the pumping device 3 pumps the active optical fiber 2 and emits radiation in a specific, broadband spectral range dependent on the material and possibly the doping of the active optical fiber 2, for example so-called amplified spontaneous emission (ASE - amplified spontaneous emission ).
  • each fiber Bragg grating of the array which forms the grating structure 6 reflects - Det, also a narrow-band component, which is then coupled via the first circulator 7 in the circumferential direction again in the annular structure.
  • the grating structure 6 comprises, for example, N fiber Bragg gratings, then for N wavelengths-these form the selected wavelengths-again laser pulses are coupled into the annular structure.
  • the wave packets at the second circulator 8 are coupled back into the likewise branching fiber with the fiber-optic wavelength-selective grating structure 6 and hit after a first pass through the second modulator 10, which is controlled by the second function generator 9, again on the Fiber Bragg Gratings of the Grating Structure 6.
  • the respective spectral components, which were previously reflected, now interact again with the respectively associated grating.
  • the wavelength-dependent delay time is reversed, so that the individual spectral components propagate synchronously in the now reflected signal, ie the time interval between the individual spectral components compensates each other during the revolution.
  • the laser pulses are again coupled in the circumferential direction in the annular structure and propagate in the direction of the output device 5.
  • all wavelengths have the same round trip time in the resonator, so that the pulse repetition frequency over the entire spectral tuning range is constant.
  • the second modulator 10 controlled via the second function generator 9 now a subset of the selected wavelength are selected, in Fig. 3c exactly one wavelength i is selected.
  • the second function generator 9 Resonator Resonatortheree be switched with a fixed period T MP , the period T MP corresponds to the signal circulation time in two passes through the wavelength-selective grating structure 6.
  • the selection of the subset is now done by two short transmission windows per period on the second modulator 10, the Based on their time interval ti_ 2 determine how long the signal coupled from the second circulator 8 in the branching fiber there may need in the array of fiber Bragg gratings to be reflected back. Due to the time interval ti_ 2 of the two transmission windows, a certain response time of the wavelength-selective grating structure 6 is predetermined, which can be unambiguously assigned to a specific grating position and thus to a reflected wavelength, as shown in FIG. 3c.
  • a reproducing pulse at the target wavelength .lambda. which is transmitted in a low-loss manner in the wavelength-selective grating structure 6 and at the second modulator 10, is formed over several resonator revolutions and effective amplification in the active optical fiber during each revolution in the laser generator 2 learns.
  • the signal is then tapped and can possibly be amplified.
  • the subset may generally comprise a plurality of wavelengths, via a corresponding circuit of the second modulator 10, which is shown in FIG. 4b by way of example for two wavelengths, a setting can be set to any subset represented in the wavelength-selective grating structure 6, also on a single wavelength.
  • the selection takes place in that at the times at which light with wavelengths from the subset of the selected wavelengths passes through the first modulator 13 or the second modulator 10, this is not set from the subset to losses on transmission and at wavelengths.
  • the decoupling device 5 can be arranged at different points of the annular structure, Fig. 5a shows an embodiment in which the decoupling device in the upper part of the annular structure, between the first and second coupling branch point is arranged.
  • the wavelength-selective grating structure 6 can also be designed differently, for example, it can be a single fiber Bragg grating, if only one wavelength is to be selected, or even a chirped fiber Bragg grating 1 1, as in Fig. 5b is shown. In addition to a number of discrete wavelengths in the subset, a chirped fiber Bragg grating also allows the selection of wavelength ranges as a subset.
  • FIG. 5 c shows a further variant in which two reinforcement modules 1 with two active optical fibers 2 and two pumping devices 3 are provided. These are arranged in series here, a parallel connection is also conceivable.
  • two modulators are used.
  • the means for modulation then comprise a first modulator 13 controlled by a first function generator 12 and a second modulator 10 controlled by a second function generator 9, wherein in each case at least one coupling branch point is arranged between the two modulators 13, 10 with respect to the rotation of a light pulse is.
  • the circulation includes the path traveled in the wavelength-selective grating structures 6.
  • first modulator 13 and second modulator 10 can be switched between transmission and loss.
  • the fiber-optic laser generator shown there also includes one with a first function generator 12 in addition to the second function generator 9, with which the second modulator 10 is driven controlled first modulator 13.
  • First modulator 13 and second modulator 10 are arranged between the first and second coupling branch point - again configured as first circulator 7 and second circulator 8 - and the wavelength-selective grating structure 6 of the branching there fiber.
  • the speed requirements when switching the modulator are lower, and in addition, when using, for example, acousto-optic modulators, ASE feedback, which would transmit through the middle arm and couple spectrally unfiltered to the active optical fiber 2, can be completed suppress.
  • the two modulators must be operated coupled via a controller, that is, the first function generator 9 and the second function generator 12 are coupled via a controller. This control will be explained in more detail with reference to FIGS. 7a and b.
  • the second function generator 9 is controlled with a delay time T D dependent on the first function generator 12, the first modulator 13 during a first period for a first portion of the selected wavelengths and the second modulator 10 during a second period t 2 for a second portion of the selected Wavelengths is switched to transmission and both modulators 1 0, 13 otherwise to losses.
  • the lengths of the first time period ti, of the second time period t 2 and the delay time T D are matched to one another such that the intersection of the two subregions corresponds to the subset of the selected wavelengths, in the example shown in FIG. 7b for the sake of clarity only one wavelength i or ⁇ ,, wherein one of the two subareas or both subareas can be readily modified so that the intersection region comprises a plurality of wavelengths.
  • only light of the wavelengths in the subset of the selected wavelengths is transmitted from the second modulator 10 into the annular structure, ie coupled back into the annular structure via the second coupling branch point. This is shown in FIG.
  • the result transmitted to the modulator circuit is shown in Fig. 7b.
  • the subset of the selected wavelengths consists here only of the wavelength ⁇ ,, only for this wavelength, a renewed coupling takes place in the ring structure at the second circulator 8.
  • the hatched areas correspond to a put on losses modulator circuit.
  • the first function generator 12 controls the residence time of the entire initial signal in the wavelength-selective grating structure 6, which is again constructed here by way of example as an array of fiber Bragg gratings. Based on the transit time in the array, only the feedback from the first wavelength to the wavelength ⁇ can pass the filter in reflection. The maximum wavelength to be transmitted is controlled over the length of the first period ti.
  • the spectral responses are again coupled via the first circulator 7 into the passive fiber 4 of the ring-shaped structure of the fiber-optic laser generator and pass through the upper branch.
  • they are again directed into the fiber-optic branch with the wavelength-selective grating structure 6 and now pass through the second modulator 10 for the first time before they encounter the wavelength-selective grating structure 6.
  • the delay time T D must be selected accordingly, wherein in the delay time T D, inter alia, the length of the path of a pulse from the first impingement on the corresponding grid in the array of fiber Bragg gratings until the second impingement on this grid from the other Page is taken into account.
  • the length of the second period t 2 is tuned to the propagation time of the signal from the second modulator 10 to the grating for the wavelength ⁇ , and back, so that the spectral components for wavelengths above ⁇ , ie from A i + 1 are blocked at the second modulator 1 0 , Due to the response of the fiber-optic, wavelength-selective grating structure 6, the laser therefore only addresses the wavelength ⁇ in the decoupling below.
  • the individual grids of the array do not have to be designed so that they are sorted according to the lengths of the wavelengths ⁇ , but rather straight grids can be grouped for those wavelengths which are to be used together for certain applications. The use of an array of chirped grids is also possible.
  • the first alternative can be realized if one of the two modulators is permanently switched to transmission, so that only one of the modulators is effective;
  • the circuit diagram must then be adjusted according to FIG. 4.
  • both modulations can be operated in accordance with the circuit diagram shown in FIG.
  • FIG. 8 also shows the arrangement shown there comprising a first modulator 13 controlled by a first function generator 12 and a second modulator 10 controlled by a second function generator 9.
  • First modulator 13 and second modulator 10 are both sides of one of the two coupling branching points arranged on the annular structure, ie on the passive optical fiber 4 and not in the branching fiber with the wavelength-selective grating structure 6.
  • first and second modulator 13, 10 via the associated function generator 12, 9 each between transmission and loss circuit, for example absorption, switchable.
  • the control behavior is shown in FIG.
  • the control is similar to that in FIG. 4a, wherein the delay time T D here assumes the function of the time t -2 since two modulators are used instead of one.
  • each modulator per cycle only passes once, so it corresponds to the operation of one of the variants with only one modulator in a branching off from a coupling branch point branch. In this case, the modulators do not have to be switchable as fast as in the variant shown in FIG. 2.
  • the light signal passes through at least one modulator before the first filter passage or after the second filter passage and passes through the other modulator between the first and the second filtering process.
  • the coupling branch points were formed as circulators 7 and 8, where converge three fibers, the coupling branch points can also be designed differently, for example as a fiber coupler with three or four converging fibers.
  • the fourth fiber can serve to decouple laser pulses.
  • To specify the direction of rotation insulators can be used.
  • a first such embodiment of a fiber optic laser generator is shown in Fig. 10, comprising a first fiber coupler 14 and a second fiber coupler 15 in place of the first circulator 7 and the second circulator 8.
  • an insulator 16 is disposed on the annular structure.
  • the optional fourth fiber is used for decoupling, these fibers are each connected to decoupling devices 5.
  • Fiber couplers offer the advantage over circulators of a more favorable coupling ratio of preferably 50%. Multiple isolators can also be used, further improving signal quality.
  • fiber couplers and circulators may be mixedly used, for example, the first coupling branch point may be configured as a circulator and the second coupling branch point as a fiber coupler.
  • fiber couplers are generally more cost-effective than circulators.
  • the structure can be carried out completely fiber-integrated with fiber couplers and realized with higher spectral bandwidth. A free-jet coupling is also conceivable.
  • other types of wavelength selective grating structures 6 may be used, such as chirped fiber Bragg gratings instead of or in combination with an array.
  • the spectral range is extended, it is also possible to operate the laser so for example in a two-pulse mode.
  • care must be taken to ensure compatibility of the gain modules 1 with regard to their spectral properties, so that they do not absorb at the respective other signal wavelength.
  • Parallel connection eliminates this problem but requires additional WDM couplers to split the signal wavelengths.
  • FIG. 11 shows a modification of the embodiment with fiber couplers shown in FIG. 10, which has a first modulator 13 and a second modulator 10, with corresponding first and second function generators 12 and 9, respectively.
  • One of the two modulators can also be installed outside the middle arm, the control can for example be carried out analogously to the variant shown in Fig. 6. alternatives The activation can also be carried out in a similar manner to the example shown in FIG. 4 for two modulators, with a time delay in the circuit of both modulators, in order to suppress pulses running in this way against the predefined circulation direction.
  • an insulator 16 can basically be dispensed with; in this case it is not an essential component of the arrangement, but it can also continue to be used to improve the signal quality.
  • the corresponding circuit of the two modulators 13 and 10 is sufficient.
  • fiber couplers allows here, as in the arrangement shown in Fig. 10, a completely monolithic structure that can be installed in the infrastructure integrated optical circuits.
  • first and / or second coupling branch point as polarization-dependent circulators, wherein a polarization-modifying element can be arranged between one of the circulators and the wave-selective grating structure 6.
  • the polarization-modifying element may, for example, be a ⁇ / 2 plate which rotates the polarization at each pass. Reflected portions are therefore again rotated in the original direction of polarization, whereas transmitted portions, portions on which the grid does not have a reflective effect, are suppressed because they can not pass the circulator on the other side.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Lasergenerator zur Erzeugung von Laserpulsen bei einer oder mehreren aus einem Wellenlängenbereich ausgewählten Wellenlängen, mit ringförmiger Struktur und unidirektionalem Umlauf. Der Lasergenerator umfasst mindestens ein Verstärkungsmodul (1) mit mindestens einer Pumpeinrichtung (3), sowie mindestens eine Auskoppeleinrichtung (5) zur Auskopplung von Laserpulsen. Außerdem umfasst der Lasergenerator mindestens eine faseroptische, wellenlängenselektive Gitterstruktur (6), welche für Licht jeder der ausgewählten Wellenlängen reflektierend ausgebildet ist, wobei jede der ausgewählten Wellenlängen aus dem Wellenlängenbereich an einem anderen Ort reflektiert wird, so dass Reflexionen unterschiedlicher Wellenlängen zu unterschiedlichen Zeiten erfolgen. Der Lasergenerator umfasst zwei Kopplungs-Verzweigungspunkte, an denen jeweils mindestens drei Fasern zusammenlaufen, zwei Fasern sind dabei der ringförmigen Struktur zugeordnet und in einer abzweigenden Faser ist eine wellenlängenselektive Gitterstrukturen (6) integriert. In Umlaufrichtung laufendes Licht wird an den Kopplungs-Verzweigungspunkten zunächst in die Faser mit der wellenlängenselektiven Gitterstruktur (6) geleitet und von dort reflektiertes Licht in Umlaufrichtung wieder in die ringförmige Struktur eingekoppelt. Schließlich umfasst der faseroptische Lasergenerator auch Mittel zur Selektion von Laserpulsen einer Teilmenge der ausgewählten Wellenlängen. Durch Zirkulatoren (7, 8) im Resonator kann ein unidirektionaler Betrieb des Lasers sichergestellt werden. Erfindungsgemäß umfassen die Mittel zur Selektion dabei Mittel zur Modulation des Lichts derart, dass pro Umlauf eines Laserpulses dieser mindestens zweimal modulierbar und aufgrund von Laufzeitunterschieden abhängig von der Wellenlänge selektierbar ist.

Description

Titel
Faseroptischer Lasergenerator
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Lasergenerator zur Erzeugung von Laserpulsen bei einer oder mehreren aus einem Wellenlängenbereich ausgewählten Wellenlängen, mit ringförmiger Struktur und unidirektionalem Umlauf in der ringförmigen Struktur. Ein solcher Lasergenerator umfasst mindestens ein Verstärkungsmodul, welches mindestens eine optische oder elektrische Pumpeinrichtung umfasst, welche ihrerseits an die ringförmige Struktur angekoppelt ist. Der faseroptische Lasergenerator umfasst außerdem mindestens eine faseroptische, wellenlängenselektive Gitterstruktur, welche für Licht jeder der ausgewählten Wellenlängen reflektierend ausgebildet ist, wobei jede der ausgewählten Wellenlängen aus dem Wellenlängenbereich an einem anderen Ort reflektiert wird, so dass Reflexionen unterschiedlicher Wellenlängen zu unterschiedlichen Zeiten erfolgen. Der faseroptische Laserge- nerator umfasst weiter einen in Umlaufrichtung ersten und einen diesem nachgeordneten zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt, an denen jeweils mindestens drei Fasern zusammenlaufen, von denen jeweils zwei Fasern der ringförmigen Struktur zugeordnet sind und in einer abzweigenden Faser eine der wellenlängenselektiven Gitterstrukturen integriert ist, wobei die beiden Kopplungs-Verzweigungspunkte so ausgebildet sind, dass in Umlaufrich- tung laufendes Licht zunächst in die Faser mit der wellenlängenselektiven Gitterstruktur geleitet wird und jeweils von der wellenlängenselektiven Gitterstruktur reflektiertes Licht in Umlaufrichtung wieder in die ringförmige Struktur eingekoppelt wird. Dabei ist die wellenlängenselektive Gitterstruktur in der am zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt abzweigenden Faser im Wesentlichen identisch zu der am ersten Kopplungs-Verzweigungspunkt abzwei- genden Faser aufgebaut, jedoch spiegelverkehrt im Vergleich zum ersten Kopplungs- Verzweigungspunkt angekoppelt und wird folglich spiegelverkehrt durchlaufen, so dass unabhängig von der Wellenlänge am zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt wieder in die ringförmige Struktur eingekoppelte Laserpulse im Wesentlichen die gleiche Umlaufzeit im Resonator, d.h. der ringförmigen Struktur einschließlich der abzweigenden Fasern, und damit eine konstante Pulswiederholungsfrequenz aufweisen. Geringfügige Unterschiede in der Umlaufzeit kommen durch die Wellenlängenabhängigkeit der Material- bzw. Wellenleitereigenschaften der Faser, d.h. durch die Dispersion des Lichts in der Faser zustande, sind jedoch gegenüber den Laufzeitunterschieden, welche durch eine der wellenlängenselektiven Gitterstrukturen hervorgerufen wird, vernachlässigbar und um mehrere Größenordnungen geringer. Schließlich umfasst der faseroptische Lasergenerator auch Mittel zur Selektion von Laserpulsen einer Teilmenge der ausgewählten Wellenlängen.
Stand der Technik
Im Stand der Technik ist eine Reihe von Verfahren zur Abstimmung der Emissionswellenlänge eines Lasers innerhalb eines Verstärkungsbereichs mit zum Teil großer spektraler Breite bekannt. Faserintegrierte Verfahren verwenden in der Regel Faser-Bragg-Gitter. In der US 5,1 69,601 wird ein einzelnes Faser-Bragg-Gitter als schmalbandiger Filter eingesetzt. Zur Einstellung der Reflexionswellenlänge in einem kleinen Bereich wird hier die Temperatur mittels eines Heizelements variiert, wobei ausgenützt wird, dass sich die Faser bei Erwärmung in Längsrichtung ausdehnt. In einer anderen Ausgestaltung ist das Faser-Bragg- Gitter auf einem piezoelektrischen, keramischen Material montiert, beim Anlegen einer Spannung wird die Faser in Längsrichtung gedehnt oder gestaucht. Auch in der DE 695 06 273 T2 wird ein solches Verfahren beschrieben. Ein einzelnes Faser-Bragg-Gitter als Filter bietet jedoch nur eine geringe spektrale Freiheit, was sich aufgrund der mechanischen Belastbarkeit der Faser in einem stark limitierten spektralen Abstimmbereich wiederspiegelt. Eine Erweiterung des spektralen Arbeitsbereichs basierend auf Faser-Bragg-Gittern ist bei der Verwendung von sogenannten gechirpten Gitterstrukturen möglich. Hierbei ändert sich die Gitterperiode entlang der Längsrichtung der Faser. Dies kann kontinuierlich unter Verwendung eines gechirpten Faser-Bragg-Gitters erfolgen, oder in diskreten Schritten unter Verwendung vieler Faser-Bragg-Gitter mit verschiedenen Reflexionswellenlängen, letztere Anordnung wird auch als Array von Faser-Bragg-Gittern bezeichnet. Die einzelnen Gitter im Array können ihrerseits nur für einzelne Wellenlängen wirksam oder gechirpt sein . Sie müssen jedoch nicht entsprechend ihrer Wellenlängen auf- oder absteigend angeordnet sein. Sofern dir Gitter hinsichtlich einer aufsteigenden oder absteigenden Wellenlänge geordnet sind, spricht man auch von einem Array von stufengechirpten Faser-Bragg-Gittern.
Für den Laserbetrieb kann die wirksame Reflexionswellenlänge der gechirpten Gitterstruktur zeitlich gesteuert werden. Eine dafür geeignete Anordnung wird beispielsweise in der US 2009/0067456 A1 beschrieben. Durch das periodische Schalten von Resonatorverlusten in einem Fabry-Perot-Resonator oder Ringresonator kann dabei die Emissionswellenlänge variiert werden, basierend auf dem Prinzip, dass sich verschiedene spektrale Komponenten in ihrer Resonatorumlaufzeit unterscheiden. Variiert man mit einem Modulator die Verluste mit entsprechender Periode, so kann man die Emissionswellenlänge auf der Grundlage der Gittereigenschaften verändern. Limitierend für viele Anwendungen ist dabei jedoch die variierende Pulswiederholungsrate entlang des spektralen Abstimmbereichs, die eine Synchronisierung mit getakteten Prozessen - beispielsweise einer Überlagerung mit anderen Pulsquellen - verhindert und zudem zu sich verändernden Pulseigenschaften - dazu zählen u.a. Pulsenergie, Pulsspitzenleistung, Pulsdauer und Pulsform - über den spektralen Abstimm- bereich führt.
Eine statische Pulswiederholungsrate über den spektralen Abstimmbereich lässt sich beispielsweise mit Hilfe eines zweiten Filters, der invers zum ersten verbaut ist, erzielen. Dies ist beispielsweise in der WO 03/043149 offenbart. Der zweite spektrale Filter muss bezüglich der Reflexionswellenlänge und der Gitterposition identisch zum ersten sein, damit sich die zeitlichen Verschiebungen verschiedener spektraler Komponenten über einen Resonatorumlauf aufhebt und eine gleichbleibende Umlaufzeit verschiedener Wellenlängen garantiert ist. Die in der WO 03/043149 beschriebene Lösung basiert auf einem Fabry-Perot-Resonator, der verschiedene Nachteile aufweist. Dieser Resonator wird - auch in einer Variante, welche als Ringstruktur realisiert ist - bidirektional betrieben, d.h. Pulse können und müssen in beiden Richtungen umlaufen. Das Feedback des spektralen Filters ist daher nicht von der spektralen Verstärkung isoliert, was durch Rückkopplungen sowohl die spektrale Signalqualität als auch die Effizienz vermindert. Darüber hinaus tendieren Resonatoren, in welchen die Pulse in beiden Richtungen laufen, aufgrund der Interferenz vorwärts und rückwärts propa- gierender longitudinaler Moden zum sogenannten„spatial hole burning', was die Effizienz weiter limitiert.
Beschreibung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen faseroptischen, bevorzugt wellenlängenabstimmbaren Lasergenerator der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, dass zum einen eine konstante Pulswiederholungsrate gewährleistet und zum anderen die bestmögliche spektrale Signalqualität und Effizienz erhalten wird. Diese Aufgabe wird bei einem solchen faseroptischen Lasergenerator dadurch gelöst, dass die Mittel zur Selektion von Laserpulsen einer Teilmenge der ausgewählten Wellenlängen ihrerseits Mittel zur Modulation des Lichts derart umfassen, dass pro Umlauf eines Laserpulses dieser mindestens zweimal modulierbar ist und aufgrund von Laufzeitunterschieden abhängig von der Wellenlänge selektierbar ist. Auf diese Weise lassen sich auch in einem unidirektionalen Betrieb konstante Pulswiederholungsraten unabhängig von der Wellenlänge erzielen, der unidirektionale Betrieb sorgt außerdem für eine hohe spektrale Reinheit und eine hohe Effizienz. Mit Hilfe der Modulation lässt sich die Emissionswellenlänge oder ein Emissionswellenlängenbereich bzw. die Teilmenge von ausgewählten Wellenlängen steuern.
Die zweifache Modulation des Laserpulses pro Umlauf lässt sich auf verschiedene Weise realisieren.
In einer ersten Alternative umfassen die Mittel zur Selektion entweder einen mit einem ersten Funktionsgenerator angesteuerten ersten Modulator oder einen mit einem zweiten Funktionsgenerator angesteuerten zweiten Modulator. Bei Verwendung eines ersten Modulators ist dieser zwischen dem ersten Kopplungs-Verzweigungspunkt und der wellenlängenselekti- ven Gitterstruktur der dort abzweigenden Faser, bei Verwendung eines zweiten Modulators ist dieser zwischen dem zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt und der wellenlängenselektiven Gitterstruktur der dort abzweigenden Faser angeordnet.
Die Emissionswellenlänge lässt sich dabei anhand einer angepassten Schaltung des ersten bzw. zweiten Modulators basierend auf unterschiedlichen Laufzeiten für verschiedene Wellenlängen in der Gitterstruktur steuern , der Modulator gibt die Wechselwirkungszeit des Signals mit der Gitterstruktur vor. Durch die unidirektionale Ringstruktur wird eine effiziente Auskopplung ermöglicht, Feedback von der Gitterstruktur einerseits und Verstärkung im aktiven Medium andererseits können voneinander optimal getrennt werden, so dass Rück- kopplungen und damit verbundene Effizienzeinbußen unterdrückt werden .
Die Schaltung des Modulators erfolgt bevorzugt so, dass zu den Zeitpunkten, an denen Licht mit Wellenlängen aus der Teilmenge der ausgewählten Wellenlängen den ersten bzw. den zweiten Modulator passiert, dieser auf Transmission geschaltet ist, und ansonsten, d.h. bei Wellenlängen nicht aus dieser Teilmenge, auf Verluste eingestellt ist. In letzterem Fall wird die Transmission blockiert, beispielsweise durch Absorption oder Streuung.
Die reflektierten Signale durchlaufen den ersten bzw. den zweiten Modulator - je nachdem , welcher im Lasergenerator verbaut ist - jeweils zweimal, so dass die eingangs genannte Bedingung erfüllt ist.
In einer zweiten Alternative umfassen die Mittel zur Selektion sowohl einen mit einem ersten Funktionsgenerator angesteuerten ersten Modulator als auch einen mit einem zweiten Funk- tionsgenerator angesteuerten zweiten Modulator, wobei in Bezug auf den Umlauf eines Lichtpulses jeweils mindestens ein Kopplungs-Verzweigungspunkt zwischen den beiden Modulatoren angeordnet ist. Der Umlauf schließt dabei den in der mindestens einen wellenlängenselektiven Gitterstruktur zurückgelegten Weg ein. Anders ausgedrückt müssen min- destens zwei Modulationen pro Umlauf im Resonator erfolgen, wobei eine Modulation zwischen der ersten und zweiten Reflexion erfolgt und eine weitere Modulation vor der ersten oder nach der zweiten Reflexion erfolgt. Diese Bedingung lässt sich auf verschiedene Weisen realisieren. In einer diesbezüglichen Ausgestaltung sind erster und zweiter Modulator entweder zwischen dem ersten bzw. zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt und der wellenlängenselektiven Gitterstruktur der dort abzweigenden Faser angeordnet, in einer anderen diesbezüglichen Ausgestaltung auf der ringförmigen Struktur beiderseits eines der beiden Kopplungs- Verzweigungspunkte. Diese beiden Ausgestaltungen der zweiten Alternative können auch kombiniert werden, so dass einer der beiden Modulatoren auf der ringförmigen Struktur angeordnet ist und der andere der beiden Modulatoren auf der abzweigenden Faser zwischen einem Kopplungs-Verzweigungspunkt und der wellenlängenselektiven Gitterstruktur.
Auch bei diesen Alternativen sind erster und zweiter Modulator über den jeweils zugeordne- ten Funktionsgenerator zwischen Transmission und Verlusten umschaltbar. Wesentlich ist, dass das Lichtsignal mindestens einen der Modulatoren vor dem ersten oder nach dem zweiten Auftreffen auf die wellenlängenselektive Gitterstruktur durchläuft und den anderen Modulator zwischen dem ersten und dem zweiten Auftreffen auf die wellenlängenselektive Gitterstruktur passiert. Ein Modulator kann auch auf der Ringstruktur angeordnet sein, wäh- rend der andere auf der abzweigenden Faser zwischen Kopplungs-Verzweigungspunkt und wellenlängenselektiver Gitterstruktur angeordnet ist. Die Selektion der Teilmenge aus den ausgewählten Wellenlängen erfolgt auch hier basierend auf Laufzeitunterschieden für die einzelnen Wellenlängen. Erster und zweiter Funktionsgenerator sind dabei über eine Steuerung verbunden, und der zweite Funktionsgenerator wird abhängig vom ersten mittels einer Verzögerungszeit TD angesteuert. Die Längen des ersten und des zweiten Zeitraums ti bzw. t2 sowie die Verzögerungszeit TD sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass der Schnittbereich bzw. die Schnittmenge der beiden Teilbereiche der Teilmenge der ausgewählten Wellenlängen ent- spricht, so dass nur Licht der Wellenlängen in der Teilmenge der ausgewählten Wellenlängen von dem zweiten Modulator wieder in die ringförmige Struktur transmittiert wird. In Zeiträumen, wo die Modulatoren nicht auf Transmission geschaltet sind, sind sie auf Verluste eingestellte. Der erste Modulator kann dabei beispielsweise während eines ersten Zeitraums ti für einen ersten Teilbereich der ausgewählten Wellenlängen und der zweite Modulator während eines zweiten Zeitraums t2 für einen zweiten Teilbereich der ausgewählten Wellenlängen auf Transmission geschaltet sein, wenn beide Modulatoren in der abzweigenden Faser angeordnet sind, die Verzögerungszeit TD ist dann an den Laufweg zwischen den beiden Modulatoren angepasst.
Während der Betrieb des faseroptischen Lasergenerators grundsätzlich mit zwei möglichst identisch aufgebauten, wellenlängenselektiven Gitterstrukturen erfolgen kann, ist in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die am ersten Kopplungs- Verzweigungspunkt abzweigende Faser mit dem zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt als dort abzweigender Faser verbunden und die wellenlängenselektive Gitterstruktur zwischen den beiden Kopplungs-Verzweigungspunkten in der - einzigen - zur wellenlängenselektiven Gitterstruktur abzweigenden Faser ausgebildet. Es wird dann also nur eine abzweigende Faser verwendet, welche die beiden Kopplungs-Verzweigungspunkte miteinander verbindet und welcher die wellenlängenselektive Gitterstruktur aufgeprägt ist. Dies erhöht die Genauigkeit, da nur eine wellenlängenselektive Gitterstruktur verwendet werden muss, also die Laserpulse in jedem Falle auf die identische Gitterstruktur während eines Umlaufs treffen, jedoch beim zweiten Auftreffen von der anderen Seite. Dieser Aufbau erfordert weniger Teile als der vorangehend beschriebene, verfügt automatisch über die geforderte Identität der Gitterstruktur(en), ist kompakt und kostengünstig zu realisieren .
Abzweigende Fasern sind dabei von auskoppelnden zu unterscheiden : In erstere wird Strahlung eingekoppelt und auch wieder in die ringförmige Struktur zurückgekoppelt, ohne den Resonator - die Kombination aus Ringstruktur und abzweigenden Fasern - zu verlassen. Im Gegensatz dazu dienen auskoppelnde Fasern der Auskopplung beispielsweise von Laserpulsen, und einkoppelnde Fasern dem Zuführen von Strahlung. Ein- und auskoppelnde Faser werden in der Regel über Faserkoppler mit dem faseroptischen Lasergenerator verbunden. Die Kopplungs-Verzweigungspunkte können beispielsweise als Zirkulatoren ausgebildet sein, an denen mindestens drei Fasern zusammenlaufen, und/oder als Faserkoppler mit mindestens drei zusammenlaufenden Fasern. Eine vierte Faser im Faserkoppler kann beispielsweise der Auskopplung von Laserpulsen dienen. Auch eine Freistahlkopplung ist grundsätzlich möglich . Außerdem kann der erste und/oder zweite Kopplungs- Verzweigungspunkt auch als polarisationsabhängiger Zirkulator ausgebildet sein, zwischen Zirkulator und der wellenlängenselektiven Gitterstruktur kann dann z.B. ein polarisationsmo- difizierendes Element angeordnet sein, beispielsweise ein λ/2- Plättchen. Die wellenlängenselektive Gitterstruktur kann beispielsweise als Faser-Bragg-Gitter, als Array von Faser- Bragg-Gittern, als gechirptes Faser-Bragg-Gitter oder als Kombination davon, d.h. als Kombination verschiedener Gittertypen und Arrays ausgebildet sein. Insbesondere kann die wellenlängenselektive Gitterstruktur auch als Array von gechirpten und diskreten Faser-Bragg- Gittern ausgestaltet sein.
Der faseroptische Lasergenerator umfasst zweckmäßig Mittel zur Vorgabe der Umlaufrich- tung. Bei Verwendung von Zirkulatoren als Kopplungs-Verzweigungspunkte können diese bereits zur Vorgabe der Umlaufrichtung verwendet werden. Verwendet man Faserkoppler oder eine Freistrahlkopplung als Kopplungs-Verzweigungspunkt, so umfassen die Mittel zur Vorgabe der Umlaufrichtung vorteilhaft mindestens einen Isolator. Bei der Verwendung von zwei Modulatoren lassen sich die Mittel zur Vorgabe auch allein durch eine angepasste Länge der Faser in dem Teil der ringförmigen Struktur realisieren, in welchem der Gesamtlichtpuls oder die Einzellichtpulse grundsätzlich entgegen der Umlaufrichtung propagieren können. Die Faserlängen werden dabei so gewählt, dass Pulse, die entgegen der Umlaufrich- tung laufen, am jeweils anderen Modulator zu einem Zeitpunkt dort eintreffen, an dem dieser Modulator auf hohe Verluste geschaltet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung des faseroptischen Lasergenerators umfassen die Mittel zur Modulation eine Ansteuerung zur Modulation der Verstärkung, bevorzugt im mindestens einen Verstärkungsmodul umfassen. Anders als in den vorangehend beschriebenen Ausführungen werden hier also nicht die Verluste moduliert, sondern die Verstärkung. Der Aufbau erfolgt analog zu den vorangehend beschriebenen Ausführungen und umfasst auch diese Varianten, mit dem Unterschied, dass anstelle der Modulatoren mit Funktionsgeneratoren an deren Positionen im Resonator nun entsprechend ausgestaltete Verstärkungsmodule mit entsprechenden Ansteuerungen oder einer gemeinsamen Ansteuerung verwendet werden. Die Verstärkung kann elektronisch über Halbleiterstrukturen oder optisch durch stimulierte Emission, stimulierte Raman-Streuung oder andere, nichtlineare optische Verstärkungsmechanismen erreicht werden. Dabei können für die Modulation der Verstärkung gesonderte Verstärkungsmodule verwendet werden, bei entsprechender Positionierung im Resonator kann auch ein zur Einspeisung der Strahlung verwendetes Verstärkungsmodul verwendet werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen in einem faseroptischen Lasergenerator mit unidirektionaler, ringförmiger Struktur. Bei einem solchen Verfah- ren wird mit einer Pumpeinrichtung in einem Lasermedium durch optische Verstärkung, z.B. durch verstärkte spontane Emission, stimulierte Raman-Streuung oder andere, nichtlineare optische Verstärkungsmechanismen Strahlung in einem breitbandigen Wellenlängenbereich erzeugt und in einer Umlaufrichtung in eine faseroptische, ringförmige Struktur eingekoppelt. An einem ersten Kopplungs-Verzweigungspunkt wird die Strahlung - d.h. das Wellenpaket, welches Licht des gesamten, in der Regel breitbandigen Emissionsspektrums umfasst - in eine abzweigende optische Faser eingekoppelt. Dort wird die Strahlung für ausgewählte Wellenlängen aus dem Wellenlängenbereich an einer wellenlängenselektiven Gitterstruktur ein erstes Mal reflektiert. Auf diese Weise wird für jede der ausgewählten Wellenlängen ein Einzelsignal erzeugt, ein Einzelsignal entspricht einem Wellenpaket um eine einzelne Wellenlänge, wobei die Gitterstruktur so ausgelegt ist, dass sie Licht dieser Wellenlänge reflektiert. Die erzeugten Einzelsignale werden jeweils wieder in Umlaufrichtung in die ringförmige Struktur eingekoppelt, wobei die Reflexion an unterschiedlichen, von der Wellenlänge ab- hängigen Orten in der abzweigenden Faser erfolgt, so dass die Einzelsignale abhängig von der Wellenlänge zu unterschiedlichen Zeiten in die ringförmige Struktur eingekoppelt werden. An einem zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt werden die Einzelsignale von der anderen Richtung in die abzweigende Faser eingekoppelt und dort an der wellenlängenselektiven Gitterstruktur ein zweites Mal reflektiert und im Wesentlichen - abgesehen von einer systematischen Dispersion aufgrund der Fasereigenschaften - gleichzeitig wieder in Umlaufrichtung in die ringförmige Struktur eingekoppelt. Einzelsignale einer Teilmenge der ausgewählten Wellenlängen werden durch zweimalige, auf Laufzeitunterschieden für verschiedene Wellenlängen basierende Modulation selektiert, wobei die eine Modulation zwischen der ersten und zweiten Reflexion erfolgt und die andere Modulation vor der ersten oder nach der zweiten Reflexion erfolgt. Die zeitliche Modulation der Einzelsignale führt dabei dazu, dass aus den Einzelsignalen über mehrere Umläufe im Resonator auch Laserpulse gebildet werden, zusätzlich zu der Selektion der Wellenlängen. Schließlich werden diese Laserpulse mit Wellenlängen in der Teilmenge der ausgewählten Wellenlängen an im Prinzip frei wählbaren Positionen im Resonator - sowohl in der ringförmigen Struktur als auch in der abzweigenden Faser - aus dem Resonator ausgekoppelt. Die Auskopplung kann auch nach einer abermaligen Verstärkung erfolgen, oder nach nochmaligem Durchlauf durch einen Teil der ringförmigen Struktur. Das Verfahren lässt sich insbesondere mit den oben beschriebenen Ausführungen eines faseroptischen Lasergenerators durchführen, die in diesem Zusammenhang beschriebenen Vorgehensweisen sind auch mögliche Ausgestaltungen des Verfahrens.
Es versteht sich daher, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausgestaltung eines faseroptischen Lasergenerators mit zwei wellenlängenselektiven Gitterstrukturen,
Fig. 2 eine Ausgestaltung eines faseroptischen Lasergenerators mit nur einer wellenlängenselektiven Gitterstruktur,
Fig. 3 a-c die spektralen Verhältnisse in der Faser an verschiedenen Stellen beim Umlauf im Lasergenerator,
Fig. 4 a-b den Signalverlauf eines Funktionsgenerators für eine bzw. zwei auszukoppelnde Wellenlängen,
Fig. 5 a-c weitere Ausgestaltungen für einen faseroptischen Lasergenerator mit einer wellenlängenselektiven Gitterstruktur,
Fig. 6 einen faseroptischen Lasergenerator mit zwei Modulatoren,
Fig. 7 a-b Signalschemata für die beiden Modulatoren des Lasergenerators aus Fig. 6, Fig. 8 eine alternative Ausgestaltung eines faseroptischen Lasergenerators mit zwei
Modulatoren,
Fig. 9 Signalschemata für die Anordnung aus Fig.8,
Fig. 10 eine alternative Ausgestaltung eines faseroptischen Lasergenerators, und Fig. 1 1 eine weitere Ausgestaltung eines faseroptischen Lasergenerators.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In Fig. 1 ist ein erstes Beispiel für einen faseroptischen Lasergenerator gezeigt, welcher zur Erzeugung von Laserpulsen bei einer oder mehreren aus einem Wellenlängenbereich ausgewählten Wellenlängen ausgebildet ist. Der faseroptische Lasergenerator ist mit ringförmiger Struktur ausgebildet und unidirektionalen Umlauf in der ringförmigen Struktur, welche im Folgenden auch als Ringstruktur bezeichnet wird. Laserpulse - auch als Lichtpulse bezeichnet - laufen daher nur in einer Richtung durch die Ringstruktur, hier im Uhrzeigersinn. Ein solcher faseroptischer Lasergenerator umfasst mindestens ein Verstärkungsmodul 1 , welches hier eine aktive optische Faser 2 als Teil einer an die Ringstruktur angekoppelten optischen Pumpeinrichtung 3 umfasst. Alternativ kann - je nach gewähltem Verstärkungsmechanismus - auch eine andere Art der optischen Verstärkung verwendet werden. Im gezeigten Beispiel umfasst der faseroptische Lasergenerator genau ein Verstärkungsmodul 1 , es können aber auch mehrere Verstärkungsmodule 1 in Reihe oder parallel angeordnet sein, auch kann ein einziges Verstärkungsmodul mehrere, seriell oder parallel angeordnete aktive optische Fasern 2 enthalten, wenn beispielsweise die Anordnung im Multipuls- Modus betrieben werden soll. Die elektromagnetische Strahlung aus einzelnen, parallel angeordneten aktiven optischen Fasern 2 kann dann beispielsweise über entsprechende wellenlängenselektive Koppler, beispielsweise WDM-Koppler (WDM - Wavelength Division Multiplexing) in die Ringstruktur eingekoppelt werden.
Die optische Pumpeinrichtung 3 wird hier durch den Pfeil, welcher auf die Ringstruktur weist, symbolisiert. Die in einem breiten Wellenlängenbereich erzeugte Strahlung wird auf diese Weise in eine passive optische Faser 4 eingespeist, welche die Ringstruktur bildet. Außerdem umfasst der faseroptische Lasergenerator mindestens eine Auskoppeleinrichtung 5 zur Auskopplung von Laserpulsen. Die Auskoppeleinrichtung ist bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel im oberen Segment der Ringstruktur angeordnet, sie kann aber auch an anderen Stellen, beispielsweise in Umlaufrichtung direkt vor dem Verstärkungsmodul 1 angeordnet sein, wie es beispielsweise in Fig. 2 gezeigt ist. Außerdem kann der faseroptische Lasergenerator auch mehrere Auskoppeleinrichtungen 5 umfassen.
Des Weiteren umfasst der faseroptische Lasergenerator mindestens eine faseroptische, wellenlängenselektive Gitterstruktur 6, welche für Licht jeder der ausgewählten Wellenlängen reflektierend ausgebildet ist. Jede der ausgewählten Wellenlängen aus dem Wellenlängenbereich wird dabei an einem anderen Ort in der Gitterstruktur 6 reflektiert, so dass Refle- xionen unterschiedlicher Wellenlängen zu unterschiedlichen Zeiten erfolgen. Im in Fig. 1 gezeigten Beispiel umfasst der faseroptische Lasergenerator zwei solcher faseroptischen, im Wesentlichen identischer wellenlängenselektiven Gitterstrukturen 6, welche jeweils von der die Ringstruktur bildenden passiven optischen Faser 4 abzweigen. Bei entsprechender Ausgestaltung ist es jedoch möglich, mit einer einzigen faseroptischen, wellenlängenselektiven Gitterstruktur 6 auszukommen.
Der faseroptische Lasergenerator umfasst außerdem einen in Umlaufrichtung ersten und einen diesem nachgeordneten zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt, an beiden Kopplungs-Verzweigungspunkten laufen jeweils mindestens drei Fasern zusammen, von denen jeweils zwei Fasern der ringförmigen Struktur zugeordnet sind und in einer abzweigenden Faser eine der wellenlängenselektiven Gitterstrukturen integriert ist. Beide Kopplungs-Verzweigungspunkte sind dabei so ausgebildet, dass in Umlaufrichtung laufendes Licht zunächst in die Faser mit der wellenlängenselektiven Gitterstruktur 6 geleitet wird und jeweils von der wellenlängenselektiven Gitterstruktur 6 reflektiertes Licht in Umlaufrich- tung wieder in die ringförmige Struktur eingekoppelt wird. Im in Fig. 1 gezeigten Beispiel ist der erste Kopplungs-Verzweigungspunkt als erster Zirkulator 7 und der zweite Kopplungs- Verzweigungspunkt als zweiter Zirkulator 8 ausgebildet. Die faseroptische Gitterstruktur ist hier als Array von Faser-Bragg-Gittern ausgebildet, kann jedoch ebenso gut als einzelnes Faser-Bragg-Gitter ausgebildet sein, wenn beispielsweise nur eine Wellenlänge ausgekoppelt werden soll, oder als gechirptes Faser-Bragg-Gitter, um die zur Verfügung stehende Bandbreite an Wellenlängen optimal auszunutzen zu können. Der zweite Kopplungs-Verzweigungspunkt muss dabei dem ersten nicht unmittelbar nachgeordnet sein, vielmehr umfasst der Begriff „nachgeordnet" auch, dass ggf. weitere optische Elemente zwischen diesen beiden Kopplungs-Verzweigungspunkten angeordnet sein können, beispielswiese eine Auskoppeleinrichtung 5 und/oder ein Verstärkungsmodul 1 . Je nach Sichtweise und Standort auf der ringförmigen Struktur kann man auch den ersten Kopplungs-Verzweigungspunkt als dem zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt nachgeordnet auffassen. Allgemein umfasst der faseroptische Lasergenerator daher zwei Kopplungs- Verzweigungspunkte, die über die Ringstruktur miteinander in Verbindung stehen.
Je nach Ausgestaltung der Kopplungs-Verzweigungspunkte ist dabei nicht in jedem Falle ausgeschlossen, dass Licht auch entgegen der Umlaufrichtung wieder in die passive optische Faser 4 eingekoppelt wird, diese Anteile lassen sich jedoch durch geeignete Maßnahmen unterdrücken. Im hier gezeigten Beispiel in Fig. 1 sind die Kopplungs- Verzweigungspunkte als erster Zirkulator 7 und als zweiter Zirkulator 8 ausgestaltet. Durch die Verwendung von Zirkulatoren wird in diesem Fall verhindert, dass von der wellenlängen- selektiven Gitterstruktur 6 reflektiertes Licht entgegen der Umlaufrichtung in die ringförmige Struktur eingekoppelt wird.
Die wellenlängenselektive Gitterstruktur 6 in der am zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt abzweigenden Faser ist im Wesentlichen identisch zu derjenigen in der am ersten Kopplungs-Verzweigungspunkt abzweigenden Faser aufgebaut, jedoch so mit den zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt verbunden, dass sie im Vergleich zu der Gitterstruktur 6 in der am ersten Kopplungs-Verzweigungspunkt abzweigenden Faser spiegelverkehrt durchlaufen wird, was voraussetzt, dass sie spiegelverkehrt an den zweiten Kopplungs- und Verzweigungspunkt ankoppelt. Auf diese Weise haben unabhängig von der Wellenlänge die von der wellenlängenselektiven Gitterstruktur 6 am zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt reflektierten und wieder in die Ringstruktur in Umlaufrichtung eingekoppelten Laserpulse im Wesentlichen die gleiche Umlaufzeit und weisen damit eine konstante Pulswiederholungsfrequenz auf.„Im Wesentlichen" bedeutet dabei, dass geringfügige, natürliche Dispersionen aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen, die im Material unterschiedlich transportiert werden, selbstverständlich nicht ausgeschlossen werden können , so dass es in der Regel zu geringfügigen Laufzeitunterschieden kommt, die jedoch innerhalb der Toleranz liegen und wesentlich kleiner sind als Laufzeitunterschiede, die durch Reflexion verschiedener Wellenlängen in einer der beiden wellenlängenselektiven Gitterstrukturen 6 verursacht werden. Schließlich umfasst der faseroptische Lasergenerator auch Mittel zur Selektion von Laserpulsen einer Teilmenge der ausgewählten Wellenlängen. Diese Mittel zur Selektion umfassen dabei ihrerseits Mittel zur Modulation des Lichts abhängig von der Wellenlänge derart, 5 dass pro Umlauf eines Laserpulses dieser mindestens zweimal modulierbar und aufgrund von Laufzeitunterschieden abhängig von der Wellenlänge selektierbar ist.
Zur Modulation des Lichts werden dabei üblicherweise Funktionsgeneratoren mit von diesen angesteuerten Modulatoren, beispielsweise akusto-optischen Modulatoren (AOM) verwen- 10 det. Es gibt dabei verschiedene Möglichkeiten, diese im faseroptischen Lasergenerator anzuordnen, so dass diese Bedingung der zweimaligen Modulierbarkeit pro Umlauf erfüllt wird.
In einer ersten Alternative umfassen die Mittel zur Selektion bzw. die Mittel zur Modulation des Lichts entweder einen mit einem ersten Funktionsgenerator angesteuerten ersten Modul s lator oder einen mit einem zweiten Funktionsgenerator angesteuerten zweiten Modulator.
Erster bzw. zweiter Modulator - je nachdem , welcher Modulator verwendet wird - sind dabei zwischen dem ersten bzw. zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt und der wellenlängenselektiven Gitterstruktur 6 der dort abzweigenden Faser angeordnet. Im vorliegenden, in Fig. 1 gezeigten Beispiel, ist ein zweiter Funktionsgenerator 9 mit einem zweiten Modulator 10 in 20 der beim zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt, den zweiten Zirkulator 8 abzweigenden Faser angeordnet. Die beiden in Fig. 1 gezeigten Gitterstrukturen 6 sollten dabei möglichst identisch aufgebaut sein. Aufgrund der Laufzeitunterschiede für Pulse verschiedener Wellenlängen, die an der am ersten Zirkulator 7 abzweigenden Gitterstruktur 6 erzeugt werden, welche in der beim zweiten Zirkulator abzweigenden Gitterstruktur 6 kompensiert werden, 25 und aufgrund der Tatsache, dass jeder der Laserpulse eine von der Wellenlänge abhängige Verweildauer in der zweiten Gitterstruktur, d.h. in der Zeichnung links des zweiten Modulators 10 aufweist, verursacht durch den räumlichen Abstand der Gitter für die einzelnen Wellenlängen in der Gitterstruktur 6, lassen sich durch entsprechende, vom Funktionsgenerator 9 gesteuerte Umschaltungen des Modulators 10 zwischen einem Zustand, in welchem das 30 Licht nahezu vollständig transmittiert wird, und einem anderen Zustand, in welchem die auf den Modulator 10 treffende elektromagnetische Strahlung hohe Verluste erleidet und blockiert wird, gezielt Laserpulse bestimmter Wellenlängen selektieren, die über den zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt wieder in die passive optische Faser 4 der Ringstruktur eingekoppelt werden. Diese können bereits im Umlauf nach dem zweiten Zirkulator 8 ausge- 35 koppelt werden, oder aber auch an anderer Stelle in der Ringstruktur, so wie hier in Fig. 1 gezeigt. Auch ist es möglich, anstelle des zweiten Funktionsgenerators 9 mit dem zweiten Modulator 10 einen entsprechenden ersten Funktionsgenerator mit einem ersten Modulator zwischen dem ersten Kopplungs-Verzweigungspunkt, d.h. dem ersten Zirkulator 7 und der dort abzweigenden Gitterstruktur 6 anzuordnen.
Üblicherweise sind die faseroptischen Gitterstrukturen 6 so konzipiert, dass sie aus einem breitbandigen, kontinuierlichen Spektrum eine Anzahl N von Wellenlängen selektieren, wobei N üblicherweise zwischen 2 und 100 liegt, je nach Art der Anwendung. Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist es jedoch auch möglich, Gitterstrukturen 6 zu verwenden, die exakt die Anzahl von Wellenlängen auswählen, die die Teilmenge festlegen, welche später auch ausgekoppelt werden soll. In diesem Fall kann auf einen Modulator, welchen durch einen Funktionsgenerator angesteuert wird, auch verzichtet werden. Außerdem ist es immer auch möglich, einen wellenlängenselektiven Filter nach Auskopplung der Laserpulse im Strahlengang vorzusehen. In diesem Fall kann ebenfalls auf einen Modulator verzichtet werden, und die Gitterstruktur 6 kann für mehr Wellenlängen, als tatsächlich der Anwendung - beispielsweise einem Fluoreszenzmikroskop - zugeführt werden, ausgelegt werden.
Die Verwendung von zwei faseroptischen Gitterstrukturen 6 ist jedoch in der Herstellung aufwendig, da diese möglichst identisch aufgebaut sein sollen, bei der Verwendung eines Arrays von Faser-Bragg-Gittern also darauf geachtet werden muss, dass die räumlichen und spektralen Eigenschaften insbesondere im Hinblick auf die Wellenlängenselektivität iden- tisch sind. Kleine Abweichungen können hier dazu führen, dass die Modulation nicht mehr korrekt durchgeführt wird, bzw. machen eine individuelle Eichung jedes faseroptischen Lasergenerators, der nach diesem Prinzip aufgebaut ist, notwendig.
Vorteilhaft ist daher die am ersten Kopplungs-Verzweigungspunkt abzweigende Faser mit dem zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt als dort abzweigende Faser verbunden, wobei die wellenlängenselektive Gitterstruktur 6 zwischen den beiden Kopplungs- Verzweigungspunkten in der abzweigenden Faser ausgebildet ist. Eine solche Konfiguration ist in Fig. 2 dargestellt. Es wird also nur eine faseroptische Gitterstruktur 6 verwendet. Die Faser, welche diese wellenlängenselektive Gitterstruktur 6 enthält, ist mit ihrem einen Ende mit dem ersten Kopplungs-Verzweigungspunkt - hier dem Zirkulator 7 - verbunden und mit ihrem zweiten Ende mit dem zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt - hier dem zweiten Zirkulator 8. Sie ist zwar Teil des Umlaufs, da die Lichtpulse auch Weg in der abzweigenden Faser zurücklegen, jedoch nicht Teil der eigentlichen Ringstruktur, da das Licht für ausgewählte Wellenlängen in der faseroptischen wellenlängenselektiven Gitterstruktur 6 jeweils reflektiert wird, egal von welcher Seite es auf diese trifft. Durch diesen Aufbau ist sichergestellt, dass die Laufwege der Einzelsignale und Laserpulse für verschiedene Wellenlängen kompensiert werden und die Pulsschussrate spektral unabhängig ist. Das Funktionsprinzip des faseroptischen Lasergenerators soll im Folgenden beispielhaft anhand der Fig. 2 - Fig. 4 näher erläutert werden. Über die Pumpeinrichtung 3 wird die aktive optische Faser 2 gepumpt und emittiert in einem spezifischen, von dem Material und ggf. der Dotierung der aktiven optischen Faser 2 abhängigen, breitbandigen spektralen Bereich Strahlung, beispielsweise sogenannte verstärkte spontane Emission (ASE - amplified spon- taneous emission). In Rückwärtsrichtung eingekoppelte, d.h. entgegen dem Uhrzeigersinn laufende Strahlung erfährt am zweiten Zirkulator 8 hohe Verluste und wird somit in dieser Richtung im Wesentlichen unterdrückt. Der in Vorwärtsrichtung, d.h. im Uhrzeigersinn propagierende Teile des Spektrums, welcher in Fig. 3a dargestellt ist, koppelt über den ersten Zirkulator 7 in die dort abzweigende Faser ein und wechselwirkt mit der hier als Array von Faser-Bragg-Gittern aufgebauten faseroptischen, wellenlängenselektiven Struktur 6, die wie ein Filter wirkt: Während die spektralen Komponenten, die keine Überlappung mit dem Filter aufweisen, transmittiert werden und am Modulator absorbiert werden bzw. dort hohe Verluste erleiden, reflektiert jedes Faser-Bragg-Gitter des Arrays, welches die Gitterstruktur 6 bil- det, auch eine schmalbandige Komponente, welche anschließend über den ersten Zirkulator 7 in Umlaufrichtung wieder in die ringförmige Struktur eingekoppelt wird. Umfasst die Gitterstruktur 6 beispielsweise N Faser-Bragg-Gitter, so werden für N Wellenlängen - diese bilden die ausgewählten Wellenlängen - wieder Laserpulse in die ringförmige Struktur eingekoppelt. Dies ist in Fig. 3b dargestellt. Da die Gitter an diskreten Positionen entlang der Faser verteilt sind, und jedes eine andere Reflexionswellenlänge aufweist, zeigen die verschiedenen spektralen Komponenten, welche wieder in Umlaufrichtung in die ringförmige Struktur eingekoppelt wurden, eine zeitliche Verschiebung relativ zueinander auf.
Im weiteren Verlauf werden die Wellenpakete am zweiten Zirkulator 8 wieder in die dort ebenfalls abzweigende Faser mit der faser-optischen wellenlängenselektiven Gitterstruktur 6 eingekoppelt und treffen nach einem ersten Durchlauf durch den zweiten Modulator 10, welcher von dem zweiten Funktionsgenerator 9 angesteuert wird, abermals auf die Faser- Bragg-Gitter der Gitterstruktur 6. Die jeweiligen spektralen Komponenten, die zuvor reflektiert wurden, interagieren nun wieder mit dem jeweils zugehörigen Gitter. Da sie die spektra- len Filter jedoch von der anderen Seite durchlaufen, wird die wellenlängenabhängige Verzögerungszeit umgekehrt, so dass die einzelnen spektralen Komponenten im nun reflektierten Signal wieder synchron propagieren, der zeitliche Abstand der einzelnen spektralen Komponenten zueinander kompensiert sich also während des Umlaufs. Nach einem abermaligen Durchlauf durch den zweiten Modulator 10 werden die Laserpulse wieder in Umlaufrichtung in die ringförmige Struktur eingekoppelt und propagieren in Richtung der Auskoppeleinrichtung 5. Somit haben alle Wellenlängen die gleiche Umlaufzeit im Resonator, so dass die Pulswiederholungsfrequenz über den gesamten spektralen Abstimmbereich konstant ist. Mit Hilfe des über den zweiten Funktionsgenerator 9 angesteuerten zweiten Modulators 10 kann nun eine Teilmenge der ausgewählten Wellenlänge selektiert werden, in Fig. 3c ist genau eine einzelne Wellenlänge i ausgewählt. Mit Hilfe des zweiten Funktionsgenerators 9 werden Resonatorverluste mit einer festen Periode TMP geschaltet, die Periode TMP entspricht der Signalumlaufzeit bei zweimaligem Durchlauf durch die wellenlängenselektive Gitterstruktur 6. Die Selektion der Teilmenge geschieht nun durch zwei kurze Transmissionsfenster pro Periode am zweiten Modulator 10, die anhand ihres zeitlichen Abstandes ti_2 bestimmen, wie lange das vom zweiten Zirkulator 8 in die dort abzweigende Faser eingekoppelte Signal im Array von Faser-Bragg-Gittern benötigen darf, um zurück reflektiert zu werden. Durch den zeitlichen Abstand ti_2 der beiden Transmissionsfenster ist eine gewisse Antwortzeit der wellenlängenselektiven Gitterstruktur 6 vorgegeben, die eindeutig einer spezifischen Gitterposition und damit einer reflektierten Wellenlänge zugeordnet werden kann, wie in Fig. 3c gezeigt. Alle anderen spektralen Komponenten, die nach dem ersten Passieren der wellenlängenselektiven Gitterstruktur am ersten Zirkulator 7 im Antwortsignal vertreten waren, werden nach dem zweiten Passieren der Gitterstruktur 6 am Modulator absorbiert, da ihre jetzige Verweildauer im Filter nicht mit t -2 übereinstimmt. Die Schaltung des zweiten Modulators 10 dafür ist in Fig. 4a dargestellt. Entsprechend kann bei konstanter Modulationsperiode, d.h. Pulsumlaufzeit, eine Wellenlänge oder können mehrere Wellenlängen der Teilmenge zugeordnet werden , indem die Zeit t^ variiert wird. Aufgrund der periodischen Mo- dulation bildet sich über mehrere Resonatorumläufe ein sich reproduzierender Puls bei der Zielwellenlänge λ, aus, welcher in der wellenlängenselektiven Gitterstruktur 6 und am zweiten Modulator 10 verlustarm transmittiert wird und in bei jedem Umlauf im Lasergenerator effektiv Verstärkung in der aktiven optischen Faser 2 erfährt. An der Auskoppeleinrichtung 5, welche an verschiedenen Positionen im Lasergenerator bzw. Resonator eingebaut werden kann, wird das Signal dann abgegriffen und kann ggf. nachverstärkt werden.
Die Teilmenge kann im Allgemeinen mehrere Wellenlängen umfassen, über eine entsprechende Schaltung des zweiten Modulators 10, welche in Fig. 4b beispielhaft für zwei Wellenlängen dargestellt ist, lässt sich eine Einstellung auf jede beliebige Teilmenge, welche in der wellenlängenselektiven Gitterstruktur 6 vertreten ist, einstellen, auch auf eine einzelne Wellenlänge. Zusammenfassend erfolgt die Selektion, indem zu den Zeitpunkten, an denen Licht mit Wellenlängen aus der Teilmenge der ausgewählten Wellenlängen den ersten Modulator 13 bzw. den zweiten Modulator 10 passiert, dieser auf Transmission und bei Wellenlängen nicht aus der Teilmenge auf Verluste eingestellt ist.
Die Auskoppeleinrichtung 5 kann an verschiedenen Stellen der ringförmigen Struktur angeordnet sein, Fig. 5a zeigt eine Ausführung, bei der die Auskoppeleinrichtung im oberen Teil der ringförmigen Struktur, zwischen erstem und zweitem Kopplungs-Verzweigungspunkt angeordnet ist. Ebenso kann die wellenlängenselektive Gitterstruktur 6 auch anders aufgebaut sein, beispielsweise kann es sich um ein einzelnes Faser-Bragg-Gitter handeln, wenn nur eine Wellenlänge selektiert werden soll, oder aber auch um ein gechirptes Faser-Bragg- Gitter 1 1 , wie es in Fig. 5b dargestellt ist. Neben einer Anzahl diskreter Wellenlängen in der Teilmenge erlaubt ein gechirptes Faser-Bragg-Gitter auch die Auswahl von Wellenlängenbereichen als Teilmenge. Auch die Kombination eines Faser-Bragg-Gitters oder eines Arrays solcher Gitter mit einem gechirpten Faser-Bragg-Gitter ist denkbar. Fig. 5c schließlich zeigt eine weitere Variante, bei der zwei Verstärkungsmodule 1 mit zwei aktiven optischen Fasern 2 und zwei Pumpeinrichtungen 3 vorgesehen sind. Diese sind hier seriell angeordnet, eine Parallelschaltung ist ebenso denkbar.
In einer alternativen Ausgestaltung werden zwei Modulatoren verwendet. Die Mittel zur Modulation umfassen dann einen mit einem ersten Funktionsgenerator 12 angesteuerten ersten Modulator 13 und einen mit einem zweiten Funktionsgenerator 9 angesteuerten zweiten Modulator 10, wobei in Bezug auf den Umlauf eines Lichtpulses jeweils mindestens ein Kopplungs-Verzweigungspunkt zwischen den beiden Modulatoren 13, 10 angeordnet ist. Der Umlauf schließt den in den wellenlängenselektiven Gitterstrukturen 6 zurückgelegten Weg ein. Auch hier sind erster Modulator 13 und zweiter Modulator 10 zwischen Transmission und Verlust umschaltbar.
Ein Beispiel für eine solche Ausgestaltung zeigt Fig. 6. Der dort gezeigte faseroptische Lasergenerator umfasst im Unterschied zu der in Fig. 2 gezeigten Konfiguration zusätzlich zu dem zweiten Funktionsgenerator 9, mit welchem der zweite Modulator 10 angesteuert wird, auch einen mit einem ersten Funktionsgenerator 12 angesteuerten ersten Modulator 13. Erster Modulator 13 und zweiter Modulator 10 sind dabei zwischen dem ersten bzw. zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt - hier wieder als erster Zirkulator 7 und zweiter Zirkulator 8 ausgestaltet - und der wellenlängenselektiven Gitterstruktur 6 der dort abzweigenden Faser angeordnet. Bei dieser Ausführung sind die Anforderungen an die Geschwindigkeit beim Umschalten des Modulators geringer, zudem lässt sich, wenn beispielsweise akusto-optische Modulatoren verwendet werden, ASE-Feedback, welches durch den mittleren Arm transmittiert und spektral ungefiltert zur aktiven optischen Faser 2 koppeln würde, komplett unterdrücken. Allerdings müssen die beiden Modulatoren über eine Steuerung gekoppelt betrieben werden, das heißt, dass der erste Funktionsgenerator 9 und der zweite Funktionsgenerator 12 über eine Steuerung gekoppelt sind. Diese Steuerung soll anhand von Fig. 7a und b näher erläutert werden. Der zweite Funktionsgenerator 9 ist abhängig vom ersten Funktionsgenerator 12 mit einer Verzögerungszeit TD angesteuert, wobei der erste Modulator 13 während eines ersten Zeitraums für einen ersten Teilbereich der ausgewählten Wellenlängen und der zweite Modulator 10 während eines zweiten Zeitraums t2 für einen zweiten Teilbereich der ausgewählten Wellenlängen auf Transmission geschaltet ist und beide Modulatoren 1 0, 13 ansonsten auf Verluste. Die Längen des ersten Zeitraums ti , des zweiten Zeitraums t2 und die Verzögerungszeit TD sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass der Schnittbereich der beiden Teilbereiche der Teilmenge der ausgewählten Wellenlängen entspricht, im in Fig. 7b gezeigten Beispiel der Übersicht halber nur einer Wellenlänge i bzw. λ,, wobei einer der beiden Teilbereiche oder beide Teilbereiche ohne weiteres so modifiziert werden können, dass der Schnittbereich mehrere Wellenlängen umfasst. Auf diese Weise wird nur Licht der Wellenlängen in der Teilmenge der ausgewählten Wellenlängen von dem zweiten Modulator 10 in die ringförmige Struktur transmittiert, d.h. über den zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt wieder in die ringförmige Struktur eingekoppelt. Dies ist in Fig. 7a dargestellt, im oberen Diagramm ist das Schaltverhalten des zweiten Funktionsgenerators 9 für den zweiten Modulator 10 und im unteren Diagramm das Schaltverhalten des ersten Funktionsgenerators 12 für den ersten Modulator 13 dargestellt. Das Schaltverhalten beider Modulatoren 1 0, 13 ist über die Verzögerungszeit TD miteinander in Verbindung gesetzt.
Das Ergebnis übertragen auf die Modulatorschaltung ist in Fig. 7b dargestellt. Die Teilmenge der ausgewählten Wellenlängen besteht hier nur aus der Wellenlänge λ,, nur für diese Wellenlänge erfolgt eine erneute Einkopplung in die Ringstruktur am zweiten Zirkulator 8. Die schraffierten Bereiche entsprechen dabei einer auf Verluste gestellten Modulatorschaltung. Der erste Funktionsgenerator 12 kontrolliert dabei die Verweilzeit des gesamten Anfangssignals in der wellenlängenselektiven Gitterstruktur 6, die hier wieder beispielhaft als Array von Faser-Bragg-Gittern aufgebaut ist. Basierend auf der Laufzeit in dem Array kann nur das Feedback von der ersten Wellenlänge bis zur Wellenlänge λ, den Filter in Reflexion passieren. Die größte durchzulassende Wellenlänge wird über die Länge des ersten Zeitraums ti gesteuert. Die spektralen Antworten werden wieder über den ersten Zirkulator 7 in die passive Faser 4 der ringförmigen Struktur des faseroptischen Lasergenerators eingekoppelt und durchlaufen den oberen Ast. Am zweiten Zirkulator 8 werden sie abermals in den faseroptischen Zweig mit der wellenlängenselektiven Gitterstruktur 6 geleitet und durchlaufen nun das erste Mal den zweiten Modulator 10, bevor sie auf die wellenlängenselektive Gitterstruk- tur 6 treffen. Dabei muss die Verzögerungszeit TD entsprechend gewählt werden, wobei in der Verzögerungszeit TD unter anderem die Länge des Weges eines Pulses vom ersten Auftreffen auf das entsprechende Gitter in dem Array der Faser-Bragg-Gitter bis zum zweiten Auftreffen auf dieses Gitter von der anderen Seite berücksichtigt wird. Die Länge des zweiten Zeitraums t2 ist auf die Laufzeit des Signals vom zweiten Modulator 10 zum Gitter für die Wellenlänge λ, und zurück abgestimmt, so dass die spektralen Komponenten für Wellenlängen oberhalb von λ,, d.h. ab Ai+1 am zweiten Modulator 1 0 abgeblockt werden. Der Laser spricht aufgrund der Antwort der faseroptischen, wellenlängenselektiven Gitterstruktur 6 im Folgenden bei der Auskopplung daher nur die Wellenlänge λ, an. Die einzelnen Gitter des Arrays müssen dabei nicht so ausgebildet sein, dass sie den Längen der Wellenlängen λ, entsprechend sortiert sind, vielmehr können gerade Gitter für solche Wellenlängen gruppiert sein, die für bestimmte Anwendungen gemeinsam verwendet werden sollen. Auch die Verwendung eines Arrays von gechirpten Gittern ist möglich.
Mit diesem Aufbau lässt sich auch die erste Alternative realisieren , wenn einer der beiden Modulatoren permanent auf Transmission geschaltet ist, so dass nur einer der Modulatoren wirksam ist; das Schaltschema muss dann entsprechend Fig. 4 angepasst werden. Für eine bessere zeitliche Filterung können auch beide Modulationen entsprechend dem in Fig. 4 gezeigten Schaltschema betrieben werden.
Ein weiteres Beispiel für einen Aufbau mit zwei Modulatoren, mit welchem sich die Bedingung realisieren lässt, dass pro Umlauf eines Laserpulses dieser zweimal modulierbar ist und in Bezug auf den Umlauf eines Lichtpulses jeweils mindestens ein Kopplungs- Verzweigungspunkt zwischen den beiden Modulatoren 13, 10 angeordnet ist, zeigt Fig. 8. Die dort gezeigte Anordnung umfasst ebenfalls einen mit einem ersten Funktionsgenerator 12 angesteuerten ersten Modulator 13 und einem mit einem zweiten Funktionsgenerator 9 angesteuerten zweiten Modulator 10. Erster Modulator 13 und zweiter Modulator 10 sind dabei beiderseits eines der beiden Kopplungs-Verzweigungspunkte auf der ringförmigen Struktur angeordnet, d.h. auf der passiven optischen Faser 4 und nicht in der abzweigenden Faser mit der wellenlängenselektiven Gitterstruktur 6. Hier wie auch in den anderen Ausgestaltungen sind erster und zweiter Modulator 13, 10 über den zugeordneten Funktionsgenerator 12, 9 jeweils zwischen Transmission und Verlustschaltung, beispielsweise Absorption , umschaltbar. Das Steuerverhalten ist in Fig. 9 dargestellt. Die Steuerung erfolgt ähnlich wie in Fig. 4a, wobei die Verzögerungszeit TD hier die Funktion der Zeit t -2 übernimmt, da zwei Modulatoren anstelle von einem verwendet werden. Bei der hier gezeigten Variante wird jeder Modulator pro Umlauf nur einmal durchlaufen, sie entspricht also von der Funktionsweise her einer der Varianten mit nur einem Modulator in einem von einem Kopplungs- Verzweigungspunkt abzweigenden Ast. Die Modulatoren müssen in diesem Fall nicht so schnell schaltbar sein wie bei der Variante, welche in Fig. 2 gezeigt ist. Wesentlich ist, dass das Lichtsignal mindestens einen Modulator vor dem ersten Filterdurchgang oder nach dem zweiten Filterdurchgang durchläuft und den anderen Modulator zwischen dem ersten und dem zweiten Filtervorgang durchläuft. Während bei den bisherigen Ausführungsbeispielen die Kopplungs-Verzweigungspunkte als Zirkulatoren 7 und 8 ausgebildet waren, an denen drei Fasern zusammenlaufen, können die Kopplungs-Verzweigungspunkte auch anders ausgestaltet sein, beispielsweise als Faser- koppler mit drei oder vier zusammenlaufenden Fasern . Die vierte Faser kann der Auskopplung von Laserpulsen dienen. Zur Vorgabe der Umlaufrichtung können Isolatoren verwendet werden.
Eine erste solche Ausgestaltung eines faseroptischen Lasergenerators ist in Fig. 10 gezeigt, umfassend einen ersten Faserkoppler 14 und einen zweiten Faserkoppler 15 anstelle des ersten Zirkulators 7 und des zweiten Zirkulators 8. Zur Vorgabe der Umlaufrichtung ist auf der ringförmigen Struktur ein Isolator 16 angeordnet. An den hier gezeigten ersten und zweiten Faserkopplern 14 und 15 laufen vier Fasern zusammen, die optionale vierte Faser dient der Auskopplung, diese Fasern sind jeweils mit Auskoppeleinrichtungen 5 verbunden. Fa- serkoppler bieten gegenüber Zirkulatoren den Vorteil eines günstigeren Koppelverhältnisses von bevorzugt 50%. Es können auch mehrere Isolatoren verwendet werden , wodurch die Signalqualität weiter verbessert wird. Auch können Faserkoppler und Zirkulatoren gemischt verwendet werden, beispielsweise kann der erste Kopplungs-Verzweigungspunkt als Zirkula- tor und der zweite Kopplungs-Verzweigungspunkt als Faserkoppler ausgestaltet sein. Faser- koppler sind darüber hinaus in der Regel kostengünstiger als Zirkulatoren. Der Aufbau kann mit Faserkopplern vollständig faserintegriert erfolgen und mit höherer spektraler Bandbreite realisiert werden. Auch eine Freistrahlkopplung ist denkbar. Wie bei den anderen Ausgestaltungen des faseroptischen Lasergenerators auch lassen sich andere Arten von wellenlängenselektiven Gitterstrukturen 6 verwenden, beispielsweise gechirpte Faser-Bragg-Gitter anstelle eines Arrays oder in Kombination mit diesen. Ebenso lassen sich auch mehrere Verstärkungsmodule 1 verwenden, die parallel oder in Reihe angeordnet sein können. Auf diese Weise wird der Spektralbereich erweitert, auch ist es möglich, den Laser so beispielsweise in einem Zwei-Puls-Modus zu betreiben. Bei der Reihenschaltung muss dabei auf Kompatibilität der Verstärkungsmodule 1 hinsichtlich ihrer spektralen Eigenschaften geachtet werden, so dass sie nicht auf der jeweils anderen Signalwellenlänge absorbieren. Bei einer Parallelschaltung entfällt dieses Problem, dafür werden jedoch zusätzliche WDM-Koppler zum Aufspalten der Signalwellenlängen benötigt.
In Fig. 1 1 schließlich ist eine Abwandlung der in Fig. 10 gezeigten Ausführung mit Faser- kopplern gezeigt, welche über einen ersten Modulator 13 und einen zweiten Modulator 10 verfügt, mit entsprechenden ersten und zweiten Funktionsgeneratoren 12 bzw. 9. Einer der beiden Modulatoren kann dabei auch außerhalb des mittleren Armes verbaut werden, die Steuerung kann beispielsweise analog zu der in Fig. 6 gezeigten Variante erfolgen. Alterna- tiv kann die Ansteuerung auch ähnlich dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel für zwei Modulatoren erfolgen, mit einer zeitlichen Verzögerung in der Schaltung beider Modulatoren, um auf diese Weise entgegen der vorgegebenen Umlaufrichtung laufende Pulse zu unterdrücken. Bei dieser Ausführung kann auf einen Isolator 16 grundsätzlich verzichtet werden, er ist in die- sem Falle kein wesentlicher Bestandteil der Anordnung, kann jedoch zur Verbesserung der Signalqualität auch weiterhin verwendet werden. Für die Vorgabe der Umlaufrichtung reicht die entsprechende Schaltung der beiden Modulatoren 13 und 10.
Die Verwendung von Faserkopplern ermöglicht hier, auch wie bei der in Fig. 10 gezeigten Anordnung, einen komplett monolithischen Aufbau, der auch in die Infrastruktur integrierter optische Schaltkreise verbaut werden kann.
Schließlich ist es auch möglich, ersten und/oder zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt als polarisationsabhängige Zirkulatoren auszubilden, wobei zwischen einem der Zirkulatoren und der wellenselektiven Gitterstruktur 6 ein polarisationsmodifizierendes Element angeordnet sein kann. Bei dem polarisationsmodifizierenden Element kann es sich beispielsweise um ein λ/2-Plättchen handeln, welches die Polarisation bei jedem Durchgang dreht. Reflektierte Anteile werden also wieder in die ursprüngliche Polarisationsrichtung gedreht, wohingegen transmittierte Anteile, solche Anteile, auf die das Gittern nicht reflektierend wirkt, un- terdrückt werden, da sie den Zirkulator auf der anderen Seite nicht passieren können.
Bezuaszeichenliste
5 1 Verstärkungsmodul
2 aktive optische Faser
3 Pumpeinrichtung
4 passive optische Faser
5 Auskoppeleinrichtung
10 6 Gitterstruktur
7 erster Zirkulator
8 zweiter Zirkulator
9 zweiter Funktionsgenerator
10 zweiter Modulator,
15 1 1 Gitterstruktur
12 erster Funktionsgenerator
13 erster Modulator
14 erster Faserkoppler
15 zweiter Faserkoppler
20 16 Isolator

Claims

Patentansprüche
Faseroptischer Lasergenerator zur Erzeugung von Laserpulsen bei einer oder mehreren aus einem Wellenlängenbereich ausgewählten Wellenlängen, mit ringförmiger Struktur und unidirektionalem Umlauf in der ringförmigen Struktur, umfassend mindestens ein erstes Verstärkungsmodul (1 ) mit mindestens einer optischen oder elektrischen, an die ringförmige Struktur angekoppelten Pumpeinrichtung (3), mindestens eine Auskoppeleinrichtung (5) zur Auskopplung von Laserpulsen, mindestens eine faseroptische, wellenlängenselektive Gitterstruktur (6), welche für Licht jeder der ausgewählten Wellenlängen reflektierend ausgebildet ist, wobei jede der ausgewählten Wellenlängen aus dem Wellenlängenbereich an einem anderen Ort reflektiert wird, so dass Reflexionen unterschiedlicher Wellenlängen zu unterschiedlichen Zeiten erfolgen,
Mittel zur Selektion von Laserpulsen einer Teilmenge der ausgewählten Wellenlängen,
einen in Umlaufrichtung ersten und einen diesem nachgeordneten zweiten Kopplungs- Verzweigungspunkt, an denen jeweils mindestens drei Fasern zusammenlaufen, von denen jeweils zwei Fasern der ringförmigen Struktur zugeordnet sind und eine am ersten Kopplungs-Verzweigungspunkt abzweigende Faser mit dem zweiten Kopplungs- Verzweigungspunkt als dort abzweigende Faser verbunden ist, und in der abzweigenden Faser zwischen dem ersten und dem zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt eine wellenlängenselektive Gitterstruktur (6) integriert ist, wobei die beiden Kopplungs- Verzweigungspunkte so ausgebildet sind, dass in Umlaufrichtung laufendes Licht zunächst in die Faser mit der wellenlängenselektiven Gitterstruktur (6) geleitet wird und jeweils von der wellenlängenselektiven Gitterstruktur (6) reflektiertes Licht in Umlaufrichtung wieder in die ringförmige Struktur eingekoppelt wird,
so dass unabhängig von der Wellenlänge am zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt wieder in die ringförmige Struktur eingekoppelte Laserpulse die gleiche Umlaufzeit und damit eine konstante Pulswiederholungsfrequenz aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel zur Selektion Mittel zur Modulation des Lichts abhängig von der Wellenlänge umfassen, welche
i. in einer ersten Ausgestaltung entweder einen mit einem ersten Funktionsgenerator (12) angesteuerten ersten Modulator (13) oder einen mit einem zweiten Funktionsgenerator (9) angesteuerten zweiten Modulator (10) umfassen, wobei der erste bzw. der zweite Modulator (13, 10) zwischen dem ersten bzw. zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt und der wellenlängenselektiven Gitterstruktur (6) der dort abzweigenden Faser angeordnet ist und über den zugeordneten Funktionsgenerator (12, 9) zwischen Transmission für zu selektierende Wellenlängen und Verlust für zu unterdrückende Wellenlängen umschaltbar ist, ii. oder in einer zweiten Ausgestaltung entweder ein zweites Verstärkungsmodul mit einer zweiten Ansteuerung oder ein drittes Verstärkungsmodul mit einer dritten Ansteuerung umfassen, wobei das zweite bzw. dritte Verstärkungsmodul zwischen dem ersten bzw. zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt und der wellenlängenselektiven Gitterstruktur (6) der dort abzweigenden Faser angeordnet ist und über die zugeordnete Ansteuerung zwischen Transmission für zu unterdrückende Wellenlängen und Verstärkung für zu selektierende Wellenlängen umschaltbar ist,
wodurch ein Laserpuls pro Umlauf in der ringförmigen Struktur mindestens zweimal modulierbar und aufgrund von Laufzeitunterschieden abhängig von der Wellenlänge selektierbar ist.
Faseroptischer Lasergenerator nach Anspruch 1 , umfassend Mittel zur Vorgabe der Umlaufrichtung, welche mindestens einen als ersten oder zweiten Kopplungs- Verzweigungspunkt ausgebildeten Zirkulator (7, 8) und/oder mindestens einen Isolator (16) umfassen.
Faseroptischer Lasergenerator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungs-Verzweigungspunkte als Zirkulatoren (7, 8), an denen mindestens drei Fasern zusammenlaufen, und / oder als Faserkoppler (14, 15) mit mindestens drei zusammenlaufenden Fasern ausgebildet sind, wobei ggf. über eine vierte Faser Laserpulse auskoppelbar sind.
Faseroptischer Lasergenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und / oder der zweite Kopplungs-Verzweigungspunkt als polarisationsabhängiger Zirkulator ausgebildet ist, und zwischen Zirkulator und der wellenlängenselektiven Gitterstruktur ein polarisationsmodifizierendes Element angeordnet ist.
Faseroptischer Lasergenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenlängenselektive Gitterstruktur (6) als Faser-Bragg-Gitter, als Array von Faser-Bragg-Gittern, als gechirptes Faser-Bragg-Gitter, oder als Kombination davon ausgebildet ist. Faseroptischer Lasergenerator nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Selektion Mittel zur Modulation des Lichts abhängig von der Wellenlänge umfassen und die Mittel zur Modulation eine Ansteuerung zur Modulation der Verstärkung im mindestens einen ersten Verstärkungsmodul (1 ) umfassen, wobei das mindestens eine erste Verstärkungsmodul zwischen dem ersten oder zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt und der wellenlängenselektiven Gitterstruktur (6) der dort abzweigenden Faser angeordnet ist und über die zugeordnete Ansteuerung zwischen Transmission für zu unterdrückende Wellenlängen und Verstärkung für zu selektierende Wellenlängen umschaltbar ist, wodurch ein Laserpuls pro Umlauf in der ringförmigen Struktur mindestens zweimal modulierbar und aufgrund von Laufzeitunterschieden abhängig von der Wellenlänge selektierbar ist.
Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen in einem faseroptischen Lasergenerator mit unidirektionaler, ringförmiger Struktur, bei dem
mit einer Pumpeinrichtung in einem Lasermedium durch optische Verstärkung Strahlung in einem breitbandigen Wellenlängenbereich erzeugt und in einer Umlaufrichtung in eine faseroptische, ringförmige Struktur eingekoppelt wird,
die Strahlung an einem ersten Kopplungs-Verzweigungspunkt in eine abzweigende Faser eingekoppelt wird,
in der abzweigenden Faser die Strahlung für ausgewählte Wellenlängen aus dem Wellenlängenbereich an einer wellenlängenselektiven Gitterstruktur ein erstes Mal reflektiert wird, wodurch für jede der ausgewählten Wellenlängen ein Einzelsignal erzeugt wird, welches jeweils wieder in Umlaufrichtung in die ringförmige Struktur eingekoppelt wird, wobei die Reflexion an unterschiedlichen, von der Wellenlänge abhängigen Orten in der abzweigenden Faser erfolgt, so dass die Einzelsignale abhängig von der Wellenlänge zu unterschiedlichen Zeiten in die ringförmige Struktur eingekoppelt werden,
die Einzelsignale an einem zweiten Kopplungs-Verzweigungspunkt von der anderen Richtung in die abzweigende Faser eingekoppelt und dort an der wellenlängenselektiven Gitterstruktur ein zweites Mal reflektiert und im Wesentlichen gleichzeitig wieder in Umlaufrichtung in die ringförmige Struktur eingekoppelt werden,
Einzelsignale einer Teilmenge der ausgewählten Wellenlängen durch mindestens zweimalige, auf Laufzeitunterschieden für verschiedene Wellenlängen basierende Modulation selektiert werden, wobei die eine Modulation zwischen der ersten und zweiten Reflexion durch Umschaltung eines zwischen einem der Kopplungs- Verzweigungspunkte und der wellenlängenselektiven Gitterstruktur angeordneten Modulators während eines in Abhängigkeit von der zu selektierenden Wellenlänge vorgegebenen Zeitfensters von Verlust auf Transmission erfolgt und die andere Modula- tion vor der ersten oder nach der zweiten Reflexion durch Umschaltung des Modulators von Verlust auf Transmission während eines weiteren Zeitfensters, welches unabhängig von der zu selektierenden Wellenlänge und in Abhängigkeit von einer Modulationsperiode vorgegeben wird, erfolgt, so dass aus den Einzelsignalen Laserpulse erzeugt werden, und
Laserpulse für die Teilmenge der ausgewählten Wellenlängen ausgekoppelt werden.
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