WO2022084100A1 - Gepulster oder kontinuierlicher faserlaser oder -verstärker mit speziell dotierter aktiver faser - Google Patents

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laser
active
core
doping
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Marc Eichhorn
Christelle Kieleck
Clément Romano
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
Karlsruher Institut für Technologie
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Definitions

  • Pulsed or continuous wave fiber laser or amplifier with specially doped active fiber Pulsed or continuous wave fiber laser or amplifier with specially doped active fiber
  • the present invention relates to a pulsed or continuous wave fiber laser or amplifier with an active (optical) fiber that has a fiber core and a fiber cladding and one or more doped regions with an active doping that enables amplification of a laser radiation propagating through the fiber.
  • Optical beam sources are better for applications in the field of optical data transmission via optical fiber networks, for example in coherent data communication with lasers, in the field of optical countermeasures and in the field of laser weapons and also for material processing with lasers with high pulse energies in the range from a few 100 J to a few mJ Beam quality required.
  • Fiber lasers are particularly suitable for generating laser radiation with pulses of high repetition rate.
  • the maximum pulse energy that can be generated is limited by parasitic lasing or ASE (Amplified Spontaneous Emission). It is possible to use other types of solid-state lasers for the above applications, but only with a relatively low repetition rate and average power.
  • Fiber lasers offer great advantages here due to the wave conduction and the large heat exchange jacket surface with a small cooling distance to be bridged between the active core and the cooled jacket.
  • the object of the present invention is to increase the pulse energy that can be generated with a pulsed fiber laser or fiber amplifier or the power that can be achieved in a continuously operated fiber laser or fiber amplifier.
  • the proposed fiber lasers or fiber amplifiers have an active fiber with a fiber core and a fiber cladding as well as one or more doped areas with an active doping, which serves to amplify a laser radiation propagating through the fiber.
  • the fiber has a hollow fiber core in which the highest intensity/of the laser radiation occurs in relation to the transversal intensity profile of the laser radiation guided in the fiber. This can be a continuous or a pulsed fiber laser or amplifier.
  • the active fiber is characterized by a special transversal distribution of the doping concentration of the active doping.
  • This distribution is selected in such a way that there is a geometric overlap between the one or more doped regions and an intensity profile of the laser radiation that is to be amplified and a radial center of gravity R p of the transversal distribution of the doping concentration of the active doping is in a range of an intensity/of the laser radiation with ⁇ 0.8.
  • the geometric Overlap T ⁇ 0.5, particularly preferred and the radial center of gravity R p is l R p ) ⁇ 0.5, particularly preferably l R p ) ⁇ 0.25.
  • the amplification-relevant doping is therefore present in a region of the fiber in which the transversal intensity profile of the laser radiation has a laser intensity of ⁇ 80%, preferably ⁇ 50%. particularly preferably ⁇ 20% (and of course >0% in each case) of the maximum laser intensity of the intensity profile. Outside this region of the fiber there is preferably no doping for amplification purposes.
  • the term amplification-relevant doping relates here to the transversal distribution of the doping concentration of the doping serving to amplify the laser radiation.
  • the doping can be homogeneous or inhomogeneous in the doped area, for example by introducing doped substances that do not completely dissolve during fiber production nanoparticles .
  • the geometric overlap and the radial center of gravity R p are defined in more detail below.
  • an active fiber that has a special transverse doping distribution (course or distribution of the doping concentration) and either in a cw fiber laser or amplifier or in a pulsed fiber laser, for example a Q-switched or a Q-switched and mode-locked fiber laser, or a pulsed fiber amplifier, in particular as a high-power amplifier in a pulsed fiber amplifier chain, is used.
  • the active fiber is doped with laser-active ions in such a way that the selected transversal distribution of the doping concentration results in the laser amplification of the laser or Signal photons responsible laser-active ions are concentrated in one area or.
  • the fiber core have their highest concentration in which the laser intensity of the laser radiation passing through or of the passing laser pulse compared to the maximum intensity in the center of the fiber core is only low or moderate. Because of its location outside the center of the fiber core, this area is also referred to below as the outer area. In contrast, in the area of higher laser intensity, ie in and near the center of the fiber core, there is no or a significantly lower doping concentration.
  • the outer area can be doped completely and uniformly, ie a homogeneous one Contain doping distribution, have a doping distribution that changes gradually or abruptly in the radial and/or azimuthal direction, a random distribution or also one or more doped regions that are not connected to one another, outside of which there is then no doping serving for amplification.
  • the respective regions can in turn have a homogeneous doping concentration, one that changes gradually or abruptly, or else a randomly distributed doping concentration.
  • Parts of the core and/or cladding of the fiber can also consist of hollow structures which remain empty during operation or which can absorb gases or liquids. This cavity or these gases or liquids can partly serve to conduct light. These gases or liquids can also represent the laser-active medium.
  • the proposed fiber laser or fiber amplifier differs from known fiber lasers or fiber amplifiers of the prior art in the specially doped fiber, in the embodiment with rod-shaped doped regions additionally through these doped regions. It can therefore otherwise be constructed identically to fiber lasers or fiber amplifiers known from the prior art, in particular realized both in an end-pumped configuration and in a configuration pumped via the fiber cladding.
  • the stored energy, and hence the extractable laser pulse energy and laser pulse duration is parasitic due to the occurrence of Laser action or ASE limited once the gain exceeds the appropriate gain threshold for parasitic oscillations or ASE.
  • this amplification threshold value is reached with a relatively low inversion, since the overlap (in the transverse direction) of the doped area inverted by pump laser radiation with the laser intensity profile of the laser pulse to be amplified is high.
  • the proposed transverse distribution of the doping or Doping concentration, the actively doped region (or regions) overlaps with the laser intensity profile only in a region of the fiber where the laser intensity is reduced.
  • the amplification of a laser pulse generated by a given inversion over the fiber length is smaller than in the case of the same inversion in the intensity maximum or center of the fiber core.
  • the fiber can thereby be operated at a higher inversion until it produces the same gain.
  • the initial gain g i required to generate a specific pulse duration of a laser pulse in Q-switching is described by the main equation of the Q-switching process.
  • the pulse duration is D arin represent the photon lifetime in the resonator, n (r) the extraction efficiency and the ratio of the logarithmic gain before the pulse for logarithmic threshold gain g th of a corresponding CW laser with Q-switching, e.g ⁇ a and ⁇ e are the spectroscopic cross sections for absorption and emission, the threshold inversion density when the cavity is released, the inversion density when the cavity is released and the density of the laser-active ions.
  • the initial inversion density must be correspondingly higher to be the same Gain and thus get the same pulse duration.
  • the energy extracted per pulse is where V is the doped volume and the final Show inversion density after passing through the pulse. So you get
  • the reduced doping volume counteracts the increased possible inversion density due to the lower overlap factor.
  • the intensity-weighted overlap increases with increasing radial distance from the center of the fiber core or from the maximum of the mode intensity or of the transverse laser intensity profile decreases faster than an annular surface element 2 ⁇ ldr available in this radial distance and thus the associated volume 2 Ldr, the pulse energy can be increased compared to a fully doped core.
  • a measure of this area (and thus the volume) available with a given doping distribution is the radial center of gravity R p of the laser-active doping distribution /N(r, ⁇ ) .
  • this focal point of the distribution is in an intensity range with I(R p ) ⁇ 0.8, preferably l(Rp) ⁇ 0.5, particularly preferably I(R p ) ⁇ 0, 25 comes to rest.
  • the transversal distribution of the doping concentration in the active fiber selected according to the present invention enables a higher inversion density and thus an increase in the stored and extractable energy for a given gain.
  • the pulse energies can be increased compared to the use of fibers with a complete and uniform doping of the core as before.
  • the maximum achievable pulse energy is therefore increased by the selected transversal doping distribution compared to fibers of this type with a complete and uniform doping of the core.
  • the laser power can also be increased in the case of continuous fiber lasers or fiber amplifiers.
  • guiding the high laser power in a hollow area can increase the thresholds of nonlinear effects.
  • the proposed fiber laser or fiber amplifier is therefore preferably operated with this higher inversion density.
  • the proposed active fiber can advantageously be used as an active medium in a fiber laser or as an amplification medium in a fiber amplifier a laser, in particular a fiber laser.
  • the active fiber can be pumped both via the fiber cladding and in an end-pumped arrangement by coupling one or both ends of the fiber into the fiber core.
  • Such fiber lasers or fiber amplifiers can be used, for example, for laser material processing and in particular for optronic countermeasures and laser weapons or for optical data transmission. Of course, this is not an exhaustive list.
  • the fiber diameter and the effective numerical aperture (NA) of the fiber are selected in such a way that the first higher-order mode of a laser pulse propagating through the fiber or of the laser radiation propagating through the fiber has a significant loss and/or sufficiently large mode diameters so that the overlap with the lasing ions is small enough to limit significant parasitic amplification of this higher mode.
  • the fiber can also be designed as a microstructured fiber for single-mode operation (endlessly single-mode microstructured fiber).
  • Both the fiber core and the fiber cladding can additionally be doped with other active ions that serve purposes other than signal amplification. This applies in particular to the function of refractive index matching between the core and fiber cladding.
  • the present invention is also not limited to Step-index fibers are limited, but can also be used for other fiber types or other types of waveguides that allow correspondingly structured doping in order to achieve the same advantages.
  • the laser-active doping can be introduced into the edge structures of the cavity. This has the particular advantage that the high intensities are conducted in a vacuum or in a gas and thus non-linear effects can be drastically reduced compared to a solid core and the radiation-induced damage threshold can be increased. This applies to both pulsed and continuous modes of operation.
  • Fig. 1 shows schematic representations of three examples of a transversal distribution of the doping concentration
  • Fig. Figure 2 shows an example of the ratio of energy extracted per pulse between an embodiment of the proposed active fiber and an active fiber with uniform doping of the entire core as a function of doping parameters of the proposed active fiber;
  • FIG. 3 schematic representations of three further examples for a transversal distribution of the doping concentration
  • Fig. Fig. 4 is a schematic representation of another example of a transverse distribution of dopant concentration according to the present invention in a hollow core photonic crystal fiber;
  • Fig. 5 is a schematic representation of another example of a transverse distribution of dopant concentration according to the present invention in a hollow-core photonic crystal fiber;
  • Fig. 6 is a schematic representation of another example of a transverse distribution of dopant concentration according to the present invention in a hollow-core photonic bandgap fiber;
  • Fig. Fig. 7 is a schematic representation of another example of a transverse dopant concentration distribution according to the present invention in a hollow core Kagome fiber.
  • Fig. 8 shows a schematic representation of a further example of a transverse distribution of the Doping concentration according to the present invention in a negative-curvature hollow-core fiber.
  • the transversal distribution of the doping concentration of the active doping is chosen such that the geometric overlap between the doped region(s) and the intensity profile of the laser radiation to be amplified preferably special is preferably and the radial center of gravity R p the transversal distribution of the doping concentration in the range of an intensity I of the laser radiation with I(R p ) ⁇ 0.8, preferably l(Rp) ⁇ 0.5, particularly preferably I(R p ) ⁇ 0.25.
  • Figure 1 shows three examples of this, for each of which a cross-section through the active fiber with fiber core 1 and fiber cladding 2 is shown in the upper part of the figure and the transversal intensity profile of a laser pulse or laser radiation in the fundamental mode is shown in the lower part of the figure .
  • the doped areas 3 are each in the outer area of the fiber core 1 .
  • the fiber core 1 is here as the part of the fiber in which the laser radiation is mainly guided within the fiber .
  • this is the innermost part of the fiber with the highest index of refraction.
  • the doped areas 3 are each in an area of the fiber core 1 in which the laser intensity has dropped to a relatively small value compared to the maximum intensity present in the center of the core, as can be seen in partial images a) to c) of FIG .
  • a plurality of doped regions 3 are used, which in this example are arranged next to one another on a circular path at a constant distance.
  • these doped regions 3 represent rod-like volumes that extend along the fiber.
  • the rods can be twisted around the fiber axis.
  • appropriately doped rods are integrated into the core structure that later forms the fiber core, and these rods are then drawn into the fiber together with the structure for the fiber cladding.
  • a complete ring is doped around the center of the fiber core 1, which extends to the edge of the core.
  • Sub-figure c which is also not claimed in the present patent application, again shows a doped ring-shaped area, which, however, is at a distance from the edge of the fiber core 1.
  • the doped annular region 3 of FIG. 1 b has an inner radius of a 1 and an outer radius of a which corresponds to the radius of the fiber core 1 .
  • the energy extracted by a laser pulse at a gain g t is proportional to while for a fully doped core of radius a and identical gain gt the extracted pulse energy amounts to .
  • a Gaussian intensity distribution with a unit radius was assumed here.
  • FIG. 3 shows three further examples of a possible doping distribution in the active fiber, of which only part a) again represents an embodiment according to the present invention.
  • the fiber is not doped in the fiber core but adjacent to the fiber core or in sufficient proximity to the fiber core in the fiber cladding.
  • the intensity distributions of the laser pulse propagating in the fiber in the fundamental mode can be seen.
  • FIG. 3a again shows an embodiment of the present invention, in which rod-shaped, doped regions 3 are present in an outer region of the fiber, this time adjacent to the fiber core 1 in the fiber cladding 2.
  • This can be done by arranging appropriately doped rods before pulling the fiber on the outer be generated side or close to the core structure.
  • the doped rods can be integrated into the structure for the fiber cladding, e.g. B. in a photonic crystal fiber .
  • FIG. 3 b again shows a ring-shaped doping 3 adjoining the edge of the fiber core 1
  • FIG. 3 c a ring-shaped doping 3 at a small distance from the fiber core 1 .
  • the amplification effect is also achieved with these configurations, since the laser mode guided in the fiber extends into the fiber cladding 2, as is indicated in the lower part of FIG.
  • FIGS. 4-8 show further examples of a possible doping distribution in the proposed active fiber.
  • the fiber has a nearly or completely empty fiber core. This can be filled with a gas or a liquid subsequently or during fiber drawing.
  • FIG. 4 shows a photonic crystal fiber with a circular, hollow fiber core 1 which is surrounded by the solid material of the cladding 2 .
  • the longitudinally rod-shaped holes 4 inside the jacket 2 produce the desired light-conducting effect in the core.
  • the doped region 3 here is a circular doping of the innermost cladding material bordering on the core region. This can be within the first row of holes or contain one or more rows of holes. Due to the unavoidable low penetration of the light into this cladding structure, which is ultimately necessary for guiding the light, a small overlap is produced between the doped region 3 and the fiber mode.
  • Figure 5 shows two other photonic crystal fibers (photonic crystal fiber) with a circular hollow fiber core 1, which is surrounded by solid material of the cladding 2.
  • the longitudinally rod-shaped holes 4 within the jacket 2 produce, for example, a honeycomb structure for the desired light-conducting effect in the core 1 .
  • the doped region 3 here is a doping of the innermost honeycomb material bordering on the core region. This can be the material area of the first row of holes in direct contact with the core 1 (FIG. 5a) or also contain one or more rows of holes (FIG. 5b). Due to the unavoidable low penetration of the light into this cladding structure, which is ultimately necessary for guiding the light, a small overlap is produced between the doped region 3 and the fiber mode.
  • FIG. 5a Due to the unavoidable low penetration of the light into this cladding structure, which is ultimately necessary for guiding the light, a small overlap is produced between the doped region 3 and the fiber mode.
  • FIG. 6 shows a photonic bandgap fiber with a circular resonant structure around a hollow fiber core 1 which is surrounded by alternating layers 5 of the cladding 2 with, for example, changing refractive indices. Resonance effects between these layers 5 of the cladding 2 produce the desired light-guiding effect in the core 1 .
  • the doped region 3 is here in the region of one or more of these layers 5 . A slight overlap between the doped region 3 and the fiber mode is produced by the unavoidable, but ultimately necessary for guiding the light, little penetration of the light into this layer structure.
  • FIG. 7 shows a kagome fiber with a kagome structure 6 around a hollow fiber core 1 .
  • Resonance effects in this structure of the cladding 2 produce the desired light-guiding effect in the core.
  • the doped region 3 here consists of at least a part of the ridges forming the kagome structure 6 . Due to the unavoidable, but ultimately necessary for guiding the light, little penetration of the light into this structure, a slight overlap between the doped area and the fiber mode is produced.
  • FIG. 8 shows a negative-curvature fiber with a cladding 2 around a hollow fiber core 1 consisting of locally circular structures with negative curvature. Resonance effects in this structure of the cladding 2 produce the desired light-conducting effect in the core 1 .
  • the doped region 3 consists of one or more of these structures with negative curvature. Due to the unavoidable, but ultimately necessary for the light guidance, little penetration of the light into this structure a slight overlap is generated between the doped area and the fiber mode.

Abstract

Ein gepulster oder kontinuierlicher Faserlaser oder Faserverstärker weist eine aktive Faser mit einem Faserkern (1) und einem Fasermantel (2) sowie einem dotierten Bereich (3) mit einer aktiven Dotierung auf, die der Verstärkung eines durch die Faser propagierenden Laserpulses dient. Die transversale Verteilung der Dotierungskonzentration dieser Dotierung ist so gewählt, dass ein geometrischer Überlapp zwischen dem dotierten Bereich (3) und einem zu verstärkenden Intensitätsprofil der Laserstrahlung Γ < 0,8 beträgt und ein radialer Schwerpunkt R ρ der transversalen Verteilung der Dotierungskonzentration der aktiven Dotierung in einem Bereich einer Intensität I der LaserStrahlung mit I(R ρ ) < 0,8 liegt. Mit dieser aktiven Faser lässt sich bspw. mit Laserpulsen eine höhere Pulsenergie extrahieren als mit aktiven Fasern mit einer vollständigen gleichmäßigen Dotierung des Kerns.

Description

Gepulster oder kontinuierlicher Faserlaser oder -Verstärker mit speziell dotierter aktiver Faser
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen gepulsten oder kontinuierlichen Faserlaser oder -Verstärker mit einer aktiven (Lichtleit-)Faser, die einen Faserkern und einen Fasermantel sowie einen oder mehrere dotierte Bereiche mit einer aktiven Dotierung aufweist, die eine Verstärkung einer durch die Faser propagierenden Laserstrahlung ermöglicht.
Für Anwendungen im Bereich der optischen Daten- übertragung über optische Fasernetze, beispielsweise in der kohärenten Datenkommunikation mit Lasern, im Bereich optische Gegenmaßnahmen sowie im Bereich Laserwaffen und auch zur Materialbearbeitung mit Lasern hoher Pulsenergien im Bereich von einigen 100 J bis einigen mJ sind optische Strahlquellen guter Strahl- qualität erforderlich. Insbesondere zur Erzeugung von Laserstrahlung mit Pulsen hoher Repetitionsrate eignen sich besonders Faserlaser. Diese sind jedoch durch parasitäres Lasing oder ASE (Amplified Spontaneous Emission) in ihrer maximal erzeugbaren Pulsenergie limitiert. Eine Nutzung anderer Festkörperlasertypen ist für die obigen Anwendungen zwar möglich, allerdings nur mit einer relativ geringen Repetitionsrate und mittleren Leistung.
Für Anwendungen im Bereich der Laserwaffen und auch zur Materialbearbeitung mit Lasern sind auch hohe Laserleistungen im Bereich von einigen kW bis einigen 10 kW guter Strahlqualität erforderlich. Eine Nutzung anderer Festkörperlasertypen ist für diese obigen Anwendungen zwar möglich, allerdings nur mit einer relativ komplexen Architektur und signi fikantem Aufwand im Abwärmemanagement . Faserlaser bieten hier große Vorteile durch die Wellenleitung und die große Wärmeaustausch-Mantel fläche bei geringer zu überbrückender Kühlstrecke zwischen aktivem Kern und gekühltem Mantel .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die mit einem gepulsten Faserlaser oder Faserverstärker erzeugbare Pulsenergie oder die in einem kontinuierlich betriebenen Faserlaser oder Faserverstärker erreichbare Leistung zu erhöhen .
Darstellung der Erfindung
Diese Aufgabe wird mit dem Faserlaser oder -Verstärker gemäß den Patentansprüchen 1 und 2 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Faserlaser oder Faserverstärker sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Aus führungsbeispielen entnehmen .
Die vorgeschlagenen Faserlaser oder Faser- verstärker weisen eine aktive Faser mit einem Faserkern und einem Fasermantel sowie einem oder mehreren dotierten Bereichen mit einer aktiven Dotierung auf , die der Verstärkung einer durch die Faser propagierenden Laserstrahlung dient . In einer Ausgestaltung weist die Faser einen hohlen Faserkern auf , in dem bezogen auf das transversale Intensitäts- profil der in der Faser geführten Laserstrahlung die höchste Intensität / der Laserstrahlung auf tritt . Hierbei kann es sich um einen kontinuierlichen oder auch um einen gepulsten Faserlaser oder -Verstärker handeln . Die aktive Faser zeichnet sich durch eine besondere transversale Verteilung der Dotierungs- konzentration der aktiven Dotierung aus . Diese Verteilung ist so gewählt , dass ein geometrischer Überlapp zwischen dem einen oder den mehreren dotierten Bereichen und einem zu verstärkenden Intensitätsprofil der Laserstrahlung
Figure imgf000005_0001
beträgt und ein radialer Schwerpunkt Rp der transversalen Verteilung der Dotierungskonzentration der aktiven Dotierung in einem Bereich einer Intensität / der Laserstrahlung mit < 0,8 liegt . Vorzugsweise beträgt der geometrische
Figure imgf000005_0002
Überlapp T < 0,5, besonders bevorzugt
Figure imgf000005_0003
und der radiale Schwerpunkt Rp liegt bei l Rp) < 0,5 liegt bei , besonders bevorzugt bei l Rp) < 0,25. Bei einer Faser mit einem kreisrunden Querschnitt und einem Gauß- förmigen Intensitätsprofil der Laserstrahlung liegt die verstärkungsrelevante Dotierung dadurch in einem Bereich der Faser vor, in dem das transversale Intensitätsprofil der Laserstrahlung eine Laser- intensität aufweist , die <80% , vorzugsweise < 50% , besonders bevorzugt <20% (und natürlich j eweils >0% ) der maximalen Laserintensität des Intensitätsprofils beträgt . Außerhalb dieses Bereiches der Faser liegt vorzugsweise keine der Verstärkung dienende Dotierung vor . Der Begri f f der verstärkungsrelevanten Dotierung bezieht sich hierbei auf die transversale Verteilung der Dotierungskonzentration der zur Verstärkung der Laserstrahlung dienenden Dotierung . Die Dotierung kann im dotierten Bereich homogen oder inhomogen sein, beispielsweise durch Einbringen von dotierten, sich während der Faserherstellung nicht komplett auflösenden Nanopartikeln . Der geometrische Überlapp
Figure imgf000006_0001
und der radiale Schwerpunkt Rp werden weiter unten genauer definiert .
Die Lösung der obigen Aufgabe wird somit durch Verwendung einer aktiven Faser erreicht , die eine spezielle transversale Dotierungsverteilung (Verlauf oder Verteilung der Dotierungskonzentration) aufweist und entweder in einem cw- Faserlaser oder -Verstärker oder in einem gepulsten Faserlaser, beispielsweise einem Güte-geschalteten oder einem Güte-geschalteten und Moden-gekoppelten Faserlaser, oder einem gepulsten Faserverstärker, insbesondere als Hochleistungs- verstärker in einer gepulsten Faserverstärkerkette , eingesetzt wird . Die aktive Faser ist hierzu mit laseraktiven Ionen derart dotiert , dass durch die gewählte transversale Verteilung der Dotierungs- konzentration die für die Laserverstärkung der Laser- bzw . Signalphotonen verantwortlichen laseraktiven Ionen in einem Bereich konzentriert sind bzw . ihre höchste Konzentration aufweisen, in dem die Laserintensität der durchlaufenden Laserstrahlung bzw . des durchlaufenden Laserpulses gegenüber der Maximalintensität im Zentrum des Faserkerns nur niedrig oder moderat ist . Dieser Bereich wird im Folgenden aufgrund seiner Lage außerhalb des Zentrums des Faserkerns auch als äußerer Bereich bezeichnet . Im Bereich höherer Laserintensität , also im und nahe dem Zentrum des Faserkerns , liegt demgegenüber keine oder eine deutlich niedrigere Dotierungskonzentration vor .
Der äußere Bereich kann dabei vollständig und gleichmäßig dotiert sein, also eine homogene Dotierungsverteilung enthalten, eine in radialer und/oder azimutaler Richtung graduell oder sprunghaft veränderliche Dotierungsverteilung, eine zufällige Verteilung oder auch einen oder mehrere nicht miteinander verbundene dotierte Bereiche aufweisen, außerhalb derer dann keine der Verstärkung dienende Dotierung vorliegt . Die j eweiligen Bereiche können wiederum eine homogene , eine graduell oder sprunghaft veränderliche oder auch eine zufällig verteilte Dotierungskonzentration aufweisen . Teile von Kern und/oder Mantel der Faser können auch aus hohlen Strukturen bestehen, welche im Betrieb leer verbleiben oder Gase oder Flüssigkeiten aufnehmen können . Dieser Hohlraum oder diese Gase oder Flüssigkeiten können teilweise zur Lichtleitung dienen . Diese Gase oder Flüssigkeiten können auch das laseraktive Medium darstellen .
Der vorgeschlagene Faserlaser oder Faserverstärker unterscheidet sich in der speziell dotierten Faser, in der Ausgestaltung mit stabförmig ausgebildeten dotierten Bereichen zusätzlich durch diese dotierten Bereiche , von bekannten Faserlasern oder Faser- verstärkern des Standes der Technik . Er kann also ansonsten identisch aufgebaut sein wie aus dem Stand der Technik bekannte Faserlaser oder Faserverstärker, insbesondere sowohl in einer endgepumpten als auch in einer über den Fasermantel gepumpten Ausgestaltung realisiert sein .
In einem gepulsten Faserlaser ist die gespeicherte Energie und somit die extrahierbare Laserpulsenergie und Laserpulsdauer durch das Auftreten von parasitärer Lasertätigkeit oder ASE begrenzt , sobald die Verstärkung den entsprechenden Verstärkungsschwellwert für parasitäre Os zillationen oder ASE überschreitet . Bei Nutzung einer normalen Faser gemäß dem Stand der Technik, in der der gesamte Bereich des Faserkerns gleichmäßig dotiert ist , wird dieser Verstärkungs- schwellwert bei einer relativ geringen Inversion erreicht , da der Überlapp ( in transversaler Richtung) des dotierten und durch Pumplaserstrahlung invertierten Bereiches mit dem Laserintensitätsprofil des zu verstärkenden Laserpulses hoch ist . Durch die vorgeschlagene transversale Verteilung der Dotierung bzw . Dotierungskonzentration erfolgt ein Überlapp des aktiv dotierten Bereiches ( oder der aktiv dotierten Bereiche ) mit dem Laserintensitätsprofil lediglich in einem Bereich der Faser, in dem die Laserintensität reduziert ist . Dadurch ist die durch eine gegebene Inversion über die Faserlänge erzeugte Verstärkung eines Laserpulses kleiner als bei der gleichen Inversion im Intensitätsmaximum bzw . Zentrum des Faserkerns . Die Faser kann dadurch bei einer höheren Inversion betrieben werden, bis sie die gleiche Verstärkung erzeugt .
Die Anfangsverstärkung gi, die zur Erzeugung einer bestimmten Pulsdauer eines Laserpulses bei der Güteschaltung erforderlich ist , wird durch die Hauptgleichung des Güteschaltungsprozesses beschrieben . Die Pulsdauer ist
Figure imgf000008_0001
D arin stellen die Photonenlebensdauer im Resonator,
Figure imgf000009_0008
n (r) die Extraktionseffizienz und
Figure imgf000009_0001
das Verhältnis der logarithmischen Verstärkung vor dem Puls
Figure imgf000009_0002
zur logarithmischen Schwellwertverstärkung gth eines entsprechenden CW-Lasers bei Güteschaltung, z.B.
Figure imgf000009_0003
dar. δa und δe sind die spektroskopischen Wirkungsquerschnitte für Absorption und Emission,
Figure imgf000009_0005
die Schwell-Inversionsdichte bei freigegebenem Resonator, die Inversionsdichte beim Freigeben des Resonators
Figure imgf000009_0007
und die Dichte der laseraktiven Ionen.
Figure imgf000009_0004
ist hierbei der geometrische Überlappungsfaktor, der den Überlapp des dotierten Bereiches mit einer transversalen Intensität I(r,φ) der Lasermode beschreibt. Daher muss in einer Faser mit einem kleineren dotierten Bereich die anfängliche Inversions- dichte entsprechend höher sein, um die gleiche
Figure imgf000009_0006
Verstärkung und damit die gleiche Pulsdauer zu erhalten .
Die pro Puls extrahierte Energie ist
Figure imgf000010_0001
worin V das dotierte Volumen und die finale
Figure imgf000010_0003
Inversionsdichte nach Durchlaufen des Pulses darstellen . Somit erhält man
Figure imgf000010_0004
Daran ist ersichtlich, dass das verringerte Volumen der Dotierung der erhöhten möglichen Inversionsdichte durch den geringeren Überlappungs faktor entgegenwirkt . Da j edoch die Intensitäts-gewichtete Überlappung mit zunehmendem radialem Abstand vom Zentrum des Faserkerns oder vom Maximum der Moden- Intensität bzw . des transversalen Laserintensitätsprofils schneller abnimmt als ein in diesem radialen Abstand verfügbares ringförmige Flächenelement 2π ldr und damit das zugehörige Volumen 2 Ldr, kann die Pulsenergie verglichen mit einem vollständig dotierten Kern erhöht werden . Ein Maß für diese bei einer gegebenen Dotierungsverteilung zur Verfügung stehende Fläche (und somit das Volumen) ist der radiale Schwerpunkt Rp der laseraktiven Dotierungsverteilung /N(r, δ ) . Diesen erhält man aus der mittleren radialen Dotierungsverteilung zu
Figure imgf000010_0002
Es ist nun im Sinne der Erfindung vorteilhaft , wenn dieser Schwerpunkt der Verteilung in einem Bereich der Intensität mit I(Rp) < 0,8, vorzugsweise l(Rp) < 0,5, besonders bevorzugt I(Rp) < 0,25 zu liegen kommt .
Dies wird später in einem Aus führungsbeispiel anhand einer im Querschnitt ringförmigen Dotierung nochmals beispielhaft gezeigt .
Die gemäß der vorliegenden Erfindung gewählte transversale Verteilung der Dotierungskonzentration in der aktiven Faser ermöglicht eine höhere Inversions- dichte und damit eine Erhöhung der gespeicherten und extrahierbaren Energie bei einer gegebenen Verstärkung . Dadurch können mit gepulsten Faserlasern oder gepulsten Faserlaserverstärkern, die eine derartige aktive Faser einsetzen, die Pulsenergien gegenüber der Nutzung von Fasern mit einer wie bisher vollständigen und gleichmäßigen Dotierung des Kerns erhöht werden . Die maximal erreichbare Pulsenergie wird daher durch die gewählte transversale Dotierungsverteilung gegenüber derartigen Fasern mit einer vollständigen und gleichmäßigen Dotierung des Kerns gesteigert . Auch bei kontinuierlichen Faserlasern oder Faserverstärkern lässt sich dadurch die Laserleistung erhöhen . Beispielsweise kann eine Führung der hohen Laser- leistung in einem hohlen Bereich die Schwellen nichtlinearer Ef fekte erhöhen . Der vorgeschlagene Faserlaser oder Faserverstärker wird daher vorzugsweise mit dieser höheren Inversionsdichte betrieben .
Die vorgeschlagene aktive Faser lässt sich vorteilhaft als aktives Medium in einem Faserlaser oder auch als Verstärkungsmedium in einem Faserverstärker eines Lasers , insbesondere eines Faserlasers , einsetzen . Das Pumpen der aktiven Faser kann dabei wie bisher sowohl über den Fasermantel als auch in einer endgepumpten Anordnung durch Einkopplung von einer oder beiden Enden der Faser in den Faserkern erfolgen .
Derartige Faserlaser oder Faserverstärker lassen sich beispielsweise für die Laser-Materialbearbeitung und insbesondere für optronische Gegenmaßnahmen und Laserwaf fen oder auch zur optischen Datenübertragung einsetzen . Dies ist selbstverständlich keine abschließende Auf zählung .
Bei einem bevorzugten einmodigen Betrieb der aktiven Faser werden der Faserdurchmesser und die ef fektive numerische Apertur (NA) der Faser so gewählt , dass die erste Mode höherer Ordnung eines durch die Faser propagierenden Laserpulses bzw . der durch die Faser propagierenden Laserstrahlung einen beträcht- lichen Verlust aufweist und/oder ausreichend große Modendurchmesser, so dass der Überlapp mit den laseraktiven Ionen klein genug ist , um signi fikante parasitäre Verstärkung dieser höheren Mode zu begrenzen . Die Faser kann dazu auch als eine für den Einmodenbetrieb mikrostrukturierte Faser ( endlessly single-mode microstructured fiber ) ausgebildet werden .
Sowohl der Faserkern als auch der Fasermantel können zusätzlich mit anderen aktiven Ionen dotiert sein, die anderen Zwecken als der Signalverstärkung dienen . Dies betri f ft insbesondere die Funktion der Brechungsindex-Anpassung zwischen Kern und Fasermantel . Weiterhin ist die vorliegende Erfindung auch nicht auf Stufenindex-Fasern beschränkt , sondern kann auch für andere Fasertypen oder andere Typen von Wellenleitern, die entsprechend strukturierte Dotierung erlauben, eingesetzt werden, um die gleichen Vorteile zu erzielen . Bei einer Faser mit hohlem Faserkern (bspw . in einer hollow-core photonic crystal Faser, photonic bandgap Faser, Kagome Faser oder negative-curvature Faser als bevorzugten Ausgestaltungen) kann die laseraktive Dotierung in den Randstrukturen des Hohlraums eingebracht sein . Dies hat den besonderen Vorteil , dass die hohen Intensitäten im Vakuum oder in einem Gas geführt werden und somit nichtlineare Ef fekte im Vergleich zu einem vollen Kern drastisch vermindert werden können und die strahlungsinduzierte Zerstörschwelle heraufgesetzt werden kann . Dies gilt sowohl für gepulste als auch für kontinuierliche Betriebsmodi .
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorgeschlagene aktive Faser wird nachfolgend anhand von Aus führungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert . Hierbei zeigen :
Fig . 1 schematische Darstellungen von drei Beispielen für eine transversale Verteilung der Dotierungskonzentration;
Fig . 2 ein Beispiel für das Verhältnis der pro Puls extrahierten Energie zwischen einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen aktiven Faser und einer aktiven Faser mit gleichmäßiger Dotierung des gesamten Kerns in Abhängigkeit von Dotierungsparametern der vorgeschlagenen aktiven Faser ;
Fig . 3 schematische Darstellungen von drei weiteren Beispielen für eine transversale Verteilung der Dotierungskonzentration;
Fig . 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels für eine transversale Verteilung der Dotierungskonzentration gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer photonic crystal Faser mit hohlem Kern;
Fig . 5 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels für eine transversale Verteilung der Dotierungskonzentration gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer photonic crystal Faser mit hohlem Kern;
Fig . 6 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels für eine transversale Verteilung der Dotierungskonzentration gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer photonic bandgap Faser mit hohlem Kern;
Fig . 7 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels für eine transversale Verteilung der Dotierungskonzentration gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Kagome-Faser mit hohlem Kern; und
Fig . 8 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels für eine transversale Verteilung der Dotierungskonzentration gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer negative-curvature Faser mit hohlem Kern .
Wege zur Ausführung der Erfindung
Zur Erhöhung der aus einer aktiven Faser eines gepulsten Faserlasers oder gepulsten Faserverstärkers extrahierbaren Pulsenergie oder der extrahierbaren Laserleistung eines kontinuierlichen Faserlasers oder Faserverstärkers wird vorgeschlagen, die der Verstärkung dienende Dotierung der aktiven Faser mit einer speziellen transversalen Verteilung der Dotierungskonzentration zu erzeugen . Hierbei wird die transversale Verteilung der Dotierungskonzentration der aktiven Dotierung so gewählt , dass der geometrische Überlapp zwischen dem oder den dotierten Bereich ( en) und dem zu verstärkenden Intensitätsprofil der Laserstrahlung
Figure imgf000015_0001
vorzugsweise besonders
Figure imgf000015_0003
bevorzugt beträgt und der radiale Schwerpunkt Rp
Figure imgf000015_0002
der transversalen Verteilung der Dotierungs- konzentration im Bereich einer Intensität I der Laserstrahlung mit I(Rp) < 0,8, vorzugsweise l(Rp) < 0,5, besonders bevorzugt I(Rp) < 0,25, liegt . Figur 1 zeigt hierzu drei Beispiele , zu denen im oberen Teil der Figur j eweils ein Querschnitt durch die aktive Faser mit Faserkern 1 und Fasermantel 2 und im unteren Teil der Figur das transversale Intensitätsprofil eines Laserpulses oder einer Laserstrahlung in der Grundmode dargestellt ist , der bzw . die durch die Faser propagiert . In allen drei Beispielen liegen die dotierten Bereiche 3 j eweils im äußeren Bereich des Faserkerns 1 . Der Faserkern 1 wird hierbei als der Teil der Faser bezeichnet , in dem hauptsächlich die Führung der Laserstrahlung innerhalb der Faser stattfindet . Bei einer einfachen Stufenindexfaser ist dies beispielsweise der innerste Teil der Faser mit dem höchsten Brechungsindex . Die dotierten Bereiche 3 liegen hierbei j eweils in einem Bereich des Faserkerns 1 , in dem die Laserintensität gegenüber der im Zentrum des Kerns vorliegenden Maximalintensität auf einen relativ kleinen Wert abgefallen ist , wie dies in den Teilabbildungen a ) bis c ) der Figur 1 ersichtlich ist .
In Teilabbildung a ) werden hierbei mehrere dotierte Bereiche 3 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung genutzt , die in diesem Beispiel auf einer Kreisbahn in konstantem Abstand nebeneinander angeordnet sind . Bezogen auf die gesamte Faser stellen diese dotierten Bereiche 3 stabartige Volumina dar, die sich entlang der Faser erstrecken . Die Stäbe können dabei um die Faserachse verdrillt sein . Hierzu werden bei der Herstellung der Faser entsprechend dotierte Stäbe in der den späteren Faserkern bildenden Kernstruktur integriert , die dann zusammen mit der Struktur für den Fasermantel zur Faser gezogen werden . In der Ausgestaltung der Teilabbildung b ) , die in der vorliegenden Patentanmeldung nicht beansprucht wird, ist ein vollständiger Ring um das Zentrum des Faserkerns 1 dotiert , der sich bis an den Rand des Kerns erstreckt . Teilabbildung c ) , die in der vorliegenden Patentanmeldung ebenfalls nicht beansprucht wird, zeigt wiederum einen dotierten ringförmigen Bereich, der allerdings vom Rand des Faserkerns 1 beabstandet ist . Wie bereits weiter oben angeführt , führen die gegenläufigen Ef fekte des ( gegenüber einem vollständig dotierten Faserkern) reduzierten Dotierungsvolumens und der größeren möglichen Inversionsdichte insgesamt zu einer Erhöhung der Pulsenergie . Dies wird nachfolgend anhand der Ausgestaltung der Figur 1b ) nochmals demonstriert . Der dotierte ringförmige Bereich 3 der Figur 1b ) weist einen inneren Radius von a1 und einen äußeren Radius von a auf , der dem Radius des Faserkerns 1 entspricht . Die durch einen Laserpuls extrahierte Energie bei einer Verstärkung gt ist proportional zu
Figure imgf000017_0001
während bei einem vollständig dotierten Kern mit dem Radius a und identischer Verstärkung gt die extrahierte Pulsenergie
Figure imgf000017_0002
beträgt . Hierbei wurde eine Gauß ' sehe Intensitäts- verteilung mit einem Einheitsradius angenommen .
Im Falle der ringförmigen Dotierung der Figur 1b ) beträgt das Verhältnis zwischen diesen beiden Energien
Figure imgf000017_0003
Dieses Verhältnis ist in Figur 2 für eine Faser mit einer normalisierten Frequenz (V-Parameter ) V = 2 , 405 dargestellt . Dies entspricht dem aus der Fasertheorie bekannten maximalen V-Parameter für einmodige
Licht Führung . Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, dass bei Reduzierung der Ringdicke zu einem äußeren schmalen Ring das Verhältnis ansteigt und
Figure imgf000018_0002
sich schließlich dem Grenzwert
Figure imgf000018_0001
annähert . Daher kann die extrahierbare Pulsenergie mit einer derartigen Dotierung bzw . Dotierungsverteilung gegenüber einer Faser mit vollständig dotiertem Kern deutlich erhöht werden .
Figur 3 zeigt schließlich noch drei weitere Beispiele einer möglichen Dotierungsverteilung in der aktiven Faser, von denen wiederum nur Teilabbildung a ) eine Ausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt . Bei diesen Beispielen ist die Faser nicht im Faserkern, sondern an den Faserkern angrenzend oder in ausreichender Nähe zum Faserkern im Fasermantel dotiert . Im unteren Teil der Figur 3 sind j eweils wie bei Figur 1 die Intensitätsverteilungen des in der Faser propagierenden Laserpulses ( in der Grundmode ) zu erkennen .
In Figur 3a ) ist wiederum eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung dargestellt , bei der stabförmige dotierte Bereiche 3 in einem äußeren Bereich der Faser, diesmal angrenzend an den Faserkern 1 im Fasermantel 2 vorliegen . Diese können durch Anordnung entsprechend dotierter Stäbe vor dem Ziehen der Faser an der äußeren Seite oder nahe der Kernstruktur erzeugt werden . Die dotierten Stäbe können beispielsweise bei einem Stack- and Draw-Prozess entsprechend in die Struktur für den Fasermantel integriert werden, z . B . bei einer photonischen Kristall faser . Figur 3b ) zeigt wiederum eine ringförmige Dotierung 3 , die an den Rand des Faserkerns 1 angrenzt , Figur 3c ) eine ringförmige Dotierung 3 in einem geringen Abstand zum Faserkern 1 . Der Verstärkungsef fekt wird auch bei diesen Ausgestaltungen erzielt , da die in der Faser geführte Lasermode sich bis in den Fasermantel 2 erstreckt , wie dies im unteren Teil der Figur 3 angedeutet ist .
Bei Nutzung mehrerer dotierter Bereiche 3 wie bei Figur la ) oder Figur 3a ) müssen diese nicht aus der dargestellten Anzahl an Bereichen 3 gebildet sein . Vielmehr können auch nur zwei oder auch deutlich mehr dotierte Bereiche 3 entsprechend - bei einer geringen Anzahl <=12 Bereichen vorzugsweise symmetrisch - um den Kern 1 oder das Zentrum des Kerns 1 angeordnet sein . Auch müssen diese Bereiche nicht zwangsläufig kreis förmige Querschnitte aufweisen oder über die gesamte Faserlänge stabförmig verlaufen . Auch hier kann der Verlauf in Längsrichtung um die Faserachse verdrillt oder unterbrochen sein .
Die Figuren 4- 8 zeigen schließlich noch weitere Beispiele einer möglichen Dotierungsverteilung bei der vorgeschlagenen aktiven Faser . Bei diesen Beispielen weist die Faser einen nahezu oder komplett leeren Faserkern auf . Dieser kann nachträglich oder beim Faserziehen mit einem Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt sein . Figur 4 zeigt eine photonic crystal Faser mit einem kreis förmigen hohlen Faserkern 1 , welcher von festem Material des Mantels 2 umgeben ist . Die in Längsrichtung stabförmigen Löcher 4 innerhalb des Mantels 2 erzeugen den gewünschten Lichtleitef fekt im Kern . Der dotierte Bereich 3 ist hier eine kreis förmige Dotierung des innersten an den Kernbereich grenzenden Mantelmaterials . Dieser kann innerhalb der ersten Lochkreisreihe liegen oder auch ein bis mehrere Lochreihen beinhalten . Durch die unvermeidliche aber letztlich für die Lichtführung nötige geringe Penetration des Lichts in diese Mantelstruktur wird ein geringer Überlapp zwischen dotiertem Bereich 3 und Fasermode erzeugt .
Figur 5 zeigt zwei andere photonische-Kristall- Fasern (photonic crystal Faser ) mit einem kreis förmigen hohlen Faserkern 1 , welcher von festem Material des Mantels 2 umgeben ist . Die in Längsrichtung stabförmigen Löcher 4 innerhalb des Mantels 2 erzeugen beispielsweise eine Honigwabenstruktur für den gewünschten Lichtleitef fekt im Kern 1 . Der dotierte Bereich 3 ist hier eine Dotierung des innersten an den Kernbereich grenzenden Wabenmaterials . Dieser kann der in direktem Kontakt zum Kern 1 stehende Materialbereich der ersten Lochkreisreihe sein ( Fig . 5a ) oder auch ein bis mehrere Lochreihen beinhalten ( Fig . 5b ) . Durch die unvermeidliche aber letztlich für die Lichtführung nötige geringe Penetration des Lichts in diese Mantelstruktur wird ein geringer Überlapp zwischen dotiertem Bereich 3 und Fasermode erzeugt . Figur 6 zeigt eine photonic bandgap Faser mit einer kreis förmigen resonanten Struktur um einen hohlen Faserkern 1 welcher von abwechselnden Schichten 5 des Mantels 2 mit beispielsweise wechselnden Brechzahlen umgeben ist . Resonanzef fekte zwischen diesen Schichten 5 des Mantels 2 erzeugen den gewünschten Lichtleit- ef fekt im Kern 1 . Der dotierte Bereich 3 liegt hier im Bereich von einer oder mehreren dieser Schichten 5 . Durch das unvermeidliche aber letztlich für die Lichtführung nötige geringe Eindringen des Lichts in diese Schichtstruktur wird ein geringer Überlapp zwischen dotiertem Bereich 3 und Fasermode erzeugt .
Figur 7 zeigt eine Kagome-Faser mit einer Kagome- Struktur 6 um einen hohlen Faserkern 1 . Resonanzef fekte in dieser Struktur des Mantels 2 erzeugen den gewünschten Lichtleitef fekt im Kern . Der dotierte Bereich 3 besteht hier aus mindestens einem Teil der die Kagome-Struktur 6 bildenden Stege . Durch das unvermeidliche aber letztlich für die Lichtführung nötige geringe Eindringen des Lichts in diese Struktur wird ein geringer Überlapp zwischen dotiertem Bereich und Fasermode erzeugt .
Figur 8 zeigt eine negative-curvature Faser mit einer aus lokal kreis förmigen Strukturen negativer Krümmung bestehenden Mantel 2 um einen hohlen Faserkern 1 . Resonanzef fekte in dieser Struktur des Mantels 2 erzeugen den gewünschten Lichtleitef fekt im Kern 1 . Der dotierte Bereich 3 besteht hier aus einer oder mehreren dieser Strukturen mit negativer Krümmung . Durch das unvermeidliche aber letztlich für die Lichtführung nötige geringe Eindringen des Lichts in diese Struktur wird ein geringer Überlapp zwischen dotiertem Bereich und Fasermode erzeugt .
Bezugs zeichenliste 1 Faserkern (= Bereich mit signi fikanter
Licht Intensität )
2 Fasermantel (= Bereich mit stark reduzierter bis keiner Lichtintensität )
3 dotierter Bereich 4 stabförmige Löcher
5 Schichten des Fasermantels
6 Kagome-Struktur

Claims

- 22 -
Patentansprüche Faserlaser oder Faserverstärker mit wenigstens einer aktiven Faser,
- die einen hohlen Faserkern ( 1 ) und einen Fasermantel ( 2 ) sowie einen oder mehrere dotierte Bereiche ( 3 ) mit einer aktiven Dotierung aufweist , die eine Verstärkung einer durch die Faser propagierenden Laserstrahlung ermöglicht , und
- bei der eine transversale Verteilung einer Dotierungskonzentration der aktiven Dotierung so gewählt ist , dass ein geometrischer Überlapp zwischen dem einen oder den mehreren dotierten Bereichen ( 3 ) und einem zu verstärkenden Intensitätsprofil der Laserstrahlung
Figure imgf000024_0001
beträgt und ein radialer Schwerpunkt Rp der transversalen Verteilung der Dotierungs- konzentration der aktiven Dotierung in einem Bereich einer Intensität / der Laserstrahlung mit I(Rp) < 0,8 liegt , wobei die höchste Intensität I der Laserstrahlung in dem hohlen Faserkern ( 1 ) auf tritt . Faserlaser oder Faserverstärker, insbesondere für gepulsten Betrieb, mit wenigstens einer aktiven Faser,
- die einen Faserkern ( 1 ) und einen Fasermantel ( 2 ) sowie mehrere nicht zusammenhängende dotierte Bereiche ( 3 ) mit einer aktiven Dotierung aufweist , die eine Verstärkung einer durch die Faser propagierenden Laserstrahlung ermöglicht , - bei der die dotierten Bereiche ( 3 ) j eweils stabförmig ausgebildet sind und sich entlang der Faser erstrecken, und
- bei der eine transversale Verteilung einer Dotierungskonzentration der aktiven Dotierung so gewählt ist , dass ein geometrischer Überlapp zwischen dem einen oder den mehreren dotierten Bereichen ( 3 ) und einem zu verstärkenden Intensitätsprofil der Laserstrahlung
Figure imgf000025_0001
beträgt und ein radialer Schwerpunkt Rp der transversalen Verteilung der Dotierungs- konzentration der aktiven Dotierung in einem Bereich einer Intensität / der Laserstrahlung mit l Rp) < 0,8 liegt . Faserlaser oder Faserverstärker nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die aktive Dotierung in mehreren nicht zusammenhängenden Bereichen ( 3 ) vorliegt . Faserlaser oder Faserverstärker nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , dass die mehreren Bereiche ( 3 ) j eweils stabförmig ausgebildet sind und sich entlang der Faser erstrecken . Faserlaser oder Faserverstärker nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die aktive Dotierung in einem zusammen- hängenden Bereich ( 3 ) vorliegt , der im transversalen Querschnitt ringförmig ausgebildet ist und innerhalb des Fasermantels ( 2 ) entweder am Rand des Faserkerns ( 1 ) oder beabstandet zum Rand - 24 - des Faserkerns (1) liegt. 6. Faserlaser oder Faserverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Bereiche (3) innerhalb des Faserkerns (1) liegen. 7. Faserlaser oder Faserverstärker nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Bereiche (3) innerhalb des Fasermantels (2) am Rand des Faserkerns (1) liegen. 8. Faserlaser oder Faserverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Bereiche (3) teils innerhalb des Fasermantels (2) und teils innerhalb des Faserkerns (1) am Rand des Faserkerns (1) liegen. 9. Faserlaser oder Faserverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der geometrische Überlapp zwischen dem einen oder den mehreren dotierten Bereichen und dem zu verstärkenden Intensitätsprofil der Laserstrahlung beträgt und der radiale Schwerpunkt Rp der
Figure imgf000026_0001
transversalen Verteilung der Dotierungs- konzentration der aktiven Dotierung in einem 30 Bereich der Intensität / der Laserstrahlung mit I(Rp) < 0,5 liegt. - 25 - Faserlaser oder Faserverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , dadurch gekennzeichnet , dass der geometrische Überlapp zwischen dem einen oder den mehreren dotierten Bereichen und dem zu verstärkenden Intensitätsprofil der Laserstrahlung
Figure imgf000027_0001
beträgt und der radiale Schwerpunkt Rp der transversalen Verteilung der Dotierungs- konzentration der aktiven Dotierung in einem Bereich der Intensität / der Laserstrahlung mit I(Rp) < 0,25 liegt . Faserlaser oder Faserverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 10 , dadurch gekennzeichnet , dass die Faser so ausgebildet ist , dass durch die
Faser propagierende Laserstrahlung nur in einer Grundmode verstärkt wird .
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