WO2023066986A1 - Laser device and method for shaping a laser pulse - Google Patents

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WO2023066986A1
WO2023066986A1 PCT/EP2022/079075 EP2022079075W WO2023066986A1 WO 2023066986 A1 WO2023066986 A1 WO 2023066986A1 EP 2022079075 W EP2022079075 W EP 2022079075W WO 2023066986 A1 WO2023066986 A1 WO 2023066986A1
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fiber
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laser
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Florian Graf
Aleksander BUDNICKI
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Trumpf Laser Gmbh
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    • H01S3/1618Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth ytterbium

Definitions

  • the invention relates to a laser device and a method for shaping a laser pulse.
  • the spectrum of an excitation laser typically narrows successively in the subsequent amplification stages due to the finite amplification bandwidth of the amplifier medium. This effect, referred to below as gain narrowing, is also referred to as gain narrowing. Due to the narrowing of the spectrum, the bandwidth-limited temporal pulse duration of the output pulses of the laser device is lengthened.
  • the invention is therefore based on the object of creating a laser device and a method for shaping a laser pulse, the disadvantages mentioned being reduced and preferably not occurring.
  • the object is achieved in particular by creating a laser device which has an excitation laser which is designed as a passively mode-locked fiber oscillator.
  • the A passively mode-locked fiber oscillator has a bidirectional loop and a unidirectional loop, the bidirectional loop and the unidirectional loop being coupled together by a 3x3 coupler.
  • the bi-directional loop includes a first gain fiber.
  • At least one operating parameter of the excitation laser is set in such a way that a laser pulse emerging from an outcoupling port of the 3 ⁇ 3 coupler has a pulse shape that has a depression at a central wavelength of the pulse shape.
  • the input pulse generated by the excitation laser and preferably intended for coupling into an amplifier chain is advantageously shaped in the excitation laser itself, in particular in such a way that a gain narrowing effect occurring in the subsequent amplifier chain is precompensated.
  • the laser device according to the invention can thus be used without an additional optical component such as a pulse-shaping filter, also in connection with amplification, in particular according to the CPA principle, so that the construction of the laser device is simple, with no losses caused by such an additional optical component.
  • the pre-compensation of the input pulse also advantageously avoids the bandwidth-limited pulse duration of the output pulses of an amplifier chain used with the laser device being lengthened. As a result, a CPA system with a shorter pulse duration is made possible.
  • the at least one operating parameter of the excitation laser is set in such a way that the laser pulse emerging from the coupling-out port has a spectral pulse shape that has a depression at the central wavelength.
  • a central wavelength is understood to mean, in particular, a mean value of the pulse shape plotted over the wavelength scale if the pulse shape is symmetrical, or - in particular in the case of a symmetrical pulse shape - a median of the spectrum and/or the spectral power density of the pulse shape, or another suitable measure for determining a mean or central wavelength of the pulse shape, in particular a centroid of the pulse shape on the wavelength scale.
  • the fact that the pulse shape has a depression at the central wavelength is understood in particular to mean that a spectral power density of the pulse shape in the region of the central wavelength is lower than in pulse flanks of the pulse shape above and below the region of the central wavelength.
  • the pulse shape therefore has a dent, particularly in the area of the central wavelength.
  • a spectral power density of the pulse shape plotted against the wavelength scale at the location of the Center wavelength less than at least one other location on the wavelength scale below the center wavelength and at least one other location on the wavelength scale above the center wavelength.
  • a maximum of the spectral power density of the pulse shape does not lie at the location of the central wavelength.
  • the spectral power density preferably has two maxima, namely a first maximum below the central wavelength and a second maximum above the central wavelength.
  • a fiber oscillator is understood to mean, in particular, a laser oscillator which has at least one optical component, in particular for guiding and/or influencing light, which has a fiber or consists of a fiber.
  • all optical components of the fiber oscillator it is possible for all optical components of the fiber oscillator to be fiber components, ie components which in particular have a fiber or consist of a fiber, in particular fiber-based components or fiber-coupled components.
  • a loop is understood to mean an optical part of the fiber oscillator which has a first end and a second end, both the first end and the second end being coupled to the same connection component of the fiber oscillator, here in particular to the 3x3 coupler.
  • Such a loop can be designed as a ring as a whole; in particular, in this case the loop consists of a ring part.
  • a bidirectional loop is understood to mean, in particular, a loop in which light pulses can propagate both from the first end to the second end and from the second end to the first end—ie in both directions.
  • the bidirectional loop with the first amplification fiber has the function of a saturable absorber.
  • a unidirectional loop is understood to mean, in particular, a loop in which light pulses can propagate along the loop only in one distinct direction, either from the first end to the second end or from the second end to the first end.
  • An isolator device is preferred in the unidirectional loop, in particular a Isolator, arranged, wherein the isolator device is set up to allow light pulses to pass through only in one direction, but to block them in the other direction, for example by utilizing the Faraday effect, or in another suitable manner.
  • the isolator means is preferably arranged in a ring part of the unidirectional loop.
  • the bi-directional loop is preferably a first fiber loop.
  • a fiber loop is understood to be a loop that has a fiber at least in some areas or consists of a fiber.
  • the fiber loop consists entirely of one fiber or is composed of a plurality of interconnected fibers.
  • the unidirectional loop is preferably a second fiber loop.
  • the unidirectional loop is formed as a unidirectional ring.
  • the bidirectional loop has an asymmetry.
  • the bidirectional loop is configured asymmetrically for two light pulses passing through the bidirectional loop in opposite directions.
  • the bidirectional loop has an asymmetry element, in particular an asymmetrically arranged first amplification element for asymmetrical amplification, and/or an asymmetrically arranged attenuation element for asymmetrical attenuation of the light pulses propagating in opposite directions along the bidirectional loop.
  • the asymmetry element is generally set up and/or arranged to generate a difference in the respective self-phase modulation between a light pulse propagating in a certain first direction along the bidirectional loop and a light pulse propagating in the other, second direction along the bidirectional loop.
  • the asymmetry element can also be in the form of a non-reciprocal phase shifter.
  • the asymmetrically arranged first reinforcement element can preferably be variably adjusted with regard to the reinforcement.
  • variable amplification can be implemented by varying the pump power.
  • the asymmetrically arranged attenuation element can preferably be variably adjusted with regard to the attenuation.
  • a variable, non-linear phase shift between the two counter-propagating light pulses in the bidirectional loop can be realized via a variable setting of the asymmetry element;
  • the phase shift can be adjusted by variable activation of the asymmetry element.
  • the first reinforcement fiber can be arranged asymmetrically in the bidirectional loop. This means in particular that the first reinforcement fiber is arranged closer to the first end of the bidirectional loop than to the second end, or vice versa.
  • an asymmetrically arranged attenuating element in particular an asymmetrically arranged decoupling element, for example a tap coupler, or a filter, a polarization attenuator or the like is arranged in the bidirectional loop.
  • an asymmetrically arranged attenuating element in particular an asymmetrically arranged decoupling element, for example a tap coupler, or a filter, a polarization attenuator or the like is arranged in the bidirectional loop.
  • the embodiments mentioned can also be combined with one another.
  • the bidirectional loop is preferably designed as a nonlinear, amplifying loop mirror (NALM).
  • NALM amplifying loop mirror
  • the bidirectional loop has an asymmetry, so that different light pulses, which pass through the bidirectional loop in different directions, pass through a longer part of the bidirectional loop with different intensity levels, depending on their direction of circulation, because - in relation to the running distance of the bidirectional loop - be strengthened and/or weakened sooner or later. Because of the self-phase modulation in the bidirectional loop, this leads to a non-linear phase shift between two light pulses that pass through the bidirectional loop in opposite directions, this phase shift itself in turn being intensity-dependent. The phase shift between the two light pulses in turn influences their coupling behavior at the 3x3 coupler.
  • light pulses of higher intensity are preferably fed in the appropriate propagation direction via the 3 ⁇ 3 coupler from the bidirectional loop into the unidirectional loop, as a result of which the bidirectional loop designed as NALM in particular can fulfill the function of a saturable absorber.
  • the loop arrangement made up of the bidirectional loop and the unidirectional loop, which are coupled to one another via the 3 ⁇ 3 coupler, and thus also the fiber oscillator overall, preferably has a so-called figure 8 configuration.
  • the laser device has an amplifier device that is set up to amplify the laser pulse generated by the excitation laser.
  • the at least one operating parameter of the excitation laser is matched to the amplifier device in such a way that the pulse shape of the laser pulse, which has the depression at the central wavelength, at least partially, preferably completely, compensates for a gain narrowing that occurs in the amplifier device.
  • the advantages already described above are realized in a special way if the laser device itself has the amplifier device.
  • the amplifier device has a plurality of amplifiers or amplifier stages.
  • the amplifier device is designed as an amplifier chain.
  • the amplifier device is designed as a CPA system, ie the amplification in the amplifier device takes place according to the principle of "chirped pulse amplification" (CPA).
  • CPA chirped pulse amplification
  • the at least one operating parameter of the excitation laser is selected from a group consisting of: a fiber length of the bidirectional loop, a fiber length of the first amplifying fiber, a nonlinear phase shift in the bidirectional loop, in particular the arrangement or configuration of a non-reciprocal phase shifter in the bidirectional loop and/or a pump power coupled into the first gain fiber, a power split in the 3x3 coupler, and a phase shift in the 3x3 coupler.
  • an operating parameter is understood to be a parameter that influences or determines the operation or the mode of operation of the excitation laser.
  • This can be a parameter that is constant over time, one that is determined in particular by the design or the choice of material for the excitation laser; however, it can also be a parameter that is variable over time, in particular an adjustable or predeterminable parameter, which can be changed in particular during operation of the excitation laser.
  • an operating parameter of the excitation laser is such a parameter that influences or determines the nonlinear phase shift between the two laser pulses traversing the bidirectional loop in opposite directions.
  • the pulse shape for the laser pulse in particular the deepening at the central wavelength, can be selected in such a way that an amplification narrowing occurring in a subsequent amplifier device is at least partially, preferably completely, compensated.
  • the at least one operating parameter is an operating parameter of the asymmetry element.
  • the at least one operating parameter is preferably selected or specified by setting the asymmetry element.
  • the 3 ⁇ 3 coupler has a plurality of ports, in particular six ports.
  • the 3x3 coupler is designed symmetrically, which means in particular that light pulses are distributed in equal proportions to the different ports of the 3x3 coupler.
  • the 3 ⁇ 3 coupler thus has a symmetrical power distribution.
  • a port is understood to be a connection of the 3x3 coupler that acts as an input or as an output, and can be connected in particular to a fiber in a light-conducting manner.
  • the 3x3 coupler has a first coupler side and a second coupler side, each with - per coupler side - three ports, the unidirectional loop being connected to the first coupler side and the bidirectional loop to the second coupler side, and the decoupling port being a free port on the first coupler side.
  • a free port is understood to mean, in particular, a port that is not connected to the unidirectional loop.
  • the decoupling port as a free port is therefore in particular a port not occupied by the unidirectional loop. This does not preclude the coupling-out port from being connected to at least one other optical element and being occupied in this sense.
  • the 3x3 coupler has a first port, a second port and a third port on the first coupler side of two coupler sides of the 3x3 coupler, with the 3x3 coupler on the second coupler side of the two coupler sides having one fourth port, a fifth port and a sixth port.
  • the first port is optically connected directly to the fourth port via a fiber section
  • the second port being optically connected directly to the fifth port via a fiber section
  • the third port is optically connected directly via a fiber section with the sixth port.
  • light pulses that propagate between two ports that are directly connected to one another experience no phase jump.
  • the 3x3 coupler is set up in such a way that light pulses can crosstalk between the direct connections of the ports, experiencing a phase shift which is preferably 2TC/3, regardless of between which two connections a light pulse crosstalks.
  • the 3x3 coupler is generally arranged to impart a phase shift of 2TC/3 ZU to light pulses that crosstalk between different proximate connections of the ports of the 3x3 coupler.
  • Another embodiment is also possible, in which the 3 ⁇ 3 coupler is designed asymmetrically, other phase shifts then resulting for the light pulses crosstalking between different direct optical connections of the ports.
  • This effect can be used in a targeted manner in order to tune the spectral pulse shape, in particular to compensate for a subsequent reduction in amplification. In particular, this effect can be used in a targeted manner in combination with a suitable tuning of the pump power for amplification in the bidirectional loop for tuning the spectral pulse shape.
  • a first end of the bidirectional loop is optically connected to the fourth port
  • a second end of the bidirectional loop is optically connected to the fifth port
  • the output coupling port is the second port of the 3x3 coupler.
  • the sixth port can preferably be used to decouple additional light pulses from the fiber oscillator, either as additional useful light or for monitoring.
  • the first end of the bidirectional loop is optically connected to the fifth port
  • the second end of the bidirectional loop is optically connected to the sixth port
  • the output coupling port is the second port of the 3x3 coupler.
  • the fourth port can preferably be used to decouple additional light pulses from the fiber oscillator, be it as additional useful light or for monitoring.
  • a first end of the unidirectional loop is optically connected to the third port, and a second end of the unidirectional loop is optically connected to the first port.
  • the unidirectional loop is preferably set up in such a way - in particular by the Isolator means that a light pulse along the unidirectional loop can only get from the third port to the first port - or vice versa.
  • a light pulse entering the 3x3 coupler from the unidirectional loop via the first port is three light pulses with the same pulse energy divided between the fourth port, the fifth port and the sixth port.
  • the light pulses at the fifth port and at the sixth port each experience a phase shift of 2/3 compared to the light pulse entering at the first port.
  • the light pulse at the fifth port is referred to below as the first light pulse, and the light pulse at the sixth port as the second light pulse.
  • the first light pulse now runs through the bidirectional loop starting from the first end to the second end - namely from the fifth port to the sixth port, with the second light pulse running through the bidirectional loop in the opposite direction - namely from the sixth port to the fifth port.
  • the first light pulse and the second light pulse now experience different phase shifts or B integrals during their propagation along the bidirectional loop.
  • the difference in the B integrals or the phase shift between the first light pulse and the second light pulse depends in particular on the original intensity of the light pulses - before passing through the bidirectional loop - and the amplification and/or attenuation in the asymmetry element, in particular the amplification in the first amplification fiber, ie in particular from a pumping level of the first amplification fiber.
  • the attenuation can also be made variable, if necessary, in order to influence the phase shift.
  • the second light pulse now partially talks over into the direct optical connection between the sixth port and the third port and again experiences a phase shift of 2TC/3.
  • the first arriving at the sixth port Light pulse is partially forwarded directly to the third port without experiencing a phase shift.
  • An output pulse at the third port resulting from superposition—in particular constructive interference—of the first light pulse and the second light pulse thus depends in particular on the B integrals that the light pulses experience during their propagation along the bidirectional loop.
  • the 3x3 coupler is set up in such a way that even with a vanishing non-linear phase shift between the first light pulse and the second light pulse, there is a finite transmission of preferably approximately 10% of the input pulse energy and a non-vanishing slope of the phase-dependent transmission curve, which results in a laser pulse structure from the noise out significantly simplified. In particular, this facilitates the start, in particular a self-start, of the mode-locked operation. With increasing phase shift, the transmission increases. Thus, the bidirectional loop favors light pulses with higher peak power and can thus fulfill the function of a saturable absorber.
  • the non-linear phase shift between the first light pulse and the second light pulse can be set variably by varying the pump power for the first amplification fiber in the bidirectional loop.
  • the spectral pulse shape with the desired depression results at the second port, in particular as a function of the non-linear phase shift between the first light pulse and the second light pulse in the bidirectional loop.
  • the spectral pulse shape at the second port can therefore be set in particular by setting or specifying the non-linear phase shift.
  • the fiber oscillator has normal dispersion overall.
  • the fact that the fiber oscillator has a normal dispersion overall, or that - in other words, but with the same meaning - a total dispersion of the fiber oscillator is in the normal dispersion range, means in particular that a light pulse passing through the fiber oscillator after a pass through the fiber oscillator - i.e. every component of the fiber oscillator - was once happened - has experienced normal dispersion.
  • optical components of the fiber oscillator may have normal dispersion
  • at least a first optical component of the fiber oscillator may have anomalous dispersion
  • the fiber oscillator having at least one other , second optical component having a normal dispersion that overcompensates for the anomalous dispersion of the first optical component such that the overall dispersion of the fiber oscillator is normal.
  • the fiber oscillator can also have at least one dispersion compensation element in such a case in order to shift the dispersion to a desired range within the normal dispersion range, in particular for fine-tuning the dispersion.
  • the total dispersion can be reduced in terms of absolute value with the aid of a dispersion compensation element.
  • the dispersion compensation element can be embodied in particular as a chirped grating, in particular as a chirped fiber Bragg grating, or as a dispersion compensation fiber, in particular as Photonic Crystal Fiber (PCF), in particular with a suitably adapted, preferably tailor-made dispersion.
  • the fiber oscillator if the wavelength of the fiber oscillator is in the anomalous dispersion range, for example when using erbium, thulium or holmium as a doping element, the fiber oscillator preferably has at least one dispersion compensation element in order to bring the total dispersion into the normal range.
  • the at least one dispersion compensation element is preferably designed as a dispersion compensation fiber or as a chirped grating, in particular as a chirped fiber Bragg grating.
  • a dispersion compensation fiber is also referred to as a dispersion-compensated fiber or a dispersion-adapted fiber.
  • Such a dispersion compensation fiber can, for example, have a fiber core that includes rings with different refractive indices.
  • the fiber oscillator has an anomalous dispersion overall.
  • the fact that the fiber oscillator has an anomalous, i.e. negative, dispersion overall, or that - in other words, but with the same meaning - a total dispersion of the fiber oscillator is in the anomalous dispersion range, means in particular that a light pulse passing through the fiber oscillator after one pass through the fiber oscillator - i.e. each Fiber oscillator component passed once - experienced anomalous dispersion. This in turn means that in comparison to a temporal form of the light pulse before passage through the fiber oscillator, in the temporal form of the light pulse after passage through the fiber oscillator, higher frequencies lead due to dispersion, while lower frequencies lag.
  • the fiber oscillator has anomalous dispersion
  • at least a first optical component of the fiber oscillator has normal - positive - dispersion
  • the fiber oscillator has at least one other, second optical component that has an anomalous dispersion that overcompensates for the normal dispersion of the first optical component such that the overall dispersion of the fiber oscillator is anomalous.
  • the fiber oscillator can also have at least one dispersion compensation element in such a case in order to reduce the total dispersion in terms of amount, in particular to bring it close to the normal dispersion range, and thus to obtain pulses that are spectrally broader and therefore shorter in time.
  • a dispersion compensation element used for this purpose can be designed in particular as a dispersion compensation fiber or as a grating, in particular as a fiber Bragg grating.
  • a dispersion compensation fiber is also referred to as a dispersion-compensated fiber or a dispersion-adapted fiber.
  • Such a dispersion compensation fiber can, for example, have a fiber core that includes rings with different refractive indices.
  • solitons preferably form in the fiber oscillator or, in the case of the dispersion-compensated fiber oscillator, dispersion-managed solitons.
  • the anomalous dispersion on the one hand and the non-linear self-phase modulation have different signs, so that the phase differences, which result from dispersion on the one hand and self-phase modulation on the other hand, at least largely, preferably completely, cancel each other out.
  • the fiber oscillator has at least one dispersion compensation element in order to bring the total dispersion into the anomalous range.
  • the at least one dispersion compensation element is preferably designed as a chirped grating, in particular as a chirped fiber Bragg grating.
  • the first amplifying fiber is doped with at least one element selected from a group consisting of ytterbium, neodymium, erbium, thulium and holmium, or with a combination of at least two of these elements, in particular He/Yb or Tm/Ho.
  • the first amplifying fiber is doped with exactly one of the elements mentioned.
  • the first reinforcement fiber is a combination of at least two of the elements mentioned, doped in particular with a combination of exactly two of the elements mentioned.
  • the first gain fiber is doped with erbium and ytterbium (Er/Yb).
  • the first gain fiber is doped with thulium and holmium (Tm/Ho).
  • the doping element or, if appropriate, the combination of doping elements determines in particular an optical wavelength for the fiber oscillator: if the first amplifying fiber includes ytterbium or neodymium as a doping element, the wavelength is approximately 900 nm to 1100 nm. If the first amplifying fiber includes erbium as a doping element, the wavelength is approximately at 1500 nm. If the first amplifying fiber comprises thulium or holmium as a doping element, the wavelength is approximately at 1900 nm to 2100 nm.
  • the excitation laser has at least one dispersion compensation element.
  • the dispersion compensation element is selected from a group consisting of: a chirped fiber Bragg grating and a dispersion compensating fiber.
  • the 3 ⁇ 3 coupler is designed as a symmetrical coupler, with the bidirectional loop being set up to impart a nonlinear phase shift of 1 rad to 3 rad—between the opposing light pulses. Particularly in this way, the desired pulse shape with the dip at the center wavelength can be obtained.
  • the 3 ⁇ 3 coupler is also possible for the 3 ⁇ 3 coupler to be designed asymmetrically.
  • the unidirectional loop has no amplification element.
  • the first amplification fiber as the first amplification element is advantageously the only amplification element of the fiber oscillator, in particular the only amplification fiber.
  • the fiber oscillator can thus have a very simple and inexpensive structure.
  • the unidirectional loop has an - additional - second reinforcement element, in particular a second reinforcement fiber, with an isolator element - in a preferred embodiment the isolator device of the unidirectional loop provided anyway - in the direction of propagation of a light pulse in of the unidirectional loop is located between the second reinforcement member and the first reinforcement fiber.
  • an isolator element is preferably arranged in the propagation direction of the light pulse between the first amplification fiber and the second amplification element. In this way, losses in particular can advantageously be compensated for, in that light pulses in the fiber oscillator are amplified not only in the first amplification fiber but also in the second amplification element.
  • the insulator element can be designed as an insulator or as a circulator.
  • the second gain fiber is preferably doped with the same element as the first gain fiber.
  • the bidirectional loop preferably has an in-coupling device which is set up to in-couple pump light into the first amplifying fiber.
  • the in-coupling device arranged in the bidirectional loop can at the same time also be used for in-coupling pump light into the additional second amplifying element, in particular into the second amplifying fiber.
  • the preferably asymmetrically arranged in-coupling device can serve as an asymmetric element, in particular as an asymmetrically arranged attenuating element.
  • a coupling device is arranged in the unidirectional loop, which is set up to couple pump light into the additional second amplification element, in particular the second amplification fiber.
  • the in-coupling device is preferably used at the same time for in-coupling pumped light into the first amplifying fiber.
  • the bidirectional loop it is preferably also possible for the bidirectional loop to have a first coupling device for coupling pumped light into the first gain fiber, with the unidirectional loop having a second coupling device set up to couple pumped light into the second gain element.
  • the coupling device is preferably designed as a wavelength division multiplex coupler (Wavelength Division Multiplexer—WDM).
  • the unidirectional loop has a reflecting arm, with a reflecting element being arranged in the reflecting arm.
  • additional optical functions can also be implemented via the reflector element, in particular the function of a bandwidth limitation element and/or a dispersion compensation element.
  • the reflective arm offers advantages in particular with regard to the arrangement and insulation on both sides of an additional second reinforcement element in the reflective arm.
  • the reflective arm preferably has at least one fiber or preferably consists of at least one fiber.
  • the reflector element is preferably arranged at a reflective end of the reflective arm.
  • the reflective arm is preferably formed as a linear branch of the unidirectional loop which is optically connected to a ring portion of the unidirectional loop.
  • the reflecting arm in particular the linear branch, has the reflector element at the reflection end and is light-conductingly connected to the ring part at a connection end opposite the reflection end.
  • a light pulse traversing the unidirectional loop traverses the reflective arm twice, once from the terminal end to the reflective end, and then back from the reflective end to the terminal end.
  • the reflector element is preferably designed to be partially transparent—or, to put it the other way around, partially reflective—so that a predetermined proportion of light is coupled out of the fiber oscillator via the reflector element.
  • the reflector element is in the form of a wavelength-fixing element, that is to say in particular as an element that is set up to fix the central wavelength for the fiber oscillator.
  • the reflector element advantageously enables the central wavelength with which the fiber oscillator is operated to be clearly defined. This offers the great advantage of high reproducibility with increased variability at the same time in order to obtain a specific, desired wavelength as the central wavelength. This can in particular in subsequent processes whose Efficiency depends on the wavelength can be crucial, for example in material processing processes, in an amplification chain, and/or in frequency conversion.
  • the reflector element is in the form of a fiber Bragg grating.
  • the fiber Bragg grating can preferably function as a dispersion compensation element, as a wavelength fixing element, and/or as a bandwidth limitation element.
  • the fiber B ragg grating is preferably in the form of a chirped fiber B ragg grating.
  • the fiber B-ragg grating can also act as a wavelength-fixing element or as a bandwidth-limiting element if it is designed as an unchirped fiber B-ragg grating.
  • the fiber oscillator has a dispersion compensation element.
  • the dispersion compensation element is preferably formed by the reflector element, in that the reflector element is designed as a chirped fiber Bragg grating.
  • the dispersion compensation element is a dispersion-compensating fiber.
  • the first amplification fiber is designed to be dispersion-compensated.
  • the reflecting arm is connected to the ring part of the unidirectional loop in a light-conducting manner via a circulator element.
  • the circulator element preferably serves at the same time as an isolator device for the unidirectional loop.
  • the ring part has a first ring branch, which is optically connected at a first ring branch end to the 3 ⁇ 3 coupler—in particular to the third port—and at a second ring branch end to the reflecting arm, in particular to the circulator element.
  • the ring part also has a second ring branch which is optically connected at a first ring branch end to the reflecting arm, in particular to the circulator element, and at a second ring branch end to the 3x3 coupler - in particular to the first port.
  • a light pulse entering the first ring branch via the third port of the 3x3 coupler passes through this to the circulator element, is this is coupled into the connection end of the reflecting arm, runs through the reflecting arm to the reflector element arranged at the reflection end, is at least partially reflected there, runs along the reflecting arm back to the connection end, is coupled there by the circulator element into the second ring branch, and runs through this up to the first port of the 3x3 coupler.
  • the first ring branch and the second ring branch are each traversed once by the light pulse, while the reflecting arm is traversed twice—back and forth.
  • a second amplification fiber in one embodiment, provision is made for a second amplification fiber to be arranged in the unidirectional loop, in particular as the additional second amplification element already mentioned above.
  • the second amplifying fiber is located in the reflective arm. This proves to be particularly advantageous since the second amplification fiber is traversed twice by a light pulse propagating in the unidirectional loop, so that the light pulse is amplified twice.
  • the second reinforcement fiber is advantageously separated from the first reinforcement fiber by the circulator element—particularly in both directions—so that the two reinforcement fibers do not adversely affect one another.
  • the second gain fiber is preferably doped with the same element as the first gain fiber.
  • the fiber oscillator preferably has a coupling device for coupling pump light into the fiber oscillator, in particular into the unidirectional loop, outside the unidirectional loop, in particular outside the loop arrangement—in the propagation direction of a light pulse coupled out by the reflector element—behind the first reflector element.
  • pumped light can advantageously be coupled into the unidirectional loop via the reflector element.
  • the coupling device can also be arranged within the unidirectional loop, in particular in the reflecting arm.
  • the fiber oscillator has a bandwidth limitation element.
  • the bandwidth limitation element is arranged in the unidirectional loop. With the bandwidth limitation element, it is particularly advantageously possible to define the central wavelength for the fiber oscillator.
  • the bandwidth limitation element has a bandwidth of at least 1 ⁇ m to at most 20 nm, preferably from at least 10 ⁇ m to at most 15 nm.
  • the reflector element in particular the fiber Bragg grating
  • the fiber Bragg grating can also act as a bandwidth limitation element when it is in the form of an unchirped grating.
  • the fiber oscillator has a bandpass filter as the bandwidth limitation element.
  • the bandwidth limitation element in particular the reflector element or the bandpass filter, is designed to be adjustable with respect to its central wavelength. This enables a particularly high level of flexibility in the choice of the central wavelength of the fiber oscillator.
  • the bandwidth limiting element is a temperature dependent grating, or a grating sensitive to stretching or compression at its center wavelength.
  • an additional amplification fiber to be arranged in the unidirectional loop, which is referred to here as the third amplification fiber for the purpose of linguistic differentiation, regardless of whether a second amplification fiber is also present.
  • This configuration is particularly preferred in an embodiment of the fiber oscillator in which the unidirectional loop consists of a ring part, the unidirectional loop in particular having no linear branch, in particular no reflective arm.
  • the third reinforcement fiber is arranged in particular in the ring part of the unidirectional loop. Losses in the fiber oscillator can advantageously be compensated for with the third amplifying fiber
  • the third reinforcement fiber is provided in addition to a second reinforcement fiber provided in the reflecting arm, in which case the third reinforcement fiber is also preferably arranged in the annular part of the unidirectional loop.
  • the third amplifying fiber is doped with the same element as the first amplifying fiber - and in particular as the second amplifying fiber.
  • the fiber oscillator in the unidirectional loop has a decoupling device for decoupling light pulses.
  • the decoupling device is preferably designed as a tap coupler.
  • all optical components of the fiber oscillator are polarization-maintaining. This proves to be a particularly advantageous embodiment for the fiber oscillator.
  • all optical components of the fiber oscillator are formed by fibers or consist of fibers, being in particular fiber-based components or fiber-coupled components.
  • the fiber oscillator preferably has no free-ray components. In this case, there is no adjustment effort in connection with the fiber oscillator.
  • the fiber oscillator may have at least one optical component which is designed as a free-beam component.
  • the fiber oscillator has a pulse repetition rate of 1 MHz to 150 MHz.
  • the laser device has a pump light source.
  • the pumped light source and the fiber oscillator are connected to one another in a light-conducting manner, so that pumped light from the pumped light source can be coupled into the fiber oscillator.
  • the pumped light source is optically connected to the first amplifying fiber, so that pumped light from the pumped light source can be used to pump the first amplifying fiber.
  • the laser device has a control device.
  • the control device is in particular operatively connected to a variably controllable asymmetry element of the bidirectional loop in order to set the variable asymmetry element, in particular to set the non-linear phase shift between the light pulses running through the bidirectional loop in the opposite direction, in particular such that the phase shift is 1 to 3 rad.
  • control device is set up to set the at least one operating parameter of the excitation laser, in particular an operating parameter of the variable asymmetry element, to be selected in such a way that the laser pulse emerging from the outcoupling port of the 3 ⁇ 3 coupler has the predetermined pulse shape with the depression at the central wavelength.
  • control device is set up to carry out the method according to the invention described below or one or more of the specific embodiments of the method described below.
  • control device is preferably operatively connected to a variably controllable first reinforcement element in order to set the variably controllable first reinforcement element in terms of its gain.
  • control device is operatively connected to the pumped light source and set up to set a pulse duration of the fiber oscillator by selecting the pump power of the pumped light source.
  • the control device is set up in particular to select the pump power of the pumped light source such that the non-linear phase shift between the light pulses running through the bidirectional loop in the opposite direction is 1 to 3 rad, in particular such that the predetermined pulse shape is achieved.
  • control device is operatively connected to a variably controllable attenuation element in order to adjust the variably controllable attenuation element with regard to its attenuation, in particular such that the non-linear phase shift between the light pulses running through the bidirectional loop in the reverse direction is 1 to 3 rad, in particular such that the predetermined pulse shape is reached.
  • control device is operatively connected to the bandwidth limitation element, which can be adjusted with respect to its central wavelength, and is set up to set the central wavelength of the bandwidth limitation element.
  • the bandwidth limitation element which can be adjusted with respect to its central wavelength, and is set up to set the central wavelength of the bandwidth limitation element.
  • the fiber oscillator has another filter element in addition to the adjustable bandwidth limitation element, wherein an overlapping area between the bandwidth limitation element and the filter element can be adjusted by adjusting the bandwidth or central wavelength of the adjustable bandwidth limitation element. In this way, an effective bandwidth of the Combination of the bandwidth limitation element and the filter element and thus in turn the central wavelength can be set with high precision.
  • the bandwidth limitation element can in particular be thermally or mechanically adjustable, for example by heating or cooling, or by stretching or compressing.
  • Adjustable bandwidth limitation can also be effected with a Fabry-Perot filter in which a distance between two surfaces responsible for the Fabry-Perot property is changed.
  • the control device is set up to generate a first, higher asymmetry in the bidirectional loop in a start operating mode by controlling the variably controllable asymmetry element, in order to promote a rapid start of the laser activity in the fiber oscillator, the control device being set up to to control the variably controllable asymmetry element in a continuous operating mode in order to generate a second, smaller asymmetry in the bidirectional loop in order to ensure stable continuous operation of the fiber oscillator.
  • the control device is set up to correspondingly control a variably controllable attenuation element, in particular to set a first, higher attenuation in the start operating mode and to set a second, lower attenuation in the continuous operating mode.
  • the object is also achieved in that a method for shaping a laser pulse is created, a predetermined pulse shape being provided for the laser pulse, in particular being specified.
  • the laser pulse is generated by an excitation laser, which is designed as a passively mode-locked fiber oscillator.
  • the passively mode-locked fiber oscillator has a bidirectional loop and a unidirectional loop, the bidirectional loop and the unidirectional loop being coupled together by a 3x3 coupler, the bidirectional loop having a first gain fiber.
  • At least one operating parameter of the excitation laser is matched to the predetermined pulse shape in such a way that the laser pulse emerging from an outcoupling port of the 3 ⁇ 3 coupler has the predetermined pulse shape.
  • the laser device according to the invention or a laser device according to one or more of the embodiments described above is used in order to generate and shape the laser pulse.
  • the advantages that have already been explained in connection with the laser device result in connection with the method.
  • the laser pulse is amplified in an amplifier device, the predetermined pulse shape being determined or specified in such a way that an amplification narrowing occurring in the amplifier device is at least partially compensated.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of a laser device with an excitation laser designed as a passively mode-locked fiber oscillator;
  • Figure 2 is a schematic representation of a second embodiment of a
  • Figure 3 is a schematic representation of a third embodiment of a
  • Figure 4 is a diagrammatic illustration of the operation of a bandwidth limiting element in a fiber oscillator
  • Figure 5 is a schematic representation of a fourth embodiment of a laser device.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the mode of operation of the laser device.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of a laser device 2 with an excitation laser 14 designed as a passively mode-locked fiber oscillator 1.
  • the fiber oscillator 1 has a bidirectional loop 3 and a unidirectional loop 5, with the bidirectional loop 3 and the unidirectional loop 5 passing through a 3 ⁇ 3 coupler 7 coupled to one another, in particular connected in a light-conducting manner.
  • a first amplification fiber 9 is arranged in the bidirectional loop 3 .
  • At least one operating parameter of the excitation laser 14 is set in such a way that a laser pulse emerging from an outcoupling port 10 of the 3 ⁇ 3 coupler 7 has a—spectral—pulse shape that has a depression at a central wavelength.
  • the correspondingly suitable amplifier device 12 which may occur in a downstream amplifier device 12—shown only schematically here
  • no additional optical components are then required for this compensation, so that the laser device 2 can have a simple structure with low optical losses at the same time.
  • the laser device 2 preferably has the amplifier device 12 , the amplifier device 12 being set up to amplify the laser pulse generated by the excitation laser 14 .
  • the at least one operating parameter of the excitation laser 14 is matched to the amplifier device in such a way that the pulse shape of the laser pulse at least partially, preferably completely, compensates for the narrowing of the gain occurring in the amplifier device 12 .
  • the at least one operating parameter of the excitation laser 14 is preferably selected from a group consisting of: a fiber length of the bidirectional loop 3, a non-linear phase shift in the bidirectional loop 3, in particular the optional arrangement or configuration of a non-reciprocal phase shifter - only shown schematically here 16 in the bidirectional loop and/or a pump power coupled into the amplifying fiber 9, a power split in the 3x3 coupler 7, and a phase shift in the 3x3 coupler 7.
  • the bidirectional loop 3 advantageously assumes the function of a saturable absorber, so that the fiber oscillator 1 can in particular dispense with a semiconductor-based saturable absorber mirror (Semiconductor Saturable Absorber Mirror), SESAM for short.
  • a semiconductor-based saturable absorber mirror semiconductor Saturable Absorber Mirror
  • SESAM semiconductor Saturable Absorber Mirror
  • a suitable choice of the first amplification fiber 9, in particular an element with which the first amplification fiber 9 is doped, can provide suitable wavelengths for the fiber oscillator 1, in particular in the range from approximately 900 nm to 1100 nm (ytterbium, neodymium) over 1500 nm ( erbium) to about 1900 to 2100 nm (thulium, holmium).
  • the amplification fiber 9 is designed as a bandwidth limitation element 59 and/or as a dispersion compensation element 60 .
  • the amplification fiber 9 can assume the function of bandwidth limitation due to its gain bandwidth.
  • the fiber oscillator 1 has an anomalous dispersion overall.
  • the fiber oscillator 1 has normal dispersion overall.
  • the first amplifying fiber 9 is preferably doped with at least one element selected from a group consisting of: ytterbium, neodymium, erbium, holmium, and thulium.
  • the first amplifying fiber 9 can also be doped with a combination of at least two of the elements mentioned, in particular with a combination of exactly two of these elements, in particular Er/Yb or Tm/Ho.
  • the bidirectional loop 3 preferably has an asymmetry for two light pulses which pass through the bidirectional loop 3 in opposite directions, in particular in the form of an asymmetry element 4.
  • This asymmetry can be achieved in particular by an asymmetrically arranged first amplifying element 6 and/or an asymmetrically arranged attenuating element 8 in of the bidirectional loop 3 can be effected.
  • the first reinforcement fiber 9 is arranged asymmetrically in the bidirectional loop 3 as the first reinforcement element 6 .
  • the bidirectional loop 3 is designed as a non-linear, amplifying loop mirror (NALM).
  • NALM non-linear, amplifying loop mirror
  • a coupling device 11 for coupling pump light is preferably arranged in the bidirectional loop 3 .
  • the coupling device 11 is preferably designed as a wavelength division multiplex coupler (WDM).
  • WDM wavelength division multiplex coupler
  • the coupling device 11 can also act as an attenuating element 8 here.
  • a tap coupler for example, can also be arranged in the bidirectional loop 3 as the attenuating element 8 .
  • An isolator device 13 in particular an isolator 15 , is preferably arranged in the unidirectional loop 5 .
  • the 3x3 coupler 7 is preferably set up to impart a phase shift of 2TC/3 ZU to light pulses which crosstalk between different direct connections of a plurality of ports 17 of the 3x3 coupler 7 .
  • the 3 ⁇ 3 coupler 7 has a first coupler side 18 and a second coupler side 20, each with three ports 17.
  • the unidirectional loop 5 is preferably connected to the first coupler side 18, with the bidirectional loop 3 being connected to the second coupler side 20.
  • the decoupling port 10 is preferably a free port 17, i.e. a port 17 not occupied by the unidirectional loop 5, of the first coupler side 18.
  • the 3 ⁇ 3 coupler 7 is preferably designed as a symmetrical coupler, and the bidirectional loop 3 is preferably set up to impart a phase shift of 1 rad to 3 rad between the opposing light pulses. Alternatively, however, it is also possible for the 3 ⁇ 3 coupler 7 to be designed asymmetrically.
  • the 3x3 coupler 7 has according to the embodiment shown here on the first coupler side 18 in particular a first port 17.1, a second port 17.2 and a third port 17.3, and on the second coupler side 20 a fourth port 17.4, a fifth port 17.5 and a sixth port 17.6 on.
  • the first port 17.1 is directly across a first fiber section
  • a first end 19 of the unidirectional loop 5 is optically connected to the third port 17.3.
  • a second end 21 of the unidirectional loop 5 is optically connected to the first port 17.1. Due to the configuration and arrangement of the isolator device 13, light pulses can only propagate along the unidirectional loop 5 from the third port 17.3 to the first port 17.1 in the exemplary embodiment shown here.
  • a first end 23 of the bidirectional loop 3 is optically connected to the fifth port 17.5.
  • a second end 25 of the bidirectional loop 3 is optically connected to the sixth port 17.6.
  • the fourth port 17.4 can preferably be used in order to decouple additional light pulses from the fiber oscillator 1, either as additional useful light or for monitoring.
  • a light pulse entering the 3x3 coupler 7 from the unidirectional loop 5 via the first port 17.1 is converted by the 3x3 coupler 7 into three light pulses with the same pulse energy on the fourth Port 17.4, the fifth port 17.5 and the sixth port 17.6 divided.
  • the light pulses at the fifth port 17.5 and at the sixth port 17.6 each experience a phase shift of 2TC/3 compared to the light pulse entering at the first port 17.1.
  • the light pulse at the fifth port 17.5 is referred to below as the first light pulse, and the light pulse at the sixth port 17.6 as the second light pulse.
  • the first light pulse now runs through the bidirectional loop 3 starting from its first end 23 to its second end 25, with the second light pulse running through the bidirectional loop 3 in the opposite direction.
  • the first light pulse and the second light pulse now experience different phase shifts or B integrals during their propagation along the bidirectional loop 3.
  • the difference in the B integrals or the phase shift between the first light pulse and the second light pulse depends in particular on the original intensity of the light pulses - before passing through the bidirectional loop 3 - and the amplification in the first amplification fiber 9, i.e. in particular on a pump level of the first amplification fiber 9.
  • the non-linear phase shift is preferably 1 rad to 3 wheel.
  • the second light pulse now speaks partially over into the direct optical connection between the sixth port 17.6 and the third port 17.3 and again experiences a phase shift of 2TC/3.
  • the first light pulse arriving at the sixth port 17.6 is partially forwarded directly to the third port 17.3 without experiencing a phase shift.
  • An output pulse at the third port 17.3 resulting from superposition—in particular constructive interference—of the first light pulse and the second light pulse thus depends in particular on the B integrals that the light pulses experience during their propagation along the bidirectional loop 3.
  • the bidirectional loop 3 acts as a saturable absorber.
  • part of the first arriving at the sixth port 17.6 speaks Light pulse in the immediate optical connection between the fifth port 17.5 and the second port 17.2 and experiences a phase shift of 2TC / 3.
  • the pulse shape of the light pulse exiting at the decoupling port 10, ie the second port 17.2 results from the superposition--particularly destructive interference--of the corresponding portions of the first light pulse and the second light pulse at the second port 17.2.
  • the first end 23 of the bidirectional loop 3 is connected to the fourth port 17.4 in a light-conducting manner.
  • the second end 25 of the bidirectional loop 3 is optically connected to the fifth port 17.5.
  • the mode of operation of this other exemplary embodiment is analogous to the mode of operation explained above.
  • the unidirectional loop 5 has no gain medium.
  • the first amplification fiber 9 is the only amplification medium here, in particular the only amplification fiber of the fiber oscillator 1.
  • Laser device 2 also preferably has a pumped light source 29, pumped light source 29 being optically connected to fiber oscillator 1, in particular to coupling device 11, so that pumped light from pumped light source 29 can be coupled into fiber oscillator 1.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a second exemplary embodiment of the laser device 2.
  • the unidirectional loop 5 has a reflecting arm 31 in which, in the second exemplary embodiment shown here, a reflector element 35 designed as a fiber Bragg grating 33 is arranged.
  • the reflecting arm 31 is connected to a ring part 39 of the unidirectional loop 5 via a circulator element 37 in a light-conducting manner.
  • the ring part 39 has a first ring branch 41 which is connected to the third port 17.3 of the 3x3 coupler 7 with a first ring branch end 43 and is connected to the circulator element 37 with a second ring branch end 45 .
  • the ring part 39 also has a second ring branch 47 which is connected to the circulator element 37 with a first ring branch end 49 and having a second ring end 51 connected to the first port 17.1 of the 3x3 coupler 7.
  • the circulator element 37 acts here as an isolator device 13.
  • a light pulse passing through the unidirectional loop 5 starting from the third port 17.3 to the first port 17.1 passes through the ring branches 41, 47 once, but passes through the reflecting arm 31 twice, namely once towards the reflector element 35 , and once from the reflector element 35 back.
  • a second amplification fiber 53 is arranged in the reflecting arm 31 as an additional second amplification element 52, which is preferably doped with the same element with which the first amplification fiber 9 is also doped.
  • the second amplification element 52 in particular the second amplification fiber 53, can also be arranged at a different point in the fiber oscillator 1.
  • the reflector element 35 is preferably designed to be partially transmitting or partially reflecting, with a predetermined proportion of light being coupled out of the fiber oscillator 1 via the reflector element 35, and pumping light for the second amplification fiber 53 being coupled into the unidirectional loop 5 via the reflector element 35.
  • the circulator element 37 acts in particular as an isolator element 57 in the unidirectional loop 5.
  • the reflector element 35 is preferably designed as a bandwidth limitation element 59;
  • the fiber Bragg grating 33--which is unchirped according to one embodiment-- is preferably designed as a bandwidth-limiting element 59.
  • the bandwidth limiting element 59 it is possible for the bandwidth limiting element 59 to be adjustable—in particular thermally or mechanically—with respect to its bandwidth.
  • the bandwidth limitation element 59 preferably has a bandwidth of at least 1 ⁇ m to at most 20 nm, preferably from at least 10 ⁇ m to at most 15 nm.
  • the fiber Bragg grating 33 is designed as a chirped fiber Bragg grating 33, it can additionally or alternatively function as a dispersion compensation element 60.
  • a dispersion-compensating fiber 71 may be arranged as a dispersion-compensation element 60 in the bidirectional loop 3 .
  • the laser device 2 has a control device 61, the control device 61 being operatively connected to the pumped light source 29 and set up, in particular to set the non-linear phase shift in the bidirectional loop 3 and thus in particular at the same time the predetermined pulse shape by selecting the pump power of the pumped light source 29 .
  • the control device 61 is alternatively or additionally operatively connected to the bandwidth limiting element 59, which is preferably adjustable in terms of its bandwidth - in particular thermally or mechanically - and is set up to set a bandwidth of the bandwidth limiting element 59, in particular to be able to preferably cover a larger pulse duration range than - possibly only by choosing the pump power.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a third exemplary embodiment of the laser device 2.
  • the unidirectional loop 5 consists of the ring part 39 - it accordingly has no reflective arm 31 - and has the additional second reinforcement element 52, here a third reinforcement fiber 63, in the ring part 39, with the third reinforcement fiber 63 preferably having is doped with the same element as the first amplification fiber 9.
  • the isolator device 13 is arranged as the isolator element 57 behind the third amplification fiber 63 in the propagation direction.
  • the isolator device 13 is here at the same time as a second coupling device 65--in addition to the coupling device 11, which is a first coupling device--for coupling pump light for the third amplification fiber 63, in particular as a wavelength-multiplier coupler.
  • a—preferably adjustable—bandpass filter 67 is optionally arranged as the bandwidth limitation element 59 in the unidirectional loop 5 in the propagation direction before the third amplifying fiber 63 .
  • a decoupling device 69 is optionally arranged in the unidirectional loop 5, which is preferably designed as a tap coupler.
  • useful light or light for monitoring the fiber oscillator 1 can be selectively coupled out via the coupling-out device 69 .
  • 4 shows a diagrammatic explanation of the mode of operation of the bandwidth limitation element 59. A plot of a spectral power density of a light pulse against the wavelength is shown at a). at b) a power density of the laser pulse over time is plotted against time.
  • a first, dashed curve Kl shows in the plots according to a) and b) a spectral or temporal shape of the light pulse before it passes through the bandwidth limitation element 59
  • a second, solid curve K2 shows the corresponding shape of the light pulse after passing through the bandwidth limitation element 59
  • the fiber oscillator 1 has normal dispersion overall, the interaction of normal dispersion and self-phase modulation generates strongly chirped light pulses in the fiber oscillator 1, which spread spectrally and temporally during their propagation.
  • the bandwidth limitation element 59 advantageously cuts off parts on both sides of the spectrum and thus shortens the light pulses not only spectrally, but also temporally, due to the strong chirp. In this way in particular, the boundary condition of the periodicity for a light pulse circulating in the fiber oscillator 1 can be met.
  • bandwidth limiting element 59 Specrally broader or narrower light pulses are obtained in particular. Depending on this, light pulses that are shorter or longer in time can be generated by means of the laser device 2 .
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a fourth exemplary embodiment of the laser device 2.
  • a dispersion-compensating fiber 71 is arranged in the unidirectional loop 5 as a dispersion-compensating element 60.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a fourth exemplary embodiment of the laser device 2.
  • a dispersion-compensating fiber 71 is arranged in the unidirectional loop 5 as a dispersion-compensating element 60.
  • dispersion compensation element 60 regardless of its configuration—in particular according to FIG. 2 or FIG. 5—it is possible to adjust the—in particular normal—total dispersion of the fiber oscillator 1 such that it is reduced, in particular close to zero.
  • a bandwidth limiting element 59 is preferably also provided in this exemplary embodiment.
  • the first amplifying fiber 9 can be embodied as a bandwidth limiting element 59 .
  • a bandpass filter for example, can also be provided as the bandwidth limitation element 59 . Irrespective of the specific design of the fiber oscillator 1--in particular according to one of the exemplary embodiments described above, all optical components of the fiber oscillator 1 are preferably designed to maintain polarization.
  • All optical components of the fiber oscillator 1 are preferably fiber components, or fiber-based components, or fiber-coupled components.
  • the fiber oscillator 1 preferably has no free beam component.
  • Fig. 6 shows a schematic representation of the mode of operation of the laser device 2.
  • A) shows a first diagram in which the normalized spectral power density S(X) is plotted in arbitrary units on the ordinate and the wavelength X is plotted on the abscissa, with the first diagram shows laser pulses as input pulses for the amplifier device 12 of a CPA system.
  • b) a second diagram is shown, in which the normalized spectral power density S(X) in arbitrary units is also on the ordinate and the wavelength /- - on the same scale as in a) - is plotted on the abscissa, with the second Diagram laser pulses are shown as the output pulses of the amplifier device 12 respectively assigned to the input pulses.
  • the amplifier device 12 has a finite amplification bandwidth, which results in a narrowing of the gain for laser pulses passing through the amplifier device 12 .
  • K3 designates a third dashed curve, which represents an uncompensated, in particular Gaussian, laser pulse.
  • this input pulse is associated with a fifth dashed curve labeled K5, which shows the corresponding output pulse of the amplifier device 12 that results when the input pulse passes through the amplifier device 12 according to the third curve K3.
  • K5 shows the corresponding output pulse of the amplifier device 12 that results when the input pulse passes through the amplifier device 12 according to the third curve K3.
  • the effect of the narrowing of the spectral gain can be clearly seen, with the fifth curve K5 having a significantly smaller spectral bandwidth than the third curve K3.
  • the bandwidth-limited temporal pulse duration of the compressed laser pulse of the CPA system is disadvantageously lengthened.
  • K4 again designates a fourth, solid curve, which represents a compensated laser pulse that is matched to the gain narrowing occurring in the amplifier device 12 and that has a depression 24 in particular at a central wavelength U.
  • This pulse shape is advantageous for narrowing the gain Amplifier device 12 is compensated, so that the corresponding output pulse of the amplifier device 12 shown in the second diagram at b) with a sixth solid curve K6 has no or only a slight spectral narrowing. This advantageously results in a significantly shorter bandwidth-limited temporal pulse duration of the compressed laser pulse of the CPA system, in particular in comparison to the laser pulse represented by the fifth curve K5.
  • a predetermined pulse shape is preferably provided for a laser pulse, in particular the predetermined pulse shape is determined in such a way that an amplification narrowing occurring in the amplifier device 12 is at least partially, preferably completely, compensated.
  • the laser pulse is then generated by means of the excitation laser 14 designed as a passively mode-locked fiber oscillator 1, with at least one operating parameter of the excitation laser 14 being matched to the predetermined pulse shape in such a way that the laser pulse emerging from the decoupling port 10 of the 3 ⁇ 3 coupler 7 has the predetermined pulse shape.

Abstract

The invention relates to a laser device (2), comprising – a seed laser (14), which is designed as a passively mode-locked fibre oscillator (1), wherein: the passively mode-locked fibre oscillator (1) has a bidirectional loop (3) and a unidirectional loop (5); the bidirectional loop (3) and the unidirectional loop (5) are coupled together by a 3x3 coupler (7); the bidirectional loop (3) has a first amplifying fibre (9); and at least one operating parameter of the seed laser (14) is adjusted so that a laser pulse exiting from a decoupling port (10) of the 3x3 coupler (7) has a pulse shape with a depression at a central wavelength (c), and comprising - an amplifier device (12), which is designed to amplify the laser pulse generated by the seed laser (14), wherein the at least one operating parameter of the seed laser (14) is matched to the amplifier device (12) so that a gain narrowing in the amplifier device (12) is at least partially compensated for by the pulse shape of the laser pulse.

Description

Laservorrichtung und Verfahren zum Formen eines Laserpulses Laser device and method for shaping a laser pulse
BESCHREIBUNG DESCRIPTION
Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung und ein Verfahren zum Formen eines Laserpulses. The invention relates to a laser device and a method for shaping a laser pulse.
Bei einer Laservorrichtung, die das Verstärkungsschema der sogenannten „Chirped Pulse Amplification“ (CPA) nutzt, verschmälert sich typischerweise das Spektrum eines Anregungslasers (Seed-Laser) in den nachfolgenden Verstärkungsstufen sukzessive aufgrund der endlichen Verstärkungsbandbreite des Verstärkermediums. Dieser im Folgenden als Verstärkungsverengung bezeichnete Effekt wird auch als Gain-Narrowing bezeichnet. Durch die spektrale Verengung verlängert sich die bandbreitenbegrenzte zeitliche Pulsdauer der Ausgangspulse der Laservorrichtung. In a laser device that uses the amplification scheme of so-called "Chirped Pulse Amplification" (CPA), the spectrum of an excitation laser (seed laser) typically narrows successively in the subsequent amplification stages due to the finite amplification bandwidth of the amplifier medium. This effect, referred to below as gain narrowing, is also referred to as gain narrowing. Due to the narrowing of the spectrum, the bandwidth-limited temporal pulse duration of the output pulses of the laser device is lengthened.
Aus US 9 401 580 Bl ist es bekannt, zur Vermeidung dieses Effekts einen passiven Pulsformungsfilter hinter dem Anregungslaser und vor der optischen Verstärkerkette anzuordnen, um den vom Anregungslaser kommenden Eingangspuls derart zu formen, dass der in der nachfolgenden Verstärkerkette auftretende Gain-Narrowing-Effekt vorkompensiert wird. Die Verwendung des passiven Pulsformungsfilters bedingt eine zusätzliche optische Komponente und damit einen komplexen Aufbau der Laservorrichtung, sowie außerdem Leistungsverluste. It is known from US Pat. No. 9,401,580 B1 to avoid this effect by arranging a passive pulse shaping filter behind the excitation laser and in front of the optical amplifier chain in order to shape the input pulse coming from the excitation laser in such a way that the gain narrowing effect occurring in the subsequent amplifier chain is precompensated becomes. The use of the passive pulse-shaping filter requires an additional optical component and thus a complex construction of the laser device, as well as power losses.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Laservorrichtung und ein Verfahren zum Formen eines Laserpulses zu schaffen, wobei die genannten Nachteile reduziert sind, vorzugsweise nicht auftreten. The invention is therefore based on the object of creating a laser device and a method for shaping a laser pulse, the disadvantages mentioned being reduced and preferably not occurring.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten bevorzugten Ausführungsformen. The object is achieved by providing the present technical teaching, in particular the teaching of the independent claims and the preferred embodiments disclosed in the dependent claims and the description.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Laservorrichtung geschaffen wird, die einen Anregungslaser aufweist, der als passiv modengekoppelter Faseroszillator ausgebildet ist. Der passiv modengekoppelte Faseroszillator weist eine bidirektionale Schleife und eine unidirektionale Schleife auf, wobei die bidirektionale Schleife und die unidirektionale Schleife durch einen 3x3-Koppler miteinander gekoppelt sind. Die bidirektionale Schleife weist eine erste Verstärkungsfaser auf. Zumindest ein Betriebsparameter des Anregungslasers ist derart eingestellt, dass ein aus einem Auskoppelport des 3x3-Kopplers austretender Laserpuls eine Pulsform aufweist, die bei einer Zentralwellenlänge der Pulsform eine Eintiefung aufweist. Auf diese Weise wird vorteilhaft der von dem Anregungslaser erzeugte und vorzugsweise zur Einkopplung in eine Verstärkerkette bestimmte Eingangspuls in dem Anregungslaser selbst geformt, insbesondere derart, dass ein in der nachfolgenden Verstärkerkette auftretender Gain-Narrowing-Effekt vorkompensiert wird. Die erfindungsgemäße Laservorrichtung kann somit - auch in Zusammenhang mit einer Verstärkung insbesondere gemäß dem Prinzip der CPA - ohne eine zusätzliche optischen Komponente wie einem Pulsformungsfilter verwendet werden, sodass der Aufbau der Laservorrichtung einfach ist, wobei keine durch eine solche zusätzliche optische Komponente verursachten Verluste auftreten. Durch die Vorkompensation des Eingangspulses wird außerdem vorteilhaft vermieden, dass sich die bandbreitenbegrenzte Pulsdauer der Ausgangspulse einer mit der der Laservorrichtung verwendeten Verstärkerkette verlängert. Im Ergebnis wird so ein CPA-System mit zeitlich kürzerer Pulsdauer ermöglicht. The object is achieved in particular by creating a laser device which has an excitation laser which is designed as a passively mode-locked fiber oscillator. The A passively mode-locked fiber oscillator has a bidirectional loop and a unidirectional loop, the bidirectional loop and the unidirectional loop being coupled together by a 3x3 coupler. The bi-directional loop includes a first gain fiber. At least one operating parameter of the excitation laser is set in such a way that a laser pulse emerging from an outcoupling port of the 3×3 coupler has a pulse shape that has a depression at a central wavelength of the pulse shape. In this way, the input pulse generated by the excitation laser and preferably intended for coupling into an amplifier chain is advantageously shaped in the excitation laser itself, in particular in such a way that a gain narrowing effect occurring in the subsequent amplifier chain is precompensated. The laser device according to the invention can thus be used without an additional optical component such as a pulse-shaping filter, also in connection with amplification, in particular according to the CPA principle, so that the construction of the laser device is simple, with no losses caused by such an additional optical component. The pre-compensation of the input pulse also advantageously avoids the bandwidth-limited pulse duration of the output pulses of an amplifier chain used with the laser device being lengthened. As a result, a CPA system with a shorter pulse duration is made possible.
Insbesondere wird der zumindest eine Betriebsparameter des Anregungslasers derart eingestellt, dass der aus dem Auskoppelport austretende Laserpuls eine spektrale Pulsform aufweist, die bei der Zentralwellenlänge eine Eintiefung aufweist. In particular, the at least one operating parameter of the excitation laser is set in such a way that the laser pulse emerging from the coupling-out port has a spectral pulse shape that has a depression at the central wavelength.
Unter einer Zentralwellenlänge wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere ein Mittelwert der über der Wellenlängenskala abgetragenen Pulsform verstanden, wenn die Pulsform symmetrisch ist, oder - insbesondere bei symmetrischer Pulsform - ein Median des Spektrums und/oder der spektralen Leistungsdichte der Pulsform, oder ein anderes geeignetes Maß zur Bestimmung einer mittleren oder zentralen Wellenlänge der Pulsform, insbesondere eines Schwerpunkts der Pulsform auf der Wellenlängenskala. In the context of the present technical teaching, a central wavelength is understood to mean, in particular, a mean value of the pulse shape plotted over the wavelength scale if the pulse shape is symmetrical, or - in particular in the case of a symmetrical pulse shape - a median of the spectrum and/or the spectral power density of the pulse shape, or another suitable measure for determining a mean or central wavelength of the pulse shape, in particular a centroid of the pulse shape on the wavelength scale.
Darunter, dass die Pulsform bei der Zentralwellenlänge eine Eintiefung aufweist, wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere verstanden, dass eine spektrale Leistungsdichte der Pulsform im Bereich der Zentralwellenlänge geringer ist als in Pulsflanken der Pulsform oberhalb und unterhalb des Bereichs der Zentralwellenlänge. Die Pulsform weist also insbesondere im Bereich der Zentralwellenlänge eine Delle auf. Insbesondere ist eine über der Wellenlängenskala abgetragene spektrale Leistungsdichte der Pulsform am Ort der Zentralwellenlänge geringer als an mindestens einem anderen Ort auf der Wellenlängenskala unterhalb der Zentralwellenlänge und an mindestens einem anderen Ort auf der Wellenlängenskala oberhalb der Zentralwellenlänge. Insbesondere liegt ein Maximum der spektralen Leistungsdichte der Pulsform nicht am Ort der Zentralwellenlänge. Insbesondere weist die spektrale Leistungsdichte bevorzugt zwei Maxima auf, nämlich ein erstes Maximum unterhalb der Zentralwellenlänge und ein zweites Maximum oberhalb der Zentral weilenlänge. In the context of the present technical teaching, the fact that the pulse shape has a depression at the central wavelength is understood in particular to mean that a spectral power density of the pulse shape in the region of the central wavelength is lower than in pulse flanks of the pulse shape above and below the region of the central wavelength. The pulse shape therefore has a dent, particularly in the area of the central wavelength. In particular, a spectral power density of the pulse shape plotted against the wavelength scale at the location of the Center wavelength less than at least one other location on the wavelength scale below the center wavelength and at least one other location on the wavelength scale above the center wavelength. In particular, a maximum of the spectral power density of the pulse shape does not lie at the location of the central wavelength. In particular, the spectral power density preferably has two maxima, namely a first maximum below the central wavelength and a second maximum above the central wavelength.
Unter einem Faseroszillator wird insbesondere ein Laseroszillator verstanden, der mindestens eine optische Komponente, insbesondere zur Lichtleitung und/oder Lichtbeeinflussung, aufweist, die eine Faser aufweist oder aus einer Faser besteht. In bevorzugter Ausgestaltung ist es möglich, dass alle optischen Komponenten des Faseroszillators Faserkomponenten sind, das heißt Komponenten, die die insbesondere eine Faser aufweisen oder aus einer Faser bestehen, insbesondere faserbasierte Komponenten oder fasergekoppelte Komponenten. A fiber oscillator is understood to mean, in particular, a laser oscillator which has at least one optical component, in particular for guiding and/or influencing light, which has a fiber or consists of a fiber. In a preferred embodiment it is possible for all optical components of the fiber oscillator to be fiber components, ie components which in particular have a fiber or consist of a fiber, in particular fiber-based components or fiber-coupled components.
Unter einer Schleife wird ein optischer Teil des Faseroszillators verstanden, der ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei sowohl das erste Ende als auch das zweite Ende mit einer selben Anschlusskomponente des Faseroszillators, hier insbesondere mit dem 3x3 -Koppler, gekoppelt sind. Dies bedeutet insbesondere, dass Lichtpulse, die die Schleife ausgehend von der Anschlusskomponente durchlaufen, entlang der Schleife wieder zurück zu der Anschlusskomponente gelangen. Eine solche Schleife kann insgesamt als Ring ausgebildet sein; insbesondere besteht die Schleife in diesem Fall aus einem Ringteil. Es ist aber auch möglich, dass eine solche Schleife mindestens einen Ringteil und mindestens einen mit dem Ringteil lichtleitend verbundenen linearen Ast aufweist, insbesondere genau einen Ringteil und genau einen linearen Ast. A loop is understood to mean an optical part of the fiber oscillator which has a first end and a second end, both the first end and the second end being coupled to the same connection component of the fiber oscillator, here in particular to the 3x3 coupler. This means, in particular, that light pulses that run through the loop starting from the connection component return along the loop to the connection component. Such a loop can be designed as a ring as a whole; in particular, in this case the loop consists of a ring part. However, it is also possible for such a loop to have at least one ring part and at least one linear branch light-conductingly connected to the ring part, in particular precisely one ring part and precisely one linear branch.
Unter einer bidirektionalen Schleife wird insbesondere eine Schleife verstanden, bei der Lichtpulse sowohl von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende hin, als auch von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende hin - also in beide Richtungen - propagieren können. Insbesondere weist die bidirektionale Schleife mit der ersten Verstärkungsfaser die Funktion eines sättigbaren Absorbers auf. A bidirectional loop is understood to mean, in particular, a loop in which light pulses can propagate both from the first end to the second end and from the second end to the first end—ie in both directions. In particular, the bidirectional loop with the first amplification fiber has the function of a saturable absorber.
Unter einer unidirektionalen Schleife wird insbesondere eine Schleife verstanden, bei der Lichtpulse nur in einer ausgezeichneten Richtung, entweder von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende hin oder von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende hin, entlang der Schleife propagieren können. Bevorzugt ist in der unidirektionalen Schleife eine Isolatoreinrichtung, insbesondere ein Isolator, angeordnet, wobei die Isolatoreinrichtung eingerichtet ist, um Lichtpulse nur in einer Richtung durchzulassen, in der anderen Richtung aber zu blockieren, beispielsweise durch Ausnutzung des Faraday-Effekts, oder in anderer geeigneter Weise. Die Isolatoreinrichtung ist bevorzugt in einem Ringteil der unidirektionalen Schleife angeordnet. A unidirectional loop is understood to mean, in particular, a loop in which light pulses can propagate along the loop only in one distinct direction, either from the first end to the second end or from the second end to the first end. An isolator device is preferred in the unidirectional loop, in particular a Isolator, arranged, wherein the isolator device is set up to allow light pulses to pass through only in one direction, but to block them in the other direction, for example by utilizing the Faraday effect, or in another suitable manner. The isolator means is preferably arranged in a ring part of the unidirectional loop.
Die bidirektionale Schleife ist bevorzugt eine erste Faserschleife. The bi-directional loop is preferably a first fiber loop.
Unter einer Faserschleife wird dabei eine Schleife verstanden, die zumindest bereichsweise eine Faser aufweist oder aus einer Faser besteht. In einer Ausführungsform besteht die Faserschleife insgesamt aus einer Faser oder ist aus einer Mehrzahl miteinander verbundener Fasern zusammengesetzt. A fiber loop is understood to be a loop that has a fiber at least in some areas or consists of a fiber. In one embodiment, the fiber loop consists entirely of one fiber or is composed of a plurality of interconnected fibers.
Die unidirektionale Schleife ist bevorzugt eine zweite Faserschleife. In einer Ausführungsform ist die unidirektionale Schleife als unidirektionaler Ring ausgebildet. The unidirectional loop is preferably a second fiber loop. In one embodiment, the unidirectional loop is formed as a unidirectional ring.
In einer Ausführungsform der Laservorrichtung weist die bidirektionale Schleife eine Asymmetrie auf. Insbesondere ist bei einer Ausführungsform vorgesehen, dass die bidirektionale Schleife für zwei die bidirektionale Schleife in entgegengesetzte Richtungen durchlaufende Lichtpulse asymmetrisch ausgestaltet ist. In an embodiment of the laser device, the bidirectional loop has an asymmetry. In particular, in one embodiment it is provided that the bidirectional loop is configured asymmetrically for two light pulses passing through the bidirectional loop in opposite directions.
Insbesondere weist die bidirektionale Schleife ein Asymmetrieelement auf, insbesondere ein asymmetrisch angeordnetes erstes Verstärkungselement für eine asymmetrische Verstärkung, und/oder ein asymmetrisch angeordnetes Abschwächelement für eine asymmetrische Abschwächung, der in entgegengesetzte Richtungen entlang der bidirektionalen Schleife propagierenden Lichtpulse. Das Asymmetrieelement ist allgemein eingerichtet und/oder angeordnet, um einen Unterschied in der jeweiligen Selbstphasenmodulation zwischen einem in einer bestimmten ersten Richtung entlang der bidirektionalen Schleife propagierenden Lichtpuls und einem in der anderen, zweiten Richtung entlang der bidirektionalen Schleife propagierenden Lichtpuls zu erzeugen. Das Asymmetrieelement kann aber in einer Ausführungsform auch als nicht-reziproker Phasenschieber ausgebildet sein. In particular, the bidirectional loop has an asymmetry element, in particular an asymmetrically arranged first amplification element for asymmetrical amplification, and/or an asymmetrically arranged attenuation element for asymmetrical attenuation of the light pulses propagating in opposite directions along the bidirectional loop. The asymmetry element is generally set up and/or arranged to generate a difference in the respective self-phase modulation between a light pulse propagating in a certain first direction along the bidirectional loop and a light pulse propagating in the other, second direction along the bidirectional loop. In one embodiment, however, the asymmetry element can also be in the form of a non-reciprocal phase shifter.
Das asymmetrisch angeordnete erste Verstärkungselement ist bevorzugt bezüglich der Verstärkung variabel einstellbar. Insbesondere wenn die erste Verstärkungsfaser als das asymmetrisch angeordnete erste Verstärkungselement, das heißt Asymmetrieelement, ausgebildet ist, kann durch Variation der Pumpleistung eine variable Verstärkung verwirklicht werden. Alternativ oder zusätzlich ist das asymmetrisch angeordnete Abschwächelement bevorzugt bezüglich der Abschwächung variabel einstellbar. The asymmetrically arranged first reinforcement element can preferably be variably adjusted with regard to the reinforcement. In particular, if the first amplification fiber is designed as the asymmetrically arranged first amplification element, that is to say asymmetrical element, variable amplification can be implemented by varying the pump power. Alternatively or additionally, the asymmetrically arranged attenuation element can preferably be variably adjusted with regard to the attenuation.
Allgemein kann über eine variable Einstellung des Asymmetrieelements eine variable nichtlineare Phasenverschiebung zwischen den beiden gegenläufigen Lichtpulsen in der bidirektionalen Schleife verwirklicht werden; insbesondere kann die Phasenverschiebung durch variable Ansteuerung des Asymmetrieelements eingestellt werden. In general, a variable, non-linear phase shift between the two counter-propagating light pulses in the bidirectional loop can be realized via a variable setting of the asymmetry element; In particular, the phase shift can be adjusted by variable activation of the asymmetry element.
Insbesondere kann gemäß einer Ausführungsform die erste Verstärkungsfaser asymmetrisch in der bidirektionalen Schleife angeordnet sein. Dies bedeutet insbesondere, dass die erste Verstärkungsfaser näher an dem ersten Ende der bidirektionalen Schleife angeordnet ist als an dem zweiten Ende, oder umgekehrt. Alternativ kann gemäß einer anderen Ausführungsform vorgesehen sein, dass in der bidirektionalen Schleife ein asymmetrisch angeordnetes Abschwächelement, insbesondere ein asymmetrisch angeordnetes Auskoppelelement, beispielsweise ein Tap-Koppler, oder ein Filter, ein Polarisationsabschwächer oder dergleichen, angeordnet ist. Die genannten Ausführungsformen können auch miteinander kombiniert werden. In particular, according to one embodiment, the first reinforcement fiber can be arranged asymmetrically in the bidirectional loop. This means in particular that the first reinforcement fiber is arranged closer to the first end of the bidirectional loop than to the second end, or vice versa. Alternatively, according to another embodiment, it can be provided that an asymmetrically arranged attenuating element, in particular an asymmetrically arranged decoupling element, for example a tap coupler, or a filter, a polarization attenuator or the like is arranged in the bidirectional loop. The embodiments mentioned can also be combined with one another.
Insbesondere ist die bidirektionale Schleife bevorzugt als nichtlinearer, verstärkender Schleifenspiegel (Nonlinear Amplifying Loop Mirror - NALM) ausgebildet. In diesem Fall weist die bidirektionale Schleife eine Asymmetrie auf, sodass verschiedene Lichtpulse, welche die bidirektionale Schleife in verschiedenen Richtungen durchlaufen, abhängig von ihrer Umlaufrichtung einen längeren Teil der bidirektionalen Schleife mit verschiedenem Intensitätsniveau passieren, da sie - bezogen auf die Laufstrecke der bidirektionalen Schleife - früher oder später verstärkt und/oder abgeschwächt werden. Dies führt aufgrund der Selbstphasenmodulation in der bidirektionalen Schleife zu einer nichtlinearen Phasenverschiebung zwischen zwei die bidirektionale Schleife einander entgegengesetzt durchlaufenden Lichtpulsen, wobei diese Phasenverschiebung selbst wiederum intensitätsabhängig ist. Die Phasenverschiebung zwischen den beiden Lichtpulsen wiederum beeinflusst deren Koppelverhalten an dem 3x3-Koppler. Auf diese Weise werden Lichtpulse höherer Intensität bevorzugt in der passenden Propagationsrichtung über den 3x3 -Koppler aus der bidirektionalen Schleife in die unidirektionale Schleife eingespeist, wodurch insbesondere die als NALM ausgebildete bidirektionale Schleife die Funktion eines sättigbaren Absorbers erfüllen kann. Die Schleifenanordnung aus der bidirektionalen Schleife und der unidirektionalen Schleife, die über den 3x3-Koppler miteinander gekoppelt sind, und damit auch insgesamt der Faseroszillator, weist bevorzugt eine sogenannte Ziffer-8-Konfiguration (Figure-8-configuration) auf. In particular, the bidirectional loop is preferably designed as a nonlinear, amplifying loop mirror (NALM). In this case, the bidirectional loop has an asymmetry, so that different light pulses, which pass through the bidirectional loop in different directions, pass through a longer part of the bidirectional loop with different intensity levels, depending on their direction of circulation, because - in relation to the running distance of the bidirectional loop - be strengthened and/or weakened sooner or later. Because of the self-phase modulation in the bidirectional loop, this leads to a non-linear phase shift between two light pulses that pass through the bidirectional loop in opposite directions, this phase shift itself in turn being intensity-dependent. The phase shift between the two light pulses in turn influences their coupling behavior at the 3x3 coupler. In this way, light pulses of higher intensity are preferably fed in the appropriate propagation direction via the 3×3 coupler from the bidirectional loop into the unidirectional loop, as a result of which the bidirectional loop designed as NALM in particular can fulfill the function of a saturable absorber. The loop arrangement made up of the bidirectional loop and the unidirectional loop, which are coupled to one another via the 3×3 coupler, and thus also the fiber oscillator overall, preferably has a so-called figure 8 configuration.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Laservorrichtung eine Verstärkervorrichtung aufweist, die eingerichtet ist, um den von dem Anregungslaser erzeugten Laserpuls zu verstärken. Der zumindest eine Betriebsparameter des Anregungslasers ist derart auf die Verstärkervorrichtung abgestimmt, dass durch die Pulsform des Laserpulses, die die Eintiefung bei der Zentralwellenlänge aufweist, eine in der Verstärkervorrichtung auftretende Verstärkungsverengung (Gain narrowing) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, kompensiert wird. Insoweit verwirklichen sich in besonderer Weise die zuvor bereits beschriebenen Vorteile, wenn die Laservorrichtung selbst die Verstärkervorrichtung aufweist. Insbesondere weist die Verstärkervorrichtung eine Mehrzahl von Verstärkern oder Verstärkerstufen auf. Insbesondere ist die Verstärkervorrichtung als Verstärkerkette ausgebildet. Insbesondere ist die Verstärkervorrichtung als CPA-System ausgebildet, das heißt die Verstärkung in der Verstärkervorrichtung erfolgt nach dem Prinzip der „Chirped Pulse Amplification“ (CPA). According to one development of the invention, it is provided that the laser device has an amplifier device that is set up to amplify the laser pulse generated by the excitation laser. The at least one operating parameter of the excitation laser is matched to the amplifier device in such a way that the pulse shape of the laser pulse, which has the depression at the central wavelength, at least partially, preferably completely, compensates for a gain narrowing that occurs in the amplifier device. In this respect, the advantages already described above are realized in a special way if the laser device itself has the amplifier device. In particular, the amplifier device has a plurality of amplifiers or amplifier stages. In particular, the amplifier device is designed as an amplifier chain. In particular, the amplifier device is designed as a CPA system, ie the amplification in the amplifier device takes place according to the principle of "chirped pulse amplification" (CPA).
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zumindest eine Betriebsparameter des Anregungslasers ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Faserlänge der bidirektionalen Schleife, einer Faserlänge der ersten Verstärkungsfaser, einer nichtlinearen Phasenverschiebung in der bidirektionalen Schleife, insbesondere der Anordnung oder Ausgestaltung eines nicht-reziproken Phasenschiebers in der bidirektionalen Schleife und/oder einer in die erste Verstärkungsfaser eingekoppelten Pumpleistung, einer Leistungsaufteilung in dem 3x3-Koppler, und einer Phasenverschiebung in dem 3x3-Koppler. According to a development of the invention, it is provided that the at least one operating parameter of the excitation laser is selected from a group consisting of: a fiber length of the bidirectional loop, a fiber length of the first amplifying fiber, a nonlinear phase shift in the bidirectional loop, in particular the arrangement or configuration of a non-reciprocal phase shifter in the bidirectional loop and/or a pump power coupled into the first gain fiber, a power split in the 3x3 coupler, and a phase shift in the 3x3 coupler.
Unter einem Betriebsparameter wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre ein Parameter verstanden, der den Betrieb oder die Betriebsweise des Anregungslasers beeinflusst oder bestimmt. Dabei kann es sich um einen zeitlich konstanten, insbesondere durch die Bauweise oder die Materialwahl für den Anregungslaser festgelegten Parameter handeln; es kann sich aber auch um einen zeitlich variablen, insbesondere einstellbaren oder vorgebbaren Parameter handeln, der insbesondere im Betrieb des Anregungslasers verändert werden kann. Insbesondere ist ein Betriebsparameter des Anregungslasers ein solcher Parameter, der die nichtlineare Phasenverschiebung zwischen den beiden die bidirektionale Schleife in entgegengesetzte Richtungen durchlaufenden Laserpulse beeinflusst oder bestimmt. Durch geeignete Wahl eines solchen Betriebsparameters und dadurch geeignete Anpassung der nichtlinearen Phasenverschiebung kann die Pulsform für den Laserpuls, insbesondere die Eintiefung bei der Zentralwellenlänge, derart gewählt werden, dass eine in einer nachfolgenden Verstärkervorrichtung auftretende Verstärkungsverengung zumindest teilweise, vorzugweise vollständig, kompensiert wird. In the context of the present technical teaching, an operating parameter is understood to be a parameter that influences or determines the operation or the mode of operation of the excitation laser. This can be a parameter that is constant over time, one that is determined in particular by the design or the choice of material for the excitation laser; however, it can also be a parameter that is variable over time, in particular an adjustable or predeterminable parameter, which can be changed in particular during operation of the excitation laser. In particular, an operating parameter of the excitation laser is such a parameter that influences or determines the nonlinear phase shift between the two laser pulses traversing the bidirectional loop in opposite directions. By suitably selecting such an operating parameter and thereby suitably adapting the non-linear Phase shift, the pulse shape for the laser pulse, in particular the deepening at the central wavelength, can be selected in such a way that an amplification narrowing occurring in a subsequent amplifier device is at least partially, preferably completely, compensated.
In einer Ausführungsform der Laservorrichtung ist der zumindest eine Betriebsparameter ein Betriebsparameter des Asymmetrieelements. Insbesondere wird der zumindest eine Betriebsparameter bevorzugt durch Einstellen des Asymmetrieelements gewählt oder vorgegeben. In one embodiment of the laser device, the at least one operating parameter is an operating parameter of the asymmetry element. In particular, the at least one operating parameter is preferably selected or specified by setting the asymmetry element.
Der 3x3-Koppler weist insbesondere eine Mehrzahl von Ports, insbesondere sechs Ports, auf. In einer Ausführungsform der Laservorrichtung ist der 3x3-Koppler symmetrisch ausgebildet, was insbesondere bedeutet, dass Lichtpulse zu gleichen Anteilen auf die verschiedenen Ports des 3x3- Kopplers aufgeteilt werden. Insbesondere weist somit der 3x3-Koppler eine symmetrische Leistungsaufteilung auf. Unter einem Port wird dabei ein Anschluss des 3x3-Koppler verstanden, der als Eingang oder als Ausgang wirken, insbesondere mit einer Faser lichtleitend verbunden werden kann. In particular, the 3×3 coupler has a plurality of ports, in particular six ports. In one embodiment of the laser device, the 3x3 coupler is designed symmetrically, which means in particular that light pulses are distributed in equal proportions to the different ports of the 3x3 coupler. In particular, the 3×3 coupler thus has a symmetrical power distribution. A port is understood to be a connection of the 3x3 coupler that acts as an input or as an output, and can be connected in particular to a fiber in a light-conducting manner.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der 3x3-Koppler eine erste Kopplerseite und eine zweite Kopplerseite mit jeweils - pro Kopplerseite - drei Ports aufweist, wobei die unidirektionale Schleife mit der ersten Kopplerseite und die bidirektionale Schleife mit der zweiten Kopplerseite verbunden ist, und wobei der Auskoppelport ein freier Port der ersten Kopplerseite ist. Insbesondere auf diese Weise lässt sich die angestrebte Pulsform mit der Eintiefung bei der Zentralwellenlänge vorteilhaft erreichen. Unter einem freien Port wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere ein Port verstanden, der nicht mit der unidirektionalen Schleife verbunden ist. Der Auskoppelport als freier Port ist also insbesondere ein nicht durch die unidirektionale Schleife belegter Port. Dies schließt nicht aus, dass der Auskoppelport mit mindestens einem anderen optischen Element verbunden und in diesem Sinn belegt ist. According to a development of the invention, it is provided that the 3x3 coupler has a first coupler side and a second coupler side, each with - per coupler side - three ports, the unidirectional loop being connected to the first coupler side and the bidirectional loop to the second coupler side, and the decoupling port being a free port on the first coupler side. In this way in particular, the desired pulse shape with the indentation at the central wavelength can be advantageously achieved. In the context of the present technical teaching, a free port is understood to mean, in particular, a port that is not connected to the unidirectional loop. The decoupling port as a free port is therefore in particular a port not occupied by the unidirectional loop. This does not preclude the coupling-out port from being connected to at least one other optical element and being occupied in this sense.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der 3x3-Koppler auf der ersten Kopplerseite von zwei Kopplerseiten des 3x3 -Kopplers einen ersten Port, einen zweiten Port und einen dritten Port aufweist, wobei der 3x3-Koppler auf der zweiten Kopplerseite der beiden Kopplerseiten einen vierten Port, einen fünften Port und einen sechsten Port aufweist. Der erste Port ist unmittelbar über einen Faserabschnitt mit dem vierten Port lichtleitend verbunden, wobei der zweite Port unmittelbar über einen Faserabschnitt mit dem fünften Port lichtleitend verbunden ist, wobei der dritte Port unmittelbar über einen Faserabschnitt mit dem sechsten Port lichtleitend verbunden ist. Lichtpulse, die zwischen zwei unmittelbar miteinander verbundenen Ports propagieren, erfahren insbesondere keinen Phasensprung. Der 3x3-Koppler ist insbesondere so eingerichtet, dass Lichtpulse zwischen den unmittelbaren Verbindungen der Ports übersprechen können, wobei sie eine Phasenverschiebung erfahren, die bevorzugt - unabhängig davon, zwischen welchen zwei Verbindungen ein Lichtpuls überspricht - 2TC/3 beträgt. According to a development of the invention, it is provided that the 3x3 coupler has a first port, a second port and a third port on the first coupler side of two coupler sides of the 3x3 coupler, with the 3x3 coupler on the second coupler side of the two coupler sides having one fourth port, a fifth port and a sixth port. The first port is optically connected directly to the fourth port via a fiber section, with the second port being optically connected directly to the fifth port via a fiber section is, wherein the third port is optically connected directly via a fiber section with the sixth port. In particular, light pulses that propagate between two ports that are directly connected to one another experience no phase jump. In particular, the 3x3 coupler is set up in such a way that light pulses can crosstalk between the direct connections of the ports, experiencing a phase shift which is preferably 2TC/3, regardless of between which two connections a light pulse crosstalks.
In einer Ausführungsform des Faseroszillators ist der 3x3-Koppler allgemein eingerichtet, um Lichtpulsen, die zwischen verschiedenen unmittelbaren Verbindungen der Ports des 3x3-Kopplers übersprechen, eine Phasenverschiebung von 2TC/3 ZU vermitteln. Es ist auch eine andere Ausführungsform möglich, bei welcher der 3x3-Koppler asymmetrisch ausgestaltet ist, wobei sich dann andere Phasenverschiebungen für die zwischen verschiedenen unmittelbaren optischen Verbindungen der Ports übersprechenden Lichtpulse ergeben. Dieser Effekt kann gezielt genutzt werden, um die spektrale Pulsform insbesondere zur Kompensation einer nachfolgenden Verstärkungsverengung abzustimmen. Insbesondere kann dieser Effekt gezielt in Kombination mit einer geeigneten Abstimmung der Pumpleistung für die Verstärkung in der bidirektionalen Schleife zur Abstimmung der spektralen Pulsform genutzt werden. In one embodiment of the fiber oscillator, the 3x3 coupler is generally arranged to impart a phase shift of 2TC/3 ZU to light pulses that crosstalk between different proximate connections of the ports of the 3x3 coupler. Another embodiment is also possible, in which the 3×3 coupler is designed asymmetrically, other phase shifts then resulting for the light pulses crosstalking between different direct optical connections of the ports. This effect can be used in a targeted manner in order to tune the spectral pulse shape, in particular to compensate for a subsequent reduction in amplification. In particular, this effect can be used in a targeted manner in combination with a suitable tuning of the pump power for amplification in the bidirectional loop for tuning the spectral pulse shape.
In einer ersten Ausführungsform der Laservorrichtung ist ein erstes Ende der bidirektionalen Schleife mit dem vierten Port lichtleitend verbunden, wobei ein zweites Ende der bidirektionalen Schleife mit dem fünften Port lichtleitend verbunden ist, und wobei der Auskoppelport der zweite Port des 3x3-Kopplers ist. Der sechste Port kann bevorzugt verwendet werden, um zusätzlich Lichtpulse aus dem Faseroszillator auszukoppeln, sei es als weiteres Nutzlicht oder zur Überwachung. In a first embodiment of the laser device, a first end of the bidirectional loop is optically connected to the fourth port, a second end of the bidirectional loop is optically connected to the fifth port, and the output coupling port is the second port of the 3x3 coupler. The sixth port can preferably be used to decouple additional light pulses from the fiber oscillator, either as additional useful light or for monitoring.
In einer anderen, zweiten Ausführungsform der Laservorrichtung ist das erste Ende der bidirektionalen Schleife mit dem fünften Port lichtleitend verbunden, wobei das zweite Ende der bidirektionalen Schleife mit dem sechsten Port lichtleitend verbunden ist, und wobei der Auskoppelport der zweite Port des 3x3-Kopplers ist. Der vierte Port kann bevorzugt verwendet werden, um zusätzlich Lichtpulse aus dem Faseroszillator auszukoppeln, sei es als weiteres Nutzlicht oder zur Überwachung. In another, second embodiment of the laser device, the first end of the bidirectional loop is optically connected to the fifth port, the second end of the bidirectional loop is optically connected to the sixth port, and the output coupling port is the second port of the 3x3 coupler. The fourth port can preferably be used to decouple additional light pulses from the fiber oscillator, be it as additional useful light or for monitoring.
Ein erstes Ende der unidirektionalen Schleife ist mit dem dritten Port lichtleitend verbunden, wobei ein zweites Ende der unidirektionalen Schleife mit dem ersten Port lichtleitend verbunden ist. Die unidirektionale Schleife ist bevorzugt derart eingerichtet - insbesondere durch die Isolatoreinrichtung dass ein Lichtpuls entlang der unidirektionalen Schleife nur von dem dritten Port zu dem ersten Port gelangen kann - oder umgekehrt. A first end of the unidirectional loop is optically connected to the third port, and a second end of the unidirectional loop is optically connected to the first port. The unidirectional loop is preferably set up in such a way - in particular by the Isolator means that a light pulse along the unidirectional loop can only get from the third port to the first port - or vice versa.
In der vorliegenden Beschreibung werden insbesondere bestimmte Ausführungsformen des 3x3- Kopplers unter Berücksichtigung bestimmter möglicher Anordnungen und Verknüpfungen von Ports des 3x3-Kopplers beschrieben. Der Fachmann erkennt dabei ohne weiteres, dass andere Ausführungsformen existieren, die zu den beschriebenen Anordnungen äquivalent, nahezu äquivalent oder zumindest funktionsgleich sind, jedenfalls aber denselben Zweck erfüllen. In the present specification, specific embodiments of the 3x3 coupler are described in particular with regard to specific possible arrangements and connections of ports of the 3x3 coupler. The person skilled in the art will readily recognize that other embodiments exist which are equivalent, nearly equivalent or at least functionally identical to the arrangements described, but in any case fulfill the same purpose.
Ohne an die Theorie und die konkrete Ausführungsform gebunden sein zu wollen, wird im Folgenden die Funktion des Faseroszillators in Zusammenhang mit der zuvor genannten zweiten Ausführungsform näher erläutert: Ein aus der unidirektionalen Schleife über den ersten Port in den 3x3-Koppler eintretender Lichtpuls wird dort in drei Lichtpulse mit gleicher Pulsenergie auf den vierten Port, den fünften Port und den sechsten Port aufgeteilt. Die Lichtpulse am fünften Port und am sechsten Port erfahren jeweils gegenüber dem am ersten Port eintretenden Lichtpuls die Phasenverschiebung von 2 /3. Der Lichtpuls am fünften Port wird im Folgenden als erster Lichtpuls bezeichnet, der Lichtpuls am sechsten Port als zweiter Lichtpuls. Der erste Lichtpuls durchläuft nun die bidirektionale Schleife ausgehend von dem ersten Ende hin zu dem zweiten Ende - nämlich vom fünften Port zum sechsten Port, wobei der zweite Lichtpulse die bidirektionale Schleife in umgekehrter Richtung durchläuft - nämlich vom sechsten Port zum fünften Port. Without wishing to be bound to the theory and the specific embodiment, the function of the fiber oscillator in connection with the aforementioned second embodiment is explained in more detail below: A light pulse entering the 3x3 coupler from the unidirectional loop via the first port is three light pulses with the same pulse energy divided between the fourth port, the fifth port and the sixth port. The light pulses at the fifth port and at the sixth port each experience a phase shift of 2/3 compared to the light pulse entering at the first port. The light pulse at the fifth port is referred to below as the first light pulse, and the light pulse at the sixth port as the second light pulse. The first light pulse now runs through the bidirectional loop starting from the first end to the second end - namely from the fifth port to the sixth port, with the second light pulse running through the bidirectional loop in the opposite direction - namely from the sixth port to the fifth port.
Aufgrund der asymmetrischen Ausgestaltung der bidirektionalen Schleife erfahren nun der erste Lichtpuls und der zweite Lichtpuls verschiedene Phasenverschiebungen bzw. B-Integrale während ihrer Propagation entlang der bidirektionalen Schleife. Der Unterschied in den B-Integralen bzw. die Phasenverschiebung zwischen dem ersten Lichtpuls und dem zweiten Lichtpuls hängt insbesondere ab von der Ursprungsintensität der Lichtpulse - vor Durchlaufen der bidirektionalen Schleife - und der Verstärkung und/oder Abschwächung in dem Asymmetrieelement, insbesondere der Verstärkung in der ersten Verstärkungsfaser, insbesondere also von einem Pumpniveau der ersten Verstärkungsfaser. Auch die Abschwächung kann gegebenenfalls variabel ausgestaltet sein, um die Phasenverschiebung zu beeinflussen. Because of the asymmetrical configuration of the bidirectional loop, the first light pulse and the second light pulse now experience different phase shifts or B integrals during their propagation along the bidirectional loop. The difference in the B integrals or the phase shift between the first light pulse and the second light pulse depends in particular on the original intensity of the light pulses - before passing through the bidirectional loop - and the amplification and/or attenuation in the asymmetry element, in particular the amplification in the first amplification fiber, ie in particular from a pumping level of the first amplification fiber. The attenuation can also be made variable, if necessary, in order to influence the phase shift.
An dem fünften Port angekommen spricht nun der zweite Lichtpuls teilweise über in die unmittelbare optische Verbindung zwischen dem sechsten Port und dem dritten Port und erfährt dabei erneut eine Phasenverschiebung von 2TC/3. Der am sechsten Port ankommende erste Lichtpuls wird teilweise unmittelbar zu dem dritten Port weitergeleitet, ohne dabei eine Phasenverschiebung zu erfahren. Ein sich durch Superposition - insbesondere konstruktive Interferenz - des ersten Lichtpulses und des zweiten Lichtpulses ergebender Ausgangspuls am dritten Port hängt damit insbesondere von den B-Integralen ab, die die Lichtpulse bei ihrer Propagation entlang der bidirektionalen Schleife erfahren. Arriving at the fifth port, the second light pulse now partially talks over into the direct optical connection between the sixth port and the third port and again experiences a phase shift of 2TC/3. The first arriving at the sixth port Light pulse is partially forwarded directly to the third port without experiencing a phase shift. An output pulse at the third port resulting from superposition—in particular constructive interference—of the first light pulse and the second light pulse thus depends in particular on the B integrals that the light pulses experience during their propagation along the bidirectional loop.
Dabei ist der 3x3-Koppler so eingerichtet, dass sich bereits bei verschwindender nichtlinearer Phasenverschiebung zwischen dem ersten Lichtpuls und dem zweiten Lichtpuls eine endliche Transmission von vorzugsweise ungefähr 10 % der Eingangspulsenergie sowie eine nicht verschwindende Steigung des phasenabhängigen Transmissionsverlaufs ergibt, was einen Laserpulsaufbau aus dem Rauschen heraus deutlich vereinfacht. Insbesondere erleichtert dies den Start, insbesondere einen Selbststart, des modengekoppelten Betriebs. Bei zunehmender Phasenverschiebung erhöht sich die Transmission. Somit favorisiert die bidirektionale Schleife Lichtpulse mit größerer Spitzenleistung und kann damit die Funktion eines sättigbaren Absorbers erfüllen. The 3x3 coupler is set up in such a way that even with a vanishing non-linear phase shift between the first light pulse and the second light pulse, there is a finite transmission of preferably approximately 10% of the input pulse energy and a non-vanishing slope of the phase-dependent transmission curve, which results in a laser pulse structure from the noise out significantly simplified. In particular, this facilitates the start, in particular a self-start, of the mode-locked operation. With increasing phase shift, the transmission increases. Thus, the bidirectional loop favors light pulses with higher peak power and can thus fulfill the function of a saturable absorber.
Durch Variation der Pumpleistung für die erste Verstärkungsfaser in der bidirektionalen Schleife lässt sich die nichtlineare Phasenverschiebung zwischen dem ersten Lichtpuls und dem zweiten Lichtpuls variabel einstellen. The non-linear phase shift between the first light pulse and the second light pulse can be set variably by varying the pump power for the first amplification fiber in the bidirectional loop.
Zugleich wird der nicht in die unmittelbare optische Verbindung zwischen dem sechsten Port und dem dritten Port übersprechende Anteil des an dem fünften Port ankommenden zweiten Lichtpulses teilweise unmittelbar zu dem zweiten Port übergeleitet, wobei ein Teil des an dem sechsten Port ankommenden ersten Lichtpulses in die unmittelbare optische Verbindung zwischen dem fünften Port und dem zweiten Port überspricht und dabei wiederum eine Phasenverschiebung von 2TC/3 erfährt. Aus der entsprechenden Superposition - insbesondere destruktiven Interferenz - der entsprechenden Anteile des ersten Lichtpulses und des zweiten Lichtpulses ergibt sich an dem zweiten Port die spektrale Pulsform mit der gewünschten Eintiefung, insbesondere in Abhängigkeit von der nichtlinearen Phasenverschiebung zwischen dem ersten Lichtpuls und dem zweiten Lichtpuls in der bidirektionalen Schleife. Insbesondere durch die Einstellung oder Vorgabe der nichtlinearen Phasenverschiebung kann demnach die spektrale Pulsform an dem zweiten Port eingestellt werden. At the same time, that portion of the second light pulse arriving at the fifth port that does not cross over into the direct optical connection between the sixth port and the third port is partially transferred directly to the second port, with a portion of the first light pulse arriving at the sixth port going into the direct optical connection Connection between the fifth port and the second port crosstalks and in turn experiences a phase shift of 2TC/3. From the corresponding superposition - in particular destructive interference - of the corresponding components of the first light pulse and the second light pulse, the spectral pulse shape with the desired depression results at the second port, in particular as a function of the non-linear phase shift between the first light pulse and the second light pulse in the bidirectional loop. The spectral pulse shape at the second port can therefore be set in particular by setting or specifying the non-linear phase shift.
Die Funktionsweise der zuvor genannten ersten Ausführungsform ergibt sich analog. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Faseroszillator insgesamt eine normale Dispersion aufweist. Dass der Faseroszillator insgesamt eine normale Dispersion aufweist, oder dass - anders formuliert, jedoch gleichbedeutend - eine Gesamtdispersion des Faseroszillators im normalen Dispersionsbereich liegt, bedeutet insbesondere, dass ein den Faseroszillator durchlaufender Lichtpuls nach einem Durchlauf durch den Faseroszillator - das heißt jede Komponente des Faseroszillators wurde einmal passiert - eine normale Dispersion erfahren hat. Dies wiederum bedeutet, dass im Vergleich zu einer zeitlichen Form des Lichtpulses vor dem Durchlauf durch den Faseroszillator in der zeitlichen Form des Lichtpulses nach dem Durchlauf durch den Faseroszillator höhere Frequenzen nacheilen, während niedrigere Frequenzen voreilen. Höhere Frequenzen durcheilen den Faseroszillator also langsamer als niedrigere Frequenzen. Dies bedeutet nicht notwendig, dass jede optische Komponente des Faseroszillators eine normale Dispersion aufweist; vielmehr ergibt sich der Effekt zumindest für die Summe der optischen Komponenten. Während es also bei einer bevorzugten Ausgestaltung möglich ist, dass alle optischen Komponenten des Faseroszillators eine normale Dispersion aufweisen, ist es bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ebenso möglich, dass zumindest eine erste optische Komponente des Faseroszillators eine anomale Dispersion aufweist, wobei der Faseroszillator mindestens eine andere, zweite optische Komponente aufweist, die eine normale Dispersion aufweist, welche die anomale Dispersion der ersten optischen Komponente überkompensiert, sodass die Dispersion des Faseroszillators insgesamt normal ist. The mode of operation of the aforementioned first embodiment is analogous. According to a development of the invention, it is provided that the fiber oscillator has normal dispersion overall. The fact that the fiber oscillator has a normal dispersion overall, or that - in other words, but with the same meaning - a total dispersion of the fiber oscillator is in the normal dispersion range, means in particular that a light pulse passing through the fiber oscillator after a pass through the fiber oscillator - i.e. every component of the fiber oscillator - was once happened - has experienced normal dispersion. This in turn means that, compared to a temporal shape of the light pulse before passing through the fiber oscillator, in the temporal shape of the light pulse after passing through the fiber oscillator, higher frequencies lag while lower frequencies lead. Higher frequencies rush through the fiber oscillator more slowly than lower frequencies. This does not necessarily mean that every optical component of the fiber oscillator has normal dispersion; rather the effect results at least for the sum of the optical components. Thus, while in a preferred embodiment it is possible for all optical components of the fiber oscillator to have normal dispersion, in another preferred embodiment it is also possible for at least a first optical component of the fiber oscillator to have anomalous dispersion, with the fiber oscillator having at least one other , second optical component having a normal dispersion that overcompensates for the anomalous dispersion of the first optical component such that the overall dispersion of the fiber oscillator is normal.
Liegt die Wellenlänge des Faseroszillators im normalen Dispersionsbereich, beispielsweise bei der Verwendung von Ytterbium oder Neodym als Dotierungselement, bedarf es bevorzugt keiner weiteren zusätzlichen Maßnahmen, insbesondere keiner Dispersionskompensationselemente, um die Gesamtdispersion des Faseroszillators im normalen Bereich zu halten. Der Faseroszillator kann allerdings gemäß einer Ausführungsform auch in einem solchen Fall wenigstens ein Dispersionskompensationselement aufweisen, um die Dispersion in einen gewünschten Bereich innerhalb des normalen Dispersionsbereichs zu verlagern, insbesondere zur Feinabstimmung der Dispersion. Insbesondere kann mithilfe eines Dispersionskompensationselements die Gesamtdispersion betragsmäßig reduziert werden. Das Dispersionskompensationselement kann gemäß einer Ausführungsform insbesondere als gechirptes Gitter, insbesondere als gechirptes Faser-B ragg-Gitter, oder als Dispersionskompensationsfaser, insbesondere als Photonic Crystal Fiber (PCF), insbesondere mit geeignet angepasster, bevorzugt maßgeschneiderter Dispersion, ausgebildet sein. Liegt die Wellenlänge des Faseroszillators dagegen im anomalen Dispersionsbereich, beispielsweise bei der Verwendung von Erbium, Thulium oder Holmium als Dotierungselement, weist der Faseroszillator bevorzugt wenigstens ein Dispersionskompensationselement auf, um die Gesamtdispersion in den normalen Bereich zu bringen. Das wenigstens eine Dispersionskompensationselement ist bevorzugt als Dispersionskompensationsfaser oder als gechirptes Gitter, insbesondere als gechirptes Faser-Bragg-Gitter, ausgebildet. Eine Dispersionskompensationsfaser wird auch als dispersionskompensierte Faser oder dispersionsangepasste Faser bezeichnet. Eine solche Dispersionskompensationsfaser kann beispielsweise einen Faserkern aufweisen, der Ringe mit unterschiedlichen Brechungsindices umfasst. If the wavelength of the fiber oscillator is in the normal dispersion range, for example when using ytterbium or neodymium as a doping element, no further additional measures are required, in particular no dispersion compensation elements, to keep the overall dispersion of the fiber oscillator in the normal range. However, according to one embodiment, the fiber oscillator can also have at least one dispersion compensation element in such a case in order to shift the dispersion to a desired range within the normal dispersion range, in particular for fine-tuning the dispersion. In particular, the total dispersion can be reduced in terms of absolute value with the aid of a dispersion compensation element. According to one embodiment, the dispersion compensation element can be embodied in particular as a chirped grating, in particular as a chirped fiber Bragg grating, or as a dispersion compensation fiber, in particular as Photonic Crystal Fiber (PCF), in particular with a suitably adapted, preferably tailor-made dispersion. On the other hand, if the wavelength of the fiber oscillator is in the anomalous dispersion range, for example when using erbium, thulium or holmium as a doping element, the fiber oscillator preferably has at least one dispersion compensation element in order to bring the total dispersion into the normal range. The at least one dispersion compensation element is preferably designed as a dispersion compensation fiber or as a chirped grating, in particular as a chirped fiber Bragg grating. A dispersion compensation fiber is also referred to as a dispersion-compensated fiber or a dispersion-adapted fiber. Such a dispersion compensation fiber can, for example, have a fiber core that includes rings with different refractive indices.
Alternativ ist vorgesehen, dass der Faseroszillator insgesamt eine anomale Dispersion aufweist. Dass der Faseroszillator insgesamt eine anomale, das heißt negative Dispersion aufweist, oder dass - anders formuliert, jedoch gleichbedeutend - eine Gesamtdispersion des Faseroszillators im anomalen Dispersionsbereich liegt, bedeutet insbesondere, dass ein den Faseroszillator durchlaufender Lichtpuls nach einem Durchlauf durch den Faseroszillator - das heißt jede Komponente des Faseroszillators wurde einmal passiert - eine anomale Dispersion erfahren hat. Dies wiederum bedeutet, dass im Vergleich zu einer zeitlichen Form des Lichtpulses vor dem Durchlauf durch den Faseroszillator in der zeitlichen Form des Lichtpulses nach dem Durchlauf durch den Faseroszillator dispersionsbedingt höhere Frequenzen voreilen, während niedrigere Frequenzen nacheilen. Höhere Frequenzen durcheilen den Faseroszillator also schneller als niedrigere Frequenzen. Dieser Effekt kann allerdings durch andere Effekte, insbesondere Nichtlinearitäten, insbesondere durch nichtlineare Selbstphasenmodulation, zumindest teilweise kompensiert sein. Dass der Faseroszillator insgesamt eine anomale Dispersion aufweist bedeutet nicht notwendig, dass jede optische Komponente des Faseroszillators eine anomale Dispersion aufweist; vielmehr ergibt sich der Effekt zumindest für die Summe der optischen Komponenten. Während es also bei einer bevorzugten Ausgestaltung möglich ist, dass alle optischen Komponenten des Faseroszillators eine anomale Dispersion aufweisen, ist es bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ebenso möglich, dass zumindest eine erste optische Komponente des Faseroszillators eine normale - positive - Dispersion aufweist, wobei der Faseroszillator mindestens eine andere, zweite optische Komponente aufweist, die eine anomale Dispersion aufweist, welche die normale Dispersion der ersten optischen Komponente überkompensiert, sodass die Dispersion des Faseroszillators insgesamt anomal ist. Liegt die Wellenlänge des Faseroszillators im anomalen Dispersionsbereich, beispielsweise bei der Verwendung von Erbium, Thulium oder Holmium als Dotierungselementen, bedarf es bevorzugt keiner weiteren zusätzlichen Maßnahmen, insbesondere keiner Dispersionskompensationselemente, um die Gesamtdispersion des Faseroszillators im anomalen Bereich zu halten. Der Faseroszillator kann allerdings gemäß einer Ausführungsform auch in einem solchen Fall wenigstens ein Dispersionskompensationselement aufweisen, um die Gesamtdispersion betragsmäßig zu verringern, insbesondere in die Nähe des normalen Dispersionsbereichs zu bringen, und damit spektral breitere und somit zeitlich kürzere Pulse zu erhalten. Ein zu diesem Zweck verwendetes Dispersionskompensationselement kann gemäß einer Ausführungsform insbesondere als Dispersionskompensationsfaser oder als Gitter, insbesondere als Faser-Bragg-Gitter, ausgebildet sein. Eine solche Dispersionskompensationsfaser wird auch als dispersionskompensierte Faser oder dispersionsangepasste Faser bezeichnet. Eine solche Dispersionskompensationsfaser kann beispielsweise einen Faserkern aufweisen, der Ringe mit unterschiedlichen Brechungsindices umfasst. Alternatively, it is provided that the fiber oscillator has an anomalous dispersion overall. The fact that the fiber oscillator has an anomalous, i.e. negative, dispersion overall, or that - in other words, but with the same meaning - a total dispersion of the fiber oscillator is in the anomalous dispersion range, means in particular that a light pulse passing through the fiber oscillator after one pass through the fiber oscillator - i.e. each Fiber oscillator component passed once - experienced anomalous dispersion. This in turn means that in comparison to a temporal form of the light pulse before passage through the fiber oscillator, in the temporal form of the light pulse after passage through the fiber oscillator, higher frequencies lead due to dispersion, while lower frequencies lag. Higher frequencies rush through the fiber oscillator faster than lower frequencies. However, this effect can be at least partially compensated for by other effects, in particular non-linearities, in particular by non-linear self-phase modulation. That the fiber oscillator as a whole has anomalous dispersion does not necessarily mean that every optical component of the fiber oscillator has anomalous dispersion; rather the effect results at least for the sum of the optical components. Thus, while in a preferred embodiment it is possible for all optical components of the fiber oscillator to have anomalous dispersion, in another preferred embodiment it is also possible for at least a first optical component of the fiber oscillator to have normal - positive - dispersion, with the fiber oscillator has at least one other, second optical component that has an anomalous dispersion that overcompensates for the normal dispersion of the first optical component such that the overall dispersion of the fiber oscillator is anomalous. If the wavelength of the fiber oscillator is in the anomalous dispersion range, for example when using erbium, thulium or holmium as doping elements, no further additional measures are required, in particular no dispersion compensation elements, to keep the overall dispersion of the fiber oscillator in the anomalous range. According to one embodiment, however, the fiber oscillator can also have at least one dispersion compensation element in such a case in order to reduce the total dispersion in terms of amount, in particular to bring it close to the normal dispersion range, and thus to obtain pulses that are spectrally broader and therefore shorter in time. According to one embodiment, a dispersion compensation element used for this purpose can be designed in particular as a dispersion compensation fiber or as a grating, in particular as a fiber Bragg grating. Such a dispersion compensation fiber is also referred to as a dispersion-compensated fiber or a dispersion-adapted fiber. Such a dispersion compensation fiber can, for example, have a fiber core that includes rings with different refractive indices.
Ist die Gesamtdispersion des Faseroszillators im anomalen Dispersionsbereich, bilden sich in dem Faseroszillator bevorzugt Solitonen oder im Fall des dispersionskompensierten Faseroszillators dispersionsgesteuerte Solitonen (dispersion-managed solitons) aus. Die anomale Dispersion einerseits und die nichtlineare Selbstphasenmodulation haben verschiedene Vorzeichen, sodass sich die Phasendifferenzen, welche durch Dispersion einerseits und Selbstphasenmodulation andererseits entstehen, zumindest weitgehend, vorzugsweise vollständig gegenseitig aufheben. If the total dispersion of the fiber oscillator is in the anomalous dispersion range, solitons preferably form in the fiber oscillator or, in the case of the dispersion-compensated fiber oscillator, dispersion-managed solitons. The anomalous dispersion on the one hand and the non-linear self-phase modulation have different signs, so that the phase differences, which result from dispersion on the one hand and self-phase modulation on the other hand, at least largely, preferably completely, cancel each other out.
Liegt die Wellenlänge des Faseroszillators im normalen Dispersionsbereich, beispielsweise bei der Verwendung von Ytterbium oder Neodym als Dotierungselementen, weist der Faseroszillator in einer Ausführungsform wenigstens ein Dispersionskompensationselement auf, um die Gesamtdispersion in den anomalen Bereich zu bringen. Das wenigstens eine Dispersionskompensationselement ist bevorzugt als gechirptes Gitter, insbesondere als gechirptes Faser-Bragg-Gitter, ausgebildet. If the wavelength of the fiber oscillator is in the normal dispersion range, for example when using ytterbium or neodymium as doping elements, in one embodiment the fiber oscillator has at least one dispersion compensation element in order to bring the total dispersion into the anomalous range. The at least one dispersion compensation element is preferably designed as a chirped grating, in particular as a chirped fiber Bragg grating.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Verstärkungsfaser mit wenigstens einem Element dotiert ist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus Ytterbium, Neodym, Erbium, Thulium, und Holmium, oder mit einer Kombination aus wenigstens zwei dieser Elemente, insbesondere Er/Yb oder Tm/Ho. Insbesondere ist die erste Verstärkungsfaser in einer Ausführungsform mit genau einem der genannten Elemente dotiert. In einer anderen Ausführungsform ist die erste Verstärkungsfaser mit einer Kombination von wenigstens zwei der genannten Elemente, insbesondere mit einer Kombination von genau zwei der genannten Elemente, dotiert. In einer anderen Ausführungsform ist die erste Verstärkungsfaser mit Erbium und Ytterbium (Er/Yb) dotiert. In einer anderen Ausführungsform ist die erste Verstärkungsfaser mit Thulium und Holmium (Tm/Ho) dotiert. Das Dotierungselement oder gegebenenfalls die Kombination von Dotierungselementen bestimmt dabei insbesondere eine optische Wellenlänge für den Faseroszillator: Umfasst die erste Verstärkungsfaser Ytterbium oder Neodym als Dotierungselement, liegt die Wellenlänge ungefähr bei 900 nm bis 1100 nm. Umfasst die erste Verstärkungsfaser Erbium als Dotierungselement, liegt die Wellenlänge ungefähr bei 1500 nm. Umfasst die erste Verstärkungsfaser Thulium oder Holmium als Dotierungselement, liegt die Wellenlänge ungefähr bei 1900 nm bis 2100 nm. According to a development of the invention, it is provided that the first amplifying fiber is doped with at least one element selected from a group consisting of ytterbium, neodymium, erbium, thulium and holmium, or with a combination of at least two of these elements, in particular He/Yb or Tm/Ho. In particular, in one embodiment, the first amplifying fiber is doped with exactly one of the elements mentioned. In another embodiment, the first reinforcement fiber is a combination of at least two of the elements mentioned, doped in particular with a combination of exactly two of the elements mentioned. In another embodiment, the first gain fiber is doped with erbium and ytterbium (Er/Yb). In another embodiment, the first gain fiber is doped with thulium and holmium (Tm/Ho). The doping element or, if appropriate, the combination of doping elements determines in particular an optical wavelength for the fiber oscillator: if the first amplifying fiber includes ytterbium or neodymium as a doping element, the wavelength is approximately 900 nm to 1100 nm. If the first amplifying fiber includes erbium as a doping element, the wavelength is approximately at 1500 nm. If the first amplifying fiber comprises thulium or holmium as a doping element, the wavelength is approximately at 1900 nm to 2100 nm.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Anregungslaser mindestens ein Dispersionskompensationselement aufweist. According to a development of the invention, it is provided that the excitation laser has at least one dispersion compensation element.
In einer Ausführungsform der Laservorrichtung ist das Dispersionskompensationselement ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus: Einem gechirpten Faser-Bragg-Gitter und einer dispersionskompensierenden Faser. In an embodiment of the laser device, the dispersion compensation element is selected from a group consisting of: a chirped fiber Bragg grating and a dispersion compensating fiber.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der 3x3-Koppler als symmetrischer Koppler ausgebildet ist, wobei die bidirektionale Schleife eingerichtet ist, um eine nichtlineare Phasenverschiebung von 1 rad bis 3 rad - zwischen den gegenläufigen Lichtpulsen - zu vermitteln. Insbesondere auf diese Weise kann die gewünschte Pulsform mit der Eintiefung bei der Zentralwellenlänge erhalten werden. Alternativ ist es - wie oben bereits ausgeführt - auch möglich, dass der 3x3-Koppler asymmetrisch ausgebildet ist. According to a development of the invention, the 3×3 coupler is designed as a symmetrical coupler, with the bidirectional loop being set up to impart a nonlinear phase shift of 1 rad to 3 rad—between the opposing light pulses. Particularly in this way, the desired pulse shape with the dip at the center wavelength can be obtained. Alternatively--as already explained above--it is also possible for the 3×3 coupler to be designed asymmetrically.
In einer Ausführungsform der Laservorrichtung ist vorgesehen, dass die unidirektionale Schleife kein Verstärkungselement aufweist. In diesem Fall ist vorteilhaft die erste Verstärkungsfaser als das erste Verstärkungselement das einzige Verstärkungselement des Faseroszillators, insbesondere die einzige Verstärkungsfaser. Der Faseroszillator kann somit einen sehr einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweisen. In one embodiment of the laser device it is provided that the unidirectional loop has no amplification element. In this case, the first amplification fiber as the first amplification element is advantageously the only amplification element of the fiber oscillator, in particular the only amplification fiber. The fiber oscillator can thus have a very simple and inexpensive structure.
In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die unidirektionale Schleife ein - zusätzliches - zweites Verstärkungselement, insbesondere eine zweite Verstärkungsfaser, aufweist, wobei ein Isolatorelement - in bevorzugter Ausgestaltung die ohnehin vorgesehene Isolatoreinrichtung der unidirektionalen Schleife - in Propagationsrichtung eines Lichtpulses in der unidirektionalen Schleife zwischen dem zweiten Verstärkungselement und der ersten Verstärkungsfaser angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ ist bevorzugt ein Isolatorelement in Propagationsrichtung des Lichtpulses zwischen der ersten Verstärkungsfaser und dem zweiten Verstärkungselement angeordnet. Auf diese Weise können vorteilhaft insbesondere Verluste ausgeglichen werden, indem eine Verstärkung von Lichtpulsen in dem Faseroszillator nicht nur in der ersten Verstärkungsfaser, sondern auch in dem zweiten Verstärkungselement erfolgt. Zugleich ermöglicht dies eine größere Freiheit in der Wahl der Verstärkung für die erste Verstärkungsfaser und damit eine freiere Anpassung der Phasenverschiebung zwischen dem ersten Lichtpuls und dem zweiten Lichtpuls, da eine Veränderung der Gesamtverstärkung des Faseroszillators bei Variation der Verstärkung in der ersten Verstärkungsfaser entsprechend mittels des zweiten Verstärkungselements ausgeglichen werden kann. Das Isolatorelement kann in bevorzugter Ausgestaltung als Isolator oder als Zirkulator ausgebildet sein. In an alternative preferred embodiment, it is provided that the unidirectional loop has an - additional - second reinforcement element, in particular a second reinforcement fiber, with an isolator element - in a preferred embodiment the isolator device of the unidirectional loop provided anyway - in the direction of propagation of a light pulse in of the unidirectional loop is located between the second reinforcement member and the first reinforcement fiber. Additionally or alternatively, an isolator element is preferably arranged in the propagation direction of the light pulse between the first amplification fiber and the second amplification element. In this way, losses in particular can advantageously be compensated for, in that light pulses in the fiber oscillator are amplified not only in the first amplification fiber but also in the second amplification element. At the same time, this allows greater freedom in the choice of amplification for the first amplification fiber and thus freer adjustment of the phase shift between the first light pulse and the second light pulse, since a change in the overall amplification of the fiber oscillator when the amplification in the first amplification fiber is varied can be adjusted accordingly by means of the second Reinforcement element can be compensated. In a preferred configuration, the insulator element can be designed as an insulator or as a circulator.
Die zweite Verstärkungsfaser ist vorzugsweise mit demselben Element dotiert wie die erste Verstärkungsfaser. The second gain fiber is preferably doped with the same element as the first gain fiber.
Bevorzugt weist die bidirektionale Schleife eine Einkoppeleinrichtung auf, die eingerichtet ist, um Pumplicht in die erste Verstärkungsfaser einzukoppeln. Die in der bidirektionalen Schleife angeordnete Einkoppeleinrichtung kann zugleich auch zur Einkopplung von Pumplicht in das zusätzliche zweite Verstärkungselement, insbesondere in die zweite Verstärkungsfaser, dienen. Außerdem kann die bevorzugt asymmetrisch angeordnete Einkoppeleinrichtung als Asymmetrieelement, insbesondere als asymmetrisch angeordnetes Abschwächelement, dienen. The bidirectional loop preferably has an in-coupling device which is set up to in-couple pump light into the first amplifying fiber. The in-coupling device arranged in the bidirectional loop can at the same time also be used for in-coupling pump light into the additional second amplifying element, in particular into the second amplifying fiber. In addition, the preferably asymmetrically arranged in-coupling device can serve as an asymmetric element, in particular as an asymmetrically arranged attenuating element.
Alternativ ist es bevorzugt möglich, dass in der unidirektionalen Schleife eine Einkoppeleinrichtung angeordnet ist, die eingerichtet ist, um Pumplicht in das zusätzliche zweite Verstärkungselement, insbesondere die zweite Verstärkungsfaser, einzukoppeln. Bevorzugt dient die Einkoppeleinrichtung zugleich auch zur Einkopplung von Pumplicht in die erste Verstärkungsfaser. Alternatively, it is preferably possible for a coupling device to be arranged in the unidirectional loop, which is set up to couple pump light into the additional second amplification element, in particular the second amplification fiber. The in-coupling device is preferably used at the same time for in-coupling pumped light into the first amplifying fiber.
Alternativ ist es bevorzugt auch möglich, dass die bidirektionale Schleife eine erste Einkoppeleinrichtung zur Einkopplung von Pumplicht in die erste Verstärkungsfaser aufweist, wobei die unidirektionale Schleife eine zweite Einkoppeleinrichtung aufweist, die eingerichtet ist, um Pumplicht in das zweite Verstärkungselement einzukoppeln. Die Einkoppeleinrichtung, sei es die erste Einkoppeleinrichtung oder die zweite Einkoppeleinrichtung oder eine einzige Einkoppeleinrichtung, ist bevorzugt als Wellenlängenmultiplex-Koppler ausgebildet (Wavelength Division Multiplexer - WDM). Alternatively, it is preferably also possible for the bidirectional loop to have a first coupling device for coupling pumped light into the first gain fiber, with the unidirectional loop having a second coupling device set up to couple pumped light into the second gain element. The coupling device, be it the first coupling device or the second coupling device or a single coupling device, is preferably designed as a wavelength division multiplex coupler (Wavelength Division Multiplexer—WDM).
In einer Ausführungsform der Laservorrichtung ist vorgesehen, dass die unidirektionale Schleife einen reflektierenden Arm aufweist, wobei ein Reflektorelement in dem reflektierenden Arm angeordnet ist. Über das Reflektorelement können gemäß einer Ausführungsform auch zusätzliche optische Funktionen verwirklicht werden, insbesondere die Funktion eines Bandbreitenbegrenzungselements und/oder eines Dispersionskompensationselements. Der reflektierende Arm bietet Vorteile insbesondere mit Blick auf die Anordnung und beidseitige Isolation eines zusätzlichen zweiten Verstärkungselements in dem reflektierenden Arm. In one embodiment of the laser device it is provided that the unidirectional loop has a reflecting arm, with a reflecting element being arranged in the reflecting arm. According to one embodiment, additional optical functions can also be implemented via the reflector element, in particular the function of a bandwidth limitation element and/or a dispersion compensation element. The reflective arm offers advantages in particular with regard to the arrangement and insulation on both sides of an additional second reinforcement element in the reflective arm.
Der reflektierende Arm weist bevorzugt wenigstens eine Faser auf oder besteht bevorzugt aus wenigstens einer Faser. The reflective arm preferably has at least one fiber or preferably consists of at least one fiber.
Das Reflektorelement ist bevorzugt an einem Reflexionsende des reflektierenden Arms angeordnet. Der reflektierende Arm ist bevorzugt als linearer Ast der unidirektionalen Schleife ausgebildet, der mit einem Ringteil der unidirektionalen Schleife lichtleitend verbunden ist. Der reflektierende Arm, insbesondere der lineare Ast, weist an dem Reflexionsende das Reflektorelement auf und ist an einem dem Reflexionsende gegenüberliegenden Anschlussende mit dem Ringteil lichtleitend verbunden. Ein die unidirektionale Schleife durchlaufender Lichtpuls durchläuft den reflektierenden Arm zweifach, einmal von dem Anschlussende zu dem Reflexionsende, und dann zurück von dem Reflexionsende zu dem Anschlussende. The reflector element is preferably arranged at a reflective end of the reflective arm. The reflective arm is preferably formed as a linear branch of the unidirectional loop which is optically connected to a ring portion of the unidirectional loop. The reflecting arm, in particular the linear branch, has the reflector element at the reflection end and is light-conductingly connected to the ring part at a connection end opposite the reflection end. A light pulse traversing the unidirectional loop traverses the reflective arm twice, once from the terminal end to the reflective end, and then back from the reflective end to the terminal end.
Das Reflektorelement ist bevorzugt teiltransparent - bzw. umgekehrt formuliert teilreflektierend - ausgebildet, sodass ein vorbestimmter Anteil von Licht über das Reflektorelement aus dem Faseroszillator ausgekoppelt wird. The reflector element is preferably designed to be partially transparent—or, to put it the other way around, partially reflective—so that a predetermined proportion of light is coupled out of the fiber oscillator via the reflector element.
In einer Ausführungsform der Laservorrichtung ist vorgesehen, dass das Reflektorelement als Wellenlängenfixierelement ausgebildet ist, das heißt insbesondere als ein Element, das eingerichtet ist, um die Zentralwellenlänge für den Faseroszillator festzulegen. Somit ermöglicht das Reflektorelement vorteilhaft eine eindeutige Festlegung der Zentral weilenlänge, mit welcher der Faseroszillator betrieben wird. Dies bietet den großen Vorteil einer hohen Reproduzierbarkeit bei gleichzeitig erhöhter Variabilität, um eine bestimmte, gewünschte Wellenlänge als Zentralwellenlänge zu erhalten. Dies kann insbesondere in nachfolgenden Prozessen, deren Effizienz von der Wellenlänge abhängt, entscheidend sein, beispielsweise bei Materialbearbeitungsprozessen, in einer Verstärkungskette, und/oder bei der Frequenzkonversion. In one embodiment of the laser device, it is provided that the reflector element is in the form of a wavelength-fixing element, that is to say in particular as an element that is set up to fix the central wavelength for the fiber oscillator. Thus, the reflector element advantageously enables the central wavelength with which the fiber oscillator is operated to be clearly defined. This offers the great advantage of high reproducibility with increased variability at the same time in order to obtain a specific, desired wavelength as the central wavelength. This can in particular in subsequent processes whose Efficiency depends on the wavelength can be crucial, for example in material processing processes, in an amplification chain, and/or in frequency conversion.
In einer Ausführungsform der Laservorrichtung ist vorgesehen, dass das Reflektorelement als Faser-B ragg-Gitter ausgebildet ist. Das Faser-B ragg-Gitter kann bevorzugt als Dispersionskompensationselement, als Wellenlängenfixierelement, und/oder als Bandbreitenbegrenzungselement fungieren. Um als Dispersionskompensationselement fungieren zu können, ist das Faser-B ragg-Gitter bevorzugt als gechirptes Faser-B ragg-Gitter ausgebildet. Als Wellenlängenfixierelement oder als Bandbreitenbegrenzungselement kann das Faser-B ragg-Gitter auch wirken, wenn es als ungechirptes Faser-B ragg-Gitter ausgebildet ist. In one embodiment of the laser device, it is provided that the reflector element is in the form of a fiber Bragg grating. The fiber Bragg grating can preferably function as a dispersion compensation element, as a wavelength fixing element, and/or as a bandwidth limitation element. In order to be able to function as a dispersion compensation element, the fiber B ragg grating is preferably in the form of a chirped fiber B ragg grating. The fiber B-ragg grating can also act as a wavelength-fixing element or as a bandwidth-limiting element if it is designed as an unchirped fiber B-ragg grating.
In einer Ausführungsform der Laservorrichtung ist vorgesehen, dass der Faseroszillator ein Dispersionskompensationselement aufweist. Das Dispersionskompensationselement ist vorzugsweise durch das Reflektorelement gebildet, indem das Reflektorelement als gechirptes Faser-B ragg-Gitter ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich ist das Dispersionskompensationselement eine dispersionskompensierende Faser. Alternativ oder zusätzlich ist die erste Verstärkungsfaser dispersionskompensiert ausgebildet ist. In one embodiment of the laser device it is provided that the fiber oscillator has a dispersion compensation element. The dispersion compensation element is preferably formed by the reflector element, in that the reflector element is designed as a chirped fiber Bragg grating. Alternatively or additionally, the dispersion compensation element is a dispersion-compensating fiber. Alternatively or additionally, the first amplification fiber is designed to be dispersion-compensated.
In einer Ausführungsform der Laservorrichtung ist vorgesehen, dass der reflektierende Arm über ein Zirkulatorelement mit dem Ringteil der unidirektionalen Schleife lichtleitend verbunden ist. Das Zirkulatorelement dient dabei bevorzugt zugleich als Isolatoreinrichtung der unidirektionalen Schleife. Der Ringteil weist einen ersten Ringast auf, der an einem ersten Ringastende mit dem 3x3 -Koppler - insbesondere mit dem dritten Port - und an einem zweiten Ringastende mit dem reflektierenden Arm, insbesondere mit dem Zirkulatorelement, lichtleitend verbunden ist. Der Ringteil weist außerdem einen zweiten Ringast auf, der an einem ersten Ringastende mit dem reflektierenden Arm, insbesondere mit dem Zirkulatorelement, und an einem zweiten Ringastende mit dem 3x3-Koppler - insbesondere mit dem ersten Port - lichtleitend verbunden ist. Insbesondere bezüglich der zuvor genannten zweiten Ausführungsform ergibt sich - ohne an die Theorie und die konkrete Ausführungsform gebunden sein zu wollen - folgende Funktionsweise: Ein über den dritten Port des 3x3-Kopplers in den ersten Ringast eintretender Lichtpuls durchläuft diesen bis zu dem Zirkulatorelement, wird von diesem in das Anschlussende des reflektierenden Arms eingekoppelt, durchläuft den reflektierenden Arm bis zu dem an dem Reflexionsende angeordneten Reflektorelement, wird dort zumindest teilweise reflektiert, läuft entlang des reflektierenden Arms zurück zu dem Anschlussende, wird dort durch das Zirkulatorelement in den zweiten Ringast eingekoppelt, und durchläuft diesen bis zu dem ersten Port des 3x3-Kopplers. Somit werden der erste Ringast und der zweite Ringast von dem Lichtpuls jeweils einmal durchlaufen, während der reflektierende Arm - hin und zurück - zweifach durchlaufen wird. In one embodiment of the laser device, it is provided that the reflecting arm is connected to the ring part of the unidirectional loop in a light-conducting manner via a circulator element. The circulator element preferably serves at the same time as an isolator device for the unidirectional loop. The ring part has a first ring branch, which is optically connected at a first ring branch end to the 3×3 coupler—in particular to the third port—and at a second ring branch end to the reflecting arm, in particular to the circulator element. The ring part also has a second ring branch which is optically connected at a first ring branch end to the reflecting arm, in particular to the circulator element, and at a second ring branch end to the 3x3 coupler - in particular to the first port. In particular, with regard to the aforementioned second embodiment - without wanting to be bound to the theory and the specific embodiment - the following mode of operation results: A light pulse entering the first ring branch via the third port of the 3x3 coupler passes through this to the circulator element, is this is coupled into the connection end of the reflecting arm, runs through the reflecting arm to the reflector element arranged at the reflection end, is at least partially reflected there, runs along the reflecting arm back to the connection end, is coupled there by the circulator element into the second ring branch, and runs through this up to the first port of the 3x3 coupler. Thus, the first ring branch and the second ring branch are each traversed once by the light pulse, while the reflecting arm is traversed twice—back and forth.
In einer Ausführungsform der Laservorrichtung ist vorgesehen, dass in der unidirektionalen Schleife eine zweite Verstärkungsfaser angeordnet ist, insbesondere als das oben bereits erwähnte zusätzliche zweite Verstärkungselement. Bevorzugt ist die zweite Verstärkungsfaser in dem reflektierenden Arm angeordnet. Dies erweist sich als besonders vorteilhaft, da so die zweite Verstärkungsfaser durch einen in der unidirektionalen Schleife propagierenden Lichtpuls zweifach durchlaufen wird, sodass der Lichtpuls doppelt verstärkt wird. Des Weiteren ist die zweite Verstärkungsfaser vorteilhaft durch das Zirkulatorelement - insbesondere in beide Richtungen - von der ersten Verstärkungsfaser getrennt, sodass sich die beiden Verstärkungsfasem nicht nachteilig gegenseitig beeinflussen. In one embodiment of the laser device, provision is made for a second amplification fiber to be arranged in the unidirectional loop, in particular as the additional second amplification element already mentioned above. Preferably, the second amplifying fiber is located in the reflective arm. This proves to be particularly advantageous since the second amplification fiber is traversed twice by a light pulse propagating in the unidirectional loop, so that the light pulse is amplified twice. Furthermore, the second reinforcement fiber is advantageously separated from the first reinforcement fiber by the circulator element—particularly in both directions—so that the two reinforcement fibers do not adversely affect one another.
Die zweite Verstärkungsfaser ist vorzugsweise mit demselben Element dotiert wie die erste Verstärkungsfaser. The second gain fiber is preferably doped with the same element as the first gain fiber.
Der Faseroszillator weist bevorzugt außerhalb der unidirektionalen Schleife, insbesondere außerhalb der Schleifenanordnung, - in Propagationsrichtung eines durch das Reflektorelement ausgekoppelten Lichtpulses - hinter dem ersten Reflektorelement eine Koppeleinrichtung zur Einkopplung von Pumplicht in den Faseroszillator, insbesondere in die unidirektionale Schleife auf. Auf diese Weise kann vorteilhaft Pumplicht über das Reflektorelement in die unidirektionale Schleife eingekoppelt werden. Die Koppeleinrichtung kann aber auch innerhalb der unidirektionalen Schleife, insbesondere in dem reflektierenden Arm, angeordnet sein. The fiber oscillator preferably has a coupling device for coupling pump light into the fiber oscillator, in particular into the unidirectional loop, outside the unidirectional loop, in particular outside the loop arrangement—in the propagation direction of a light pulse coupled out by the reflector element—behind the first reflector element. In this way, pumped light can advantageously be coupled into the unidirectional loop via the reflector element. However, the coupling device can also be arranged within the unidirectional loop, in particular in the reflecting arm.
In einer Ausführungsform der Laservorrichtung ist vorgesehen, dass der Faseroszillator ein Bandbreitenbegrenzungselement aufweist. Insbesondere ist das Bandbreitenbegrenzungselement in der unidirektionalen Schleife angeordnet. Mit dem Bandbreitenbegrenzungselement ist es insbesondere vorteilhaft möglich, die Zentralwellenlänge für den Faseroszillator festzulegen. Das Bandbreitenbegrenzungselement weist insbesondere eine Bandbreite von mindestens 1 pm bis höchstens 20 nm, vorzugsweise von mindestens 10 pm bis höchstens 15 nm auf. In one embodiment of the laser device it is provided that the fiber oscillator has a bandwidth limitation element. In particular, the bandwidth limitation element is arranged in the unidirectional loop. With the bandwidth limitation element, it is particularly advantageously possible to define the central wavelength for the fiber oscillator. In particular, the bandwidth limitation element has a bandwidth of at least 1 μm to at most 20 nm, preferably from at least 10 μm to at most 15 nm.
In einer Ausführungsform der Laservorrichtung ist das Reflektorelement, insbesondere das Faser- Bragg-Gitter, als das Bandbreitenbegrenzungselement ausgebildet. Insbesondere kann das Faser- Bragg-Gitter auch dann als Bandbreitenbegrenzungselement wirken, wenn es als ungechirptes Gitter ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich weist der Faseroszillator einen Bandpassfilter als das Bandbreitenbegrenzungselement auf. In one embodiment of the laser device, the reflector element, in particular the fiber Bragg grating, is designed as the bandwidth limitation element. In particular, the fiber Bragg grating can also act as a bandwidth limitation element when it is in the form of an unchirped grating. Alternatively or additionally, the fiber oscillator has a bandpass filter as the bandwidth limitation element.
In einer Ausführungsform der Laservorrichtung ist bevorzugt vorgesehen, dass das Bandbreitenbegrenzungselement, insbesondere das Reflektorelement oder der Bandpassfilter, bezüglich seiner Zentralwellenlänge verstellbar ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine besonders hohe Flexibilität in der Wahl der Zentralwellenlänge des Faseroszillators. Bei einer Ausführungsform ist das Bandbreitenbegrenzungselement als temperaturabhängiges Gitter ausgebildet, oder als Gitter, das gegenüber Dehnung oder Stauchung bezüglich seiner Zentralwellenlänge empfindlich ist. In one embodiment of the laser device, it is preferably provided that the bandwidth limitation element, in particular the reflector element or the bandpass filter, is designed to be adjustable with respect to its central wavelength. This enables a particularly high level of flexibility in the choice of the central wavelength of the fiber oscillator. In one embodiment, the bandwidth limiting element is a temperature dependent grating, or a grating sensitive to stretching or compression at its center wavelength.
In einer Ausführungsform der Laservorrichtung ist vorgesehen, dass in der unidirektionalen Schleife eine zusätzliche Verstärkungsfaser angeordnet ist, die hier zum Zweck der sprachlichen Unterscheidung als dritte Verstärkungsfaser bezeichnet wird, unabhängig davon, ob zusätzlich eine zweite Verstärkungsfaser vorhanden ist. Diese Ausgestaltung wird insbesondere bevorzugt bei einem Ausführungsbeispiel des Faseroszillators, bei welchem die unidirektionale Schleife aus einem Ringteil besteht, wobei die unidirektionale Schleife insbesondere keinen linearen Ast, insbesondere keinen reflektierenden Arm, aufweist. Somit ist die dritte Verstärkungsfaser insbesondere in dem Ringteil der unidirektionalen Schleife angeordnet. Mit der dritten Verstärkungsfaser können vorteilhaft Verluste des Faseroszillators ausgeglichen werden In one embodiment of the laser device, provision is made for an additional amplification fiber to be arranged in the unidirectional loop, which is referred to here as the third amplification fiber for the purpose of linguistic differentiation, regardless of whether a second amplification fiber is also present. This configuration is particularly preferred in an embodiment of the fiber oscillator in which the unidirectional loop consists of a ring part, the unidirectional loop in particular having no linear branch, in particular no reflective arm. Thus, the third reinforcement fiber is arranged in particular in the ring part of the unidirectional loop. Losses in the fiber oscillator can advantageously be compensated for with the third amplifying fiber
Es ist aber gemäß einer anderen Ausführungsform vorgesehen, dass die dritte Verstärkungsfaser zusätzlich zu einer in dem reflektierenden Arm vorgesehenen zweiten Verstärkungsfaser vorgesehen ist, wobei auch in diesem Fall die dritte Verstärkungsfaser bevorzugt in dem Ringteil der unidirektionalen Schleife angeordnet ist. According to another embodiment, however, it is provided that the third reinforcement fiber is provided in addition to a second reinforcement fiber provided in the reflecting arm, in which case the third reinforcement fiber is also preferably arranged in the annular part of the unidirectional loop.
Die dritte Verstärkungsfaser ist insbesondere mit demselben Element dotiert wie die erste Verstärkungsfaser - und insbesondere wie die zweite Verstärkungsfaser. In particular, the third amplifying fiber is doped with the same element as the first amplifying fiber - and in particular as the second amplifying fiber.
Insbesondere weist der Faseroszillator in der unidirektionalen Schleife eine Auskoppeleinrichtung zur Auskopplung von Lichtpulsen auf. Auf diese Weise ist es möglich, Lichtpulse - sei es als Nutzlicht oder zur Überprüfung des Faseroszillators - nicht nur über den zweiten Port oder den vierten Port des 3x3 -Kopplers auszukoppeln, sondern zusätzlich oder alternativ über die Auskoppeleinrichtung. Die Auskoppeleinrichtung ist bevorzugt als Tap-Koppler ausgebildet. In particular, the fiber oscillator in the unidirectional loop has a decoupling device for decoupling light pulses. In this way it is possible to decouple light pulses - whether as useful light or to check the fiber oscillator - not only via the second port or the fourth port of the 3x3 coupler, but additionally or alternatively via the decoupling device. The decoupling device is preferably designed as a tap coupler.
In einer Ausführungsform der Laservorrichtung ist vorgesehen, dass alle optischen Komponenten des Faseroszillators polarisationserhaltend ausgebildet sind. Dies erweist sich als besonders vorteilhafte Ausgestaltung für den Faseroszillator. In one embodiment of the laser device it is provided that all optical components of the fiber oscillator are polarization-maintaining. This proves to be a particularly advantageous embodiment for the fiber oscillator.
In einer Ausführungsform der Laservorrichtung ist vorgesehen, dass alle optischen Komponenten des Faseroszillators durch Fasern gebildet sind oder aus Fasern bestehen, wobei sie insbesondere faserbasierte Komponenten oder fasergekoppelte Komponenten sind. Insbesondere weist der Faseroszillator bevorzugt keine Freistrahlkomponenten auf. In diesem Fall ergibt sich kein Justieraufwand in Zusammenhang mit dem Faseroszillator. In one embodiment of the laser device, it is provided that all optical components of the fiber oscillator are formed by fibers or consist of fibers, being in particular fiber-based components or fiber-coupled components. In particular, the fiber oscillator preferably has no free-ray components. In this case, there is no adjustment effort in connection with the fiber oscillator.
Es ist aber in einer anderen Ausführungsform auch möglich, dass der Faseroszillator mindestens eine optische Komponente aufweist, die als Freistrahlkomponente ausgebildet ist. In another embodiment, however, it is also possible for the fiber oscillator to have at least one optical component which is designed as a free-beam component.
In einer Ausführungsform weist der Faseroszillator eine Pulsrepetitionsrate von 1 MHz bis 150 MHz auf. In one embodiment, the fiber oscillator has a pulse repetition rate of 1 MHz to 150 MHz.
In einer Ausführungsform weist die Laservorrichtung eine Pumplichtquelle auf. Die Pumplichtquelle und der Faseroszillator sind lichtleitend miteinander verbunden, sodass Pumplicht der Pumplichtquelle in den Faseroszillator eingekoppelt werden kann. In one embodiment, the laser device has a pump light source. The pumped light source and the fiber oscillator are connected to one another in a light-conducting manner, so that pumped light from the pumped light source can be coupled into the fiber oscillator.
Insbesondere ist die Pumplichtquelle mit der ersten Verstärkungsfaser lichtleitend verbunden, sodass Pumplicht der Pumplichtquelle zum Pumpen der ersten Verstärkungsfaser verwendet werden kann. In particular, the pumped light source is optically connected to the first amplifying fiber, so that pumped light from the pumped light source can be used to pump the first amplifying fiber.
In einer Ausführungsform weist die Laservorrichtung eine Steuereinrichtung auf. In one embodiment, the laser device has a control device.
Die Steuereinrichtung ist insbesondere mit einem variabel ansteuerbaren Asymmetrieelement der bidirektionalen Schleife wirkverbunden, um das variable Asymmetrieelement einzustellen, insbesondere um die nichtlineare Phasenverschiebung zwischen den die bidirektionale Schleife in umgekehrter Richtung durchlaufenden Lichtpulsen einzustellen, insbesondere derart, dass die Phasenverschiebung 1 bis 3 rad beträgt. The control device is in particular operatively connected to a variably controllable asymmetry element of the bidirectional loop in order to set the variable asymmetry element, in particular to set the non-linear phase shift between the light pulses running through the bidirectional loop in the opposite direction, in particular such that the phase shift is 1 to 3 rad.
Insbesondere ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um den zumindest einen Betriebsparameter des Anregungslasers, insbesondere einen Betriebsparameter des variablen Asymmetrieelements, derart zu wählen, dass der aus dem Auskoppelport des 3x3-Kopplers austretende Laserpuls die vorbestimmte Pulsform mit der Eintiefung bei der Zentralwellenlänge aufweist. Insbesondere ist die Steuereinrichtung eingerichtet zur Durchführung des im Folgenden noch beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer oder mehrerer der im Folgenden noch beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens. In particular, the control device is set up to set the at least one operating parameter of the excitation laser, in particular an operating parameter of the variable asymmetry element, to be selected in such a way that the laser pulse emerging from the outcoupling port of the 3×3 coupler has the predetermined pulse shape with the depression at the central wavelength. In particular, the control device is set up to carry out the method according to the invention described below or one or more of the specific embodiments of the method described below.
Insbesondere ist die Steuereinrichtung bevorzugt mit einem variabel ansteuerbaren ersten Verstärkungselement wirkverbunden, um das variabel ansteuerbare erste Verstärkungselement bezüglich seiner Verstärkung einzustellen. In particular, the control device is preferably operatively connected to a variably controllable first reinforcement element in order to set the variably controllable first reinforcement element in terms of its gain.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung mit der Pumplichtquelle wirkverbunden und eingerichtet, um eine Pulsdauer des Faseroszillators durch Wahl der Pumpleistung der Pumplichtquelle einzustellen. Die Steuereinrichtung ist insbesondere eingerichtet, um die Pumpleistung der Pumplichtquelle so zu wählen, dass die nichtlineare Phasenverschiebung zwischen den die bidirektionale Schleife in umgekehrter Richtung durchlaufenden Lichtpulsen 1 bis 3 rad beträgt, insbesondere derart, dass die vorbestimmte Pulsform erreicht wird. In one embodiment, the control device is operatively connected to the pumped light source and set up to set a pulse duration of the fiber oscillator by selecting the pump power of the pumped light source. The control device is set up in particular to select the pump power of the pumped light source such that the non-linear phase shift between the light pulses running through the bidirectional loop in the opposite direction is 1 to 3 rad, in particular such that the predetermined pulse shape is achieved.
Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung mit einem variabel ansteuerbaren Abschwächelement wirkverbunden, um das variabel ansteuerbare Abschwächelement bezüglich seiner Abschwächung einzustellen, insbesondere derart, dass die nichtlineare Phasenverschiebung zwischen den die bidirektionale Schleife in umgekehrter Richtung durchlaufenden Lichtpulsen 1 bis 3 rad beträgt, insbesondere derart, dass die vorbestimmte Pulsform erreicht wird. Alternatively or additionally, the control device is operatively connected to a variably controllable attenuation element in order to adjust the variably controllable attenuation element with regard to its attenuation, in particular such that the non-linear phase shift between the light pulses running through the bidirectional loop in the reverse direction is 1 to 3 rad, in particular such that the predetermined pulse shape is reached.
Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung mit dem bezüglich seiner Zentralwellenlänge verstellbaren Bandbreitenbegrenzungselement wirkverbunden und eingerichtet, um die Zentralwellenlänge des Bandbreitenbegrenzungselements einzustellen. Dies erlaubt in besonders vorteilhafter Weise eine flexible Wahl und insbesondere auch Variation der Zentralwellenlänge des Faseroszillators. Alternatively or additionally, the control device is operatively connected to the bandwidth limitation element, which can be adjusted with respect to its central wavelength, and is set up to set the central wavelength of the bandwidth limitation element. In a particularly advantageous manner, this allows flexible selection and, in particular, also variation of the central wavelength of the fiber oscillator.
In einer Ausführungsform weist der Faseroszillator zusätzlich zu dem verstellbaren Bandbreitenbegrenzungselement noch ein weiteres Filterelement auf, wobei durch Verstellen der Bandbreite oder Zentralwellenlänge des verstellbaren Bandbreitenbegrenzungselements ein Überlappungsbereich zwischen dem Bandbreitenbegrenzungselement und dem Filterelement eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann sehr effizient eine effektive Bandbreite der Kombination aus dem Bandbreitenbegrenzungselement und dem Filterelement und damit wiederum hochgenau die Zentralwellenlänge eingestellt werden. In one embodiment, the fiber oscillator has another filter element in addition to the adjustable bandwidth limitation element, wherein an overlapping area between the bandwidth limitation element and the filter element can be adjusted by adjusting the bandwidth or central wavelength of the adjustable bandwidth limitation element. In this way, an effective bandwidth of the Combination of the bandwidth limitation element and the filter element and thus in turn the central wavelength can be set with high precision.
Das Bandbreitenbegrenzungselement kann insbesondere thermisch oder mechanisch verstellbar sein, beispielsweise durch Erwärmen oder Abkühlen, oder durch Dehnen oder Stauchen. The bandwidth limitation element can in particular be thermally or mechanically adjustable, for example by heating or cooling, or by stretching or compressing.
Eine verstellbare Bandbreitenbegrenzung kann auch mit einem Fabry -Perot-Filter bewirkt werden, bei dem ein Abstand zwischen zwei Flächen, die für die Fabry -Perot-Eigenschaft verantwortlich sind, verändert wird. Adjustable bandwidth limitation can also be effected with a Fabry-Perot filter in which a distance between two surfaces responsible for the Fabry-Perot property is changed.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um in einer Startbetriebsart durch Ansteuerung des variabel ansteuerbaren Asymmetrieelements eine erste, höhere Asymmetrie in der bidirektionalen Schleife zu erzeugen, um ein schnelles Starten der Laseraktivität in dem Faseroszillator zu begünstigen, wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um in einer Dauerbetriebsart das variabel ansteuerbare Asymmetrieelement anzusteuem, um eine zweite, geringere Asymmetrie in der bidirektionalen Schleife zu erzeugen, um einen stabilen Dauerbetrieb des Faseroszillators zu gewährleisten. Insbesondere ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um ein variabel ansteuerbares Abschwächelement entsprechend anzusteuem, insbesondere um in der Startbetriebsart eine erste, höhere Abschwächung einzustellen, und um in der Dauerbetriebsart eine zweite, geringere Abschwächung einzustellen. In one embodiment, the control device is set up to generate a first, higher asymmetry in the bidirectional loop in a start operating mode by controlling the variably controllable asymmetry element, in order to promote a rapid start of the laser activity in the fiber oscillator, the control device being set up to to control the variably controllable asymmetry element in a continuous operating mode in order to generate a second, smaller asymmetry in the bidirectional loop in order to ensure stable continuous operation of the fiber oscillator. In particular, the control device is set up to correspondingly control a variably controllable attenuation element, in particular to set a first, higher attenuation in the start operating mode and to set a second, lower attenuation in the continuous operating mode.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Formen eines Laserpulses geschaffen wird, wobei eine vorbestimmte Pulsform für den Laserpuls bereitgestellt, insbesondere vorgegeben wird. Der Laserpuls wird mittels eines Anregungslasers erzeugt, der als passiv modengekoppelter Faseroszillator ausgebildet ist. Der passiv modengekoppelte Faseroszillator weist eine bidirektionale Schleife und eine unidirektionale Schleife auf, wobei die bidirektionale Schleife und die unidirektionale Schleife durch einen 3x3 -Koppler miteinander gekoppelt sind, wobei die bidirektionale Schleife eine erste Verstärkungsfaser aufweist. Zumindest ein Betriebsparameter des Anregungslasers wird derart auf die vorbestimmte Pulsform abgestimmt, dass der aus einem Auskoppelport des 3x3-Kopplers austretende Laserpuls die vorbestimmte Pulsform aufweist. Insbesondere wird im Rahmen des Verfahrens die erfindungsgemäße Laservorrichtung oder eine Laservorrichtung nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwendet, um den Laserpuls zu erzeugen und zu formen. Insbesondere ergeben sich in Zusammenhang mit dem Verfahren die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Laservorrichtung erläutert wurden. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Laserpuls in einer Verstärkervorrichtung verstärkt wird, wobei die vorbestimmte Pulsform derart ermittelt oder vorgegeben wird, dass eine in der Verstärkervorrichtung auftretende Verstärkungsverengung zumindest teilweise kompensiert wird. The object is also achieved in that a method for shaping a laser pulse is created, a predetermined pulse shape being provided for the laser pulse, in particular being specified. The laser pulse is generated by an excitation laser, which is designed as a passively mode-locked fiber oscillator. The passively mode-locked fiber oscillator has a bidirectional loop and a unidirectional loop, the bidirectional loop and the unidirectional loop being coupled together by a 3x3 coupler, the bidirectional loop having a first gain fiber. At least one operating parameter of the excitation laser is matched to the predetermined pulse shape in such a way that the laser pulse emerging from an outcoupling port of the 3×3 coupler has the predetermined pulse shape. In particular, within the scope of the method, the laser device according to the invention or a laser device according to one or more of the embodiments described above is used in order to generate and shape the laser pulse. In particular, the advantages that have already been explained in connection with the laser device result in connection with the method. According to a development of the invention, it is provided that the laser pulse is amplified in an amplifier device, the predetermined pulse shape being determined or specified in such a way that an amplification narrowing occurring in the amplifier device is at least partially compensated.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen: The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. show:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eine Laservorrichtung mit einem als passiv modengekoppelten Faseroszillator ausgebildeten Anregungslaser; FIG. 1 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of a laser device with an excitation laser designed as a passively mode-locked fiber oscillator;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einerFigure 2 is a schematic representation of a second embodiment of a
Laservorrichtung; laser device;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einerFigure 3 is a schematic representation of a third embodiment of a
Laservorrichtung; laser device;
Figur 4 eine diagrammatische Erläuterung der Funktionsweise eines Bandbreitenbegrenzungselements bei einem Faseroszillator; Figure 4 is a diagrammatic illustration of the operation of a bandwidth limiting element in a fiber oscillator;
Figur 5 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Laservorrichtung, und Figure 5 is a schematic representation of a fourth embodiment of a laser device, and
Figur 6 eine schematische Darstellung der Funktionsweise der Laservorrichtung. FIG. 6 shows a schematic representation of the mode of operation of the laser device.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Laservorrichtung 2 mit einem als passiv modengekoppelten Faseroszillator 1 ausgebildeten Anregungslaser 14. Der Faseroszillator 1 weist eine bidirektionale Schleife 3 und eine unidirektionale Schleife 5 auf, wobei die bidirektionale Schleife 3 und die unidirektionale Schleife 5 durch einen 3x3 -Koppler 7 miteinander gekoppelt, insbesondere lichtleitend verbunden, sind. In der bidirektionalen Schleife 3 ist eine erste Verstärkungsfaser 9 angeordnet. Zumindest ein Betriebsparameter des Anregungslasers 14 ist derart eingestellt, dass ein aus einem Auskoppelport 10 des 3x3-Kopplers 7 austretender Laserpuls eine - spektrale - Pulsform aufweist, die bei einer Zentralwellenlänge eine Eintiefung aufweist. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, eine gegebenenfalls in einer nachgeschalteten - hier nur schematisch dargestellten - Verstärkervorrichtung 12 auftretende Verstärkungsverengung durch die entsprechend geeignete Pulsverformung in dem Anregungslaser 14 selbst zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, zu kompensieren. Für diese Kompensation bedarf es dann vorteilhaft keiner zusätzlichen optischen Bauteile, sodass die Laservorrichtung 2 einen einfachen Aufbau bei zugleich geringen optischen Verlusten aufweisen kann. Fig. 1 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of a laser device 2 with an excitation laser 14 designed as a passively mode-locked fiber oscillator 1. The fiber oscillator 1 has a bidirectional loop 3 and a unidirectional loop 5, with the bidirectional loop 3 and the unidirectional loop 5 passing through a 3×3 coupler 7 coupled to one another, in particular connected in a light-conducting manner. A first amplification fiber 9 is arranged in the bidirectional loop 3 . At least one operating parameter of the excitation laser 14 is set in such a way that a laser pulse emerging from an outcoupling port 10 of the 3×3 coupler 7 has a—spectral—pulse shape that has a depression at a central wavelength. In this way, it is advantageously possible to use the correspondingly suitable amplifier device 12, which may occur in a downstream amplifier device 12—shown only schematically here To compensate pulse deformation in the excitation laser 14 itself at least partially, preferably completely. Advantageously, no additional optical components are then required for this compensation, so that the laser device 2 can have a simple structure with low optical losses at the same time.
Vorzugsweise weist die Laservorrichtung 2 die Verstärkervorrichtung 12 auf, wobei die Verstärkervorrichtung 12 eingerichtet ist, um den von dem Anregungslaser 14 erzeugten Laserpuls zu verstärken. Der zumindest eine Betriebsparameter des Anregungslasers 14 ist dabei derart auf die Verstärkervorrichtung abgestimmt, dass durch die Pulsform des Laserpulses die in der Verstärkervorrichtung 12 auftretende Verstärkungsverengung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, kompensiert wird. The laser device 2 preferably has the amplifier device 12 , the amplifier device 12 being set up to amplify the laser pulse generated by the excitation laser 14 . The at least one operating parameter of the excitation laser 14 is matched to the amplifier device in such a way that the pulse shape of the laser pulse at least partially, preferably completely, compensates for the narrowing of the gain occurring in the amplifier device 12 .
Der zumindest eine Betriebsparameter des Anregungslasers 14 ist bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Faserlänge der bidirektionalen Schleife 3, einer nichtlinearen Phasenverschiebung in der bidirektionalen Schleife 3, insbesondere der optionalen Anordnung oder Ausgestaltung eines - hier nur schematisch dargestellten - nicht-reziproken Phasenschiebers 16 in der bidirektionalen Schleife und/oder einer in die Verstärkungsfaser 9 eingekoppelten Pumpleistung, einer Leistungsaufteilung in dem 3x3-Koppler 7, und einer Phasenverschiebung in dem 3x3 -Koppler 7. The at least one operating parameter of the excitation laser 14 is preferably selected from a group consisting of: a fiber length of the bidirectional loop 3, a non-linear phase shift in the bidirectional loop 3, in particular the optional arrangement or configuration of a non-reciprocal phase shifter - only shown schematically here 16 in the bidirectional loop and/or a pump power coupled into the amplifying fiber 9, a power split in the 3x3 coupler 7, and a phase shift in the 3x3 coupler 7.
In vorteilhafter Weise übernimmt die bidirektionale Schleife 3 die Funktion eines sättigbaren Absorbers, sodass der Faseroszillator 1 insbesondere auf einen halbleiterbasierten sättigbaren Absorber-Spiegel (Semiconductor Saturable Absorber Mirror), kurz SESAM, verzichten kann. Somit wird auch das ansonsten bestehende Problem einer Degradation und Dejustage in Verbindung mit einem SESAM vollständig vermieden. Insbesondere treten in Zusammenhang mit der bidirektionalen Schleife 3 keine Probleme mit Degradation und/oder Dejustage auf. Durch geeignete Wahl der ersten Verstärkungsfaser 9, insbesondere eines Elements, mit dem die erste Verstärkungsfaser 9 dotiert ist, können geeignete Wellenlängen für den Faseroszillator 1 bereitgestellt werden, insbesondere im Bereich von ungefähr 900 nm bis 1100 nm (Ytterbium, Neodym) über 1500 nm (Erbium) bis ungefähr 1900 bis 2100 nm (Thulium, Holmium). Durch spezifische Abstimmung der Gesamtdispersion des Faseroszillators 1 im anomalen oder normalen Bereich werden vorteilhaft wohldefinierte Dispersionseigenschaften bereitgestellt. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Verstärkungsfaser 9 als Bandbreitenbegrenzungselement 59 und/oder als Dispersionskompensationselement 60 ausgebildet. Insbesondere kann die Verstärkungsfaser 9 die Funktion der Bandbreitenbegrenzung aufgrund ihrer Gain-Bandbreite übernehmen. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Faseroszillator 1 insgesamt eine anomale Dispersion auf. Der Faseroszillator 1 weist in einer anderen bevorzugten Ausgestaltung insgesamt eine normale Dispersion auf. The bidirectional loop 3 advantageously assumes the function of a saturable absorber, so that the fiber oscillator 1 can in particular dispense with a semiconductor-based saturable absorber mirror (Semiconductor Saturable Absorber Mirror), SESAM for short. In this way, the otherwise existing problem of degradation and misalignment in connection with a SESAM is also completely avoided. In particular, no problems with degradation and/or misalignment occur in connection with the bidirectional loop 3 . A suitable choice of the first amplification fiber 9, in particular an element with which the first amplification fiber 9 is doped, can provide suitable wavelengths for the fiber oscillator 1, in particular in the range from approximately 900 nm to 1100 nm (ytterbium, neodymium) over 1500 nm ( erbium) to about 1900 to 2100 nm (thulium, holmium). By specifically tuning the overall dispersion of the fiber oscillator 1 in the anomalous or normal range, well-defined dispersion characteristics are advantageously provided. In a preferred embodiment, the amplification fiber 9 is designed as a bandwidth limitation element 59 and/or as a dispersion compensation element 60 . In particular, the amplification fiber 9 can assume the function of bandwidth limitation due to its gain bandwidth. In a preferred embodiment, the fiber oscillator 1 has an anomalous dispersion overall. In another preferred embodiment, the fiber oscillator 1 has normal dispersion overall.
Die erste Verstärkungsfaser 9 ist bevorzugt mit wenigstens einem Element dotiert, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Ytterbium, Neodym, Erbium, Holmium, und Thulium. Die erste Verstärkungsfaser 9 kann auch mit einer Kombination von wenigstens zwei der genannten Elemente dotiert sein, insbesondere mit einer Kombination von genau zwei dieser Elemente, insbesondere Er/Yb oder Tm/Ho. The first amplifying fiber 9 is preferably doped with at least one element selected from a group consisting of: ytterbium, neodymium, erbium, holmium, and thulium. The first amplifying fiber 9 can also be doped with a combination of at least two of the elements mentioned, in particular with a combination of exactly two of these elements, in particular Er/Yb or Tm/Ho.
Vorzugsweise weist die bidirektionale Schleife 3 eine Asymmetrie für zwei Lichtpulse auf, welche die bidirektionale Schleife 3 in entgegengesetzte Richtungen durchlaufen, insbesondere in Form eines Asymmetrieelements 4. Diese Asymmetrie kann insbesondere durch ein asymmetrisch angeordnetes erstes Verstärkungselement 6 und/oder ein asymmetrisch angeordnetes Abschwächelement 8 in der bidirektionalen Schleife 3 bewirkt werden. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Verstärkungsfaser 9 als erstes Verstärkungselement 6 asymmetrisch in der bidirektionalen Schleife 3 angeordnet. Insbesondere ist die bidirektionale Schleife 3 als nichtlinearer, verstärkender Schleifenspiegel (NALM) ausgebildet. The bidirectional loop 3 preferably has an asymmetry for two light pulses which pass through the bidirectional loop 3 in opposite directions, in particular in the form of an asymmetry element 4. This asymmetry can be achieved in particular by an asymmetrically arranged first amplifying element 6 and/or an asymmetrically arranged attenuating element 8 in of the bidirectional loop 3 can be effected. In the exemplary embodiment illustrated here, the first reinforcement fiber 9 is arranged asymmetrically in the bidirectional loop 3 as the first reinforcement element 6 . In particular, the bidirectional loop 3 is designed as a non-linear, amplifying loop mirror (NALM).
Vorzugsweise ist in der bidirektionalen Schleife 3 eine Einkoppeleinrichtung 11 zur Einkopplung von Pumplicht angeordnet. Die Einkoppeleinrichtung 11 ist bevorzugt als Wellenlängenmultiplex- Koppler (WDM) ausgebildet. Die Einkoppeleinrichtung 11 kann hier auch als Abschwächelement 8 wirken. Es kann als Abschwächelement 8 auch beispielsweise ein Tap-Koppler in der bidirektionalen Schleife 3 angeordnet sein. A coupling device 11 for coupling pump light is preferably arranged in the bidirectional loop 3 . The coupling device 11 is preferably designed as a wavelength division multiplex coupler (WDM). The coupling device 11 can also act as an attenuating element 8 here. A tap coupler, for example, can also be arranged in the bidirectional loop 3 as the attenuating element 8 .
In der unidirektionalen Schleife 5 ist vorzugsweise eine Isolatoreinrichtung 13, insbesondere ein Isolator 15, angeordnet. An isolator device 13 , in particular an isolator 15 , is preferably arranged in the unidirectional loop 5 .
Der 3x3-Koppler 7 ist bevorzugt eingerichtet, um Lichtpulsen, die zwischen verschiedenen unmittelbaren Verbindungen einer Mehrzahl von Ports 17 des 3x3-Kopplers 7 übersprechen, eine Phasenverschiebung von 2TC/3 ZU vermitteln. Insbesondere weist der 3x3-Koppler 7 eine erste Kopplerseite 18 und eine zweite Kopplerseite 20 mit jeweils drei Ports 17 auf. Die unidirektionale Schleife 5 ist bevorzugt mit der ersten Kopplerseite 18 verbunden, wobei die bidirektionale Schleife 3 mit der zweiten Kopplerseite 20 verbunden ist. Der Auskoppelport 10 ist bevorzugt ein freier Port 17, das heißt ein nicht durch die unidirektionale Schleife 5 belegter Port 17, der ersten Koppler seite 18. The 3x3 coupler 7 is preferably set up to impart a phase shift of 2TC/3 ZU to light pulses which crosstalk between different direct connections of a plurality of ports 17 of the 3x3 coupler 7 . In particular, the 3×3 coupler 7 has a first coupler side 18 and a second coupler side 20, each with three ports 17. The unidirectional loop 5 is preferably connected to the first coupler side 18, with the bidirectional loop 3 being connected to the second coupler side 20. The decoupling port 10 is preferably a free port 17, i.e. a port 17 not occupied by the unidirectional loop 5, of the first coupler side 18.
Der 3x3 -Koppler 7 ist vorzugsweise als symmetrischer Koppler ausgebildet, und die bidirektionale Schleife 3 ist bevorzugt eingerichtet, um zwischen den gegenläufigen Lichtpulsen eine Phasenverschiebung von 1 rad bis 3 rad zu vermitteln. Alternativ ist es aber auch möglich, dass der 3x3-Koppler 7 asymmetrisch ausgebildet ist. The 3×3 coupler 7 is preferably designed as a symmetrical coupler, and the bidirectional loop 3 is preferably set up to impart a phase shift of 1 rad to 3 rad between the opposing light pulses. Alternatively, however, it is also possible for the 3×3 coupler 7 to be designed asymmetrically.
Im Folgenden wird anhand von Figur 1 eine bestimmte Ausführungsform des 3x3-Kopplers 7 unter Berücksichtigung einer bestimmten möglichen Anordnung und Verknüpfung der Ports 17 des 3x3-Kopplers 7 beschrieben. Es sind zahlreiche andere Ausführungsformen möglich, die zu der beschriebenen Anordnung äquivalent, nahezu äquivalent oder zumindest funktionsgleich sind, jedenfalls aber denselben Zweck erfüllen. A specific embodiment of the 3×3 coupler 7 is described below with reference to FIG. Numerous other embodiments are possible which are equivalent, nearly equivalent or at least functionally identical to the arrangement described, but in any case fulfill the same purpose.
Der 3x3-Koppler 7 weist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel auf der ersten Kopplerseite 18 insbesondere einen ersten Port 17.1, einen zweiten Port 17.2, und ein dritten Port 17.3, sowie auf der zweiten Kopplerseite 20 einen vierten Port 17.4, einen fünften Port 17.5 und einen sechsten Port 17.6 auf. Der erste Port 17.1 ist unmittelbar über einen ersten FaserabschnittThe 3x3 coupler 7 has according to the embodiment shown here on the first coupler side 18 in particular a first port 17.1, a second port 17.2 and a third port 17.3, and on the second coupler side 20 a fourth port 17.4, a fifth port 17.5 and a sixth port 17.6 on. The first port 17.1 is directly across a first fiber section
22.1 mit dem vierten Port 17.4 lichtleitend verbunden, der zweite Port 17.2 ist unmittelbar über einen zweiten Faserabschnitt 22.2 mit dem fünften Port 17.5 lichtleitend verbunden, und der dritte Port 17.3 ist unmittelbar über einen dritten Faserabschnitt 22.3 mit dem sechsten Port 17.6 lichtleitend verbunden. Ein erstes Ende 19 der unidirektionalen Schleife 5 ist mit dem dritten Port 17.3 lichtleitend verbunden. Ein zweites Ende 21 der unidirektionalen Schleife 5 ist mit dem ersten Port 17.1 lichtleitend verbunden. Durch die Ausgestaltung und Anordnung der Isolatoreinrichtung 13 können Lichtpulse entlang der unidirektionalen Schleife 5 bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nur von dem dritten Port 17.3 zu dem ersten Port 17.1 propagieren. Ein erstes Ende 23 der bidirektionalen Schleife 3 ist mit dem fünften Port 17.5 lichtleitend verbunden. Ein zweites Ende 25 der bidirektionalen Schleife 3 ist mit dem sechsten Port 17.6 lichtleitend verbunden. Der nicht mit der unidirektionalen Schleife 5 verbundene, das heißt freie zweite Port22.1 is optically connected to the fourth port 17.4, the second port 17.2 is optically connected directly to the fifth port 17.5 via a second fiber section 22.2, and the third port 17.3 is optically connected directly to the sixth port 17.6 via a third fiber section 22.3. A first end 19 of the unidirectional loop 5 is optically connected to the third port 17.3. A second end 21 of the unidirectional loop 5 is optically connected to the first port 17.1. Due to the configuration and arrangement of the isolator device 13, light pulses can only propagate along the unidirectional loop 5 from the third port 17.3 to the first port 17.1 in the exemplary embodiment shown here. A first end 23 of the bidirectional loop 3 is optically connected to the fifth port 17.5. A second end 25 of the bidirectional loop 3 is optically connected to the sixth port 17.6. The second port not connected to the unidirectional loop 5, i.e. free
17.2 ist der Auskoppelport 10. Der vierte Port 17.4 kann bevorzugt verwendet werden, um zusätzlich Lichtpulse aus dem Faseroszillator 1 auszukoppeln, sei es als weiteres Nutzlicht oder zur Überwachung. 17.2 is the decoupling port 10. The fourth port 17.4 can preferably be used in order to decouple additional light pulses from the fiber oscillator 1, either as additional useful light or for monitoring.
Ein aus der unidirektionalen Schleife 5 über den ersten Port 17.1 in den 3x3-Koppler 7 eintretender Lichtpuls wird durch den 3x3-Koppler 7 in drei Lichtpulse mit gleicher Pulsenergie auf den vierten Port 17.4, den fünften Port 17.5 und den sechsten Port 17.6 aufgeteilt. Die Lichtpulse am fünften Port 17.5 und am sechsten Port 17.6 erfahren jeweils gegenüber dem am ersten Port 17.1 eintretenden Lichtpuls eine Phasenverschiebung von 2TC/3. Der Lichtpuls am fünften Port 17.5 wird im Folgenden als erster Lichtpuls bezeichnet, der Lichtpuls am sechsten Port 17.6 als zweiter Lichtpuls. Der erste Lichtpuls durchläuft nun die bidirektionale Schleife 3 ausgehend von deren ersten Ende 23 hin zu deren zweiten Ende 25, wobei der zweite Lichtpulse die bidirektionale Schleife 3 in umgekehrter Richtung durchläuft. A light pulse entering the 3x3 coupler 7 from the unidirectional loop 5 via the first port 17.1 is converted by the 3x3 coupler 7 into three light pulses with the same pulse energy on the fourth Port 17.4, the fifth port 17.5 and the sixth port 17.6 divided. The light pulses at the fifth port 17.5 and at the sixth port 17.6 each experience a phase shift of 2TC/3 compared to the light pulse entering at the first port 17.1. The light pulse at the fifth port 17.5 is referred to below as the first light pulse, and the light pulse at the sixth port 17.6 as the second light pulse. The first light pulse now runs through the bidirectional loop 3 starting from its first end 23 to its second end 25, with the second light pulse running through the bidirectional loop 3 in the opposite direction.
Aufgrund der in der bidirektionalen Schleife 3 asymmetrisch angeordneten ersten Verstärkungsfaser 9 erfahren nun der erste Lichtpuls und der zweite Lichtpuls verschiedene Phasenverschiebungen bzw. B-Integrale während ihrer Propagation entlang der bidirektionalen Schleife 3. Der Unterschied in den B-Integralen bzw. die Phasenverschiebung zwischen dem ersten Lichtpuls und dem zweiten Lichtpuls hängt insbesondere ab von der Ursprungsintensität der Lichtpulse - vor Durchlaufen der bidirektionalen Schleife 3 - und der Verstärkung in der ersten Verstärkungsfaser 9, insbesondere also von einem Pumpniveau der ersten Verstärkungsfaser 9. Insbesondere beträgt die nichtlineare Phasenverschiebung bevorzugt 1 rad bis 3 rad. Due to the asymmetrically arranged first amplification fiber 9 in the bidirectional loop 3, the first light pulse and the second light pulse now experience different phase shifts or B integrals during their propagation along the bidirectional loop 3. The difference in the B integrals or the phase shift between the first light pulse and the second light pulse depends in particular on the original intensity of the light pulses - before passing through the bidirectional loop 3 - and the amplification in the first amplification fiber 9, i.e. in particular on a pump level of the first amplification fiber 9. In particular, the non-linear phase shift is preferably 1 rad to 3 wheel.
An dem fünften Port 17.5 angekommen spricht nun der zweite Lichtpuls teilweise über in die unmittelbare optische Verbindung zwischen dem sechsten Port 17.6 und dem dritten Port 17.3 und erfährt dabei erneut eine Phasenverschiebung von 2TC/3. Der am sechsten Port 17.6 ankommende erste Lichtpuls wird teilweise unmittelbar zu dem dritten Port 17.3 weitergeleitet, ohne dabei eine Phasenverschiebung zu erfahren. Ein sich durch Superposition - insbesondere konstruktive Interferenz - des ersten Lichtpulses und des zweiten Lichtpulses ergebender Ausgangspuls am dritten Port 17.3 hängt damit insbesondere von den B-Integralen ab, die die Lichtpulse bei ihrer Propagation entlang der bidirektionalen Schleife 3 erfahren. Arriving at the fifth port 17.5, the second light pulse now speaks partially over into the direct optical connection between the sixth port 17.6 and the third port 17.3 and again experiences a phase shift of 2TC/3. The first light pulse arriving at the sixth port 17.6 is partially forwarded directly to the third port 17.3 without experiencing a phase shift. An output pulse at the third port 17.3 resulting from superposition—in particular constructive interference—of the first light pulse and the second light pulse thus depends in particular on the B integrals that the light pulses experience during their propagation along the bidirectional loop 3.
Lichtanteile, die zurück in den ersten Port 17.1 gelangen, werden durch die Isolatoreinrichtung 13 getilgt. Es werden nur Lichtpulse in die unidirektionale Schleife 5 durchgelassen, die über den dritten Port 17.3 in die unidirektionale Schleife 5 eintreten. Die bidirektionale Schleife 3 fungiert als sättigbarer Absorber. Light components that get back into the first port 17.1 are eliminated by the isolator device 13. Only light pulses that enter the unidirectional loop 5 via the third port 17.3 are let through into the unidirectional loop 5. The bidirectional loop 3 acts as a saturable absorber.
Ein Anteil des an dem fünften Port 17.5 ankommenden zweiten Lichtpulses, der nicht in die unmittelbare optische Verbindung zwischen dem sechsten Port 17.6 und dem dritten Port 17.3 überspricht, wird seinerseits wiederum teilweise unmittelbar zu dem zweiten Port 17.2 weitergeleitet. Außerdem spricht ein Teil des an dem sechsten Port 17.6 ankommenden ersten Lichtpulses in die unmittelbare optische Verbindung zwischen dem fünften Port 17.5 und dem zweiten Port 17.2 über und erfährt dabei eine Phasenverschiebung von 2TC/3. Die Pulsform des an dem Auskoppelport 10, das heißt dem zweiten Port 17.2, austretenden Lichtpuls ergibt sich nun aus der Superposition - insbesondere destruktiven Interferenz - der entsprechenden Anteile des ersten Lichtpulses und des zweiten Lichtpulses an dem zweiten Port 17.2. A proportion of the second light pulse arriving at the fifth port 17.5, which does not crosstalk into the direct optical connection between the sixth port 17.6 and the third port 17.3, is in turn partially forwarded directly to the second port 17.2. In addition, part of the first arriving at the sixth port 17.6 speaks Light pulse in the immediate optical connection between the fifth port 17.5 and the second port 17.2 and experiences a phase shift of 2TC / 3. The pulse shape of the light pulse exiting at the decoupling port 10, ie the second port 17.2, results from the superposition--particularly destructive interference--of the corresponding portions of the first light pulse and the second light pulse at the second port 17.2.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Laservorrichtung 2 ist das erste Ende 23 der bidirektionalen Schleife 3 mit dem vierten Port 17.4 lichtleitend verbunden. Das zweite Ende 25 der bidirektionalen Schleife 3 ist mit dem fünften Port 17.5 lichtleitend verbunden. Die Funktionsweise dieses anderen Ausführungsbeispiels ergibt sich analog zu der zuvor erläuterten Funktionsweise. In another exemplary embodiment of the laser device 2, the first end 23 of the bidirectional loop 3 is connected to the fourth port 17.4 in a light-conducting manner. The second end 25 of the bidirectional loop 3 is optically connected to the fifth port 17.5. The mode of operation of this other exemplary embodiment is analogous to the mode of operation explained above.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel des Faseroszillators 1 weist die unidirektionale Schleife 5 kein Verstärkungsmedium auf. Insbesondere ist hier die erste Verstärkungsfaser 9 das einzige Verstärkungsmedium, insbesondere die einzige Verstärkungsfaser des Faseroszillators 1. In the first embodiment of the fiber oscillator 1, the unidirectional loop 5 has no gain medium. In particular, the first amplification fiber 9 is the only amplification medium here, in particular the only amplification fiber of the fiber oscillator 1.
Die Laservorrichtung 2 weist außerdem bevorzugt eine Pumplichtquelle 29 auf, wobei die Pumplichtquelle 29 mit dem Faseroszillator 1, insbesondere mit der Einkoppeleinrichtung 11, lichtleitend verbunden ist, sodass Pumplicht der Pumplichtquelle 29 in den Faseroszillator 1 eingekoppelt werden kann. Laser device 2 also preferably has a pumped light source 29, pumped light source 29 being optically connected to fiber oscillator 1, in particular to coupling device 11, so that pumped light from pumped light source 29 can be coupled into fiber oscillator 1.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Laservorrichtung 2. Fig. 2 shows a schematic representation of a second exemplary embodiment of the laser device 2.
Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Elements that are the same and have the same function are provided with the same reference symbols in all figures, so that reference is made to the previous description in each case.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die unidirektionale Schleife 5 einen reflektierenden Arm 31 auf, in dem bei dem hier dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ein als Faser-B ragg-Gitter 33 ausgebildetes Reflektorelement 35 angeordnet ist. Der reflektierende Arm 31 ist über ein Zirkulatorelement 37 lichtleitend mit einem Ringteil 39 der unidirektionalen Schleife 5 verbunden. Insbesondere weist der Ringteil 39 einen ersten Ringast 41 auf, der mit einem ersten Ringastende 43 mit dem dritten Port 17.3 des 3x3-Kopplers 7 verbunden ist, wobei er mit einem zweiten Ringastende 45 mit dem Zirkulatorelement 37 verbunden ist. Der Ringteil 39 weist außerdem einen zweiten Ringast 47 auf, der mit einem ersten Ringastende 49 mit dem Zirkulatorelement 37 und mit einem zweiten Ringastende 51 mit dem ersten Port 17.1 des 3x3-Kopplers 7 verbunden ist. Das Zirkulatorelement 37 wirkt hier als Isolatoreinrichtung 13. Ein die unidirektionale Schleife 5 ausgehend von dem dritten Port 17.3 zu dem ersten Port 17.1 durchlaufender Lichtpuls durchläuft die Ringäste 41, 47 jeweils einmal, den reflektierenden Arm 31 jedoch zweimal, nämlich einmal zu dem Reflektorelement 35 hin, und einmal von dem Reflektorelement 35 zurück. In this exemplary embodiment, the unidirectional loop 5 has a reflecting arm 31 in which, in the second exemplary embodiment shown here, a reflector element 35 designed as a fiber Bragg grating 33 is arranged. The reflecting arm 31 is connected to a ring part 39 of the unidirectional loop 5 via a circulator element 37 in a light-conducting manner. In particular, the ring part 39 has a first ring branch 41 which is connected to the third port 17.3 of the 3x3 coupler 7 with a first ring branch end 43 and is connected to the circulator element 37 with a second ring branch end 45 . The ring part 39 also has a second ring branch 47 which is connected to the circulator element 37 with a first ring branch end 49 and having a second ring end 51 connected to the first port 17.1 of the 3x3 coupler 7. The circulator element 37 acts here as an isolator device 13. A light pulse passing through the unidirectional loop 5 starting from the third port 17.3 to the first port 17.1 passes through the ring branches 41, 47 once, but passes through the reflecting arm 31 twice, namely once towards the reflector element 35 , and once from the reflector element 35 back.
In dem reflektierenden Arm 31 ist als ein zusätzliches zweites Verstärkungselement 52 eine zweite Verstärkungsfaser 53 angeordnet, die vorzugsweise mit demselben Element dotiert ist, mit dem auch die erste Verstärkungsfaser 9 dotiert ist. Das zweite Verstärkungselement 52, insbesondere die zweite Verstärkungsfaser 53, kann aber auch an anderer Stelle in dem Faseroszillator 1 angeordnet sein. A second amplification fiber 53 is arranged in the reflecting arm 31 as an additional second amplification element 52, which is preferably doped with the same element with which the first amplification fiber 9 is also doped. However, the second amplification element 52, in particular the second amplification fiber 53, can also be arranged at a different point in the fiber oscillator 1.
Das Reflektorelement 35 ist bevorzugt teiltransmittierend oderteilreflektierend ausgebildet, wobei zum einen ein vorbestimmter Anteil von Licht über das Reflektorelement 35 aus dem Faseroszillator 1 ausgekoppelt wird, wobei zum anderen bevorzugt Pumplicht für die zweite Verstärkungsfaser 53 über das Reflektorelement 35 in die unidirektionale Schleife 5 eingekoppelt wird. The reflector element 35 is preferably designed to be partially transmitting or partially reflecting, with a predetermined proportion of light being coupled out of the fiber oscillator 1 via the reflector element 35, and pumping light for the second amplification fiber 53 being coupled into the unidirectional loop 5 via the reflector element 35.
Das Zirkulator el em ent 37 wirkt insbesondere als Isolatorelement 57 in der unidirektionalen Schleife 5. The circulator element 37 acts in particular as an isolator element 57 in the unidirectional loop 5.
Das Reflektorelement 35 ist bevorzugt als Bandbreitenbegrenzungselement 59 ausgebildet; insbesondere ist das - gemäß einer Ausgestaltung ungechirpte - Faser-B ragg-Gitter 33 bevorzugt als Bandbreitenbegrenzungselement 59 ausgebildet. In bevorzugter Ausgestaltung ist es möglich, dass das Bandbreitenbegrenzungselement 59 - insbesondere thermisch oder mechanisch - bezüglich seiner Bandbreite verstellbar ausgebildet ist. The reflector element 35 is preferably designed as a bandwidth limitation element 59; In particular, the fiber Bragg grating 33--which is unchirped according to one embodiment--is preferably designed as a bandwidth-limiting element 59. In a preferred embodiment, it is possible for the bandwidth limiting element 59 to be adjustable—in particular thermally or mechanically—with respect to its bandwidth.
Das Bandbreitenbegrenzungselement 59 weist bevorzugt eine Bandbreite von mindestens 1 pm bis höchstens 20 nm, vorzugsweise von mindestens 10 pm bis höchstens 15 nm auf. The bandwidth limitation element 59 preferably has a bandwidth of at least 1 μm to at most 20 nm, preferably from at least 10 μm to at most 15 nm.
Insbesondere wenn das Faser-B ragg-Gitter 33 als gechirptes Faser-Bragg-Gitter 33 ausgebildet ist, kann es zusätzlich oder alternativ als Dispersionskompensationselement 60 fungieren. In particular, if the fiber Bragg grating 33 is designed as a chirped fiber Bragg grating 33, it can additionally or alternatively function as a dispersion compensation element 60.
Alternativ oder zusätzlich ist es optional möglich, dass in der bidirektionalen Schleife 3 eine dispersionskompensierende Faser 71 als Dispersionskompensationselement 60 angeordnet ist. Die Laservorrichtung 2 weist in bevorzugter Ausgestaltung eine Steuereinrichtung 61 auf, wobei die Steuereinrichtung 61 mit der Pumplichtquelle 29 wirkverbunden und eingerichtet ist, insbesondere um die nichtlineare Phasenverschiebung in der bidirektionalen Schleife 3 und damit insbesondere zugleich die vorbestimmte Pulsform durch Wahl der Pumpleistung der Pumplichtquelle 29 einzustellen. As an alternative or in addition, it is optionally possible for a dispersion-compensating fiber 71 to be arranged as a dispersion-compensation element 60 in the bidirectional loop 3 . In a preferred embodiment, the laser device 2 has a control device 61, the control device 61 being operatively connected to the pumped light source 29 and set up, in particular to set the non-linear phase shift in the bidirectional loop 3 and thus in particular at the same time the predetermined pulse shape by selecting the pump power of the pumped light source 29 .
Die Steuereinrichtung 61 ist alternativ oder zusätzlich mit dem vorzugsweise bezüglich seiner Bandbreite - insbesondere thermisch oder mechanisch - verstellbar ausgebildeten Bandbreitenbegrenzungselement 59 wirkverbunden und eingerichtet, um eine Bandbreite des Bandbreitenbegrenzungselements 59 einzustellen, insbesondere um bevorzugt einen größeren Pulsdauerbereich abdecken zu können, als - gegebenenfalls nur - durch Wahl der Pumpleistung. The control device 61 is alternatively or additionally operatively connected to the bandwidth limiting element 59, which is preferably adjustable in terms of its bandwidth - in particular thermally or mechanically - and is set up to set a bandwidth of the bandwidth limiting element 59, in particular to be able to preferably cover a larger pulse duration range than - possibly only by choosing the pump power.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Laservorrichtung 2. Fig. 3 shows a schematic representation of a third exemplary embodiment of the laser device 2.
Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel besteht die unidirektionale Schleife 5 aus dem Ringteil 39 - sie weist entsprechend keinen reflektierenden Arm 31 auf - und weist in dem Ringteil 39 das zusätzliche zweite Verstärkungselement 52, hier eine dritte Verstärkungsfaser 63, auf, wobei die dritte Verstärkungsfaser 63 bevorzugt mit demselben Element dotiert ist wie die erste Verstärkungsfaser 9. Die Isolatoreinrichtung 13 ist als das Isolatorelement 57 in Propagationsrichtung hinter der dritten Verstärkungsfaser 63 angeordnet. In this third exemplary embodiment, the unidirectional loop 5 consists of the ring part 39 - it accordingly has no reflective arm 31 - and has the additional second reinforcement element 52, here a third reinforcement fiber 63, in the ring part 39, with the third reinforcement fiber 63 preferably having is doped with the same element as the first amplification fiber 9. The isolator device 13 is arranged as the isolator element 57 behind the third amplification fiber 63 in the propagation direction.
Die Isolatoreinrichtung 13 ist hier zugleich als eine zweite Einkoppeleinrichtung 65 - zusätzlich zu der Einkoppeleinrichtung 11, die insofern eine erste Einkoppeleinrichtung ist - zur Einkopplung von Pumplicht für die dritte Verstärkungsfaser 63 ausgebildet, insbesondere als Well enlängenmultipl ex-Koppl er. The isolator device 13 is here at the same time as a second coupling device 65--in addition to the coupling device 11, which is a first coupling device--for coupling pump light for the third amplification fiber 63, in particular as a wavelength-multiplier coupler.
Außerdem ist optional in der unidirektionalen Schleife 5 in Propagationsrichtung vor der dritten Verstärkungsfaser 63 ein - vorzugsweise verstellbarer - Bandpassfilter 67 als das Bandbreitenbegrenzungselement 59 angeordnet. In addition, a—preferably adjustable—bandpass filter 67 is optionally arranged as the bandwidth limitation element 59 in the unidirectional loop 5 in the propagation direction before the third amplifying fiber 63 .
Weiterhin ist optional in der unidirektionalen Schleife 5 eine Auskoppeleinrichtung 69 angeordnet, die vorzugsweise Tap-Koppler ausgebildet ist. Über die Auskoppeleinrichtung 69 kann insbesondere wahlweise Nutzlicht oder Licht zur Überwachung des Faseroszillators 1 ausgekoppelt werden. Fig. 4 zeigt eine diagrammatische Erläuterung der Funktionsweise des Bandbreitenbegrenzungselements 59. Dabei ist bei a) eine Auftragung einer spektralen Leistungsdichte eines Lichtpulses gegen die Wellenlänge dargestellt; bei b) ist eine Auftragung einer zeitlichen Leistungsdichte des Laserpulses gegen die Zeit dargestellt. Eine erste, gestrichelte Kurve Kl zeigt jeweils in den Auftragungen gemäß a) und b) eine spektrale bzw. zeitliche Form des Lichtpulses vor dem Durchlaufen des Bandbreitenbegrenzungselements 59, und eine zweite, durchgezogene Kurve K2 zeigt jeweils die entsprechende Form des Lichtpulses nach Durchlaufen des Bandbreitenbegrenzungselements 59. Furthermore, a decoupling device 69 is optionally arranged in the unidirectional loop 5, which is preferably designed as a tap coupler. In particular, useful light or light for monitoring the fiber oscillator 1 can be selectively coupled out via the coupling-out device 69 . 4 shows a diagrammatic explanation of the mode of operation of the bandwidth limitation element 59. A plot of a spectral power density of a light pulse against the wavelength is shown at a). at b) a power density of the laser pulse over time is plotted against time. A first, dashed curve Kl shows in the plots according to a) and b) a spectral or temporal shape of the light pulse before it passes through the bandwidth limitation element 59, and a second, solid curve K2 shows the corresponding shape of the light pulse after passing through the bandwidth limitation element 59
Weist der Faseroszillator 1 insgesamt eine normale Dispersion auf, werden durch das Zusammenspiel aus normaler Dispersion und Selbstphasenmodulation stark gechirpte Lichtpulse im Faseroszillator 1 erzeugt, die sich bei ihrer Propagation spektral und zeitlich verbreitern. Das Bandbreitenbegrenzungselement 59 schneidet vorteilhaft Anteile auf beiden Seiten des Spektrums ab und verkürzt damit - aufgrund des starken Chirps - die Lichtpulse nicht nur spektral, sondern auch zeitlich. Insbesondere auf diese Weise lässt sich die Randbedingung der Periodizität für einen im Faseroszillator 1 umlaufenden Lichtpuls erfüllen. If the fiber oscillator 1 has normal dispersion overall, the interaction of normal dispersion and self-phase modulation generates strongly chirped light pulses in the fiber oscillator 1, which spread spectrally and temporally during their propagation. The bandwidth limitation element 59 advantageously cuts off parts on both sides of the spectrum and thus shortens the light pulses not only spectrally, but also temporally, due to the strong chirp. In this way in particular, the boundary condition of the periodicity for a light pulse circulating in the fiber oscillator 1 can be met.
Je nach - vorzugsweise insbesondere thermisch oder mechanisch einstellbarer - Bandbreite des Bandbreitenbegrenzungselements 59 werden insbesondere spektral breitere oder schmälere Lichtpulse erhalten. Abhängig davon können zeitlich kürzere oder längere Lichtpulse mittels der Laservorrichtung 2 erzeugt werden. Depending on the—preferably in particular thermally or mechanically adjustable—bandwidth of the bandwidth limiting element 59, spectrally broader or narrower light pulses are obtained in particular. Depending on this, light pulses that are shorter or longer in time can be generated by means of the laser device 2 .
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Laservorrichtung 2. Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel ist in der unidirektionalen Schleife 5 eine dispersionskompensierende Faser 71 als Dispersionskompensationselement 60 angeordnet. 5 shows a schematic representation of a fourth exemplary embodiment of the laser device 2. In this fourth exemplary embodiment, a dispersion-compensating fiber 71 is arranged in the unidirectional loop 5 as a dispersion-compensating element 60. FIG.
Insbesondere mithilfe des Dispersionskompensationselements 60, unabhängig von dessen Ausgestaltung - insbesondere gemäß Figur 2 oder Figur 5 - ist es möglich, die - insbesondere normale - Gesamtdispersion des Faseroszillators 1 so einzustellen, dass diese reduziert, insbesondere nahe null ist. In particular, with the aid of the dispersion compensation element 60, regardless of its configuration—in particular according to FIG. 2 or FIG. 5—it is possible to adjust the—in particular normal—total dispersion of the fiber oscillator 1 such that it is reduced, in particular close to zero.
Bevorzugt ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel ein Bandbreitenbegrenzungselement 59 vorgesehen. Insbesondere kann die erste Verstärkungsfaser 9 als Bandbreitenbegrenzungselement 59 ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch beispielsweise ein Bandpassfilter als Bandbreitenbegrenzungselement 59 vorgesehen sein. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Faseroszillators 1 - insbesondere gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele sind vorzugsweise alle optischen Komponenten des Faseroszillators 1 polarisationserhaltend ausgebildet. A bandwidth limiting element 59 is preferably also provided in this exemplary embodiment. In particular, the first amplifying fiber 9 can be embodied as a bandwidth limiting element 59 . As an alternative or in addition, a bandpass filter, for example, can also be provided as the bandwidth limitation element 59 . Irrespective of the specific design of the fiber oscillator 1--in particular according to one of the exemplary embodiments described above, all optical components of the fiber oscillator 1 are preferably designed to maintain polarization.
Bevorzugt sind alle optischen Komponenten des Faseroszillators 1 Faserkomponenten, oder faserbasierte Komponenten, oder fasergekoppelte Komponenten. Insbesondere weist der Faseroszillator 1 bevorzugt keine Freistrahlkomponente auf. All optical components of the fiber oscillator 1 are preferably fiber components, or fiber-based components, or fiber-coupled components. In particular, the fiber oscillator 1 preferably has no free beam component.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung der Funktionsweise der Laservorrichtung 2. Bei a) ist ein erstes Diagramm dargestellt, bei dem auf der Ordinate die normierte spektrale Leistungsdichte S(X) in beliebigen Einheiten und auf der Abszisse die Wellenlänge X abgetragen sind, wobei in dem ersten Diagramm Laserpulse als Eingangspulse für die Verstärkervorrichtung 12 eines CPA- Systems dargestellt sind. Bei b) ist ein zweites Diagramm dargestellt, bei dem ebenfalls auf der Ordinate die normierte spektrale Leistungsdichte S(X) in beliebigen Einheiten und auf der Abszisse die Wellenlänge /- - auf derselben Skala wie bei a) - abgetragen sind, wobei in dem zweiten Diagramm Laserpulse als den Eingangspulsen jeweils zugeordnete Ausgangspulse der Verstärkervorrichtung 12 dargestellt sind. Fig. 6 shows a schematic representation of the mode of operation of the laser device 2. A) shows a first diagram in which the normalized spectral power density S(X) is plotted in arbitrary units on the ordinate and the wavelength X is plotted on the abscissa, with the first diagram shows laser pulses as input pulses for the amplifier device 12 of a CPA system. In b) a second diagram is shown, in which the normalized spectral power density S(X) in arbitrary units is also on the ordinate and the wavelength /- - on the same scale as in a) - is plotted on the abscissa, with the second Diagram laser pulses are shown as the output pulses of the amplifier device 12 respectively assigned to the input pulses.
Die Verstärkervorrichtung 12 weist eine endliche Verstärkungsbandbreite auf, woraus für die Verstärkervorrichtung 12 durchlaufende Laserpulse eine Verstärkungsverengung resultiert. The amplifier device 12 has a finite amplification bandwidth, which results in a narrowing of the gain for laser pulses passing through the amplifier device 12 .
In dem ersten Diagramm bei a) bezeichnet K3 eine dritte, gestrichelte Kurve, die einen nicht kompensierten, insbesondere gaußförmigen Laserpuls darstellt. Diesem Eingangspuls ist in dem zweiten Diagramm bei b) eine mit K5 bezeichnete fünfte, gestrichelte Kurve zugeordnet, die den entsprechenden Ausgangspuls der Verstärkervorrichtung 12 zeigt, der sich ergibt, wenn der Eingangspuls gemäß der dritten Kurve K3 die Verstärkervorrichtung 12 durchläuft. Dabei ist deutlich der Effekt der spektralen Verstärkungsverengung erkennbar, wobei nämlich die fünfte Kurve K5 eine deutlich kleinere spektrale Bandbreite aufweist als die dritte Kurve K3. Nachteilig verlängert sich dadurch im Ergebnis insbesondere die bandbreitenbegrenzte zeitliche Pulsdauer des komprimierten Laserpulses des CPA-Systems. In the first diagram at a), K3 designates a third dashed curve, which represents an uncompensated, in particular Gaussian, laser pulse. In the second diagram at b), this input pulse is associated with a fifth dashed curve labeled K5, which shows the corresponding output pulse of the amplifier device 12 that results when the input pulse passes through the amplifier device 12 according to the third curve K3. The effect of the narrowing of the spectral gain can be clearly seen, with the fifth curve K5 having a significantly smaller spectral bandwidth than the third curve K3. As a result, in particular the bandwidth-limited temporal pulse duration of the compressed laser pulse of the CPA system is disadvantageously lengthened.
In dem ersten Diagramm bei a) bezeichnet wiederum K4 eine vierte, durchgezogene Kurve, die einen auf die in der Verstärkervorrichtung 12 auftretende Verstärkungsverengung abgestimmten, kompensierten Laserpuls darstellt, der insbesondere bei einer Zentralwellenlänge U eine Eintiefung 24 aufweist. Durch diese Pulsform wird vorteilhaft die Verstärkungsverengung der Verstärkervorrichtung 12 kompensiert, sodass der in dem zweiten Diagramm bei b) mit einer sechsten, durchgezogenen Kurve K6 dargestellte, entsprechende Ausgangspuls der Verstärkervorrichtung 12 keine oder nur eine geringe spektrale Verengung aufweist. Vorteilhaft ergibt sich dadurch insbesondere im Vergleich zu dem durch die fünfte Kurve K5 dargestellten Laserpuls eine deutlich kürzere bandbreitenbegrenzte zeitliche Pulsdauer des komprimierten Laserpulses des CPA-Systems. In the first diagram at a), K4 again designates a fourth, solid curve, which represents a compensated laser pulse that is matched to the gain narrowing occurring in the amplifier device 12 and that has a depression 24 in particular at a central wavelength U. This pulse shape is advantageous for narrowing the gain Amplifier device 12 is compensated, so that the corresponding output pulse of the amplifier device 12 shown in the second diagram at b) with a sixth solid curve K6 has no or only a slight spectral narrowing. This advantageously results in a significantly shorter bandwidth-limited temporal pulse duration of the compressed laser pulse of the CPA system, in particular in comparison to the laser pulse represented by the fifth curve K5.
Im Rahmen eines Verfahrens zum Formen eines Laserpulses wird bevorzugt eine vorbestimmte Pulsform für einen Laserpuls bereitgestellt, insbesondere wird die vorbestimmte Pulsform derart ermittelt, dass eine in der Verstärkervorrichtung 12 auftretende Verstärkungsverengung zumindest teilweise, vorzugweise vollständig, kompensiert wird. Der Laserpuls wird dann mittels des als passiv modengekoppelter Faseroszillator 1 ausgebildeten Anregungslasers 14 erzeugt, wobei zumindest ein Betriebsparameter des Anregungslasers 14 derart auf die vorbestimmte Pulsform abgestimmt wird, dass der aus dem Auskoppelport 10 des 3x3-Kopplers 7 austretende Laserpuls die vorbestimmte Pulsform aufweist. As part of a method for shaping a laser pulse, a predetermined pulse shape is preferably provided for a laser pulse, in particular the predetermined pulse shape is determined in such a way that an amplification narrowing occurring in the amplifier device 12 is at least partially, preferably completely, compensated. The laser pulse is then generated by means of the excitation laser 14 designed as a passively mode-locked fiber oscillator 1, with at least one operating parameter of the excitation laser 14 being matched to the predetermined pulse shape in such a way that the laser pulse emerging from the decoupling port 10 of the 3×3 coupler 7 has the predetermined pulse shape.

Claims

ANSPRÜCHE EXPECTATIONS
1. Laservorrichtung (2), mit einem Anregungslaser (14), der als passiv modengekoppelter Faseroszillator (1) ausgebildet ist, wobei der passiv modengekoppelte Faseroszillator (1) eine bidirektionale Schleife (3) und eine unidirektionale Schleife (5) aufweist, wobei die bidirektionale Schleife (3) und die unidirektionale Schleife (5) durch einen 3x3- Koppler (7) miteinander gekoppelt sind, wobei die bidirektionale Schleife (3) eine erste Verstärkungsfaser (9) aufweist, und wobei1. Laser device (2), with an excitation laser (14), which is designed as a passively mode-locked fiber oscillator (1), wherein the passively mode-locked fiber oscillator (1) has a bidirectional loop (3) and a unidirectional loop (5), wherein the bidirectional loop (3) and the unidirectional loop (5) are coupled together by a 3x3 coupler (7), the bidirectional loop (3) having a first amplification fiber (9), and wherein
- zumindest ein Betriebsparameter des Anregungslasers (14) derart eingestellt ist, dass ein aus einem Auskoppelport (10) des 3x3-Kopplers (7) austretender Laserpuls eine Pulsform aufweist, die bei einer Zentralwellenlänge (Xc) eine Eintiefung aufweist, und mit einer Verstärkervorrichtung (12), die eingerichtet ist, um den von dem Anregungslaser (14) erzeugten Laserpuls zu verstärken, wobei der zumindest eine Betriebsparameter des Anregungslasers (14) derart auf die Verstärkervorrichtung (12) abgestimmt ist, dass durch die Pulsform des Laserpulses eine in der Verstärkervorrichtung (12) auftretende Verstärkungsverengung zumindest teilweise kompensiert wird. - at least one operating parameter of the excitation laser (14) is set in such a way that a laser pulse emerging from an outcoupling port (10) of the 3x3 coupler (7) has a pulse shape which has a trough at a central wavelength (X c ), and with an amplifier device (12), which is set up to amplify the laser pulse generated by the excitation laser (14), the at least one operating parameter of the excitation laser (14) being matched to the amplifier device (12) in such a way that the pulse shape of the laser pulse produces a Amplifier device (12) occurring gain narrowing is at least partially compensated.
2. Laservorrichtung (2) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Betriebsparameter des Anregungslasers (14) ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einer Faserlänge der bidirektionalen Schleife (3), einer Faserlänge der ersten Verstärkungsfaser (9), einer nichtlinearen Phasenverschiebung in der bidirektionalen Schleife (3), insbesondere der Anordnung oder Ausgestaltung eines nicht-reziproken Phasenschiebers (16) in der bidirektionalen Schleife (3) und/oder einer in die erste Verstärkungsfaser (9) eingekoppelten Pumpleistung, einer Leistungsaufteilung in dem 3x3-Koppler (7), und einer Phasenverschiebung in dem 3x3-Koppler (7). 2. Laser device (2) according to claim 1, wherein the at least one operating parameter of the excitation laser (14) is selected from a group consisting of: a fiber length of the bidirectional loop (3), a fiber length of the first gain fiber (9), a non-linear phase shift in the bidirectional loop (3), in particular the arrangement or configuration of a non-reciprocal phase shifter (16) in the bidirectional loop (3) and/or a pump power coupled into the first amplification fiber (9), a power distribution in the 3x3 coupler ( 7), and a phase shift in the 3x3 coupler (7).
3. Laservorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der 3x3-Koppler (7) eine erste Kopplerseite (18) und eine zweite Kopplerseite (20) mit jeweils drei Ports (17) aufweist, wobei die unidirektionale Schleife (5) mit der ersten Kopplerseite (18) und die bidirektionale Schleife (3) mit der zweiten Kopplerseite (20) verbunden ist, und wobei der Auskoppelport (10) ein freier Port (17) der ersten Kopplerseite (18) ist. 3. Laser device (2) according to one of the preceding claims, wherein the 3x3 coupler (7) has a first coupler side (18) and a second coupler side (20) each with three ports (17), the unidirectional loop (5) having the first coupler side (18) and the bidirectional loop (3) is connected to the second coupler side (20), and wherein the decoupling port (10) is a free port (17) of the first coupler side (18).
4. Laservorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der 3x3-Koppler (7) auf einer ersten Kopplerseite (18) von zwei Kopplerseiten (18,20) des 3x3-Kopplers (7) einen ersten Port (17.1), einen zweiten Port (17.2) und einen dritten Port (17.3) aufweist, wobei der 3x3- Koppler (7) auf einer zweiten Kopplerseite (20) der beiden Kopplerseiten (18,20) einen vierten Port (17.4), einen fünften Port (17.5) und einen sechsten Port (17.6) aufweist, wobei der erste Port (17.1) unmittelbar über einen ersten Faserabschnitt (22.1) mit dem vierten Port (17.4) lichtleitend verbunden ist, wobei der zweite Port (17.2) unmittelbar über einen zweiten Faserabschnitt (22.2) mit dem fünften Port (17.5) lichtleitend verbunden ist, wobei der dritte Port (17.3) unmittelbar über einen dritten Faserabschnitt (22.3) mit dem sechsten Port (17.6) lichtleitend verbunden ist, wobei ein erstes Ende (19) der unidirektionalen Schleife (5) mit dem dritten Port (17.3) lichtleitend verbunden ist, wobei ein zweites Ende (21) der unidirektionalen Schleife (5) mit dem ersten Port (17.1) lichtleitend verbunden ist, wobei ein erstes Ende (23) der bidirektionalen Schleife (3) mit dem vierten Port (17.4) lichtleitend verbunden ist, wobei ein zweites Ende (25) der bidirektionalen Schleife (3) mit dem fünften Port (17.5) lichtleitend verbunden ist, und wobei der Auskoppelport (10) der zweite Port des 3x3-Kopplers (7) ist, oder wobei das erste Ende (23) der bidirektionalen Schleife (3) mit dem fünften Port (17.5) lichtleitend verbunden ist, wobei das zweite Ende (25) der bidirektionalen Schleife (3) mit dem sechsten Port (17.6) lichtleitend verbunden ist, und wobei der Auskoppelport (10) der zweite Port (17.2) des 3x3-Kopplers (7) ist. 4. Laser device (2) according to any one of the preceding claims, wherein the 3x3 coupler (7) on a first coupler side (18) of two Kopplerseiten (18,20) of the 3x3 coupler (7) has a first port (17.1), a second port (17.2) and a third port (17.3), the 3x3 coupler (7) on a second coupler side (20) of the two coupler sides (18,20) having a fourth port (17.4), a fifth port (17.5) and a sixth port (17.6), wherein the first port (17.1) is optically connected to the fourth port (17.4) directly via a first fiber section (22.1), the second port (17.2) directly via a second fiber section (22.2) is optically connected to the fifth port (17.5), the third port (17.3) being optically connected directly to the sixth port (17.6) via a third fiber section (22.3), a first end (19) of the unidirectional loop (5) is optically connected to the third port (17.3), a second end (21) of the unidirectional loop (5) being optically connected to the first port (17.1), a first end (23) of the bidirectional loop (3) being optically connected to the fourth port (17.4) is optically connected, wherein a second end (25) of the bidirectional loop (3) is optically connected to the fifth port (17.5), and wherein the decoupling port (10) is the second port of the 3x3 coupler (7) or wherein the first end (23) of the bidirectional loop (3) is optically connected to the fifth port (17.5), wherein the second end (25) of the bidirectional loop (3) is optically connected to the sixth port (17.6). , and wherein the decoupling port (10) is the second port (17.2) of the 3x3 coupler (7).
5. Laservorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Faseroszillator (1) insgesamt eine normale Dispersion aufweist, oder wobei der Faseroszillator (1) insgesamt eine anomale Dispersion aufweist. The laser device (2) according to any one of the preceding claims, wherein the fiber oscillator (1) has normal dispersion as a whole, or wherein the fiber oscillator (1) has anomalous dispersion as a whole.
6. Laservorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Verstärkungsfaser (9) mit wenigstens einem Element dotiert ist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus Ytterbium, Neodym, Erbium, Thulium, und Holmium, oder mit einer Kombination aus wenigstens zwei dieser Elemente, insbesondere Er/Yb oder Tm/Ho. 6. Laser device (2) according to one of the preceding claims, wherein the first amplifying fiber (9) is doped with at least one element selected from a group consisting of ytterbium, neodymium, erbium, thulium, and holmium, or with a combination from at least two of these elements, in particular Er/Yb or Tm/Ho.
7. Laservorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anregungslaser (14) mindestens ein Dispersionskompensationselement (60) aufweist, vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus: Einem gechirpten Faser-B ragg-Gitter (33) und einer dispersionskompensierenden Faser (71). 7. Laser device (2) according to one of the preceding claims, wherein the excitation laser (14) comprises at least one dispersion compensation element (60), preferably selected from a group consisting of: a chirped fiber Bragg grating (33) and a dispersion compensating fiber (71).
8. Laservorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der 3x3 -Koppler (7) als symmetrischer Koppler ausgebildet ist, wobei die bidirektionale Schleife (3) eingerichtet ist, um eine nichtlineare Phasenverschiebung von 1 rad bis 3 rad zu vermitteln. 8. Laser device (2) according to one of the preceding claims, wherein the 3x3 coupler (7) is constructed as a symmetrical coupler, wherein the bidirectional loop (3) is arranged to impart a non-linear phase shift of 1 rad to 3 rad.
9. Verfahren zum Formen eines Laserpulses, wobei - eine vorbestimmte Pulsform für den Laserpuls bereitgestellt wird, wobei der Laserpuls mittels eines Anregungslasers (14) erzeugt wird, der als passiv modengekoppelter Faseroszillator (1) ausgebildet ist, wobei der passiv modengekoppelte Faseroszillator (1) eine bidirektionale Schleife (3) und eine unidirektionale Schleife (5) aufweist, wobei die bidirektionale Schleife (3) und die unidirektionale Schleife (5) durch einen 3x3 -Koppler (7) miteinander gekoppelt sind, wobei die bidirektionale Schleife (3) eine erste Verstärkungsfaser (9) aufweist, wobei9. A method for shaping a laser pulse, wherein - a predetermined pulse shape is provided for the laser pulse, the laser pulse being generated by means of an excitation laser (14) which is designed as a passively mode-locked fiber oscillator (1), the passively mode-locked fiber oscillator (1) a bidirectional loop (3) and a unidirectional loop (5), the bidirectional loop (3) and the unidirectional loop (5) being coupled together by a 3x3 coupler (7), the bidirectional loop (3) having a first Having reinforcing fiber (9), wherein
- zumindest ein Betriebsparameter des Anregungslasers (14) derart auf die vorbestimmte Pulsform abgestimmt wird, dass der aus einem Auskoppelport des 3x3 -Kopplers (7) austretende Laserpuls die vorbestimmte Pulsform aufweist und wobei der Laserpuls in einer Verstärkervorrichtung (12) verstärkt wird, wobei die vorbestimmte Pulsform derart ermittelt wird, dass eine in der Verstärkervorrichtung (12) auftretende Verstärkungsverengung zumindest teilweise kompensiert wird. - at least one operating parameter of the excitation laser (14) is matched to the predetermined pulse shape in such a way that the laser pulse emerging from a coupling-out port of the 3x3 coupler (7) has the predetermined pulse shape and the laser pulse is amplified in an amplifier device (12), the predetermined pulse shape is determined such that in the amplifier device (12) occurring amplification narrowing is at least partially compensated.
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