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Die Erfindung betrifft einen Faserlaser mit einem ringförmigen Resonator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei einem Faserlaser bildet bekanntlich eine optisch gepumpte Verstärkerfaser das aktive Medium. Bei der Verstärkerfaser handelt es sich üblicherweise um eine mit seltenen Erden dotierte Glasfaser. Die Verstärkerfaser wird bei bekannten Faserlaser-Systemen mittels eines Diodenlasers optisch gepumpt. Das Licht des Diodenlasers wird in geeigneter Weise in die Verstärkerfaser eingekoppelt.
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Es sind Faserlaser-Systeme mit linearem Aufbau bekannt. Bei diesen sind an den beiden Enden der Verstärkerfaser Spiegel angeordnet, die zusammen mit der Verstärkerfaser einen Resonator bilden und den Laserbetrieb ermöglichen. Im Allgemeinen werden solche linearen Faserlaser durch die an den Endflächen der Verstärkerfaser angeordneten Spiegel hindurch optisch gepumpt. Dazu sind Diodenlaser hoher Strahlqualität erforderlich. Zur Auskopplung wird mittels eines Strahlteilers ein Teil der Lichtleistung im Resonator belassen und ein anderer Teil als Nutzstrahl verwendet. Dieser Strahlteiler kann einer der Endspiegel sein oder als zusätzliches Element in den Resonator integriert sein. In beiden Fällen können auf dem Weg des Nutzstrahls Reflexionen als Störsignale in den Resonator gekoppelt werden. Ein Nachteil von linearen Faserlaser-Systemen ist daher, dass diese empfindlich gegenüber reflektiven Störungen sind. Dies trifft insbesondere auf modengekoppelte Faserlaser (Femtosekundenlaser) zu. Die reflektiven Störsignale können zu einem weiteren Puls im Resonator führen, der schon bei geringem Reflektionsgrad den Pulsbetrieb erheblich stört.
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Aus den vorgenannten Gründen ist ein Faserlaser mit einem Resonator in ringförmiger Konfiguration, insbesondere für modengekoppelte Faserlaser, einem System mit linearem Resonator vorzuziehen. Ein ringförmiger Resonator ist wesentlich unempfindlicher gegenüber reflektiven Störungen. Bei einem Ringresonator läuft das erzeugte Laserlicht in einer bevorzugten Umlaufrichtung um. Die entgegen dieser Umlaufrichtung umlaufenden reflektiven Störsignale können effizient unterdrückt werden. Ein weiterer Vorteil des ringförmigen Resonators ist, dass dem Laserlicht an der Auskoppelstelle nur einmal pro Umlauf Verluste zugefügt werden, was sich positiv auf die Güte des Resonators auswirkt. Ein wesentlicher Vorteil des Faserlasers mit ringförmigem Resonator ist schließlich, dass die Pumpeffizienz bei gleicher Verstärkung höher ist als bei einem Faserlaser mit linearem Resonator. Der Grund hierfür ist, dass bei einem Faserlaser mit linearem Resonator die doppelt von dem Laserlicht hin und zurück durchlaufene Verstärkerfaser nur halb so lang sein darf wie bei einem ringförmigen Resonator, um die gleichen Betriebsbedingungen bei den typischerweise verwendeten Quasi-3-Niveau Laserübergängen zu erreichen. Bei einem linearen Resonator wird daher prinzipiell weniger Pumplicht absorbiert.
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Aus der
US 5 436 925 A ist ein modengekoppelter Faserlaser mit ringförmigem Resonator bekannt. Dieser arbeitet nach dem so genannten CPM-Prinzip (engl. "Colliding Pulse Mode-Locking"). Bei diesem Prinzip laufen zwei Lichtimpulse in entgegengesetzter Umlaufrichtung im Resonator um und wechselwirken in einem dünnen transmissiven sättigbaren Absorber. Auf diese Weise wird die Modenkopplung zur Erzeugung kurzer Lichtimpulse realisiert. Ein wesentlicher Nachteil des vorbekannten Faserlasers ist, dass dieser mit transmissiven optischen Bauelementen, die in den ringförmigen Resonator integriert sind, arbeitet. Optische Bauelemente für den Einsatz in modengekoppelten Lasern, wie insbesondere sättigbare Absorber oder dispersive Fasergitter, können bevorzugt bzw. prinzipiell nur in Reflektion betrieben werden. Insbesondere bei sättigbaren Absorbern gilt, dass die reflektiv arbeitenden Bauformen technologisch weiterentwickelt sind. Der Gestaltungsspielraum bei der Auslegung entsprechender modengekoppelter Faserlaser ist bei Verwendung von sättigbaren Absorberspiegeln aufgrund der resonanten Überhöhung im Spiegel viel größer als bei entsprechenden transmissiven optischen Bauelementen.
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Kazuhiko Sumimura et al. (Electronics and Communications in Japan, Teil 2, Band 90, Nr. 5, 2007, Seiten 27–32) beschreiben einen modengekoppelten Faserlaser nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Zur Vermeidung von Resonanzstörungen durch interferierende gegenläufige Lichtanteile wird in Strahlrichtung hinter dem Zirkulator und dem reflektiven optischen Bauelement ein Isolator eingesetzt, welcher die Lichtpropagation lediglich in eine Ausbreitungsrichtung zulässt. Insofern wird eine Lichtpropagation in gegenläufigen Richtungen vollständig vermieden.
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O. G. Okhotnikov et al. (IEEE Photonics Technology Letters, Band 14, Nr. 2, 2002, Seiten 146–148) beschreiben ebenfalls einen modengekoppelten Faserlaser, bei dem ein sättigbarer Absorberspiegel als reflektives Modenkopplungselement über einen Zirkulator angekoppelt ist.
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Hiroshi Yaguchi et al. (Journal of Lightwave Technology, Band 22, Nr. 1, 2004, Seiten 51–56) beschreiben einen Faserlaser mit ringförmigem Resonator, bei dem ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen enthaltender sättigbarer Absorber als Modenkopplungselement eingesetzt wird. Innerhalb des ringförmigen Resonators wird dieses Modenkopplungselement in Transmission betrieben.
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Aus der
EP 0 015 129 A1 ist ein spezieller optischer Zirkulator bekannt, dessen Funktion auf einem oder mehreren Polarisationsstrahlteilern basiert.
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Die
US 2007/0153289 A1 beschreibt gekoppelte und nicht gekoppelte optoelektronische Oszillatoren mit verbesserter Leistung. Die optoelektronischen Oszillatoren implementieren eine Dispersionskompensation, um durch Dispersion induzierte optische Verluste zu reduzieren. Weiter ist eine Polarisationssteuerung vorgesehen.
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Die
US 2007/0242346 A1 beschreibt einen Laseroszillator mit einem stabilen modensprungfreien Betrieb über einen weiten Temperaturbereich. Der Laseroszillator umfasst einen optischen Zirkulator, eine optische Verstärkungsfaser, ein reflektierendes optisches Filter und eine Pumplichtquelle, die die optische Verstärkungsfaser anregt. Das optische Filter reflektiert Licht, das in einem Ringresonator des Laseroszillators umläuft. Die Pumplichtquelle injiziert das Anregungslicht über den Zirkulator in den Ringresonator.
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Die
US 2002/0071454 A1 offenbart einen modengekoppelten Faserlaser mit ringförmigem Resonator und einer Regelung des Frequenz-Chirp der erzeugten Laserpulse, die auf einem Mechanismus zur Einstellung der Dispersion basiert.
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Die
EP 1 675 227 A1 beschreibt einen Faserlaser, dessen Resonator einen Faserabschnitt mit positiver Dispersion und einen Faserabschnitt mit negativer Dispersion zum Ausgleich von Selbstphasenmodulation und dispersionsinduzierter Pulsverbreiterung umfasst. Weiter sind ein polarisationsempfindlicher Isolator und ein Polarisationscontroller zur Pulsformung vorgesehen.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, einen gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelten Faserlaser mit ringförmigem Resonator bereitzustellen, der die oben genannten Nachteile nicht aufweist.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung durch einen modengekoppelten Faserlaser mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Gemäß der Erfindung werden also reflektive optische Bauelemente in den ringförmigen Resonator des Faserlasers eingebunden. Auf diese Weise werden die mit transmissiven optischen Bauelementen verbundenen Nachteile vermieden.
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Da erfindungsgemäß reflektive optische Bauelemente eingesetzt werden, ergibt sich prinzipiell wiederum eine Empfindlichkeit des Resonators gegenüber reflektiven Störungen, und zwar auf den in Hin- und Rückrichtung, d.h. doppelt durchlaufenen Teilstrecken. Diese Teilstrecken sind besonders sorgfältig unter Berücksichtigung von (parasitären) Reflexionen auszulegen. Um negative Auswirkungen reflektiver Störungen im Ring zu vermeiden, ist es sinnvoll, ein richtungsselektives optisches Bauelement, beispielsweise einen optischen Isolator, vorzusehen, welches entgegen einer bevorzugten Umlaufrichtung in dem Resonator umlaufendes Licht unterdrückt.
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Die Erfindung eignet sich besonders zur Realisierung eines modengekoppelten Faserlasers. Als reflektive optische Bauelemente kommen bei dem erfindungsgemäßen Faserlaser sättigbare Halbleiterspiegel, sättigbare Absorber, z.B. auf Basis von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, aber auch dispersive Fasergitter, gechirpte Spiegel, Auskoppelspiegel, wellenlängenselektive Fasergitter, Gires-Tournois Interferometer, Retroreflektoren (Katzenaugen), optische Gitter, so genannte Grisms (Kombination aus Prisma und Gitter), phasenkonjugierte Spiegel oder Reflektoren auf Basis von Brillouin Streuung, adaptive Spiegel oder sonstige adaptive Optiken in Frage.
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Gemäß der Erfindung ist das wenigstens eine reflektive optische Bauelement über einen optischen Zirkulator an den Resonator angekoppelt. Ein Vorteil des optischen Zirkulators ist, dass dieser automatisch eine bevorzugte Umlaufrichtung in dem ringförmigen Resonator definiert. Nur das in der "richtigen" Richtung im Resonator umlaufende Laserlicht wird über den Zirkulator auf das reflektive optische Bauelement geführt.
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Gemäß der Erfindung ist ein Polarisationsstrahlteiler vorgesehen, über welchen das in dem Resonator umlaufende Laserlicht aus der lichtleitenden Faser oder der Verstärkerfaser ausgekoppelt und auf das reflektive optische Bauelement geführt wird. Über denselben Strahlteiler wird das reflektierte Licht in die lichtleitende Faser oder die Verstärkerfaser zurückgeführt. Bei dem erfindungsgemäßen Faserlaser können Abschnitte des Resonators entstehen, in denen das Licht in entgegengesetzten Richtungen propagiert, allerdings mit jeweils unterschiedlichem Polarisationszustand. Diese Abschnitte bilden Teile des ringförmigen Resonators, in denen die jeweils vorwärts und rückwärts laufenden Lichtwellen nicht interferieren, obwohl sie räumlich überlappen.
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Gemäß einer sinnvollen Ausgestaltung der Erfindung sind die lichtleitende Faser und/oder die Verstärkerfaser des Faserlasers polarisationserhaltend ausgebildet. Durch die Verwendung von polarisationserhaltenden Fasern erhält das Gesamtsystem eine reduzierte Empfindlichkeit gegenüber Störungen von außen.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Faserlasers wird das in dem Resonator umlaufende Licht mittels des reflektiven optischen Bauelements in ein transmissives optisches Bauelement zurückreflektiert, so dass diese bei jedem Umlauf mehrfach von dem im Resonator umlaufenden Laserlicht durchlaufen wird. Dies ermöglicht es, beispielsweise ein spektrales Filter effizient in den Resonator zu integrieren. Auch kann das reflektive optische Bauelement genutzt werden, um das umlaufende Licht in die optisch gepumpte Verstärkerfaser des Faserlasers zurückzureflektieren. In diesem Fall wird die optisch gepumpte Verstärkerfaser bei jedem Umlauf des Laserlichts im Resonator zweifach durchlaufen, ohne dass die eingangs beschriebenen Nachteile eines Faserlasers mit linearem Resonator in Kauf genommen werden müssen.
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Als Pumplichtquelle für den erfindungsgemäßen Faserlaser bietet sich ein kommerziell erhältlicher Diodenlaser an. Dadurch ist das erfindungsgemäße System einfach und kostengünstig realisierbar.
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Als Einkoppelstelle zur Einkopplung des Lichts der Pumplichtquelle in den Resonator kann ein dichroischer Koppler benutzt werden. Solche auch als WDM-Koppler bezeichnete Koppler sind vorgefertigt zu geringen Kosten erhältlich.
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Die Auskoppelstelle des Resonators ist bei dem erfindungsgemäßen Faserlaser vorteilhafterweise so ausgestaltet, dass ein Teil des erzeugten Laserlichts und ein Teil des Pumplichts aus den Resonator ausgekoppelt werden. Das Pumplicht propagiert aus dem Faserlaser zusammen mit dem erzeugten Laserlicht und kann zum optischen Pumpen einer nachfolgenden Verstärkerfaser benutzt werden. Auf diese Weise können zusätzliche Pumplichtquellen eingespart werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Faserlasers mit Zirkulator;
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2 schematische Darstellung des Funktionsprinzips des Zirkulators gemäß 1;
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3 schematische Darstellung der Einbindung eines transmissiven optischen Bauelements in den Resonator;
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4 schematische Darstellung der Einbindung eines reflektiven optischen Bauelements in den Resonator über eine Freistrahlstrecke (kein Ausführungsbeispiel der Erfindung);
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5 zweites Ausführungsbeispiel mit zwei in den Resonator eingebundenen reflektiven optischen Bauelementen;
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6 Zirkulatoranordnung für das in der 5 dargestellte Ausführungsbeispiel (kein Ausführungsbeispiel der Erfindung).
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Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Faserlasers ist ein Diodenlaser 1 als Pumplichtquelle vorgesehen. Dessen Licht wird über ein Faserstück 2, das mit der Laserdiode 1 verbunden ist, in einen ringförmigen Resonator 3 eingekoppelt. Hierzu weist der Resonator 3 eine Einkoppelstelle 4 in Form eines WDM-Kopplers auf. Des Weiteren ist eine Auskoppelstelle 5 vorgesehen, die zur Auskopplung des in dem Resonator 3 erzeugten Laserlichts in eine Faser 6 dient. Der Resonator 3 weist einen ersten Abschnitt auf, der durch eine lichtleitende Faser 7 gebildet ist. Diese ist mit einer Verstärkerfaser 8 verbunden. Die Verstärkerfaser 8 ist beispielsweise eine mit Erbiumionen dotierte Glasfaser, die mittels des Diodenlasers optisch gepumpt wird. Über einen optischen Zirkulator 9 und ein Faserstück 10 ist eine Baugruppe 11 an den Resonator 3 angekoppelt. Die Baugruppe 11 umfasst als reflektives optisches Bauelement einen sättigbaren Absorberspiegel 12 sowie eine Freistrahlstrecke mit einer aus zwei Linsen 13 bestehenden Teleskopanordnung zur Abbildung des Lichts auf den sättigbaren Absorberspiegel 12. Der sättigbare Absorberspiegel 12 bewirkt eine Modenkopplung in dem Resonator 3. Der in der 1 dargestellte Faserlaser erzeugt daher kurze Lichtimpulse. Außer der Einbindung der reflektiven Baugruppe 11 in den Resonator 3 hat der Zirkulator 9 die Funktion, eine bevorzugte Umlaufrichtung für die in dem Resonator umlaufenden Lichtimpulse zu definieren. Entgegen der durch den Pfeil 14 angedeuteten bevorzugten Umlaufrichtung in dem Resonator 3 propagierende Lichtimpulse werden durch optische Isolation unterdrückt.
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Die 2 zeigt schematisch den Aufbau und das Funktionsprinzip des Zirkulators 9. Der in dem durch die Faserabschnitte 7 und 8 gebildeten Ringresonator zirkulierende, linear polarisierte Lichtstrahl 20 fällt auf einen polarisierenden Strahlteiler 21, und zwar in der Weise, dass die Transmission (in der Zeichnung nach rechts) maximal ist. Ein Faraday-Rotator 22 dreht die Polarisationsrichtung im transmittierten Lichtstrahl 23 gegenüber dem einfallenden Lichtstrahl 20 um 45°. Von dem sättigbaren Absorberspiegel 12 (in der 2 nicht näher dargestellt) wird der Lichtstrahl mit unveränderter Polarisationsrichtung zurückreflektiert. Beim zweiten Durchgang durch den Faraday-Rotator 22 wird die Polarisation um insgesamt 90° gegenüber dem Eingangsstrahl 20 gedreht. Dies führt zu einer Reflektion des auf den Polarisationsstrahler 21 zurückreflektierten Lichtstrahls, der als Lichtstrahl 24 wieder in den Ring eingekoppelt wird.
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Alternativ ist es auch denkbar, eine λ/4-Platte 30, die zirkular polarisiertes Licht erzeugt, anstelle des Faraday-Rotators 22 zu verwenden. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in der 3 gezeigt. Bei diesem ist als transmissives optisches Bauelement zusätzlich ein Faserstück 31 vorgesehen, das von dem aus dem Ring ausgekoppelten und dem an dem sättigbaren Absorberspiegel 12 reflektierten Licht in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen wird. Das ausgekoppelte und das zurückreflektierte Licht in dem Faserabschnitt 31 hat eine um 90° unterschiedliche lineare Polarisation. Interferenz findet daher trotz der räumlichen Überlappung des vor und zurück laufenden Lichts in dem zusätzlichen Faserabschnitt 31 nicht statt. Parasitäre Reflektionen stören daher den Laserbetrieb nicht. Anstelle des Faserstücks 31 können andere Baugruppen vorgesehen sein, die bevorzugt mehrfach pro Ringumlauf von dem zirkulierenden Licht durchlaufen werden. An der Stelle des Faserstücks 31 kann beispielsweise ein transmissives spektrales Filter (z. B. ein Etalon oder ein Interferenzfilter) integriert werden, um die Filterwirkung zu verdoppeln. Ebenso denkbar ist es, an dieser Stelle des Resonators die optisch gepumpte Verstärkerfaser vorzusehen, um die Verstärkung zu verdoppeln. Das Faserstück 31 kann in polarisationserhaltender oder auch in single-mode Fasertechnologie realisiert sein. Bei Verwendung einer single-mode Faser ist ein Faraday-Rotator anstelle der λ/4-Platte 30 zu bevorzugen, der mit der in der 3 gezeigten Anordnung zu einem so genannten Faraday'schen Spiegel wird. Das bedeutet, dass Variationen der Polarisationsrichtungen des ausgekoppelten und zurückreflektierten Lichts, die beispielsweise durch schwankende Temperatur oder schwankenden Druck verursacht sein können, exakt kompensiert werden, und zwar so, dass die jeweiligen Polarisationsrichtungen an jedem Ort im Faserstück 31 immer senkrecht zueinander stehen und keine Interferenz auftritt.
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Eine sehr einfache Realisierungsmöglichkeit ist in der 4 gezeigt. Bei dieser erfolgt die Einbindung des sättigbaren Absorberspiegels 12 als reflektives optisches Bauelement über eine Freistrahlstrecke. Der aus dem Resonator ausgekoppelte Lichtstrahl 20 trifft schräg auf den sättigbaren Absorberspiegel 12 auf, so dass der ausgekoppelte Lichtstrahl 20 und der reflektierte Lichtstrahl 24, der in den Resonator wieder eingekoppelt wird, räumlich nicht überlappen. Auf diese Weise wird Interferenz der Lichtstrahlen 20 und 24 vermieden.
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Bei dem in der 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei reflektive optische Bauelemente in den Resonator 3 eingebunden, und zwar über einen Zirkulator 50, der insgesamt vier Anschlüsse aufweist (auch als 2×2-Zirkulator bezeichnet). Bei den reflektiven optischen Bauelementen handelt es sich wiederum um einen sättigbaren Absorberspiegel zur Herstellung der Modenkopplung, der direkt an das Faserstück 10 angekoppelt ist. Das an dem sättigbaren Absorberspiegel 12 reflektierte Licht gelangt durch den Zirkulator 50 auf ein in Umlaufrichtung 14 nachgeschaltetes dispersives Fasergitter 51, das sich am Reflektionsende eines Faserabschnitts 52 befindet. Nach Reflektion des Lichts an dem dispersiven Fasergitter 51 wird das Licht über den Zirkulator 50 wiederum in den Ring eingekoppelt. Bei dem in der 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein optischer Isolator 53 zusätzlich erforderlich, um die Umlaufrichtung 15 zu definieren. Der Grund hierfür ist, dass der Zirkulator 50 auch eine hohe Transmission entgegen der bevorzugten Umlaufrichtung 14 hat.
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Die 6 zeigt eine praktische Realisierungsmöglichkeit für den in der 5 dargestellten Zirkulator 50. Das im Ring umlaufende linear polarisierte Licht 20 fällt auf einen ersten Polarisationsstrahlteiler 61. Ein Faraday-Rotator 62 dreht die Polarisationsrichtung des transmittierten Lichts um 45°. Dies bewirkt, dass ein zweiter Polarisationsstrahlteiler 63, der gegenüber dem ersten Polarisationsstrahlteiler 61 um 45° gedreht ist, maximale Transmission aufweist. Der transmittierte Lichtstrahl 64 trifft auf das erste reflektive Bauelement, d. h. auf den sättigbaren Absorberspiegel 12, der in der 6 nicht näher dargestellt ist, auf und wird nach der Reflektion mit gleicher Polarisationsrichtung wieder maximal durch den Polarisationsstrahlteiler 63 transmittiert. Der Faraday-Rotator 62 dreht die Polarisationsrichtung des zurücklaufenden Lichts um weitere 45°, so dass es am Polarisationsstrahlteiler 61 reflektiert wird. Das reflektierte Licht 65 fällt auf das zweite reflektive Bauelement, d. h. auf das dispersive Fasergitter 51, das ebenfalls nicht in der 6 zu sehen ist. Ein weiterer Durchgang des an dem dispersiven Fasergitter 51 reflektierten Lichts durch den Faraday-Rotator 62 erzeugt einen Lichtstrahl, der am Strahlteiler 63 reflektiert und als Lichtstrahl 24 wieder in den Ring eingekoppelt wird.
