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HINTERGRUND
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Technischer Bereich
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Diese Offenbarung bezieht sich allgemein auf eine Faserlaser-Pumparchitektur, die die Auswirkungen nichtlinearer und thermischer Beeinträchtigungen reduziert, und insbesondere auf eine Faserlaser-Pumparchitektur, die eine dichroitische Endkappe enthält, die das Pumplicht doppelt durchlässt, um die Auswirkungen nichtlinearer und thermischer Beeinträchtigungen zu reduzieren.
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Diskussion
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Hochleistungslaserverstärker werden in vielen Bereichen eingesetzt, u. a. in der Industrie, im Handel und im Militär. Die Konstrukteure von Laserverstärkern suchen ständig nach Möglichkeiten, die Leistung des Laserverstärkers für diese und andere Anwendungen zu erhöhen. Ein bekannter Typ von Laserverstärkern ist ein Faserlaserverstärker, der eine dotierte Faser, z. B. eine Ytterbium (Yb)-dotierte Faser oder eine Thulium (Tm)-dotierte Faser, verwendet, die einen Keimstrahl und einen Pumpstrahl empfängt, der den Keimstrahl verstärkt und den Hochleistungslaserstrahl erzeugt, wobei die Faser einen aktiven Kerndurchmesser von etwa 10-20 µm oder mehr aufweist.
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Directed Energy (DE) Systeme, die einen optischen Hochenergiestrahl auf ein Ziel richten, werden in der Praxis immer häufiger eingesetzt. Zuverlässige, robuste und effiziente Strahlführung einzelner Laser der Multi-kW-Klasse und gepulster Beleuchtungssysteme mit hoher Energie und Spitzenleistung zu entfernten Strahlregulatoren und Kombinierern sind Schlüsselelemente für DE-Systeme. Faserlaser-Verstärker haben sich aufgrund ihrer hohen Effizienz, der hohen Skalierbarkeit der Leistung und der hervorragenden Strahlqualität als Energiequelle für DE-Systeme bewährt. In Faserlasersystemen werden mehrere Faserlaserverstärker eingesetzt, die die verstärkten Strahlen auf irgendeine Weise kombinieren, um höhere Leistungen zu erzeugen. Eine Herausforderung bei der Entwicklung solcher Faserlaser-Verstärkersysteme liegt darin, die Strahlen mehrerer Faserverstärker so zu kombinieren, dass die Strahlen einen einzigen Ausgangsstrahl mit gleichmäßiger Phase über den Strahldurchmesser ergeben, der auf einen kleinen Brennpunkt fokussiert werden kann, wobei die Fokussierung des kombinierten Strahls auf einen kleinen Punkt in großer Entfernung (Fernfeld) die Qualität des Strahls bestimmt.
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Bei einem bekannten Mehrfach-Faserlaserverstärker, der als kohärente Strahlkombination (CBC) bezeichnet wird, erzeugt ein Hauptoszillator (MO) einen Keimstrahl, der in eine Vielzahl von geteilten Keimstrahlen mit jeweils einer gemeinsamen Wellenlänge aufgeteilt wird, wobei jeder Keimstrahl verstärkt wird. Die verstärkten Keimstrahlen werden dann auf ein diffraktives optisches Element (DOE) oder ein anderes optisches System gelenkt, das die kohärent verstärkten Strahlen zu einem einzigen Ausgangsstrahl kombiniert. Das DOE hat eine periodische Struktur, die so in das Element eingearbeitet ist, dass, wenn die einzelnen verstärkten Strahlen, die jeweils eine leicht unterschiedliche Winkelrichtung haben, durch die periodische Struktur umgelenkt werden, alle Strahlen von dem DOE in dieselbe Richtung gebeugt werden.
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Bei einer anderen bekannten Mehrfach-Faserlaserverstärker-Konstruktion, die als spektrale Strahlkombination (SBC) bezeichnet wird, erzeugt eine Vielzahl von Master-Oszillatoren (MOs) eine Vielzahl von Keim-Strahlen mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Wellenlängen, wobei jeder Keim-Strahl verstärkt wird. Die verstärkten Keimstrahlen werden dann auf ein Beugungsgitter oder ein anderes wellenlängenselektives Element gerichtet, das die Faserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen zu einem einzigen kombinierten Ausgangsstrahl kombiniert. Das Beugungsgitter weist eine periodische Struktur auf, so dass, wenn die einzelnen verstärkten Strahlen, die jeweils eine leicht unterschiedliche Wellenlänge und Winkelrichtung haben, durch die periodische Struktur umgelenkt werden, alle Strahlen vom Beugungsgitter in dieselbe Richtung gebeugt werden.
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Für eine typische bekannte Faserverstärkerstufe wird das Faserverstärkungsmedium als Doppelmantelfaser mit typischen Querschnittsdurchmessern in der Größenordnung von 20 um für einen Yb-dotierten Signalkern, 400 um für den Pumpmantel und 550 um für die äußere Acrylatbeschichtung gebildet. Die numerische Apertur (NA) des Kerns wird so gewählt, dass ein transversaler Einzel-Moden-Betrieb möglich ist, um eine gute Strahlqualität für das Signallicht zu gewährleisten, typischerweise NA ~ 0,06. Die NA des Mantels wird so hoch wie möglich gewählt, um die Einkopplung von Pumplicht mit geringer Helligkeit zu ermöglichen, typischerweise NA ~ 0,46. Das gewünschte Keim-Licht mit geringer Leistung wird in den Faserkern eingespeist, und das Dioden-Pumplicht wird am gleichen Ende der Faser in den Mantel eingekoppelt. Während sich das Pumplicht in der Faser ausbreitet, wird es beim Durchqueren des Kerns absorbiert, was dazu führt, dass der Keimstrahl im Kern am Ausgang auf den Multi-kW-Pegel verstärkt wird. In der Regel wird die Faserlänge so lang gewählt, dass 95 % oder mehr des Diodenpumplichts absorbiert werden.
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Bei einem gehausten Multi-kW-Faserlaserverstärker mit schmaler Linienbreite werden Pump- und Keimstrahl in der Regel nicht durch den freien Raum gekoppelt, sondern mithilfe spezieller Vollfaserkomponenten in eine mehrstufige Verstärkerkette injiziert. In einem speziellen Design wird der Keim-Strahl oft in einem mehrstufigen Vorverstärker auf 10 W verstärkt, bevor er in den Kern einer doppelwandigen Verstärkungsfaser injiziert wird. Das Diodenpumplicht wird mit einem konischen Faserbündel-Pump-Signal-Kombinator (PSC) in den Mantel der Verstärkungsfaser injiziert. Nach der Verstärkung wird das Ausgangsende der Verstärkungsfaser mit einer passiven Zuführungsfaser verspleißt. Das restliche Pumplicht wird mit einem Cladding Light Stripper (CLS) vom Mantel abgezogen, wobei die Acrylatbeschichtung entfernt und die freiliegende Mantelglasoberfläche entweder aufgeraut oder mit einem indexangepassten Klebstoff kontaktiert wird, um das restliche Pumplicht auszukoppeln. Eine keilförmige, antireflexionsbeschichtete Endkappe wird an das Ausgangsende der Speisefaser gespleißt, damit sich der Fasermodus ausdehnen kann, um eine Beschädigung der Ausgangsfacette zu vermeiden und Rückreflexionen des Signallichts zu unterdrücken. In der Regel wird der Verstärker mit einer gesättigten Verstärkung von über 20 dB betrieben, und eine Rückflussdämpfung von -60 dB von der Endkappe ist erforderlich, um Instabilität oder unerwünschte Leistungsentnahme in der Rückflussrichtung zu vermeiden.
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Die Leistungsskalierung von Yb-dotierten Faserverstärkern mit geringer Bandbreite wird derzeit durch zwei getrennte nichtlineare optische Beeinträchtigungen eingeschränkt, nämlich die stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) und die Selbstphasenmodulation (SPM), wobei die primäre nichtlineare Beeinträchtigung die SBS ist. SBS ist ein nichtlinearer Effekt, bei dem das elektrische Feld des Lasers durch Elektrostriktion ein Phasengitter im Faserkern erzeugt, das einen Teil des sich vorwärts ausbreitenden Strahls reflektiert. Wenn das effektive Reflexionsvermögen des Gitters zu groß wird, sinkt die Ausgangsleistung des Faserverstärkers, wobei die verlorene Leistung in Richtung vorgelagerter Komponenten mit geringer Leistung zurückreflektiert wird, was schließlich zu katastrophalen Schäden führt. Da der Schwellenwert für SBS umgekehrt proportional zur spektralen Helligkeit (~Leistung/Linienbreite) ist, begrenzt SBS die verfügbaren Leistungen von Einzelfrequenz-Faserlasern auf einige hundert Watt. Um die Schwellenleistung für SBS zu erhöhen, ist es üblich, das Eingangsspektrum des Faserlasers durch Phasenmodulation oder Frequenzmodulation (FM) in den Multi-GHz-Bereich zu erweitern. Dadurch verringert sich die optische Kohärenzlänge und damit auch die SBS-Verstärkung. Wenn die Leistung von Yb-dotierten Faserverstärkern in den Multi-kW-Bereich ansteigt oder wenn die Länge der Speisefasern zunimmt, sind breitere FM-Linienbreiten erforderlich, um SBS zu unterdrücken. Normalerweise steigt die Linienbreite bei Yb-dotierten Faserverstärkern ungefähr linear mit der Leistung in der Größenordnung von ~ 10-20 GHz/kW. Eine Verringerung der SBS-begrenzten Linienbreite, d. h. eine Erhöhung der SBS-begrenzten spektralen Helligkeit der Faser, würde eine Skalierung des strahlgekoppelten Faserlasersystems auf höhere Leistungen ermöglichen.
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Die optische Beeinträchtigung SPM wird durch das B-Integral, d. h. die nichtlineare Phasenverschiebung, parametrisiert und kann die Strahlkohärenz verschlechtern, indem niedrige Pegel der unkontrollierten Amplitudenmodulation (AM) in Phasenrauschen umgewandelt werden. Dieser nichtlineare Effekt kann die Effizienz von CBC oder die Strahlqualität von SBC einschränken und damit die Leistung des Faserlasersystems verringern. Insbesondere kommt es zu einem Verlust der spektralen Helligkeit oder zu einem Verlust der optischen Kohärenz. Um diese Effekte zu vermeiden oder zu reduzieren, ist es im Allgemeinen wünschenswert, die Menge an AM, auch bekannt als relatives Intensitätsrauschen (RIN), die sich im Keim-Strahl, der den Faserverstärker antreibt, ausbreitet, zu begrenzen. Techniken, die das Spektrum des Keim-Strahls verbreitern, um eine Frequenzmodulation ohne Amplitudenmodulation zu ermöglichen, können in einem Faserverstärker implementiert werden. Wenn der Keim-Strahl nur frequenzmoduliert ist, werden die Kerr-Nichtlinearitäten, die SPM antreiben, keine Probleme verursachen, d. h. es gibt keine zeitabhängigen nichtlinearen Phasenverschiebungen des Keim-Strahls. Wird der Keim-Strahl jedoch absichtlich oder versehentlich durch FM-zu-AM-Umwandlung mit AM moduliert, kann SPM eine nichtlineare spektrale Verbreiterung des vom Faserverstärker emittierten Strahls verursachen, was die Strahlqualität während der SBC beeinträchtigen könnte.
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Diese optischen Beeinträchtigungen begrenzen in der Regel die spektrale Helligkeit des Ausgangsstrahls, d. h. die Leistung pro Einheit der optischen Linienbreite oder kW/GHz. Diese optischen Beeinträchtigungen werden mit zunehmender Faserleistung und Faserlänge immer gravierender. Wenn die Faserleistungen in den Multi-kW-Bereich steigen oder die Faserlängen zunehmen, werden breitere FM-Linienbreiten benötigt, um SBS zu unterdrücken. Bei einem co-gepumpten Faserverstärker wächst die Größe der Beeinträchtigung typischerweise als Integral der Signalleistung über die Faserlänge (umgangssprachlich als effektives Leistungs-Längen-Produkt bekannt). Eine Möglichkeit, Faserlaser auf höhere Leistungen zu skalieren und dabei eine schmale spektrale Linienbreite beizubehalten, liegt daher darin, die nichtlinearen optischen Beeinträchtigungen durch Verringerung der effektiven Faserlänge zu reduzieren.
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Obwohl kürzere Faserlängen bekanntermaßen vorteilhaft sind, um nichtlineare optische Beeinträchtigungen zu reduzieren und eine Skalierung der spektralen Helligkeit zu ermöglichen, setzen andere technische Überlegungen der praktischen Mindestfaserlänge im Verstärker Grenzen. Eine technische Einschränkung liegt beispielsweise darin, dass der größte Teil des Pumplichts absorbiert werden muss, um eine hohe Effizienz bei der optisch/optischen Umwandlung zu gewährleisten. Yb-dotierte Fasern, die für Hochleistungsverstärker geeignet sind, haben typischerweise Mantel-Pumpabsorptionskoeffizienten von ~1-1,5 dB/m. Dies erfordert Verstärkungsfaserlängen in der Größenordnung von 10 m, um >95 % oder 13 dB des gesamten Pumplichts zu absorbieren. Eine weitere technische Einschränkung ist die Notwendigkeit, die Erzeugung von Abwärme pro Faserlängeneinheit zu minimieren. Wenn die Länge eines Faserverstärkers, der eine feste Leistung abgibt, bei gleichbleibender Gesamtabsorption der Pumpe halbiert wird (z. B. durch Drehen der Pumpwellenlänge, um die effektive Absorptionscharakteristik zu erhöhen), verdoppelt sich die Abwärme pro Längeneinheit, was zu einem Anstieg der Fasertemperatur führt. Wenn die Faser zu heiß wird, kann ihre Acrylatbeschichtung verbrennen, was zu einem katastrophalen Ausfall führt. Bei Tm-dotierten Fasern, die im 2-Um-Band emittieren, ist die Abwärme besonders einschränkend, da ihr Pumpabsorptionskoeffizient (~6 dB/m) typischerweise ~4-5x höher ist und ihr Quantendefekt (Abwärmeanteil, ~35%) 3x höher ist als bei Yb-dotierten Fasern mit ähnlicher Geometrie, die bei 1 um emittieren. Daher ist die Länge von co-gepumpten Faserverstärkern ein Kompromiss zwischen den konkurrierenden Anforderungen der Unterdrückung von SBS/SPM (kürzere Fasern) und der Aufrechterhaltung einer hohen Absorptionseffizienz und niedrigen Temperatur (längere Fasern). Es gibt einen Bedarf an Faserverstärker-Pumpenarchitekturen, die diesen Kompromissraum vergrößern, um eine höhere spektrale Helligkeit zu erreichen.
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Eine bekannte Faserverstärkerarchitektur, die eine höhere Leistung durch Abschwächung von SBS und SPM ermöglicht, basiert darauf, die Richtung des Pumplichts von Mitausbreitung mit dem Keimstrahl auf Gegenausbreitung mit dem Keimstrahl zu ändern. Ein Pump-Signal-Kombinator wird häufig am Hochleistungsausgang des Verstärkers platziert, und das Pump-Mantellicht wird rückwärts in die dem Keim-Strahl entgegengesetzte Richtung ausgestrahlt. Diese Architektur hat den Vorteil, dass die Laserverstärkung im Verstärker zum Ausgangsende hin umverteilt wird, was das effektive Leistungs-Längen-Produkt, d. h. das Integral der Leistung über die Faserlänge, reduziert. Die gegengepumpte Architektur hat jedoch auch einige bekannte Nachteile, die ihren breiten Einsatz in Faserlaserverstärkern, die typischerweise zur Strahlvereinigung verwendet werden, verhindert haben.
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Gegenpumpen führt zu einer sehr hohen Wärmespitze in der Nähe des Ausgangs der Faser, wo sowohl das Pump- als auch das Keim-Strahl-Licht ihre maximale Intensität erreichen und daher die Laserextraktion stark gesättigt ist, was zu thermischen Schäden an der Faser führen kann. Der PSC am Ausgang verursacht im Vergleich zum Co-Pumping zusätzliche Verluste für den Hochleistungs-Keimstrahl. Dies liegt an der zusätzlich erforderlichen Spleißung und an der Einfügungsdämpfung des konischen Faserbündels (TFB-Kombinator) selbst. Der Spleiß zwischen der Verstärkungsfaser und dem PSC ist schwierig, da seine Leistung gleichzeitig für einen geringen Pumpverlust (der in der Regel einen „heißen“ Spleiß erfordert, um die äußeren Glasumhüllungen vollständig zu einem glatten Übergang zu schmelzen) und für einen geringen Signalverlust (der in der Regel einen „kalten“ Spleiß erfordert, um eine Materialdiffusion aus dem Kern zu verhindern) optimiert werden muss. Dies führt in der Regel zu höheren Verlusten, als wenn Pump- und Keim-Beam-Spleißung getrennt optimiert werden können. Der PSC muss in der Lage sein, unkontrollierte Signalverluste aus dem Spleiß und der internen TFB-Struktur zu verarbeiten und ordnungsgemäß abzuleiten. Dies ist besonders schwierig bei Tm-dotierten Fasern, bei denen das gestreute 2 um-Keimstrahllicht von den meisten Faseracrylatbeschichtungen absorbiert wird und diese zum Verbrennen bringen kann. Der PSC führt zu einer beträchtlichen (typischerweise 0,5 - 1 m) zusätzlichen Faserlänge am Verstärkerausgang, was die durch das Gegenpumpen erzielte Verringerung der nichtlinearen Länge teilweise ausgleichen kann.
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Sowohl Co-Pumpen als auch Gegen-Pumpen können gleichzeitig durch bidirektionales Pumpen oder Bi-Pumpen realisiert werden. Dieser Ansatz des Bi-Pumpens führt zwar nicht zu einer so starken Reduzierung des effektiven Leistungs-Längen-Produkts wie das alleinige Gegenpumpen, stellt aber dennoch eine Verbesserung gegenüber dem Co-Pumpen dar. Durch die Aufteilung der Pumpleistung auf zwei Faserenden kann die thermische Belastung gleichmäßiger aufgeteilt werden als beim Co- oder Gegen-Pumpen allein. Das Bi-Pumpen leidet jedoch immer noch unter den Integrations- und Leistungsproblemen, die ein PSC am Ende des Verstärkers mit hoher Ausgangsleistung mit sich bringt. Daher gibt es einen Bedarf an einer verbesserten Faserpumparchitektur, die nichtlineare Beeinträchtigungen reduziert, ohne die Pumpeffizienz zu beeinträchtigen, die Fasertemperaturen zu erhöhen oder unter den Leistungs- und Integrationsproblemen zu leiden, die durch ein PSC am Ausgang entstehen.
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Figurenliste
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- 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Faserlaser-Verstärkersystems mit einer Doppelpass-Pumpenarchitektur mit einer dichroitischen Endkappe;
- 2 zeigt die Verstärkungsfaser in dem in 1 dargestellten Faserlaserverstärkersystem;
- 3 ist eine isometrische Ansicht einer dichroitischen Endkappe mit Pumpstrahllicht;
- 4 ist eine isometrische Ansicht der dichroitischen Endkappe, die das Licht des Signalstrahls zeigt;
- 5 ist ein schematisches Blockdiagramm eines SBC-Faserlaser-Verstärkersystems mit der Doppelpass-Pumparchitektur; und
- 6 ist ein schematisches Blockdiagramm eines CBC-Faserlaserverstärkersystems mit Doppelpass-Pumparchitektur.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Erörterung der Ausführungsformen der Offenbarung, die sich auf eine Faserlaser-Pumparchitektur beziehen, die eine dichroitische Endkappe umfasst, die das Pumplicht doppelt durchlässt, um die Auswirkungen nichtlinearer und thermischer Beeinträchtigungen zu verringern, hat lediglich beispielhaften Charakter und soll die Offenbarung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen in keiner Weise einschränken.
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1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Faserlaser-Verstärkersystems 10, das einen einzelnen Verstärkungskanal 12 mit einer Keim- oder Signalstrahlquelle 14 umfasst, die einen Signalstrahl geringer Leistung mit einer zentralen Wellenlänge λ auf einer Faser 16 erzeugt. Die Quelle 14 kann einen Hauptoszillator (MO), z. B. einen Diodenlaseroszillator mit verteilter Rückkopplung (DFB) und einen Frequenzmodulator, z. B. einen elektro-optischen Modulator (EOM), enthalten. Der EOM kann eine angelegte Spannung empfangen, die durch ein verstärktes elektrisches Hochfrequenz (HF)-Treibersignal von einer HF-Quelle (nicht dargestellt) bereitgestellt wird, die eine Verbreiterung der Frequenzmodulation, wie weißes Rauschen oder eine Pseudo-Zufalls-Bitsequenz (PRBS), bewirkt, so dass der modulierte Signalstrahl eine wesentlich verbreiterte Linienbreite aufweist, was die stimulierte Brillouin-Streuung in nachgeschalteten Hochleistungsfaserverstärkern unterdrückt. Ein Vorverstärker 22 mit geringer Leistung empfängt den verbreiterten Signalstrahl, wobei es sich bei dem Vorverstärker 22 um einen einzelnen Faserverstärker oder eine serielle Kette von Faserverstärkern handeln kann, um die Strahlleistung auf ein Niveau zu erhöhen, das zum Keimen eines Hochleistungsfaserverstärkers geeignet ist (typischerweise etwa 10 W). Optische Isolatoren 20 und 24 auf jeder Seite des Vorverstärkers 22 lassen den Signalstrahl passieren, verhindern aber, dass reflektiertes verstärktes Licht zurückkehrt und in die Quelle 14 eindringt, was andernfalls Schäden verursachen könnte.
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Der Signalstrahl und mehrere Pumpstrahlen von den Pumpdioden 28 werden in einem Pump-Signal-Kombinator 30, z. B. einem geeigneten konischen Faserbündel, kombiniert und zu einer doppelwandigen Faser 32 geleitet, so dass sich das Pumplicht im Fasermantel und das Signallicht im Faserkern ausbreitet. Die Doppelmantel-Förderfaser 32 ist mit einer dotierten Verstärkungsfaser 34 verbunden, die den Signalstrahl unter Verwendung der Pumpstrahlen in einer co-gepumpten Weise verstärkt. 2 zeigt eine Illustration der Verstärkungsfaser 34 mit einem 20-um-Kern 52, einer 400-um-Innenmantelschicht 54 und einer Polymerbeschichtung 56. Die doppelt ummantelte Speisefaser 32 hat dieselben Strukturelemente wie die Verstärkungsfaser 34, mit der Ausnahme, dass der Kern der Speisefaser 32 nicht mit einem Laserverstärkungsmaterial dotiert ist.
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Die Verstärkungsfaser 34 ist mit einer doppelt ummantelten Übertragungsfaser 36 verspleißt, die ebenfalls die gleichen Strukturelemente wie die Verstärkungsfaser 34 aufweist, mit der Ausnahme, dass der Kern der Übertragungsfaser 32 nicht mit einem Laserverstärkungsmaterial dotiert ist. Die Übertragungsfaser 36 ist mit einer dichroitischen Endkappe 40 verbunden, die eine Aufweitung des verstärkten Signalstrahls ermöglicht, um die optische Leistungsdichte zu verringern, wenn der Signalstrahl die Luftschnittstelle erreicht, die andernfalls die Übertragungsfaser 36 beschädigen könnte. Wie im Folgenden näher erläutert wird, ist ein Ausgangsende der Endkappe 40 mit einer dichroitischen und antireflektierenden Beschichtung oder Schicht 42 versehen, die die Wellenlänge des Pumpstrahls reflektiert und die Wellenlänge des Signalstrahls durchlässt. Die dichroitische Schicht 42 ähnelt den bekannten AR-Beschichtungen, bei denen es sich in der Regel um einen Stapel dünner dielektrischer Schichten handelt, die die gewünschten optischen Eigenschaften aufweisen, um zu verhindern, dass ein möglichst großer Teil des Signalstrahls in die Endkappe 40 zurückreflektiert wird; die Materialien und Dicken der Schicht 42 sind jedoch so ausgelegt, dass sie auch die Wellenlängen des Pumpstrahls reflektieren. Der reflektierte Pumpstrahl wird in den Mantel der doppelwandigen Speisefaser 36 zurückgelenkt, so dass der reflektierte Pumpstrahl in der Verstärkungsfaser 34 eine zusätzliche, sich gegenläufig ausbreitende Signalstrahlverstärkung bewirkt. Dadurch wird die Faserabsorptionslänge der Verstärkungsfaser 34 effektiv verdoppelt und eine Reduzierung der Spitzenwärmebelastung der Faser ermöglicht, die den Vorteilen des bidirektionalen Pumpens entspricht, ohne die zusätzliche Komplexität, die Auswirkungen auf die Leistung oder die Entwicklungskosten von Gegenpumpkopplern. Durch die Verlagerung der Laserverstärkung und der Signalleistung zum Ausgangsende der Verstärkungsfaser 34 beträgt die effektive nichtlineare Wechselwirkungslänge für den doppelten Durchgang nur 70 % der Länge einer gleichwertigen co-gepumpten Faser. Zusammen mit der um das Zweifache reduzierten Wärmelast ergibt sich ein dreifacher Nettonutzen des Doppelpass-Pumpens zur Reduzierung nichtlinearer Beeinträchtigungen im Vergleich zum Co-Pumpen.
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3 ist eine isometrische Ansicht einer Endkappe 70, die das sich durch sie ausbreitende Pumplicht 72 zeigt, und 4 ist eine isometrische Ansicht der Endkappe 70, die das sich durch sie ausbreitende Signallicht 74 zeigt, wobei das Pumplicht 72 stärker divergiert als das Signallicht 74, weil es ein Strahl geringerer Qualität mit einem höheren Strahlparameterprodukt ist. Die Endkappe 70 wird als ein nicht einschränkendes Beispiel einer Endkappe gezeigt, die als Endkappe 40 in dem System 10 verwendet werden kann, wobei andere Konfigurationen der Endkappe 40 in Übereinstimmung mit der hierin enthaltenen Diskussion vorgesehen werden können. Die Endkappe 70 umfasst einen Glaskörper 76 mit einem verjüngten Abschnitt 78 mit einer Eingangsfacette 80 und einem geraden Abschnitt 82 mit einer kugelförmig gekrümmten Ausgangsfacette 84. Wie weiter unten im Detail erörtert wird, ist eine kurze, z. B. einige Millimeter lange, kernlose Faser 86 optional an einem Ende mit der Eingangsfacette 80 verbunden, und die Speisefaser 36 ist an ihrem anderen Ende mit der kernlosen Faser 86 verspleißt, wobei die kernlose Faser 86 die gleichen Strukturelemente wie die Verstärkungsfaser 34 aufweist, außer dass sie keinen Kern hat. Der verjüngte Abschnitt 78 reduziert die Glasmenge, die erhitzt werden muss, wenn die kernlose Faser 86 optisch mit der Eingangsfacette 80 verschweißt wird, so dass die Faser 86 und die Eingangsfacette 80 gleichzeitig schmelzen. Auf der Austrittsfacette 84 ist eine dichroitische Beschichtung 88 aufgebracht, die so konfiguriert ist, dass ein großer Teil des Pumplichts 72 zurück zur Faser 86 und in die Zuführungsfaser 36 und dann in die Verstärkungsfaser 34 reflektiert wird und ein großer Teil des Signallichts 74 durch die Austrittsfacette 84 hindurchgeht, so dass die Beschichtung 88 als AR-Beschichtung für das Signallicht 74 wirkt.
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Die Länge der kernlosen Faser 86 ist nicht entscheidend, ihre maximale Länge wird jedoch durch die Divergenz des Signallichts 74 an der Eingangsfacette 80 begrenzt, wenn sie zu lang ist. Um ein signifikantes Clipping zu vermeiden, sollte die Länge der kernlosen Faser 86 in der Regel weniger als nD/4*NA betragen, wobei n der Brechungsindex der Glasfaser, D der Durchmesser der kernlosen Faser 86 und NA der Divergenzhalbwinkel der Signalfasermode ist, und wobei eine typische NA für einen Faserkerndurchmesser von 20 um und eine Wellenlänge von 1 um 0,035 beträgt. Bei der Montage wird zunächst ein langes Stück der kernlosen Faser 86 an die mit einem Kern versehene Speisefaser 36 gespleißt und dann auf die gewünschte Länge von der Spleißstelle abgeschnitten. Der kernlose Faserabschluss wird dann an die Endkappe 70 geschweißt. Da das Pumplicht 72, das sich in der Mantelschicht 54 der doppelt ummantelten Verstärkungsfaser 34 und der Speisefaser 36 ausbreitet, eine typische NA von ~0,46 hat, beginnt das Pumplicht 72 an der Schweißstelle zwischen der Speisefaser 36 und der kernlosen Faser 86 zu divergieren. Für ein effizientes Double-Passing muss das Pumplicht 72 daher wieder auf die Fasermantelschicht 54 abgebildet werden. Dies wird durch die Konfiguration der dichroitischen Endkappe 70 mit der kugelförmigen Austrittsfacette 84 erreicht. Der Krümmungsmittelpunkt der Facette 84 befindet sich an der Schweißstelle zwischen kernloser Faser und Endkappe, so dass das restliche Mantel-Pumplicht 72 zurückreflektiert wird, um sowohl die Speisefaser 36 als auch die Verstärkungsfaser 34 doppelt zu passieren.
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Bei einem perfekt ausgerichteten System mit einer NA = 0,46 für die Pumpe, einem Fasermanteldurchmesser von 400 um und einer Endkappenlänge von 8 mm mit einem Index n = 1,45 (Quarzglas) werden etwa 99,3 % des reflektierten Pumplichts 72 wieder in die Mantelschicht 54 eingekoppelt. In Verbindung mit einer Beschichtung mit einem Reflexionsgrad von 99 % lässt sich eine Netto-Rückkopplungseffizienz von 98 % erzielen. Zu den kritischen Toleranzen für einen hohen Pumpkopplungswirkungsgrad gehört, dass die Oberflächenverformung der kernlosen Faserschweißnaht gering ist und dass die kernlose Faserspitze seitlich so nah wie möglich am Krümmungsmittelpunkt der Austrittsfacette 88 verschweißt wird. Für die Endkappe 70 zeigt die Strahlenverfolgung, dass die seitlichen Toleranzen, die erforderlich sind, um die Rückflussdämpfung des Pumplichts 72 innerhalb von 1 % des optimalen Werts zu halten, für das hier diskutierte spezifische Beispiel ±5 um betragen. Außerdem sollte die Dicke der Schweißnaht zur Austrittsfacette in der Achse genau 1 Krümmungsradius der Austrittsfacette 84 betragen. Die Strahlenverfolgung zeigt, dass die Dickentoleranz bei einem Kopplungsverlust von 1 % etwa ±20 um genau ist. Diese Toleranz kann bei der Herstellung der Endkappe erreicht werden, indem die Schaftlänge auf den Krümmungsradius herunterpoliert wird.
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Die Endkappe 70 ist auch so konfiguriert, dass sie unerwünschte Rückreflexionen des Signallichts 74 kontrolliert. Für einen Verstärker mit hoher Verstärkung (>20 dB) ist es entscheidend, die Rückflussdämpfung des Signallichts 74 auf etwa -60 dB zu reduzieren, um Instabilität zu vermeiden. Wenn die Zuführungsfaser 36 direkt an die Endkappe 70 mit perfekter Ausrichtung gespleißt würde, würden nahezu 100 % des reflektierten Signallichts 74 zurück in den Kern 52 abgebildet werden. Die Beschichtung 88 allein kann nur eine Unterdrückung von etwa -30 dB bieten. Daher wäre eine solche Geometrie nicht praktikabel. Durch das Einspleißen der kernlosen Faser 86 kann jedoch die Rückspiegelung des Signallichts 74 in den Kern 52 verhindert werden. Das Signallicht 74 wird nach der Spleißverbindung zwischen der kernlosen Faser 86 und der Speisefaser 36 nicht mehr im Kern 52 geführt und kann sich frei über die Länge der kernlosen Faser 86 ausbreiten. Wie das Signallicht 74 zeigt, befindet sich das von der Facette 84 reflektierte Bild des Kerns 52 am Punkt 90 innerhalb des Körpers 76 der Endkappe 70, mehrere Millimeter von der Spleißverbindung zwischen der Speisefaser 36 und der kernlosen Faser 86 entfernt, wodurch die Menge des reflektierten Signallichts 74, das in den Kern 52 eintritt, verringert wird. Eine einfache Berechnung zeigt, dass dies zu einem geometrischen Kopplungsverlust von -30 dB in den Kern 52 führt, was in Kombination mit dem - 30-dB-Verlust durch die Beschichtung eine Nettorückflussdämpfung von -60 dB ergibt, die die gewünschte Anforderung erfüllt.
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Alternativ kann ein ähnlicher geometrischer Rückflussdämpfungsfaktor von -30 dB erreicht werden, indem die Speisefaser 36 direkt an die Endkappe 70 mit einer kernlosen Faser mit einem seitlichen Versatz von ~10-20 um gespleißt wird, so dass das reflektierte Signallicht 74 mit einem Versatz zum Kern 52 mit ~20 um Durchmesser auf der Mantelschicht 54 wieder abgebildet wird. In diesem Fall wird das reflektierte Bild des Kerns 52 direkt an der Spleißstelle an der Eintrittsfacette 80 gebildet, ist aber seitlich um die doppelte Kerndezentrierung versetzt, so dass es in die Mantelschicht 54 und nicht in den Kern 52 einkoppelt. In diesem Fall sinkt der Wirkungsgrad der Pumpenkupplung um einige Prozent, da auch sie mit einem seitlichen Versatz neu abgebildet wird, so dass diese Konfiguration zwar möglich ist, aber weniger vorteilhaft sein kann als die kernlose Faser 86.
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Typische Anwendungen für Faserverstärker erfordern wenig Mantellicht (typischerweise <1 % der Gesamtleistung). Bei einem fiktiven doppelt gepumpten Faserverstärker mit 95 % Gesamtabsorption (13 dB) wird die am Keimende eingeleitete Pumpleistung an der Endkappe 70 um 6,5 dB abgeschwächt. Die dichroitische Beschichtung 88 sorgt für eine zusätzliche Dämpfung von -20 dB, so dass der Anteil der Pumpleistung im Grenzfall eines Lasers mit 100 % Quanteneffizienz nicht mehr als -26,5 dB unter dem Signal liegt. Dies entspricht etwa 0,2 % des Ausgangssignallichts. Wenn dieses Leistungsniveau problematisch ist (was in der Regel nicht der Fall ist), kann es weiter reduziert werden, indem die Beschichtungsleistung zwischen AR und HR getauscht wird oder indem eine Länge einer Faser mit erhöhter Verstärkung zurückgegeben wird, um sie weiter zu reduzieren.
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Die Abmessungen der Endkappe 70 ermöglichen einen Abstand von Faser zu Faser in einem Anordnungsfeld von ~4 mm. Für SBC kann auch ein kleinerer Abstand von Bedeutung sein. In diesem Fall müsste die seitliche Abmessung der Austrittsfacette 84 von 4 mm verringert werden. Dies würde eine proportionale Verringerung der Endkappendicke erfordern, um ein Abschneiden des Pumplichts 72 zu verhindern, was wiederum die Spitzenintensität des Signallichts 74 auf der Austrittsfacette 84 auf Werte erhöhen würde, die ein Beschädigungsrisiko darstellen könnten. Die Signalintensität könnte jedoch durch Vergrößerung der Länge der kernlosen Faser 86 verringert werden, um eine zusätzliche Strahlstreuung des Signallichts 74 auf der Endkappe 70 zu erreichen, ohne die Pumpstreuung zu beeinträchtigen. Die Länge der kernlosen Faser 86 wird, wie oben beschrieben, durch die Begrenzung der Signalleistung am Außendurchmesser (OD) der kernlosen Faser 86 an der Schweißstelle der Endkappe begrenzt.
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Ein konkretes Beispiel ist ein Endkappendesign auf der Grundlage der Endkappe 70, jedoch mit halbem Abstand (2 mm statt 4 mm). Für typische LMA-Yb-dotierte Fasern mit einem Kerndurchmesser von 20 um beträgt die Signal-NA in Luft 0,035, was einer Halbwinkeldivergenz von 25 mrad in SiO2 entspricht. Wenn das System 10 so ausgelegt ist, dass es eine kernlose Faser mit 400 um OD bei 4 * Strahlradien aufklemmen kann, dann kann die Länge der kernlosen Faser 86 400 um / (4*25 mrad) = 4 mm betragen, ohne dass es zu einer nennenswerten Begrenzung kommt. Die Dicke der Endkappe 70 würde ebenfalls 4 mm betragen, so dass die gesamte Ausdehnungslänge des Signalstrahls 8 mm beträgt.
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5 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines SBC-Faserlaser-Verstärkersystems 96, das eine Vielzahl von Verstärkungskanälen 98 umfasst, von denen jeder einen MO 100 hat, der einen Signalstrahl erzeugt, wobei die MOs 100 in den verschiedenen Kanälen 98 die Signalstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugen. Der Signalstrahl wird an ein EOM 102 gesendet, das eine angelegte Spannung empfängt, die von einem HF-Treiber 104 bereitgestellt wird, der für eine Frequenzmodulationsverbreiterung sorgt. Der Signalstrahl wird dann durch einen Faserverstärker 106 verstärkt, und der verstärkte Signalstrahl wird zu einem Strahlwerfer 108 mit einer Endkappe 110 des oben beschriebenen Typs gesendet. Die Endkappe 110 ist so konfiguriert, dass sie die Fasern in allen Kanälen 98 aufnimmt, und kann so gestaltet sein, dass viele der Endkappen 70 miteinander verbunden sind. Alternativ kann eine flache Eingangsfläche eines monolithischen Mikrolinsen-Anordnungsfelds mit einer flachen Ausgangsfläche eines Multi-Faser-Endkappen-Anordnungsfelds verbunden werden, um ein Multi-Facetten-Endkappen-Anordnungsfeld zu konfigurieren, das zum Schweißen mehrerer Fasern geeignet ist. Der verstärkte Strahl wird dann durch den freien Raum zu einer SBC-Kombinationsoptik 112 mit einem Gitter (nicht dargestellt) geschickt, das eine periodische Struktur aufweist, die in das Gitter eingeformt ist, so dass, wenn die einzelnen verstärkten Strahlen, die jeweils eine leicht unterschiedliche Wellenlänge und Winkelrichtung haben, durch die periodische Struktur so umgelenkt werden, dass alle Strahlen vom Beugungsgitter in dieselbe Richtung als kombinierter Ausgangsstrahl gebeugt werden.
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6 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines CBC-Faserlaser-Verstärkersystems 116, in dem ähnliche Elemente wie im System 96 durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Das System 116 umfasst einen einzelnen MO 100, der einen Signalstrahl erzeugt, der durch einen Strahlteiler 118 in mehrere Signalstrahlen aufgeteilt wird, die durch die Verstärker 106 verstärkt werden. Die verstärkten Strahlen aus den Strahlabschussvorrichtungen 108 werden an die CBC-Optik 122 gesendet, die alle verstärkten Strahlen zu einem kombinierten Ausgangsstrahl kombiniert.
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Die vorangehende Erörterung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Ein Fachmann wird aus dieser Diskussion und aus den beigefügten Zeichnungen und Ansprüchen leicht erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen darin vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert, abzuweichen.
