DE19833166A1

DE19833166A1 - Anordnung zur Pumplichtzuführung für laseraktive und/oder verstärkende Fasern

Info

Publication number: DE19833166A1
Application number: DE19833166A
Authority: DE
Inventors: Frank Heine
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-07-23
Filing date: 1998-07-23
Publication date: 2000-01-27
Also published as: US6327279B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Beaufschlagung eines Lichtwellenleiters (Faser) mit anregender Energie in Form einer Pumplichtzuführung zur Erzeugung von Laserlicht, insbesondere Faserlaser zur Erzeugung von monochromatischem Laserlicht und/oder Faserverstärker zur Verstärkung von kohärentem und inkohärentem Signallicht. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß eine Laser/Verstärkerfaser (12) zu einer transversalen Einkopplung von anregendem Pumplicht mit wenigstens einer Windung spulenartig aufgewickelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfah ren zur Pumplichtzuführung für laseraktive und/oder verstärkende Fasern mit den im Oberbegriff des An spruchs 1 und des Anspruchs 19 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Zur Anregung einer Laserlichtemission eines soge nannten Faserlasers sind zwei verschiedene Möglich keiten bekannt. So kann ein sogenanntes Pumpen, das heißt eine energetische Anregung, entweder durch eine longitudinale oder durch eine transversale Zuführung von Anregungslicht erfolgen. Zur Anregung von Faser lasern und -verstärkern ist bisher ausschließlich longitudinales Pumpen bekannt. Ein Grund hierfür liegt unter anderem in dem Längen-Durchmesser-Ver hältnis der Fasern. Da ein Faserkern typischer weise über einen Durchmesser von weniger als 10 µm verfügt, kann dieser bei transversalem Pumpen einen nur äußerst geringen Bruchteil der Pumpleistung absorbieren. So absorbiert beispielsweise ein Laser kern mit einem Durchmesser von 7 µm (Einmodenlaser oder Verstärkerfaser für Anwendungen bei 1 µm Wellenlänge) bei einem Einfachdurchgang nur etwa zwischen 0,1% und 1% der Pumpleistung, wobei dieser Anteil von einer Ionendotierungskonzentration des Faserlasers oder -verstärkers abhängt.

Bekannt sind weiterhin Verfahren zur longitudinalen Einkopplung von Pumplicht in den Laserkern, insbeson dere für Hochleistungsfaserlaser und Verstärker mit Ausgangsleistungen von mehreren Watt. Da die Strahl qualität der Pumplaserdioden für eine direkte Koppe lung der Pumpleistung in den mit einem Laserion do tierten Bereich (sogenannter Einmodenbereich) der Fa ser nicht ausreicht, sind derart hohe Lichtleistungen nur durch Fasern mit mehrfachen Kernen zu reali sieren.

So zeigt die WO 95/10868 ein Verfahren für eine wie derholte Zuführung von Pumplicht in sogenannte Dop pelkern-Fasern. Die Fasern bestehen aus mehrfachen Kernen, die koaxial zueinander angeordnet sind. In einen Pumpkern mit einem typischen Durchmesser von 100 µm bis 400 µm wird die Leistung der Laserdioden eingekoppelt. Der Durchmesser des Pumpkernes weist ein Vielfaches vom Durchmesser des Einmoden-Laserker nes auf, der typischerweise zwischen 5 µm und 10 µm liegt. Vorteilhaft an den Doppelkern-Fasern gegenüber herkömmlichen Pumptechniken ist die Realisierungsmög lichkeit von Faserlasern mit nur einer auftretenden räumlichen Mode des abgestrahlten Laserlichts sowie einer sehr großen Pumplichtapertur und Pumplicht einkoppelfläche.

Nachteilig an den bekannten Doppelkern-Verfahren ist die aufwendige und komplizierte und damit relativ kostspielige Herstellung von Multikern-Fasern. Da die Fasern zusätzlich beispielsweise hinsichtlich einer Polarisationserhaltung und einer Strahlungsfestigkeit optimiert sein müssen, entstehen Einschränkungen hin sichtlich der für die Fasern verwendbaren Materia lien. Im Pumpkern auftretende Strahlungsmoden, die keine räumliche Überlappung mit dem Laserkern aufwei sen, müssen unterdrückt werden. Dies kann beispiels weise durch spezielle Wickeltechniken oder Pumpkern geometrien erreicht werden. Darüber hinaus sind die bekannten Doppelkern-Techniken zu einer Strahlformung der Laserdioden technisch aufwendig und weisen die Gefahr einer mangelnden Zuverlässigkeit auf, was bei manchen Anwendungen, beispielsweise für Weltraum applikationen, problematisch sein kann. Zudem erfor dert eine gleichzeitige Einkopplung von Signal- und Pumpquellen in eine Doppelkern-Faser für Verstär kerapplikationen eine wellenlängenselektive Kopplung, wodurch typischerweise Leistungsverluste von bis zu 50% auftreten.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsge mäße Verfahren zu einer transversalen Pumplichtzufüh rung für laseraktive Fasern und/oder verstärkende Fasern mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 bezie hungsweise des Anspruchs 19 genannten Merkmalen weist insbesondere den Vorteil einer hohen Leistungs fähigkeit unter Verwendung von relativ einfachen und damit kostengünstigen Fasern bei gleichzeitig sehr geringen Verlusten auf. Auf die Verwendung von re lativ aufwendigen und damit kostspieligen Doppelkern fasern kann hierbei verzichtet werden, wobei die erfindungsgemäße Anordnung beziehungsweise das er findungsgemäße Verfahren zudem den Vorteil einer hohen darstellbaren Ausgangsleistung bei einem geringen Energiebedarf und geringen Verlusten, somit einen sehr hohen Wirkungsgrad, aufweist.

Durch die Möglichkeit einer redundanten Koppelung ei ner Vielzahl von Laserdioden, die jeweils nur eine relativ geringe Strahlqualität aufweisen müssen, ent steht eine hohe Ausfallsicherheit und damit eine äu ßerst hohe Zuverlässigkeit eines Gesamtsystems. Die Laserdioden zur Erzeugung und Zuführung von Pumplicht können hierbei in konstruktiv sehr einfacher Weise direkt an eine Pumpkammer angekoppelt sein, wodurch keinerlei Schwierigkeiten durch eine Koppelung strahlgeformter Laserdioden in den Fasern auftreten können. Zudem kann problemlos auf leicht verfügbare Verstärker- und Laserfasern zurückgegriffen werden. Im Gegensatz zu bekannten longitudinal gepumpten Systemen sind die Faserenden der Laser- und/oder Ver stärkerfasern frei zugänglich, was die Einsatz möglichkeiten deutlich verbessert. Vorteilhaft gegen über bekannten Doppelkernfasern ist weiterhin die deutliche Vergrößerung der zur Einkoppelung zur Ver fügung stehenden Fläche bei einer transversalen Einkoppelung von Pumplicht.

Vorteilhaft ist weiterhin eine einfache Herstellbar keit eines Zwischenraumes zwischen zwei Aufnahme teilen zur Aufnahme einer tangential zugeführten Faser, beispielsweise durch Einschleifen. An die Qualitäten der die Faser umhüllenden Oberflächen müssen hierbei nur sehr geringe Güteanforderungen gestellt werden, was die Herstellung sehr kosten günstig macht.

In einer bevorzugten Ausgestaltung kann eine feinfüh lige Anpassung einer Breite des die Faser aufnehmen den Zwischenraumes durch axiales Verschieben von jeweils konisch geformten Innen- und Außenzylinder erfolgen, was eine exakte Anpassung an den Durch messer der Faser erlaubt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispie len anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1a einen schematischen Querschnitt einer Anordnung zur Aufnahme einer Faser mit transversaler Einkopplung von Pumplicht;

Fig. 1b einen schematischen Längsschnitt in einer Schnittebene A-A entsprechend Fig. 1a;

Fig. 2a einen schematischen Querschnitt einer weiteren Variante der Anordnung entspre chend Fig. 1;

Fig. 2b einen schematischen Ausschnitt einer weiteren Variante der Anordnung ent sprechend Fig. 2a und

Fig. 3 eine Doppelkern-Faser in herkömmlicher Bauart.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt in zwei schematischen Ansichten die Anordnung einer Einmodenfaser 12, die eine geeignete Konzentration an laseraktiven Ionen, wie beispiels weise Neodym, Ytterbium, Erbium oder eine geeignete Kombination aus diesen, in einem Einmodenkern auf weist. Die Einmoden- beziehungsweise Singlemoden- oder Monomodenfaser 12 ist derart in eine aus zwei koaxial zueinander angeordneten Zylindern gebildete Pumpkammer eingesetzt, daß sich eine gewickelte An ordnung der Faser 12 mit wenigstens einer Windung ergibt. Die Anordnung kann sowohl der Erzeugung eines Laserlichtes, das über die Faser 12 abgestrahlt wer den soll, und/oder der Verstärkung eines über die Faser 12 geführten Signallichtes dienen.

Fig. 1a zeigt einen schematischen Querschnitt einer Anordnung zu einer transversalen Einkoppelung von Pumplicht in die Faser 12. Die mit einer geeigneten Dotierung versehene Faser 12 ist auf einem inneren Zylinder, im folgenden als Innenzylinder 4 bezeich net, aufgewickelt. Der Innenzylinder 4 ist von einem Außenzylinder 6 umschlossen. Der Außendurchmesser des Innenzylinders 4 ist kleiner als der Innendurchmesser des Außenzylinders 6, so daß ein gleichmäßiger Zwischenraum 8 als Ringspalt (Pumpkammer) entsteht.

Dieser Zwischenraum 8 beträgt nur wenige 10 µm und muß von seiner Dimensionierung her so ausgelegt sein, daß eine quer zugeführte Laser/Verstärkerfaser 12 (nachfolgend Faser 12 genannt) ohne mechanische Be lastung eingepaßt werden kann, das heißt unter Beach tung des minimal zulässigen Biegeradius und des rele vanten Faserdurchmessers. Gleichzeitig soll jedoch nur wenig Zwischenraum zwischen den einzelnen Win dungen einer spulenartig aufgewickelten Faser 12 - gemäß der Darstellung in Fig. 1a in die Papier ebene hinein - verbleiben. Im Außenzylinder 6 sind wenigstens zwei Öffnungen 10 mit tangential in den Zwischenraum 8 mündenden Faserzuführungen vorgesehen, die einen geringfügig größeren Durchmesser aufweisen als die darin durchzuführende Faser 12. Zweckmäßiger weise entspricht dieser Durchmesser der Dicke des Zwischenraumes 8.

Die Seitenflächen des Zwischenraumes 8, der aus der Außenfläche des Innenzylinders 4 und der Innenfläche des Außenzylinders 6 gebildet wird, sind durch eine dielektrische oder metallische Beschichtung 9 für ein Anregungslicht (Pumplicht) hochreflektierend.

Fig. 1b zeigt einen schematischen Längsschnitt in einer Schnittebene A-A entsprechend Fig. 1a. Hier ist die in mehreren Windungen aufgewickelte dotierte Laser/Verstärkerfaser 12 erkennbar, die den Zwischen raum 8 nahezu vollständig ausfüllt. Der Zwischenraum 8 kann, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel ge zeigt, nach oben und unten durch ebenfalls hoch reflektierende Beschichtungen 14, 16 verschlossen sein.

Die Einkopplung der Pumpstrahlung erfolgt durch in die Beschichtungen 14, 16 und die Anordnung ab schließende oberen oder unteren Platten 15 einge brachte Öffnungen 17 geeigneten Durchmessers, bei spielsweise mittels hier angedeuteter Laserdioden 13. Diese Öffnungen 17 können beispielsweise mittels Maskentechnik, Ätztechnik oder Laserablation herge stellt werden.

Über den Umfang des Ringspaltes (Zwischenraum 8) kön nen eine Vielzahl von Laserdioden 13 angeordnet sein. Die Laserdioden 13 sind über die Öffnungen 17 und den als Pumpkammer dienenden Zwischenraum 8 angekoppelt. Die Ankoppelung kann entweder über eine nicht darge stellte Transportfaser oder im Freistrahlbetrieb er folgen. Entsprechend der Anzahl und der Leistung der Laserdioden kann eine Pumpleistung in die Faser 12 eingekoppelt werden.

Die Faser 12 liegt als Spule mit wenigstens einer, bevorzugt jedoch einer Vielzahl von Windungen in dem Zwischenraum 8 und wird von dem von den Laserdioden 13 gelieferten Pumplicht durchstrahlt, wobei durch die verspiegelten Beschichtungen 9 die Windungen der Faser 12 mehrfach durchstrahlt werden. Hierdurch reicht eine schwache Absorption aus, die Faser 12 mit dem Pumplicht (Anregungslicht) zu versorgen.

Der zugeführten Pumpleistung wird eine Kavität be reitgestellt, so daß über Vielfachreflexionen die zur Absorption des Pumplichtes in der Faser 12 nötigen mehrfachen Durchstrahlungen (entsprechend der Anzahl der Windungen) realisiert werden können. Zudem be wirkt die spezielle Anordnung der Faser 12 eine Ver größerung der bei einem Durchgang des Pumplichtes durch die Anordnung durchstrahlten dotierten Be reiche. So ergeben sich beispielsweise bei 10 m Fa serlänge und einem mittleren Durchmesser der Faser wicklung von 30 mm zirka einhundert Faserlagen (Windungen), was bei 7 µm Faserkerndurchmesser etwa 0,7 mm durchstrahltes absorbierendes Material be deutet.

Die Herstellung des Zwischenraumes 8, der die Faser 12 aufnimmt, ist mit konventionellen Techniken, wie beispielsweise Einschleifen, leicht möglich, beson ders da die Anforderungen an die Oberflächenqualität relativ gering sind. Die Beschichtung 9 beziehungs weise 14 und 16 der Zylinder 4 und 6 kann sowohl aus einer Dampfphase als auch aus einer Flüssigkeits abscheidung, beispielsweise bei einer Metallisierung, erfolgen.

Fig. 2 zeigt in schematischen Querschnitten weitere Varianten von die Einmodenfaser umschließenden Innen- und Außenzylinder. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht noch mals erläutert.

Fig. 2a zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Variante der Pumplichtzuführung ent sprechend Fig. 1. Hierbei ist der Zwischenraum 8 ko nisch angeordnet, so daß durch Ineinanderschieben ei nes Kegelstumpfes 24 gegen eine innere Mantelfläche eines hohlen Außenzylinders 26 die Breite des Zwi schenraumes 8 variiert werden kann und so genau an den Durchmesser der Faser 12 angepaßt werden kann. Die Faser 12 kann durch geeignet angebrachte Boh rungen oder Vertiefungen in der Grundplatte oder im Außenzylinder 26 zugeführt werden und auch dort austreten.

Fig. 2b zeigt in einem schematischen Ausschnitt eine weitere Variante der Pumplichtzuführung entsprechend Fig. 2a. Hierbei stehen jedoch die Außenfläche des Kegelstumpfes 24 und die innere Mantelfläche des Au ßenzylinders 26 nicht parallel zueinander, so daß durch die unterschiedliche Konizität eine veränderli che Spaltbreite des Zwischenraumes 8 entsteht. Das heißt, die innere Mantelfläche des Außenzylinders 26 weist eine größere Konizität auf als die Außenfläche des Kegelstumpfes 24. Auf diese Weise entsteht eine unregelmäßigere Wicklung mit nach oben hin mehr und dichter gepackten Windungen der Faser 12.

Fig. 3 zeigt zur Verdeutlichung der Unterschiede ei ner longitudinalen Pumplichtzuführung eine an sich bekannte Einmodenfaser, bestehend aus einer inneren dotierten Kern- beziehungsweise Einmodenfaser 2, ei nem umhüllenden Pumpkern 20 beziehungsweise Mantelfa ser sowie einem die Mantelfaser umhüllenden Schutz mantel 22.

Claims

1. Anordnung zur Beaufschlagung eines Lichtwellenlei ters (Faser) mit anregender Energie in Form einer Pumplichtzuführung zur Erzeugung von Laserlicht, ins besondere Faserlaser zur Erzeugung von monochroma tischem Laserlicht und/oder Faserverstärker zur Ver stärkung von kohärentem und inkohärentem Signallicht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Laser/Verstärker faser (12) zu einer transversalen Einkopplung von anregendem Pumplicht mit wenigstens einer Windung spulenartig aufgewickelt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Laser/Verstärkerfaser (12) emittierte Licht nur eine räumliche Mode aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser/Verstärkerfaser (12) einen Durchmesser zwischen 4 µm und 10 µm aufweist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser/Verstärkerfaser (12) auf einen Körper spulenartig aufgewickelt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper ein Innenzylinder (4) ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper ein Kegelstumpf (24) mit leicht konischem Außendurchmesser ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenzylinder (4) mit der darauf spulenartig aufgewickelten Laser/Verstärkerfaser (12) von einem hohlen Außenzylinder (6) mit einer zylindrischen inneren Mantelfläche umschlossen ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelstumpf (24) mit der darauf spulenartig aufgewickelten Laser/Verstärkerfaser (12) von einem hohlen Außenzylinder (26) mit leicht konischer inne ren Mantelfläche umschlossen ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine äußere Mantelfläche des Kegelstumpfes (24) eine gleiche Konizität wie die innere Mantelfläche des Außenzylinders (26) aufweist.

10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß die äußere Mantelfläche des Kegelstumpfes (24) eine geringere Konizität als die innere Mantel fläche des Außenzylinders (26) aufweist.

11. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß der Innenzylinder (4) und der Außenzylinder (6) jeweils stirnseitig eine reflektierende Schicht (14, 16) aufweisen.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß der Kegelstumpf (24) und der Außenzylinder (26) jeweils stirnseitig eine re flektierende Schicht (14, 16) aufweisen.

13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die den Zwischenraum (8) begrenzenden Mantelflächen des Innenzylinders (4) und des Außenzylinders (6) jeweils eine reflek tierende Schicht (9) aufweisen.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die den Zwischenraum (8) begrenzenden Mantelflächen des Kegelstumpfes (24) und des Außenzylinders (26) jeweils mit einer reflek tierenden Schicht (9) versehen sind.

15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenzylinder (6, 26) wenigstens eine tangential in den Zwischen raum (8) mündende Öffnung (10) für eine Faserzufüh rung aufweist.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich net, daß der Außenzylinder (6, 26) zwei tangential in den Zwischenraum (8) mündende Öffnungen (10) für eine Faserzuführung und -herausführung aufweist.

17. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser/Ver stärkerfaser (12) mit Selten-Erd-Ionen dotiert ist.

18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich net, daß die Laser/Verstärkerfaser (12) mit laser aktiven oder verstärkeraktiven Ionen wie Neodym und/oder Ytterbium und/oder Erbium dotiert ist.

19. Verfahren zur Beaufschlagung eines Lichtwellen leiters mit anregender Energie zur Erzeugung von La serlicht, insbesondere Faserlaser zur Erzeugung von monochromatischem Laserlicht, oder zur Verstärkung von kohärentem oder inkohärentem Signallicht, dadurch gekennzeichnet, daß als anregende Energie ein Pump licht transversal in eine spulenartig aufgewickelte Laser/Verstärkerfaser (12) eingestrahlt wird.