SE515779C2 - Generator av laserpulser av hög effekt - Google Patents

Description

20 25 30 35 (fl n* s m -1 -a \O . . ~ . - ' " det omkring 1.54 um. Laserpulsgeneratorn, är både kompaktare och billigare än förut känd teknik och i likhet med andra halvledarbaserade tekniker kräver den endast låga batterispänningar. Vidare kan ett system enligt uppfinningen generera pulser med hög pulsrepetitionsfrekvens (>30O Hz) och programmerbar pulsform.

Med hjälp av fibermultiplexering kan arrayer erhållas som kan utnyttjas för 3-dimensionell avbildning med god bildfrekvens. Allt detta uppnås genom att uppfinningen får de särdrag som framgår av de efterföljande patentkraven. l det följande kommer uppfinningen att beskrivas närmare under hänvisningen till bifogade ritning, där fig. 1 visar en principskiss över en generator av laserpulser av hög effekt enligt uppfinningen och fig.2 visar en principskiss över en bildalstrande avståndsmätare med teknik enligt uppfinningen.

Uppfinningen är baserad på en vidareutveckling av två teknologier inom optronik- området. Systemet består av kombinationen sändarlaser och optisk effektför- stärkare. Sändarlasern till den uppfinningsenliga optiska effektförstärkaren är en halvledarlaser. Pulsade halvledarlasrar vid kortare våglängder än den här aktuella har utvecklats för pumpning av fastatillståndslasrar och medicinska tillämpningar.

Halvledarlaserbaserade sändarlasrar kan emellertid inte skalas upp till de topp- effekter som krävs i laserradartillämpningar på grund av den korta livslängden hos lasrarnas elektrontillstånd. Ytterligare förstärkning krävs därför. Kravet på sändar- lasern blir då i stället att ge tillräcklig toppeffekt för att mätta den efterföljande för- stärkaren, vilket är ett avsevärt lägre krav, och att dess laservåglängd skall vara centrerad vid den efterföljande förstärkarens förstärkningsmaximum. Toppeffekt och pulsform skall kunna varieras i kombination med effektförstärkarens pumpning på ett sådant sätt att önskade pulsegenskaper erhålls efter förstärkning.

Det är som nämnts ovan förut känt att använda erbiumdopade fiberförstärkare av singelmodtyp i telekommunikationssammanhang. Dopning och förstärkning är opti- merad med avseende på god förstärkning och litet brustillskott. Bruset genereras bl.a. av spontanemission i fibern.

Bruset ökar även med antalet moderi fibern. Kommunikationssystem är dock genomgående baserade på enkelmodfiber. l effektförstärkare av ovan beskriven typ kan väsentligt högre brusnivåer accepteras, varför multimodfibrer som ger högre energilagringskapacitet kan användas. Förstärkningen måste dock även i detta 10 15 20 25 30 35 . . v . »- .. n. m -J cr: -1 ~4 \0 fallet begränsas, dels för att förhindra självoscillation och dels för att förhindra populationsbegränsning på grund av förstärkt spontanemission. l kommunikationssystem tvingas man operera förstärkaren långt under mättnad för att förhindra korskoppling mellan olika kanaler. Effektförstärkaren utnyttjas i ett en- kanalsystem, varför överhörning inte är ett problem. Mättnadseffekten är approxi- mativt proportionellt mot pumpeffekt varför en mycket hög pumpeffekt eftersträvas.

Detta kan åstadkommas med laserarrayer och god modanpassningsoptik.

Exempel på prestanda för effektförstärkare som utnyttjar samdopning av Yb/Er med begränsade prestanda är: Bandbredd: 1.53 - 1.56 um Småsignalförstärkning vid 1.535 um: >45 dB Kontinuerlig mättad uteffekt: > 0.5 W Spatial mod: TEMQQ Livslängden hos övertillståndet är av storleksordningen 10 ms. Detta betyder att ovan angivna fiber kan lagra en energi av storleksordningen mJ. Begränsande för systemet är dock fiberns skadenivå. För mJ-nivåer krävs en multimodfiber.

Fibern kan pumpas optiskt under ca 1 ms och den lagrade energin extraheras med en kort laserpuls av lägre energi. Vidare kan sådana fibrer pumpas effektivt med laserarrayer genom att pumpa i fiberhöljet (cladding). Den optiska pumpningen kan antingen vara kontinuerlig eller pulsad.

Vid materialbearbetning är längre pulser aktuella. Tekniken är också användbar för sådana system anpassade för lödning, skärning m.m.

För effektiv energiextraktion ur en fiberförstärkare krävs att den inkommande sig- naleffekten är tillräckligt hög. Pulsade halvledarlasrar har utvecklats vid kortare våglängder än den önskade 1.54 pm, t ex 970 nm. Uppflnningen utnyttjar en pulsad halvledarlaser vars våglängd är optimerad för den efterföljande fiberförstärkaren och har en toppeffekt av storleksordningen 10 W. Ett sätt att framställa en sådan är med utnyttjande av en optimerad Fabry-Perot-resonator. Förbättrade prestanda hos sändarlasern kan erhållas med hjälp av kombinationen DFB-laser alternativt DBR- laser och integrerad pulsad halvledarförstärkare. 10 15 20 25 30 35 . ø I I " Ytterligare en fördel med förstärkning av modulerad strålning från en halvledarlaser är att Iaserstrålningens amplitud-tid karakteristik kan anpassas till fiberförstärkarens egenskaper. Därmed kan formade pulser erhållas. Konstruktionen leder till en naturlig pulsflankförstärkning som resulterari korta förstärkta pulser. För avstånds- mätning eftersträvas oftast korta pulser men genom att forma källpulsen kan man modifiera pulsutseendet. Pulsrepetitionsfrekvensen kan ökas till ca 1 kHz med bibehållen toppeffekten.

För högre PRF-krav kan multiplexering i flera fibrer ge ökad kapacitet. Man kan tänka sig att med en stråldelare 5 dela upp utsignalen från halvledarlasern 1, så att den leds till ett antal parallella fiberförstärkare 2, se fig. 2. Tekniken för uppdelning är välkänd från telekommunikationsområdet och kan exempelvis bygga på integre- rad optik. Om man således använder 10 parallella fiberförstärkare som ger strålning som belyser olika områden, kan man, när man låter hela komplexet svepa över aktuellt område, välja mellan att öka avbildningsfrekvensen för varje punkt inom det svepta området tio gånger eller med bibehållen avbildningsfrekvens sänka svep- frekvensen 10 gånger, vilket underlättar konstruktionsarbetet.

Man kan vidare tänka sig att skapa en bildalstrande avståndsmätare, som ger en 3- dimensionell bild av ett mätobjekt 6, genom att bygga upp en matris av strålkällori form av fiberförstärkare 2, exempelvis i ett enkelt utförande 8x8 fibrer, som sam- verkar med en matris detektorer 7.

Skulle uteffekten från halvledarlasern 1 inte räcka för att driva till mättnad det antal parallella fiberförstärkare 2 man är intresserad av, kan man använda en första fiber- förstärkare 8 som "förförstärkare" innan man delar upp strålningen i de olika fiber- förstärkarna som utsänder strålningen. l fig. 1 betecknar 1 en halvledarlaser, 2 en multimodfiberförstärkare, 3 en laser- fiberkoppling med eventuell isolator och 4 en optisk pumpkälla. Motsvarande kom- ponenter i fig. 2 har samma beteckningar. Halvledarlasern genererar en våglängd som ligger inom fiberförstärkarens 2 förstärkningsbandbredd. Den har ett transver- sellt modutseende som tillåter fokusering via koppllngsanordningen 3 in i fiber- förstärkaren. Pumpning kan ske i båda fiberändarna och systemet kan bestå av flera förstärkarsteg med mellanliggande optisk isolering.

Erforderliga strålningsegenskaper och pulstoppeffekter har demonstrerats med |nGaAsP-lnP- laser av Fabry-Perot-typ. Dessa finns närmare beskrivna i rapporten 10 15 20 25 30 35 > | = ~ -I in nå en -1 -4 ~o nu H "Högeffekts halvledarlasrar vid 1,536 pm. En förstudie" av Lars Andersson, lMC, 1995-06-16, till vilken härmed refereras. En sammanfattning ges nedan.

Förstärkningsguidade halvledarlasrar av olika längd och med varierande bredder undersöktes. Fördelen med denna lasertyp är dess enkelhet. Nackdelen är att det är svårt att kontrollera laservåglängden på förhand. För en given grundstruktur kommer våglängden att variera med kavitetslängd samt frontytans antireflex- behandling och backytans reflexbehandling. En uppsättning lasrar karaktäriserades genom att för en kvantbrunnsstruktur variera ovan angivna parametrar. Därvid åstadkoms enstaka lasrar med lämpliga egenskaper. Redan mycket korta lasrar (0.5 mm) kan generera toppeffekter över 15 W med en vågledarbredd om 50 um.

En möjlighet för reproducerbar produktion för användning i uppfinningen bygger på s.k. MOPA-design (Maser Oscillator Power Amplifier). Sådana konstruktioner har tidigare demonstrerats vid kortare våglängder (0.79-1.1 um) än som här är aktuella.

Effektförstärkning och samtidig förstoring av moden kan ske i en trattformad förstärkarsektion. Genom att öka förstärkartvärsnittet längs förstärkaren kan en mer uniform effekttäthet erhållas i takt med ökad lasereffekt.

Fibern är dopad och pumpad på ett sådant sätt att insignalen snabbt förstärks till mättnadsnivå för att sedan ge hög uteffekt. Moden skall vara anpassad till pump- Iaserns fokuseringsförmåga och samtidigt ge hög pulsenergi. De båda komponen- terna, en halvledarlaser och en fiberförstärkare, måste anpassas till varandra för att man skall erhålla optimala systemprestanda.

Praktiskt betyder detta att efter att sändarlaserns prestanda fastställts, konstrueras fiberförstärkaren så att man kan erhålla såväl god inkoppling i fibern med hänsyn till laserns koherensegenskaper och god energiextraktion med hänsyn till laserns toppeffekt. Denna optimering kan åstadkommas genom att variera kärndiameter, dopningsblandning och koncentration samt pumpeffekt och fiberlängd. lnkopplingen i en multimodfiber av laserstrålningen begränsas av laserns koherens- egenskaper. I det aktuella fallet kan man t.ex. utgå från en laserstråle med strål- diametern 50 um i den kritiska riktningen. En avbildning som medför minst en i halvering av stråldiametern kan lätt åstadkommas med hänsyn till att multimod- system innebär att avbildningen ej behöver vara diffraktionsbegränsad. En multi- modfiber med en fiberkärna av storleksordningen 25 um är lämplig då den tillåter 10 15 20 25 30 , , . . .- | . u . | a »- propagering av minst 20 moder och medger därför låga inkopplingsförluster.

Fiberns numeriska apertur är av storleksordningen 0.12. Så stora fiberkärnor är lätta att pumpa med halvledarlasrar. Detta medför i sin tur att man ej behöver till- gripa avancerad pumpteknik såsom pumpning i det kringliggande höljet för att erhålla en god verkningsgrad. Pumpning i fiberkärnan medger även att dopnings- koncentrationen kan vara hög (t ex 1450 ppm) och fiberlängden kort (t ex 1.7 m).

Totala verkningsgraden är dock relativt oberoende av om man väljer hög dopnings- koncentration och kort fiber eller låg dopningskoncentration och en längre fiber.

Modellering av effektförstärkande fibrer är ej lika utvecklad som för signalförstär- kande fibrer. Praktiska försök visar dock att dopningskoncentrationen kan ökas väsentligtjämfört med signalförstärkande fibrer. Hög verkningsgrad bibehålls genom att mediet pumpas med hög effekt (t ex 1.5 W)- samtidigt som ineffekten från sändarlasern måste vara tillräckligt hög för att åstadkomma mättnad. l det aktuella fallet krävs en sändarlasereffekt om 15 Watt att för att erhålla en god verknings- grad. Högre ineffekter medför att att det totala systemets uteffekt kan skalas upp till högre nivåer under bibehållande av ursprunglig enkelhet i konstruktionen. För- stärkningen kan vara bredbandig (20-30nm), varför kraven på våglängdskontroll av sändarlasern är måttliga eller av samma storleksordning som för smalbandiga detektorfilter.

Vid tillräckligt hög ineffekt kommer den lagrade energin att extraheras på ca 2 ns.

Detta betyder att längre inpulser kommer att deformeras med en 2 ns lång frontpuls och en längre svans med låg effekt. Längre pulser än ca 2 ns genereras genom att ineffekten minskas i pulsens front så att energiextraktionen kommer att ske under längre tid.

En multimodfiber med kärndiameter 20 um har utvecklats och tillverkats. Efter opti- mering tillåter denna förstärkare en energiextraktion om >0.5 mJ. Pumpkällan till den optiska fibern är kommersiellt tillgänglig från bl.a. Opto Power Co. och SDL lnc. och betecknas 4 på ritningen.

Claims (6)

10 15 20 25 m må m w: ~ \O Patentkrav:

1. Generator av laserpulser av hög effekt, exempelvis för avståndsmätning eller materialbearbetning, k ä n n e t e c k n a d a v att den innefattar en direktmodule- rad halvledarlaser (1) och en optiskt pumpad erbiumdopad fiberförstärkare (2) av multimodtyp för hög effekt.

2. Generator enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d a v att halvledarlaserns uteffekt är anordnade att kunna moduleras för att forma laserpulserna från generatorn.

3. Generator enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d a v att halvledar- lasern är avstämd för 1,54 pm.

4. Generator enligt något av de tidigare patentkraven, k ä n n e t e c k n a d a v att den innefattar ett stråldelande element (5), som delar upp strålningen från halvledarlasern (1), och till detta kopplat ett antal parallella fiberförstärkare (2).

5. Generator enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a d a v att till det strål- delande elementets (5) ingång är en förförstärkare (8) i form av en fiberförstärkare kopplad.

6. Generator enligt något av patentkraven 4 eller 5, k ä n n e t e c k n a d a v att de parallella fiberförstärkare (2) som utsänder strålning är placerade i matrisform och avsedda att samverka med en matris (7) detektorelement till bildandet av en bildalstrande avståndsmätare.