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DE102012012982A1 - Laser array, has fiber amplifier comprising laser source that exhibits specific beam parameter product, where laser radiation emitted by laser source couples into core of multi-mode fiber of fiber amplifier - Google Patents

Laser array, has fiber amplifier comprising laser source that exhibits specific beam parameter product, where laser radiation emitted by laser source couples into core of multi-mode fiber of fiber amplifier Download PDF

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DE102012012982A1
DE102012012982A1 DE201210012982 DE102012012982A DE102012012982A1 DE 102012012982 A1 DE102012012982 A1 DE 102012012982A1 DE 201210012982 DE201210012982 DE 201210012982 DE 102012012982 A DE102012012982 A DE 102012012982A DE 102012012982 A1 DE102012012982 A1 DE 102012012982A1
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DE
Germany
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laser
fiber
core
laser source
arrangement according
Prior art date
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Ceased
Application number
DE201210012982
Other languages
German (de)
Inventor
Jens Geiger
Hans-Dieter Hoffmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Abstract

The array has a fiber amplifier comprising a laser source i.e. multi-mode diode laser stack (1), and a multi-mode fiber (4) i.e. core-pumped single or double shell fiber, where a laser radiation emitted by the laser source couples into a core of the multi-mode fiber of the fiber amplifier. The laser source exhibits a beam parameter product that amounts to 2.4-40 mm milliradian. The laser source is formed by fiber or solid state lasers. The multimode fiber of the fiber amplifier comprises a multi-shed cladding structure with a signal cladding and a pumping cladding.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laseranordnung, die eine Laserquelle und einen Faserverstärker mit einer Multimode-Faser umfasst, wobei von der Laserquelle emittierte Laserstrahlung in die Multimode-Faser des Faserverstärkers einkoppelt und dort verstärkt wird.The present invention relates to a laser arrangement comprising a laser source and a fiber amplifier with a multi-mode fiber, wherein laser radiation emitted by the laser source is coupled into the multimode fiber of the fiber amplifier and amplified there.

Stand der TechnikState of the art

Viele auf dem Einsatz von Laserstrahlung basierende Anwendungen erfordern die Führung der Laserstrahlung über Fasern, insbesondere Glasfasern. Mit typischen Festkörperlasern wie bspw. Stablasern kann Multimode-Laserstrahlung bei mittleren Leistungen über 1 kW und Pulsspitzenleistungen über 1 MW erzeugt werden. Allerdings bereitet die Einkopplung der Laserstrahlung dieser Festkörperlaser in eine Transportfaser Schwierigkeiten. Außerdem ist die Strahlqualität derartiger Laser für einige Anwendungen nicht ausreichend.Many applications based on the use of laser radiation require the guidance of the laser radiation via fibers, in particular glass fibers. With typical solid-state lasers, such as, for example, bar lasers, multimode laser radiation can be generated at average powers of more than 1 kW and pulse peak powers over 1 MW. However, the coupling of the laser radiation of these solid-state lasers into a transport fiber causes difficulties. In addition, the beam quality of such lasers is not sufficient for some applications.

Für eine verbesserte Einkopplung von Laserstrahlung in Transportfasern können faserbasierte Anordnungen genutzt werden, mit denen gepulste Laserstrahlung mit mittleren Leistungen von 100 Watt und Pulsspitzenleistungen bis 5 MW erzeugt werden kann. Hierbei werden als Laserquelle Diodenlaser eingesetzt, die Grundmode-Laserstrahlung emittieren. So zeigen beispielsweise L. Lombard et al., „Diode-pumped Yb-doped large-core fiber amplifier with a multimode-to-singlemode photorefrative converter”, in Photorefractive Effects, Materials, and Devices, P. Delaye, C. Denz, L. Mager, and G. Montemezzani, eds., Vol. 87 of OSA Trends in Optics and Photonics (Optical Society of America, 2003), paper 547 , eine Laseranordnung mit einem Grundmode-Diodenlaser und einem Faserverstärker mit einer Multimode-Faser zur Erzeugung gepulster Grundmode-Laserstrahlung.For an improved coupling of laser radiation into transport fibers, fiber-based arrangements can be used, with which pulsed laser radiation with average powers of 100 watts and pulse peak powers up to 5 MW can be generated. In this case, diode lasers which emit fundamental-mode laser radiation are used as the laser source. For example, show Lombard et al., "Diode-pumped Yb doped large-core fiber amplifier with a multimode-to-singlemode photorefractive converter," in Photorefractive Effects, Materials, and Devices, P. Delaye, C. Denz, L. Mager , and G. Montemezzani, eds., Vol. 87 of OSA Trends in Optics and Photonics (Optical Society of America, 2003), paper 547 , a laser array comprising a fundamental mode diode laser and a fiber amplifier having a multi-mode fiber for generating pulsed fundamental mode laser radiation.

Die auf diese Weise erzeugte Strahlung kann jedoch oft nicht mit Glasfasern über längere Strecken übertragen werden, da bei der Übertragung nichtlineare Effekte auftreten, insbesondere stimulierte Raman-Streuung. Weiterhin erfordert die Verstärkung der Grundmode-Laserstrahlung zur Erzeugung hoher Ausgangsleistung eine große Anzahl an Verstärkerstufen, die einen komplexen Aufbau der Anordnung verursachen.However, the radiation generated in this way often can not be transmitted with glass fibers over longer distances, since in the transmission non-linear effects occur, in particular stimulated Raman scattering. Furthermore, the amplification of the fundamental mode laser radiation to produce high output power requires a large number of amplifier stages, which cause a complex structure of the device.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Laseranordnung mit Faserverstärker anzugeben, die demgegenüber einen weniger komplexen Aufbau aufweist und die Erzeugung von gepulster und kontinuierlicher Laserstrahlung ermöglicht, die sich über größere Strecken in einer Transportfaser übertragen lässt.The object of the present invention is to provide a laser arrangement with fiber amplifier, which in contrast has a less complex structure and allows the generation of pulsed and continuous laser radiation, which can be transmitted over longer distances in a transport fiber.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit der Laseranordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Laseranordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the laser arrangement according to claim 1. Advantageous embodiments of the laser arrangement are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the embodiments.

Die vorgeschlagene Laseranordnung umfasst eine gepulst oder kontinuierlich emittierende Laserquelle aus einem oder mehreren Diodenlasern oder einem oder mehreren Faser- oder Festkörperlasern und einen Faserverstärker mit einer Multimode-Faser. Laserquelle und Faserverstärker sind derart angeordnet, dass die von der Laserquelle emittierte Laserstrahlung in den Kern der Multimode-Faser des Faserverstärkers, der teilweise mit laseraktiven Atomen oder Ionen dotiert ist, einkoppelt und dort verstärkt wird. Die Multimode-Faser kann beispielsweise durch einen oder mehrere Diodenlaser oder durch einen oder mehrere Faserlaser gepumpt werden. Die Einkopplung des Pumplichts kann im Falle einer Doppelmantel- oder Mehrmantelfaser über einen dafür vorgesehenen Pumpmantel oder auch durch die Faserenden direkt in den Kern der Multimode-Faser erfolgen. Unter einer Multimode-Faser ist hierbei eine Faser zu verstehen, deren Kern eine Kombination von Radius a und numerischer Apertur NA aufweist, die bei der Wellenlänge λ der verwendeten Laserstrahlung der folgenden Gleichung genügen: V = 2π·a·NA/λ >> 2,405. The proposed laser arrangement comprises a pulsed or continuously emitting laser source of one or more diode lasers or one or more fiber or solid state lasers and a fiber amplifier with a multimode fiber. Laser source and fiber amplifier are arranged such that the laser radiation emitted by the laser source is coupled into the core of the multimode fiber of the fiber amplifier, which is partially doped with laser-active atoms or ions, and amplified there. The multimode fiber may be pumped, for example, by one or more diode lasers or by one or more fiber lasers. In the case of a double-jacket or multi-layer fiber, the pumping light can be coupled in via a pump jacket provided for this purpose or else directly through the fiber ends into the core of the multimode fiber. Here, a multimode fiber is a fiber whose core has a combination of radius a and numerical aperture NA which satisfy the following equation at the wavelength λ of the laser radiation used: V = 2π · a · NA / λ >> 2,405.

Entsprechend einem 7,5fach beugungsbegrenzten Strahl mit einem Strahlparameterprodukt von SPP = 2,4 mm mrad bei 1 μm sind hierunter Werte von V ≥ 15 zu verstehen.Corresponding to a 7.5-fold diffraction-limited beam with a beam parameter product of SPP = 2.4 mm mrad at 1 μm, values of V ≥ 15 are to be understood here.

Die vorgeschlagene Laseranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass als Laserquelle eine Multimode-Laserquelle eingesetzt wird. Unter einer Multimode-Laserquelle ist eine Laserquelle zu verstehen, die Laserstrahlung mit einer Vielzahl unabhängiger Moden emittiert bzw. ein Strahlparameterprodukt von SPP ≥ 2,4 mm mrad aufweist. Dies entspricht einer Beugungsmaßzahl von M2 ≥ 7,5 bei einer Wellenlänge von 1 μm. Die Beugungsmaßzahl M2 ist definiert durch: M2 = ωφ / λ/π, wobei λ der Wellenlänge der Laserstrahlung, ω dem Radius der Strahltaille der Laserstrahlung und φ dem halben Öffnungswinkel der Laserstrahlung im Fernfeld entsprechen.The proposed laser arrangement is characterized in that a multimode laser source is used as the laser source. A multimode laser source is to be understood as meaning a laser source which emits laser radiation with a multiplicity of independent modes or has a beam parameter product of SPP ≥ 2.4 mm mrad. This corresponds to a diffraction factor of M 2 ≥ 7.5 at a wavelength of 1 μm. The diffraction factor M 2 is defined by: M 2 = ωφ / λ / π, where λ corresponds to the wavelength of the laser radiation, ω corresponds to the radius of the beam waist of the laser radiation and φ corresponds to half the aperture angle of the laser radiation in the far field.

Die Laserquelle kann hierbei beispielsweise durch einen Faserlaser, Festkörperlaser oder einen Multimode-Diodenlaser, beispielsweise in Form eines Kantenemitters mit unsymmetrischem Emissionsprofil oder als VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) gebildet sein. In einer weiteren Ausgestaltung wird die Laserstrahlung mehrerer Emitter bzw. Diodenlaser überlagert, die beispielsweise in einem Barren oder Stapel (Multiemitter) angeordnet sein können. Hierbei kann es sich dann auch um Emitter handeln, die Grundmode-Laserstrahlung emittieren. Ebenso kann die Laserquelle durch Überlagerung mehrerer Grundmode-Faser- oder Festkörperlaser realisiert sein. The laser source can in this case be formed, for example, by a fiber laser, solid-state laser or a multimode diode laser, for example in the form of an edge emitter with an asymmetrical emission profile or as a VCSEL (vertical cavity surface-emitting laser). In a further embodiment, the laser radiation is superimposed by a plurality of emitters or diode lasers, which can be arranged, for example, in a bar or stack (multiemitter). These may then also be emitters which emit fundamental mode laser radiation. Likewise, the laser source can be realized by superposition of several fundamental mode fiber or solid state lasers.

Besonders vorteilhaft ist die Anordnung, wenn durch die Laserquelle in Form eines oder mehrerer Dioden-, Faser- oder Festkörperlaser ein mit einer Pulsdauer im Bereich von 1 ps bis 100 μs zeitlich moduliertes Signal erzeugt wird, beispielsweise durch direkte Modulation des Treiberstroms einer Diode. Die von der Laserquelle erzeugte gepulste Laserstrahlung wird dann in den Kern der Multimode-Faser des Faserverstärkers eingekoppelt, die zumindest einen Faserabschnitt aufweist, in dem der Kern mit laseraktiven Atomen oder Ionen dotiert ist und über einen oder mehrere Pumplaser optisch gepumpt wird. Das Licht der Laserquelle kann entweder direkt in die Multimode-Faser eingekoppelt werden, deren Kern mit derartigen laseraktiven Atomen oder Ionen dotiert ist, oder zunächst in eine nicht laseraktive Multimode-Faser bzw. einen entsprechenden Faserabschnitt, an die oder den sich dann die mit den laseraktiven Atomen oder Ionen dotierte Multimode-Faser mittelbar oder unmittelbar anschließt bzw. angekoppelt ist.The arrangement is particularly advantageous if the signal generated by the laser source in the form of one or more diode, fiber or solid-state lasers with a pulse duration in the range from 1 ps to 100 .mu.s is modulated, for example by direct modulation of the driver current of a diode. The pulsed laser radiation generated by the laser source is then coupled into the core of the multimode fiber of the fiber amplifier having at least one fiber section in which the core is doped with laser active atoms or ions and optically pumped via one or more pump lasers. The light of the laser source can either be coupled directly into the multimode fiber, the core of which is doped with such laser-active atoms or ions, or first in a non-laser-active multimode fiber or a corresponding fiber section, to which or then with the laser-active atoms or ions doped multimode fiber is directly or indirectly connected or coupled.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vor dem mit laseraktiven Atomen oder Ionen dotierten Abschnitt der Multimode-Faser ein homogenisierender Faserabschnitt zur Mischung der Moden eingesetzt, der auch als separate Multimode-Faser ausgebildet sein kann. Mit der Homogenisierung in diesem Faserabschnitt kann auch ein Top-Hat (Rechteckverlauf) des Strahlprofils in Orts- und/oder Winkelverteilung erreicht werden. Die Homogenisierung und Unterstützung einer Top-Hat-Verteilung kann bspw. durch Einsatz eines nicht-kreissymmetrischen Kerns der Faser, z. B. D-förmig, viereckig, hexagonal oder oktogonal, erreicht werden.In an advantageous embodiment, a homogenizing fiber section for mixing the modes, which may also be formed as a separate multimode fiber, is used in front of the section of the multimode fiber doped with laser-active atoms or ions. With the homogenization in this fiber section and a top hat (rectangular shape) of the beam profile in the spatial and / or angular distribution can be achieved. The homogenization and support of a top-hat distribution can, for example, by using a non-circularly symmetric core of the fiber, z. B. D-shaped, quadrangular, hexagonal or octagonal, can be achieved.

Durch die hier vorgeschlagene Kombination einer Multimode-Faser im Faserverstärker mit einer Multimode-Laserquelle, im Folgenden auch als Signalquelle bezeichnet, bspw. aus einem oder mehreren Diodenlasern, lassen sich höhere mittlere Leistungen und höhere Pulsleistungen im Faserverstärker mit einer geringeren Anzahl von Verstärkerstufen erzeugen. Weiterhin ermöglicht diese Kombination durch die Erzeugung verstärkter Multimode-Laserstrahlung eine Übertragung in Transportfasern ohne Gefahr nichtlinearer Effekte, da hierbei große Kerndurchmesser im Bereich von 50 bis 400 μm eingesetzt werden können, über die sich die Leistung verteilt. Damit wird ein weniger komplexer Aufbau der Laseranordnung ermöglicht und die Laserstrahlung lässt sich über größere Strecken in Transportfasern übertragen. Der Einsatz von Diodenlasern gegenüber gütegeschalteten Festkörperlasern hat den weiteren Vorteil, dass bei Diodenlasern keine Pulsdauer-Repetitionsrate-Kopplung auftritt. Das Puls-Pause-Verhältnis lässt sich hierbei durch die Modulation des Treiberstroms in einem großen Bereich verändern und beträgt vorzugsweise mindestens 1:100, wobei die Pulsdauer vorzugsweise kürzer als 100 μs ist. Mit einer derartigen Anordnung lassen sich Pulsspitzenleistungen von größer 1 kW bei einer mittleren Leistung von > 10 W erzeugen.By the here proposed combination of a multimode fiber in the fiber amplifier with a multimode laser source, hereinafter also referred to as a signal source, for example. From one or more diode lasers, higher average power and higher pulse power in the fiber amplifier can be produced with a smaller number of amplifier stages. Furthermore, this combination allows the generation of amplified multimode laser radiation transmission in transport fibers without the risk of non-linear effects, since in this case large core diameter can be used in the range of 50 to 400 microns over which distributes the power. This allows a less complex structure of the laser arrangement and the laser radiation can be transmitted over long distances in transport fibers. The use of diode lasers over Q-switched solid-state lasers has the further advantage that no pulse duration repetition rate coupling occurs in diode lasers. The pulse-pause ratio can be varied by the modulation of the drive current in a large range and is preferably at least 1: 100, wherein the pulse duration is preferably shorter than 100 microseconds. With such an arrangement, pulse peak powers of more than 1 kW can be generated with an average power of> 10 W.

Die Multimode-Faser des Faserverstärkers kann als mantelgepumpte Doppelmantelfaser, beispielsweise mit D-förmigem oder polygonalem Mantel, oder als kerngepumpte Einfach- oder Doppelmantelfaser ausgebildet sein. Die Verstärkung kann selbstverständlich sowohl ein- als auch mehrstufig erfolgen, je nach gewünschter Leistung.The multimode fiber of the fiber amplifier can be designed as a shell-pumped double-cladding fiber, for example with a D-shaped or polygonal cladding, or as a core-pumped single or double cladding fiber. Of course, the reinforcement can be both single-stage and multi-stage, depending on the desired performance.

Zusätzlich können im Faserverstärker Techniken zur Kontrolle der ausbreitungsfähigen Moden in der Faser eingesetzt werden. So kann die Faser beispielsweise unterfüllt betrieben und geeignet gewickelt werden, um die Anzahl der ausbreitungsfähigen Moden einzuschränken. Beispielsweise kann hierzu bei einer für die Einkopplung und Führung der Laserstrahlung ausreichenden numerischen Apertur von NA = 0,1 eine Multimode-Faser des Faserverstärkers mit einem Kerndurchmesser von 100 μm und einer numerischen Apertur von NA = 0,2 eingesetzt werden, um den unterfüllten Betrieb zu erreichen. Über geeignete Krümmungsradien beim Wickeln dieser Faser wird dann erreicht, dass bestimmte Moden nicht über die Faser übertragen werden.In addition, techniques for controlling the modes capable of propagation in the fiber can be used in the fiber amplifier. For example, the fiber may be underfilled and suitably wound to limit the number of modes that can be propagated. For example, for a numerical aperture of NA = 0.1 sufficient for the coupling and guiding of the laser radiation, a multimode fiber of the fiber amplifier with a core diameter of 100 μm and a numerical aperture of NA = 0.2 can be used for the underfilled operation to reach. By means of suitable radii of curvature when winding this fiber, it is then achieved that certain modes are not transmitted via the fiber.

In einer weiteren Ausgestaltung der Laseranordnung wird ein Pumpkoppler eingesetzt, der die Pumpstrahlung in einen Pumpmantel der Multimode-Faser gegen die Signalrichtung, d. h. gegen die Richtung der zu verstärkenden Laserstrahlung einkoppelt. In diesem Fall muss eine ausreichende Isolation der Pumparme des Pumpkopplers zum Schutz der Pumplaser, insbesondere im Falle von Diodenlasern als Pumplaser, erreicht werden. Dies wird entweder durch Unterfüllen des Signalkerns, d. h. des Kerns der Multimode-Faser, oder durch eine Mehrfachmantelstruktur der Multimode-Faser des Faserverstärkers erreicht. Durch das Unterfüllen des Signalkerns, bei dem die Faser eine größere numerische Apertur aufweist als die eingekoppelte Laserstrahlung, wird der Anteil der verstärkten Laserstrahlung verringert, der aus dem Signalkern auskoppelt und damit in die Pumparme zurücklaufen kann. Bei einer Mehrfachmantelstruktur wird der Signalkern zusätzlich durch einen Signalmantel mit größerer numerischer Apertur umschlossen, der zwischen dem Pumpmantel und dem Signalkern liegt. Auch dadurch wird erreicht, dass ein geringerer Anteil der verstärkten Laserstrahlung in die Pumparme gelangen kann.In a further embodiment of the laser arrangement, a pump coupler is used, which couples the pump radiation into a pump casing of the multimode fiber against the signal direction, ie against the direction of the laser radiation to be amplified. In this case, a sufficient isolation of the pumping pump pump arms for the protection of the pump laser, in particular in the case of diode lasers as a pump laser, must be achieved. This is achieved either by underfilling the signal core, ie the core of the multimode fiber, or by a multi-clad structure of the multimode fiber of the fiber amplifier. By underfilling the signal core, in which the fiber has a larger numerical aperture than the coupled laser radiation, the proportion of the amplified laser radiation is reduced, which decouples from the signal core and thus can run back into the pumping arms. In a multiple cladding structure, the signal core is additionally enclosed by a signal jacket with a larger numerical aperture, which lies between the pump cladding and the signal core. This also ensures that a smaller proportion of the amplified laser radiation can enter the pumping arms.

Als laseraktive Ionen bzw. Atome für die Dotierung des Kerns der Multimode-Faser können beispielsweise Elemente wie Ytterbium, Neodym, Erbium, Thulium oder Holmium eingesetzt werden. Dies ist selbstverständlich keine abschließende Aufzählung. Beim Einsatz von Ytterbium wird eine Pumpwellenlänge im Bereich von 900 bis 1050 nm benötigt. Bei Verwendung von mantelgepumpten Doppelmantelfasern mit Ytterbium-dotierten Kerndurchmessern von 100–400 μm ist es durch den großen Überlapp von Pumplicht im Mantel und dem dotierten Bereich der Faser möglich auch bei Pumpwellenlängen von ≥ 1000 nm eine ausreichend hohe Absorption zu erreichen, d. h. > 1 dB/m. Vorteilhaft hierfür sind Ytterbium-Dotierungskonzentrationen nges im Bereich von 5·1012 bis 12·1012 m–3 in Kombination mit dotierten Kerndurchmessern von 100–400 μm und Pumpmanteldurchmessern von 400–600 μm, so dass Faserlängen von 3–10 m mit Pumpwellenlängen von 1000–1040 nm verwendet werden können. Der Vorteil dieser Pumpwellenlängen liegt zum einen in einem reduzierten Wärmeeintrag in die aktive Faser durch einen geringeren Stokes-Shift. Zum anderen ist bei Verwendung dieser Pumpwellenlängen die Inversion in der Ytterbium dotierten Faser durch Pumptransparenz nach oben begrenzt auf z. B. 23,5% bei einer Pumpwellenlänge von 1000 nm oder 8,4% bei einer Pumpwellenlänge von 1025 nm. Dadurch ist die Tendenz des Faserverstärkers zu Photodarkening d. h. der Trübung der Faser durch induzierte Farbzentren, sowie zum Selbstpulsen verringert. Durch eine begrenzte Inversion auf ca. < 25% ist auch das Auftreten von verstärkter Spontanemission (ASE) bei geringem Duty-Cycle reduziert.As laser-active ions or atoms for the doping of the core of the multimode fiber, for example, elements such as ytterbium, neodymium, erbium, thulium or holmium can be used. Of course, this is not an exhaustive list. When ytterbium is used, a pump wavelength in the range of 900 to 1050 nm is required. When using shell-pumped double cladding fibers with ytterbium-doped core diameters of 100-400 μm, the large overlap of pump light in the cladding and the doped region of the fiber makes it possible to achieve a sufficiently high absorption even at pump wavelengths of ≥ 1000 nm, ie> 1 dB / m. Advantageous for this are ytterbium doping concentrations n ges in the range of 5 · 10 12 to 12 · 10 12 m -3 in combination with doped core diameters of 100-400 microns and pumping sheath diameters of 400-600 microns, so that fiber lengths of 3-10 m with Pump wavelengths of 1000-1040 nm can be used. The advantage of these pump wavelengths is on the one hand in a reduced heat input into the active fiber by a smaller Stokes shift. On the other hand, when using these pump wavelengths, the inversion in the ytterbium-doped fiber is limited upwards by pumping transparency to z. B. 23.5% at a pump wavelength of 1000 nm or 8.4% at a pump wavelength of 1025 nm. Thus, the tendency of the fiber amplifier to photodarking ie the turbidity of the fiber is reduced by induced color centers, as well as for self-pulsing. Due to a limited inversion to approx. <25%, the occurrence of increased spontaneous emission (ASE) at a low duty cycle is also reduced.

Vorzugsweise wird die Laserquelle so gewählt, dass sie ein Strahlparameterprodukt von mindestens 2,4 mm·mmrad bei einer Multimode-Faser mit einem Kerndurchmesser von 50 μm und einer numerischen Apertur von NA = 0,1 und höchstens 40 mm·mmrad bei einem Kerndurchmesser der Multimode-Faser von 400 μm und einer numerischen Apertur von NA = 0,2 aufweist.Preferably, the laser source is selected to have a beam parameter product of at least 2.4 mm · mmrad in a 50 μm diameter core diameter multimode fiber having a numerical aperture of NA = 0.1 and at most 40 mm · mmrad at a core diameter of Multimode fiber of 400 μm and a numerical aperture of NA = 0.2.

Mit einer derartigen Laseranordnung lässt sich Laserstrahlung hoher Laserleistung erzeugen, die durch eine Glasfaser über mehr als 10 m übertragen werden kann, ohne dass nichtlineare Effekte auftreten. Alle Komponenten des Faserverstärkers können miteinander verspleißt werden. Die einzige verbleibende Freistrahlstrecke betrifft die Einkopplung des Signallasers, die jedoch bei kleinen mittleren Leistungen stattfindet und daher unkritisch ist. Die erzeugte Multimode-Strahlung lässt sich wesentlich einfacher in Transportfasern einkoppeln, so dass die Anforderungen an Isolatoren, Strahlschalter und Faserstecker sinken. Durch die direkte Erzeugung eines multimodigen schwachkohärenten Signals kann eine höhere Signalhomogenität erreicht werden, als dies bei Konzepten mit einer Grundmode-Signalquelle der Fall ist, bei denen der Strahl nachträglich homogenisiert werden muss.With such a laser arrangement, laser radiation of high laser power can be generated, which can be transmitted through a glass fiber over more than 10 m, without non-linear effects occurring. All components of the fiber amplifier can be spliced together. The only remaining free jet route relates to the coupling of the signal laser, which, however, takes place at low average powers and is therefore not critical. The generated multimode radiation can be much easier to couple into transport fibers, so that the requirements for insulators, beam switches and fiber connectors decrease. Direct generation of a multi-mode, low-coherence signal can achieve higher signal homogeneity than is the case with concepts with a fundamental-mode signal source where the beam must be subsequently homogenized.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die vorliegende Laseranordnung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:The present laser arrangement will be briefly explained again by means of exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Hereby show:

1 ein Beispiel für eine Laseranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung; 1 an example of a laser arrangement according to the present invention;

2 Beispiele für den Aufbau der Multimode-Faser des Faserverstärkers; 2 Examples of the construction of the multimode fiber of the fiber amplifier;

3 weitere Beispiele für den Aufbau der Multimode-Faser des Faserverstärkers; und 3 further examples of the construction of the multimode fiber of the fiber amplifier; and

4 ein Beispiel für die Ausgestaltung der Multimode-Faser des Faserverstärkers zur Isolation der Pumparme. 4 an example of the design of the multimode fiber of the fiber amplifier for the isolation of Pumparme.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

1 zeigt schematisch ein Beispiel für eine mögliche Ausgestaltung der vorliegenden Laseranordnung. In diesem Beispiel wird als Laserquelle ein Laserdiodenstapel 1 aus mehreren Laserdioden eingesetzt, deren Laserstrahlung überlagert wird. Die Überlagerung erfolgt durch ein entsprechendes Strahlformungselement 2, das die Strahlung der Laserdioden des Laserdiodenstapels 1 in eine Homogenisierungsfaser 3 einkoppelt. In dieser Homogenisierungsfaser 3 wird die überlagerte Laserstrahlung homogenisiert, bevor sie von der Homogenisierungsfaser 3 in die Verstärkungsfaser 4 gelangt. Diese Verstärkungsfaser 4 ist eine Multimode-Faser, die mit laseraktiven Atomen bzw. Ionen dotiert ist. Die Faser wird über geeignete Pumplaser (in der Figur nicht dargestellt) optisch gepumpt, deren Strahlung über Multimode-Pumpkoppler in den Pumpmantel der Multimode-Faser eingekoppelt wird. 1 schematically shows an example of a possible embodiment of the present laser arrangement. In this example, a laser diode stack is used as the laser source 1 used from several laser diodes whose laser radiation is superimposed. The superimposition takes place by means of a corresponding beam-shaping element 2 that the radiation of the laser diodes of the laser diode stack 1 into a homogenization fiber 3 couples. In this homogenization fiber 3 The superimposed laser radiation is homogenized before it is removed from the homogenization fiber 3 in the reinforcing fiber 4 arrives. This reinforcing fiber 4 is a multimode fiber doped with laser active atoms or ions. The fiber is optically pumped via suitable pump laser (not shown in the figure) whose radiation is coupled via multimode pump coupler into the pump casing of the multimode fiber.

2 zeigt hierzu drei Beispiele für den Aufbau der Multimode-Faser im Querschnitt. Die Multimode-Faser bzw. Verstärkungsfaser 4 besteht aus einem Signalkern 5 aus Quarzglas, der von einem Pumpmantel 6 aus Quarzglas eines gegenüber dem Signalkern 5 geringeren Brechungsindex umgeben ist. Der Pumpmantel 6 ist wiederum von einem Schutzmantel 7 aus Kunststoff umgeben. Die drei Beispiele zeigen zwei polygonale und eine D-förmige Ausgestaltung des Pumpmantels 6, durch die eine gleichmäßigere Einkopplung des Pumplichtes in den Signalkern 5 erreicht wird. 2 shows three examples of the construction of the multimode fiber in cross section. The multimode fiber or reinforcing fiber 4 consists of a signal core 5 made of quartz glass, by a pumping jacket 6 of quartz glass one opposite the signal core 5 surrounded by a lower refractive index. The pump coat 6 is in turn of a protective coat 7 surrounded by plastic. The three Examples show two polygonal and one D-shaped configuration of the pumping mantle 6 , through which a more even coupling of the pump light in the signal core 5 is reached.

3 zeigt ein Beispiel für eine Ausgestaltung der Multimode- bzw. Verstärkungsfaser 4, durch die eine zusätzliche Mischung der Moden und die Unterstützung der Ausbildung einer Top-Hat-Verteilung in Ort- und/oder Winkel erreicht werden. Ein derartig geformter Kern kann auch in der Homogenisierungsfaser 3 der 1 eingesetzt werden. Die Multimode-Faser besteht auch hier wiederum aus dem Signalkern 5, dem Pumpmantel 6 sowie dem Schutzmantel 7. Der Signalkern 5 aus Quarzglas hat hier jedoch keinen kreissymmetrischen Querschnitt, sondern ist im linken Beispiel viereckig, im rechten Beispiel oktogonal ausgebildet. Durch diese Abweichung von der Kreissymmetrie werden die Mischung der Moden und die Unterstützung der Ausbildung der Top-Hat-Verteilung erreicht. 3 shows an example of an embodiment of the multimode or amplification fiber 4 which achieves an additional mix of fashions and support the formation of a top-hat distribution in location and / or angle. Such a shaped core can also be used in the homogenization fiber 3 of the 1 be used. Again, the multimode fiber consists of the signal core 5 , the pump coat 6 and the protective mantle 7 , The signal core 5 However, quartz glass here does not have a circular-symmetrical cross-section, but is square in the left-hand example, and octagonal in the right-hand example. This deviation from the circular symmetry achieves the mixture of modes and the support of the formation of the top hat distribution.

4 zeigt schließlich einen Ausschnitt aus der Multimode- bzw. Verstärkungsfaser 4 im Falle eines gegen die Signalrichtung über einen Pumpkoppler eingekoppelten Pumplichtes. In einem derartigen Fall muss eine ausreichende Isolation der Pumparme 8 des Pumpkopplers erreicht werden, um die als Pumplaser beispielsweise eingesetzten Pumpdioden vor der Einkopplung verstärkter Laserstrahlung zu schützen. Dies kann wie im vorliegenden Fall durch eine Mehrfachmantelstruktur der Multimode-Faser erreicht werden, die einen Signalkern 5 einen Signalmantel 9 sowie den Pumpmantel 6 aufweist. Wie aus der Figur zu ersehen ist, wird das Pumplicht 10 gegen die Richtung des zu verstärkenden Lasersignals 11 in den Pumpmantel 6 eingekoppelt. Durch den Signalmantel 9 wird erreicht, dass Streulicht 12 des verstärkten Lasersignals im Signalmantel 9 geführt wird und nicht in die Pumparme 9 des Pumpkopplers koppeln kann. Hierzu muss der Signalmantel 9 eine größere numerische Apertur als der Signalkern 5 aufweisen. So können beispielsweise bei einem Signalkern von 50 μm und einer numerischen Apertur von NA = 0,1 ein Signalmantel von 100 μm und einer numerischen Apertur von NA = 0,2 und ein Pumpmantel von 400 μm mit einer numerischen Apertur von NA = 0,4 eingesetzt werden, um eine geeignete Isolation zu erreichen. 4 finally shows a section of the multimode or amplification fiber 4 in the case of a coupled against the signal direction via a pump coupler pump light. In such a case, sufficient insulation of the pumping arms 8th of the pump coupler can be achieved in order to protect the pump diodes used as a pump laser, for example, before the coupling of amplified laser radiation. This can be achieved as in the present case by a multi-clad structure of the multimode fiber, which is a signal core 5 a signal coat 9 as well as the pump coat 6 having. As can be seen from the figure, the pump light 10 against the direction of the laser signal to be amplified 11 in the pump coat 6 coupled. Through the signal coat 9 is achieved that stray light 12 the amplified laser signal in the signal coat 9 is guided and not in the Pumparme 9 can couple the pump coupler. For this purpose, the signal coat 9 a larger numerical aperture than the signal core 5 exhibit. Thus, for example, with a signal core of 50 μm and a numerical aperture of NA = 0.1, a signal coat of 100 μm and a numerical aperture of NA = 0.2 and a pump coat of 400 μm with a numerical aperture of NA = 0.4 be used to achieve a suitable isolation.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Laserdiodenstapellaser diode stack
22
StrahlformungselementBeam shaping element
33
HomogenisierungsfaserHomogenisierungsfaser
44
Verstärkungsfaserreinforcing fiber
55
Signalkernsignal core
66
Pumpmantelpump casing
77
Schutzmantelmantle
88th
Pumparmpumping arm
99
Signalmantelsignal coat
1010
Pumplichtpump light
1111
Lasersignallaser signal
1212
Streulichtscattered light

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • L. Lombard et al., „Diode-pumped Yb-doped large-core fiber amplifier with a multimode-to-singlemode photorefrative converter”, in Photorefractive Effects, Materials, and Devices, P. Delaye, C. Denz, L. Mager, and G. Montemezzani, eds., Vol. 87 of OSA Trends in Optics and Photonics (Optical Society of America, 2003), paper 547 [0003] Lombard et al., "Diode-pumped Yb doped large-core fiber amplifier with a multimode-to-singlemode photorefractive converter," in Photorefractive Effects, Materials, and Devices, P. Delaye, C. Denz, L. Mager , and G. Montemezzani, eds., Vol. 87 of OSA Trends in Optics and Photonics (Optical Society of America, 2003), paper 547 [0003]

Claims (14)

Laseranordnung mit Faserverstärker, die eine Laserquelle (1) und einen Faserverstärker mit einer Multimode-Faser (4) umfasst, wobei von der Laserquelle (1) emittierte Laserstrahlung in einen Kern (5) der Multimode-Faser (4) des Faserverstärkers einkoppelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (1) eine Multimode-Laserquelle ist, die ein Strahlparameterprodukt von SPP ≥ 2,4 mm mrad aufweist.Laser arrangement with fiber amplifier, comprising a laser source ( 1 ) and a fiber amplifier with a multimode fiber ( 4 ), wherein from the laser source ( 1 ) emitted laser radiation in a core ( 5 ) of the multimode fiber ( 4 ) of the fiber amplifier, characterized in that the laser source ( 1 ) is a multimode laser source having a beam parameter product of SPP ≥ 2.4 mm mrad. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (1) durch einen Multimode-Diodenlaser gebildet ist.Laser arrangement according to claim 1, characterized in that the laser source ( 1 ) is formed by a multi-mode diode laser. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (1) durch mehrere Diodenlaser gebildet ist, deren Laserstrahlung überlagert ist.Laser arrangement according to claim 1, characterized in that the laser source ( 1 ) is formed by a plurality of diode lasers whose laser radiation is superimposed. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (1) durch einen Faser- oder Festkörperlaser oder durch mehrere Faser- oder Festkörperlaser gebildet ist, deren Laserstrahlung überlagert ist.Laser arrangement according to claim 1, characterized in that the laser source ( 1 ) is formed by a fiber or solid state laser or by a plurality of fiber or solid state laser whose laser radiation is superimposed. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlparameterprodukt der Laserquelle zwischen 2,4 und 40 mm·mrad beträgt.Laser arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the beam parameter product of the laser source is between 2.4 and 40 mm · mrad. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle eine zeitlich moduliert betriebene Laserquelle ist.Laser arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the laser source is a temporally modulated operated laser source. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Multimode-Faser (1) des Faserverstärkers mindestens einen im Kern (5) mit laseraktiven Atomen oder Ionen dotierten Faserabschnitt aufweist, vor dem ein die eingekoppelte Laserstrahlung homogenisierender Faserabschnitt (3) angeordnet ist.Laser arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the multimode fiber ( 1 ) of the fiber amplifier at least one in the core ( 5 ) with laser-active atoms or ions-doped fiber section, in front of which a laser beam which homogenises the coupled-in laser radiation (US Pat. 3 ) is arranged. Laseranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der die Laserstrahlung homogenisierende Faserabschnitt (3) einen im Querschnitt nicht kreisförmigen Kern (5) aufweist.Laser arrangement according to claim 7, characterized in that the laser radiation homogenizing fiber portion ( 3 ) has a non-circular cross-section core ( 5 ) having. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Multimode-Faser (4) des Faserverstärkers eine mantelgepumpte Doppel- oder Mehrmantelfaser mit D-förmigem oder polygonalem Pumpmantel (6) ist.Laser arrangement according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the multimode fiber ( 4 ) of the fiber amplifier, a shell-pumped double or multi-layer fiber with D-shaped or polygonal pump jacket ( 6 ). Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Multimode-Faser (4) des Faserverstärkers eine Mehrfachmantelstruktur mit einem Signalmantel (9) und einem Pumpmantel (6) aufweist, bei der der Signalmantel (9) eine gegenüber dem Kern (5) der Multimode-Faser (4) erhöhte numerische Apertur aufweist.Laser arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that the multimode fiber ( 4 ) of the fiber amplifier a Mehrfachmantelstruktur with a signal coat ( 9 ) and a pumping jacket ( 6 ), in which the signal jacket ( 9 ) one opposite the core ( 5 ) of the multimode fiber ( 4 ) has increased numerical aperture. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Multimode-Faser (4) des Faserverstärkers mit einem Pumpkoppler verbunden ist, über den Pumplicht entgegen einer Ausbreitungsrichtung der von der Laserquelle (1) in den Kern (5) eingekoppelten Laserstrahlung eingekoppelt wird, wobei der Kern (5) der Multimode-Faser (4) zumindest im Bereich der Einkopplung des Pumplichts eine höhere numerische Apertur aufweist, als sie für die Einkopplung und Führung der Laserstrahlung der Laserquelle (1) erforderlich ist.Laser arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that the multimode fiber ( 4 ) of the fiber amplifier is connected to a pump coupler, via the pump light counter to a propagation direction of the laser source ( 1 ) in the core ( 5 ) coupled laser radiation is coupled, wherein the core ( 5 ) of the multimode fiber ( 4 ) has a higher numerical aperture at least in the region of the coupling of the pumping light than it has for the coupling and guiding of the laser radiation of the laser source ( 1 ) is required. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Multimode-Faser (4) des Faserverstärkers eine kerngepumpte Einfach- oder Doppelmantelfaser ist.Laser arrangement according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the multimode fiber ( 4 ) of the fiber amplifier is a core-pumped single or double cladding fiber. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (5) der Multimode-Faser (4) des Faserverstärkers eine höhere numerische Apertur aufweist, als sie für die Einkopplung und Führung der Laserstrahlung der Laserquelle (1) erforderlich ist, und gewickelt ist, um die Anzahl ausbreitungsfähiger Moden in der Faser zu beschränken.Laser arrangement according to one of claims 1 to 12, characterized in that the core ( 5 ) of the multimode fiber ( 4 ) of the fiber amplifier has a higher numerical aperture than that for the coupling and guiding of the laser radiation of the laser source ( 1 ) and wound to limit the number of propagatable modes in the fiber. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Multimode-Faser (4) des Faserverstärkers eine mantelgepumpte Doppelmantelfaser mit einem Ytterbium-dotierten Kern ist, deren Kerndurchmesser zwischen 100 und 400 μm beträgt, wobei die Laseranordnung einen Pumplaser umfasst, der den Faserverstärker mit einer Pumpwellenlänge von 1000 nm pumpt.Laser arrangement according to one of Claims 1 to 13, characterized in that the multimode fiber ( 4 ) of the fiber amplifier is a cladding-pumped double cladding fiber having an ytterbium-doped core whose core diameter is between 100 and 400 μm, the laser arrangement comprising a pump laser which pumps the fiber amplifier at a pump wavelength of 1000 nm.
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