DE102020204892A1

DE102020204892A1 - Hochleistungs-Faserlaseranordnung mit phasensteuerbarer Emission

Info

Publication number: DE102020204892A1
Application number: DE102020204892.4A
Authority: DE
Inventors: Marc Eichhorn; Christelle Kieleck
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-04-17
Filing date: 2020-04-17
Publication date: 2021-10-21
Also published as: WO2021209602A1; EP4136718A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Faserlaseranordnung mit einem Referenzlaserstrahl und wenigstens einer optischen Faser, die als aktive Faser ausgebildet ist oder wenigstens einen aktiven Faserabschnitt aufweist und in der vom Referenzlaserstrahl oder von einer der optischen Faser vorgeschalteten Verstärkeranordnung eingekoppelte Laserstrahlung durch optisches Pumpen mit einer Pumplaseranordnung verstärkt werden kann. Die optische Faser oder der aktive Faserabschnitt oder mindestens ein Teil des aktiven Faserabschnitts ist bei der vorgeschlagenen Faserlaseranordnung in einem Resonator angeordnet, der auf der Einkoppelseite einen vorzugsweise höher reflektierenden Spiegel als auf der Auskoppelseite aufweist. Die Laserstrahlung kann vor der Einkopplung in die optische Faser über eine optische Einrichtung geführt werden, die eine Rückkopplung der Laserstrahlung in die vorgeschaltete Verstärkeranordnung oder den Referenzlaserstrahl verhindert. Mit der vorgeschlagenen Faserlaseranordnung lassen sich höhere Laserleistungen ohne thermische Modeninstabilitäten erzielen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Faserlaseranordnung mit wenigstens einem Referenzlaserstrahl und wenigstens einer optischen Faser, die als aktive Faser ausgebildet ist oder wenigstens einen aktiven Faserabschnitt aufweist und in der vom Referenzlaserstrahl oder einer vorgeschalteten Verstärkeranordnung eingekoppelte Laserstrahlung durch optisches Pumpen mit einer Pumplaseranordnung verstärkt werden kann.
Für Anwendungen im Bereich Laserwaffen sowie zur Materialbearbeitung mit Lasern ist es zur Erzeugung von Laserstrahlung mit hoher Laserleistung von 10 kW bis > 100 kW und guter Strahlqualität erforderlich, die Ausgangsstrahlen mehrerer Laser oder Laserkanäle zu koppeln. Eine besondere Bedeutung hat dabei das Verfahren der kohärenten Kopplung, bei dem die verschiedenen Laser oder Laserkanäle mit identischer Frequenz und steuerbarer Phase emittieren. Dies ermöglicht, die einzelnen Laserstrahlen durch Variation der Phasen auf dem Ziel interferieren zu lassen und somit höhere Intensitäten zu erreichen als es eine einfache geometrische Überlagerung erreicht. Bei entfernteren Zielen kann die Phasensteuerung gleichzeitig analog zur adaptiven Optik zur Kompensation atmosphärischer Turbulenzen genutzt werden.
Für die kohärente Kopplung wird in der Regel ein Referenz- bzw. Masterlaser genutzt, dessen emittierter Laserstrahl auf N Kanäle aufgeteilt wird. Die Laserstrahlung jedes dieser Kanäle durchläuft jeweils einen Phasenmodulator und wird anschließend durch einen oder mehrere hintereinander angeordnete Faserverstärker auf eine hohe Ausgangsleistung von einigen 100 W bis einigen kW verstärkt. Dabei ist die mögliche Ausgangsleistung pro Kanal allerdings durch nichtlineare Effekte begrenzt, insbesondere durch thermische Modeninstabilitäten.
Gleiches gilt für das ebenso im Bereich Laserwaffen alternativ eingesetzte Verfahren der spektralen Kopplung, bei dem die verschiedenen Laser oder Laserkanäle mit unterschiedlicher Frequenz emittieren und über ein dispersives Element, beispielsweise ein Beugungsgitter, oder über verschiedene spektrale Filter, beispielsweise dielektrische Spiegel, aus verschiedenen Richtungen einfallend zu einem Ausgangslaserstrahl kombiniert werden. Um die einzelnen Frequenzen genau festzulegen kann auch hier für jede Frequenz, d.h. jeden Kanal, ein Referenzlaserstrahl mit für die Kanalbandbreite geeigneter spektraler Breite eingesetzt und dessen Laserstrahlung anschließend durch einen oder mehrere hintereinander angeordnete Faserverstärker auf eine hohe Ausgangsleistung von einigen 100 W bis einigen kW verstärkt werden. Dabei ist auch hier die mögliche Ausgangsleistung pro Kanal allerdings durch nichtlineare Effekte begrenzt, insbesondere ebenfalls durch thermische Modeninstabilitäten.
Die thermischen Modeninstabilitäten entstehen im letzten Verstärker der jeweiligen Verstärkerkette, im Folgenden auch als Haupt- oder Hochleistungsverstärker bezeichnet, aufgrund der Wechselwirkung des Richtung Ausgang propagierenden Laserfelds mit der von ihm selbst erzeugten Verlustwärme. Dabei entsteht eine periodische Wärmeverteilung, welche ein Brechungsindexgitter in der Faser erzeugt, das Leistung aus der Grundmode in höhere Moden streut. Dies verursacht ab einer bestimmten Schwelle eine chaotische Fluktuation der Ausgangsleistung in den verschiedenen Moden und somit eine drastische Verschlechterung der Strahlqualität.
Bisher wird der Ansatz verfolgt, diese Schwelle durch geeignetes Faserdesign der Faser des Hauptverstärkers zu erhöhen, um eine möglichst hohe Leistung mit guter Strahlqualität erreichen zu können. Dieser Ansatz ist jedoch aufgrund technischer Grenzen in der Homogenität des Brechungsindex und der Brechungsindexdifferenz in der Faserherstellung sowie Grenzen der Kerngrößen der Fasern limitiert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Faserlaseranordnung mit phasensteuerbarer Emission anzugeben, die eine gegenüber obigen Anordnungen mit einem oder mehreren Faserverstärkern höhere Schwelle für thermische Modeninstabilitäten aufweist.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit den Faserlaseranordnungen gemäß den Patentansprüchen 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Faserlaseranordnungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Die vorgeschlagene Faserlaseranordnung zur Erzeugung hoher Laserleistung weist wenigstens einen Referenzlaserstrahl und wenigstens eine optische Faser auf, die als aktive Faser ausgebildet ist oder wenigstens einen aktiven Faserabschnitt umfasst und in der vom Referenzlaserstrahl oder einer vorgeschalteten Verstärkeranordnung eingekoppelte Laserstrahlung durch optisches Pumpen mit einer Pumplaseranordnung verstärkt werden kann. Die vorgeschaltete Verstärkeranordnung kann dabei aus einem oder mehreren hintereinander geschalteten Verstärkern gebildet sein. Die Faserlaseranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die optische Faser oder der aktive Faserabschnitt oder mindestens ein Teil des aktiven Faserabschnitts in einem Resonator angeordnet ist und die aus dem Referenzlaserstrahl oder der vorgeschalteten Verstärkeranordnung austretende Laserstrahlung in diesen Resonator eingekoppelt wird. Dabei kann die Laserstrahlung vor der Einkopplung in den Resonator über eine optische Einrichtung geleitet werden, die eine Rückkopplung der Laserstrahlung vom Resonator in die vorgeschaltete Verstärkeranordnung oder den Referenzlaserstrahl verhindert. Der Resonator weist dabei auf der Einkoppelseite der optischen Faser vorteilhafter Weise einen höher reflektierenden Spiegel auf als auf der Auskoppelseite.
In einer erweiterten Ausgestaltung zur Erzeugung mehrerer verstärkter Laserstrahlen für die kohärente Kopplung weist die Faserlaseranordnung einen Referenzlaserstrahl, eine Strahlaufteilungseinrichtung zur Aufteilung des Referenzlaserstrahls auf mehrere Laserkanäle bzw. Teilstrahlen und jeweils wenigstens eine optische Faser pro Laserkanal auf. Die optischen Fasern sind hierbei wiederum als aktive Fasern ausgebildet oder weisen wenigstens einen aktiven Faserabschnitt auf und können die vom Referenzlaserstrahl oder von einer vorgeschalteten Verstärkeranordnung eingekoppelte Laserstrahlung des jeweiligen Laserkanals durch optisches Pumpen mit einer Pumplaseranordnung verstärken. Die optische Faser oder der aktive Faserabschnitt oder mindestens ein Teil des aktiven Faserabschnitts jedes Laserkanals ist wiederum innerhalb eines Resonators angeordnet, der auf der Einkoppelseite der optischen Faser einen vorzugsweise höher reflektierenden Spiegel auf als auf der Auskoppelseite aufweist. Die durch den Referenzlaserstrahl bereitgestellte oder aus der vorgeschalteten Verstärkeranordnung austretende Laserstrahlung wird auch hier vor der Einkopplung in den Resonator in jedem Laserkanal vorzugsweise über eine optische Einrichtung geleitet, die eine Rückkopplung der Laserstrahlung vom Resonator in die vorgeschaltete Verstärkeranordnung oder den Referenzlaserstrahl verhindert. Mit dieser erweiterten Ausgestaltung der Faserlaseranordnung können mehrere Faserlaserquellen bzw. -kanäle für die kohärente Kopplung bereitgestellt werden.
Die Laserstrahlung des Referenzlaserstrahls oder einer vorgeschalteten Verstärkeranordnung kann bei der vorgeschlagenen Faserlaseranordnung oder deren erweiterter Ausgestaltung durch den ersten Resonatorspiegel hindurch oder auch über einen geeigneten Signalkoppler in den Resonator eingekoppelt werden.
Der Referenzlaserstrahl wird vorzugsweise durch einen separaten Referenzlaser erzeugt. Das Lasersystem kann jedoch auch passiv aus sich selbst heraus zu einer phasenstabilen Emission über die verschiedenen Kanäle hinweg gebracht werden. Dazu werden die Ausgangsstrahlen über einen Strahlteiler geleitet, welcher von jedem Ausgangsstrahl eines jeden Kanals einen kleinen Teil entnimmt und diese entnommenen Teilstrahlen durchlaufen eine passive Phasenkontrastfilterung, beispielsweise realisiert durch gemeinsame Fokussierung über eine Linse, d.h. durch optische FourierTransformation, durch eine Lochblende oder eine Amplituden-Phasen-Platte sowie nachträgliche Rücktransformation durch eine weitere Linse. Die so erhaltenen transformierten Teilstrahlen dienen als jeweilige Referenzlaserstrahlen. Bei der optischen Zuordnung der Eingangsstrahlen und der Ausgangsstrahlen der Phasenkontrastfilterung ist dabei zu beachten, dass beispielsweise bei Weglassen der Lochblende jeder Ausgangs-Kanal der Phasenkontrastfilterung auf seinen ihm zugeordneten Referenzlaserstrahl-Eingang abgebildet wird. Durch Einfügen der Lochblende oder anderer Filter wie Amplituden-Phasen-Platten findet nun eine Filterung im Fourier-Raum statt, welche zur Folge hat, dass die einzelnen Kanäle eine gemeinsame Phase erhalten.
In einer erweiterten Ausgestaltung zur Erzeugung mehrerer verstärkter Laserstrahlen für die spektrale Kopplung weist die Faserlaseranordnung mehrere Referenzlaserstrahlen für mehrere Laserkanäle und jeweils wenigstens eine optische Faser pro Laserkanal auf. Die optischen Fasern sind hierbei wiederum als aktive Fasern ausgebildet oder weisen wenigstens einen aktiven Faserabschnitt auf und können die vom jeweiligen Referenzlaserstrahl oder von einer vorgeschalteten Verstärkeranordnung eingekoppelte Laserstrahlung des jeweiligen Laserkanals durch optisches Pumpen mit einer Pumplaseranordnung verstärken. Die optische Faser oder der aktive Faserabschnitt oder mindestens ein Teil des aktiven Faserabschnitts jedes Laserkanals ist wiederum innerhalb eines Resonators angeordnet, der auf der Einkoppelseite der optischen Faser einen vorzugsweise höher reflektierenden Spiegel auf als auf der Auskoppelseite aufweist. Die durch den jeweiligen Referenzlaserstrahl bereitgestellte oder aus der vorgeschalteten Verstärkeranordnung austretende Laserstrahlung wird auch hier vor der Einkopplung in den Resonator in jedem Laserkanal vorzugsweise über eine optische Einrichtung geleitet, die eine Rückkopplung der Laserstrahlung vom Resonator in die vorgeschaltete Verstärkeranordnung oder den jeweiligen Referenzlaserstrahl verhindert. Mit dieser erweiterten Ausgestaltung der Faserlaseranordnung können mehrere Faserlaserquellen bzw. -kanäle für die spektrale Kopplung bereitgestellt werden.
Der Resonatorspiegel auf der Einkoppelseite wird in der vorliegenden Patentanmeldung auch als erster Spiegel oder Einkoppelspiegel, der Resonatorspiegel auf der Auskoppelseite auch als zweiter Spiegel oder Auskoppelspiegel bezeichnet. Die Reflektivität des Auskoppelspiegels liegt vorzugsweise bei ≤ 30%, insbesondere zwischen 1% und 30%, die Reflektivität des Einkoppelspiegels vorzugsweise bei ≥ 70%. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Einkoppelspiegel als hochreflektierender Spiegel mit einer Reflektivität ≥ 90%, vorzugsweise zwischen 97% und 99% ausgebildet. Die Spiegel werden dabei vorzugsweise durch Faser-Bragg-Gitter realisiert. Alternativ können die Resonatorspiegel bspw. auch durch separate Spiegel außerhalb der optischen Faser oder durch eine geeignete reflektierende Beschichtung der Endflächen der optischen Faser gebildet werden. Auch die Nutzung eines an mindestens einem Ende verspiegelten X-Kopplers, bspw. mit einem Teilungsverhältnis von 30/70, als Resonatorspiegel ist möglich.
Die optische Einrichtung vor dem Resonator verhindert, dass Rückreflexe vom Resonator in die vorgelagerte Verstärkeranordnung oder den Referenzlaserstrahl oder Referenzlaser propagieren. Sie ist vorzugsweise als optischer Isolator, bspw. als Faraday-Isolator, als Zirkulator oder als Kombination hiervon ausgebildet.
Durch diese Ausgestaltung der Faserlaseranordnungen wirkt die eingekoppelte Laserstrahlung aus dem Referenzlaserstrahl oder Referenzlaser bzw. der dem Referenzlaser nachgeschalteten Verstärkeranordnung als Injektionssignal, welches die optische Faser mit ihrem Resonator phasenkohärent auf die Wellenlänge der eingekoppelten Laserstrahlung festlegt. Dies sichert die Phasenstabilität und somit die Regelbarkeit der Phase des Ausgangssignals über das Injektionssignal, bspw. durch Nutzung eines geeigneten Phasenmodulators. Durch die Ausführung als Resonator entsteht am Ausgang (Auskoppelseite) eine Rückreflexion am Auskoppelspiegel, die in entgegengesetzter Richtung die aktive Faser durchquert und am vorzugsweise hochreflektierenden Einkoppelspiegel wieder zurückreflektiert wird. Durch dieses vom Auskoppelspiegel rückreflektierte Signal wird ebenfalls ein Wärmegitter in der Faser erzeugt, das sich mit dem Wärmegitter der in Vorwärtsrichtung (Richtung Auskoppelseite) propagierenden Laserstrahlung überlagert. Dadurch wird der Wärme- und somit der Brechungsindexkontrast des thermisch induzierten Gitters in der aktiven Faser deutlich reduziert. Damit wird eine signifikante Erhöhung der Schwelle für thermische Modeninstabilitäten in der aktiven Faser oder dem aktiven Faserabschnitt unter Beibehaltung der spektralen Eigenschaften des ursprünglichen Lasersignals erreicht. Unter Verwendung der vorgeschlagenen Faserlaseranordnungen lässt sich somit eine Leistungs- und Robustheitssteigerung von Einzelquellen bzw. Kanälen für kohärente Strahlüberlagerung realisieren. Die optische Faser ist aufgrund der hohen Laserleistung als Hochleistungsfaser mit einem entsprechend großen Kerndurchmesser ausgebildet.
Als Referenz- bzw. Masterlaser kann ein beliebiger Laser eingesetzt werden, bspw. ein Festkörperlaser. Vorzugsweise wird jedoch ein Faserlaser oder ein Diodenlaser verwendet. Die aus diesem Referenzlaser austretende Laserstrahlung kann direkt in die optische Faser eingekoppelt werden. Vorzugsweise wird die Laserstrahlung jedoch zunächst durch einen oder mehrere Verstärker verstärkt, bevor sie in die optische Faser eingekoppelt wird. Der eine oder die mehreren Verstärker können bspw. Festkörperverstärker sein, sind jedoch vorzugsweise als Faserverstärker ausgebildet. Im Vergleich zu einer Faserlaseranordnung mit einer Verstärkerkette, an deren Ende ein Hochleistungs- bzw. Hauptverstärker angeordnet ist, wird bei der vorgeschlagenen Faserlaseranordnung vorzugsweise dieser letzte Faserverstärker durch die aktive Faser oder den aktiven Faserabschnitt im Resonator ersetzt.
Es besteht auch die Möglichkeit, die optische Faser mit zwei aktiven Faserabschnitten auszubilden, von denen der erste Abschnitt im Resonator angeordnet ist und sich der zweite Abschnitt auf der Auskoppelseite an den Resonator anschließt. Der zweite aktive Faserabschnitt wird dann ebenfalls optisch gepumpt, um die aus dem Resonator austretende Strahlung noch weiter zu verstärken. Die Länge dieses zweiten aktiven Faserabschnitts muss allerdings ausreichend klein gewählt werden, um die eingangs beschriebenen thermischen Modeninstabilitäten zu vermeiden.
Es besteht auch die Möglichkeit, die optische Faser mit zwei aktiven Faserabschnitten auszubilden, von denen der erste Abschnitt vor der Einkoppelseite des Resonators angeordnet ist und sich der zweite Abschnitt innerhalb des Resonators befindet. Der erste aktive Faserabschnitt wird dann ebenfalls optisch gepumpt, um die in den Resonator einzukoppelnde Strahlung noch weiter zu verstärken. Die Länge dieses zweiten aktiven Faserabschnitts muss allerdings ausreichend klein gewählt werden, um die eingangs beschriebenen thermischen Modeninstabilitäten zu vermeiden.
Es besteht auch die Möglichkeit, die optische Faser mit drei aktiven Faserabschnitten auszubilden, von denen der erste Abschnitt vor der Einkoppelseite des Resonators angeordnet ist, der zweite Abschnitt im Resonator angeordnet ist und sich der dritte Abschnitt auf der Auskoppelseite an den Resonator anschließt. Der erste und dritte aktive Faserabschnitt wird dann ebenfalls optisch gepumpt, um die in den Resonator einzukoppelnde und aus dem Resonator austretende Strahlung noch weiter zu verstärken. Die Länge dieses ersten und dritten aktiven Faserabschnitts muss allerdings ausreichend klein gewählt werden, um die eingangs beschriebenen thermischen Modeninstabilitäten zu vermeiden.
Die Pumplaseranordnung kann bspw. durch einen oder mehrere Halbleiterlaser, vorzugsweise durch fasergekoppelte Leistungsdioden, gebildet werden, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Pumplaserstrahlung wird hierbei vorzugsweise über den Mantel der Faser eingekoppelt. Weiterhin kann eine Einkoppeloptik für die Einkopplung der zu verstärkenden Laserstrahlung und auch der Pumplaserstrahlung in die optische Faser erforderlich sein.
Vorzugsweise befindet sich im Referenzlaserstrahl bzw. im Strahlengang der Laserstrahlung zwischen dem Referenzlaser und der optischen Faser ein Phasenmodulator, mit dem die Phase der aus der Faserlaseranordnung austretenden verstärkten Laserstrahlung aktiv gesteuert werden kann. Bei Nutzung eines Diodenlasers als Referenzlaser besteht auch die Möglichkeit, die Phase des Referenzlasers direkt zu steuern. Im Falle mehrerer Laserkanäle ist vorzugsweise in jedem der Kanäle ein Phasenmodulator angeordnet. Dabei kann ein Kanal auch ohne Phasenmodulator ausgebildet sein und als Referenzkanal für die Phasenregelung dienen. Bei Nutzung der Faserlaseranordnung für die spektrale Kopplung können die Phasenmodulatoren entfallen.
In einer erweiterten Ausgestaltung der vorgeschlagenen Faserlaseranordnung besitzt der Resonator eine Einrichtung bzw. ein Steuerglied zur Veränderung der optischen Resonatorlänge. Dies kann beispielsweise durch Wärme-/Kälte- oder Druckeinwirkung auf den Resonator oder die ihn konstituierenden Bauelemente, beispielsweise durch Einbringen eines Stücks mechanisch verformbarer passiver oder aktiver Faser, oder durch ein im Resonator angeordnetes elektro-optisches Element realisiert werden. So kann beispielsweise ein Teil der Hochleistungsfaser oder eines seiner die Resonatorspiegel vorzugsweise bildenden Bragg-Gitter auf einem Dehn- oder Heiz-/Kühlglied angeordnet sein, oder die Resonatorspiegel können mechanisch, beispielsweise über Piezoelemente, bewegt werden. Dies ermöglicht es, die optische Resonatorlänge über einen Regelungsmechanismus aktiv zu stabilisieren. Somit wird ein optimaler spektraler Überlapp zwischen einer longitudinalen Mode des Resonators und dem injizierten Signal gewährleistet. Insbesondere bei transientem Betrieb, in dem sich die Faser noch aufheizt und somit optisch länger wird, wäre eine entgegengesetzte Korrektur der optischen Länge über diesen Regelungsmechanismus sinnvoll, so dass die Injektion optimiert wird.
Bei der vorgeschlagenen Faserlaseranordnung wird eine Erhöhung der Schwelle für thermische Modeninstabilitäten in der Hochleistungsfaser vor dem Austritt aus der Faserlaseranordnung durch Erzeugung eines rückwärtig propagierenden Signals deutlich erhöht, da dadurch der thermisch-induzierte Brechungsindexkontrast verringert wird. Damit kann bei gleicher spektraler Reinheit eine höhere Ausgangsleistung mit hoher Strahlqualität erzielt werden als bei Faserlaseranordnungen, bei denen nur einfache Faserverstärker eingesetzt werden. Bei der vorgeschlagenen Faserlaseranordnung kommt es erst bei viel höheren Laserleistungen zu thermischen Modeninstabilitäten. Die Anordnung erlaubt es, dass der vorzugsweise eingesetzte Referenzlaser bzw. ein Vorverstärker auch im Betrieb ausfallen kann, ohne dass durch den Hochleistungsteil eine Zerstörung des Referenzlasers oder der Verstärkerkette erfolgt, da die optische Faser in diesem Fall als ganz normaler Faserlaser arbeitet.
Die Faserlaseranordnung eignet sich vor allem als Laserquelle für die Laser-Materialbearbeitung und für Laserwaffen, welche eine Leistungssteigerung über kohärente oder spektrale Kopplung nutzen.
Figurenliste
Die vorgeschlagene Faserlaseranordnung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine erste beispielhafte Ausgestaltung der vorgeschlagenen Faserlaseranordnung in schematischer Darstellung;
2 eine zweite beispielhafte Ausgestaltung der vorgeschlagenen Faserlaseranordnung in schematischer Darstellung;
3 eine dritte beispielhafte Ausgestaltung der vorgeschlagenen Faserlaseranordnung in schematischer Darstellung und
4 eine vierte beispielhafte Ausgestaltung der vorgeschlagenen Faserlaseranordnung in schematischer Darstellung.

Wege zur Ausführung der Erfindung
In einer ersten beispielhaften Ausgestaltung der Faserlaseranordnung wird die Ausgangsstrahlung eines Referenzlasers ohne weitere Vorverstärkung in die Hochleistungsfaser innerhalb des Resonators eingekoppelt. 1a und b zeigen hierzu den Referenzlaser 1 mit einem nachgeschalteten optischen Isolator 7 sowie die aktive Hochleistungsfaser 3 mit den beiden Resonatorspiegeln 4, 5. Die Resonatorspiegel sind in 1a durch dielektrische Spiegel, in 1b, wie auch in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, als Faser-Bragg-Gitter im Kern der Hochleistungsfaser 3 ausgebildet. Der vom Referenzlaser 1 emittierte Laserstrahl 11 durchläuft zunächst den optischen Isolator 7 und wird dann mittels der Einkoppeloptik 8-1 oder einen Pump-Signal-Koppler 8-2 über den HR-Resonatorspiegel 4 in die Hochleistungsfaser 3 injiziert. Der HR-Resonatorspiegel 4 weist eine Reflektivität zwischen 97 und 99% auf. Der Auskoppelspiegel 5 des Resonators weist eine Reflektivität im Bereich von einigen % bis einigen 10% auf. Durch die relativ geringe Reflektivität dieses Auskoppelspiegels 5 hat der durch die beiden Spiegel 4, 5 gebildete Resonator eine geringe Güte, so dass seine spektrale Selektivität gering ist. Seine Resonanzlinien sind daher spektral sehr breit, so dass die Injektion auch ohne aktive Regulierung der Resonatorlänge erfolgt. 1a und b zeigen noch die Pumplaseranordnung 6 mit dem Pumplaserstrahl 12, der über die Einkoppeloptik 8-1 oder einen Pumpkoppler 8-2 in den Mantel der Faser eingekoppelt wird. Auch ein symmetrisches oder ein antikollineares Pumpen (durch gleichzeitige oder alternative Einkopplung von der gegenüberliegenden Seite) sind selbstverständlich möglich). Die über den Auskoppelspiegel 5 austretende verstärkte Laserstrahlung 13 wird in geeigneter Weise über eine Kollimations- oder Fokussieroptik 9 kollimiert oder fokussiert. Zwischen dem Referenzlaser 1 und dem Isolator 7 oder nach dem Isolator 7 kann beispielsweise ein Phasenmodulator zur Phasensteuerung eingefügt werden.
In einer alternativen Ausgestaltung wird bei der in 1a und b dargestellten Anordnung anstelle des optischen Isolators 7 ein optischer Hochleistungs-Zirkulator eingesetzt und das aus dem Zirkulator austretende Laserlicht in gleicher Weise über die Einkoppeloptik 8-1 oder den Pumpkoppler 8-2 und den HR-Resonatorspiegel 4 in die Hochleistungsfaser 3 injiziert. Rückreflexe werden durch den Zirkulator an den unbenutzten Zirkulatoranschluss weitergegeben, wo sie in eine geeignete Strahlfalle geleitet werden. Auch eine Kombination aus optischem Isolator 7 und Zirkulator können eingesetzt werden.
Die aus dem Referenzlaser 1 austretende Laserstrahlung kann vor der Einkopplung in die Hochleistungsfaser 3 auch durch einen geeigneten Verstärker oder eine Verstärkerkette aus mehreren hintereinander geschalteten Verstärkern vorverstärkt werden. 2 zeigt hierbei beispielhaft eine Anordnung mit einem zusätzlichen Vorverstärker zwischen dem Referenzlaser 1 und der Hochleistungsfaser 3. Die aus dem Referenzlaser 1 austretende Laserstrahlung 11 wird über einen optischen Isolator 7-1 und eine Einkoppeloptik oder einen Pumpkoppler 8-2 in einen Faserverstärker, bestehend aus Verstärkerfaser 2 und optischer Pumpanordnung 6-1, eingekoppelt. Die Laserstrahlung 11 wird in der Verstärkerfaser 2 entsprechend verstärkt. Die auf diese Weise verstärkte Laserstrahlung durchläuft wiederum einen optischen Isolator 7-2 und wird dann mittels einer Einkoppeloptik oder einen Pumpkoppler 8-2 über den HR-Resonatorspiegel 4 in die Hochleistungsfaser 3 eingekoppelt. Unabhängig von dem Vorhandensein oder der Anzahl von Verstärkern bildet die Hochleistungsfaser 3 mit dem Resonator immer das letzte Glied der vorliegenden Faserlaseranordnung, aus dem der Ausgangslaserstrahl 13 austritt.
3 zeigt schließlich noch eine weitere Ausgestaltung der vorgeschlagenen Faserlaseranordnung. Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von der Ausgestaltung der 1 dadurch, dass ein Teil der Hochleistungsfaser 3 oder eines seiner die Resonatorspiegel 4, 5 bildenden Bragg-Gitter auf einem Dehn- oder Heiz-/Kühlglied 10 angeordnet ist, welches die Resonatorlänge über einen Regelungsmechanismus aktiv stabilisiert. Somit wird ein optimaler spektraler Überlapp zwischen einer longitudinalen Mode des Resonators und dem injizierten Signal gewährleistet. Insbesondere bei transientem Betrieb, in dem sich die Faser noch aufheizt und somit optisch länger wird, wäre eine entgegengesetzte Korrektur der optischen Länge über das Dehn- oder Heiz-/Kühlglied 10 sinnvoll, so dass die Injektion optimiert wird. Auch hier lassen sich selbstverständlich auch ein oder mehrere Verstärker zwischen dem Referenzlaser 1 und der Hochleistungsfaser 3 einsetzen.
4 zeigt schließlich noch eine weitere Ausgestaltung der vorgeschlagenen Faserlaseranordnung. Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von der Ausgestaltung der 1 bis 3 dadurch, dass der vom Referenzlaser 1 emittierte Laserstrahl 11 nach Durchlaufen des optischen Isolators 7 mittels eines Signalkopplers 8-3, beispielsweise eines X-Kopplers oder eines Richtkopplers, direkt in die Hochleistungsfaser 3 injiziert wird. Der Koppler weist dazu vorteilhafter Weise eine geringe Koppelrate an den Resonator, vorzugsweise ≤30%, besonders bevorzugt ≤ 10%, auf. Der HR-Resonatorspiegel 4 kann hierbei auch eine Reflektivität > 99% aufweisen und bildet beispielsweise ein verspiegeltes Ende des Kopplers.
Bezugszeichenliste

1: Referenz- bzw. Masterlaser
2: Verstärkerfaser
3: Hochleistungsfaser
4: HR-Resonatorspiegel
5: Auskoppelspiegel des Resonators
6: Pumplaseranordnung
6-1: Pumplaseranordnung
6-2: Pumplaseranordnung
7: optischer Isolator
7-1: optischer Isolator
7-2: optischer Isolator
8-1: Einkoppeloptik
8-2: Pumpkoppler
8-3: Signalkoppler
9: Kollimations- oder Fokussieroptik
10: Dehn- oder Heiz-/Kühlglied
11: Laserstrahl
12: Pumplaserstrahl
13: Ausgangslaserstrahl

Claims

Faserlaseranordnung mit wenigstens einem Referenzlaserstrahl und wenigstens einer optischen Faser (3), die als aktive Faser ausgebildet ist oder wenigstens einen aktiven Faserabschnitt aufweist und in der vom Referenzlaserstrahl oder von einer der optischen Faser (3) vorgeschalteten Verstärkeranordnung eingekoppelte Laserstrahlung (11) durch optisches Pumpen mit einer Pumplaseranordnung (6) verstärkt werden kann, wobei - die optische Faser (3) oder der aktive Faserabschnitt oder mindestens ein Teil des aktiven Faserabschnitts innerhalb eines Resonators angeordnet ist, der auf einer Einkoppelseite in die optische Faser (3) einen ersten Resonatorspiegel (4) und auf einer Auskoppelseite einen zweiten Resonatorspiegel (5) aufweist, und - die Laserstrahlung (11) in den durch den ersten Resonatorspiegel (4) und den zweiten Resonatorspiegel (5) gebildeten Resonator eingekoppelt wird.
Faserlaseranordnung mit einem Referenzlaserstrahl, einer Strahlaufteilungseinrichtung zur Aufteilung der vom Referenzlaserstrahl bereitgestellten Laserstrahlung (11) auf mehrere Laserkanäle und jeweils wenigstens einer optischen Faser (3) pro Laserkanal, die als aktive Faser ausgebildet ist oder wenigstens einen aktiven Faserabschnitt aufweist, und in der vom Referenzlaserstrahl (1) oder von einer der optischen Faser (3) vorgeschalteten Verstärkeranordnung eingekoppelte Laserstrahlung (11) des jeweiligen Laserkanals durch optisches Pumpen mit einer Pumplaseranordnung (6) verstärkt werden kann, wobei - die optische Faser (3) oder der aktive Faserabschnitt oder mindestens ein Teil des aktiven Faserabschnitts jedes Laserkanals innerhalb eines jeweiligen Resonators angeordnet ist, der auf einer Einkoppelseite in die optische Faser (3) einen ersten Resonatorspiegel (4) und auf einer Auskoppelseite einen zweiten Resonatorspiegel (5) aufweist, und - die Laserstrahlung (11) des jeweiligen Laserkanals in den jeweils durch den ersten Resonatorspiegel (4) und den zweiten Resonatorspiegel (5) gebildeten Resonator eingekoppelt wird.
Faserlaseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Resonatorspiegel (5) eine geringere Reflektivität für die eingekoppelte Laserstrahlung (11) als der erste Resonatorspiegel (4) aufweist.
Faserlaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (11) vor der Einkopplung in den Resonator über eine optische Einrichtung (7) geführt wird, die eine Rückkopplung der Laserstrahlung (11) in die vorgeschaltete Verstärkeranordnung oder den Referenzlaserstrahl verhindert.
Faserlaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Resonatorspiegel (5) eine Reflektivität von ≤ 30% aufweist.
Faserlaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Resonatorspiegel (4) eine Reflektivität von ≥ 70% aufweist.
Faserlaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Resonatorspiegel (4) eine Reflektivität zwischen 90% und 99% aufweist.
Faserlaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (4) und/oder der zweite Resonatorspiegel (5) als Faser-Bragg-Gitter in der optischen Faser (3) ausgebildet ist/sind.
Faserlaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (7) durch einen optischen Isolator, einen optischen Zirkulator oder eine Kombination beider gebildet wird.
Faserlaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass am oder im Resonator ein Steuerglied angeordnet ist, mit dem eine optische Länge des Resonators einem externen Signal folgend variiert werden kann.
Faserlaseranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einem Abschnitt der optischen Faser (3) innerhalb des Resonators oder an mindestens einem der Resonatorspiegel (4) oder (5) ein Dehn- oder Heiz- oder Kühlglied (10) als Steuerglied angeordnet ist, über das die optische Länge des Resonators verändert werden kann.
Faserlaseranordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerglied mit einer Regelungseinrichtung zur aktiven Stabilisierung der optischen Resonatorlänge verbunden ist.
Faserlaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit einem Referenzlaser (1), durch den der Referenzlaserstrahl erzeugt wird.
Faserlaseranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzlaser (1) ein Diodenlaser oder ein Faserlaser ist.
Faserlaseranordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Referenzlaser (1) und der optischen Faser (3) eine Verstärkeranordnung aus einem oder mehreren hintereinander geschalteten Verstärkern angeordnet ist, mit der die vom Referenzlaser (1) emittierte Laserstrahlung (11) vorverstärkt wird.
Faserlaseranordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Verstärker Faserverstärker (2) sind.
Faserlaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass vor der optischen Faser (3) jedes Laserkanals ein Phasenmodulator angeordnet ist, über den eine Phase der Laserstrahlung (11) gesteuert werden kann.
Faserlaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (11) mittels eines Signalkopplers (8-3) in den Resonator eingekoppelt wird.
Faserlaseranordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalkoppler (8-3) eine Koppelrate an den Resonator aufweist, die ≤30%, vorzugsweise ≤ 10%, beträgt.