DE4447356A1

DE4447356A1 - Optical fibre laser beam generator for esp. optical telecommunications system

Info

Publication number: DE4447356A1
Application number: DE19944447356
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Phys Dr Glas; Michael Dipl Ing Kreitel
Original assignee: Max Born Institut MBI
Current assignee: Max Born Institut MBI
Priority date: 1994-12-20
Filing date: 1994-12-20
Publication date: 1996-06-27

Abstract

The arrangement has a pump light device to stimulate a laser active material in glass fibres (3) preferably combined into a bundle (2). The fibres are formed of an axial core and a cladding is provided around the core. The core is thicker than the cladding. The cladding contains the laser active material and it has a higher refractive index than the core. It also has a small wall thickness for generating laser beams with monomodal characteristics. The core is formed as a leakage waveguide. The pump light (8) from the end of the glass fibres is coupled into the core. The glass fibres (3) preferably have a protective sleeve whose refractive index and thickness match the corresponding parameters of the cladding.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung von Laserstrahlung mit einer Pumplichteinrichtung zur Anregung laseraktiven Materials in vorzugsweise zu einem Bündel zusammengefaßten Glasfasern, die aus einem Kern und einem diesen umgebenden Mantel aufgebaut sind, wobei der Kern dicker als der Mantel ist.The invention relates to an arrangement for generating Laser radiation with a pump light device for excitation laser-active Material in preferably combined into a bundle of glass fibers, the are constructed from a core and a jacket surrounding it, wherein the core is thicker than the coat.

Eine derartige Anordnung ist bekannt aus dem Aufsatz "Continous-wave 25-W Nd³⁺:glass fiber bundle laser" von Luis E. Zapata, J.Appl.Phys. 62(8), 1987, Seiten 3110 ff. Hierbei ist das laseraktive Material im Kern jeder Glasfaser enthalten, der einen solchen Durchmesser hat, daß die erzeugte Laserstrahlung Multimodecharakter aufweist. Der Mantel der Glasfasern ist mit einer Wandstärke dimensioniert, die zusätzliche Hilfsmittel zur Phasenkopplung der einzelnen Fasern erforderlich macht, da ein Übersprechen zwischen den Fasern nicht möglich ist. Die Qualität der erzeugten Strahlung und ihres Polarisationszustandes, der durch die eingesetzten langen Glasfasern nicht linear ist, ist relativ schwer bestimmbar. Eine gezielte Verbesserung ist nur bedingt mit vielkomponentigen Laserresonatoren und/oder nichtlinearen Methoden (Phasenkonjugation) möglich, die mit erheblichen Strahlungsverlusten behaftet sind. Bei Verwendung von Monomodefasern, die eine wesentlich bessere Strahlqualität, aber ein geringes Kernvolumen für das laseraktive Material aufweisen, ergeben sich ebenfalls Probleme bei der Erzeugung von phasenkohärentem Laserlicht. Die Einkopplung des Pumplichts in die bekannte Anordnung erfolgt über die Länge des Glasfaserbündels mit einer linearen Blitzlicht- oder Bogenlampe. Such an arrangement is known from the article "Continous-wave 25-W Nd ³⁺ : glass fiber bundle laser" by Luis E. Zapata, J.Appl.Phys. 62 (8), 1987, pages 3110 ff. Here, the laser-active material is contained in the core of each glass fiber and has a diameter such that the laser radiation generated has a multi-mode character. The cladding of the glass fibers is dimensioned with a wall thickness, which makes additional aids for phase coupling of the individual fibers necessary, since crosstalk between the fibers is not possible. The quality of the radiation generated and its polarization state, which is not linear due to the long glass fibers used, is relatively difficult to determine. A targeted improvement is only possible to a limited extent with multi-component laser resonators and / or non-linear methods (phase conjugation), which are associated with considerable radiation losses. When using single-mode fibers, which have a significantly better beam quality but a small core volume for the laser-active material, problems also arise in the generation of phase-coherent laser light. The pumping light is coupled into the known arrangement over the length of the glass fiber bundle with a linear flash lamp or arc lamp.

Erfolgt die Einkopplung des Pumplichts vom Faserende her, ist es von Hodel/Weber, SPIE. Vol. 650, 1986, Seiten 102 ff., bekannt, daß beim Einsatz von Monomodefasern zu beachten ist, daß die in den Kern eingestrahlte Pumpenergie die Einkoppelfläche nicht zerstört. Bei einem durchschnittlichen Kerndurchmesser von 5 µm und einer Laserlichtwellenlänge λ von 0,8 µm liegt die Zerstörungsschwelle beim Pumpen mit Gleichlicht bereits bei 0,5 MW/cm². Darüberhinaus ist die Effizienz der Einstrahlung in die kleinen Kerne (Füllfaktor) bei deren Zusammenfassung im Bündel gering. Als weitere Hauptursache für die Zerstörung von Monomodefasern ist der dielektrische Durchbruch aufgrund zu hoher Feldstärken anzusehen. Um außerdem ein Zerbrechen bei der Handhabung zu verhindern, muß die Stabilität der Monomodefaser durch eine große Dimensionierung der Mantelstärke erreicht werden. Allgemeine Berechnungsgrundlagen für die Auslegung von dielektrischen Monomodefasern, sowie für die Lichtausbreitung und Kopplung sind dem Aufsatz "Dielectric rectangular waveguide and directional coupler for integrated optics" von E.A.J. Marcatili, Bell System Technical Journal Vol. 48, No. 7, 1969, Seiten 2071 ff. zu entnehmen.If the pumping light is coupled in from the fiber end, it is from Hodel / Weber, SPIE. Vol. 650, 1986, pages 102 ff., Known that when used of single-mode fibers, it should be noted that the one radiated into the core Pump energy does not destroy the coupling surface. With an average Core diameter of 5 microns and a laser light wavelength λ of 0.8 microns the destruction threshold when pumping with constant light is already at 0.5 MW / cm². In addition, the efficiency of the radiation into the small cores (fill factor) low when summarized in the bundle. As another major cause of the destruction of single-mode fibers is due to the dielectric breakthrough too high field strengths. To also break at the To prevent handling, the stability of the single-mode fiber must be ensured by a large dimensions of the jacket thickness can be achieved. General Basis of calculation for the design of dielectric single-mode fibers, as well as for light propagation and coupling are the essay "Dielectric rectangular waveguide and directional coupler for integrated optics "by E.A.J. Marcatili, Bell System Technical Journal Vol. 48, No. 7, 1969, pages 2071 ff remove.

Im allgemeinen findet die Erzeugung von Laserstrahlung und/oder die Lichtleitung im Kern von Glasfasern statt. Den dazu erforderlichen Brechungsindexprofilen ist gemeinsam, daß der Brechungsindex des Kerns wesentlich größer ist als der des Mantels, damit durch Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen den beiden Dielektrika mit unterschiedlichem Brechungsindex die Strahlung im Kern gehalten wird.In general, the generation of laser radiation and / or takes place Light conduction takes place in the core of glass fibers. The necessary Refractive index profiles have in common that the refractive index of the core is much larger than that of the jacket, so by total reflection on the Interface between the two dielectrics with different Refractive index the radiation is kept in the nucleus.

Aus dem Aufsatz "Tube Waveguide for optical transmission" von D. Marcuse und und W.L. Mammel, Bell System Technical Journal Vol. 52, No. 3, 1973, Seiten 423 ff. ist für das Gebiet der optischen Nachrichtentechnik ein dielektrischer Lichtwellenleiter bekannt, der rohrförmig aufgebaut ist - Ringprofillichtleiter - und bei dem der Kern einen kleineren Brechungsindex aufweist als der Mantel. Die Lichtleitung mit Monomodecharakter, insbesondere im infraroten Spektralbereich, erfolgt daher im Mantel, dessen Wandstärke durch die charakteristische Lichtwellenlänge für Monomode festgelegt wird. In der optischen Nachrichtentechnik sind große Wege vom Licht zurückzulegen. Die Übertragungsstrecke weist deshalb viele Spleißstellen auf, an denen eine genaue axiale Ausrichtung der Ringprofile der einzelnen Leiterabschnitte zueinander für die Gewährleistung einer ungestörten Lichtleitung ausschlaggebend ist. Deshalb müssen die Ringprofillichtleiter unter Beibehaltung des Monomodecharakters des zu übertragenden Lichts einen möglichst großen Ringquerschnitt, d. h. eine relativ große Wandstärke des Mantels aufweisen. Damit ist aber in ihrer Verwendung in der optischen Nachrichtentechnik gegenüber den Lichtwellenleitern mit Lichtleitung im Kern kein bedeutender Vorteil zu sehen.From the essay "Tube Waveguide for optical transmission" by D. Marcuse and and W.L. Mammel, Bell System Technical Journal Vol. 52, No. 3, 1973, Pages 423 ff. Is for the field of optical communication technology dielectric optical waveguide known, which is constructed in tubular form - Ring profile light guide - and in which the core has a smaller refractive index has than the coat. The single-mode light guide, in particular in the infrared spectral range, therefore takes place in the jacket, its wall thickness is determined by the characteristic light wavelength for single mode. In Optical communication technology has to cover great distances from light. The transmission link therefore has many splices, one of which exact axial alignment of the ring profiles of the individual conductor sections to each other to ensure undisturbed light conduction is decisive. Therefore, the ring profile light guide must be under Maintaining the monomode character of the light to be transmitted largest possible ring cross-section, d. H. a relatively large wall thickness of the Show coat. But that is in their use in the optical Communication technology compared to fiber optic cables with fiber optic in the core to see no significant advantage.

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Lasertechnik, insbesondere auf dem Gebiet der Erzeugung von energiereicher Laserstrahlung mittels dielektrischer, mit laserfähigem Material dotierten Glasfasern mit einem axialem Kern und einem diesen umgebenden Mantel. Das technische Problem, mit dem sich die Erfindung befaßt, besteht darin, eine Anordnung zu schaffen, mit der Laserstrahlung mit sehr hoher Strahlqualität, und großer Leistungsdichte bei einem hohem Umsetzungswirkungsgrad erzeugt werden kann. Zusätzliche Mittel zur Strahlqualitätsverbesserung, die Strahlungsverluste bedeuten, sollen vermieden sein. Die Anordnung soll dabei trotzdem einfach in ihrem Aufbau, vielseitig in den Anwendungsmöglichkeiten und relativ störunempfindlich sein.The invention is in the field of laser technology, in particular in the Field of generation of high-energy laser radiation by means of dielectric, glass fibers doped with laserable material with an axial core and a coat surrounding it. The technical problem with which Invention is to provide an arrangement with the Laser radiation with very high beam quality and high power density high implementation efficiency can be generated. Additional Means for beam quality improvement, which mean radiation losses, are said to be avoided. The arrangement should still be simple in its structure, versatile in the application possibilities and relatively insensitive to interference.

Hierfür sieht die erfindungsgemäße Lösung vor, daß der Mantel das laseraktive Material enthält und einen höheren Brechungsindex als der Kern sowie eine zur Erzeugung von Laserstrahlung mit Monomodecharakter entsprechend geringe Wandstärke aufweist, daß der Kern als Leckwellenleiter ausgebildet ist und daß das Pumplicht vom Glasfaserende her in den Kern eingekoppelt wird. Durch die Dotierung des Mantels und die Erhöhung seines Brechungsindexes gegenüber den ihn umgebenden Dielektrika wird bei der Erfindung die Laserstrahlung nicht nur im Mantel der Glasfaser erzeugt, sondern auch dort weitergeleitet. Eine hohe Dotierung mit geeigneten Dotierungsionen seltener Erden ist möglich. Die Führung im Mantel erfolgt durch Reflexion bei streifendem Einfall und weist nur sehr geringe Brechungsverluste auf. In Analogie zu den vorangegangenen Ausführungen kann von einer Glasfaser in Form eines Ringprofillichtleiters - kurz RPLL - gesprochen werden. Wesentlich ist, daß für die Ausbildung von Laserstrahlung mit Monomodecharakter nur noch die Wandstärke des Mantels ausschlaggebend ist, die Dimensionierung des Kerns ist hiervon unabhängig. Damit kann der Kern mit einem großen Querschnitt ausgelegt werden, so daß dieser unabhängig von der Mantelstärke die mechanische Festigkeit des RPLL gewährleistet. Im allgemeinen ist der Kern massiv, in einzelnen Fällen kann er aber auch vorteilhafterweise hohl sein, so daß die Glasfaser als Kapillare ausgebildet ist.For this purpose, the solution according to the invention provides that the jacket is laser-active Material contains and a higher refractive index than the core and one for Generation of single-mode laser radiation correspondingly low Wall thickness has that the core is designed as a leaky waveguide and that the pump light is coupled into the core from the glass fiber end. Through the Doping of the cladding and increasing its refractive index In the invention, the dielectric radiation surrounding it does not become laser radiation only created in the cladding of the glass fiber, but also forwarded there. A high doping with suitable doping ions of rare earths is possible. The Guiding in the coat is done by reflection when grazing incidence and only points very low refractive losses. In analogy to the previous ones Designs can be made of a glass fiber in the form of a ring profile light guide - short RPLL - to be spoken. It is essential that for the training of Laser radiation with monomode character only the wall thickness of the jacket the decisive factor is that the dimensioning of the core is independent of this. So that the core can be designed with a large cross section, so that regardless of the jacket thickness, the mechanical strength of the RPLL guaranteed. In general, the core is massive, in some cases it can but also advantageously be hollow, so that the glass fiber as a capillary is trained.

Erfindungsgemäß ist der Kern als Leckwellenleiter ausgebildet, d. h., er leitet in ihn eingekoppeltes Licht als Leckwelle in den ihn umgebenden Mantel weiter, so daß das hier eingelagerte laserfähige Material zur Strahlung angeregt wird. Leckwellen können sich in dielektrischen Wellenleitern über endliche Strecken ausbreiten. Die Strahlungsverluste, die sie dabei erleiden, hängen von deren Geometrie und Betriebsbedingungen ab und sind direkt proportional zur nutzbaren Pumpleistung. Da der Kern eine viel größere Querschnittsfläche als der Mantel aufweist und das Pumplicht erfindungsgemäß vom Glasfaserende her in den Kern eingekoppelt wird, ist es möglich, die Eintrittsfläche mit einer großen Pumpleistung zu bestrahlen. Einer Pumpintensität von 0,5 MW/cm², die, wie oben ausgeführt, zur Zerstörung der Eintrittsfläche führt, wenn sie auf den Kern von 5 µm Durchmesser einer herkömmlichen Monomodefaser fokussiert wird, steht bei der Erfindung ein Kern mit einem Durchmesser von durchschnittlich 50 µm zur Verfügung, so daß eine ca. hundertfache Pumpleistung gewählt werden kann. Das aktive Volumen des RPLL mit der Dotierung im Mantelvolumen beträgt das ca. 40fache des Volumens einer gleichlangen Monomodefaser, dadurch wird auch eine wesentliche Verbesserung des Füllfaktors bewirkt. Der hohe Wirkungsgrad bei der Umsetzung des Pumplichts in Laserstrahlung ermöglicht die Verwendung relativ kurzer Fasern, so daß aufgrund des Monomodecharakters der Strahlung eine gute lineare Polarisation gewährleistet ist. Im allgemeinen sind die Glasfasern bei der erfindungsgemäßen Anordnung zu einem Bündel zusammengefaßt. In einzelnen Anwendungsfällen kann jedoch auch die Verwendung einer einzelnen Glasfaser sinnvoll sein.According to the invention, the core is designed as a leaky waveguide, i. that is, he leads in light coupled into it as a leakage wave into the surrounding jacket, see above that the laserable material stored here is excited to radiation. Leakage waves can occur in dielectric waveguides over finite distances spread. The radiation losses they suffer depend on them Geometry and operating conditions and are directly proportional to usable pump power. Because the core has a much larger cross-sectional area than the jacket and the pump light according to the invention from the glass fiber end is coupled into the core, it is possible to cover the entry surface with a to irradiate large pump power. A pump intensity of 0.5 MW / cm², which as stated above, leads to the destruction of the entrance surface when it is on the Focused core of 5 µm diameter of a conventional single-mode fiber is a core with a diameter of an average of 50 microns is available, so that about a hundred times Pump power can be selected. The active volume of the RPLL with the Doping in the cladding volume is approximately 40 times the volume of one equally long single-mode fiber, this also becomes an essential Improvement of the fill factor causes. The high efficiency at Converting the pump light into laser radiation enables the use relatively short fibers, so that due to the monomode character of the radiation good linear polarization is guaranteed. Generally the glass fibers combined into a bundle in the arrangement according to the invention. In However, individual use cases can also use a single one Fiber optics make sense.

Zweckmäßigerweise sind die Glasfasern von einer Schutzhülle umgeben, deren Brechungsindex und Dicke an die entsprechenden Parameter des Mantels angepaßt sind. Die Umhüllung dient dem Schutz vor äußeren Einflüssen und der Stabilisierung und besteht beispielsweise aus einem transparenten Kunststoff mit einem Brechungsindex, der kleiner als, höchstens gleich groß wie der Brechungsindex des Mantels ist. Die Dicke der Schutzhülle liegt in der Größenordnung der Mantelstärke und beträgt typischerweise ca. 1,5 µm. The glass fibers are expediently surrounded by a protective cover, the Refractive index and thickness to the corresponding parameters of the cladding are adjusted. The covering serves to protect against external influences and Stabilization and consists for example of a transparent plastic with a refractive index less than, at most equal to that Is the refractive index of the cladding. The thickness of the protective cover lies in the Order of magnitude of the cladding thickness and is typically approximately 1.5 µm.

In besonders vorteilhafter Weise sind die Fasern bei Verwendung eines Bündels über evaneszente Felder, d. h. über Lichtfelder, die quer zu ihrer Ausbreitungsrichtung gedämpft sind, miteinander räumlich kohärent auf einer Koppellänge gekoppelt. Diese Kopplung wird durch Übersprechen der Modenfelder benachbarter RPLL quer zur Lichtausbreitung erreicht. Aus der Kenntnis der Brechungsindizes und der Geometrie der RPLL erhält man die erforderliche Koppellänge, bei der eine Energieumkopplung stattfindet. Zweckmäßigerweise ist die erforderliche Koppellänge gleich der Länge, auf der die Glasfasern in einer dichtesten Packung zueinander im Bündel angeordnet sind. Bei üblich gewählten Parametern liegt sie in der Größenordnung von 30 mm. Die dichteste Packung wird von der Dicke der Schutzhülle bestimmt. Zwischen den einzelnen Koppelstrecken sind die Glasfasern nicht weiter eingefaßt. Die kohärente, d. h. phasenrichtige Kopplung führt zu einer Verteilung des emittierten Lichts in Form von Supermoden, die näherungsweise durch die Moden eines Stabes beschrieben werden können, dessen Querschnitt dem des gesamten Bündels entspricht. Eine Reduzierung der Zahl der Supermoden ist sinnvoll, um ein unstrukturiertes Fernfeld in Form einer einzigen Strahlungskeule realisieren zu können. Dazu kann eine spezielle Bündelgeometrie gewählt bzw. eine zusätzliche, an sich bekannte Beugungskopplung vorgesehen sein. Die phasenrichtige Kopplung benachbarter RPLL führt jedoch auf jeden Fall zu einer Stabilisierung der räumlichen Emissionscharakteristik, so daß beispielsweise höhere Strahlungsdichten im Fokus einer Linse erreicht werden können.The fibers are particularly advantageous when using a bundle about evanescent fields, d. H. over light fields that run across their Are damped, spatially coherent on one another Coupling length coupled. This coupling is achieved through crosstalk Mode fields of neighboring RPLL across the light propagation reached. From the Knowledge of the refractive indices and the geometry of the RPLL can be obtained required coupling length at which energy recoupling takes place. The coupling length required is expediently equal to the length over which the glass fibers are arranged in a densest packing in a bundle are. With commonly chosen parameters, it is of the order of 30 mm. The tightest packing is determined by the thickness of the protective cover. The glass fibers are no further between the individual coupling links bordered. The coherent, i.e. H. in-phase coupling leads to distribution of the light emitted in the form of supermodes, which are approximated by the Modes of a rod can be described, the cross section of which the entire bundle. There is a reduction in the number of supermodes sensible to an unstructured far field in the form of a single radiation lobe to be able to realize. A special bundle geometry can be selected or an additional, known diffraction coupling can be provided. The However, in-phase coupling of neighboring RPLL leads in any case a stabilization of the spatial emission characteristics, so that For example, higher radiation densities can be achieved in the focus of a lens can.

Die Einkopplung des Erregerlichts erfolgt bei der erfindungsgemäßen Anordnung von einem Faserende her. Sie kann großflächig vorgenommen werden, wobei ein Teil der Bestrahlung direkt in den Mantel bzw. die Umhüllung eingekoppelt wird. Die einfachste Möglichkeit, die laserfähigen Ionen des Bündels anzuregen, ergibt sich aus der Verwendung einer transversalen Pumpanordnung, wie sie für herkömmliche Laser bekannt ist, bestehend aus einer Pumpkavität und einer Pumplichtquelle, beispielsweise Blitzlampen. Zweckmäßigerweise kann das Pumplicht auch von Laserdioden erzeugt werden, die unterschiedliche spektrale Charakteristiken aufweisen. Diese können einzelnen Fasern direkt zugeordnet sein, so daß eine Einstellung des Lasers, beispielsweise der Betrieb auf mehreren Wellenlängen gleichzeitig, über weite Betriebsbereiche möglich ist. Die spektral angepaßte Anregung wird mit Laserdioden erreicht, deren spektrales Emissionsmaximum mit dem Absorptionsmaximum der einzelnen Fasern übereinstimmt. Die Einstellbarkeit wird noch verbessert, wenn vorteilhaft die Glasfasern aus unterschiedlichen Wirtsmaterialien bestehen und/oder unterschiedliches laseraktives Material in ihren Mänteln enthalten. Die Kopplung zwischen den Laserdioden und den Faserenden sollte lösbar sein und kann, da die strahlende Fläche einer Laserdiode viel kleiner als der Kerndurchmesser ist, durch Stoß-auf-Stoß- Kopplung realisiert werden. Kopplungswirkungsgrade größer 50% lassen sich damit einfach erreichen. Entsprechend der gewählten RPLL-Parameter kann ein Lichtleistungsverlustkoeffizient abgeschätzt werden. Dieser wird bei vorgegebenen Brechungsindizes von Kern und Mantel und Monomode- Lichtwellenleitung durch den Kerndurchmesser bestimmt. Kann trotz entsprechender Wahl der RPLL-Länge nicht sichergestellt werden, daß bei einem einfachen Durchlauf der Pumpstrahlung durch den RPLL die gesamte Pumpleistung in Anregung umgesetzt wird, kann die Anregungslänge durch eine hochreflektierende Verspiegelung für die Pumpwellenlänge auf dem der Einkoppelseite gegenüberliegenden Faserende vergrößert werden. Weitere Resonatorelemente können ergänzend vorgesehen sein, insbesondere, wenn vorteilhafterweise die Erzeugung der Laserstrahlung im Gleichlicht- oder im Impulsbetrieb erfolgt.The excitation light is coupled in with the invention Arrangement from one fiber end. It can be made over a large area be, with part of the radiation directly into the jacket or the envelope is coupled. The easiest way to get the laserable ions of the To stimulate the bundle results from the use of a transverse one Pump arrangement, as is known for conventional lasers, consisting of a pump cavity and a pump light source, for example flash lamps. The pump light can expediently also be generated by laser diodes, that have different spectral characteristics. these can be assigned directly to individual fibers so that an adjustment of the laser, for example, the operation on several wavelengths simultaneously, over wide Operating areas is possible. The spectrally adapted excitation is with Laser diodes reached, the spectral emission maximum with the Absorption maximum of the individual fibers matches. The adjustability will be improved if the glass fibers from different Host materials exist and / or different laser active material in included in their coats. The coupling between the laser diodes and the Fiber ends should be detachable and can, because the radiating surface of a Laser diode is much smaller than the core diameter, by butt-to-butt Coupling can be realized. Coupling efficiencies greater than 50% can be achieved easy to achieve. According to the selected RPLL parameters, a Luminous power loss coefficient can be estimated. This is at predetermined refractive indices of core and cladding and single-mode Fiber optic cable determined by the core diameter. Can despite appropriate choice of RPLL length can not be ensured that at a simple passage of the pump radiation through the RPLL Pump power is converted into excitation, the excitation length can be changed by a highly reflective mirroring for the pump wavelength on the Coupling side opposite fiber end can be enlarged. Further Resonator elements can additionally be provided, in particular if advantageously the generation of laser radiation in constant light or in Impulse operation takes place.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Kern-Mantel-Fasern erfolgt die Lichtausbreitung im RPLL in der Oberflächennähe des Mantels. Die vorteilhaften Möglichkeiten, hier die Lichtausbreitung zu beeinflussen, können durch geometrische oder elektromagnetische Einwirkungen auf die Oberfläche erzielt werden und sind in ihren Wirkungen an sich bekannt.In contrast to conventional core-sheath fibers, this is done Light propagation in the RPLL near the surface of the jacket. The beneficial Possibilities to influence the spread of light here can be achieved by geometric or electromagnetic effects on the surface are and are known per se in their effects.

Im folgenden soll anhand von Erläuterungen zu einzelnen Figuren die erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung von Laserstrahlung mit vorteilhaften Weiterbildungen anschaulich verdeutlicht werden.In the following, the explanations for individual figures Arrangement according to the invention for generating laser radiation with advantageous further developments are clearly illustrated.

Es zeigt schematisch im einzelnenIt shows schematically in detail

die Fig. 1 eine Anordnung zur Erzeugung von Laserstrahlung nach der Erfindung, Fig. 1 shows an arrangement for the generation of laser radiation according to the invention,

die Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Ringprofillichtleiter - RPLL -, Figure 2 shows a cross section through a profiled annular light guide -. RPLL -,

die Fig. 3 ein dem RPLL-Querschnitt gemäß Fig. 2 zugeordnetes Brechungsindexprofil, Fig. 3 is a RPLL the cross-section of FIG. 2 associated refractive index profile,

die Fig. 4 eine Strahlungsfeldverteilung in zwei benachbarten RPLL und Fig. 4 is a radiation field distribution in two adjacent and RPLL

die Fig. 5 Beeinflussungsmöglichkeiten der Lichtausbreitung in der Manteloberfläche.5 Fig. 5 ways of influencing light propagation in the surface of the jacket.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung 1 zur Erzeugung von Laserstrahlung weist ein Bündel 2 von dielektrischen Glasfasern auf, die als Ringprofillichtleiter 3 (RPLL) ausgebildet sind. Die RPLL 3 sind im Bereich ihrer Enden auf einer Koppellänge L in dichtester Packung 4 nebeneinander angeordnet. Der Zusammenhalt erfolgt je über einen Koppelring 5. Zwischen den Koppelringen 5 sind die RPLL 3 nicht weiter gebündelt und fächern sich etwas auf. Der Anschaulichkeit halber sind die RPLL 3 in der Mitte unterbrochen dargestellt. An ihrem einen Faserende weisen die RPLL 3 auf ihren Endflächen Spiegel 6, an ihrem anderen Faserende auf ihren Endflächen Entspiegelungen 7 auf. Den Spiegeln 6 - und damit den einzelnen RPLL 3 - sind durch eine lösbare Stoß auf-Stoß-Kopplung jeweils Laserdioden 8 zugeordnet, die spektral regelbar sind und das Pumplicht zur Anregung der Lasertätigkeit erzeugen. Den Entspiegelungen 7 sind zur Anregungsverbesserung weitere Resonatorelemente 9 und ein Resonatorspiegel 10 zugeordnet.The arrangement shown in FIG. 1 1 for producing laser radiation comprises a bundle 2 of dielectric glass fibers, which are formed as ring profile light guide 3 (RPLL). The RPLL 3 are arranged side by side in the region of their ends on a coupling length L in the densest packing 4 . The cohesion takes place via a coupling ring 5 . The RPLL 3 are no longer bundled between the coupling rings 5 and fan out somewhat. For the sake of clarity, the RPLL 3 are shown interrupted in the middle. At their one fiber end, the RPLL 3 have mirrors 6 on their end faces, and anti-reflective coatings 7 on their other end faces. The mirrors 6 - and thus the individual RPLL 3 - are each assigned laser diodes 8 by a releasable shock-to-shock coupling, which are spectrally controllable and generate the pump light for stimulating the laser activity. The anti-reflective coatings 7 are assigned further resonator elements 9 and a resonator mirror 10 to improve excitation.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den RPLL 3 gezeigt. Ein massiver axialer Kern 11 wird von einem ringförmigen Mantel 12 vollständig umgeben, der seinerseits von einer Schutzhülle 13 umschlossen ist. Der ringförmige Mantel 12 ist mit laseraktivem Material 14 dotiert. In ihm wird daher die Laserstrahlung angeregt. Der Kern 11 ist als Leckwellenleiter 15 ausgebildet und weist eine Dicke D₁ auf. Der Mantel 12 verfügt über eine Wandstärke D₂ und die Schutzhülle 13 über eine Wandstärke D₃. Für die Dimensionierung gilt:In Fig. 2 a cross section through the RPLL 3 is shown. A solid axial core 11 is completely surrounded by an annular jacket 12 , which in turn is enclosed by a protective cover 13 . The annular jacket 12 is doped with laser-active material 14 . The laser radiation is therefore excited in it. The core 11 is designed as a leaky waveguide 15 and has a thickness D 1. The jacket 12 has a wall thickness D₂ and the protective cover 13 has a wall thickness D₃. The following applies to the dimensioning:

D₁ < D₂ ≈ D₃.D₁ <D₂ ≈ D₃.

Als charakteristische Werte sind anzunehmen für D₁: 50. . .60 µm, für D₂: 5 µm und für D₃: 1,5 µm. Der Gesamtdurchmesser D des RPLL 3 ergibt sich zu:The characteristic values to be assumed for D₁: 50.. .60 µm, for D₂: 5 µm and for D₃: 1.5 µm. The overall diameter D of the RPLL 3 results in:

D=D₁ + 2 D₂ + 2 D₃.D = D₁ + 2 D₂ + 2 D₃.

Der Kern 11 hat einen Brechungsindex n₁, der Mantel 12 einen Brechungsindex n₂ und die Schutzhülle 13 einen Brechungsindex n₃. Für die Wahl der Brechungsindizes gilt:The core 11 has a refractive index n₁, the jacket 12 has a refractive index n₂ and the protective cover 13 has a refractive index n₃. The following applies to the choice of refractive indices:

n₁ < n₂ < = n₃.n₁ <n₂ <= n₃.

Dieses Verhältnis der Brechungsindizes n₁, n₂ und n₃ zueinander ist in der Fig. 3 unter Zuordnung zu den Dickenparametern D₁, D₂ und D₃ beispielhaft grafisch dargestellt. Dadurch, daß der Brechungsindex n₂ des Mantels 12 größer ist als der Brechungsindex n₁ des Kerns 11, kann die durch Pumplicht erzeugte Leckwelle im als Leckwellenleiter 15 ausgebildeten axialen Kern 11 in den Mantel 12 eindringen. Die erzeugte Laserstrahlung im Strahlungsgrundmode wird durch das Brechungsindexverhältnis dann im Mantel 12 weitergeleitet. Der Lichtleitungsverlust der Leckwellen hängt von der RPLL-Geometrie und den Betriebsbedingungen ab und ist proportional zur Pumpleistung. Er wird beschrieben durch den Lichtleistungsverlustkoeffizienten α, dessen Berechnung dem bereits zitierten Aufsatz von Marcuse/Mammel entnommen werden kann. Eine Anpassung des Lichtleistungsverlusts an eine vorgegebene Länge des RPLL 3 wird durch die Wahl des Kerndurchmesser D₁ bzw. der Brechungsindexdifferenz Δn = n₂ - n₁ erreicht derart, daß möglichst die gesamte Pumpleistung bezogen auf die Faserlänge in Anregung umgesetzt wird. Für eine Kerndicke D₁ = 57 µm, einen Brechungsindex n₂ = 1,5004 des Mantels 12, der gleich dem Brechungsindex n₃ der Schutzhülle 13 ist, einen Brechungsindex n₁ = 1,5000 des Kerns 11, eine Modenzahl N = 1 und eine Grundwellenlänge λ₀ = 1,054 µm ergibt sich ein Lichtleistungsverlustkoeffizient α = 0,018/mm, der durch den Kerndurchmesser D₁ bestimmt ist. Die in die RPLL-Kerne 11 eingestrahlte Pumpleistung klingt dann auf einer Faserlänge von 110 mm auf den Wert 1/e² ab. Damit ist sichergestellt, daß die Pumpstrahlung im einfachen Durchlauf durch den Leckwellenleiter 15 mit passend gewählter Länge im aktiven Material in Anregung umgesetzt wird.This ratio of the refractive indices n₁, n₂ and n₃ to one another is shown graphically in FIG. 3 with reference to the thickness parameters D₁, D₂ and D₃. Characterized in that the refractive index n₂ of the jacket 12 is greater than the refractive index n₁ of the core 11 , the leakage wave generated by pump light in the axial core 11 formed as a leakage wave guide 15 can penetrate into the jacket 12 . The laser radiation generated in the basic radiation mode is then passed on in the cladding 12 by the refractive index ratio. The light conduction loss of the leaky waves depends on the RPLL geometry and the operating conditions and is proportional to the pump power. It is described by the light power loss coefficient α, the calculation of which can be found in the article by Marcuse / Mammel already cited. An adjustment of the light output loss to a predetermined length of the RPLL 3 is achieved by the choice of the core diameter D 1 or the refractive index difference Δn = n 2 - n 1 in such a way that the entire pump power based on the fiber length is converted into excitation. For a core thickness D₁ = 57 µm, a refractive index n₂ = 1.5004 of the cladding 12 , which is equal to the refractive index n₃ of the protective cover 13 , a refractive index n₁ = 1.5000 of the core 11 , a mode number N = 1 and a fundamental wavelength λ₀ = 1.054 µm results in a light power loss coefficient α = 0.018 / mm, which is determined by the core diameter D₁. The pump power radiated into the RPLL cores 11 then decays to a value of 1 / e² over a fiber length of 110 mm. This ensures that the pump radiation is converted into excitation in a single pass through the leakage waveguide 15 with a suitably selected length in the active material.

Die geometrischen Verhältnisse eines RPLL 3 werden anhand der technisch realisierbaren Brechungsindexdifferenzen Δn = n₂ - n₁ und unter Voraussetzung der Monomodelichtleitung ermittelt, wobei die Dicke D₂ des Mantels 12 als Träger der aktiven Ionen im Lasermaterial 14 zu maximieren ist, ohne daß die für die Laseremission charakteristischen Daten nachteilig beeinflußt werden. Die für die Lichtleitung charakteristische Größe ist die normierte Frequenz V, die in dem bereits zitierten Aufsatz von Marcuse/Mammel abgeleitet wird. Sie berechnet sich zu:The geometric relationships of an RPLL 3 are determined on the basis of the technically feasible refractive index differences Δn = n₂ - n₁ and under the condition of single-mode light conduction, the thickness D₂ of the cladding 12 as the carrier of the active ions in the laser material 14 being maximized without the characteristic of the laser emission Data can be adversely affected. The characteristic variable for light conduction is the normalized frequency V, which is derived in the article by Marcuse / Mammel already cited. It is calculated as:

V=2π/λ₀ (n₂² - n₁²)¼ D.V = 2π / λ₀ (n₂² - n₁²) ¼ D.

Wenn für das Dickenverhältnis von Mantel 12 zu Kern 11 D₂/D₁ = 0,09 angenommen wird, gilt für Monomodelichtleitung für die normierte FrequenzIf D₂ / D₁ = 0.09 is assumed for the thickness ratio of the jacket 12 to the core 11 , the same applies to single-mode fiber for the normalized frequency

V <=1.V <= 1.

Für eine Brechungsindexdifferenz Δn = 4·10^-4, eine normierten Frequenz V für Grundmodebetrieb = 0,95 und ein angenommenes Verhältnis der Manteldicke D₂ zum RPLL-Radius D/2 = 0,15 errechnet sich die Manteldicke D₂ ≈ 5 µm und der Gesamtfaserdurchmesser D ≈ 66 µm, was bei einer angenommenen Schutzhüllendicke D₃ von 1,5 µm einem Kerndurchmesser D1 ≈ 53 µm entspricht.For a refractive index difference Δn = 4 · 10 ^-4 , a normalized frequency V for basic mode operation = 0.95 and an assumed ratio of the sheath thickness D₂ to the RPLL radius D / 2 = 0.15, the sheath thickness D₂ ≈ 5 µm and the total fiber diameter are calculated D ≈ 66 µm, which corresponds to a core diameter D1 ≈ 53 µm with an assumed protective cover thickness D₃ of 1.5 µm.

In Fig. 4 ist die phasenrichtig kohärente Kopplung zweier benachbarter RPLL 3 über evaneszente Felder dargestellt. Die Feldverteilungen FV der Grundmoden reichen in den Mantel 12 des jeweils benachbarten RPLL 3 hinein und überlappen sich gegenseitig. Es entsteht eine Feldverteilungsüberlappung FVÜ, die das evaneszente Feld zur Kopplung bildet. Für diese Art der Kopplung ist eine bestimmte Koppellänge L (siehe Fig. 1) für Übersprechen in Lichtausbreitungsrichtung erforderlich. Diese berechnet sich nach dem bereits zitierten Aufsatz von Marcatili mit den angesetzten Werten für den Brechungsindex der Schutzhülle n₃ = 1,489, für den Brechungsindex des Mantels n₂ = 1,5004, für den Abstand zwischen zwei benachbarten RPLL 3 von 2 D₃ = 3 µm (doppelte Schutzhüllendicke) und für die Manteldicke D₂ = 5 µm zu L = 30 mm für vollständigen Energietransfer.In FIG. 4, the correct phase coherent coupling of two adjacent RPLL is shown 3 via evanescent fields. The field distributions FV of the basic modes extend into the jacket 12 of the adjacent RPLL 3 and overlap one another. A field distribution overlap FVÜ arises, which forms the evanescent field for coupling. For this type of coupling, a certain coupling length L (see FIG. 1) is required for crosstalk in the direction of light propagation. This is calculated according to the Marcatili article cited with the values for the refractive index of the protective cover n₃ = 1.489, for the refractive index of the cladding n₂ = 1.5004, for the distance between two neighboring RPLL 3 of 2 D₃ = 3 µm (double Protective cover thickness) and for the sheath thickness D₂ = 5 µm to L = 30 mm for complete energy transfer.

Die Lichtausbreitung im RPLL 3 erfolgt in der Oberflächennähe des Mantels 12. In der Fig. 5 sind drei Methoden aufgezeigt, die Lichtausbreitung in der Oberflächenstruktur zur beeinflussen. Der RPLL 3 ist im Längsschnitt dargestellt. Die geometrische Methode, bei der radial umlaufende Rillen 16 in den Mantel 12 eingefräst werden, zeigt die Fig. 5a. Man spricht von einer "Runzelstruktur", die die Bragg-Bedingung für Rückstreuung erfüllt. Die Fig. 5b und 5c zeigen elektromagnetische Beeinflussungsmethoden. In Fig. 5b wird im RPLL-Mantel 12 ein Magnetfeld durch eine um den Mantel 12 gewickelte, stromdurchflossene Spule 17 erzeugt. Das Magnetfeld ermöglicht die Modulation und Polarisationskontrolle der Laserstrahlung. Die Fig. 5c zeigt eine metallische Elektrode 18, die den Mantel 12 umschließt und in ihm ein elektrisches Feld (Stark-Effekt) erzeugt. Dadurch kann die Laserstrahlung moduliert oder in ihrer Wellenlänge abgestimmt werden.The light propagation in the RPLL 3 takes place near the surface of the jacket 12 . In FIG. 5, three methods are shown, for influencing the light propagation in the surface structure. The RPLL 3 is shown in longitudinal section. The geometrical method, are milled in the radially circumferential grooves 16 in the casing 12, FIG. 5a. One speaks of a "wrinkle structure", which fulfills the Bragg condition for backscattering. FIGS. 5b and 5c show electromagnetic interference methods. In Fig. 5b, 12 a magnetic field is produced by a shell 12 around the wound, current-carrying coil 17 in RPLL sheath. The magnetic field enables the modulation and polarization control of the laser radiation. FIG. 5c shows a metallic electrode 18 which surrounds the casing 12 and creates an electric field (Stark effect) in it. As a result, the laser radiation can be modulated or its wavelength can be tuned.

Die beschriebene Anordnung zur Erzeugung von Laserstrahlung ist als Realisierungsvariante anzusehen, die Möglichkeiten zur Erzeugung großer Laserlichtleistungen in unterschiedlichen Spektralbereichen mittels gebündelter und kohärent gekoppelter Ringprofillichtleiter auszunutzen.The arrangement described for generating laser radiation is as View implementation variant, the possibilities for generating large Laser light powers in different spectral ranges by means of bundled and to utilize coherently coupled ring profile light guides.

BezugszeichenlisteReference list

1 Anordnung zur Erzeugung von Laserstrahlung
2 Bündel
3 Ringprofillichtleiter - RPLL -
4 dichteste Packung von 3
5 Koppelring
6 Spiegel
7 Entspiegelung
8 Laserdiode
9 Resonatorelement
10 Resonatorspiegel
11 Kern
12 Mantel
13 Schutzhülle
14 laseraktives Material
15 Leckwellenleiter
16 Rille
17 Spule
18 Elektrode
D Dicke von 3
D₁ Dicke von 11
D₂ Dicke von 12
D₃ Dicke von 13
FV Feldverteilung
FVÜ Feldverteilungsüberlappung (evaneszentes Feld)
L Koppellänge
n₁ Brechungsindex von 11
n₂ Brechungsindex von 12
n₃ Brechungsindex von 13 1 arrangement for generating laser radiation
2 bundles
3 ring profile light guides - RPLL -
4 densest pack of 3
5 coupling ring
6 mirrors
7 anti-reflective coating
8 laser diode
9 resonator element
10 resonator mirrors
11 core
12 coat
13 protective cover
14 laser active material
15 leaky wave conductors
16 groove
17 coil
18 electrode
D thickness of 3
D₁ thickness of 11
D₂ thickness of 12
D₃ thickness of 13
FV field distribution
FVÜ field distribution overlap (evanescent field)
L coupling length
n₁ refractive index of 11
n₂ refractive index of 12
n₃ refractive index of 13

Claims

1. Arrangement for generating laser radiation with a pump light device for excitation of laser-active material in preferably combined into a bundle of glass fibers, which are constructed from an axial core and a sheath surrounding it, the core being thicker than the sheath, characterized in that the Jacket ( 12 ) contains the laser-active material ( 14 ) and has a higher refractive index (n₂) than the core ( 11 , n₁) and a correspondingly small wall thickness (D₂) for generating laser radiation with a monomode character, that the core ( 11 ) as a leaky waveguide ( 15 ) and that the pump light ( 8 ) is coupled into the core ( 11 ) from the glass fiber end.

2. Arrangement for generating laser radiation according to claim 1, characterized in that the glass fibers ( 3 ) are surrounded by a protective sheath ( 13 ) whose refractive index (n₃) and thickness (D₃) to the corresponding parameters (n₂, D₂) of the jacket ( 12 ) are adjusted.

3. Arrangement for generating laser radiation according to claim 1 or 2, characterized in that the individual glass fibers ( 3 ) of the bundle ( 2 ) via evanescent fields (FVÜ) are spatially coherently coupled together on a coupling length (L).

4. Arrangement for generating laser radiation according to claim 3, characterized in that the required coupling length (L) is equal to the length over which the glass fibers ( 3 ) are arranged in a densest packing ( 4 ) to each other in the bundle ( 2 ).

5. Arrangement for generating laser radiation according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the pump light is generated by laser diodes ( 8 ) which have different spectral characteristics.

6. Arrangement for generating laser radiation according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the glass fibers ( 3 ) consist of different host materials and / or contain different laser-active material ( 14 ) in their jackets ( 12 ).

7. Arrangement for generating laser radiation according to one of the preceding claims 1 to 6, characterized in that the laser radiation transmitted in the vicinity of the surface of the jacket ( 12 ) can be influenced by means of grooves ( 16 ) running in radial planes.

8. An arrangement for generating laser radiation according to one of the preceding claims 1 to 6, characterized in that the laser radiation transmitted in the vicinity of the surface of the jacket ( 12 ) can be influenced by means of a current-carrying coil ( 17 ).

9. Arrangement for generating laser radiation according to one of the preceding claims 1 to 6, characterized in that the laser radiation transmitted in the vicinity of the surface of the jacket ( 12 ) can be influenced by means of a metallic electrode ( 18 ).

10. Arrangement for generating laser radiation according to one of the preceding claims 1 to 9, characterized in that the laser radiation is generated in constant light or in pulse mode.