DE60108174T2 - Leistungsskalierbare wellenleiterverstärker- und laserbauelemente - Google Patents

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Description

  • VERTRAGSMÄSSIGER URSPRUNG DER ERFINDUNG
  • Die Regierung der Vereinigten Staaten besitzt Rechte an dieser Erfindung unter der Vertrags-Nr. N 68335-00-C-0486 zwischen dem United States Department of Defense und Coherent Technologies, Inc., und bestimmten Air Force Verträgen.
  • QUERREFERENZEN ZU IN BEZUG STEHENDEN ANMELDUNGEN
  • Diese Patentanmeldung beansprucht die US Provisional Applications No. 60/236,638, angemeldet am 29. September 2000, und No. 60/259,681, angemeldet am 4. Januar 2001.
  • Technisches Sachgebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf optische Verstärker und Laser und insbesondere auf skalierbare Leistungsverstärker und Laservorrichtungen, basierend auf selbstabbildenden (seLf-imaging) Festkörper-, Multimode-Wellenleiter-Technologien. Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Gebiete von Wellenleitern und Strahltransport. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Strahltransportsysteme und, in einigen Anwendungen, auf Bild- und Datentransportsysteme und einen Hochleistungsstrahltransport. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf geführte Wellensysteme oder einen Strahltransport, die insbesondere bei optischen Systemen anwendbar sind, die hohe Leistungserfordernisse und erwünschte Polarisation- und räumliche, spektrale, zeitlich-kohärente Charakteristika haben. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch auf andere Moden einer Wellenleitung und eines Strahltransports angewendet werden, wie beispielsweise Führung und Transport von verschiedenen Formen transmittierter, elektromagnetischer Energie oder mechanischer Energie. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf selbstabbildende, geführte Wellensysteme und einen Strahltransport. Die Erfindung kann insbesondere bei Systemen angewandt werden, die eines oder mehrere von potenziell erwünschten Merkmalen liefert, wie beispielsweise synthetische Blende, verteile Blende, Strahlformung, Strahllenkung, Strahlkombinieren, Leistungsabtastung, Leistungskombinieren, Leistungsaufteilung, unter anderen Merkmalen.
  • Spezifische Gebiete, auf die sich die vorliegende Erfindung beziehen kann, umfassen Telemetrie, aeronautische und Weltraumanwendungen, gerichtete Energiesysteme, Objektabbildungssysteme, Objektpositionierungs- und Verfolgungssysteme, Erfassungssysteme, Faseroptiken, maschinelle Herstellung und medizinische Systeme, unter anderen.
  • Hintergrund
  • Es sind viele potenzielle Anwendungen für optische Verstärker und Laser vorhanden, die effizient sind, von geringer Masse sind und von kompakter Größe sind, die allerdings dennoch auf hohe, durchschnittliche Leistungen skaliert werden können, während sie einen Strahl mit hoher Qualität, nahezu in der Diftraktion unbegrenzt, erzeugen. Ein Beispiel ist in dem früheren Dokument US 560874 offenbart. Zum Beispiel werden Laserstrahlen umfangreich in der Industrie für die Materialverarbeitung, für Schneid- und Bohranwendungen und in medizinischen, chirurgischen Abläufen verwendet, in denen sehr schmal fokussierte Strahlen mit hoher Intensität schärfere, saubere Schnitte erzeugen. Ein TEM00 Strahl ist ein Typ eines Strahls, in dem die Lichtenergie räumlich kohärent ist (dieselbe Phase über die Dicke oder den Querschnitt des Strahls) und der niedrigste räumliche Mode eines Lasers ist. (Ein räumlicher Mode im Zusammenhang mit einer räumlichen Kohärenz bezieht sich auf den Grad, mit dem der Laser räumlich kohärent ist, und sollte nicht mit Moden einer Lichttransmission in einem Wellenleiter verwechselt werden, was hier auch diskutiert wird.) Ein TEM00 Strahl kann herunter auf die kleinste Größe fokussiert werden – viel mehr als höhere Moden, was demzufolge die Lichtenergie in dem Strahl zu einer hohen Intensität konzentriert. Ein TEM00 Strahl kann auch über größere Entfernungen mit einer verringerten Strahlausbreitung in der Größe propagiert werden. Für viele Anwendungen ist es deshalb erwünscht, so viel Energie wie möglich in TEM00 Strahlen zu packen. Zum Beispiel bedeutet, zum Schneiden von Materialien, ein Packen von mehr Energie in einen TEM00 Strahl mehr Energie, die auf einen sehr kleinen Fleck fokussiert werden kann, um besser, schärfer und sauberer als mit einem höheren Mode, z. B. TEM00 oder TEM00, zu schneiden, in dem die Lichtenergie eine noch geringere, räumliche Kohärenz der Lichtenergie in dem Strahl besitzt.
  • Laserlicht kann auch verwendet werden, um einen Bereich (Entfernung), eine Geschwindigkeit oder eine Richtung eines Laufs und sogar Formen oder Bilder von Objekten, wie beispielsweise Ziele, zu erfassen, wie dies, zum Beispiel, in dem US-Patent Nr. 5,835,199 beschrieben ist. Ein Bereich kann durch Senden (Aussenden) kurzer Impulse (Bursts) aus Laserlicht zu dem Objekt hin, z. B. zu einem Target, und zwar von dem Bereichdetektor, gemessen werden. Wenn jeder Impuls aus Lichtenergie das Ziel beziehungsweise Target erreicht, wird die Lichtenergie durch das Target reflektiert. Ohne dass das Target ein Hochqualitätsspiegel ist, streut die Reflexion die Lichtenergie in vielen Richtungen. Allerdings wird ein kleiner Teil der reflektierten Lichtenergie zu dem Bereichdetektor zurückkehren, wo eine Gerätschaft die Reflexion ebenso wie die Zeit, die der Impuls aus Lichtenergie benötigte, um von dem Bereichdetektor zu dem Target und zurück zu laufen, d.h. die Flugzeit, erfasst. Da die Geschwindigkeit von Licht bekannt ist, kann die Zeit eines Flugs in Verbindung mit der Geschwindigkeit des Lichts verwendet werden, um den Bereich (die Entfernung) des Targets von dem Bereichdetektor zu berechnen. Fall sich das Target in Relation zu dem Bereichdetektor bewegt, wird die reflektierte Lichtenergie eine Frequenzänderung haben, bekannt als die Doppler-Verschiebung, die auch in dem kleinen Anteil der Lichtenergie, die zurück zu dem Bereichdetektor reflektiert ist, erfasst werden kann. Eine solche Doppler-Frequenzverschiebung kann dazu verwendet werden, die Richtung eines Laufs und die Geschwindigkeit des Targets in Relation zu dem Bereichdetektor zu bestimmen. Eine solche Bereich- und Geschwindigkeit- (Entfernung, Geschwindigkeit und Richtung) Erfassung kann allerdings nur dann auftreten, wenn der zuvor beschriebene, kleine Anteil der ursprünglichen Lichtenergie, die reflektiert wird und zu dem Bereichfinder zurückkehrt, noch stark genug ist, um inmitten der gesamten anderen Lichtenergie von ähnlichen Wellenlängen in der Atmosphäre (Hintergrundrauschen) erfasst zu werden, die auch den Bereichdetektor erreicht. Natürlich wird einiges der Lichtenergie auch absorbiert und durch die Atmosphäre dispergiert. Deshalb ist es, je mehr Lichtenergie in dem Impuls des Lichts vorhanden ist, der das Target erreicht, um so wahrscheinlicher, dass genug Lichtenergie durch das Target zurück zu dem Bereichdetektor reflektiert werden wird, um gegenüber dem Hintergrundrauschen erfassbar und unterscheidbar zu sein. Ein TEM00 Strahl wird weiter ohne Ausbreiten als irgendein anderer Mode (Grad einer räumlichen Kohärenz) propagieren, was demzufolge die Lichtenergie, konzentriert in einem kleineren Raum als andere Moden, beibehalten wird. Demzufolge wird ein TEM00 Strahlimpuls in der Lage sein, mehr seiner Energie von dem Target zurück zu dem Bereichdetektor zu liefern als andere Moden, was die Wahrscheinlichkeit erhöhen wird, dass die zurückführende Reflexion der Lichtenergie von dem Target von einer ausreichenden Amplitude sein wird (stark genug), um durch den Bereichdetektor erfassbar zu sein.
  • Der maximale Bereich, der gemessen werden kann, wird deshalb, zumindest teilweise, durch die Energie, enthalten innerhalb des Impulses des Laserlichts, bestimmt. Wie vorstehend erläutert ist, muss genug Lichtenergie in der Lage sein, den vollen Weg von dem Bereichdetektor zu dem Target (überlebende Absorption, Streuung und andere Dämpfung durch die Atmosphäre) zu laufen, muss reflektiert werden (überlebende Absorption und reflektive Streuung in anderen Richtungen durch das Target) und muss zu dem Bereichdetektor zurückkehren (überleben von noch mehr Absorption, Streuung und einer anderen Dämpfung durch die Atmosphäre) und muss noch von einer größeren Amplitude als das Hintergrundrauschen sein. Je länger der Impuls ist, d.h. je länger der Laser "eingeschaltet" verbleibt, desto mehr Lichtenergie wird in dem Impuls vorhanden sein. Deshalb sind oftmals, um Targets unter dem längsten Bereich (Entfernung) zu erfassen, die kürzeren Impulse mit einer nahezu diffraktions-begrenzten, räumlichen Kohärenzen und einem nahezu transformationsbegrenzten, räumlichen, spektralen Inhalt erwünscht. Allerdings wird, falls verschiedene Targets oder Objekte nahe zueinander vorhanden sind, der lange Impuls nicht dem Bereichdetektor ermöglichen, zwischen Lichtenergie, reflektiert von den verschiedenen Targets oder Objekten, jeweils, zu unterscheiden. Zum Beispiel wird, falls sich die transmittierte Lichtenergie in dem Impuls für 20 Meter in der Länge ausdehnt, die Reflexion für die vollen 20 Meter des Impulses auftreten und dadurch eine 20-Meter-Reflexion erzeugen, was zu klein für ein Objekt oder Target sein könnte. Allerdings würde, falls ein Objekt oder Target nur zehn (10) Meter von einem anderen Objekt oder Target entfernt positioniert ist, der Bereichdetektor in der Lage sein, zu erfassen, dass dort tatsächlich zwei Objekte oder Targets, beabstandet um zehn (10) Meter voneinander entfernt, vorhanden sind, anstelle davon nur ein Target oder Objekt zu erfassen. Eine solche Bereichdiskriminierung, d.h. die minimale Entfernung, die zwei reflektive Oberflächen beabstandet, die getrennt erfasst werden können, ist noch kritischer in Laserabbildungsanwendungen, bei denen der Bereichdetektor in der Lage sein muss, zwischen unterschiedlichen, reflektierenden Oberflächen desselben Ob jekts oder Targets zu diskriminieren, um dessen Form zu bestimmen. Eine solche Bilderzeugung zusammen mit einer Bereicherfassung kann, zum Beispiel, dazu verwendet werden, zwischen einem feindlichen Panzer und einem benachbarten Haus zu unterscheiden oder zu bestimmen, ob ein Flugzeug die Form eines kommerziellen Flugzeugs oder eines Militärbombers besitzt.
  • Demzufolge besitzen, als eine allgemeine Regel, temporal kurze Lichtenergieimpulse, d.h. geringe Impulsbreiten, eine bessere Bereich- oder sogar Formdiskriminierungsfähigkeit, allerdings ist der maximale Bereich oftmals aufgrund des niedrigen Energiegehalts, der technisch in früheren Systemen nach dem Stand der Technik praktikabel ist, schlecht. Umgekehrt kann, je breiter der Impuls ist, um so höher die Energie sein, und je länger der Bereich ist, um so schlechter wird allerdings, gleichzeitig, die Bereich- oder Formdiskriminierung sein.
  • Für die beispielhaften Anwendungen, die vorstehend beschrieben sind, ebenso wie für viele weitere, wäre es sehr vorteilhaft, in der Lage zu sein, TEM00 Strahlen mit höherer Leistung mit einer kompakten Ausrüstung zu erreichen, die nicht Gegenstand der typischen, nachteiligen, nicht linearen und thermischen Effekte ist, die eine Funktion der Hochleistungs-Laserresonatoren und der optischen Hochleistungs-Verstärkungsvorrichtungen nach dem derzeitigen Stand der Technik begrenzen oder verschlechtern. Solche nicht-linearen und thermischen Effekte umfassen eine thermische, selbstfokussierende und Selbst-Phasen-Modulation, Spannungsdoppelbrechung, stimulierte Rayleigh-, Raman- und Brillouin-Streuung, Intermodel-Dispersion, und dergleichen. Derzeitige Maßnahmen nach dem Stand der Technik, um Hochleistungsstrahlen zu erzielen, verwenden zum Beispiel Hochleistungs-Laserdioden, um kristalline Lasermaterialien in der Form von Stäben oder Platten zu pumpen. Da die Leistung von einer Single-Mode-Laserdiode derzeit auf ungefähr ein Watt bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik begrenzt ist, werden große Felder aus Dioden in Emittern verwendet, um zu höheren Leistungen zu skalieren. Die schlechte, räumliche Modequalität von Diodenfeldern erfordert neuartige Pumpgeometrien, um eine ausreichende Überlappung von Pump- und Laserstrahlen zu erreichen. Eine Vielzahl von Laserdioden-Kopplungsverfahren ist gezeigt worden, einschließlich von Linsenführungen für ein Endpumpen [Camille Bibeau et al., "CW und Q-switched performance of a diode end pumped Yb:YAG laser", Adv. Solid State Lasers, vol. 10, 296 (1997)], Seiteneinkopplung in eine diffuse Pumpkammer [S. Fiyikawa et al., "Highpower high-efficient diode-side pumped Nd:YAG laser", Adv. Solid State Lasers, Vol. 10,296 (1997)], fasergekoppelte Diodenfelder für ein longitudinales Pumpen und ein direktes Querpumpen in Slab-Lasern [A. Mclnnes et al., "Thermal effects in a Coplanar-Pumped Folded-Zigzag Slab Laser", IEEE J. Quantum Electron Vol. 32,1243 (1996), und Referenzen darin]. Unter hohen Leistungen ist es schwierig, sowohl eine ausgezeichnete Pump/Modeanpassung mit einer hohen Pumpenabsorption und brechungsbegrenzter Strahlqualität zu erreichen. Ein longitudinales Pumpen kann zu einer ausgezeichneten Modeanpassung führen, ist allerdings in der Leistung aufgrund der thermischen Spannungsbruchgrenze begrenzt, d.h., das Medium wird reißen, wenn es zu heiß wird [S. Tidwell et al., "Scaling CW Diode-End-Pumped Nd:YAG Lasers to high Average Powers", IEEE J. Quantum Electron, vol. 28,997 (1992)]. Ein gemeinsames Problem in allen diesen Lasergeometrien ist das thermische Management – sowohl in der Form einer Wärmeextraktion als auch Dissipation und einer optischen Verzerrung aufgrund von thermischen Gradienten. Der Wärmeaufbau resultiert aus einer Absorption der hohen Pumpenergie in einem kleinen Volumen des Lasermaterials, und eine aktive Kühlung in der Form von baugroßen Wärmeaustauschern oder Kühlsystemen ist gewöhnlich erforderlich, um die Wärme zu entfernen. Eine solche aktive Kühlung trägt stark zu der Größe, dem Gewicht und den Energieerfordernissen des Systems bei. Thermische Gradienten in den Lasermaterialien spiegeln sich in den Formen einer nicht erwünschten, thermischen Linsenbildung oder einer Selbstfokussierung wieder, und zwar aufgrund einer thermisch induzierten Doppelbrechung, die eine Polarisation des Lichts ändert. Siehe zum Beispiel David Brown, "Nonlinear Thermal Distortions in YAG Rod Amplifiers", IEEE J. Quantum Electron, voI. 34,2383 (1998). Eine umfangreiche Untersuchung ist den Kompensationsschemata dieser nachteiligen thermischen Effekte gewidmet worden. Diese Probleme sind signifikant, da dabei eine typische, energieabhängige Doppelbrechung und Doppelfokussierung vorhanden ist. Siehe James Sherman, "Thermal compensation of a CW-pumped Nd:YAG laser", Appl. Opt., vol. 37, 7789 (1998). Eine Technik, die versucht worden ist, um diesen Effekt zu beseitigen, ist die Verwendung von extrem dünnen Lasermedien ("dünnen Scheiben"), so dass ein thermischer Gradient verringert wird und eindimensional ist. Siehe U. Branch et al., "Multiwatt diode-pumped Yb:YAG thin disk laser continuously tunable between 1018 and 1053 nm", Opt. Lett., vol. 20, 713 (1995). Allerdings verstärkt sich bei einem Betrieb in einem Lasermaterial mit einem quasi dreifachen Niveau (Yb, Er, Tm, Ho) stark das thermische Problem, da es ein viel stärkeres Pumpen, um einen Schwellwert/oder ein Kühlen zu erreichen, um das thermische Laserniveau zu entvölkern, erfordert. Demzufolge ist keine reale Lösung in Bezug auf die thermischen Probleme vorhanden gewesen, wenn große Lasermaterialien zu hohen Leistungsniveaus skaliert werden.
  • Optische Faserlaser und Verstärker beseitigen einige der thermischen Probleme von großen Laserkristallmaterialien durch starkes Erhöhen der Länge des Verstärkungsmediums und Vorsehen einer Moden-Begrenzung, d.h. Begrenzen der Größe des Faserkerndurchmessers so, dass er nur den Eigen-Mode niedrigster Ordnung (so genannte "Single-Mode-Fasern" – "Mode" in diesem Zusammenhang sollte nicht mit räumlichen Kohärenz-Moden verwechselt werden, die vorstehend und nachfolgend diskutiert sind) propagieren kann. Dabei sind verschiedene Vorteile bei dieser Maßnahme vorhanden, umfassend: (i) die lange Wechselwirkungslänge zwischen dem Pumplicht und dem Laserstrahl führt zu einer hohen Verstärkung und einem effizienten Betrieb, sogar in 3-Niveau-Lasern, in denen das End-Laser-Niveau thermisch populiert ist; (ii) Wärme wird über eine große Länge des Lasermediums mit einem größeren Oberflächenbereich verteilt, so dass die Wärme mit einem passiven, leitenden Kühlen an die Atmosphäre oder zu einer Wärmesenke weggeführt werden kann; (iii) ein Betrieb kann auf einen Einzel-Quer-Mode beschränkt werden, was eine TEM00 räumliche Kohärenz für die Strahlfokussierbarkeit und die Strahlpropagation mit Vorteilen einer minimalen Strahlausbreitung bewahren wird, wie dies vorstehend beschrieben ist; (iv) die flexible Art der optischen Fasern ermöglicht kompakte und neuartige, optische Designs; (v) die optischen Fasern können direkt mit anderen passiven oder aktiven Wellenleitern für eine modulare Funktionalität gekoppelt werden; und (vi) eine Herstellung ist für eine Produktion in großem Maßstab geeignet, was Kosten verringert. Allerdings ist eine Leistungsskalierung, d.h. eine Skalierung hoch zu höheren Leistungsniveaus, in einer solchen optischen Single-Mode-Faser durch die Unfähigkeit beschränkt, eine effektive Kopplung von Pumplichtenergie in die optische Phase und durch den winzigen Single-Mode-Kern (geringer als 10 um im Durchmesser), der nur so viel Lichtenergie ohne ein Überhitzen handhaben kann und zu einem katastro phalen Facetten-Fehler (Kopplungsfläche) führt, vorzunehmen. Die Single-Mode-Kerngröße mit sehr kleinem Durchmesser einer Single-Mode-Faser besitzt eine sehr kleine nummerische Blende (optische Öffnung), durch die Licht in den Faserkern eingeführt werden kann, so dass schmal begrenzte oder fokussierte Pumplichtquellen mit hoher Intensität verwendet werden müssen.
  • Diese Eingrenzung von Faserlasern und Verstärkern ist teilweise durch die Verwendung einer Doppelmantel-Faserstruktur überwunden worden, bei der der Single-Mode-Kern mit kleinem Durchmesser durch einen inneren Mantelbereich umgeben ist, der wiederum durch einen äußeren Mantelbereich umgeben ist. Der innere Mantelbereich besitzt eine größere, nummerische Blende als der Kern, der demzufolge mehr Pumplichtenergie in mehr Moden aufnehmen kann. Deshalb ist das Pumplicht optisch auf sowohl den Kern als auch auf den inneren Mantelbereich zusammen eingeschränkt, während der optische Strahl (vorzugsweise ein TEM00Strahl) auf den Kern alleine eingeschränkt ist. Allerdings umfassen Nachteile von solchen Doppel-Mantel-Faser-Designs: (i) die Pumplichtenergie wird, während sie in dem Kern und den inneren Mantel zusammen eingeführt und durch diese eingeschränkt wird, nur in dem Kernbereich absorbiert, so dass der effektive Absorptionskoeffizient durch ungefähr das Verhältnis des Kernbereichs zu dem inneren Mantelbereich verringert wird; (ii) die Größe des inneren Mantelbereichs ist noch sehr klein, sogar obwohl er größer als der Kern ist, so dass eine Kopplung eines Laserdiodenarrays in den inneren Mantelbereich nur sehr schwierig und nicht sehr effizient ist; und (iii) der äußere Mantelbereich muss mit einem viel niedrigeren Brechungsindex als der innere Mantelbereich für eine optische Eingrenzung des Pumplichts auf den inneren Bereich hergestellt werden, und solche Materialien mit niedrigerem Brechungsindex sind oftmals Polymere (Kunststoff) die viel anfälliger in Bezug auf eine Beschädigung als Glas, insbesondere hinsichtlich Wärme, sind.
  • Weiterhin ist der Single-Mode-Kerndurchmesser von optischen Fasern so klein (geringer als 10 μm, was äquivalent zu 7,8 × 10–7 cm2 in dem Querschnittsbereich ist), dass ein Lichtimpuls von 10 μJ (Mikro Joule) eine Fluenz (Energie pro Einheitsbereich) größer als 13J/cm2 (Joules pro Quadratzentimeter) besitzt, was nahezu dem Beschädigungsschwellwert der Faser entspricht. Ein größerer Kerndurchmesser kann mehr Energie natürlich aufnehmen, so dass ein Lichtimpuls von 10 μJ nicht so nahe zu dem Beschädigungsschwellwert liegen würde, allerdings führen größere Kerndurchmesser zu einem nicht erwünschten Eigenmode-Mischen und führen zu einem Verlust der Polarisation, einer räumlichen Kohärenz und einer zeitlichen Kohärenz. Polarisation ist für viele Strahleingangs- und Ausgangssysteme ebenso wie für eine Strahlteilung und Analyse-Funktionen erforderlich, und eine TEM00 räumliche Kohärenz besitzt die Vorteile der Fokussierung und einer sich nicht ausbreitenden Propagation, wie dies vorstehend beschrieben ist. Deshalb sind der Verlust einer Polarisation und der räumlichen Kohärenz wesentliche Strahl-Verschlechterungen, die vermieden werden sollten. Einige Multi-Mode-Fasern mit einem großen Bereich und einem komplexen Design sind mit einem verringerten Mode-Mischen und mit Impuls-Energien bis zu 500 μJ mit M2 < 1,2 angegeben worden, wobei M2 ein Maß einer Divergenz relativ zu einer Diftraktionsgrenze ist und M2 = 1 diffraktionsbegrenzt ist, was berichtet worden ist [siehe z. B. H. Offerhaus et al., "High-energy single-transverse mode Q-switched fiber laser based on multimode large-mode-area erbium-doped fiber", Opt. Lett., vol.23 (1998)], allerdings ist kein wahres Single-Mode-(LP01)-Faser-Design in der Lage gewesen, die 1 mJ (1.000 μJ) Barriere zu brechen, während eine spektral und räumliche Kohärenz mit kurzen, zeitlichen Impulsbreiten beibehalten wird.
  • In einigen Anwendungen sind die Herstellung und die Verstärkung von Hochleistungs-Lasern mit hoher Qualität und anderen Lichtstrahlen nur ein Teil des Problems. Ein Transportieren solcher Strahlen mit hoher Energie, hoher Qualität zu Anwendungspunkten, wie beispielsweise dem industriellen Schneiden und der Materialverarbeitung, Medizin-, Laser-, Radar-Messung, Bilderzeugung und Nachführungs-Anwendungen, die vorstehend erwähnt sind, können auch bisher ungelöste Probleme darstellen. Zum Beispiel wird, in einem Laser-Radar-(Ladar)-System, das in dem US-Patent Nr. 5,835,199 beschrieben ist, ein Hochleistungs-Laserstrahl zum Aussenden von Flugzeugen oder anderen Plattformen aus zum Vermessen, Abbilden und Verfolgen von Objekten oder Targets, bis zu zwanzig Meilen oder mehr weg, erzeugt. In einem Flugzeug kann der effektivste Ausgangspunkt für solche Hochleistungsstrahlen in dem Nasenkonus des Flugzeugs sein. Allerdings ist der Nasenkonus gewöhnlich klein und dort sind auch viel Elektronik und andere Arten einer Ausrüstung vorhanden, die dort angeordnet sein müssen. Demzufolge ist es oftmals nicht möglich, die Ausrü stung für eine Hochenergie-Strahlerzeugung und Verstärkung, beschrieben in dem US-Patent Nr. 5,835,199, an der effektivsten Aussendestelle in dem Flugzeug anzuordnen. Es wäre sehr vorteilhaft, eine Möglichkeit eines Transportierens nur des Hochenergie-Strahls von einer bestimmten anderen Stelle in dem Flugzeug zu einem Aussendepunkt in den Nasenkonus zu führen, ohne die Strahlleistung, die Qualität, die Polarisation, und dergleichen, herabzusetzen.
  • Ähnliche Strahltransportfähigkeiten wären auch in industriellen, medizinischen, Bilderzeugungs-Anwendungen, Anwendungen mit gerichteter Energie und anderen Anwendungen eines Hochleistungs-Lasers und von anderen Lichtstrahlen von Vorteil, wo es passender wäre, einen Strahl mit hoher Leistung, hoher Energie ohne die gesamte zugeordnete Strahlerzeugungs- und/oder Verstärkungsanordnung anzuordnen.
  • Dennoch stellen Laserstrahlen mit hoher Leistung, hoher Qualität ohne Verschlechterung der Strahlleistung, der Qualität, der zeitlichen und räumlichen Kohärenz, der Polarisation, und dergleichen, ernsthafte Probleme im Hinblick auf viele derselben Arten von Hindernissen, wie sie vorstehend für eine Strahlerzeugung und – Verstärkung beschrieben sind, dar. Zum Beispiel können Single-Mode-Wellenleiter, wie beispielsweise optische Single-Mode-Fasern, eine Strahlqualität beibehalten, sind allerdings sehr in Energietransportfähigkeiten begrenzt. Es ist nicht unüblich für industrielle, medizinische und sogar Bilderzeugungs-Anwendungen, eine Dauer-(cw)-Ausgangsleistung von 100 Watt oder mehr zu fordern, während Laseranwendungen mit noch höherer Leistung, wie beispielsweise Q-switched oder gepulster Laser, eine Ausgangsleistung in dem Megawatt-Bereich haben können, wie beispielsweise 10 Megawatt oder größer. Single-Mode-Fasern und Wellenleiter sind einfach nicht in der Lage, diese Art einer optischen Leistung oder Lichtenergie zu handhaben.
  • Multi-Mode-Fasern und andere Wellenleiter können mehr Energie transportieren, allerdings behalten sie keine räumliche Kohärenz, Polarisation, und dergleichen, aufgrund einer Multi-Mode-Interferenz und aus anderen Gründen, die vorstehend erwähnt sind, bei. Ein Lichttransport über einen freien Raum besitzt seine eigenen Probleme, wobei nicht das einzigste davon dasjenige ist, dass die Lichtwege ungestört sein müssen und Ausrichtungs- und Stabilitätsprobleme in Umgebungen außerhalb des Labors äußerst schwierig zu beseitigen und oftmals unüberwindbar sind.
  • Techniken sind früher entwickelt worden, um aktiv zirkulare, räumliche Faser-Mode-Unzulänglichkeiten, finiter Länge, potenziell umfassend SBS-Phasen-Konjugation, zu kompensieren, allerdings sind diese Techniken in ihrem Umfang auf Laser mit schmaler, spektraler Linienbreite begrenzt, um die SBS-Verstärkungsbandbreite anzupassen, auch in Bezug auf genug optische Leistung, um ein nicht-lineares Treiberfeld, das erforderlich ist, und Wellenfronten, die nicht vollständig randomisiert sind, zu schaffen. Weiterhin kann es, und wie zuvor erwähnt ist, in vielen Wellenleiteranwendungen erwünscht sein, eine Polarisation beizubehalten. In kreisförmigen Fasern mit einem gleichförmigen Brechungsindex kann, in sowohl dem Kern als auch in dem Mantel, eine Polarisation nicht beibehalten werden. Um eine Polarisation zu bewahren, können spezielle, eine Polarisation beibehaltende Faser-Designgestaltungen erforderlich sein, die im Wesentlichen eine asymmetrische Indexdifferenz in orthogonalen Richtungen erzeugen. Falls dieses Indexprofil gestört ist, kann potenziell, als eine Folge eines Hochleistungsbetriebs, die Polarisationsintegrität driften oder verloren gehen.
  • Frühere Versuche können vorgenommen worden sein, um traditionelle, selbstabbildende Techniken für Wellenleitersysteme mit niedriger Energie einzusetzen, um potenziell eine Strahlqualität zu bewahren. Das Konzept einer Selbstabbildung kann allgemein entsprechend den traditionell bekannten, physikalischen Beobachtungen abgeleitet worden sein. Entsprechend einer solchen Beobachtung ist allgemein gezeigt worden, dass dann, wenn eine ebene Welle eine ebene Phase oder ein Amplitudengitter beleuchtete, wie beispielsweise ein Ronchi-Gitter, dieses Gitter periodisch räumlich wieder ohne die Verwendung von Linsen abgebildet würde. Die Bilderzeugungsperiode entlang der Propagationsachse wird allgemein als der Talbot-Abstand bezeichnet: DT = 2 n a2/λ (1)wobei n der Brechungsindex ist, a die Wellenleiterbreite ist und λ die Wellenlänge von Licht im Vakuum ist. Allerdings ist eine solche Anwendung einer Selbstabbildung nach Talbot nicht zuvor geeignet für Hochleistungs-Wellenleitersysteme eingesetzt worden.
  • Die US-Patente 3,832,029 und 4,087,159 können Selbstabbildungs-Techniken für ein Bild bildende Wellenleitersysteme und bestimmte Konfigurationen von Wellenleitern für eine Selbstabbildung mit niedriger Leistung vorsehen. Allerdings können beide Systeme an Nachteilen leiden, die sich auf Hochleistungsbetriebe beziehen. Das potenzielle Einsetzen solcher Wellenleitersysteme in Hochleistungsanwendungen, wie beispielsweise Laseranwendungen und in gerichteten Energiesystemen, Objekt-Abbildungssystemen, Objekt-Positionierungs- und Nachführungssystemen, Erfassungssystemen, optischen Fasern, der Maschinenherstellung, und medizinischen Systemen, können allgemein zu einer potenziellen optischen Beschädigung des Wellenleiters und zu nicht linearen, optischen Effekten führen, wie dies zuvor beschrieben ist, da solche früheren Systeme nicht einen Betrieb mit hoher Leistung aufnehmen können. Zusätzlich muss ein potenzieller, langer Mangel, allerdings ein nicht erfülltes Erfordernis, in relevanten Gebieten, die die Auflösung einer Strahlqualität und Aspekte einer Hochleistungsanwendung für Wellenleitersysteme betreffen, existiert haben, wozu die Bemühungen in den US-Patenten 3,832029 und 4,087,159 beschrieben sind, und potenziell andere frühere Versuche können fehlgeschlagen sein, um sich solchen Betriebsweisen zuzuwenden. Deshalb können solche Wellenleitersystemetatsächlich von dem Einsetzen von selbstabbildenden Techniken und besonderen Konfigurationen von Wellenleitern in Hochleistungs-Wellenleiter- und Strahltransporttechniken wegführen.
  • Strahlqualitätsprobleme können zum Beispiel entstehen, die zu einem Mode-Mischen in Bezug gesetzt sind, wie dies zuvor beschrieben ist, oder in Bezug auf ein "biegen, wölben oder verdrehen" des Wellenleiters, was potenziell zu einer Modifikation mindestens einer räumlichen Kohärenz führt, zum Beispiel ein Verdrehen des Wellenleiters kann optisch zu einer Strahlbildung potenziell äquivalent zu einer negativen Linse führen, und eine Biegung in dem Wellenleiter kann zu einer Strahlbildung potenziell äquivalent zu einer positiven Linse führen. Solchen Anwendungen einer Wellenleiter-Technologie ist sich nicht adäquat in den vergangenen Versuchen, die vorstehend beschrieben sind, oder in anderen, früheren Strahltransport-Technologien, zugewandt worden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Deshalb ist die Erfindung so wie in Anspruch 1. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Verstärker oder einen Laserresonator zu schaffen, die unter viel höheren optischen Leistungen und Q-geschalteten Impulsenergien betrieben werden können, als dies in Single-Mode-Wellenleitern oder Fasern möglich ist, während (i) sie auch viele gute Vorteile eines Single-Mode-Wellenleiters oder von Faserverstärkern und Lasern haben, einschließlich der Bewahrung einer Polarisation und der Fähigkeit eines Beibehaltens eines TEM00 (Gauss) Strahlprofils (oder irgendeiner anderen erwünschten Wellenform); und (ii) vermeiden von unerwünschten, nicht linearen Effekten, die in einem Single-Mode-Wellenleiter oder Faserverstärker oder Laser, betrieben unter höheren Intensitäten, eigen sind, wie beispielsweise Spannungsdoppelbrechung und Selbst-Phasen-Modulation.
  • Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Hochleistungs-Dauerwellen-(CW)-Laserstrahlen zu schaffen, die in der Lage sind, eine TEM00 (Gauss) Wellenfront für scharte Fokussierfähigkeiten in industriellem Materialverarbeitungs- und Herstellungs-, medizinischen, chirurgischen Anwendungen, und irgendeiner anderen Anwendung, in der eine scharte Fokussierung von Hochleistungsstrahlen vorteilhaft sein würde, beizubehalten.
  • Eine andere allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von gepulsten Hochleistungs-Laserstrahlen zum Einbringen von höherer Energie in kürzeren Impulsen für länger dauernde Anwendungen und Target-Akquisitions-Anwendungen mit höherer Auflösung und Bilderzeugungs-Anwendungen zu schaffen.
  • Eine andere allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Hochleistungsverstärker oder Laserresonator zu schaffen, der eine effiziente Wärmeabfuhr besitzt und der einfach und effektiv an eine Wärmesenke angepasst werden kann.
  • Eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Hochleistungs-, allerdings dennoch kompakten und leichtgewichtigen, optischen Verstärker oder Laserresonator zu schaffen.
  • Eine weitere spezifische Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Hochleistungs-, quasi kontinuierlichen Wellen- (quasi-continuois-wave – QCW) oder Makro-Impulslaser mit einer hohen Wiederholungsrate zu schaffen, der zu einem Band IV für Infrarot-Abwehr-Gegenmaßnahmen-Anwendungen frequenzgewandelt werden kann.
  • Eine noch andere spezifische Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laserquelle mit einer Wiederholungsrate von ein paar Hz bis < 100 MHz zu schaffen, die effizient quasi-cw gepumpt werden kann, oder mit einem kontinuierlichen (cw) Diodenlaser unter niedrigen Kosten gepumpt werden kann und der in der Frequenz in augensichere Wellenlängen für eine Target-Identifikation und Bereichs- und unkonventionellen aktiven Bilderzeugungsarchitekturen umgewandelt werden kann.
  • Eine andere spezifische Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren einer Frequenzverschiebung und/oder Verstärkung einer geführten Welle über 3 oder 4 Wellenmischvorgänge (wie beispielsweise Ramann-Verstärkung oder parametrische Wellenmischung) zu schaffen.
  • Eine andere spezifische Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Stabilisieren eines internen, propagierenden Mode durch Kompensieren linearer oder nicht-linearer Dispersionsterme zu schaffen (z. B. Achromatisation oder Sollton-Bildung unter Verwendung von linearen oder nicht-linearen, z. B. intensitätsabhängigen, Brechungsindexmedien in dem Wellenleiterkern).
  • Eine noch spezifischere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, nicht erwünschte Effekte eines thermischen Fokussierens in optischen Hochleistungsverstärkern zu verringern, so dass ein Wellenleiter-Design für verschiedene durchschnittliche Leistungen und Impulsformate für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden kann, um es dadurch möglich zu machen, dass ein Design viele Anwendungen übernehmen kann.
  • Eine andere Aufgabe ist es, eine spektrale und räumliche Kohärenzkontrolle zu steuern, die zur Verwendung von Wellenleitern, sowohl hohl, als auch massiv, z. B. dielektrisch, Strahltransport und Anwendungen mit speziell gerichteter Energie, wie beispielsweise Hochleistungswaffenanwendungen als Elemente eines gephasten Felds, passend sind. Diese sind typischerweise als nahe-brechungsbegrenzte Wellenfronten mit optischer Phasenkontrolle auf weniger als ein Zehntel einer Welle definiert.
  • Eine andere spezifische Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kostengünstige und effiziente Kopplung von Laserdiodenarrays in ein aktives, optisches Verstärkungsmedium oder einen Laserresonator hinein für eine hohe Konversionseffektivität zu schaffen.
  • Eine noch andere spezifische Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen skalierbaren, optischen Hochleistungsverstärker oder Laserresonator zu schaffen, der eine ausgezeichnete Pumplichtstrahlüberlappung und eine Hochenergieextraktionseffektivität besitzt.
  • Eine noch andere spezifische Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Hochleistungsverstärker oder Laserresonator zu schaffen, in dem das aktive Medium nicht-dielektrische, thermische Gradienten besitzt, während Pumplichtenergie über ein großes Volumen und einen großen Oberflächenbereich verteilt wird.
  • Eine noch andere allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, geführte Wellensysteme und einen Strahltransport zu schaffen, die eine erwünschte Fähigkeit für Hochleistungsanwendungen bereitstellen. Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Systeme mit geführter Welle, Strahltransporte oder Wellenleiter zu schaffen, die für bestimmte Strahl-Typen bestimmte Ausgangsleistungserfordernisse eines erwünschten Wellenleiters und für Strahltransportanwendungen, und erwünschte Niveaus einer Strahlqualität, liefern.
  • Eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist diejenige, selbstabbildende, geführte Wellensysteme und einen Strahltransport zu schaffen, während erwünschte Niveaus einer Strahlqualität und eine Fähigkeit für Hochleistungsanwendungen erreicht werden. Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, geführte Wellensysteme und einen Strahltransport zu schaffen, die eine erwünschte Polarisation und räumliche, spektrale und temporäre Kohärenz-Charakteristika erzielen. Es ist weiterhin ein Ziel der vorliegenden Erfindung, selbstabbildende, geführte Wellensysteme und einen Strahltransport zu schaffen, während eine potenzielle, optische Beschädigung des Wellenleiters und nicht-lineare optische Effekte minimiert oder beseitigt werden.
  • Eine noch andere spezifische Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, geführte Wellensysteme und einen Strahltransport zu schaffen, die bei Strahltransportanordnungen anwendbar sind und potenziell ein oder mehr potenziell erwünschte Strahltransportmerkmale aufweisen. Ein entsprechendes Ziel ist es deshalb, geführte Wellensysteme und einen Strahltransport zu schaffen, die anwendbar sind bei oder potenziell eines oder mehrere der Merkmale aufweisen wie beispielsweise: syntheti sche Blende, verteile Blende, Strahlbildung, Strahllenkung, Strahlkombinieren, Energieabtastung, Energiekombinieren und Energieaufteilen, unter anderen Merkmalen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, geführte Wellenleitersysteme und einen Strahltransport zu schaffen, die in einem oder mehreren Gebieten anwendbar sind, die umfassen: Telemetrie, aeronautische und Weltraumanwendungen, gerichtete Energiesysteme, Objektabbildungssysteme, Objektpositionierungsund Nachführungssysteme, Erfassungssysteme, Faseroptiken, maschinelle Herstellung und medizinische Systeme, unter anderen.
  • Eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, geführte Wellensysteme und einen Strahltransport zu schaffen, die bei aeronautischen Anwendungen und Flugzeuganwendungen anpassbar sind. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, geführte Wellenleitersysteme und einen Strahltransport zu schaffen, die eine Konfiguration aufweisen, die insbesondere auf gerichtete Energiesysteme, Objektabbildungssysteme, Objektpositionierungs- und Nachführungssysteme und Erfassungssystemefür ein Flugzeug und andere aeronautische und Raumanwendungen aufweisen, während erwünschte Strahlqualitäts- und Hochleistungs-Charakteristika beibehalten werden, gerichtet sind. Ein weiteres, in Bezug stehendes Ziel ist dasjenige, auf die Charakteristika eines "Biegens und Verdrillens" der geführten Wellensysteme und des Strahltransports, und einer sich potenziell daraus ergebender Modifikation zumindest einer räumlichen Kohärenz und einer Anwendung davon, zu achten.
  • Zusätzliche Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung sind teilweise in der Beschreibung, die folgt, angegeben und werden für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet unter Prüfen und unter Verständnis der nachfolgenden Beschreibung und der Figuren ersichtlich werden oder können durch die Praxis der Erfindung erlernt werden. Weiterhin können die Aufgaben und Vorteile der Erfindung mittels der Instrumentarien und in Kombinationen, die besonders in den beigefügten Ansprüchen hervorgehoben sind, realisiert und erhalten werden.
  • Um die vorstehenden und andere Aufgaben zu lösen und gemäß den Zwecken der vorliegenden Erfindung, kann, als eine breite Ausführungsform und wie er hier beschrieben ist, der optische Hochleistungsverstärker dieser Erfindung einen optischen Verstärker für einen Laserstrahl und/oder einen Laserresonator aufweisen, der einen sich selbstabbildenden Multi-Mode-Rechteckwellenleiter mit einem Kern um fasst, der ein Verstärkungsmedium aufweist, das mit Energie angeregt oder gepumpt werden kann und solche Energie auf einen Lichtstrahl, der durch einen solchen Wellenleiterkern propagiert, aufbringen kann. Der Verstärker oder Laserresonator umfasst optische Komponenten, die ein erwünschtes, räumliches Strahlprofil auf eine Fläche oder eine Blende des Rechteckwellenleiters fokussieren oder bereitstellen, und wobei die Länge des Wellenleiters mit einer selbstabbildenden Wellenleiter-Periode (Waveguide Self-Imaging Period – WSIP) des Rechteckwellenleiters oder eines bestimmten ganzzahligen Vielfaches davon, das nicht Null ist, übereinstimmt, um dasselbe räumliche Profil in einem verstärkten Ausgangsstrahl zu erzeugen. Der rechteckige Multi-Mode-Wellenleiterkern kann nicht ummantelt sein, kann mit einer rechteckigen Ummantelung ummantelt sein, die besonders vorteilhaft für Befestigungen an einer Wärmesenke, für eine elektrische Anregung und ein optisches Pumpen ist, mit lang gestreckten, gestapelten Laserdioden oder einem Mantel beziehungsweise einer Umhüllung in optischen Fasern. Ein optischer Zick-Zack-Wellenleiterpfad, der eine effektive Energieextraktion in einer geringeren Gesamtlänge erhöht, ist teilweise bei eindimensionalen oder quasi-eindimensionalen Multi-Mode-Wellenleiterkernen gemäß dieser Erfindung anwendbar.
  • Ausführungsformen der Erfindung können passive, hohle und dielektrische Kern-Multi-Mode-Strahltransportsysteme mit geführter Welle aufweisen. Ausführungsformen können Wellenleiter mit rechteckigem Querschnitt umfassen und können bevorzugt ein räumliches Profil eines Eingangsstrahls, wie beispielsweise eines Gauss'schen oder eines Super-Gauss'schen Strahls, durch die selbstabbildende Periode des Wellenleiters beibehalten. Zusätzliche Aspekte der vorliegenden Erfindung können entweder separat oder in Verbindung mit der selbstabbildenden Führung der vorliegenden Erfindung vorgesehen werden; zum Beispiel Transport, Verstärkung, Phasen/Frequenz-Kontrolle oder -Modulation, Ablenkung, Konversion, synthetische Blende, verteilte Blende, Strahlformung, Strahllenkung, Strahlkombinieren, Energieabtastung, Energiekombinieren und Energieaufteilen, unter anderen Merkmalen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können einen selbstabbildenden Multi-Mode-Wellenleiter, wie er hier offenbart und beansprucht ist und selbstabbildende, geführte Wellenleitersysteme und einen Strahltransport vorsehen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können weiterhin ein Verfahren zum selbstabbildenden Multi-Mode-Strahltransport, wie dies hier offenbart und beansprucht ist, und andere selbstabbildende Wellenleiterführungstechniken vorsehen. Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch offenbart und hier beansprucht sein.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die beigefügten Zeichnungen, die eingeschlossen werden und einen Teil der Beschreibung bilden, stellen die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar und dienen, zusammen mit den Beschreibungen, dazu, die Prinzipien zu erläutern und Ausführungsformen der Erfindung zu ermöglichen.
  • In den Zeichnungen:
  • 1 zeigt eine schematische, isometrische Ansicht eines optischen Hochleistungs-Verstärkers mit Einzeldurchgang dieser Erfindung mit einem Bereich eines rechteckigen Multi-Mode-Wellenleiters, aufgeschnitten, um die Kern- und Mantelstruktur freizulegen.
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines "eindimensionalen" Wellenleiters oder eines rechteckigen Wellenleiters mit großem Seitenverhältnis, vorgenommen im Wesentlichen entlang einer Schnittlinie 2–2 der 1;
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines rechteckigen Multi-Mode-Wellenleiters, ähnlich zu 2, allerdings mit dem Seitenverhältnis kleiner oder "zweidimensional", so dass die Seiten auch effektiv optisch durch den Mantel eingegrenzt werden können;
  • 4 zeigt eine Querschnittsansicht ähnlich zu 2, die allerdings einen quadratischen Wellenleiterkern darstellt, der ein spezieller Fall eines rechteckigen Wellenleiters ist;
  • 5 zeigt eine schematische, isometrische Ansicht eines optischen Hochleistungsverstärkers mit Doppeldurchgang dieser Erfindung mit einer reflektiven Tiefenendfläche;
  • 6 zeigt eine schematische, isometrische Ansicht eines optischen Hochleistungsverstärkers mit Doppeldurchgang ähnlich zu 5, allerdings mit einem externen Endreflektor;
  • 7 zeigt eine schematische, isometrische Ansicht eines Hochleistungs-Laserresonators dieser Erfindung; und
  • 8 zeigt eine schematische, isometrische Ansicht eines seiten-gepumpten und endgepumpten optischen Hochleistungs-Verstärkers gemäß dieser Erfindung, montiert an einer Wärmesenke;
  • 9 zeigt einen Mantel eines rechteckigen Multi-Mode-Wellenleiters in einer Ausführungsform einer optischen Faser zur Verwendung in einem optischen Verstärker, einem Laserresonator, beim Strahltransport oder in einer anderen Anwendung dieser Erfindung dar;
  • 9a und 9b zeigen zwei Elemente eines Wellenleiters gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 10 stellt einen rechteckigen Multi-Mode-Wellenleiter dar, der ein Doppelmantel ist, in einer Ausführungsform einer optischen Faser, die besonders nützlich zum Bereitstellen von Pumplichtenergie durch die Zwischen-Mantel-Schicht zu dem rechteckigen Multi-Mode-Wellenleiterkern in Anwendungen eines Verstärkers oder eines Laserresonators dieser Erfindung ist;
  • 11 zeigt eine isometrische, schematische Ansicht einer Ausführungsform eines rechteckigen Multi-Mode-Wellenleiters, in dem ein Strahl in einem Zick-Zack-Pfad propagiert wird, um eine Verstärkungs- und Energieextraktions-Effizienz zu erhöhen;
  • 12 zeigt eine schematische Ansicht eines rechteckigen Multi-Mode-Wellenleiters ohne Ummantelung in einer Ausführungsform eines Verstärker-Laserresonators dieser Erfindung;
  • 13 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines selbstabbildenden, rechteckigen, hohlen Multi-Phasen-Wellenleiters gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 13a zeigt eine Querschnittsansicht, die eine Wellenpropagation durch einen Wellenleiter gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 14 zeigt eine Querschnittsansicht, die eine selbstabbildende Multi-Phasen-Anordnung in einem Wellenleiter der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 15 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines gestapelten Wellenleiterfelds gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 16a–c zeigen eine schematische Ansicht von Wellenleiter-Ausführungsformen, die drei Ausführungsformen einer Wandausgangskopplung, gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen;
  • 17a–17c zeigen perspektivische Ansichten von Ausführungsformen eines Wellenleiters, mit drei Ausführungsformen von Wandausgangskopplungen, die gekrümmte oder rechteckige Gitter gemäß der vorliegenden Erfindung bilden;
  • 18 zeigt eine perspektivische Ansicht von Mehrfach-Wellenleitern, die Mehrfach-Merkmale der vorliegenden Erfindung bilden;
  • 19 zeigt eine Ansicht eines Flugzeugs, das eine potenzielle Konfiguration für einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für bestimmte Anwendungen zeigt;
  • 20a,20b zeigen Ansichten von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die zumindest ein Strahl-Kombinieren und ein Strahl-Teilen gemäß der vorliegenden Erfindung beschreiben;
  • 20(c) zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform, die eine Ausgangskopplung zwischen Wellenleitern darstellt; und
  • 21 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform, die einen flexiblen Wellenleiter gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Bester Modus zum Ausführen der Erfindung
  • Die Grundkonzepte der Erfindung können in vielen unterschiedlichen Systemen und mit unterschiedlichen Techniken ausgeführt werden. Das erfindungsgemäße Konzept kann die Materialien, Elemente, Geräte, Vorrichtungen und Verfahren einsetzen, die sich auf Systeme mit geführter Welle, den Strahltransport und Wellenleiter verschiedenartig beziehen, und in Verbindung und in Unterkombinationen von Elementen und Merkmalen davon. Während eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung auf eine oder mehrere Wellenleiter-Ausführungsformen und Verfahren davon gerichtet sein kann, sollte das breite Konzept der Erfindung als eine Offenbarung von Systemen mit geführter Welle und Strahltransport allgemein ausgelegt werden, und, wie es angezeigt ist, auf verschiedene Arbeitsgebiete. Es ist, in Bezug auf das Vorstehende, wichtig, dass alle Aspekte dahingehend verstanden werden sollten, diese Unterlagen zu umfassen, sowohl unabhängig als auch in Kombination, wie dies in der Beschreibung und der Zeichnung, die folgen, angegeben ist, ebenso wie dies in den Ansprüchen angegeben ist, die später aufgeführt sind, sowohl in dieser als auch in später dazu in Bezug stehenden oder darauf basierenden Anmeldungen, falls solche vorhanden sind.
  • Ein optischer Hochleistungs-Multimode-Verstärker 10 gemäß dieser Erfindung ist schematisch in 1 in einer Ausführungsform mit einem einzelnen Durchgang dargestellt.
  • Ein wichtiges Merkmal dieser Erfindung ist die Verwendung eines rechteckigen, selbstabbildenden Multimode-Wellenleiters 20 als das Verstärkungsmedium für den optischen Hochleistungsverstärker 10, so dass der Verstärker 10 einen Strahl mit hoher Leistung mit einem weiten Bereich von räumlichen Profil-Moden bis zu der räumlichen Frequenzgrenze der Eingangsblende, wie dies durch seine optische Übertragungsfunktion definiert ist, sowie den sehr erwünschten TEM00 Mode mit einer Gauss'schen Amplitude und einer Phasenverteilung, ohne in dem Leistungsdurchsatz durch die Eingrenzungen eines Single-Mode-Wellenleiters beschränkt zu sein, liefern kann.
  • Genauer gesagt sind die inneren Dimensionen eines Multimode-Wellenleiterkerns, einschließlich der kleineren Dimension der Breite oder der Dicke (a) (siehe 2), groß genug, um mehrfache Eigenmoden einer Lichtpropagation zu transportieren, im Gegensatz dazu, so schmal zu sein, um nur einen Lichtpropagations-Eigenmode zu unterstützen, wie in einem sogenannten Single-Mode-Wellenleiter. Dementsprechend ist, zu Zwecken dieser Erfindung, ein Multimode-Wellenleiter ein solcher, der nicht eine Lichtpropagation auf nur einen Mode in einer Dimension beschränkt. Demzufolge wird ein Single-Mode-Wellenleiter nicht dahingehend angesehen, in dem Schutzumfang des Ausdrucks Multimode umfasst zu sein. Deshalb wird irgendein Eingangsstrahl 12, der einen TEM00 Gauss'schen Strahl umfasst, schnell in viele Eigenmoden einer Propagation zerfallen, wie dies durch die Größe und Form des Multimode-Wellenleiters 20 zugelassen wird, und eine solche Anzahl von Eigenmoden ist mehr als einer. Jeder Lichtpropagationsmode besitzt einen unterschiedlichen Pfad durch den Wellenleiter und läuft einen unterschiedlichen Weg von der Eintrittsfläche 26 zu der Austrittsfläche 28 als andere Moden, so dass sich mehrere Moden mischen und miteinander in Wechselwirkung treten, was eine Strahlqualität verschlechtert und schnell die Gauss'sche Verteilung und die räumliche Kohärenz des eintretenden TEM00 Strahls 12 oder irgendein anderes räumliches Eintrittsstrahlprofil zerstört.
  • Allerdings erstellen, gemäß einer ausreichend bekannten Wiederabbildungs-Charakteristik von Rechteck-Wellenleitern, die optischen Interferenzmuster in dem Wellenleiter wieder ein Eingangsbild unter periodischen Abständen entlang des Wellenleiters in der Phase und rekonstruieren sie. Der Abstand für eine solche periodische Wiederabbildung, manchmal bezeichnet als Wellenleiter-Selbstabbildungs-Periode (Waveguide Self-Imaging Periode – WSIP), und manchmal symbolisiert als DW, ist zu dem Brechungsindex (n) des Wellenleiterpropagationsmediums, die Breite oder die Dicke (a) des Wellenleiterpropagationsmediums und der Wellenlänge (λ) des Lichts, das propagiert wird, in Bezug gesetzt. Allgemein gilt WSIP = 4na2/λ, obwohl in dem speziellen Fall, bei dem der Strahl perfekt symmetrisch in Bezug auf die Mitte des Wellenleiters ist, d.h. das Strahlprofil ist identisch zu seinem Spiegelbild, gilt WSIP=na2/λ. Siehe z.B. Bryugdahl, J. Opt. Soc. Am 63, 416 (1973); Ulrich, R. und Aukele, G., Appl. Phys. Lett., 27,337 (1975).
  • Diese Erfindung verwendet dieses Wiederabbildungsprinzip von Rechteck-Wellenleitern, um den optischen Hochleistungsverstärker 10 einer Art und Weise aufzubauen, die einen Hochleistungs-Ausgangsstrahl 14 mit einem erwünschten, räumlichen Profil, zum Beispiel ein Gauss'schen Strahl mit einem TEM00 Mode, liefern kann. Der Eingangsstrahl 12 wird an einer Eintrittsfläche 16 in den rechteckigen Multimode-Wellenleiter 20 eingeführt, der einen Kern 22 besitzt, der ein optisches Verstärkungsmedium oder ein ¾ Wellenmischmedium aufweist, d.h. ein Material, das mit zusätzlicher Energie angeregt oder bevölkert werden kann, die dann zu der Lichtenergie in einem Strahl hinzugefügt wird, der durch das Material hindurchführt (nachfolgend manchmal bezeichnet allgemein als ein Verstärkungs- oder Mischmedium). Deshalb bricht der Eingangsstrahl 12, unter Eintreten in den Multimode-Wellenleiterkern 22, in so viele Eigenmoden auf, wie die Breite oder die Dicke (a) des Wellenleiters 20 dies zulassen wird, während er verstärkt wird, und zwar mit der zusätzlichen Energie. Eine Zuführung von zusätzlicher Energie zu dem Kern 22 wird mit irgendeiner einer Anzahl von bekannten Techniken durchgeführt, was allgemein mit den Energiezuführungspfeilen 30, 32 in 1 angezeigt ist. Deshalb wird, während sich die Multimode-Propagation des Lichtstrahls in der Strahlqualität verschlechtert, da sich verschiedene Moden einer Propagation in dem Wellenleiter 20 mischen und in Wechselwirkung treten, der Lichtstrahl nichts desto trotz mit zusätzlicher Energie, erhalten von dem Verstärkungsmedium des Kerns 22, verstärkt. Allerdings wird, gemäß der Wiederabbildungs-Charakteristik der Rechteckwellenleiter, die vorstehend beschrieben sind, das räumliche Eingangsprofil des Strahls periodisch unter spezifischen Propagationsabständen reproduziert, d.h. WSIP = 4na2/λ (oder WISP = na2/λ in dem symmetrischen Fall), und eine solche Reproduktion des erwünschten, räumlichen Profils tritt sogar auf, obwohl der Strahl mit zusätzlicher Energie, erhalten von dem Verstärkungsmedium des Kerns 22, verstärkt wird. Deshalb ist die Austrittsebene 28 des rechteckigen Multimode-Wellenleiterkerns 22, gemäß dieser Erfindung, so positioniert, um mit der Wiederabbildungsebene des Wellenleiters 20 übereinzustimmen, d.h. unter einem bestimmten, positiven, ganzzahligen (i) Vielfachen von nicht Null der Wellenleiter-Selbstabbildungs-Periode (WSIP). Demzufolge ist die Länge des Kerns 22 des Wellenleiters 20, die sich zwischen der Eintrittsfläche 26 und der Austrittsfläche 28 erstreckt, gleich zu WSIP × i, wobei i eine positive, ganze Zahl, nicht Null, ist, wie beispielsweise 1, 2, 3,..., usw.. Die Folge ist ein verstärkter Ausgangsstrahl 14 an der Austrittsfläche 28 mit demselben, räumlichen Profil wie der Eingangsstrahl 12 an der Eintrittsfläche 26.
  • Da der Querschnittsflächenbereich des Kerns 22 eines Multimode-Wellenleiters 20 viel größer (Größenordnungen) als der Querschnittsflächenbereich eines Single-Mode-Wellenleiters (nicht dargestellt) sein kann, können die Energieeingänge 30, 32 und die sich ergebende Strahlverstärkung in dem optischen Verstärker 10 viel größer sein, als dies in einem typischen, optischen Single-Mode-Wellenleiterverstärker der Fall sein würde. Dennoch kann der stark verstärkte Ausgangsstrahl 14 des optischen Hochleistungsverstärkers 10 dieser Erfindung das erwünschte, räumliche Profil des Eingangsstrahls 12, zum Beispiel ein Gauss'sches Profil des TEM00 Modes, beibehalten.
  • Weiterhin nimmt die Fähigkeit, einen viel größeren Querschnittsflächenbereich für den Kern 22 des rechteckigen, optischen Multimode-Verstärkers 10 dieser Erfindung zu verwenden, viel höhere Energieverstärkungsfähigkeiten ohne die nachteiligen, linearen Effekte, wie beispielsweise thermische Effekte eines Brillouin-Streuens, Spannungseffekte und Selbstphasen-Modulation, auf, die typischerweise in Single- Mode-Wellenleiterverstärkern vorhanden sind. Das ausgezeichnete, thermische Management mindert auch die Spannungsdoppelbrechung, die ansonsten die Polarisation des propagierenden Lichtstrahls verschlechtert, und eine Selbstphasen-Modulation verschlechtert eine zeitliche und räumliche Kohärenz des Strahls. Deshalb wird die Fähigkeit ermöglicht, einen optischen Hochleistungsverstärker mit dem Verstärker 10 dieser Erfindung zu erzielen, während stark die nachteiligen Effekte einer Spannungsdoppelbrechung vermindert werden, und eine Selbstphasen-Modulation ermöglicht dem Verstärker 10, einen Ausgangsstrahl 26 mit hoher Intensität zu erzielen, der nicht nur eine zeitliche und räumliche Kohärenz des Eingangsstrahls 12 beibehält, sondern auch irgendeine Polarisation des Eingangsstrahls 12 beibehält, was für viele Signalverarbeitungs-, Strahllenkungs-, industrielle Schneid- und andere Anwendungen von Laserstrahlen mit hoher Intensität wichtig ist.
  • Die Strahlquelle 16, die Eingangslinse 18 und die Ausgangslinse 19, dargestellt in 1, sind nur dargestellt, um, in einer symbolischen Art und Weise, eine typische optische Eingangs/Ausgangsanordnung für einen optischen Verstärker zu zeigen, und sind nicht dazu vorgesehen, in irgendeiner Weise einzuschränken oder zu instruieren, da sich Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet bewußt sind und in der Lage sind, unzählige solcher Eingangs/Ausgangssysteme und Konfigurationen zu schaffen. Es muss nicht gesagt werden, dass die Betriebsweise des Verstärkers 10 einen Eingangsstrahl 12 von einer bestimmten Quelle 16 erfordert, die eine Laserdiode oder irgendeine andere, einen Lichtstrahl erzeugende Vorrichtung sein könnte, oder einfach ein Lichtstrahl, der durch ein zugeordnetes System ausgesandt wird, wie beispielsweise ein System im freien Raum, eine optische Faser oder ein anderer, durch einen Wellenleiter propagierter Strahl, der in den Verstärker 10 dieser Erfindung eingekoppelt und durch diesen verstärkt wird. Die Eingangslinse 18 ist symbolisch irgendein optisches Bauelement oder ein System, das den Eingangsstrahl 12 mit dem erwünschten, räumlichen Profil auf die Blende oder die Eintrittsfläche 26 des Kerns 22 konditioniert und/oder fokussiert. Eine Ausgangslinse 19 ist nicht wirklich für einen Verstärker 10 erforderlich, sondern ist hier nur symbolisch für irgendeine von unzähligen, optischen Bauelemente oder Systeme dargestellt, die dazu verwendet werden können, den verstärkten Ausgangsstrahl 14 mit irgendwelchen anderen, optischen Vorrichtungen zu koppeln oder den verstärkten Ausgangsstrahl 14 in den freien Raum zu projizieren.
  • Der große Querschnittsflächenbereich des Kerns 22 nimmt auch eine breite Vielfalt von Energieeingangs- oder Pumpsystemen auf, die symbolisch in 1 durch Pfeile 30, 32 angegeben sind, und von irgendeiner Seite oder einem Ende des Kerns 22 aus, wie dies in weiterem Detail nachfolgend beschrieben ist. Zum Beispiel kann das Verstärkungsmedium des Kerns 22 sogar optisch durch optische Quellen mit schlechter Strahlqualität gepumpt werden, wie beispielsweise ein Breitbandlaserdiodenemitter oder ein -feld, gekoppelt in eine laterale Seite des Wellenleiters 20 hinein, wie dies durch einen Pfeil 30 angegeben ist, da der Pumpstrahl nicht in die Eintrittsblende oder -fläche 26 hinein fokussiert werden muss, wie dies für einen Single-Mode-Wellenleiter der Fall sein würde.
  • Eine optische Eingrenzung in dem rechteckigen Multimode-Wellenleiter 20 kann durch irgendeine von zahlreichen bekannten Wellenleiterbildungstechniken erreicht werden. Zum Beispiel ist die interne Totalreflexion durch einen Mantel 24 mit einem niedrigeren Brechungsindex als der Kern 22 eine typische Wellenleiterbildungstechnik, wie die reflektiven Oberflächen auf den Wellenleiterwänden (nicht dargestellt in 1).
  • Gegenüberliegende Wellenleiterwände sind nicht genau parallel, obwohl sogenannte konische Wellenleiter kontinuierlich variable Abbildungsperioden haben würden. Deshalb wäre dabei mehr als eine WSIP für einen konischen Wellenleiter vorhanden. Demzufolge könnte eine Platzierung einer Austrittsfläche 28 unter einem bestimmten ganzzahligen Vielfachen einer WSIP, wie dies vorstehend beschrieben ist, an einer Wiederabbildungsebene fehlschlagen, was demzufolge nicht geeignet oder effektiv wäre. Allerdings kann, durch Kenntnis irgendeines bestimmten Grades eines konischen Verlaufs, die Stelle einer Wiederabbildungsebene bestimmt werden, und die Austrittsfläche 28 kann in einer solchen Wiederabbildungsebene gemäß dieser Erfindung positioniert werden. Deshalb wird die Verwendung eines konischen Wellenleiters mit einem rechteckigen Querschnitt für einen Strahlverstärker und zum Positionieren der Austrittsfläche an irgendeiner Wiederabbildungsebene als äquivalent und als Teil dieser Erfindung angesehen, gerade dann, wenn die Position der Aus trittsfläche nicht bei einem ganzzahligen Vielfachen einer WSIP in einer Ausführungsform eines konisch verlaufenden Wellenleiters liegt.
  • Der Wellenleiterkern 22 kann irgendein Gas, eine Flüssigkeit oder ein festes Verstärkungsmedium aufweisen. Letztendlich ist ein Verstärkungs- oder Mischmedium ein Material, das Energie auf einen Lichtstrahl aufbringen kann, der dort hindurch propagiert. Da viele solcher Verstärkungs- oder Mischmedien für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet ausreichend bekannt sind, ist es nicht notwendig, sie weiterhin für ein Verständnis dieser Erfindung zu erläutern oder zu beschreiben. Verschiedene Beispiele werden ausreichen, wie beispielsweise ein mit Yttrium-Aluminium-Granat dotierter Neodym-Nd:YAG, Nd:YLF oder homologene Materialien, AIGaAS, InGaAsP, oder verschiedene Halbleitermaterialien, mit Nd-dotierte Phosphatgläser, oder CS2, was eine Flüssigkeit ist.
  • Die quasi-eindimensionale Geometrie des Rechteckwellenleiters 20, dargestellt in den 1 und 2, ist besonders für Hochleistungs-Wellenleiteranwendungen attraktiv, da der Blendenbereich der Eintrittsfläche 26 über 10.000-mal größer als derjenige einer typischen, optischen Single-Mode-Faser sein kann, was einen Betrieb mit höherer Leistung des Verstärkers 10 dieser Erfindung unter Intensitäten und Fluenzen ermöglicht, die ausreichend unterhalb des Schwellwerts für eine optische Beschädigung und nicht-lineare, optische Effekte in dem Wellenleiter 20 liegen werden, während noch eine Polarisation und ein räumliches Strahlprofil beibehalten werden, wie dies vorstehend diskutiert ist. Das Potenzial für eine Leistungsskalierung, d.h. Hochleistungsbetrieb, ist proportional zu dem Wellenleiter-Blendenbereich an der Kernfläche 26, die, wie vorstehend erwähnt ist, nicht in diesem rechteckigen Multimode-Wellenleiter 20 durch typische Beschränkungen einer Single-Mode-Blenden beschränkt sind. Zusätzlich ist die quasi-eindimensionale Geometrie des Wellenleiters 20 der 1 und 2 besonders für Hochleistungs-Wellenleiter-Verstärker-Anwendungen attraktiv, da diese Geometrie besitzt: (i) eine End- oder Seiten-Blende, die an einem oder mehreren Diodenarray-Moden angepasst werden kann, was ein optisches Pumpen mit einer hohen Kopplungseffektivität zulässt, was in weiterem Detail nachfolgend unter Bezugnahme auf 8 beschrieben werden wird; (ii) ein hohes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis für eine effektive Wärmeabführung, wie dies auch in weiterem Detail nachfolgend unter Bezugnahme auf 8 beschrieben werden wird; und (iii) niedrige, thermische Gradienten, die im Wesentlichen eindimensional sind, aufgrund einer dünnen Geometrie des Wellenleiters 20. Zum Beispiel ist eine rechteckige Blende mit 1 cm × 100 μm eine ausgezeichnete Anpassung an ein 1 cm × 1 μm Laserdiodenarray für eine hohe Kopplungseffektivität des Laserdiodenausgangs zu dem Wellenleiter. Eine quasi-eindimensionale Geometrie des Wellenleiters 20, manchmal einfach kurz als „eindimensional" bezeichnet, wird allgemein als eine solche angesehen, bei der eine selbstabbildende Wellenführung in der Richtung nur einer Querachse 21 und einfach eine Propagation im freien Raum entlang der nichtgeführten Richtung oder der Querachse 23 vorhanden ist. Mit anderen Worten ist die Breite des Wellenleiters oder die Dicke (a) entlang einer Querachse 21 (der Abstand zwischen Kern/Mantel-Grenzflächen 25, 27) viel kleiner als die Breite entlang der anderen Querrichtung oder Achse 23 (der Abstand zwischen Kern/Mantel-Grenzflächen 35, 37). Wenn ein ausreichender Unterschied zwischen der Breite oder Dicke der Richtung 21 und der Breite oder Dicke der Richtung 23 vorhanden ist, so dass die Strahlbreite in dem Kern 22 immer kleiner als die Breite der Richtung 23 ist, und wenn die Strahldivergenz entlang der kurzen Achse 21 groß genug ist, verglichen mit der Breite des Wellenleiters in der Richtung der Achse 21, dass sich der Strahl ausbreitet und von den Grenzflächen 25, 27 reflektiert, was eine Bilderzeugung entlang der Achse 21 verursacht, wird der Wellenleiter 20 dahingehend angesehen, dass er quasieindimensional ist. Mit anderen Worten sind, falls die Länge des Wellenleiters so ist, dass sich eine Selbstabbildung in einer Richtung ergibt und eine Propagation im freien Raum in der anderen Richtung ergibt, dann quasi-eindimensionale Wellenleiter geeignet.
  • Ein Querschnitt eines zweidimensionalen, rechteckigen Wellenleiters 20 ist in 3 dargestellt. Der Kern 22' ist durch einen reflektiven Mantel 24' umgeben, um den Lichtstrahl auf den Kernbereich 22' einzugrenzen. Der Mantel 24' kann, zum Beispiel, ein Medium mit niedrigerem Brechungsindex als der Kernbereich 22' sein, um eine innere Totalreflexion zu erreichen. Es könnte auch ein Medium für eine Eigenreflektivität bei der Strahlpropagationwellenlänge sein, wie beispielsweise Metall, Luft, Vakuum, oder eine oder mehrere dielektrische Beschichtungen, die die Propagationswellenlänge reflektieren. Reflexionen entlang einer Querrichtung oder Achse 21' treten an gegenüberliegenden Kern/Mantel/Grenzflächen 25', 27' auf, während Refle xionen entlang der anderen Querrichtung oder Achsen 23' an den gegenüberliegenden Wellenleiter-Zwischenflächen 35', 37' auftreten. Die Wellenleiter-Selbstabbildungs-Periode (WSIP) von jedem Satz gegenüberliegender Wellenleiter-Zwischenflächen 25', 27' und 35', 37' wird unterschiedlich sein, falls der Querschnitt des rechteckigen Kerns 22 nicht quadratisch ist. Bei den meisten Anwendungen ist es erwünscht, dass die Wieder-Phasenbildungs- oder Wieder-Abbildungs-Abstände UWSIP × i) für die zwei Wellenleiterachsen 21' an der Wellenleiterblende oder den – flächen passen. Allerdings kann es in bestimmten Situationen nützlich sein, eine der Wellenleiterachsen so zu haben, dass sie bei einem „fraktionalen Talbot Abstand" liegt, um den Austrittstrahl in mehrere, in der Leistung unterteilte Replikas des Eingangsstrahls aufzuteilen.
  • Eine Darstellung eines Wellenleiters 20" mit quadratischem Querschnitt ist in 4 dargestellt. In dieser Ausführungsform sind die Breite des Wellenleiters entlang seiner vertikalen Achse 21", d.h. der Abstand zwischen Kern/Mantel-Zwischenflächen 25", 27", und die Breite entlang der horizontalen Achse 23", d.h. der Abstand zwischen Kern/Mantel-Zwischenflächen 35", 37", gleich. Deshalb ist die Wellenleiter-Selbstabbildungs-Periode (WSIP) relativ zu jeder dieser Achsen 21", 23" dieselbe.
  • Bezugnahmen hier auf rechteckige Wellenleiter und rechteckige Blenden gelten für quadratische Querschnitte und quadratische Blenden ebenso wie für eindimensionale oder quasi-eindimensionale Wellenleiter oder Blenden, ohne dass dies in anderer Weise angeführt ist, und irgendwelche davon können feste Strukturen, Slabs bzw. Platten, Bänder, dünne Filme und Parallelepiped- oder andere selbstabbildende Strukturen sein. Auch beziehen sich Blenden auf die Endflächen, z.B. Eintritts- und Austrittsflächen 26, 28 (1), des Kerns 22, die im Wesentlichen die Oberflächen oder optischen „Öffnungen" sind, wo Lichtstrahlen 12, 14 in den Kern 22 eintreten und austreten.
  • Der optische Hochleistungsverstärker 10 dieser Erfindung, dargestellt in 1 und vorstehend beschrieben, ist nur eine einfache Ausführungsform, die die Verwendung eines Multimode- rechteckigen, wieder abbildenden Wellenleiters mit einem Kern, der ein Verstärkungs- oder Mischmedium zum Verstärken eines Lichtstrahls oder zum Mischen mit anderen Strahlen aufweist, darstellt. Dabei sind natürlich viele andere, nützliche Verstärker-Konfigurationen und -Ausführungsformen vorhanden, die Fachleuten auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden, wenn sie einmal die Prinzipien dieser Erfindung verstanden haben. Zum Beispiel wird bei einer Ausführungsform 40 eines optischen Verstärkers mit Doppeldurchgang der Lichtstrahl 42, der verstärkt werden soll, zweimal durch den rechteckigen Multimode-Wellenleiter 50 hindurchgeführt, um dadurch noch mehr Energie von dem Verstärkungsmedium in dem Wellenleiterkern 52 zu extrahieren. In diesem Beispiel wird das Verstärkungsmedium, das den Kern 22, wie beispielsweise Nd:YAG, aufweist, mit Lichtenergie 64 mit, zum Beispiel, einer Laserdiode 58, eingekoppelt in den Kern 22 durch ein Linsenfokussiersystem 59, das das Licht 64, erzeugt durch die Laserdiode 58, auf die Endfläche der Blende 56 des Kerns 52 fokussiert, eingepumpt. Die Endfläche 56 ist mit einem dichroitischen Material oder einer Kombination von Materialien 66, die hoch transmissiv für die Wellenlänge des Lichts 64, erzeugt durch die Laserdiode, sind, allerdings hoch reflektiv für das Licht 42, das verstärkt werden soll, sind, beschichtet, abgedeckt oder überdeckt. Solche dichroitischen Materialien 66 sind ausreichend im Stand der Technik bekannt und werden basierend auf den Wellenlängen des Pumplichts 64 und des Eingangsstrahls 42 ausgewählt.
  • Der Eingangsstrahl 42 folgt demselben Weg 42 in den Wellenleiter 50 hinein und davon heraus, so dass der Verstärkerausgangsstrahl 44 von dem Eingangsstrahl 42 separiert werden muss. Ein übliches, ausreichencl bekanntes System zum Kombinieren eines Eingangslichtstrahls 42 und eines Ausgangsstrahls 44 desselben, optischen Wegs 43 und dann zum Separieren davon, umfasst einen polarisierenden Strahlteiler 45, der eine Schicht aus einem Material 56 aufweist, das Licht, das in einer Ebene polarisiert ist, z.B. die s-Polarisationsebene, reflektiert, und Licht transmittiert, das in der orthogonalen Ebene, z.B. in der p-Polarisationsebene, polarisiert ist. Demzufolge kann der Eingangsstrahl 42 in diesem Beispiel s-polarisiert sein, so dass die für die Polarisation selektive Schicht 46 in dem Strah teiler 45 den Eingangsstrahl 42 in den optischen Weg 43 reflektiert, der zu der Fläche oder Blende 58 des Wellenleiterkerns 52 ausgerichtet ist. Ein doppelbrechender ¼ -Wellen-Verzögerer 47 ist in dem Strahlweg 43 positioniert, so dass der reflektierte Eingangsstrahl 42 durch den ¼-Wellen-Verzögerer 47 auf seinem Weg zu dem Wellenleiter 50 hindurchführen muss. Der ¼-Wellen-Verzögerer 47 wandelt die s-Polarisation des Eingangsstrahls 42 in ei ne zirkulare Polarisation um. Das Linsensystem 49 fokussiert den Eingangsstrahl 42 auf die Blende oder Fläche 58 des Kerns 52, wiederum, welches räumliche Profil auch immer erwünscht ist, z.B. ein TEM00 oder Gauss'sches Profil.
  • Wenn der Eingangsstrahl 42 durch das Verstärkungsmedium des Kerns 52 des Multimode-Wellenleiters 50 propagiert, teilt er sich in viele Moden einer Propagation auf, wenn die Größe des rechteckigen Kerns 52 dies ermöglicht, und er erhält Energie von dem Verstärkungsmedium in dem Kern 52 oder extrahiert sie, die durch das Pumplicht 64 zugeführt ist, um dadurch verstärkt zu werden. Gleichzeitig rekonstruiert, wie vorstehend beschrieben ist, der rechteckige Wellenleiter periodisch das räumliche Eingangsstrahl-Profil oder bildet es wieder ab, das durch das Linsensystem 49 auf die Blende oder Fläche 58 bei einem positiven, ganzzahligen (i) Vielfachen der Wellenlänge-Selbstabbildungsperiode (WSIP), d.h. bei WSIP × i, das nicht Null ist, fokussiert wird. Deshalb sind, wie vorstehend beschrieben ist, die Blenden oder Flächen 56, 58 des Kerns 52 an Stellen positioniert, die mit Wiederabbildungsebenen übereinstimmen und voneinander durch einen Abstand gleich zu WSIP × i beabstandet sind. Die reflektierende Fläche 56 könnte auch ein Bruchteil eines WSIP-Abstands sein, so lange wie der gesamte Abstand zwischen den Flächen 56, 58, und zurück, wieder um WSIP × i ist. Unter Erreichen der Endfläche 56 wird der verstärkte Eingangsstrahl 42 durch das dichroitische Beschichtungsmaterial 66 für einen anderen Durchgang zurück durch den Kern 52 reflektiert, wo er fortführt, noch mehr Energie von dem Verstärkungsmedium des Kerns 52 zu erhalten oder zu extrahieren. Deshalb wird der Strahl erneut auf diesen zweiten Durchgang durch den Kern 52 verstärkt. Wiederum wird mit der geeigneten Beabstandung der Flächen 56, 58 der zweimal verstärkte Strahl wieder an der Fläche oder Blende 58 mit demselben, räumlichen Profil abgebildet, wie er dieses hatte, als er in die Blende oder Fläche 58 eintrat. Deshalb besitzt der verstärkte Ausgangsstrahl 44 dasselbe, räumliche Profil wie der Eingangsstrahl 42, und zwar gemäß dieser Erfindung.
  • Wiederum tritt der verstärkte Ausgangsstrahl 44 von dem Wellenleiter 50 entlang desselben, optischen Wegs 43 wie der Eingangsstrahl 42 aus, so dass er von dem Eingangsstrahl 42 separiert werden muss, um ihn zu irgendeiner Anwendung (nicht dargestellt) zu richten, für die er verstärkt ist. Eine solche Separation wird durch den ¼-Wellen-Verzögerer 47 und den Polarisationsstrahlteiler 46 vorgenommen. Da eines der Attribute dieser Erfindung dasjenige ist, dass der Lichtstrahl seine Polarisation beibehält, wenn er in dem rechteckigen Multimode-Wellenleiter 50 verstärkt wird, tritt er von der Blende oder Fläche 58 mit derselben, zirkularen Polarisation aus, mit der er auf den Eingangsstrahl 42 durch den ¼ Wellen-Verzögerer 47 aufgebracht wurde, wie dies vorstehend beschrieben ist. Unter erneutem Zurückführen durch den ¼-Wellen-Verzögerer 47 wird die Polarisation des Lichtstrahls erneut gedreht, um in der p-Polarisationsebene zu polarisieren, die orthogonal zu der s-Polarisationsebene fo des Eingangsstrahls 42 liegt. Deshalb wird der nun p-polarisierte Ausgangsstrahl 44 transmittiert, anstelle davon, dass er reflektiert wird, und zwar durch die für die Polarisation selektive Schicht 46 in dem Polarisationsstrahlteiler 45, und er tritt von dem Polarisationsstrahlteiler 45 auf einem unterschiedlichen Ausgangsweg gegenüber dem Weg des Eingangsstrahls 42 aus. Natürlich werden Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet erkennen, dass ein Eingangsstrahl mit einer p-Polarisation und der Ausgangsstrahl mit einer s-Polarisation auch mit demselben Effekt verwendet werden können, und sie sind andere, geeignete, optische Anordnungen zum Zuführen von Eingangsstrahlen in die optischen Verstärker nach dem Stand der Technik und um andere optische Komponenten hineinzuführen und davon herauszuextrahieren, die mit einem rechteckigen, selbstabbildenden Multimode-Wellenleiterverstärker dieser Erfindung arbeiten würden.
  • Die Ausführungsform 40' eines Verstärkers mit Doppeldurchgang, dargestellt in 6, ist ähnlich zu der Verstärker-Ausführungsform 40 der 5, die vorstehend beschrieben ist, mit der Ausnahme, dass ein gekrümmter, dichroitischer Spiegel 66' anstelle der Beschichtung 66 in der Ausführungsform der 5 verwendet wird, um Pumplicht 64 in das Verstärkungsmedium des Kerns 52 einzuführen und den einmal verstärkten Eingangsstrahl 42 zurück in den Wellenleiter 50 für einen zweiten Verstärkungsdurchgang durch das Verstärkungsmedium des Kerns 52 zu reflektierten. Der gekrümmte, dichroitische Spiegel 66' ist mit einem Abstand von der Blende oder Fläche 56 beabstandet und ist so gekrümmt, um den einmal verstärkten Strahl 42', der von der Fläche 56 austritt, zurück in die Blende oder Fläche 56 mit dem erwünschten, räumlichen Profil zu fokussieren, was optische Vorrichtungen ermöglicht, wie beispielsweise elektro-optische Schalter (nicht dargestellt) und sättigbare Absorber (nicht dargestellt), die eingesetzt werden sollen.
  • Wie ausreichend im Stand der Technik bekannt ist, ist ein Laserresonator sehr ähnlich zu einem optischen Verstärker, mit der Ausnahme, dass Reflektoren an gegenüberliegenden Enden eines Verstärker-Verstärkungsmediums verwendet werden, um verstärktes Licht viele Male nach hinten und nach vorne durch das Verstärker-Verstärkungsmedium für eine zusätzliche, weitere Verstärkung zu reflektieren. Deshalb kann ein rechteckiger, selbstabbildender Multimode-Wellenleiter auch gemäß dieser Erfindung verwendet werden, um in der Energie skalierbare Multimode-Laserresonatoren zu schaffen, die Ausgangsstrahlen mit erwünschten, räumlichen Profilen erzeugen, z. B. mit TEM00 oder Gauss'schen- oder Super-Gauss'schen Ausgangsprofilen. Ein Super-Gauss'scher Strahl ist ein Profil, das zu einem höheren Energieexponenten als 1 angehoben wird; und an der Grenze einer hohen Ordnung wird der Super-Gauss'sche Strahl zu einem quadratischen Querprofil.
  • Ein Beispiel eines Laserresonators 70, der einen Verstärker mit einem rechteckigen, selbstabbildenden Multimode-Wellenleiter 80 gemäß dieser Erfindung umfasst, ist in 7 dargestellt. Hauptsächlich wird ein rechteckiger, selbstabbildender Multimode-Wellenleiter 80 mit einem Kern 82, der ein optisches Verstärkungsmedium aufweist, wie beispielsweise Nd:YAG, oder irgendein anderes, geeignetes Verstärkungsmedium-Material, aufweist, angeregt oder gepumpt, um Lichtenergie 72, 72' von gegenüberliegenden Flächen oder Blenden 86, 88 des Kerns 82 zu emittieren. Das Verstärkungsmedium des Kerns 82 kann optisch mit Lichtenergie von einer Laserdiode 90, wie dies in 7 dargestellt ist, oder von irgendeiner anderen, unzähliger bekannter Lichtenergiequellen angeregt oder gepumpt werden, oder kann, wenn das Verstärkungsmedium ein mit einer Laserdiode kompatibles Material ist, elektrisch angeregt werden, um Lichtenergie 72, 72' zu emittieren. Ein mit einer Laserdiode kompatibles Material und eine Struktur sind solche, bei denen ein elektrisch gepumptes Verstärkungsmedium eine optische Verstärkung und dadurch kohärentes Licht als einen Ausgang erzeugt. Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet werden solche Anregungs- oder Pumptechniken erkennen und werden in der Lage sein, sie auszuführen, so dass es nicht notwendig ist, sie hier für ein Verständnis dieser Erfindung zu erläutern. In dem Laserresonator 70, der schematisch in 7 dargestellt ist, wird Pumplicht 94 von der Laserdiode 90 in die Blende oder Fläche 86 des Kerns 82 durch ein Linsensystem 92 fokussiert, obwohl es in dem Kern 82 über irgendeine andere Seitenfläche eingekoppelt werden könnte, wie dies vorstehend in Bezug auf den optischen Verstärker, der in 1 dargestellt ist, erläutert ist.
  • Der gekrümmte Spiegel oder Reflektor 96 ist in dieser Anordnung dichroitisch, ähnlich zu dem Reflektor 66' in 6, um Pumplicht 94 einer Wellenlänge, erzeugt durch die Laserdiode 90, zu transmittieren, allerdings Lichtenergie 72 einer Wellenlänge, emittiert durch den Kern 82 des Wellenleiters 80, zu reflektieren. Deshalb wird Lichtenergie 72, emittiert von der Blende oder Fläche 86 des Kerns 82, durch den Spiegel 96 zurück in den Kern 82 reflektiert.
  • Der gekrümmte Spiegel oder Reflektor 70, angrenzend an die gegenüberliegende Fläche oder Blende 88, ist teilweise für Lichtenergie 72' einer Wellenlänge, emittiert durch das Verstärkungsmedium des Kerns 82, reflektiv. Zum Beispiel kann, allerdings nicht in einem einschränkenden Sinne, der Spiegel 79 so hergestellt werden, um ungefähr 80–90 Prozent der Lichtenergie 72' zu reflektieren und um ungefähr 10–20 Prozent einer solchen Lichtenergie als Ausgangsstrahl 74 zu transmittieren. Demzufolge wird 80–90 Prozent der Lichtenergie 72, 72', emittiert durch den Kern 82, nach hinten und nach vorne entlang des Verstärkungsmediums des Kerns 82 viele Male reflektiert oder in Resonanz gebracht werden, und mit jedem solchen Durchgang durch das Verstärkungsmedium des Kerns 82 wird die Lichtenergie 72, 72' weiter mit Energie, erhalten durch das Pumplicht 94, verstärkt. Deshalb werden die Lichtstrahlen 72, 72' sehr intensiv, und der Ausgangsstrahl 74 wird auch sehr intensiv. Gemäß dieser Erfindung ist der Wellenleiter 80 ein Multimode, so dass der Kern 82 sehr groß sein kann, was ihm ermöglicht, hohe Energieniveaus zu handhaben und dennoch seine optische und strukturelle Integrität beizubehalten.
  • Auch sind, gemäß dieser Erfindung, die gekrümmten Spiegel 96, 79 so geformt und von den jeweiligen Kern-Blenden oder -Flächen 86, 88 in einer solchen Art und Weise beabstandet, um die Lichtenergie 72, 72' zu konditionieren und auf die Flächen 26, 88 mit einem erwünschten, räumlichen Profil, zum Beispiel einem TEM00 oder einem Gauss'schen Profil, zu fokussieren. Weiterhin ist, gemäß dieser Erfindung, die Länge des Kerns 82, sich zwischen gegenüberliegenden Flächen 56, 58 erstreckend, ein positives, ganzzahliges Vielfaches von nicht Null der Wellenleiter-Selbstabbildungs-Periode (WSIP), d.h. einer Länge gleich zu WSIP x i. Deshalb teilt, sogar obwohl die Lichtenergie 72, 72' zurück in den Wellenleiter 82 reflektiert wird, sie sich in viele Propagationsmoden auf, wie dies die Dimensionen des rechteckigen Wellenleiters ermöglichen werden, was demzufolge mit dem räumlichen Profil in Wechselwirkung treten wird und dieses ändert, wenn es in dem Verstärkungsmedium des Kerns 22 verstärkt wird, wobei es immer wieder für eine Emission an den Blenden oder Flächen 56, 58 mit dem erwünschten, räumlichen SMAE-Profil abgebildet wird, wie es für eine Eingabe durch die Spiegel 96, 79 geformt war. Deshalb wird der intensive, hoch verstärkte Ausgangslaserstrahl 74 eine räumliche ebenso wie eine temporäre Kohärenz mit einem erwünschten, räumlichen Profil haben, wie beispielsweise dem TEM00 Gauss'schen Strahl, wie dies vorstehend beschrieben ist.
  • Der dichroitische Spiegel 96 in 7 könnte, obwohl dies nicht dargestellt ist, durch eine dichroitische Beschichtung ersetzt werden, wie beispielsweise die dichroitische Beschichtung 66, dargestellt in dem Verstärker der 5, auf einer Blende oder einer Fläche 86, oder der teilweise reflektive Spiegel 79 könnte durch eine teilweise reflektive Beschichtung (nicht dargestellt) auf der Blende oder Fläche 88 ersetzt werden. Allerdings muss irgend etwas auf oder angrenzend an mindestens eines der Enden oder Flächen 86, 88 das erwünschte, räumliche Strahlprofil auf mindestens eine der Flächen oder Blenden 86, 88 fokussieren oder in anderer Weise bereitstellen. Deshalb wird mindestens einer der gekrümmten Spiegel 96, 79 benötigt, um ein Fokussieren im freien Raum eines Strahls 72, 72' auf eine Kernfläche oder Blende 86, 88 zu erzielen, oder irgendeine andere, optische Anordnung, um das erwünschte, räumliche Profil auf einer Blende oder Fläche 86, 88 zu erzielen. Zum Beispiel könnten eine oder beide der reflektiven Beschichtungen, die vorstehend diskutiert sind, reflektiv über deren Oberfläche abgestuft werden, um nur ein räumliches, Gauss'sches Profil zurück in dem Kern 82 zu reflektieren.
  • Wie in 8 dargestellt ist, kann eine breite Wärmesenke 112 mit einer flachen Oberfläche 114 verwendet werden, um einen langgestreckten, rechteckigen Multimode-Wellenleiterverstärker 100 ebenso wie eine Anzahl von Laserdioden-Pumplichtquellen 116, 118, 120, 122, 124, 126, 128 zu befestigen und zu tragen. Die obere, flache Oberfläche 114 der Wärmesenke 112 ist durch thermische Leitung an einer flachen Bodenfläche des rechteckigen Wellenleiters 100 verbunden. Wie vorstehend erwähnt ist, führen quasi-eindimensionale Wellenleiter oder andere, rechteckige Wellenleiter mit einem großen Seitenverhältnis von Querbreiten oder Dicken, d.h. viel breiter in der Richtung einer Achse 23 als in der Richtung der anderen Achse 21 (siehe 2 und die vorstehende Diskussion, die sich darauf bezieht), zu einem nahezu eindimensionalen Wärmefluss von dem Kern 22 durch den Mantel 24. Deshalb ist ein solches breites Seitenverhältnis besonders vorteilhaft für eine thermische Kopplung einer breiten, flachen Seite 130 des Wellenleiters 100 an der Wärmesenke 112 für eine effiziente Abführung von Wärme von dem Wellenleiter 100 zu der Wärmesenke 112. In ähnlicher Weise sind die flachen Seiten der Laserdiodenpumpquellen 116, 118, 120, 122, 124, 126, 128 für eine solche effiziente thermische Kopplung und Wärmeabführung zu der Wärmesenke 112 leitend.
  • Auch nehmen die langgestreckten, schmalen Seiten des Wellenleiters 100 eine optische Kopplung der breitstrahligen, gestapelten Laserdiodenpumpquellen 116, 118, 120, 122, 124, 126, 128 mit dem Wellenleiterkern 22 ohne signifikante Lichtenergieverluste oder das Erfordernis nach fokussierenden Systemen auf. Grundsätzlich kann der Mantel 24 ein Material sein, das für Pumplicht transparent ist, so lange wie es einen niedrigeren Brechungsindex besitzt als dies erforderlich ist, um Licht in dem Wellenleiter gemäß ausreichend bekannten Prinzipien einzugrenzen. Wie in 8 dargestellt ist, können Laserdioden 116, 118, 120, gekoppelt mit einer lateralen Seite 132 des Wellenleiters 100, in Bezug auf die Laserdioden 124, 126, 128, gekoppelt mit der anderen Seite 134 des Wellenleiters, versetzt sein, um das Pumplicht gleichmäßig entlang der gesamten Länge des Wellenleiters 100 für eine effizientere Absorption des Pumplichts in dem Kern 22 zu spreizen. Natürlich sind ungestapelte Pumpdioden-Montagekonfigurationen auch möglich, um die Pumplicht-Population der Vorrichtung zu erhöhen.
  • Der rechteckige Multimode-Wellenleiter für Verstärker- oder Laseranwendungen gemäß dieser Erfindung kann auch einen optischen Fasermantel 142 haben, wie dies in 9 dargestellt ist, da der Mantel 142 nicht rechteckig sein muss, so lange wie er den rechteckigen Kern 140 umgibt und optisch das Licht in dem Kern 140 einschränkt, wie beispielsweise dadurch, dass er einen niedrigeren Brechungsindex besitzt, wie dies vorstehend beschrieben ist. Eine zusätzliche Ausführungsform kann einen rechteckigen Multimode-Wellenleiter mit einem Kern mit hohem Brechungsindex und keinem Mantel vorsehen, wie dies in den 9a und 9b dargestellt ist. Die gegenüberliegende Blende oder Fläche ist nicht dargestellt, sondern würde, wieder um, so positioniert sein, um eine Wellenleiterlänge gleich zu WSIP × i aus den Gründen, die vorstehend beschrieben sind, zu erzielen. Pumplicht kann in den Mantel 142 eingebracht werden, um den Kern 140 zu pumpen.
  • Ein faseroptischer Verstärker mit Doppelmantel oder eine Laserstruktur 150 ist schematisch in 10 dargestellt, wobei der rechteckige Multimode-Wellenleiterkern 152 durch einen ersten Mantel 154 umgeben ist, der Pumplichtenergie zu dem Kern 152 führt. Der erste Mantel 154 ist durch einen zweiten Mantel 156 umgeben, um das Pumplicht in dem ersten Mantel 154 einzugrenzen. Deshalb besitzt der erste Mantel einen Brechungsindex geringer als der Kern 152, um das verstärkte Licht in dem Kern 152 einzugrenzen, und der zweite Mantel 156 besitzt einen Brechungsindex geringer als der erste Mantel 154, um das Pumplicht in dem ersten Mantel 154 einzugrenzen. Diese „Doppelmantel" Konfiguration 150 ist allgemein wünschenswerter als die Einzelmantel-Konfiguration, die gerade beschrieben ist, da durch Kontakt induzierte Pumplichtverluste praktisch beseitigt werden können. Das Pumplicht tritt in den Kern 152 unter virtuell allen Winkeln ein, was demzufolge eine effiziente Sättigung des Kerns 152 mit Pumplichtenergie erzielt. Natürlich ist die Länge des Wellenleiters 152 zwischen seinen zwei Flächen (nicht dargestellt) gleich zu WSIP × i, wie dies vorstehend beschrieben ist.
  • In einer anderen Ausführungsform 160 eines rechteckigen Multimode-Wellenleiters, dargestellt in 11, dessen Wellenleiter 160 gemäß dieser Erfindung für sowohl Anwendungen eines optischen Verstärkers als auch eines Laserresonators vewrendet werden kann, weist der Wellenleiter 160 einen Kern 162 auf, der ein Verstärkungsmedium besitzt, das zwischen zwei Mantelschichten 164, 166 sandwichartig zwischengefügt ist. Zwei Spiegel oder reflektive Beschichtungen 168, 170 decken Bereiche der seitlichen Kanten des Wellenleiters 160 ab, und der Eingangsstrahl 172 ist unter einem Winkel in die erste Wellenleiterblende oder -fäche 176 zu der gegenüberliegenden, reflektiven Beschichtung 168 hin gerichtet. Der Strahl 172 wird durch eine Beschichtung oder den Spiegel 170 reflektiert, der ihn auch zurück zu dem Spiegel 168, usw., reflektiert. Demzufolge propagiert der Strahl 172 durch den Wellenleiter 160 in einem Zick-Zack-Weg, der viel länger als ein gerader Weg durch den Wellenleiter 160 ist. Schließlich tritt der Strahl als ein Ausgangsstrahl 174 von einer zweiten Blende oder Fläche 178 aus, die nicht durch den Reflektor 168 abgedeckt ist. Der län gere Weg des Strahls 172 durch den Wellenleiter 160 ermöglicht eine stärkere Verstärkung des Strahls 172 und eine stärkere Extraktion von Energie, welches Pumplicht oder andere Vorrichtungen oder Verfahren (nicht in 11 dargestellt) verwendet werden, um das Verstärkungsmedium des Kerns 172 anzuregen oder zu pumpen. In diesem Fall ist die effektive Wellenleiterlänge zwischen der ersten Fläche 176 und der zweiten Fläche 178 die Länge des Zick-Zack-Wegs des Strahls 172 durch den Wellenleiter 160, nicht die Länge einer geraden Linie von der ersten Fläche 176 zu der zweiten Fläche 178. Deshalb wird die Zick-Zack-Länge gleich zu WSIP × i, gemäß dieser Erfindung, sein. Die Zick-Zack-Ausführungsform ist besonders bei einer eindimensionalen oder quasi-eindimensionalen Multimode-Wellenleiter-Konfiguration anwendbar, wie dies vorstehend beschrieben ist.
  • Eine alternative Ausführungsform eines optischen Verstärkers stellt die Verwendung eines Multimode-Wellenleiters 20 ähnlich zu 1 dar, allerdings ohne einen Mantelkern 22, der auch in Verbindung mit irgendwelchen Eingangs/Ausgangs-Optiken und einer Laserresonatoranordnung verwendet werden kann und so behandelt werden kann, wie dies vorstehend beschrieben ist. Zum Beispiel besitzt ein Kern 22, der ein Verstärkungsmedium aus Nd-dotiertem Phosphatglas aufweist, einen Brechungsindex, der hoch genug in Bezug auf Luft oder Gas ist, wie beispielsweise Argon oder Stickstoff, unter einem atmosphärischen Druck, um eine Gesamteingrenzung eines Lichtstrahls 12 in dem Kern 22, positioniert in einer solchen Atmosphäre, zu erreichen, ohne irgendeinen anderen Feststoff oder einen flüssigen Mantel oder ein reflektives Material auf den Oberflächen des Kerns 22. Andere Kernmaterialien, die für den Lichtstrahl 12 transparent sind und einen Brechungsindex hoch genug haben, um die gesamte Eingrenzung in einer Gasatmosphäre zu erreichen, könnten auch in dieser Art und Weise verwendet werden. Die 9a und 9b zeigen Ausführungsformen einer Struktur ohne Mantel.
  • Wie vorstehend erwähnt ist, kann ein Aspekt der Prinzipien eines wieder abbildenden, rechteckigen Multimode-Wellenleiters dieser Erfindung auch auf einen passiven Transport von Hochleistungsstrahlen ausgedehnt und angewandt werden, wobei eine erwünschte Strahlqualität, eine zeitliche und räumliche Kohärenz und ein Profil, eine Polarisation, eine Phasenbildung, usw., zu Punkten eines Aussendens oder einer Anwendung solcher Strahlen bei industriellen, medizinischen, Bilderzeugung, Reich weitenmessung, Nachführen, und dergleichen, beibehalten wird. Dieser Aspekt der Erfindung ist deshalb auf das Führen und den Transport eines „Strahls" gerichtet. „Strahl" gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann dahingehend ausgelegt werden, um eine Energiequelle zu umfassen, aufweisend eine oder eine Vielzahl von Wellen aus Energie, dargestellt durch einen oder eine Mehrzahl von Vektorstrahl(en), oder einen oder eine Mehrzahl von Strahlen) davon, wie dies weiter in den vorliegenden Unterlagen definiert ist, und kann potenziell Strömungen aus Teilchen, wie beispielsweise Elektronen, umfassen, und kann in der Form eines Bilds oder von Bildern geliefert werden.
  • Eine rechteckige Geometrie, wie sie in Ausführungsformen eines Wellenleiters mit selbstabbildendem Mode (Self-Imaging Mode – SIM) der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, bildet periodisch das räumliche Eingangsprofil eines Eingangsstrahls oder eines Bilds in Multimode-Wellenleitern mit einem Blendenbereich oder in einigen Ausführungsformen entsprechend zu einem Querschnitt des Wellenleiterkerns ab, der einige Größenordnungen größer als ein Bereich oder eines Querschnitts eines Kerns einer Single-Mode-Blende sein kann. Eine solche Eingrenzung führt zu einem Aufbau des räumlichen Eingangsprofils, allgemein, oder desjenigen des komplexen Amplituden-Eingangsprofils. Falls der rechteckige Wellenleiterkern aus Gas, Gasen, Luft oder Vakuum zusammengesetzt ist, dann können nicht-lineare Verzerrungen bzw. Störungen der räumlichen, spektralen und temporären Kohärenz stark vermieden werden, wie dies nachfolgend beschrieben ist, potenziell bis zu den Durchschlagsgrenzen der Wellenleiterwände oder des Mantels und potenziell unter Annahme einer linearen Reflektivität der Wände des Wellenleiters. Demzufolge können, für entsprechende Intensitätsgrenzen, die Hochleistungs-Strahltransportsysteme mit geführter Welle der vorliegenden Erfindung optische Energien handhaben, die Größenordnungen größer als bei Single-Mode-Wellenleitersysteme sein können, während auch derselbe Eingangsstrahl oder das Bild an dem Ausgang reproduziert und zugeführt wird. Die Erhöhung der Fähigkeit einer Energiehandhabung kann der Erhöhung in dem Wellenleiter-Blendenbereich entsprechen, wie dies im Besonderen nachfolgend beschrieben ist.
  • Die Multimode-Wellenleiter-Propagation in den Ausführungsformen mit einem Hochleistungsstrahltransport der vorliegenden Erfindung liefert eine periodische Ab bildung des Eingangsstrahls so, dass, durch Einsetzen einer Länge des Wellenleiters, bestimmt so, um eine integrale Zahl der Abbildungsperioden zu sein, ein gesamtes Strahlprofil oder Bild durch einen Single-Wellenleiterkern transportiert und wieder erhalten werden kann. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die komplexe, optische Übertragungsfunktion eines eingeführten oder in anderer Weise eingebrachten Strahls oder Bilds in einen rechteckigen, hohen Wellenleiter unter dem periodischen Selbstabbildungsabstand (WISP oder DW) im Wesentlich diejenige der Fourier-Ebenen-Filter-Wirkung einer Eingangsblende mit rechteckigem Schlitz mit keinen akkumulierten Phasenfehlern mit Ausnahme solcher, die durch Diffraktion und räumliches Filtern an der Eingangsblende oder Wand oder dem Ende des Wellenleiters und des Wellenleiterkerns eingeführt sind, sein. Demzufolge kann, zum Beispiel, ein TEM00 (Gauss'scher) Strahl in einen rechteckigen Multimode-Wellenleiter der vorliegenden Erfindung eingebracht und unter einem Propagationsweg zurückgewonnen werden, der einer Bildebene oder einem Selbstabbildungsabstand DW entspricht.
  • Die rechteckige Wellenleiter-Geometrie der vorliegenden Erfindung kann weiterhin eine Polarisation mit entweder gleichförmigen oder nicht-gleichförmigen Indexprofilen in irgendeiner Querrichtung, wie dies weiter nachfolgend beschrieben ist, bewahren.
  • Eine periodische Selbstabbildung mit erneuter Phasenbildung wird in den selbstabbildenden, geführten Wellensystemen, Strahltransporten und Wellenleitern gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgenommen, wobei der Wellenleiter ein Multimode ist und eine rechteckige Blende oder Querschnitt besitzt. Die bevorzugte Länge (L) des Wellenleiters wird, wie dies beispielhaft in 13 dargestellt ist, so ausgewählt, dass die Länge des optischen Wegs ein integrales Vielfaches einer bestimmten Selbstabbildungsperiode ist, was dazu führt, dass das Profil des Ausgangsstrahls oder das räumliche Ausgangsprofil eine Rekonstruktion des Profils oder des Bilds des Eingangsstrahls ist.
  • Der Hochleistungs-Strahltransport-Wellenleiter der vorliegenden Erfindung kann aus verschiedenen Materialien gemäß traditionellen Techniken im Stand der Technik hergestellt werden, zum Beispiel kann er aus einem steifen (zum Beispiel kristallinen Materialien) oder flexiblen (wie beispielsweise einer optischen Faser oder ein hohler, rechteckiger Kanal) Wellenleiter hergestellt sein. Hohle Wellenleiter der vorlie genden Erfindung können mit verschiedenen Beschichtungen geformt, geprägt, beschichtet oder in anderer Weise hergestellt werden, und in einigen Fällen können sie mit dielektrischen Beschichtungen hergestellt werden, in Abhängigkeit von den erwünschten Charakteristika des Wellenleiters und der bestimmten Anwendung oder den Anwendungen, bei denen der Wellenleiter eingesetzt werden soll.
  • Ausführungsformen mit hohlem Wellenleiter können eine leichte Biegung, Verdrillung und/oder Wölbung des Wellenleiters erfahren, und zwar aufgrund teilweise deren verringerter, struktureller Festigkeit, und möglicherweise als eine Folge einer Installation des Wellenleiters, was potenziell zu einer kleinen Störung der periodischen Selbstabbildungseigenschaften führt, die nicht das Verhalten der gesamten Vorrichtung beeinflussen können. Allerdings kann eine solche Modifikation des Wellenleiters vorteilhaft sein und kann erwünschte Wellenleiter-Charakteristika erzeugen, wie dies genauer nachfolgend beschrieben wird.
  • Eine optische Verstärkung in dem Wellenleiterkern kann, in aktiven Ausführungsformen, so durchgeführt werden, um nicht wesentlich die selbstabbildenden Eigenschaften des Wellenleiters, anders als ein verstärktes Bild des Eingangsstrahls, zu erzeugen, zu verändern, wobei jede darauffolgende Bildebene unter einer selbstabbildenden Periode mit erneuter Phasenbildung (Re-Phasing Self-Imaging Period) ein verstärktes Bild der vorherigen Bildebene sein kann. Eine Verstärkung kann so auftreten, wie dies durch die Verteilung der Verstärkung in dem Kern bestimmt ist.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, vorgesehen als ein SIM-Wellenleiter mit rechteckigem Querschnitt, ist in 13 dargestellt. Ein Eingangsstrahl 212, dargestellt als ein Pfeil, wird zu einer optischen Blende, einer Eintrittsfläche oder einem Querschnitt 214 des Wellenleiters 210 eingeführt. In einigen Ausführungsformen kann einer oder eine Mehrzahl von Linsen verwendet werden, um einen Eingangsstrahl zu dem Innenbereich oder dem Kern 16 einzugeben, zuzuführen oder in anderer Weise einzuführen. Eine einer Mehrzahl von Linsen kann verwendet werden, um einen Ausgangsstrahl von dem Innenbereich oder Kern 16 auszugeben. 7 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die eine Linse für den Eingang oder Ausgang eines Strahls in einen Wellenleiter einsetzt. Ausführungsformen können auch eine Kopplung eines Wellenleiters der vorliegenden Erfindung mit einem Wellenleiter für irgendeine Eingabe, Einführung oder andere Weise einer Einführung eines Eingangsstrahls oder eines Ausgangs eines Ausgangsstrahls zu oder von einem Wellenleiter der vorliegenden Erfindung vorsehen. Der Wellenleiter, der dazu verwendet ist, einen Strahl einzugeben oder bei dem Empfang eines Ausgangsstrahls von einem Wellenleiter der vorliegenden Erfindung einzugeben, kann, muss allerdings nicht notwendigerweise, einen Wellenleiter der vorliegenden Erfindung aufweisen. Eine Kopplung unter Anstoßen aneinander kann auch verwendet werden, um Strahlen von einem optischen Verstärker oder Laserresonator dieser Erfindung, wie dies vorstehend beschrieben ist, in einen rechteckigen Strahltransport-Multimode-Wellenleiter 210 zu koppeln. Das Innere des Wellenleiters oder der Kern kann hohl sein, zum Beispiel so, wie dies in 13 dargestellt ist; das bedeutet, aus Gas oder Gasen, Luft oder Vakuum, wie dies nachfolgend beschrieben ist, zusammengesetzt, gepumpt oder in anderer Weise aufgebaut. Der Kern kann auch aus einem Feststoff oder einer Flüssigkeit (nicht dargestellt) zusammengesetzt sein.
  • 15 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der eine Vielzahl von Wellenleitern 250 gestapelt oder in anderer Weise entsprechend anderen Merkmalen, die hier offenbart sind, konfiguriert sein kann. Eingangsstrahlen 252, dargestellt als Pfeile, können in eine optische Blende, eine Eintrittsfläche oder einen Querschnitt jedes Wellenleiters 256 für Mehrfach-Strahl-Anwendungen gemäß der vorliegenden Erfindung eingeführt werden. In einigen Ausführungsformen können relative Phasenverschiebungen zwischen Wellenleitern deterministisch kontrolliert werden, zum Beispiel durch Phasenverschiebungselemente, um eine erwünschte Wellenfront zu erzeugen, entweder für hohle oder für Wellenleiter mit dielektrischem Kern. 12 zeigt weiterhin eine Ausführungsform solcher gestapelter oder konfigurierter Wellenleiter, wobei ein Strahl oder ein Bild (dargestellt) für eine Mehrzahl von Strahlen oder Bildern von einem oder einer Mehrzahl von Quellen, zum Beispiel einem Sender-Feld oder VCSEL, in einen gestapelten Wellenleiter übertragen werden können, genauer hier in 2 als ein zweidimensionales Wellenleiterfeld dargestellt, das potenziell eine Mehrzahl von diskreten Wellenleiterbereichen, die ein zweidimensionales Feld bilden, aufweist. Ein einfacher Wellenleiter kann auch einen Strahl- oder einen Bildtransport vorsehen, oder kann weiterhin einen Transport erreichen oder kann weiterhin einen Transport eines VCSEL-Felds erreichen.
  • Der Multimode-Wellenleiter bildet den Strahl 212 unter der bestimmten Selbstabbildungsperiode in der Art und Weise selbst ab, wie dies zuvor beschrieben ist. Die Wellenleiterlänge ist so ausgewählt, dass die Länge des optischen Wegs eine integrale Zahl der Wellenleiter-Selbstabbildungs-Periode (WISP) ist. Der Ausgangsstrahl 218 ist ein rekonstruierter oder in anderer Weise wieder in Phase gebrachter Strahl oder ein Bild des Eingangsstrahls und besitzt dasselbe Strahlprofil. Zum Beispiel wird der Strahl 212 in den Wellenleiter über die Eintrittsfläche oder den Querschnitt 214 eingekoppelt, eingeführt oder in anderer Weise eingebracht, die bzw. der als eine Blende dienen kann. Der Strahl läuft entlang einer zentralen Propagationsachse und verlässt den Wellenleiter an einer Austrittsfläche oder einem Querschnitt 215. Die Länge (L) des Wellenleiters kann so ausgewählt werden, dass die Länge des optischen Wegs eine integrale Zahl von WISP ist, wie dies vorstehend beschrieben ist. Falls der Strahl unter einem Winkel von nicht Null relativ zu einer zentralen Achse des Wellenleiters läuft, wird sich der optische Weg oder die effektive Wellenleiterlänge von der Länge (L) unterscheiden, wie dies vorstehend in Bezug auf 11 erläutert ist.
  • Weiterhin kann der innere Bereich oder Kern 216, vorgesehen als ein hohler Kern, der mit verschiedenen Beschichtungen, einschließlich dielektrischen Beschichtungen, wie dies zuvor beschrieben ist, gebildet, geprägt, beschichtet oder in anderer Weise hergestellt werden kann, durch Wände oder einen Mantel 220 umgeben sein. Der Mantel umgibt in einigen Ausführungsformen den Kern, um so eine optische Eingrenzung zu ermöglichen. Eine optische Eingrenzung kann allerdings durch andere Techniken, wie beispielsweise innere Reflexion von Schichten mit niedrigerem Brechungsindex oder Mantelschichten oder der umgebenden Atmosphäre, falls der Brechungsindex des Kerns hoch genug ist, erreicht werden, wie beispielsweise durch Phosphatglas, wie dies vorstehend beschrieben ist. Wände oder Mäntel 220 können eine Form annehmen, die von der Querschnittsform oder Blende des Wellenleiters bestimmt ist, wie dies vorstehend in 9 dargestellt ist. Zusätzliche Bereiche außen zu dem Mantel können in einigen Ausführungsformen vorgesehen sein, um die strukturelle Robustheit zu erhöhen.
  • Der Mantel 220 kann einen reflektiven Bereich bilden, und einige Ausführungsformen können einen Mantel, zusammengesetzt aus einem Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex, verglichen mit dem Kern 216, um eine innere Totalreflexion zu erreichen, ein Medium mit einer Eigenreflektivität unter der Propagationswellenlänge eines Strahls, wie beispielsweise Metall, oder eine oder mehrere dielektrische Beschichtungen, die den Strahl einer bestimmten Wellenlänge reflektieren, unter anderen, vorsehen. Allerdings können hohle, passive Systeme, in einigen Ausführungsformen, dielektrische Beschichtungen vermeiden, so dass ein Schleifen oder andere Effekte und eine sich daraus ergebende Beschädigung an dem Wellenleiter vermieden werden können.
  • Reflexionen entlang einer Achse 222 einer Querwellenleiterdimension 234 (gezeigt relativ zu dem oberen Bereich des Wellenleiters 210) können an gegenüberliegenden Kern/Mantel-Grenzflächen 224, 26 auftreten, wie dies in einem Querschnitt in 13(a) dargestellt ist. Reflexionen entlang der Querwellenleiterdimension 240 können auch an gegenüberliegenden Kern/Mantel-Grenzflächen (nicht dargestellt) auftreten. Der WSIP von einem Paar von gegenüberliegenden Kern/Mantel-Grenzflächen, wie beispielsweise den Grenzflächen 224, 226, werden unterschiedlich gegenüber einem zweiten Paar von gegenüberliegenden Kern/Mantel-Grenzflächen sein, zum Beispiel Grenzflächen relativ zu der Querdimension 240, falls eine bestimmte Wellenleiterstrahltransportausführungsform nicht quadratisch ist. Die vorliegende Erfindung kann deshalb einen Hochleistungsstrahltransport-Wellenleiter, hergestellt oder in anderer Weise so dimensioniert, dass es ein Multimode in zumindest einer Querrichtung ist, vorsehen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können Strahltransport-Wellenleiter mit variierenden Dimensionen vorsehen.
  • Weiterhin können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als ein virtuelles, eindimensionales, geführtes Wellenleitersystem, einen Strahltransport, oder einen Wellenleiter, vorsehen, wie beispielsweise Techniken, die ein großes, dimensionsmäßiges Seitenverhältnis für Querdimensionen haben. Ausführungsformen mit einer rechteckigen Form, zum Beispiel, können eine Breite entlang einer Achse haben, zum Beispiel eine Breite entlang der Achse 242, d.h. eine Breite entlang der Querdimension 240, die wesentlich kleiner als die Breite entlang der zweiten Achse, zum Beispiel eine Breite entlang der Achse 232, d.h. eine Breite entlang der Querdimension 234, ist. Entsprechende, geführte Wellensysteme, ein Strahltransport oder ein Wellenleiter würden virtuell eindimensional zu betrachten sein, falls die Strahldi vergenz, basierend zumindest teilweise auf der Systemkonfiguration, entlang der Achse 232, entlang der Achse 222 propagieren, klein verglichen mit der Breite des Wellenleiters einer Querdimension 234 ist, und falls die Strahldivergenz entlang einer Achse 242, entlang der Achse 222 propagierend, groß verglichen mit der Breite des Wellenleiters der Querdimension 240 ist, so dass ein Strahl von Grenzflächen 224 und 226 reflektieren wird, wird effektiv eine Selbstabbildung von nur einem Paar von Grenzflächen erzeugt und eine Selbstabbildung von Reflexionen einer anderen Grenzfläche minimieren wird. Wellenleiter-Konfigurationen, die einen quadratischen Querschnitt oder eine Blende vorsehen, werden eine gleiche Selbstabbildungsperiode oder WISP haben und können als zweidimensional in solcher Hinsicht angesehen werden.
  • Weiterhin kann die vorliegende Erfindung eine oder eine Mehrzahl von Zwischen-Eintritts-Oberflächen, Flächen oder Blenden schaffen, wie dies allgemein in den 16a–16c, 17a–17c und 18 dargestellt ist. Jede Austrittsoberfläche, Fläche oder Blende kann eine Seitenwand-Startstelle 250 für einen Zwischenstrahltransport von dem Wellenleiter 252 sein. Zusätzlich kann jede Zwischen-Oberfläche, Fläche oder Blende, in Kombination oder einzeln, in Bezug auf die Ausgangs-Aspekte, als eine Seitenwand-Startstelle dienen, was eine Eintrittsoberfläche, Fläche oder Blende bildet, um Strahlen oder andere Energie in den Wellenleiter zu transportieren oder in sonstiger Weise zu transmittieren. Ausführungsformen von Seitenwand-Startstellen, übereinstimmend mit der vorliegenden Erfindung, umfassen Gitter-Technologie, und in einigen Ausführungsformen Diffraktionsgitter, Prismen-Blenden und in einigen Ausführungsformen eine Prisma-Evaneszenz-Wellenkopplung, Flüssigkristall-Blenden, mikroelektromechanische Blenden, Blenden-Fenster-Technologie, allgemein, und Felder davon, unter anderen Blenden-Technologien. Seitenwand-Startstellen können besonders bei Systemen anwendbar sein, die eine oder mehrere potenziell wünschenswerte Merkmale, wie beispielsweise eine synthetische Blende, eine verteilte Blende, eine Strahlbildung, eine Strahllenkung, eine Energieabtastung, unter anderen Merkmalen, vorsehen. Seitenwand-Startstellen können als kohärente oder nicht-kohärente Quellen vorgesehen werden, wobei kohärente Quellen besonders vorteilhaft bei Bilderzeugungsanwendungen, zum Beispiel, und inkohärente Quellen besonders vorteilhaft beim Laser-Medium-Pumpen und bei radiometrischen Anwendungen sind.
  • Es kann in Seitenwand-Startstellen- und Ankunft-Anwendungen erwünscht sein, eine Kopplung von Austritts- und Eintrittsstrahlen in den Welleleiter unter einem Minimum zu halten, vorzugsweise in einigen Ausführungsformen so, dass wesentliche Anteile an Energie von propagierender Energie innerhalb des Wellenleiters nicht in weniger als einer selbstabbildenden Periode oder einem Abstand extrahiert wird. Eine asymmetrische Kopplung eines geführten Strahls kann zu nicht erwünschten Störungen des SIM-Wellenleiters führen und kann dadurch den ausgekoppelten Strahl stören. Eine Seitenwand-Konfiguration für Startstellen- und Ankunft-Anwendungen kann deshalb, in bevorzugten Ausführungsformen, jede Seitenwand-Startstelle oder Ankunft- bzw. Wiederherstelllungs-Stelle mit entsprechenden selbstabbildenden Perioden DW, relevant für den Wellenleiter und die geführte Energie, sein. Allerdings werden Ausführungsformen, die Seitenwand-Konfigurationen, die nicht selbstabbildenden Perioden und Abständen entsprechen, auch als Teile der vorliegenden Erfindung angesehen.
  • Spezifische Gebiete können besonders vorteilhaft von der Seitenwand-Startstellen-Technologie aus gesehen sein, insbesondere in auf aeronautische und Raumanwendungen gerichteten Energiesystemen, Objektabbildungssystemen, Objektpositions- und Nachführungssystemen, und Erfassungssystemen. Als ein Beispiel allerdings, und wie es in 19 dargestellt ist, können Seitenwand-Startstellen und Ankunftstellen 270, und Seitenwand-Startstellen und Ankunftstellen 273, allgemein, so vorgesehen sein, dass sie entsprechenden Wellenleitern 272, in Flugzeugen, zur Verwendung als Radar- und Ladar-Nachführungssysteme, unter anderen Bilderzeugungs-, Objekt-Positionierungs- und Nachführungs-, und Erfassungssystemen und gerichteten Energiesystemen, wie beispielsweise Laserwaffensystemen, und auch in kollimierten, optischen Systemen, zugeordnet sind.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können weiterhin das Merkmal von synthetischen Blenden und Techniken davon vorsehen. Dementsprechend können mehrere Austrittsoberflächen, Flächen oder Blenden, wie dies in einer Ausführungsform in 18 gezeigt ist, vorgesehen werden, potenziell als ein Teil einer Mehrzahl von Feldern und potenziellen Verbindungen mit einem oder einer Mehrzahl von Wellenleitern. Synthetik-Blenden-Techniken können besonders nützlich sein, um, zum Beispiel, synthetisierte Werte von Startstellen- und Ankunftstellen-Systemen sein, die potenziell Ergebnisse einer hohen Auflösung erreichen, insbesondere in sich bewegenden Systemen, wie sie beispielsweise in aeronautischen und Raum-Anwendungen, unter anderen, angewandt werden können. Weiterhin kann, und wie allgemein in 6 dargestellt ist, jede Austrittsoberfläche, Fläche oder Blende eine Startstelle oder Ankunftstelle, ein Wellenleiter-Ende oder ein Zwischen-Element, eine Vektorrichtung oder eine Strahllenkung, eines ausgesendeten oder eines ansonsten gerichteten Strahls, erzielen. In der Ausführungsform der 18 werden Strahlen 280 von individuellen Austrittsoberflächen, Flächen, Blenden oder Startstellen gebildet und können gelenkt, ausgekoppelt oder ansonsten in einer bestimmten Richtung gerichtet werden. Eine solche Strahlbildung und Lenkung kann durch diffraktive oder refraktive Techniken, wie beispielsweise refraktive Indexierung, und mit einer anderen, solchen Technologie, wie beispielsweise Gitter-, Prismen-Blenden- und in einigen Ausführungsformen, Prisma-Evaneszent-Wellenkopplung, Flüssigkristall-Blenden, mikroelektro-mechanische Blenden, Blenden-Fenster-Technologie, allgemein, und Feldern davon, unter einer anderen Blenden-Technologie, erreicht werden. Eine Ausführungsform kann differenzielle Refraktionsperioden für eine oder eine Mehrzahl von Austrittsoberflächen, Flächen oder Blenden vorsehen, so dass eine Mehrfach-Strahlbildung und -lenkung von einer Austrittsoberfläche, einer Fläche, einer Blende oder einer Startstelle vorgesehen wird, oder ein Start kann entweder einzeln oder in Kombination auftreten. Zusätzlich kann eine solche Strahlbildung bei Systemen anwendbar sein, bei denen eine Diversion von Energie von dem Wellenleiter erwünscht ist, wie in einer Leistungs- bzw. Energieüberwachung des Wellenleiters und in Leistungsaufteilungstechniken, allgemein.
  • Ausführungsformen können weiterhin das Merkmal eines Strahlkombinierens oder eines Energiekombinierens aufweisen. Eine Ausführungsform solcher Merkmale ist in 20(a) und 20(b) dargestellt, wobei mehrere Verzweigungen von Wellenleitern so gekoppelt sein können, dass Energie, die von jedem aus propagiert, in einen darauffolgenden Wellenleiter hinein kombiniert wird. Jede Verzweigung der mehrfachen Wellenleiter ist an adiabatischen, konischen Abschnitten 290 verbunden. Eine Kopplung zwischen Wellenleitern kann durch Gitter oder andere Typen einer diffraktiven oder refraktiven Ausgangskopplung vorgesehen werden, und eine Ausführungsform ist in 20(c) als modulierte Gitter-Ausgangskopplung dargestellt.
  • Wie zuvor erwähnt ist, können Strahl-Charakteristika basierend auf einer Biegung, einer Wölbung oder aufgrund von Verdrillungs-Konfigurationen des Wellenleiters modifiziert werden. Einige Anwendungen können eine Modifikation des Wellenleiters so erfordern, um sich an seine Umgebung „anzupassen" oder in anderer Weise damit übereinzustimmen. Ein Beispiel ist in der Ausführungsform der 19 gezeigt, wo Biegungen 276, Wölbungen 278 und Verdrillungen 280 so vorgesehen sein können, um sie mit den Wellenleitern mit einer bestimmten Struktur eines Flugzeugs oder von Komponenten davon in Übereinstimmung zu bringen, wie beispielsweise Waffensysteme. Weiterhin kann eine solche Biegung, Wölbung und Verdrillung vorzugsweise den propagierenden Strahl und Charakteristika davon, wie beispielsweise räumliche Kohärenz, modifizieren. Zum Beispiel kann eine Verdrillung 280 des Wellenleiters optisch in einer Strahlbildung 280, potenziell eine solche eines Einbringens einer negativen Linse, resultieren, während eine Biegung 276 in dem Wellenleiter optisch zu einer Strahlbildung, potenziell diejenige eines Einbringens einer positiven Linse, resultieren kann. 21 stellt eine Ausführungsform der Wellenleiter-Deformation gemäß der Erfindung dar.
  • Die nachfolgende Tabelle stellt die verschiedenen Kombinationen von Strukturen, Merkmalen und Attributen der Wellenleiter (WG) dar, die in verschiedenen Ausführungsformen dieser Erfindung verwendet werden können:
  • Figure 00480001
  • Figure 00490001
  • Da diese und zahlreiche andere Modifikationen und Kombinationen des vorstehend beschriebenen Verfahrens und der Ausführungsformen leicht für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden, ist es nicht erwünscht, die Erfindung auf den exakten Aufbau und das Verfahren, die dargestellt und vorstehend beschrieben sind, zu beschränken. Zum Beispiel kann auch auf alle geeigneten Modifikationen und Äquivalente zurückgegriffen werden, die innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, wie er durch die Ansprüche, die folgen, definiert ist, fallen. Die Worte „aufweisen", „weist auf", „aufweisend", „umfassen", „umfassend" und „umfasst", wenn sie in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen verwendet sind, sind dazu vorgesehen, das Vorhandensein der angegebenen Merkmale oder Schritte zu spezifizieren, allerdings schließen sie nicht das Vorhandensein oder den Zusatz von einem oder weiteren, anderen Merkmalen, Schritten oder Gruppen davon aus. Der Ausdruck „Hochleistung" bzw. „hohe Leistung" wird in diesen Unterlagen dazu verwendet, auf Techniken mitgeführter Wellen und mit Strahltransport Bezug zu nehmen, die hohe Niveaus einer durchschnittlichen oder Peak-Leistung, oder beides, einsetzen. Als nur ein Beispiel von Hochleistungs-Techniken, das hier offenbart ist, sieht die vorliegende Erfindung potenzielle, durchschnittliche Leistungswerte von ungefähr 10 – 20 Kilowatt, zum Beispiel in medizinischen Anwendungen, und sogar über 100 Kilowatt als durchschnittliche Leistung für Anwendungen mit gestapeltem Wellenleiter vor. Techniken der Hochleistungs-Waffen-Klasse, die die vorliegende Erfindung einsetzen, können sogar durchschnittliche Leistungswerte im Betrieb von ungefähr 1–3 Megawatt haben. Als ein Beispiel einer Peak-Leistungs-Fähigkeit kann eine Anwendung der Hochleistungs-Waffen-Klasse der vorliegenden Erfindung ungefähr 20 Megawatt einer Peak-Leistung oder größer vorsehen.

Claims (45)

  1. Verstärker für einen Laserstrahl, der eine Wellenlänge (λ) hat, und der umfasst: einen selbstabbildenden (self-imaging) Multimode-Wellenleiter (20) mit einem Kern (22), der ein Verstärkungs- oder Mischmedium mit einem Brechungsindex (n) und eine Kernlänge umfasst, die sich zwischen einer Kerneintrittsfläche und einer Kernaustrittsfläche erstreckt, wobei der Kern des Weiteren einen rechteckigen Querschnitt, der eine Wellenleiter-Breite (a) erzeugt, die groß genug ist, um mehrere Moden des Laserstrahls aufzunehmen und zu leiten, sowie eine Wellenleiter-Selbstabbildungsperiode (waveguide self-imaging period – WSIP) hat, die als eine Distanz in dem Multimode-Wellenleiter definiert ist, in der ein Profil bzw. Bild des Laserstrahls periodisch neu abgebildet wird, wobei im Allgemeinen WSIP = 4na2/λ für den Laserstrahl gilt, der durch den Kern geleitet wird, und WSIP = na2/λ gilt, wenn der Laserstrahl in Bezug auf die Mitte des Wellenleiters vollkommen symmetrisch ist, und wobei der Kern so ist, dass der Laserstrahl, der durch den Kern von der Kerneintrittsfläche zu der Kernaustrittsfläche weitergeleitet wird, eine Lichtweglänge mit einer numerischen Apertur und einer Austrittsfläche hat, die ein von Null verschiedenes ganzzahliges Vielfaches der Wellenleiter-Selbstabbildungsperiode (WSIP) ist; ein Strahleneingangs-Kopplungssystem, das in der Lage ist, das Profil bzw. Bild des Laserstrahls an der Kerneintrittsfläche innerhalb der numerischen Apertur der Kerneintrittsfläche zu erzeugen, um den Laserstrahl in den Wellenleiter hinein und durch ihn hindurch zu der Austrittsfläche zu leiten; und eine Pumplichtquelle, die in das Wellenleiter-Kernmedium gekoppelt ist, um Pumplichtenergie in das Kernmedium hinein zu leiten, so dass sie durch den Laserstrahl extrahiert wird.
  2. Verstärker nach Anspruch 1, der einen Reflektor enthält, der in der Lage ist, den Laserstrahl zu reflektieren, und so angeordnet ist, dass er den Laserstrahl durch den Wellenleiterkern zurück reflektiert.
  3. Verstärker nach Anspruch 2, wobei der Reflektor an der Austrittsfläche angeordnet ist.
  4. Verstärker nach Anspruch 2, wobei der Reflektor außerhalb des Wellenleiters in einem Abstand zu der Austrittsfläche angeordnet ist.
  5. Verstärker nach Anspruch 4, wobei der Reflektor so geformt ist, dass er den reflektierten Laserstrahl zum Zurückleiten durch den Wellenleiterkern auf die Austrittsfläche zurück fokussiert.
  6. Verstärker nach Anspruch 4, der ein optisches Abbildungssystem zwischen der Austrittsfläche und dem Reflektor enthält, das in der Lage ist, den reflektierten Laserstrahl zum Zurückleiten durch den Wellenleiterkern auf der Austrittsfläche neu abzubilden.
  7. Verstärker nach Anspruch 2, der ein Extraktions-Lichtkopplungssystem enthält, das in der Lage ist, den reflektierten Laserstrahl aus der Eintrittsfläche des Wellenleiters zu koppeln und den reflektierten Laserstrahl von dem vorverstärkten Laserstrahl zu trennen.
  8. Verstärker nach Anspruch 7, wobei das Extraktions-Lichtkopplungssystem einen polarisierenden Strahlteiler, der in dem vorverstärkten Strahl angeordnet ist, sowie einen 1/4-λ-Doppelbrechungs-Verzögerer, der zwischen dem polarisierenden Strahlteiler und der Eintrittsfläche des Wellenleiterkerns angeordnet ist, enthält.
  9. Verstärker nach Anspruch 2, wobei die Pumplichtquelle über die Austrittsfläche in das Wellenleiter-Kernmedium gekoppelt ist.
  10. Verstärker nach Anspruch 9, wobei der Reflektor für das Pumplicht durchlässig ist.
  11. Verstärker nach Anspruch 1, wobei die Pumplichtquelle über eine Längsseite des Wellenleiter-Kernmediums in das Wellenleiter-Kernmedium gekoppelt ist.
  12. Verstärker nach Anspruch 11, wobei die Pumplichtquelle eine Laserdiode ist.
  13. Verstärker nach Anspruch 12, wobei die Pumplichtquelle Pumplicht mit einer Wellenlänge erzeugt, die geringer ist als die Wellenlänge λ des Laserstrahls.
  14. Verstärker nach Anspruch 11, der mehrere Pumplichtquellen enthält, die in Längsseiten des Wellenleiter-Kernmediums gekoppelt sind.
  15. Verstärker nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmedium ein Halbleitermaterial ist.
  16. Verstärker nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmedium ein dotiertes YAG umfasst.
  17. Verstärker nach Anspruch 16, wobei das Verstärkungsmedium Yb:YAG umfasst.
  18. Verstärker nach Anspruch 16, wobei das Halbleitermedium Nd:YAG umfasst.
  19. Verstärker nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmedium Nd-Dotierungsmittel umfasst.
  20. Verstärker nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmedium eine Flüssigkeit umfasst.
  21. Verstärker nach Anspruch 20, wobei das Verstärkungsmedium CS2 umfasst.
  22. Verstärker nach Anspruch 1, wobei der Kern rechteckig ist und mit einem Mantelmaterialummantelt ist, das einen niedrigeren Brechungsindex hat als der Kern.
  23. Verstärker nach Anspruch 1, wobei der Kern rechteckig ist, keine Ummantelung hat, jedoch einen Brechungsindex hat, der ausreichend größer ist als der einer umgebenden Atmosphäre, um den Lichtstrahl in dem Kern einzuschließen.
  24. Verstärker nach Anspruch 23, wobei der Kern Nd-dotiertes Phosphatglas umfasst.
  25. Verstärker nach Anspruch 22, der eine Wärmesenke enthält, die an das Ummantelungsmaterial angrenzend und in Kontakt damit angeordnet ist.
  26. Verstärker nach Anspruch 22, wobei das Ummantelungsmaterial wenigstens eine plane Seite hat und die Wärmesenke in Kontakt mit der planen Seite angeordnet ist.
  27. Verstärker nach Anspruch 1, wobei der Laserstrahl, der an der Eintrittsfläche abgebildet wird, eine TEM00-Wellenfront ist.
  28. Laserresonator zum Erzeugen eines Laserstrahls, der umfasst: einen selbstabbildenden Multimode-Wellenleiter (80), der in einem Lichtresonatorhohlraum angeordnet ist und ein Kernmedium (82) hat, das, wenn es angeregt wird, Licht mit einer Wellenlänge (λ) emittiert, wobei das Kernmedium eine Kernlänge, die sich zwischen einer ersten Kernfläche und einer zweiten Kernfläche erstreckt, und des Weiteren einen Brechungsindex (n) sowie einen rechteckigen Querschnitt hat, der eine Wellenleiter-Breite (a) erzeugt, die groß genug ist, um mehrere Moden eines Laserstrahls aufzunehmen und zu leiten, sowie eine Wellenleiter-Selbstabbildungsperiode (waveguide self-imaging period – WSIP) hat, die als eine Distanz in dem Multimode-Wellenleiter definiert ist, in der ein Laserstrahlprofil bzw. -bild periodisch neu abgebildet wird, wobei im Allgemeinen WSIP = 4na2/λ für den Laserstrahl gilt, der durch den Kern geleitet wird, und WSIP = na2/λ gilt, wenn der Laserstrahl in Bezug auf die Mitte des Wellenleiters vollkommen symmetrisch ist, und wobei die Kernlänge so ist, dass der Laserstrahl, der durch den Kern an der ersten Fläche zu der zweiten Fläche geleitet wird, eine Lichtweglänge hat, die ein von Null verschiedenes ganzzahliges Vielfaches der Wellenleiter-Selbstabbildungsperiode (WSIP) ist.
  29. Laserresonator nach Anspruch 28, der eine Pumplichtquelle enthält, die optisch zu dem Wellenleiter-Kernmedium gekoppelt ist, um Pumplichtenergie in das Kernmedium mit einer Wellenlänge zu leiten, die das Kernmedium optisch anregt, das Licht mit der Wellenlänge λ zu emittieren.
  30. Laserresonator nach Anspruch 28, wobei das Kernmedium ein fotovoltaisches Halbleitermaterial ist und der Laserresonator elektrische Kontakte enthält, die so an das Kernmedium angrenzend angeordnet sind, dass das Anlegen eines elektrischen Stroms ermöglicht wird, um das Halbleitermaterial zum Erzeugen des Laserlichts anzuregen.
  31. Laserresonator nach Anspruch 28, wobei entweder die erste Kernfläche oder die zweite Kernfläche eine rechteckige Blende für das Laserlicht zum Austreten und Eintreten in das Kernmedium enthält, und wobei der Lichtresonatorhohlraum eine reflektierende Fläche enthält, die in einer Distanz zu dem Kernmedium und auf die rechteckige Blende ausgerichtet angeordnet ist, um Laserlicht, das aus dem Kernmedium austritt, mit einem ausgewählten räumlichen Moden-Profil an der rechteckigen Blende in die rechteckige Blende zurück zu reflektieren.
  32. Laserresonator nach Anspruch 29, wobei das ausgewählte räumliche Moden-Profil im Wesentlichen TEM00 entspricht.
  33. Laserresonator nach Anspruch 32, wobei die reflektierende Fläche so gekrümmt ist, dass sie das reflektierte Laserlicht mit einem räumlichen Moden-Profil, das im Wesentlichen TEM00 entspricht, auf die rechteckige Öffnung fokussiert.
  34. Laserresonator nach Anspruch 32, der eine Lochblende enthält, die zwischen der reflektierenden Fläche und der rechteckigen Blende angeordnet ist, so dass Laserlicht, das von der reflektierenden Fläche reflektiert wird, durch die Lochblende hindurchtreten muss, um ein räumliches Moden-Profil, das im Wesentlichen TEM00 entspricht, in dem reflektierten Laserlicht zu erzeugen.
  35. Laserresonator nach Anspruch 34, der ein Linsensystem enthält, das zwischen der Lochblende und der rechteckigen Blende angeordnet und so konfiguriert ist, dass es das räumliche Moden-Profil, das im Wesentlichen TEM00 entspricht, von der Lochblende auf die rechteckige Blende fokussiert.
  36. Laserresonator nach Anspruch 31, wobei die reflektierende Fläche vollständig reflektierend ist.
  37. Laserresonator nach Anspruch 31, wobei die reflektierende Fläche teilweise reflektierend ist.
  38. Laserresonator nach Anspruch 31, wobei die reflektierende Fläche eine erste reflektierende Fläche ist, der Lichtresonatorhohlraum eine zweite reflektierende Fläche enthält und wobei das Kernmedium zwischen der ersten reflektierenden Fläche und der zweiten reflektierenden Fläche angeordnet ist.
  39. Laserresonator nach Anspruch 38, wobei die zweite reflektierende Fläche vollständig reflektierend ist.
  40. Laserresonator nach Anspruch 38, wobei die zweite reflektierende Fläche teilweise reflektierend ist.
  41. Laserresonator nach Anspruch 38, wobei die zweite reflektierende Fläche entweder an der ersten Kernfläche oder der zweiten Kernfläche angeordnet ist.
  42. Laserresonator nach Anspruch 28, wobei der selbstabbildende Wellenleiter rechteckigen Querschnitt hat.
  43. Laserresonator nach Anspruch 42, wobei der rechteckige Wellenleiter umfasst: ein rechteckiges Kernmedium mit planen Außenflächen; eine Ummantelung an den Außenflächen, wobei die Ummantelung ebenfalls wenigstens eine plane Außenfläche hat; und eine Wärmesenke, die in Kontakt mit der planen Außenfläche der Ummantelung angeordnet ist.
  44. Laserresonator nach Anspruch 28, der Ummantelungsmaterial mit einem Brechungsindex, der geringer ist als der des Kernmediums, den Kern umgebend enthält.
  45. Laserresonator nach Anspruch 44, wobei das Ummantelungsmaterial ein erstes Ummantelungsmaterial ist und wobei der Laserresonator enthält: ein zweites Ummantelungsmaterial, das das erste Ummantelungsmaterial umgibt und einen Brechungsindex hat, der geringer ist als der des ersten Ummantelungsmaterials; und eine Pumplichtquelle, die optisch zu dem ersten Ummantelungsmaterial gekoppelt ist.
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