DE69507486T2

DE69507486T2 - Faseroptischer hochleistungsverstaerker oder laservorrichtung

Info

Publication number: DE69507486T2
Application number: DE69507486T
Authority: DE
Inventors: John R. Acton Ma 01720 Lewis; Martin H. Cambridge Ma 02139 Muendel
Original assignee: Polaroid Corp
Current assignee: SDL Inc
Priority date: 1994-07-29
Filing date: 1995-04-11
Publication date: 1999-05-27
Anticipated expiration: 2015-04-12
Also published as: CA2196170A1; US5418880A; EP0772901A1; WO1996004701A1; DE69507486D1; EP0772901B1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Lasersysteme und insbesondere auf eine Laservorrichtung mit einem Hochleistungs- Monomode-Ausgang.

Hintergrund der Erfindung

Allgemeiner Hintergrund

Kohärente optische Strahlung oder Laserlicht wird in großem Umfang in der Nachrichtentechnik, in der Medizin, in der Forschung, in der Bilderzeugung und in zahlreichen anderen Technologiebereichen benutzt. Bei derartigen Anwendungen kann die Laserstrahlung direkt benutzt werden, oder sie kann als Zwischenpumpquelle zur Verstärkung oder einer darauffolgenden Laserwirkung ausgenutzt werden. Wenn die Leistungsanforderungen für eine Anwendung klein sind oder in der Größenordnung von einigen Milliwatt mehr oder weniger liegen, ist die Strahlqualität nicht von ausschlaggebender Bedeutung, und es werden Laserdioden in großem Umfang benutzt, weil sie direkt modulierbar sind, eine zweckmäßige Größe besitzen und eine annehmbare Strahlqualität haben. Wenn eine mittlere Leistung benötigt wird, die in der Größenordnung von einem Watt oder dergleichen liegt, und erhöhte Anforderungen an die Strahlqualität gestellt werden, beispielsweise bei einem beugungsbegrenzten Punkt, werden faseroptische Laser mit Festkörperpumpquellen benutzt. Für Anwendungen mit höheren Leistungen, wo einige Watt benötigt werden, beispielsweise bei gewissen Druckanwendungen, hat man Laserdiodenfelder als Pumpquellen mit speziellen Faserverstärkerstrukturen gekoppelt. Für noch höhere Leistungserfordernisse von zehn Watt oder mehr können Hochleistungslaserdiodenfelder, deren Hohlräume wenige Moden emittieren, mit solchen speziellen Verstärkerfasern gekoppelt werden. Es muß jedoch eine wirksame Koppelleistung gewährleistet werden, wenn ein maximaler Leistungsausgang erreicht werden soll. Da Monomode-Kerne klein sind und einen 10 um starken Durchmesser oder weniger besitzen und typische Materialien die Größe der numerischen Faseraperturen (NA) begrenzen, ist es eigentlich unmöglich, wirksam Multimode-Laserfeldenergie direkt in Monomode- Verstärkerkerne über eine stirnseitige Koppeltechnik einzukoppeln.
Wie oben erwähnt, kann Hochleistungslaserlicht dadurch erhalten werden, daß man die Ausgänge von emittierenden Laserdiodenfeldhohlräumen kombiniert. Jedoch ist eine Kombination getrennter Ausgänge in der Weise, daß die Helligkeit erhalten bleibt und Leistungsverluste auf einem Minimum gehalten werden, schwierig durchzuführen.
Die Schwierigkeit rührt aus der Tatsache her, daß der zusammengefaßte Ausgang einer Mehrfach-Laserquelle nicht für eine effiziente Kopplung in eine optische Faser konfiguriert ist, weil eine Fehlanpassung zwischen den geometrischen Eigenschaften und den numerischen Aperturen der Quelle und der Empfängerfaser besteht. Eine typische Mehrfach-Laserquelle kann ein Laserstab 10 sein, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Die optische Strahlung wird von einer Licht emittierenden Fläche 11 emittiert, entlang welcher mehrere Laserhohlräume angeordnet sind. In dem angegebenen Beispiel enthält die Licht emittierende Fläche 11 eine Laserdiode 12, die in einem Intervallabstand 16 von einer benachbarten Laserdiode 13 angeordnet ist. Die Laserdiode 12 besitzt im typischen Fall einen emittierenden Facettenausgang in Form eines langen schmalen Rechtecks und ist mit der längeren Abmessung parallel zur Laserstabachse 14 orientiert.
Zur Veranschaulichung wird eine Gruppe von Laserstrahl-uvw- Koordinaten 19 benutzt, um die Ausbreitungscharakteristiken der Strahlen zu beschreiben, die von den Laserdioden ausgesandt werden. Die Orientierung der w-Achse verläuft senkrecht zur Licht emittierenden Oberfläche 11 und fälle mit der Ausbreitungsrichtung der Strahlen zusammen. Die Koordinaten 19 'wandern' mit jedem Strahl und drehen sich um die w-Achse, wenn der Strahl gedreht wird, und sie ändern die Richtung, wenn die Ausbreitungsrichtung des Strahls geändert wird. Die Laserdiode 12 emittiert einen Laserstrahl 20, und die Laserdiode 13 emittiert einen Laserstrahl 21 usw.
Die Strahlungsverteilungen der emittierten Laserstrahlen 20 und 21 werden durch Ellipsen repräsentiert, um anzuzeigen, daß sie jeweils eine v-Komponente parallel zur Laserstabachse 14 und eine u-Komponente senkrecht zur Laserstabachse aufweisen. Eine quantitativ bessere Darstellung der Laserstrahldivergenz ergibt sich aus der graphischen Darstellung nach Fig. 2, die zeigt, daß jeder Laserstrahl mit einem größeren Winkel Θu in der u-Richtung divergiert als der Divergenzwinkel in v-Richtung Θv, wenn der Laserstrahl in w-Richtung fortschreitet. Die NA-Werte, gemessen, um 95% der optischen Leistung zu erfassen, liegen im typischen Fall zwischen 0,30 und 0,70 (17 bis 40º) für NAu und 0,10 bis 0,35 (6 bis 20º) für NAV. Bevor derartige Laserstrahlen in eine optische Faser eingeleitet werden können, wird eine Kopplungsvorrichtung benötigt, um die Strahlung in eine geeignetere Konfiguration umzuformen, die mit der Geometrie und der numerischen Apertur der Faser besser vereinbar ist.
Eine Messung der Kopplungsfehlanpassung zwischen zwei optischen Komponenten kann durch einen quantitativen Vergleich der 'Etendu'-Werte für die zwei Komponenten geliefert werden. Das Etendu einer Komponente ist definiert als das mathematische Produkt der Winkelerstreckung und der räumlichen Erstreckung des Strahls, der in jene Komponente eintritt oder von dieser emittiert wird:
Etendu (Winkelerstreckung) · (räumliche Erstreckung)
Zur Illustration soll angenommen werden, daß der Laserstab 10 ein lineares Feld von zwanzig Laserdioden auf einer Fläche 1,00 cm lang und 0,1 mm breit aufweist. Wenn die Laserdioden 12 und 13 1 um in u-Richtung und 175 um in v-Richtung verlaufen, wobei der Abstand 16 485 um von Mittelpunkt zu Mittelpunkt beträgt, dann beträgt NAu25 etwa 0,55 (31,5º), und NAv27 beträgt etwa 0,12 (6,9º) für eine Wellenlänge von 1,06 um, wie in Fig. 1 angegeben.
Für die Laserdiode 12 wird der u-Komponenten-Etendu-Wert 1 um · 0,55 NA, oder 0,55 um-NA, und der v-Komponenten- Etendu-Wert beträgt 175 um · 0,12 NA, oder 21 um-NA. Für den Laserstab 10 ist das u-Komponenten-Etendu ebenfalls 0,55 um-NA. Das v-Komponenten-Etendu für den Laserstab 10 beträgt 1200 um-NA, und dies ist mehr als zweitausendmal so viel wie das u-Komponenten-Etendu. Zum Vergleich kann der innere Überzug einer optischen Faser eine NA von 0,47 und eine Abmessung von 120 um mal 360 um aufweisen. Dies würde zu einem Etendu von 56 um-NA mal 169 um-NA führen. Eine direkte Kopplung eines Laserstabs, beispielsweise des Laserstabs 10, in die optische Faser wäre nicht wirksam, weil das v-Komponenten-Etendu des Laserstabs das höchste Etendu übersteigt, das von der optischen Faser geliefert wird.
Die Fehlanpassung kann nicht allein durch Benutzung anamorphischer Bilderzeugungssysteme korrigiert werden, obgleich diese unterschiedliche räumliche Vergrößerung in den beiden senkrecht zueinander stehenden Richtungen haben. Jedes praktische Abbildungssystem, welches die Etendu- Fehlanpassung zwischen einem Laserdiodenfeld und einer optischen Faser vermindert, muß kompliziertere Reformierungslehren berücksichtigen einschließlich einer Drehung jedes emittierten Diodenstrahls um 90º, bevor eine opti sche Korrektur des Strahls durch das Abbildungssystem durchgeführt werden kann.
Deshalb bleibt es wegen der nicht-kompatiblen Strahlkonfiguration gekoppelt mit praktischen Grenzen einer faseroptischen numerischen Apertur (d. h. feste Akzeptanz-Conen) schwierig, wenn nicht unmöglich, diese Quellen mit höherer Leistung wirksam in Kerne einzukoppeln, insbesondere in Monomode-Kerne, die ein Monomode-Pumpen für eine wirksame Kopplung benötigen.
Jedoch haben Snitzer et al. in der US-A-4 318 079 eine elegante Lösung beschrieben, durch die eine wesentliche Verbesserung gegenüber einem früheren Versuch erreicht wurde, welch letzteren Maurer in der US-A-3 808 549 beschrieben hat. Bei dem Schema von Snitzer et al., das im folgenden als rüberzugspumpen' bezeichnet werden soll, wird ein Monomode-Kern, der das aktive Ion enthält, von einem nicht-dotierten inneren Multimode-rüberzug umschlossen, der einen geringeren Index hat als der Kern und der eine spezielle Geometrie für ein wirksames Pumpen aufweist. Diese Anordnung wird wiederum durch einen äußeren Überzug mit einem noch niedrigeren Brechungsindex umschlossen. Das Pumplicht wird in den inneren Überzug geschickt und durch Totalreflexion an der Zwischenfläche zwischen den Überzügen begrenzt, um im inneren Überzug fortzuschreiten, der eine kernartige Struktur gegenüber dem äußeren Überzug besitzt. Der innere Überzug ist als Multimode-Überzug natürlich physikalisch größer als der Kern und liefert daher ein besseres Ziel, und die numerische Apertur, die eine Funktion der Indizes von innerem und äußerem Überzug ist, wird so groß wie möglich gemacht, um mehr Pumpleistung wirksam zu empfangen. Wenn die Pumpleistung längs des inneren Überzugs fortschreitet, wird sie progressiv durch den Kern absorbiert, um die Populationsinversion zu liefern, die für die Verstärkung und die folgende Laserwirkung mit geeigneter Rückkopplung notwendig ist. Dieses Schema ist ein Hybrid mit der Charakteristik eines Längs- und Querpumpens, und hierdurch wird der große Vorteil erreicht, daß eine wirksame Kopplung der verfügbaren Pumpleistung aus einer inkohärenten Quelle in einen Monomode-Kern möglich wird, um einen Monomode-Ausgang zu liefern. Es hat sich als wirkungsvoll gezeigt, wenn die Geometrien des inneren Überzugs eine langgestreckte Plattenkonfiguration, ähnlich einem Rechteck, aufweisen, und eine Konfiguration, bei der ein Kern exzentrisch innerhalb des inneren Überzugs angeordnet ist.
Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine faseroptische Hochleistungsvorrichtung zu schaffen, bei der die Ausgänge von mehreren Laserquellen in einem einzigen Hochleistungsstrahl optischer Strahlung kombiniert werden.
Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer derartigen faseroptischen Vorrichtung, bei der ein einziger Ausgangsstrahl wirksam in einen optischen Faserkern eingekoppelt werden kann.
Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer optischen Faservorrichtung, bei der die Querschnittsform des inneren Überzugs wirksam an unterschiedliche Eingangsstrahlcharakteristiken angepaßt werden kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine optische Faservorrichtung zu schaffen, bei der die optische Faser eine gleichförmige Verteilung von Strahlungsmoden innerhalb des inneren Überzugs liefert.
Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer faseroptischen Vorrichtung, bei der die Wirksamkeit der Faserstrahlungskopplung keine Funktion des Ortes des Faserkerns ist.
Die gestellte Aufgabe wird gelöst durch die kombinierten Merkmale des Anspruchs 1.
Die Erfindung bezieht sich demgemäß auf eine faseroptische Hochleistungsvorrichtung zur Verstärkung oder für eine Laseranwendung mit einer Pumpquelle, bestehend aus mehreren Licht emittierenden Facetten oder Laserquellen und aus einem optischen System zur Transformation und Konvergenz der verschiedenen Lichtemissionen oder Strahlen auf eine optische Faser, die aus einem Kern und einem inneren Überzug besteht, der den Kern umgibt. Das optische system weist eine speziell ausgebildete, leicht herzustellende Mehrfacettenoberfläche auf, die in Kombination mit anderen Elementen benutzt wird, um die Ausgänge eines Strahlungsfeldes derart zu kombinieren, daß ihre kombinierte Energie wirksam in einen faseroptischen Aufbau eingeführt werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Strahlen der Pumpquelle in einer Achse ausgerichtet und durch einen optischen Koppler kombiniert, der einen optischen Phasendreher und ein optisches System aufweist, um die einzelnen rotierenden Laserstrahlen in einen einzigen Strahl optischer Strahlung auszurichten und zu fokussieren. Der optische Strahlphasendreher weist ein ebenes Band mit einer Oberfläche mit mehreren benachbarten parallelen Nuten auf, wobei eine Nut für jeden Laserstrahl vorgesehen ist. Jede Nut weist zwei reflektierende Facetten auf, die einen V-förmigen Flächenwinkel bilden, dessen Scheitelkante beiden Facetten gemeinsam ist. Die reflektierenden Facetten können überzogen sein, um für die Laserstrahlen eine hohe Reflexionsfähigkeit aufzuweisen. Die Scheitelkante definiert einen Aspektwinkel gegenüber der Ausbreitungsrichtung des entsprechenden Laserstrahls, derart daß der Laserstrahl um seine Ausbreitungsrichtung nach zwei aufeinanderfolgenden Reflexionen von den reflektierenden Facetten gedreht wird, die der entsprechenden Scheitelkante gemeinsam sind. Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform wird ein optisch transparenter Phasendreher benutzt, um jeden Laserstrahl zu drehen. Der optisch transparente Phasendreher hat innen reflektierende Oberflächen, die die Grenzen zwischen dem Phasendreher und dem Umgebungsmedium bilden, wenn das um gebende Medium einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als das Material, aus dem der optisch transparente Phasendreher besteht. Die innen reflektierenden Oberflächen bilden ein konkaves reflektierendes Paar, die einen Flächenwinkel mit einem Scheitelrand bilden, der beiden Oberflächen gemeinsam ist. Die Scheitelkante definiert einen Aspektwinkel gegenüber der Ausbreitungsrichtung des entsprechenden Laserstrahls, derart daß der Laserstrahl um seine Ausbreitungsrichtung gedreht wird, nachdem er zwei aufeinanderfolgenden Reflexionen von dem konkaven reflektierenden Paar unterworfen wurde, die der entsprechenden Scheitelkante gemeinsam sind. Der faseroptische Aufbau weist einen Kern auf, der von einem inneren Überzug umschlossen ist, um Pumpenergie in den Kern einzuführen, wobei der innere Überzug eine Querschnittsgestalt in Form eines oder mehrerer bevorzugter konvexer Polygonformen besitzt. Die Polygonform, die für eine spezielle Anwendung benutzt wird, wird derart gewählt, daß die resultierende numerische Apertur des inneren Überzugs, der die gewählte Gestalt besitzt, sehr nahe der numerischen Apertur des einzigen Strahls der optischen Strahlung angepaßt ist, die in die optische Faser eingeführt wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die neuartigen Merkmale, die für die vorliegende Erfindung als charakteristisch angesehen werden, ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Hieraus sind die Anordnung und das Arbeitsverfahren der Erfindung mit seinen Merkmalen und Vorteilen am besten verständlich. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Licht emittierenden Frontfläche eines bekannten Laserstabes, wobei mehrere Laserdioden feldweise längs einer Laserstabachse angeordnet sind,
Fig. 2 zwei graphische Darstellungen, die die optische Leistungsdivergenz für jede Laserdiode im Laserstab gemäß Fig. 1 erkennen lassen, wobei sowohl die Divergenz parallel zur Laserstabachse (Θu) und die Divergenz senkrecht zur Laserstabachse (Θv) vorgesehen sind,
Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht einer bekannten optischen Faser mit einem Kern, der mit einem Verstärkermittel dotiert ist und der von einem inneren Überzug umschlossen ist, der seinerseits von einem äußeren Überzug umgeben ist,
Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt einer bekannten optischen Faser, ausgerichtet auf einen optischen Wellenleiter und an eine Strahlungsquelle angekoppelt,
Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt einer bekannten Laserfaser, wobei Laserstrahlen dargestellt sind, die innerhalb des Laserfaserkerns fortschreiten,
Fig. 6 eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Verstärkersystems oder Lasersystems, wobei ein Laserstab, ein Strahlkollimator, eine optische Strahldrehvorrichtung, eine Fokussierungsoptik und eine optische Faser dargestellt sind,
Fig. 7 eine schematische Vorderansicht der Licht emittierenden Fläche des Laserstabes gemäß Fig. 6,
Fig. 8 eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils des optischen Systems gemäß Fig. 6, wobei die optische Strahldrehvorrichtung ersichtlich ist, wodurch die einzelnen Laserlichtquellen reformiert werden, die vom Laserstab emittiert werden,
Fig. 9 eine schematische Schnittansicht einer optischen Faser mit einem Wellenleiter gemäß der Erfindung, wobei in der Querschnittsebene die Projektionen einer Reihe von Strahlsegmenten dargestellt sind, die einen Strahl repräsentieren, der über die Länge der Faser fortschreitet,
Fig. 10A bis 10D Querschnittsansichten von erfindungsgemäß ausgebildeten dreiseitigen optischen Faserwellenleitern,
Fig. 11A bis 11D schematische Querschnittsansichten optischer Faserbeispiele für einen vierseitigen Wellenleiterquerschnitt gemäß der Erfindung,
Fig. 12 eine schematische Schnittansicht einer optischen Faser für einen sechsseitigen Wellenleiterquerschnitt gemäß der Erfindung,
Fig. 13 eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils einer abgewandelten Ausführungsform des Systems nach Fig. 6, wobei ein integraler Strahlkollimator und eine Drehvorrichtung dargestellt sind,
Fig. 14 eine schematische perspektivische Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der optischen Strahldrehvorrichtung gemäß Fig. 8, die aus einem Band einer monokristallinen Substanz besteht, die ein eingeätztes Nutenfeld auf einer Oberfläche besitzt,
Fig. 15 eine schematische perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der optischen Strahldrehvorrichtung gemäß Fig. 8, bestehend aus mehreren gestapelten Platten, wobei jede Stapelplatte ein abgewinkeltes oder keilförmiges Ende besitzt,
Fig. 16 eine schematische perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der optischen Strahldrehvorrichtung gemäß Fig. 8, die aus mehreren gestapelten Platten besteht, wobei jede Stapelplatte ein im Winkel angestelltes oder keilförmiges Ende aufweist.

Einleitung

Faseroptische Verstärker und Laser arbeiten im allgemeinen mit optischer Strahlung, die innerhalb des Kerns einer optischen Verbundfaser geleitet wird. Im Betrieb des Verstärkers oder des Lasers wird eine Signalstrahlung oder eine Pumpstrahlung in ein Ende der optischen Faser eingeleitet und durch Totalreflexion in der Faser gehalten und geleitet, und die Strahlung tritt am anderen Faserende als verstärktes Signal oder als Laserstrahlung aus.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht einer zirkular-symmetrischen optischen Faser 30 mit mehreren Überzügen, bestehend aus einem Kern 34, einem inneren Überzug 32, der den Kern 34 umgibt, und einem äußeren Überzug 36, der den inneren Überzug 32 umschließt. Der Kern 34 kann etwa 2 bis 10 um dick sein, wenn es sich um eine Monomode-Faser handelt. Bei Anwendungen mit geringer Leistung ist die Pumpstrahlung im typischen Fall monomode und kann direkt in den Kern 34 eingeleitet werden. Wenn der Brechungsindex n&sub1; des Kerns 34 größer ist als der Brechungsindex n&sub2; des inneren Überzugs 32, kann die Strahlung im großen und ganzen innerhalb des Kerns 34 durch innere Totalreflexionen gehalten werden. Wie bekannt, kann eine innere Totalreflexion dann eintreten, wenn die Strahlung auf die Kerngrenze unter einem Winkel auftrifft, der kleiner ist als ein kritischer Winkel Θc. Der Winkel Θc, der gegenüber der Normalen zur Kerngrenze gemessen wird, ergibt sich aus der Beziehung sin Θc = sin&supmin;¹(n&sub2;/n&sub1;).
Weil jedoch die meisten verfügbaren Monomode-Strahlungsquellen in ihrer Leistung klein sind, reichen diese Quellen nicht für Anwendungen aus, die hohe Leistungspegel erfordern, selbst wenn die Kopplung einen hohen Wirkungsgrad besitzt. Für derartige Anwendungen ist eine Eingangsquelle höherer Leistung erforderlich, aber derartige Quellen sind im typischen Fall monomode und können nicht direkt in einen optischen Faserkern eingeleitet werden, ohne daß Helligkeitsverluste eintreten. Eine frühere Lösung dieses Problems bestand darin, indirekt eine Multimode-Strahlung in den inneren Überzug einzuleiten, wobei der innere Überzug als Wellenleiterbereich fungierte, um die so injizierte Strahlung zu halten und weiterzuführen.
Für eine optische Faser, beispielsweise die Faser 30, wirkt der innere Überzug 32 als Wellenleiter durch innere Reflexionen der Strahlung, die an der Zwischenfläche 38 auftritt, die zwischen dem inneren Überzug 32 mit dem Brechungsindex n&sub2; und dem äußeren Überzug 36 mit kleinerem Brechungsindex n&sub3; liegt. Der Zweck des inneren Überzugs 32 besteht darin, die injizierte Strahlung so zu begrenzen, daß die Strahlung wiederholt den Kern 34 schneidet, wenn sie längs der Faser 30 fortschreitet. Bei einem solchen Hindurchtreten durch den Kern 34 wird ein Teil der Pumpstrahlung durch ein aktives Verstärkerdotierungsmittel absorbiert, das innerhalb des Kerns 34 enthalten ist. Die Länge einer optischen Faser beträgt im typischen Fall mehrere zehn Meter, so daß eine große Zahl derartiger Vorgänge zustande kommt und der Kern so viel Pumpstrahlung wie möglich absorbieren kann.
Optische Verstärker benutzen die Faserkonfigurationen nach Fig. 3, um Verstärkerstrahlung in ein Signal einzukoppeln, das im Faserkern fortschreitet. Die US-A-3 808 549 beschreibt eine optische Kommunikationsvorrichtung mit einer Strahlungsquelle, die auf eine optische Faser ausgerichtet ist. Die Kommunikationsvorrichtung weist eine optische Faser 50 und einen optischen Wellenleiter 62 auf, die beide im Längsschnitt in Fig. 1 dieses Patentes dargestellt sind. Die beiliegende Fig. 4 zeigt diese Anordnung. Die optische Faser 50 umfaßt eine innere transparente Überzugsschicht 52, die auf der Oberfläche eines Kerns 54 angeordnet ist, und eine dünne äußere Überzugsschicht 56, die auf der Oberfläche des inneren Überzugs 52 aufgebracht ist. Ein Ausgangsende 55 der optischen Faser 50 ist auf ein Eingangs ende 65 des optischen Wellenleiters 62 ausgerichtet. Die im Kern 54 erzeugte Strahlung ist mit dem optischen Wellenleiter 62 gekoppelt.
Die US-A-4 829 529 beschreibt eine optische Faser mit mehreren Überzügen, die als Laserhohlraum für einen Faserlaser Anwendung findet. Die Fig. 2 dieser Patentschrift zeigt im Schnitt eine Seitenansicht einer Monomode-Faser mit einem zugeordneten Multimode-Faserpumphohlraum. Diese Illustration ist in der beiliegenden Fig. 5 aufgenommen. Zum Zwecke der Diskussion ist in dieser Fig. 5 ein xyz-Koordinatensystem 39 eingezeichnet.
Ein Faserlaser 40 besteht aus einem Monomode-Kern 44, der von einem Multimode-Überzug 42 und einer äußeren Schicht 46 umschlossen ist. Die letzteren beiden Schichten definieren einen Pumphohlraum. Die Brechungsindizes für den Überzug 42 und die äußere Schicht 46 sind so gewählt, daß die Pumpstrahlung total an einer Zwischenfläche 48 reflektiert wird. Da die Strahlung längs des Überzugs 42 fortschreitet, kann sie den Kern 44 vielmals durchlaufen und an ein Laserverstärkungsmedium innerhalb des Kerns 44 ankoppeln, vorausgesetzt, daß der Modus dieses Verhalten hat. Jedoch wird nicht jede Mode, die in einem solchen Aufbau erzeugt wird, längs des Pfades fortschreiten, der den Kern trifft. Tatsächlich sind schiefe Strahlen, die eine erhebliche Pumpenergie mit sich führen, in einem Ringbereich konzentriert, der den Kern umgibt, und daher treffen diese Strahlen den Kern nicht. Weil der Kern in der Mitte, weg von der Stelle der meisten Pumpenergie liegt, ist ein derartiger kreissymmetrischer Faseraufbau äußerst unwirksam im Hinblick auf die Benutzung der verfügbaren Pumpleistung und daher nicht von irgendeinem praktischen Interesse. Die ungleichmäßige modale Verteilung in kreissymmetrischen Fasern ist eine Folge der Geometrie, und diese Kreisgeometrie und die Anordnung des Kerns in der Mitte sind einfach ungeeignet zur Benutzung als Pumpleistung.
Ein Verfahren zur Verbesserung der Faserkoppelwirksamkeit ohne Änderung des Durchmessers des Faserkerns ist in der US-A-5 291 501 beschrieben. Hier wird die Benutzung eines rüberzugspumpens' beschrieben, um eine Multimode-Eingangsstrahlung in einen optischen Faserkern einzuleiten. Hierbei ist ein innerer rüberzug mit einem ersten aktiven Material dotiert, und ein Monomode-Kern ist mit einem zweiten unterschiedlichen laseraktiven Material dotiert, derart daß dann, wenn der innere Überzug gepumpt wird, die resultierende Laseremission als Pumpstrahlung für das laseraktive Dotierungsmittel im optischen Faserkern dient. Diese Literaturstelle stellt fest, daß die Strahlung schneller in dem aktiven Material des inneren Überzugs absorbiert wird als im Kern durch Leckstrom. Die Pumpstrahlung wird dadurch über eine sehr viel kürzere Länge absorbiert als die Absorptionslänge für andere Überzugspumpanordnungen beträgt, bei denen ein transparenter innerer Überzug benutzt wird. Diese Anordnung erfordert jedoch, daß der innere Überzug ein aktives Dotierungsmittel enthält.
Herkömmliche faseroptische Verstärker und Fasersysteme wie die oben beschriebenen weisen optische Fasern auf, die einen kreisförmigen Querschnitt besitzen. Diese Systeme suchen die Koppelwirksamkeit der optischen Faser zu verbessern, ohne dabei die Beschränkungen zu berücksichtigen, die sich beim Ankoppeln ergeben, wenn die innere Überzugsschicht die Form eines rotationssymmetrischen Wellenleiters hat. Wenn ein kreisförmiger Wellenleiter benutzt wird, um die Strahlung in einen mittleren Kern einzukoppeln und darin zu halten, ist die resultierende Verteilung der Strahlung innerhalb des Wellenleiters nicht isotrop, und daher schneidet nicht jede Strahlungsmode den Kern. Infolgedessen ist nicht die gesamte in der optischen Faser vorhandene Strahlung zur Absorption durch den Faserkern verfügbar.
Die Hochleistungsverstärker oder Laser, die hierin beschrieben sind, benutzen optische Faserkonfigurationen mit einem doppelten Überzug, die eine gleichförmige Verteilung der Strahlungsmoden innerhalb des inneren Überzugs erzeugen. Derartige Konfigurationen treffen den Kern mit sämtlichen Strahlungsmoden. Ferner kann der Kern im wesentlichen irgendwo innerhalb des inneren Überzugs angebracht werden, ohne die Koppelwirksamkeit der Faser zu beeinträchtigen. Es hat sich gezeigt, daß ein gleichförmiges Strahlungsfeld erzeugt wird, wenn der Wellenleiterbereich oder der innere Überzug einer optischen Faser eine bevorzugte geometrische Gestalt besitzt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In Fig. 6 ist ein Hochleistungslasersystem 100 gemäß der Erfindung dargestellt. Das Lasersystem 100 weist drei Hauptkomponenten auf: eine Strahlungsquelle 110, eine optische Faser 170 mit einem Monomode-Kern und einen Koppelmechanismus 102, um die Strahlung der Strahlungsquelle 110 in die optische Faser 170 einzukoppeln. Die Strahlungsquelle besteht aus einer Vielfach-Laserstrahlungsquelle mit einem Gesamtausgang von etwa 20 Watt, und dieser Ausgang wird in einen einzigen TEM0,0-Ausgang hoher Strahlungsdichte umgewandelt, im typischen Fall mit 17 Watt am Ausgangsende der Faser 170. Diese Ausbildung macht das Lasersystem 100 geeignet zum Drucken und für andere Bilderzeugungsanwendungen.
Die Funktionen und die relativen Plazierungen der Komponenten des Hochleistungslasersystems 100 werden unter Bezugnahme auf eine Gruppe von Lasersystem-xyz-Koordinaten 149 erläutert.
Die bevorzugte Strahlungsquelle ist ein Laserstab 110, der ein Feld von Laserdioden enthält. Ein geeigneter kommerziell verfügbarer Laserstab ist von SDL, Inc., San Jose, California, verfügbar. Der Laserstab 110 besitzt eine Licht emittierende Oberfläche 112, welche die emittierenden Fa cetten in einer linearen Reihe von Laserdioden enthält, die über eine Laserstabachse 116 gemäß Fig. 7 verteilt sind. Die Laserstabachse 116 verläuft parallel zur x-Achse des xyz-Koordinatensystems 149, und die Licht emittierende Ebene 112 ist parallel zur x-z-Ebene orientiert. Jede Laserdiode in dem Laserfeld, beispielsweise die Laserdiode 114, besitzt eine Licht emittierende Oberfläche von 175 um mal 1 um. Der Abstand, beispielsweise der Abstand 118, zwischen der Laserdiode 114 und einer benachbarten Laserdiode 115 beträgt etwa 485 um Mittelpunktsabstand.
Es wird eine Gruppe von Laserstrahl-uvw-Koordinaten 119 benutzt, um die Diskussion der Laserstrahlausbreitung zu beschreiben. Die Ausbreitungsrichtung einer jeden Laserdiode im Laserfeld ist auf die x-Achse des uvw-Koordinatensystems 119 ausgerichtet. Die Koordinatengruppe 119 wandert mit dem Strahl und dreht sich um die w-Achse, wenn der Strahl rotiert, und ändert die Richtung, wenn die Ausbreitungsrichtung des Strahls geändert wird. Jeder Laserstrahl im Strahlenfeld besitzt eine NA von etwa 0,55 (34,4º) in der u-w-Ebene und von 0,12 (6,9º) in der v-w-Ebene. Beispielsweise emittiert die Laserdiode 114 einen Laserstrahl 180, der durch eine Ellipse repräsentiert ist und eine v-Komponente 182 und eine u-Komponente 184 besitzt. Diese emittierten Laserstrahlen schreiten anfänglich in der negativen y-Richtung des Laserkoordinatensystems 149 fort und treten in den Koppelmechanismus 102 des Lasersystems 100 ein, wo die Laserstrahlen reformiert werden. Der Reformationsprozeß, der für jeden emittierten Laserstrahl im Laserfeld gleich ist, wird im folgenden für den Laserstrahl 180 beschrieben, der von der Laserdiode 114 emittiert wird.
Wie aus Fig. 6 ersichtlich, wird der Laserstrahl 180 zunächst in eine Zylinderlinse 120 eingeleitet, die in Azimutrichtung, d. h. in der u-w-Ebene, eine Parallelausrichtung bewirkt. Die Linse 120 hat eine kreisförmige Krümmung in der y-z-Ebene und dient dazu, den Laserstrahl 180 in der y-z-Ebene auszurichten, um einen seitlich ausgerichteten Laserstrahl 180a zu erzeugen. Das Wachstum des Laserstrahls 180 in der y-z-Ebene nimmt ab, wenn er durch die Linse 120 tritt, und verbleibt abgeschwächt, wenn der Strahl weiter durch das Lasersystem 100 fortschreitet. Falls erforderlich, kann die Linse 120 statt dessen mit einer hyperbolischen oder anderen von der Kreisform abweichenden Oberfläche versehen sein. Eine allgemeiner geformte nicht- kreisförmige Kollimatorlinse führt weniger Aberrationen in den seitlich ausgerichteten Laserstrahl 180a ein, aber die Positionierungstoleranzen für eine solche Linse wären kritischer als die Toleranzen bei einer kreisförmigen Linse. Der Laserstrahl 180a tritt aus der Linse 120 aus und wird in der u-w-Ebene ausgerichtet, aber er divergiert weiter in einem zweiten Azimut, d. h. in der v-w-Ebene.
Der seitlich ausgerichtete Laserstrahl 180a wird darauf um 90º um die Ausbreitungsachse mittels eines optischen Strahldrehers 130 gedreht. Der Laserstrahl 180a wird zwei aufeinanderfolgenden Reflexionen durch reflektierende Facetten des optischen Strahldrehers 130 reflektiert, um einen rotierten Laserstrahl 180c zu erhalten. Nach Durchlaufen des optischen Strahldrehers 130 divergiert der rotierte Laserstrahl 180c weiter in v-Richtung, verbleibt aber in u-Richtung ausgerichtet.
Der rotierte Laserstrahl 180c durchläuft dann eine zylindrische Steuerlinse 140, die eine Konvergenz des rotierten Laserstrahls 180c in einen konvergierenden Laserstrahl 180d bewirkt. Die Steuerlinse 140 bewirkt auch eine Konvergenz des gesamten Feldes der rotierten Laserstrahlen in der x-z-Ebene. Obgleich das Laserstrahlfeld seitlich nach der z-Achse durch die Linse 140 gebeugt wird, divergiert jeder einzelne Laserstrahl in dem zweiten Azimut.
Diese Divergenz des konvergierenden Laserstrahls 180d wird in der zweiten Azimutebene durch eine zweite zylindrische Kollimatorlinse 150 angehalten. Der Laserstrahl 180d durchläuft die Linse 150, um einen ausgerichteten. Laserstrahl 180e zu erzeugen. Das Feld der ausgerichteten Laserstrahlen einschließlich dem ausgerichteten Laserstrahl 180e konvergiert weiter in der x-z-Ebene, weil vorher die Steuerlinse 140 durchlaufen wurde.
Eine Fokussierungslinse 160 bewirkt eine Konvertierung des Laserstrahlfeldes, das durch die zweite Kollimatorlinse 150 ausgerichtet wurde, einschließlich dem ausgerichteten Laserstrahl 180e, in einen Fokussierungsstrahl 190 an einem Wellenleiter 172 einer optischen Faser 170. Der fokussierte Strahl 190 hat eine Größe von etwa 360 um mit einer numerischen Apertur von 0,47 (28º) in der x-z-Ebene, und er besitzt eine Größe von etwa 120 um mit einer numerischen Apertur von 0,47 (28º) in der y-z-Ebene. Die optische Faser 170 kann ein Teil eines optischen Verstärkers oder einer Laserfaservorrichtung sein.

Ausrichtung der Laserstrahlen durch die Kollimatorlinse 120

Wie aus Fig. 8 ersichtlich, emittiert die Laserdiode 114 einen Laserstrahl 180, der ursprünglich in Richtung der w-Achse der uvw-Koordinaten 119 ausgerichtet ist. Die räumliche Verteilung des Laserstrahls 180 wird durch eine Ellipse repräsentiert. Die Strahldivergenz in der v-w-Ebene wird durch die Änderung der v-Komponente 182 angedeutet, und die Strahldivergenz in der u-w-Ebene wird durch die Änderung der u-Komponente 184 angezeigt. In gleicher Weise emittiert die Laserdiode 115 einen Laserstrahl 181, der ebenfalls durch eine Ellipse repräsentiert ist, und die Strahldivergenzen in der v-w-Ebene und in der u-w-Ebene werden durch Komponenten 183 bzw. 185 angezeigt. Bei Dimensionen des Emitterbereichs von 175 um mal 1 um, wie oben erwähnt, erhalten die Laserstrahlen 180 und 181 jeweils eine Divergenz und eine NA von etwa 0,12 (6,90º) in der v-w-Ebene und ungefähr 0,55 (33,4º) in der u-w-Ebene.
Die erste Kollimatorlinse 120 ist eine Zylinderlinse, die parallel zum Laserstab 110 verläuft und etwa die gleiche Länge besitzt. Die Brennweite der Linse 120 ist so gewählt, daß ein gerichteter Strahl maximaler Dimension erhalten wird, während der Strahl durch eine Apertur hindurchtritt, die durch die Geometrie des Strahldrehers 130 begrenzt ist, wie dies weiter unten erläutert wird, so daß keine Lichtabsperrung erfolgt. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt die erste Kollimatorlinse 120 eine zylindrische Oberfläche 122, die eine Brennweite von 213 um erzeugt. Der Abstand der zylindrischen Oberfläche 122 von der Lichtemissionsebene 112, der durch die Abmessung 'A' in der Zeichnung angegeben ist, wird so gewählt, daß die Größe der Laserstrahlen 180 und 181 an der zylindrischen Oberfläche 122 etwa 234 um in der u-w-Ebene beträgt. Demgemäß beträgt die Breite der Linse 120 als Minimum 234 um, so daß im wesentlichen sämtliche Strahlung aufgenommen wird, die vom Strahlungsfeld emittiert wird.
Der Laserstrahl 180 tritt als seitlich gerichteter Laserstrahl 180a aus, nachdem er die erste Kollimatorlinse 120 durchlaufen hat. Wegen einer Anzahl von Faktoren (beispielsweise kreisförmige Aberration, die durch die Oberfläche 122 induziert wird, durch die Lagetoleranz der Laserdiode 114 in der u-Richtung und infolge der Brechungseffekte wegen der endlichen Breite der ersten Kollimatorlinse 120) wächst der Laserstrahl 180 etwas in der ersten Azimutrichtung, d. h. in der u-w-Ebene, aber das Ausmaß des Wachstums kann klein sein mit einer numerischen Apertur von etwa 0,002 (0,11º), so daß dies ignoriert werden kann im Hinblick auf die weitere Geometrie des Systems. Der seitlich ausgerichtete Laserstrahl 180a divergiert weiter in der v-w-Ebene, wie durch die v-Komponente 182a angedeutet, und dies ist länger dargestellt als die v-Komponente 182. Im Vergleich bleibt die u-Komponente 184a in der Länge unverändert von der u-Komponente 184, um anzuzeigen, daß der Strahl 180a im wesentlichen in der ersten Azimutrichtung ausgerichtet ist. In gleicher Weise tritt der Laser strahl 181, der von der Laserdiode 115 emittiert wird, als seitlich ausgerichteter Laserstrahl 181a aus mit einer wachsenden v-Komponente 183a.

Beschreibung des optischen Strahldrehers 130

Wie aus Fig. 8 ersichtlich, besteht der optische Strahldreher 130 aus einem Feld durchgehender v-förmig gestalteter Nuten 131, die in einer Frontoberfläche 128 eines ebenen Bandes 125 eingearbeitet sind. Der Zwischennutenabstand längs des optischen Strahldrehers 130 in der x-Richtung ist der gleiche wie der Abstand 118 des Laserstrahlintervalls längs der Laserstabachse 116. Der Strahldreher 130 hat dafür jeweils eine Nut für jede Laserdiode im Laserstab 110. Die Frontfläche 128 des ebenen Streifens 125 ist auf die x-Achse des xyz-Koordinatensystems 149 derart ausgerichtet, daß der optische Strahldreher 130 die linearen Laserstrahlfelder, die vom Laserstab 110 emittiert werden, empfängt. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl 180 durch eine Laserdiode 114 emittiert und von einer Nut 131 empfangen, und der Laserstrahl 181 wird von einer benachbarten Nut 135 empfangen.
Die Nut 131 besteht aus einer ersten reflektierenden Facette 133 und einer zweiten reflektierenden Facette 134. Die reflektierenden Facetten 133 und 134 liegen entgegengesetzt zueinander und treffen sich an einer gemeinsamen Schnittlinie, nämlich der Scheitellinie 132, um einen Flächenwinkel Φ von 60º zu bilden. Benachbart zur Nut 131 liegt die Nut 135, die aus einer dritten reflektierenden Facette 137 und einer vierten reflektierenden Facette 138 besteht, die sich in einer Scheitellinie 136 schneiden. Die reflektierenden Facetten 133 und 138 treffen sich vorzugsweise in einer gemeinsamen Schnittlinie, um einen Scheitelrand 139 zu bilden. Statt dessen können die Nuten auch flacher ausgebildet sein, wenn dies nötig ist. Da der Zwischennutenabstand durch die Ausbildung des Laser stabes 110 fixiert ist, ändert sich der Abstand nicht, wenn schmalere Nuten benutzt werden. Demgemäß bilden bei flachen Nuten die Scheitelränder 139 mehrere flache schmale Streifen entsprechend den Streifen 128' und umfassen einen Teil der Vorderfläche 128.
Die Nuten sind sämtlich gleich orientiert, so daß abwechselnde Reflexionsfacetten, beispielsweise die erste reflektierende Facette 133 und die dritte reflektierende Facette 137 (oder die zweite reflektierende Facette 134 und die vierte reflektierende Facette 138) parallel zueinander verlaufen. Um das Nutfeld einfacher herzustellen, erstreckt sich jede Nut von einem oberen Rand 127 des ebenen Streifens 125 nach einem unteren Rand 126. Diese Ausbildung ermöglicht es, den ebenen Streifen durch ein Verfahren herzustellen, bei dem die Nuten in der Oberfläche eines ebenen Substrats eingeformt werden, wobei das ebene Substrat dann in Streifen aufgeteilt wird. Außerdem sind alle reflektierenden Facetten von gleicher Breite und werden nach ihrer Herstellung in bekannter Weise überzogen, um eine hohe Reflexion der von den Laserdioden emittierenden Strahlen zu gewährleisten.
Der optische Strahldreher 130 ist gegenüber dem Laserstab 110 derart orientiert, daß jede Nut einen einfallenden Laserstrahl empfängt und dreht. In dieser Lage liegt die Projektion des Scheitelrandes jeder Nut, beispielsweise des Scheitelrandes 132 der Nut 131, unter einem Winkel von 45º in der x-y-Ebene und bildet ebenso einen Winkel von 135º in der y-z-Ebene der Gruppe von Lasersystem-xyz-Koordinaten 149. Diese Orientierung führt zu einem Aspektwinkel Ψ von etwa 54,7º zwischen der w-Achse der Ausbreitung des Laserstrahls und dem Scheitelrand der Nut, die den Laserstrahl empfangen hat.
Weil die einzelnen Laserstrahlen kein kohärentes Zusammenwirken gewährleisten, wenn sie kombiniert werden, muß Sorge dafür getragen werden, daß eine optische Kopplung zwischen benachbarten Laserstrahlen verhindert wird. Um zu gewährleisten, daß keine derartige optische Kopplung auftritt, ist der optische Strahldreher 130 so angeordnet, daß jeder Laserstrahl auf eine getrennte Nut begrenzt ist. Dies erfordert, daß der optische Strahldreher 130 nahe genug an dem Laserstab 110 angeordnet ist, um zu gewährleisten, daß das sich ausdehnende Strahlungsmuster vom Laserstrahl nicht außerhalb der entsprechenden Nut auffällt. Bei einem Laserintervallabstand 118 von 485 um beträgt der wirksame Zwischennutabstand auf dem Strahldreher 130 in x-Richtung ebenfalls 485 um. Bei einem Nutflächenwinkel Φ von 60º führt dies zu einer Breite von etwa 396 um für die Nutwand. Diese Breite erfordert eine sorgfältige Plazierung der ersten Reflexionsoberfläche 133 gegenüber der Licht emittierenden Ebene 112. Die Größe des seitlich gerichteten Laserstrahls 180a beträgt etwa 234 um und sollte vollständig durch eine Reflexionsoberfläche aufgefangen werden, die 396 um breit ist.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des optischen Strahldrehers 130 besteht darin, daß das ebene Nutfeld entweder durch ein Schneidwerkzeug hergestellt wird, welches über die Oberfläche eines geeigneten Substrats gezogen wird, oder durch Formen mittels einer Masterform. Der Fabrikationsprozeß kann gelegentlich Auskehlungen 132' oder Abflachungen 139' in dem Nutenfeld bewirken. Um die Auswirkungen derartiger Ungenauigkeiten zu vermeiden, wird der Strahldreher 130 vorzugsweise ganz dicht an den Laserstab 110 angelegt, so daß jeder Laserstrahl weniger als die Gesamtbreite einer reflektierenden Oberfläche bedeckt.

Drehung des Laserstrahls durch den optischen Strahldreher 130

Der optische Strahldreher 130 ist derart ausgebildet und angeordnet, daß jeder einfallende Laserstrahl zweimal reflektiert wird. Beispielsweise fällt der seitlich ausge richtete Laserstrahl 180a auf die erste reflektierende Oberfläche 133 des Strahldrehers 130 und wird reflektiert, um einen invertierten Laserstrahl 180b zu bilden. Dieser invertierte Laserstrahl 180b fällt dann auf die zweite reflektierende Oberfläche 134 und wird reflektiert, um einen gedrehten Laserstrahl 180c zu erzeugen. Weil der rotierte Laserstrahl 180c in der u-w-Ebene ausgerichtet wurde, verbleibt die u-Komponente 184c im wesentlichen in der Länge unverändert gegenüber der u-Komponente 184a. Zum Vergleich setzt sich das Strahlwachstum in der v-w-Ebene fort, und die v-Komponente 182c besitzt eine gegenüber der v-Komponente 182a vergrößerte Länge. Einem ähnlichen Prozeß wird der seitlich ausgerichtete Laserstrahl 181a unterworfen, der auf die dritte Reflexionsoberfläche 137 auffällt und reflektiert wird, um einen invertierten Laserstrahl 181b zu bilden. Der invertierte Laserstrahl 181b wird von der vierten reflektierenden Oberfläche 138 reflektiert, um einen gedrehten Laserstrahl 181c zu bilden.
Als Konsequenz der zwei aufeinanderfolgenden Reflexionen, denen die Laserstrahlen unterworfen werden, wurden beide Laserstrahlen 180 und 181 um 90º um ihre jeweilige Ausbreitungsrichtung gedreht. Die u-Komponente 184c des rotierten Laserstrahls 180c liegt nunmehr auf die u-Komponente 184c des rotierten Laserstrahls 181c ausgerichtet, während eine u-Komponente 184 des Laserstrahls 180 parallel zur u-Komponente 185 des Laserstrahls 181 liegt. In gleicher Weise liegen die v-Komponenten 182c und 183c der rotierten Laserstrahlen 180c bzw. 181c jeweils parallel zueinander, im Gegensatz zu den v-Komponenten 182 und 183 der Laserstrahlen 180 bzw. 181, die nicht kolinear sind. Dieser Drehungsprozeß wird für jeden Laserstrahl durchgeführt, der vom Laserstab 110 ausgestrahlt wird, mit der Folge, daß die u-Komponenten des Laserstrahlfeldes kolinear verlaufen.
Eine Sekundärwirkung des optischen Strahldrehers 130 besteht darin, daß die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahlfeldes sich auch um 90º geändert hat. Ursprünglich lag die w-Achse, d. h. die Ausbreitungsrichtung für jeden Laserstrahl, antiparallel zur y-Achse der Lasersystem-xyz-Koordinaten 149. Nach der Reflexion durch den Strahldreher 130 liegt die w-Achse für die rotierten Laserstrahlen, die durch die Laserstrahl-uvw-Koordinaten 119c dargestellt sind, parallel zur z-Achse der Lasersystem-xyz-Koordinaten 149.
Nachdem das Laserstrahlfeld durch den optischen Strahldreher 130 reformiert ist, wird das Strahlenfeld anschließend zu einer kompakteren Feldkonfiguration konvergiert, und dies geschieht mittels des optischen Systems, das aus der Steuerlinse 140, der Kollimatorlinse 150 und der Fokussierungslinse 160 gemäß Fig. 6 besteht.

Beschreibung der optischen Faser 170

Fig. 9 veranschaulicht die Querschnittsgeometrie der optischen Faser 170 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Längsdimension der optischen Faser 170 erstreckt sich im allgemeinen längs der z-Achse eines xyz-Koordinatensystems 179. Die optische Faser 170 besteht aus einem Kern 174, der von einem inneren Überzug 172 umschlossen ist. Der Kern 174 besteht aus einem geeigneten optischen Material, beispielsweise geschmolzenem Siliziumoxid, das in bekannter Weise mit einem Verstärkermaterial dotiert ist. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Siliziumoxid mit einem Elemention Seltener Erden dotiert, beispielsweise mit Neodym (Nd³&spplus;) oder Yttrium, das in Konzentrationen bis zu 0,5 Gew.-% oder weniger als Kerndotierungsmittel benutzt wird. Der Kern 174 besitzt einen allgemein kreisförmigen Querschnitt, obgleich auch andere Formen, beispielsweise Ellipsen, benutzt werden können.
Der innere Überzug 172 besteht aus einem Material mit einem Brechungsindex n&sub2;, der kleiner ist als der Brechungsindex n&sub1; des Kernmaterials. Die Querschnittsgestalt des inneren Überzugs 172 ist ein konvexes Polygon. Die optische Faser 170 weist außerdem einen äußeren Überzug 176 aus einem Material auf, dessen Brechungsindex n&sub3; kleiner ist als der Brechungsindex des inneren Überzugs n&sub2;. Die optische Strahlung wird im inneren Überzug 172 durch totale innere Reflexion an der Zwischenfläche mit dem Überzug 176 begrenzt. Der innere Überzug 172 wirkt als Kern bezüglich des äußeren Überzugs 176, um die Strahlung in den Kern 174 einzukoppeln. Der äußere Überzug 176 ist vorzugsweise kreisförmig im Querschnitt, und vorzugsweise besteht er aus einem fluorisierten Polymer mit niederem Index.
Obgleich das hier dargestellte Polygon ein zweiseitig symmetrischer Rhombus ist, kann der innere Überzug 172 auch eine andere Form aufweisen. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind zahlreiche andere Querschnittsgestalten möglich. Ein optischer Faserwellenleiter, der irgendeine der beschriebenen Querschnittsformen aufweist, wird die ankommende optische Multimode-Strahlung induzieren, um ein im wesentlichen gleichförmiges Strahlungsfeld innerhalb der optischen Faser zu erzeugen. Unter einem gleichförmigen Strahlungsfeld soll ein Strahlungsfeld verstanden werden, das eine im wesentlichen konstante Intensität über den ganzen Querschnitt des optischen Faserwellenleiters besitzt. Die Strahlungsleitung durch die optische Faser 170 bildet ein gleichförmiges Strahlungsfeld wegen der geometrischen Eigenschaften der Querschnittsgestalt des inneren Überzugs 172.
Weil das erzeugte Strahlungsfeld gleichförmig ist und alle optischen Strahlen, die innerhalb der optischen Faser 170 fortschreiten, im wesentlichen den gleichen Anteil der Zeitausbreitung innerhalb des Kerns 174 haben, werden die optischen Strahlen der gleichen Absorption im Kern 174 unterworfen, wenn sie weiter fortschreiten, unabhängig von der Plazierung des Kerns 174 innerhalb des Überzugs 172. Zum Vergleich kann eine optimale Kopplungswirksamkeit nicht für einen kreisförmigen Wellenleiter realisiert werden, weil nicht alle fortschreitende Strahlung einen Kern schneidet, wenn ein kreisförmiger Wellenleiter benutzt wird. Eine optimale Kopplungswirksamkeit kann nur erreicht werden, wenn ein gleichförmiges Strahlungsfeld innerhalb des optischen Faserwellenleiters fortschreitet.
Ein gleichförmiges Strahlungsfeld ist notwendig, wenn die gesamte Leistung in der sich ausbreitenden Strahlung zur Absorption durch das Kerndotierungsmittel verfügbar sein soll. Das gleichförmige Feld bewirkt, daß jeder Strahlungsmodus periodisch den Kern trifft und einen Teil seiner Leistung auf das Dotierungsmittel überträgt. Die Gesamtleistung, die in den Kern eingekoppelt wird, hängt von der Länge der Faser für den Kopplungsprozeß und dem Konzentrationslängenprodukt ab, das in bekannter Weise so eingestellt werden kann, daß im wesentlichen eine Gesamtabsorption über eine gewünschte Länge stattfindet.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele für einen inneren Überzug bei einem Faseraufbau mit Doppelüberzug gemäß der Erfindung besitzen Querschnitte in Form eines Polygons mit drei, vier oder sechs Seiten. Beispiele von Querschnitten in Gestalt eines dreiseitigen Polygons umfassen ein gleichseitiges Dreieck 322 gemäß Fig. 10A, ein rechtwinklig gleichschenkliges Dreieck 324 gemäß Fig. 10B, ein 30º-60º- 90º-Dreieck 326 gemäß Fig. 10C und ein 30º-30º-120º-Dreieck 328 gemäß Fig. 10D.
Die Ausführungsbeispiele mit Querschnitten in Gestalt eines vierseitigen Polygons umfassen ein Rechteck 332 gemäß Fig. 11A, ein Quadrat 332' gemäß Fig. 11B, einen 60º-Rhombus 334 gemäß Fig. 11C sowie ein symmetrisches Viereck 336 mit entgegengesetzten Scheitelwinkeln von 60º und 120º gemäß Fig. 11D. Ein Ausführungsbeispiel mit einem Querschnitt in Gestalt eines sechsseitigen Polygons ist das eines regelmäßigen Hexagons 338 gemäß Fig. 12.
Der jeweilige Querschnitt, der für eine bestimmte Anwendung gewählt wird, hängt von einer Anzahl von Betrachtungen ab, einschließlich den physikalischen Eigenschaften des Wellenleiters mit dem jeweiligen gewählten Querschnitt und von der Natur des Strahlungsmusters von der Pumpquelle. Ein Wellenleiter mit einem Querschnitt eines Rechtecks 332 beispielsweise kann in einer Richtung am meisten flexibel sein. Ein Wellenleiter mit einem quadratischen Querschnitt 332' ist leichter herzustellen als ein Wellenleiter mit einem hexagonalen Querschnitt 338, aber es wird weniger Material von einer runden Vorform abgetragen, um ein Hexagon 338 zu erzeugen, als notwendig ist zur Herstellung eines quadratischen Querschnitts 332'. Für andere Anwendungen, bei denen eine spezielle Wellenleiterstapelanordnung erforderlich ist, kann ein Wellenleiter mit einem dreieckigen Querschnitt optimal sein.

Alternative Ausführungsbeispiele

Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel werden Strahldreher 130 und Kollimatorlinse 120 zu einem monolithischen Strahldreher 230 gemäß Fig. 11 kombiniert. Der monolithische Strahldreher 230 besteht aus einem optisch transparenten Material, beispielsweise aus Glas oder Plastikmaterial, und weist eine zylindrische Oberfläche 222 auf, die die Laserstrahlen 280 in einer Weise richtet, die der Seitenstrahlkollimatorlinse 120 bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel gleicht. Vorzugsweise ist das gewählte Material weitgehend für IR-Strahlung und Wellenlängen in der Nähe der IR-Strahlung durchlässig, um thermische Effekte im Strahldreher 230 zu vermeiden.
Ein Feld von durchgängigen v-förmig gestalteten Nuten, ähnlich den Nuten 231 und 235, ist in einer schrägen Oberfläche 226 angeordnet, die sich von der Rückseite 224 nach einer Vorderseite 228 des monolithischen Strahldrehers 230 erstreckt. Die Nut 231 besteht aus einer ersten Reflexions oberfläche 233 und einer zweiten Reflexionsoberfläche 234. Die Reflexionsoberflächen 233 und 234 werden durch ebene Begrenzungen zwischen dem optisch transparenten Material und einem Umgebungsmedium erzeugt. Die Reflexion an diesen Grenzen tritt auf, weil das optisch transparente Material einen Brechungsindex n&sub2; besitzt, der größer ist als der Brechungsindex n&sub1; von Luft, die gewöhnlich das Umgebungsmedium bildet.
Die Reflexionsoberflächen 233 und 234 stehen einander gegenüber und treffen sich in einer gemeinsamen Schnittlinie, nämlich der Scheitelkante 232. Benachbart zur Nut 231 befindet sich eine Nut 235, bestehend aus einer dritten Reflexionsoberfläche 237 und einer vierten Reflexionsoberfläche 238, die sich in einer Scheitelkante 236 treffen. Vorzugsweise besitzen alle Reflexionsoberflächen eine gleiche Breite. Die Nuten bei diesem Feld sind sämtlich in gleicher Weise orientiert, so daß jede zweite Reflexionsoberfläche, wie die erste Reflexionsoberfläche 233 und die dritte Reflexionsoberfläche 237 (oder die zweite Reflexionsoberfläche 234 und die vierte Reflexionsoberfläche 238), parallel zueinander verlaufen.
Die Reflexionsoberflächen 233 und 238 treffen sich in einer gemeinsamen Schnittlinie, um ein konkaves Reflexionspaar 241 zu schaffen, das einen Flächenwinkel Φ&sub2; mit einer Scheitelkante 239 definiert. Ein Laserstab 210 emittiert Laserstrahlen 280 von einem Laserdiodenfeld 214. Jedes reflektierende Paar 241 im Strahldreher 230 ist so angeordnet und ausgebildet, daß die einfallenden Laserstrahlen 280 aufgefangen und innen reflektiert werden. Der Strahldreher 230 ist so orientiert, daß jede Scheitelkante 239 unter einem Winkel von 45º in der x-y-Ebene liegt und ebenso einen Winkel von 135º in der y-z-Ebene der Lasersystem-xyz-Koordinaten 249 bildet. Dies führt zu einem Aspektwinkel Ψ&sub2; von etwa 54,7º zwischen der x-Ausbreitungsachse des Laserstrahls 280 und der Scheitelkante 239, die den Reflexionsoberflächen 238 und 233 gemeinsam ist, die den Laserstrahl 280 reflektieren. Nach Durchlaufen des integralen Strahldrehers 230 wird der Laserstrahl 280 um 90º gedreht, um einen rotierten Laserstrahl 280c in einer Weise zu erzeugen, die ähnlich ist der Drehung des Laserstrahls 180, wie oben beschrieben.
Es muß Sorge dafür getragen werden, daß eine optische Kopplung zwischen benachbarten Laserstrahlen verhindert wird. Um zu gewährleisten, daß keine derartige optische Kopplung stattfindet, wird der optische Strahldreher 230 so positioniert, daß jeder Laserstrahl auf ein getrenntes Reflexionspaar begrenzt wird, wobei die gleiche Analyse benutzt wird, wie sie bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit optischem Strahldreher 130 oben beschrieben wurde.
Das ebene Feld von Oberflächennuten kann auf einfache Weise mittels eines Schneidwerkzeugs hergestellt werden, das von der Rückseite 224 über die schräge Oberfläche 226 gezogen wird und an der Frontseite 228 des integralen Strahldrehers 230 endet. Statt dessen kann der integrale Strahldreher aus Plastikmaterial geformt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein geätzter Strahldreher 410 gemäß Fig. 14 aus einem Streifen hergestellt, der aus einem geätzten Wafer einer monokristallinen Substanz, beispielsweise aus Silizium oder Galliumarsenid, hergestellt ist. Ein Nutfeld 411 ist in den Wafer eingeätzt, bevor die Streifen ausgeschnitten werden. Durch Benutzung einer geeigneten monokristallinen Substanz kann das Nutfeld durch selektives Ätzen hergestellt werden, wie dies beim Stand der Technik bekannt ist. Bei Silizium werden die Streifen so ausgeschnitten, daß der Winkel γ, der zwischen Scheitelkante 412 und einer Längskante 417 des geätzten Strahldrehers 410 gebildet wird, etwa 48,6º beträgt.
Der Nutwinkel der geätzten Nuten hängt von den Kristallgittereigenschaften der zu ätzenden Substanz ab. Bei einem gegebenen (100) orientierten Siliziumwafer mit einer Dicke von etwa 525 um wurden Nuten ausgebildet mit einer ersten reflektierenden Facette 413 in der (111) Ebene und einer zweiten reflektierenden Facette 414 in der (1) Ebene. Die Facetten 413 und 414 liegen einander gegenüber und treffen sich in einer gemeinsamen Schnittlinie, nämlich der Scheitelkante 412, um einen Flächenwinkel Φ&sub3; von etwa 70,5º zu bilden. Außerdem sind die Nuten parallel zu der Bezugsflachseite des Wafers orientiert, die in einer (011) Bezugsebene liegt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind mehrere flache Platten verjüngt oder keilförmig an einem Ende ausgebildet, gestapelt und geschnitten, um genutete Streifen zu bilden. Fig. 15 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines gestapelten Strahldrehers 430, der aus einer Reihe von Keilplatten besteht, beispielsweise einer ersten Keilplatte 431 und einer zweiten Keilplatte 432. Eine reflektierende Facette 433 bildet einen Winkel α&sub1; mit der Platte 431, und eine reflektierende Facette 434 bildet einen Winkel α&sub2; mit der Platte 432, so daß durch die Stapelung der Platten eine Nut 435 gebildet wird, die einen Flächenwinkel Φ&sub4; von 60º besitzt.
Fig. 16 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines zusammengesetzten Strahldrehers 440, der aus einer Reihe von Keilplatten 442 besteht. Eine reflektierende Facette 444 bildet einen Winkel α&sub3; mit einer reflektierenden Facette 445, so daß die Stapelung der Platten 442 in der dargestellten Weise zu einer Nut 446 führt, die einen Flächenwinkel Φ&sub5; von 60º aufweist.

Claims

1. Faseroptische Hochleistungsvorrichtung (110) mit den folgenden Merkmalen:

eine Lichtquelle (110) zur Lieferung von Pumpenergie mit mehreren aufeinander ausgerichteten lichtemittierenden Facetten (114);

erste Mittel zur Ausrichtung eines jeden Lichtstrahls (120) längs eines ersten Azimuths, um das Wachstum des Lichtstrahls (180) in dieser ersten Azimuth-Richtung zu verringern, wenn der Strahl (180) die ersten Mittel durchläuft, um ausgerichtet (120) zu werden, wobei der Strahl in dieser ersten Azimuth-Richtung begrenzt bleibt, wenn der Strahl weiter durch die faseroptische Vorrichtung (100) fortschreitet;

ein optischer Strahldreher (130) zur Transformation des Lichtstrahlenfeldes (180), wobei der Strahldreher (130) folgende Merkmale aufweist:

ein Substrat mit einer genuteten Oberfläche (128), wobei die genutete Oberfläche (128) aus mehreren einander benachbarten Nuten (131, 135) besteht, wobei jeweils eine Nut für einen zu transformierenden Lichtstrahl (180a, 181a) vorgesehen ist;

jede Nut (131) wird von einer ersten (133) und einer zweiten (134) reflektierenden Oberfläche gebildet, die sich längs einer gemeinsamen Scheitelkante (132) schneiden und einen Flächenwinkel Φ zwischen sich bilden, wobei die Scheitelkante (132) jeder Nut (131) in einem Aspektwinkel Ψ der anfänglichen Ausbreitungsrichtung des entsprechenden Lichtstrahls (180a) orientiert ist, so daß die erste reflektierende Oberfläche (133) den eintreffenden Strahl (180a) abfängt und ihn auf die zweite reflektierende Oberfläche (134) längs eines ersten Bewegungspfades richtet, der gegenüber der ankommenden Strahlausbreitungs-Richtung geknickt ist, wobei eine Drehung um einen Azimuth erfolgt, während die zweite reflektierende Oberfläche (134) den von der ersten Oberfläche (133) reflektierten Strahl (180b) abfängt und ihn längs eines zweiten Bewegungspfades richtet, der gegenüber dem ersten Bewegungspfad geknickt ist, wobei der Lichtstrahl um den anderen Azimuth gedreht wird, so daß die Horizontalkomponente und die Vertikalkomponente der anfänglichen Orientierung des Lichtstrahls geändert werden;

zweite Mittel zur Ausrichtung (140) eines jeden Lichtstrahls (180c) längs eines zweiten Azimuth, um das Wachstum des Lichtstrahls (180c) in der zweiten Azimuth- Richtung zu verringern, wenn der Strahl (180c) die zweiten Mittel durchläuft, um ausgerichtet (140) und in der zweiten zweiten Azimuth-Richtung begrenzt bleibt, wenn der Strahl (180d) weiter durch die faseroptische Vorrichtung (100) fortschreitet, wobei die zweite Azimuth-Richtung senkrecht sowohl zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls als auch zu der ersten Azimuth-Richtung verläuft;

ein faseroptischer Aufbau (170) mit einem Kern (174), der selektiv mit einem aktiven Lasermittel dotiert ist und mit einem inneren Überzug (172), der den Kern (174) umgibt, um die Pumpenergie zu empfangen und auf den Kern (174) zu übertragen, wenn die Pumpenergie über die Länge des inneren Überzugs (172) fortschreitet, wobei der innere Überzug (172) eine Querschnittsgestalt in Form eines konvexen Polygon aufweist; und

Mittel (160) zur Konvergierung des Lichtstrahlenfeldes (180e) derart, daß das Feld auf den inneren Überzug (172) auftrifft.

2. Faseroptische Hochleistungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der innere Überzug (172) eine Querschnittsgestalt in Form eines dreiseitigen Polygon aufweist.

3. Faseroptische Hochleistungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der innere Überzug (172) eine Querschnittsgestalt in Form eines vierseitigen Polygon aufweist.

4. Faseroptische Hochleistungsvorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher der innere Überzug (172) eine Querschnittsgestalt in Form eines Quadrates aufweist.

5. Faseroptische Hochleistungsvorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher der innere Überzug (172) eine Querschnittsgestalt in Form eines Rechtecks aufweist.

6. Faseroptische Hochleistungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der innere Überzug (172) eine Querschnittsform in Gestalt eines regelmäßigen Sechsecks hat.

7. Faseroptische Hochleistungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die ersten Mittel zum Ausrichten eines jeden Lichtstrahls (120) außerdem ein optisch transparentes Material aufweisen, welches einen Brechungsindex n&sub2; > n&sub1; besitzt, wobei n&sub1; der Brechungsindex des umgebenden Mediums ist.

8. Faseroptische Hochleistungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die ersten Mittel zur Ausrichtung des Lichtstrahls (120) eine zylindrische Oberfläche (122) aufweisen, um jeden ankommenden Lichtstrahl (180) längs einer ersten Azimuth-Richtung auszurichten und das Wachstum des Lichtstrahls in der ersten Azimuth-Richtung zu verringern, wenn der Lichtstrahl die zylindrische Oberfläche (122) durchläuft, wobei der Lichtstrahl in dieser ersten Azimuth-Richtung verringert bleibt, wenn der Strahl (180a) aus der zylindrischen Oberfläche (122) austritt und durch die faseroptische Vorrichtung (100) fortschreitet.