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Dokumentenidentifikation DE102004015148B4 19.04.2007
Titel Faserlaser mit einer Optischen Vorrichtung zur Formung der Intensitätsverteilung eines Lichtstrahlenbündels
Anmelder Fuhrberg, Teichmann, Windolph LISA laser products oHG, 37191 Katlenburg-Lindau, DE
Erfinder Fuhrberg, Peter, Dr., 37077 Göttingen, DE
Vertreter Rehberg Hüppe + Partner, 37073 Göttingen
DE-Anmeldedatum 27.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004015148
Offenlegungstag 20.10.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.04.2007
IPC-Hauptklasse G02B 27/09(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01S 3/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01S 3/067(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01S 3/091(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Faserlaser mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Bei dem Lichtstrahlenbündel, zur Formung dessen Intensitätsverteilung die optische Vorrichtung des Faserlasers vorgesehen ist und mit dem der Faserlaser gepumpt wird, kann es sich insbesondere um einen Laserstrahl handeln.

Ein Laserstrahl weist typischerweise eine gaußförmige Intensitätsverteilung um seine Strahlachse herum auf, die im Wesentlichen auf Beugungsverluste innerhalb eines Resonators eines den Laserstrahl erzeugenden Lasers zurückgeht. Diese gaußförmige Intensitätsverteilung eines Laserstrahls ist für viele Anwendungen nicht ideal. Beispielsweise wird für eine homogene Ausleuchtung einer kreisrunden Fläche ein Strahlprofil benötigt, das einen rechteckigen Querschnitt senkrecht zu der Strahlachse aufweist.

Auch bei einem kollimierten Laserstrahl als Lichtstrahlenbündel verlaufen die einzelnen Lichtstrahlen nicht exakt parallel zueinander, sondern die einzelnen Lichtstrahlen weisen Divergenzwinkel zu der mittleren Strahlachse des gesamten Lichtstrahlenbündels auf. Dabei verlaufen einige Lichtstrahlen nicht nur unter einem Winkel zu der Strahlachse sondern auch windschief zu dieser. Fokussiert man ein solches Strahlenbündel in einen Lichtleiter mit zylindrischer Form, der die einzelnen Strahlen durch Totalreflektion an seiner Zylindermantelfläche führt, verläuft nur der Teil der Lichtstrahlen immer wieder durch die Zylinderachse des Lichtleiters. Hingegen wird bei den zuvor windschiefen Lichtstrahlen beobachtet, dass sie sich in dem Lichtleiter auf helikalen Bahnen mit Abstand um die Zylinderachse herum bewegen. Wenn das Lichtstrahlenbündel beispielsweise verwendet wird, um einen Faserlaser zu pumpen, bei dem sich ein dotierter Kern, d.h. das eigentliche Lasermaterial, nur über die Mitte einer Faser erstreckt, treten diese Lichtstrahlen auf helikalen Bahnen niemals durch das Lasermaterial hindurch und regen dieses daher nicht an. Auch bei einem Stablaser, der über die gesamte Querschnittsfläche seines Laserstabs dotiert ist, ist eine stärkere Anregung im Bereich der Zylinderachse des Laserstabs grundsätzlich erwünscht, weil hierdurch der Grundmode bevorzugt angeregt wird, was letztlich zu einem deutlich besseren Strahlprofil des mit dem Stablaser erzeugten Laserstrahls führt. Außerdem ist es bekannt, dass Laser mit Lasermaterialien sogenannter Quasi-Drei-Niveau-Systeme durch Steigerung der lokalen Intensität effizienter betrieben werden können. Auch hierfür ist eine möglichst über eine gaußförmige Intensitätsverteilung hinausgehende Konzentration der Intensität der Lichtstrahlen in dem Bereich der Strahlachse erwünscht.

Ein Stablaser mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus der DE 100 25 485 A1 bekannt. Hier ist die Kegeloptik, die im Wesentlichen aus einem Kegel besteht, der eine höhere optische Dichte als seine Umgebung aufweist, mit ihrer Kegelachse auf der Strahlachse so angeordnet, dass ihre Kegelspitze dem einfallenden Laserstrahl entgegengerichtet ist. Die Brechung der einfallenden Lichtstrahlen an der Kegelmantelfläche beugt die einander diametral über die Strahlachse hinweg gegenüberliegenden Lichtstrahlen in gegenläufigen Richtungen über die Strahlachse hinweg. Bildlich kann man sich vorstellen, dass hinter dem Kreuzungspunkt der Lichtstrahlen mit der Strahlachse die beiden Hälften der gaußförmigen Intensitätsverteilung quer zu der Strahlachse an der Strahlachse aufgeschnitten werden und die beiden Hälften dann jeweils über die Strahlachse hinweg gegeneinander verschoben werden. Die ursprünglich an der Strahlachse konzentrierte Intensität der Lichtstrahlen bildet danach einen Ring um die Strahlachse. Diese Intensitätsverteilung dient dazu, die Lichtstrahlen ohne Reflektionsverluste als Pumplicht in einen Laserstab des Stablasers einzukoppeln, dessen Eintrittsfläche nur in einem ringförmigen Außenbereich für das Pumplicht durchlässig ist. In seinem zentralen Hauptbereich ist die Eintrittsfläche des Laserstabs jedoch als Resonatorspiegel ausgebildet, der auch das von außen kommende Pumplicht reflektiert.

Zur Homogenisierung einer unstetigen Intensitätsverteilung eines Laserstrahls ist eine optische Vorrichtung mit einer in Längsrichtung ausgerichteten Zylindermantelfläche bekannt. Durch Totalreflektionen der einzelnen Lichtstrahlen innen an der Zylindermantelfläche der Zylinderoptik stellt sich eine weitgehend geglättete Intensitätsverteilung des aus der Zylinderoptik wieder austretenden Laserstrahls ein. Die Zylinderoptik wird auch dazu verwendet, den Querschnitt eines Laserstrahls zu begrenzen, indem ihre Eintrittsfläche in einem Fokusbereich einer Sammeloptik angeordnet ist, die den Laserstrahl fokussiert. Die in die Zylinderoptik eintretenden divergenten Laserstrahlen können in der Zylinderoptik nicht weiter als bis zu deren Zylindermantelfläche auseinander laufen. Die an der Austrittsfläche der Zylinderoptik erzeugte geglättete Intensitätsverteilung kann mit einer Abbildungsoptik abgebildet werden, um hiermit beispielsweise einen Laserstab eines Stablasers in longitudinaler Pumpgeometrie zu pumpen. Die schon oben angesprochenen auf helikalen Bahnen um die Strahlachse umlaufenden Lichtstrahlen treten auch bei der bekannten optischen Vorrichtung mit einer Zylinderoptik auf.

Aus der DE 44 21 053 A1 ist eine Beleuchtungsvorrichtung bekannt, bei der zur Formung der Intensitätsverteilung eines Lichtstrahlenbündels aus Lichtstrahlen eine Kegeloptik vorgesehen ist, deren Kegelspitze den Lichtstrahlen des Lichtstrahlenbündels entgegengerichtet ist. Der Kegeloptik ist eine in Längsrichtung ausgerichtete Zylinderoptik nachgeschaltet, an deren Zylindermantelfläche jeder Lichtstrahl mehrfach innen totalreflektiert wird. Eine Eintrittsfläche dieser Zylinderoptik ist in einem hinter der Kegeloptik liegenden Fokusbereich der Zylinderstrahlen angeordnet, wodurch die Intensitätsverteilung des Lichtstrahlenbündels auf einen definierten Querschnitt konzentriert wird.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Faserlaser mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, bei dem das Pumplicht besonders wirkungsvoll in die Laserfaser eingekoppelt wird.

LÖSUNG

Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Faserlaser mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Faserlasers sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 beschrieben.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Bei dem neuen Faserlaser ist hinter der Kegeloptik, deren Kegelspitze den Lichtstrahlen des Lichtstrahlenbündels entgegengerichtet ist, die Laserfaser als in Längsrichtung ausgerichtete Zylinderoptik angeordnet. Die aus der Kegeloptik austretenden Lichtstrahlen, die zur Strahlachse hin gebeugt sind, treten in die Zylinderoptik ein und werden in der Zylinderoptik geführt, indem sie innen an deren Zylindermantelfläche total reflektiert werden.

Die Zylinderoptik begrenzt die Intensitätsverteilung quer zur Strahlachse durch ihre Zylindermantelfläche. Um das Gesamtlichtstrahlenbündel in die Zylinderoptik einzukoppeln, ist es erwünscht, dass die Lichtstrahlen hinter der Kegeloptik zur Strahlachse zusammenlaufen und dass dort, wo sie zusammengelaufen sind, die Eintrittsfläche der Zylinderoptik angeordnet ist. Damit die Kegeloptik die Lichtstrahlen zur Strahlachse hin beugen kann, müssen diese beim Eintritt in die Kegeloptik konvergieren oder kollimiert sein. Zumindest dürfen sie nicht stärker divergieren. Die Grenze der zulässigen Divergenz der Lichtstrahlen hängt von dem Material und dem Kegelwinkel der Kegeloptik ab. Vorzugsweise ist der Kegeloptik eine Optik vorgeschaltet, die die Lichtstrahlen kollimiert oder konvergent macht. In der Regel wird es sich bei dieser Optik um eine der Kegeloptik vorgeschaltete Sammeloptik handeln.

Die Eintrittsfläche der Zylinderoptik ist konkret in einem hinter der Kegeloptik liegenden, von den zur Strahlachse hin gebeugten Lichtstrahlen gebildeten Fokusbereich angeordnet sein. Die Kegelachse der Kegeloptik und die Zylinderachse der Zylinderoptik sollten dabei beide mit der Strahlachse des einfallenden Lichtstrahlenbündels, d.h. der mittleren Richtung seiner Lichtstrahlen, zusammenfallen.

Da jeder Lichtstrahl mehrfach an der Zylindermanteloberfläche der Zylinderoptik total reflektiert wird, d.h. alle Lichtstrahlen im Mittel mehr als zweimal, vorzugsweise mindestens fünfmal total reflektiert werden, bildet sich eine Intensitätsverteilung über den Querschnitt der Zylinderoptik aus, die eine ausgeprägte Konzentration an der Zylinderachse aufweist. Dies ist besonders überraschend, weil die der Zylinderoptik vorgeschaltete Kegeloptik die Konzentration der Intensitätsverteilung eines einfallenden Lichtstrahlenbündels nahe seiner Strahlachse beseitigt, so dass mit der Kegeloptik eigentlich von schlechteren Voraussetzungen für eine Konzentration der Intensitätsverteilung im Bereich der Strahlachse auszugehen ist. Dass sich überraschenderweise sogar eine besonders hohe Konzentration der Intensitätsverteilung im Bereich der Strahlachse über die Länge der Zylinderachsoptik ausbildet, ist darauf zurückzuführen, dass die windschief zur Strahlachse verlaufenden Lichtstrahlen des Lichtstrahlenbündels, die bei direktem Einkoppeln in die Zylinderoptik auf helikalen Bahnen um die Zylinderachse herum verlaufen und diese niemals schneiden, beim Auftreffen auf die Kegelmantelfläche der Kegeloptik zur Kegelachse, d.h. zu der Strahlachse, hin gebeugt werden. Hinter der Kegeloptik verlaufen diese Strahlen also im Wesentlichen nur noch unter einem Winkel zur Strahlachse des Lichtstrahlenbündels. Nach dem Einkoppeln des Lichtstrahlenbündels in die Zylinderoptik kreuzen demnach alle Lichtstrahlen zwischen ihren Totalreflektionen an der Zylindermanteloberfläche die Zylinderachse. So tragen alle Lichtstrahlen immer wieder zur Intensitätsverteilung nahe der Strahlachse bei. Die Erhöhung der Intensitätsverteilung nahe der Zylinderachse ergibt sich dann, wenn alle Lichtstrahlen zwischen ihren Totalreflektionen an der Zylindermantelfläche die Zylinderachse der Zylinderoptik kreuzen, schon allein aus geometrischen Gründen. Bei rein geometrischer Betrachtung würde sich eine Intensitätsverteilung einstellen, bei der die Intensität mit zunehmendem Abstand r von der Strahlachse mit 1/r abnimmt. Die Mehrzahl der Totalreflektionen der einzelnen Lichtstrahlen an der Zylindermantefläche der Zylinderoptik, sorgt auch dafür, dass die voranstehende Betrachtung, die zunächst nur im Mittel über den Abstand von zwei Totalreflektionen gilt, nach einer Auflösung der Wellenfront des Lichtstrahlenbündels auf jeden Querschnitt und damit auch die Austrittsfläche der Zylinderoptik zutrifft.

Besondere Vorteile ergeben sich dadurch, dass die Zylinderoptik eine Laserfaser eines Faserlasers ist, der mit den Lichtstrahlen gepumpt wird. Hier bewirkt die Konzentration der Intensitätsverteilung im Bereich der Zylinderachse, dass die nur dort befindliche Dotierung des Lasermaterials von allen Lichtstrahlen des Pumplichts angeregt wird und keine auf helikalen Bahnen um den dotierten Kern umlaufenden Lichtstrahlen für die Anregung ausfallen.

Besondere Vorteile ergeben sich dabei, wenn der Laser ein Quasi-Drei-Niveau-System aufweist, bei dem der Wirkungsgrad des Pumpens wegen eines nichtlineare Zusammenhangs der erzielten Anregung und der Intensität des Pumplichts durch lokale Konzentration des Pumplichts erhöht werden kann.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels weiter erläutert und beschrieben.

1 zeigt den Verlauf einzelner Lichtstrahlen eines Lichtstrahlenbündels in einem Teilbereich einer optischen Anordnung, und

2 zeigt die Anwendung der optischen Anordnung gemäß 1 bei dem neuen Faserlaser.

FIGURENBESCHREIBUNG

1 zeigt den Verlauf von Lichtstrahlen 1 eines Lichtstrahlenbündels 2, das aus einem Lichtleiter 3 austritt. An der Austrittsfläche 4 des Lichtleiters 3 weist das Lichtstrahlenbündel 2 senkrecht zu seiner Haupterstreckungsrichtung durch seinen Intensitätsschwerpunkt eine gaußförmige Intensitätsverteilung auf. Die Haupterstreckungsrichtung des Lichtstrahlenbündels 3 durch seinen Intensitätsschwerpunkt wird hier als Strahlachse 5 bezeichnet, die in 1 mit einer gestrichelten Linie wiedergegeben ist. Hinter der Austrittsfläche 4 des Lichtleiters 3 laufen die Lichtstrahlen 1 auseinander, bis sie auf eine Sammeloptik 6 treffen, die mit ihrer optischen Achse koaxial zu der Strahlachse 3 angeordnet ist und die die Lichtstrahlen 1 zur Strahlachse 3 hin fokussiert. Hinter der Sammeloptik 6 treffen die konvergierenden Lichtstrahlen 1 auf eine Kegeloptik 7, die eine zusätzliche fokussierende Wirkung auf die Lichtstrahlen 1 hat, die aber zusätzlich die Lichtstrahlen aus einander diametral über die Strahlachse 3 hinweg gegenüberliegenden Bereichen über die Strahlachse hinweg gegeneinander verschiebt, so dass sich hinter einem Fokusbereich 8 hinter der Kegeloptik 7 ohne weitere Maßnahmen eine ringförmige Intensitätsverteilung um die Strahlachse 3 ausbilden würde. In dem Fokusbereich 8 ist jedoch eine Eintrittsfläche 9 einer Zylinderoptik 10 angeordnet, in die das Lichtstrahlenbündel 2 eingekoppelt wird.

Ebenso wie die Kegelachse der Kegeloptik 7 fällt auch die Zylinderachse der Zylinderoptik 10 auf die Strahlachse 3. Durch die Zylinderoptik 10 wird der Querschnitt der Lichtstrahlenbündels 2 hinter dem Fokusbereich 8 begrenzt, indem die Lichtstrahlen 1 an der Zylindermantelfläche 11 der Zylinderoptik 10 total reflektiert werden.

Dabei ist die Länge 12 der Zylinderoptik 10, die aus 3 nicht vollständig hervorgeht, weil in deren Darstellung die Zylinderoptik 10 abgeschnitten ist, und die in einem typischen Bereich von 5 bis 10 cm liegt, relativ zu ihrem Durchmesser 13 und der Divergenz der eintretenden Lichtstrahlen 1 so abgestimmt, dass alle Lichtstrahlen 1 im Mittel wiederholt an der Zylindermanteloberfläche 11 der Zylinderoptik 10 totalreflektiert werden. Dies führt in Verbindung mit der vorgeschalteten Kegeloptik 7 zu einer Intensitätsverteilung über den Querschnitt der Zylinderoptik 10, die sich um die Strahlachse 5 bzw. die mit dieser zusammenfallende Zylinderachse der Zylinderoptik 10 konzentriert. Dieser Effekt beruht darauf, dass die Kegeloptik 7 sogenannte "off axis"-Lichtstrahlen 1, die nicht nur unter einem Divergenzwinkel zu der Strahlachse 5 verlaufen, sondern auch windschief zu dieser, bei ihrem Auftreffen auf ihre Kegelmantelfläche 19 zur Strahlachse 5 hin beugt. Dies führt in der Zylinderoptik 10 dazu, dass alle Lichtstrahlen 1 zwischen ihren Totalreflektionen an der Zylindermantelfläche 11 die Strahlachse 5 kreuzen oder zumindest durch deren Nahbereich verlaufen. Ein nicht durc die Kegeloptik 7 gebeugter "oft axis"-Lichtstrahl würde hingegen auf einer helikalen Bahn um die Strahlachse 5 in der Zylinderoptik 10 verlaufen. Wenn alle Lichtstrahlen 1 die Strahlachse 5 zwischen ihren Totalreflektionen an der Zylindermantelfläche 11 schneiden, ergibt sich im Mittel bzw. nach mehreren Totalreflektionen eine ganz erhebliche Erhöhung der Intensitätsverteilung im Bereich der Strahlachse 5.

2 skizziert die erfindungsgemäße Anwendung der optischen Anordnung gemäß 1 optischen Vorrichtung. Hier ist die Zylinderoptik 10 eine Laserfaser 20 eines ansonsten nicht dargestellten Faserlasers, der mit dem Lichtstrahlenbündel 2 als Pumplicht gepumpt wird. Dabei ist die Eintrittsfläche 9 der Zylinderoptik 10 für das in der Laserfaser 20 erzeugte Laserlicht reflektierend. Bei der Laserfaser 20 ist nur ein Kern 21 nahe der optischen Achse 5 dotiert. Durch die Konzentration der Intensitätsverteilung des Lichtstrahlenbündels 2 auf dem Bereich um die Strahlachse 5 und die Vermeidung von hierum helikal umlaufenden "oft axis"-Lichtstrahlen wird die Laserfaser 20 in ihrem Kern 21 mit hohem Wirkungsgrad bezogen auf die Gesamtpumplichtleistung des Lichtstrahlenbündels 2 angeregt.

Bei Lasermaterialien, bei denen die Anregung in einem nichtlinearen Verhältnis zu der Intensität des Pumplichts steht, wie beispielsweise bei Quasi-Drei-Niveau-Systemen, ergeben sich durch die Konzentration der Intensitätsverteilung um die Strahlachse 5 zusätzliche Effizienzvorteile.


Anspruch[de]
Faserlaser mit einer Laserfaser (20) und mit einer optische Vorrichtung zur Formung der Intensitätsverteilung eines Lichtstrahlenbündels (2) aus Lichtstrahlen (1), mit denen die Laserfaser (20) gepumpt wird, wobei die Vorrichtung eine Kegeloptik aufweist, deren Kegelspitze den Lichtstrahlen (1) des Lichtstrahlenbündels (2) entgegengerichtet ist, und wobei der Kegeloptik (7) die Laserfaser (20) als eine in Längsrichtung ausgerichtete Zylinderoptik (10) nachgeschaltet ist, an deren Zylindermantelfläche (11) jeder Lichtstrahl (1) mehrfach innen totalreflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eintrittsfläche (9) der Zylinderoptik (10) in einem hinter der Kegeloptik (7) liegenden Fokusbereich (8) der Lichtstrahlen (1) angeordnet ist. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegeloptik (7) eine Optik vorgeschaltet ist, die die Lichtstrahlen (1) kollimiert oder konvergent macht. Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegeloptik (7) eine Sammeloptik (6) vorgeschaltet ist. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kegelachse der Kegeloptik (7) und die Zylinderachse der Zylinderoptik (10) koaxial zueinander ausgerichtet sind. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein Quasi-Drei-Niveau-System aufweist.






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