DE4427005A1 - Harmonische Unterteilung eines passiv moden-verkoppelten Lasers - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Gerät und ein Verfahren zur Erzeugung von Laserenergie und insbeson­ dere auf passiv moden-verkoppelte bzw. phasenverriegelte Laser mit der Eigenschaft, ultrakurze Impulse zur Verfügung zu stel­ len.

Sowohl aktiv moden-verkoppelte Laser als auch passiv moden- verkoppelte Laser sind in der Lasertechnik wohlbekannt. Um ultrakurze Impulse für die Verwendung in Umgebungen wie Kommunikations-Anwendungen bereitzustellen, wo ultrahohe Bitraten erwünscht sind, werden jedoch aktiv moden-verkoppelte Laser verwendet, da typische passiv moden-verkoppelte Laser einen beschränkten Betrieb bei niedrigen Wiederholungsraten haben.

Passiv moden-verkoppelte Laser und insbesondere passiv moden- verkoppelte Faser-Laser sind auf den Betrieb bei niedrigen Wiederholungsraten beschränkt gewesen, aufgrund des niedrigen Verstärkungs-Querschnitts, der mit mit seltenen Erden dotier­ ten Fasern und ihrer Neigung zum Energieverlust über Kreuz-Re­ laxations-Prozesse bei hohen Dotierniveaus seltener Erden ver­ bunden ist. Diese Beschränkung führt zu typischen aktiven Fa­ serlängen, die größer als 1 Meter im Fall von Erbium-Ionen sind. Obwohl nützliche Neodym-Fasern Längen kleiner als 1 Meter haben können, sind solche Faserlängen selten aufgrund von Unbrauchbarkeiten bei Herstellung und Handhabung.

Eine fundamentale Hohlraumresonatorfrequenz für einen passiv moden-verkoppelten Faserlaser ist typischerweise auf ungefähr 100 Megahertz beschränkt. Obwohl hohe Wiederholungsraten er­ halten werden, indem man Unter-Hohlräume in den Hohlraumreso­ nator des passiv moden-verkoppelten Faser-Lasers einfügt, führt dies dazu, daß der Laser empfindlich auf Phasenfluktua­ tionen zwischen den zahlreichen Hohlraumresonatoren wird und führt zu instabilem Betrieb.

Somit ist die Aufmerksamkeit auf die Entwicklung von aktiv mo­ den-verkoppelten Faserlasern zum Erreichen von Moden-Kopplung höherer Harmonischer unter Verwendung eines aktiven Modulati­ onsverfahrens gerichtet. Solche aktiven Modulationsverfahren sind unempfindlich auf Phasenfluktuationen und können dadurch eine relativ stabile Impulsfolge bei Wiederholungsraten von beispielsweise bis zu mehreren Gigaherz bereitstellen.

Obwohl man allgemein akzeptiert hat, daß aktiv moden-verkop­ pelte Laser für die Verwendung zum Erreichen von Moden-Kopp­ lung höherer Harmonischer geeignet sind, wäre es erwünscht, einen passiv moden-verkoppelten Laser bereit zu stellen, mit dem Moden-Kopplung höherer Harmonischer erreicht werden kann, ohne daß die aktive Modulation, die mit aktiv moden-verkoppel­ ten Lasern verbunden ist, erforderlich ist. Bei passiven Mo­ den-Kopplungsverfahren wird der Bedarf an Modulationselektro­ nik vermieden, und es kann somit ein kosteneffektiver, effizi­ enter Laser bereitgestellt werden.

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf die Bereitstellung eines passiv moden-verkoppelten Lasers, mit dem Moden-Kopplung höherer Harmonischer unter Erzeugung einer Impuls-Wiederho­ lungsrate, die mit der von bekannten aktiv moden-verkoppelten Lasern vergleichbar ist, erreicht werden kann, ohne daß die komplexen Modulationsverfahren, die typischerweise mit aktiven Techniken verbunden sind, erforderlich sind. Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung richten sich auf einen passiv moden-verkoppelten Laser, bei dem Moden-Kopplung durch harmonische bzw. auf Oberwellen abgestimmte Unterteilung des Laser-Resonators erreicht wird. Gemäß der vorliegenden Er­ findung können relativ hohe Wiederholungsraten unter Bereit­ stellung ultrakurzer Impulse erreicht werden, ohne daß die komplexen Modulationsverfahren der aktiven Techniken er­ forderlich sind, und ohne daß der Laser anfällig für Instabi­ litäten wird, die typischerweise mit passiven Techniken ver­ bunden sind, wobei hohe Wiederholungsraten unter Verwendung von Unter-Hohlraumresonatoren erreicht werden.

Allgemein gesprochen beziehen sich beispielhafte Ausführungs­ formen der vorliegenden Erfindung, die hier beschrieben sind, auf einen passiv moden-verkoppelten Laser, der Einrichtungen zur Erzeugung von Laserenergie und Einrichtungen zum Pumpen der Laserenergie erzeugenden Einrichtungen umfaßt, wobei die Laserenergie erzeugende Einrichtung einen harmonisch bzw. auf Oberwellen abgestimmt unterteilten Hohlraumresonator hat. Ge­ mäß beispielhaften Ausführungsformen umfaßt der auf Oberwellen abgestimmt unterteilte Hohlraumresonator ferner ein Verstär­ kungsmaterial zum Verstärken von Energie in dem Hohlraumreso­ nator, Einrichtungen zum Reflektieren von Energie entlang ei­ ner Achse, die durch das Verstärkungsmaterial durchgeht, einen sättigbaren Absorber, der sich entlang der Achse zum Untertei­ len der Achse innerhalb des Hohlraumresonators in eine erste und zweite Länge befindet, wobei die erste Länge größer als die zweite Länge ist, und Einrichtungen zum Ausgeben von in dem Hohlraumresonator erzeugtem Laserlicht.

Die vorliegende Erfindung kann ferner unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen verstan­ den werden, wobei ähnliche Elemente mit denselben Bezugszei­ chen ausgestattet sind. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine beispielhafte Ausführungsform eines passiv moden-verkoppelten Lasers gemäß der vorliegenden Erfindung;
zeigt Fig. 2 eine Auftragung einer typischen Impulsfolge, die gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wurde;

Fig. 3 instabile Wiederholungsraten oder Impulsbündel für einen passiv moden-verkoppelten Faserlaser, bei dem harmo­ nische bzw. auf Oberwellen abgestimmte Moden-Kopplung verloren wurde;

Fig. 4 eine alternative beispielhafte Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 5 noch eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 veranschaulicht einen passiv moden-verkoppelten Laser gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der passiv moden-verkoppelte Laser wird im allgemeinen mit 100 bezeichnet und umfaßt eine Einrichtung zur Erzeugung von Laserenergie, die im allgemeinen als ein Laser- Resonator 200 bezeichnet wird. Gemäß einem deutlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Einrichtung zur Erzeugung von Laserenergie ein harmonisch bzw. auf Oberwellen abgestimmt unterteilter Hohlraumresonator wie beispielsweise ein Fabry- P´rot Hohlraumresonator. Der passiv moden-verkoppelte Laser 100 umfaßt ferner eine Einrichtung zum Pumpen der Laserenergie erzeugenden Einrichtung, wobei die Pumpeinrichtung im allge­ meinen als 300 bezeichnet wird.

Wie in der beispielhaften Ausführungsform von Fig. 1 veran­ schaulicht, umfaßt der harmonisch bzw. auf Oberwellen abge­ stimmt unterteilte Hohlraumresonator ein Verstärkungsmaterial 202 zum Verstärken der Energie in dem Hohlraumresonator 200. Das Verstärkungsmaterial kann jede mit seltenen Erden dotierte Faser mit der Eigenschaft, Lichtverstärkung (d. h. Verstär­ kung) bereitzustellen, sein. Für Zwecke der folgenden Diskus­ sion wird Bezug auf einen optisch gepumpten Laser mit einer mit Erbium-Ionen dotierten aktiven Faser als das Verstärkungs­ material 202 genommen. Fachleute werden jedoch richtig ein­ schätzen, daß weitere mit seltenen Erden dotierten Fasern wie beispielsweise mit Neodym-Ionen dotierte Fasern verwendet wer­ den können. Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf Fa­ ser-Laser beschränkt, sondern sie kann auch mit anderen Laser­ typen wie beispielsweise Volumen-Festkörperlasern mit einem Verstärkungsmaterial aus Volumen-Festkörpermaterialien und Halbleiterlasern verwendet werden. Optisches oder elektrisches Pumpen kann verwendet werden, obwohl optisches Pumpen allge­ mein für die Verwendung mit Volumen-Festkörperlasern bevorzugt ist, während elektrisches Pumpen im allgemeinen für Halb­ leiterlaser bevorzugt ist.

Der harmonisch bzw. auf Oberwellen abgestimmt unterteilte Hohlraum 200 umfaßt auch Einrichtungen zum Reflektieren von Energie entlang einer Achse, die durch das Verstärkungsmate­ rial durchgeht, wobei die Achse im allgemeinen durch den Pfeil 204 bezeichnet wird. Die wie in Fig. 1 veranschaulichte Ener­ gie reflektierende Einrichtung umfaßt einen ersten Hohlraum­ resonatorspiegel 206, der sich an einem ersten Ende des Hohl­ raumresonators 200 befindet. Der Hohlraumresonatorspiegel 206 ist ein teilweise reflektierender für Signallicht, der den Verlust von Laserenergie aus dem Hohlraumresonator 200 heraus zuläßt. Ferner umfaßt die Energie reflektierende Einrichtung einen zweiten Hohlraumresonatorspiegel 208, der sich an einem zweiten Ende des Hohlraumresonators 200 befindet, wobei das zweite Ende des Hohlraumresonators dem ersten Ende gegenüber­ liegt. Der zweite Hohlraumresonatorspiegel 208 ist ein voll­ ständig reflektierender für Signallicht. Sowohl der erste als auch der zweite Hohlraumresonatorspiegel kann jeder Standard- Laserspiegel sein, der leicht erhältlich und den Fachleuten bekannt ist.

Gemäß einem deutlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung um­ faßt der harmonisch bzw. auf Oberwellen abgestimmt unterteilte Hohlraumresonator einen sättigbaren Absorber 210, der sich entlang der Achse 204 unter Unterteilung der Achse innerhalb des Hohlraumresonators in eine erste und zweite Länge befin­ det. Der sättigbare Absorber 210 kann jeder sättigbare Halb­ leiter-Absorber sein, dessen Bandkante sich in der Nähe der von dem Hohlraumresonator erzeugten Laser-Wellenlängen befin­ det. Für Zwecke der folgenden Diskussion wird jedoch Bezug auf einen sättigbaren Vielfach-Quantentopf(MQW)-Absorber genommen, der beispielsweise auf AlInAs-Barrierenmaterialien und GaInAs- Topfmaterialien beruhen kann.

Der sättigbare Absorber 210 befindet sich zwischen dem ersten Hohlraumresonatorspiegel 206 und dem zweiten Hohlraumresona­ torspiegel 208, so daß ein Abstand zwischen dem ersten Hohl­ raumresonatorspiegel und dem sättigbaren Absorber 210 eine er­ ste Länge aufbaut und der Abstand zwischen dem sättigbaren Ab­ sorber und dem zweiten Spiegel eine zweite Länge aufbaut. Ge­ mäß einem deutlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung befin­ det sich der sättigbare Absorber 210 asymmetrisch innerhalb des Hohlraumresonators zwischen dem ersten und zweiten Hohl­ raumresonatorspiegel 206 und 208, so daß die erste Länge nicht gleich der zweiten Länge ist. In dieser Hinsicht wird die Po­ sitionierung des sättigbaren Absorbers unter Unterteilung des Hohlraumresonators zwischen dem ersten und zweiten Hohlraum­ resonatorspiegel in zwei ungleiche Längen (d. h. asymmetrische Positionierung des sättigbaren Absorbers) harmonische bzw. auf Oberwellen abgestimmte Unterteilung bereitstellen.

Fachleute werden richtig einschätzen, daß die Wellenlänge des Laserstrahls in dem Laser 100 nicht konstant sein wird, auf­ grund des Vorkommens unterschiedlicher Materialien, durch die der Laserstrahl durchgeht. Das heißt, daß, obwohl die optische Frequenz des innerhalb des Hohlraumresonators transmittierten Lichts konstant bleibt, Wellenlängenveränderungen aufgrund verschiedener Materialien (z. B. Luft oder Faser) auftreten. Demgemäß wird die "erste Länge" in Fig. 1 als ein "n"-faches der Umlaufdistanz L zwischen dem sättigbaren Absorber 210 und dem zweiten Spiegel 208 bezeichnet, wobei L die optische Weglänge eines Umlaufs ist. Durch Definition von L als eine Funktion der optischen Weglänge werden die Unterschiede der Wellenlänge aufgrund der unterschiedlichen Materialien berück­ sichtigt.

Die Einrichtung zur Erzeugung von Laserenergie 200 umfaßt fer­ ner die Einrichtung zur Ausgabe von Laserenergie 216. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Einrichtung zur Aus­ gabe von Laserenergie 216 der erste Hohlraumresonatorspiegel 206 sein. In solch einer Ausführungsform dient der erste Hohl­ raumresonatorspiegel 206 zwei Funktionen; er reflektiert einen Anteil der auf ihn eintreffenden Energie zurück in den Laser- Resonator 200, wobei der verbleibende Anteil durch den ersten Hohlraumresonatorspiegel 206 entschwindet und als Aus­ gangsenergie verwendet wird. Der erste Hohlraumresonatorspiegel 206 kann eine Auskopplungseinrichtung, die in Fig. 1 als 218 bezeichnet ist, umfassen.

Wenn der erste Hohlraumresonatorspiegel 206 verwendet wird, um Ausgangsenergie bereitzustellen, kann der erste Hohlraumreso­ natorspiegel auf einer Positionssteuerung angebracht sein, die im allgemeinen als Positioniereinrichtung 220 in Fig. 1 be­ zeichnet wird. Die Positioniereinrichtung verschiebt die Aus­ kopplungseinrichtung 218 des ersten Hohlraumresonatorspiegels 206 unter Justierung der gesamten Umlauflänge des Laser-Reso­ nators. Diese Positionssteuerung kann verwendet werden, um die harmonische bzw. auf Oberwellen abgestimmte Unterteilung auf einer Versuch-und-Irrtum-Grundlage zu optimieren. Wo sich eine optimale Position des ersten Spiegels befindet, kann die Posi­ tionssteuerung, wenn erwünscht, entfernt werden und der feste Spiegel örtlich fixiert werden. Die Fachleute werden richtig einschätzen, daß, als nur die Position des ersten Spiegels einzustellen, eher die Position des zweiten Spiegels, die Po­ sition des sättigbaren Absorbers oder jede Kombination dafür eingestellt werden kann.

Die Ausgabe-Einrichtung für Laserenergie umfaßt auch eine dritte Linse 222, um Energie von dem Verstärkungsmaterial 202 auf den ersten Hohlraumresonatorspiegel 206 zu fokussieren. Die dritte Linse minimiert somit unerwünschte Energieverluste des sich zwischen dem Verstärkungsmaterial 202 und der Aus­ kopplungseinrichtung 218 hin und her bewegenden Lichts.

In einer beispielhaften Ausführungsform wird der Abstand von dem ersten Hohlraumresonatorspiegel 206 zu dem sättigbaren Ab­ sorber 210 so gewählt, daß er ein n-faches des Abstands von dem sättigbaren Absorber 210 zu dem zweiten Hohlraumresonator­ spiegel 208 ist. Somit wird der sättigbare Absorber 210 Kurz­ impuls- gegenüber kontinuierlicher bzw. CW-Oszillation begün­ stigen, und seine Sättigungseigenschaften werden eine örtliche Festlegung der sich gegenläufig fortpflanzenden Impulse an dem sättigbaren Absorber 210 begünstigen. Mit anderen Worten wird ein moden-verkoppelter Betrieb mit zusammentreffenden Impulsen in dem sättigbaren Absorber auftreten, aufgrund des Zusammen­ treffens von Impulsen, die sich von dem Verstärkungsmaterial 202 zu dem zweiten Hohlraumresonatorspiegel 208 bewegen, und den sich gegenläufig fortpflanzenden Impulsen, die sich von dem zweiten Hohlraumresonatorspiegel 208 zu dem Verstärkungs­ material 202 bewegen.

Aufgrund der Position des sättigbaren Absorbers in Bezug auf den ersten und zweiten Hohlraumresonatorspiegel 206, 208 ist der sättigbare Absorber 210 optimal gesättigt, wenn genau (n+1) Impulse gleichzeitig in dem Hohlraumresonator 200 oszil­ lieren, so daß stabile Moden-Kopplung hoher Harmonischer er­ halten wird. Beispielsweise kann eine stabile Impulsfolge in dem Verstärkungsmaterial 202 bei einer Wiederholungsrate von beispielsweise 260 Megahertz erzeugt werden, was einer passi­ ven Moden-Kopplung bei der siebzehnten Harmonischen der funda­ mentalen Hohlraumresonatorfrequenz entspricht. In dieser Hin­ sicht kann der sättigbare Absorber 210 positioniert sein, um Zusammentreffen von Impulsen innerhalb der Grenzen des sättig­ baren Absorbers sicherzustellen, so daß eine Positioniergenau­ igkeit des sättigbaren Absorbers in der Größenordnung einer Impulsbreite erforderlich ist. Diese Beschränkung kann leicht ohne Rückkopplungs-Regelung erfüllt werden.

Es ist wichtig zu bemerken, daß die Energiedichten, die auf den sättigbaren Absorber 210 eintreffen, mit großer Genauig­ keit gesteuert werden müssen, um auf die Sättigungseigenschaf­ ten des sättigbaren Absorbers zu passen (z. B. durch Versuch- und-Irrtum) und um Impulsbündelung oder instabile Wiederho­ lungsraten zu vermeiden. Ferner sollte die Sättigungsenergie des sättigbaren Absorbers auf die Solitonenenergie des Faser­ lasers passen, und die Hohlraumresonator-Gesamtlänge sollte zur Solitonen-Periode passen, um die Erzeugung von Impulsen hoher Qualität ohne Rausch-Hintergrund sicherzustellen (z. B. durch Versuch-und-Irrtum).

Obwohl der sättigbare Absorber in der beispielhaften Ausfüh­ rungsform von Fig. 1 so veranschaulicht worden ist, daß er sich asymmetrisch zwischen dem ersten und zweiten Hohlraumre­ sonatorspiegel befindet, werden Fachleute richtig einschätzen, daß weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aus­ geführt werden können, um die beschriebene harmonische bzw. auf Oberwellen abgestimmte Unterteilung zu erreichen. Beispielsweise kann, wie in Fig. 4 veranschaulicht, ein sättigbarer Absorber 400 als ein Vielfach-Quantentopf 402, der auf einer aufgeschichteten Spiegelstruktur 404 gewachsen ist, gebildet sein. Unter Verwendung einer Kombination aus einer Lambda-Viertel-Platte 406 und einem Polarisator 408, kann von dem sättigbaren Absorberspiegel 404 reflektiertes Licht ge­ dreht und auf den zweiten Hohlraumresonatorspiegel 208 gerich­ tet werden, der sich 90° relativ zu der Achse 204 befindet. Ein Vierfach-Durchgang durch die Lambda-Viertel-Platte wird die Polarisation zurück zu ihrem Originalzustand drehen und Impulse zurück zu dem Verstärkungsmaterial 202 richten, so daß der sättigbare Absorber durch vierfaches Zusammentreffen von Impulsen gesättigt wird.

In der Ausführungsform von Fig. 4 kann der zweite Hohlraum­ resonatorspiegel 208 in eine Richtung verschoben werden, die senkrecht zu der Verschiebung des ersten Hohlraumresonator­ spiegels 206 ist. Obwohl eine Positionssteuerung zum Verschie­ ben der Spiegel 206 und 208 in Fig. 4 nicht gezeigt wird, werden Fachleute richtig einschätzen, daß eine Positionssteue­ rung 220 von Fig. 1 für diesen Zweck verwendet werden kann.

In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Verstärkungs­ material 202 eine aktive Faser (z. B. Erbium) mit einer Ein­ zeldurchlauf-Gesamtfaserlänge von fünf Metern in dem Hohlraum­ resonator 200 sein, von denen 3 Meter mit ungefähr 5 × 10¹⁸ Erbium-Ionen/Zentimeter³ dotiert sind. Ein Kernradius der Erbiumfaser kann 2,5 µm mit einer Grenzwellenlänge von 1,1 µm sein. Fachleute werden jedoch richtig einschätzen, daß mit der Konfiguration von Fig. 1 Faserlängen in der Größen­ ordnung von 1 Meter in dem Hohlraumresonator verwendet werden können. Es ist nur notwendig, eine aktive Faserlänge auszuwäh­ len, die geeignet ist, um eine erwünschte, stabile Impulsfolge mit einer erwünschten Wiederholungsrate zu erhalten.

Unter Bezug auf Fig. 1 kann gesehen werden, daß der passiv moden-verkoppelte Laser 100 ferner Einrichtungen umfaßt, um erzeugte Energie entlang der Achse 204 auf den sättigbaren Ab­ sorber 210 zu fokussieren. Die Einrichtung zur Fokussierung von Energie in Fig. 1 umfaßt eine erste Linse 212 zum Fokus­ sieren von von dem Verstärkungsmaterial 202 erhaltener Energie auf den sättigbaren Absorber 210. Zusätzlich umfaßt die Ein­ richtung zum Fokussieren von Energie eine zweite Linse 214 zum Fokussieren von von dem zweiten Hohlraumresonatorspiegel re­ flektierter Energie auf den sättigbaren Absorber 210. Es ist wichtig, daß die Brennpunkte des Linsen 212 und 214 so ausge­ wählt sind, daß sie mit der Positionierung des sättigbaren Ab­ sorbers 210 übereinstimmen, so daß die Leistungsdichte auf dem sättigbaren Absorber maximiert ist und der sättigbare Absorber optimal gesättigt ist.

Wie vorstehend erwähnt, umfaßt der passiv moden-verkoppelte Laser, der in der beispielhaften Ausführungsform in Fig. 1 veranschaulicht ist, eine Laserenergie-Pumpeinrichtung 300. Die Pumpeinrichtung umfaßt eine Energiequelle (z. B. elektri­ sche oder optische Energiequelle, abhängig von dem Lasertyp), die im allgemeinen als eine Pumpe 302 dargestellt wird. In der beispielhaften Ausführungsform von Fig. 1 ist, wo eine Erbium-Faser als das Verstärkungsmaterial verwendet wird, die Pumpe 302 eine optische Pumpe.

Eine Wellenlängenmultiplex-Kopplungseinrichtung 304 ist zum Ankoppeln der Pumpeinrichtung an den Hohlraumresonator 200 be­ reitgestellt. Eine Fokussiereinrichtung, die durch eine vierte Linse 306 dargestellt wird, kann als eine Schnittstelle zwi­ schen der Pumpe 302 und der Wellenlängenmultiplex-Kopplungs­ einrichtung (WDM) 304 verwendet werden. Die Wellenlängenmulti­ plex-Kopplungseinrichtung kann jeder Multiplexer sein, der Pumpen des Laser-Resonators 200 ohne Verlust an Signallicht zuläßt; d. h. einer, der differentielle Kopplung zwischen der Pumpe 302 und dem Signallicht zuläßt. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Pumpe 302 Energie in dem 980 Nanometer-Wellenlängenbereich erzeugen, und die Wel­ lenlängenmultiplex-Kopplungseinrichtung kann ein Aster WDM 1550/980 zum Aufnehmen eines 980 Nanometer-Pump­ strahls und eines 1550 Nanometer-Signalstrahls sein.

Während die Ausführungsform in Fig. 1 deutliche Merkmale der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, werden Fachleute leicht einschätzen, daß alternative Ausführungsformen der Er­ findung leicht ausgeführt werden können. Beispielsweise kann jede der in der Ausführungsform in Fig. 1 veranschaulichten Linsen die Laserenergie auf einen Punkt mit einem Strahldurch­ messer von weniger als ungefähr 10 µm fokussieren. Das heißt, daß die erste Linse 212 und die zweite Linse 214 die Wege auf­ einandertreffender Strahlen auf Strahlbreiten (d. h. Durchmes­ ser) von weniger als 10 µm in dem sättigbaren Absorber fokus­ sieren können. Die gewünschte Genauigkeit für eine gegebene Anwendung kann jedoch von dem Konstrukteur ausgewählt werden. Ferner werden, während die Linsen 222 und 306 zum Verbinden zahlreicher Elemente von Fig. 1 mit der Wellenlängenmulti­ plex-Kopplungseinrichtung und dem Verstärkungsmaterial veran­ schaulicht sind, Fachleute leicht einschätzen, daß direkte Kopplung an die Faser durchgeführt werden kann, so daß diese Linsen entfernt werden können.

Alternativ können zusätzliche Linsen verwendet werden, wenn erwünscht. Beispielsweise können, eher, als daß zwei Linsen zur Fokussierung von Laserenergie auf den sättigbaren Absorber verwendet werden, zusätzliche Linsen (z. B. vier Linsen) ver­ wendet werden. Ferner kann, während nur ein einzelner sättig­ barer Absorber in der Ausführungsform in Fig. 1 veranschau­ licht ist, mehr als ein sättigbarer Absorber verwendet werden. Fachleute werden einschätzen, daß sich ein deutliches Merkmal der vorliegenden Erfindung auf asymmetrische Positionierung von einem oder mehreren sättigbaren Absorbern bezieht, so daß die Zusammentreffen von Impulsen in den/dem sättigbaren Absor­ ber(n) gleichzeitig auftreten. Beispielsweise könnten zwei sättigbare Absorber symmetrisch auf der linken und rechten Seite des Hohlraumresonators 200 in Fig. 1 positioniert sein. Alternativ könnten drei sättigbare Absorber in dem Hohlraum­ resonator 200 positioniert sein, wobei zwei der sättigbaren Absorber symmetrisch an der linken und rechten Seite des Hohl­ raumresonators 200 von Fig. 1 positioniert sind und der dritte sättigbare Absorber im Zentrum des Hohlraumresonators positioniert ist.

Ferner ist die Ausführungsform von Fig. 1 mit einem linearen Hohlraumresonator veranschaulicht worden. Alternative Ausfüh­ rungsformen werden den Fachleuten jedoch leicht offensicht­ lich. Beispielsweise kann ein wie in Fig. 5 veranschaulichter ringförmiger Hohlraumresonator mit zwei sättigbaren Absorbern 502 und 504, die den Ring harmonisch bzw. auf Oberwellen abge­ stimmt unterteilen, verwendet werden. In diesem Fall können die sättigbaren Absorber um einen Trenn-Abstand L positioniert sein, wobei L 1/(n+1)-tel des Ringumfangs entspricht, der eine optische Weglänge von (n+1)L hat. Der ringförmige Hohlraumre­ sonator umfaßt ferner eine undotierte Faser 506, Spleißstellen bzw. Verbindungsstellen 508 (zum Verbinden der undotierten Fa­ ser mit einem Verstärkungsmaterial) und ein Verstärkungsmate­ rial wie beispielsweise eine Erbiumfaser 512.

In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Leistung der Pumpe 302 bis zu 400 mW oder größer sein (z. B. typischerweise weniger als 1 Watt). Beispielsweise kann die Pumpe eine 980 nm Titan-Saphir-Quelle sein, die eine Signal-Wellenlänge von 1,55 µm erzeugt. Eingangs-/Ausgangs-Leitungen der Wellenlängenmultiplex-Kopplungseinrichtung sind mit 1 bis 4 bezeichnet, wobei die Leitung 1 mit der Pumpe 302 verbunden ist, die Leitung 2 mit dem Hohlraumresonatorspiegel 206 ver­ bunden ist, wobei dieser Spiegel eine 50%-Ausgangskopplungs­ einrichtung darstellt, die Ausgangsleitung 3 abgeschlossen ist, wobei alle Faser-Enden unter einem Winkel geschnitten sind, um unerwünschte Reflexionen zu minimieren, und die Lei­ tung 4 mit dem Verstärkungsmaterial 202 verbunden ist. Die Wellenlängenmultiplex-Kopplungseinrichtung kann beispielsweise der Aster WDM mit zwei Eingangs-Anschlüssen und zwei Ausgangs- Anschlüssen sein, wobei Licht von dem ersten Eingangs-Anschluß (d. h. von der Pumpe) zu dem sättigbaren Absorber über das Verstärkungsmaterial gerichtet wird. Licht, das von dem Ver­ stärkungsmaterial (z. B. Erbiumfaser) zu dem zweiten Hohl­ raumresonatorspiegel 208 geht, wird durch die Wellenlängenmul­ tiplex-Kopplungseinrichtung zu dem zweiten Eingangs-Anschluß 2 der Wellenlängenmultiplex-Kopplungseinrichtung 304 zurückre­ flektiert.

Der Laser 100 von Fig. 1 kann in einer kontinuierlichen Weise betrieben werden, oder er kann in einer gepulsten Oszillati­ onsweise (POM) betrieben werden. Aufgrund der Verwendung ei­ nes sättigbaren Absorbers in den hier beschriebenen beispiel­ haften Ausführungsformen, bei denen Energieverluste in dem sättigbaren Absorber mit erhöhter Signalintensität abnehmen, sind kurzgepulste Oszillations-Betriebsweisen bevorzugt. Bei einer Kurzimpuls-Oszillationsweise tritt eine Verlustabnahme in dem sättigbaren Absorber auf.

Der Betrieb der Ausführungsform in Fig. 1 wird nun unter Be­ zugnahme auf die beispielhaften Impulsfolgen, die in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht sind, beschrieben. Unter Betrieb ist Moden-Kopplung in der veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform selbststartend, und es kann eine modenverkop­ pelte Leistung von 10 mW erreicht werden. Die Ausgangsleistung wird jedoch in Abhängigkeit von dem Lasertyp variieren. Bei­ spielsweise kann ein typischer Faserlaser eine Ausgangslei­ stung in einem Bereich von 1 bis 50 mW oder größer erzeugen (z. B. bei weniger als 1 W Eingangsleistung).

Stabile Moden-Kopplung höherer Harmonischer kann erhalten wer­ den, indem man die Fokussierung der Laser-Energie auf den sät­ tigbaren Absorber steuert und indem man die Hohlraumresonator- Gesamtlänge durch Einstellung des ersten Hohlraumresonator­ spiegels 206 steuert. Durch Auswählen eines Verstärkungsmate­ rials als eine Faser mit einer angemessenen Länge der aktiven Faser kann eine Impulsfolgen-Wiederholungsrate bis zu bei­ spielsweise 216 MHz erreicht werden, was einer Moden-Kopplung höherer Harmonischer mit n = 17 Impulsen entspricht, die gleichzeitig in dem Hohlraumresonator anwesend sind. Die 17 in dem Hohlraumresonator erhaltenen Impulse sind beispielsweise in Fig. 2 veranschaulicht, wobei die Hohlraumresonatorlänge durch den mit (n + 1) × L bezeichneten Pfeil dargestellt ist. Der Trennungsabstand zwischen jedem Impuls in Fig. 2 wird durch den Abstand L dargestellt.

Selbst unter optimalen Bedingungen kann die Impulsfolge um un­ gefähr 10% bei der fundamentalen Hohlraumresonatorfrequenz ohne elektronische Modulation moduliert sein. Diese Modulation kann ungewollten Verlusten und/oder Asymmetrien in dem Hohl­ raumresonator zugeschrieben werden. Solche Verluste und Asym­ metrien können jedoch durch optimierte Hohlraumresonatorge­ staltung minimiert werden. Die kurze Hohlraumresonatorlänge kann um ungefähr plus oder minus 300 µm ohne Verlust der Mo­ den-Kopplung von Oberwellen verändert werden, womit die Unemp­ findlichkeit des Moden-Kopplungsverfahrens bezüglich der Posi­ tion des sättigbaren Absorbers 210 in Fig. 1 bewiesen ist.

Verlust der Moden-Kopplung von Oberwellen kann auftreten, wenn die Hohlraumresonatorlänge über die zulässige Grenze verändert wird oder wenn die Fokussierung auf den sättigbaren Absorber verändert wird. In diesem Fall können instabile Wiederholungs­ raten oder Impulsbündel auftreten, wie in Fig. 3 veranschau­ licht.

Das vorstehende hat beispielhafte Ausführungsformen der vor­ liegenden Erfindung beschrieben, die sich auf die harmonische bzw. auf Oberwellen abgestimmte Unterteilung eines passiv mo­ den-verkoppelten Laser richten. Ohne Verwendung von phasenemp­ findlichen Unter-Hohlräumen kann stabile passive Moden-Kopp­ lung bei der 17-ten Harmonischen der fundamentalen Hohlraum­ resonatorfrequenz bis zu Impulswiederholungsraten von bei­ spielsweise 260 MHz erhalten werden. Somit kann stabile Erzeu­ gung von Impulsfolgen bei Gigahertz-Wiederholungsraten ohne jede Modulationselektronik erhalten werden.

Fachleute werden richtig einschätzen, daß die vorliegende Er­ findung in weiteren spezifischen Formen ausgeführt werden kann, ohne von ihrem Geist oder wesentlichen Eigenschaften der Erfindung abzuweichen. Die vorliegend beschriebenen Ausfüh­ rungsformen werden daher in jeder Hinsicht so betrachtet, daß sie veranschaulichend und nicht einschränkend sind. Der Umfang der Erfindung wird eher durch die beigefügten Ansprüche als durch die vorstehende Beschreibung angegeben, und bei allen Veränderungen, die innerhalb der Bedeutung, des Umfangs und der Entsprechung der Beschreibung liegen, wird beabsichtigt, daß sie in der Erfindung enthalten sind.

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf die Bereitstellung eines passiv moden-verkoppelten Lasers, der Moden-Kopplung hö­ herer Harmonischer erreichen kann, wobei eine Impulswiederho­ lungsrate erzeugt wird, die mit der von bekannten aktiv moden- verkoppelten Lasern vergleichbar ist, ohne daß die komplexen Modulationsverfahren, die typischerweise mit aktiven Techniken verbunden sind, erforderlich sind. Beispielhafte Ausführungs­ formen der vorliegenden Erfindung richten sich auf einen pas­ siv moden-verkoppelten Laser, bei dem Moden-Kopplung durch harmonische bzw. auf Oberwellen abgestimmte Unterteilung des Laser-Resonators erreicht wird. Gemäß der vorliegenden Erfin­ dung können relativ hohe Wiederholungsraten erreicht werden, wobei ultrakurze Impulse zur Verfügung gestellt werden, ohne daß die komplexen Modulationsverfahren der aktiven Techniken erforderlich sind, und ohne daß der Laser anfällig für Insta­ bilitäten wird, die typischerweise mit passiven Techniken ver­ bunden sind, wobei hohe Wiederholungsraten unter Verwendung von Unter-Hohlraumresonatoren erreicht werden.

Claims (22)

1. Passiv moden-verkoppelter Laser, umfassend:
Einrichtungen zum Erzeugen von Laser-Energie; und
Einrichtungen zum Pumpen der Einrichtungen zur Erzeugung von Laser-Energie, wobei die Einrichtungen zur Erzeugung von La­ ser-Energie einen auf Oberwellen abgestimmt unterteilten Hohl­ raumresonator haben, der folgendes umfaßt:
ein Verstärkungsmaterial zum Verstärken der Energie in dem Hohlraumresonator;
Einrichtungen zum Reflektieren von Energie entlang einer Achse, die durch das Verstärkungsmaterial durchgeht;
einen sättigbareren Absorber, der sich entlang der Achse be­ findet, um die Achse in dem Hohlraumresonator in eine erste und zweite Länge zu unterteilen, wobei die erste Länge größer als die zweite Länge ist; und
Einrichtungen zum Ausgeben von in dem Hohlraumresonator er­ zeugter Laser-Energie.

2. Passiv moden-verkoppelter Laser nach Anspruch 1, wobei die Energie reflektierende Einrichtung ferner folgendes umfaßt:
einen ersten Hohlraumresonatorspiegel, der sich an einem er­ sten Ende des Hohlraumresonators befindet;

einen zweiten Hohlraumresonatorspiegel, der sich an einem zweiten Ende des Hohlraumresonators, das dem ersten Ende ent­ gegengesetzt ist, befindet, wobei der sättigbare Absorber sich zwischen dem ersten und zweiten Hohlraumresonatorspiegel be­ findet, so daß der Abstand zwischen dem ersten Hohlraumresona­ torspiegel und dem sättigbaren Absorber die erste Länge dar­ stellt und der Abstand zwischen dem sättigbaren Absorber und dem zweiten Spiegel die zweite Länge darstellt.

3. Passiv moden-verkoppelter Laser nach Anspruch 2, wobei der Hohlraumresonator ferner Einrichtungen zum Fokussieren von entlang der Achse erzeugter Energie auf den sättigbaren Absorber umfaßt.

4. Passiv moden-verkoppelter Laser nach Anspruch 3, wobei die Einrichtung zur Fokussierung von Energie ferner folgendes um­ faßt:
eine erste Linse zum Fokussieren von von dem Verstärkungsmate­ rial empfangener Energie auf den sättigbaren Absorber; und
eine zweite Linse zum Fokussieren von von dem zweiten Spiegel reflektierter Energie auf den sättigbaren Absorber.

5. Passiv moden-verkoppelter Laser nach Anspruch 1, wobei die zweite Länge ein Vielfaches der ersten Länge ist.

6. Passiv moden-verkoppelter Laser nach Anspruch 1, wobei der sättigbare Absorber entlang der Achse in dem Hohlraumresonator so positioniert ist, daß Zusammenstöße innerhalb der Grenzen des sättigbaren Absorbers für moden-verkoppelten Betrieb mit zusammenstoßenden Impulsen erzeugt werden.

7. Passiv moden-verkoppelter Laser nach Anspruch 1, wobei die Sättigungsenergie des sättigbaren Absorbers an die Solitonen­ energie des passiv moden-verkoppelten Lasers angepaßt ist und die Gesamtlänge des Hohlraumresonators an eine Solitonenperi­ ode angepaßt ist.

8. Passiv moden-verkoppelter Laser nach Anspruch 1, wobei der sättigbare Absorber ein sättigbarer Vielfach-Quantentopf-Ab­ sorber ist.

9. Passiv moden-verkoppelter Laser nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zur Ausgabe von Laser-Energie ferner folgendes um­ faßt:
eine Auskoppeleinrichtung zum Emittieren von Laser-Energie aus dem Hohlraumresonator;
Einrichtungen zum Fokussieren von Energie von dem Verstär­ kungsmaterial auf die Auskoppeleinrichtung; und
Einrichtungen zum Positionieren der Auskoppeleinrichtung, um die Gesamtlänge des Hohlraumresonators einzustellen.

10. Passiv moden-verkoppelter Laser nach Anspruch 1, wobei die Pumpeinrichtung ferner folgendes umfaßt:
eine Energiequelle; und
eine Wellenlängenmultiplex-Kopplungseinrichtung zum Koppeln der Pumpeinrichtung an den Hohlraumresonator.

11. Passiv moden-verkoppelter Laser nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmaterial eine Erbiumfaser ist.

12. Passiv moden-verkoppelter Laser nach Anspruch 1, wobei die passive Moden-Kopplung bei einer beliebigen Harmonischen einer fundamentalen Hohlraumresonatorfrequenz des Hohlraumresonators bereitgestellt wird.

13. Passiv moden-verkoppelter Laser nach Anspruch 11, wobei die Erbium-Faser eine beliebige Gesamtlänge hat.

14. Passiv moden-verkoppelter Laser nach Anspruch 1, wobei der auf Oberwellen abgestimmt unterteilte Hohlraumresonator ein linearer Hohlraumresonator ist.

15. Passiv moden-verkoppelter Laser nach Anspruch 1, wobei der auf Oberwellen abgestimmt unterteilte Hohlraumresonator ein ringförmiger Hohlraumresonator mit mindestens zwei sättigbaren Absorbern ist.

16. Passiv moden-verkoppelter Laser nach Anspruch 1, wobei der sättigbare Absorber als ein Vielfach-Quantentopf gebildet ist, der auf einer aufgeschichteten Spiegelstruktur gewachsen ist.

17. Passiv moden-verkoppelter Laser, umfassend:
Einrichtungen zum Erzeugen von Laser-Energie; und
Einrichtungen zum Pumpen der Einrichtungen zum Erzeugen von Laser-Energie, wobei die Einrichtungen zum Erzeugen von Laser- Energie einen Hohlraumresonator haben, der durch einen sättig­ baren Absorber in eine erste und zweite Länge auf Oberwellen abgestimmt unterteilt ist, wobei die erste Länge größer als die zweite Länge ist.

18. Passiv moden-verkoppelter Laser nach Anspruch 17, wobei die Einrichtung zum Erzeugen von Laser-Energie ein Faser-Laser ist.

19. Passiv moden-verkoppelter Laser nach Anspruch 18, wobei der Hohlraumresonator ferner ein Verstärkungsmaterial zum Ver­ stärken von Energie in dem Hohlraumresonator umfaßt und das Verstärkungsmaterial eine Erbiumfaser ist.

20. Passiv moden-verkoppelter Laser nach Anspruch 17, wobei die Pumpeinrichtung eine optische Pumpe ist.

21. Passiv moden-verkoppelter Laser nach Anspruch 17, wobei die Pumpeinrichtung eine elektrische Pumpe ist.