DE102010028213A1

DE102010028213A1 - Optical isolator, has Faraday-rotator arranged between input and output polarization filters, where laser beam runs from front side through Faraday-element based on reflection at reflector and is reflected at rear side of Faraday-element

Info

Publication number: DE102010028213A1
Application number: DE201010028213
Authority: DE
Inventors: Dr. Nicklaus Kolja; Dr. Kumkar Malte
Original assignee: JT OPTICAL ENGINE GmbH and Co KG
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH; Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2011-10-27

Abstract

The isolator (1) has a Faraday-rotator (4) arranged between input and output polarization filters (2, 3). The rotator comprises a disk-shaped Faraday-element (5), a reflector (10) e.g. parabolic mirror, and a magnet (7), where the reflector is spaced from a front side (16) of the Faraday-element. A laser beam (15) runs from the front side through the Faraday-element based on reflection at the reflector, and is reflected at a rear side (14) of the Faraday-element. The laser beam is passed through the input polarization filter. An independent claim is also included for a laser comprising a laser source for producing a laser beam.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Isolator, der dazu genutzt werden kann, einen Laserstrahl einer Laserquelle durchzulassen und gleichzeitig unerwünschte Reflexionen zurück in die Laserquelle zu verhindern.The present invention relates to an optical isolator that can be used to pass a laser beam from a laser source while preventing unwanted reflections back into the laser source.

Es sind optische Isolatoren bekannt, bei denen unter Ausnutzung des Faraday-Effektes (Polarisationsdrehung im Magnetfeld) eine Reflexion von Laserstrahlen zurück in die Laserquelle vermieden werden können. Dabei weist das Faraday-aktive Element häufig die Form eines Stabes (Zylinder mit größerer Länge als Durchmesser) auf, durch den der Laserstrahl geführt wird. Ein Teil des durch den Stab geführten Laserstrahles wird absorbiert und führt zur Erwärmung des Stabes. Durch die Abführung der Wärme über die Mantelfläche des Stabes entsteht eine leistungsabhängige thermisch induzierte Linse und thermisch induzierte Doppelbrechung, die zu einer Änderung der Strahlparameter (und damit beispielsweise zu einer unerwünschten Verschiebung der Fokusposition des Laserstrahles) und zu einer Verringerung des Isolationsgrades führen. Somit ist mit zunehmender Leistung die praktische Einsetzbarkeit eines solchen optischen Isolators eingeschränkt.Optical isolators are known in which, by utilizing the Faraday effect (polarization rotation in the magnetic field), a reflection of laser beams back into the laser source can be avoided. In this case, the Faraday active element often has the form of a rod (cylinder with a greater length than diameter), through which the laser beam is guided. Part of the laser beam guided through the rod is absorbed and leads to heating of the rod. By dissipating the heat over the lateral surface of the rod results in a performance-dependent thermally induced lens and thermally induced birefringence, which lead to a change in the beam parameters (and thus, for example, to an undesirable shift of the focus position of the laser beam) and to a reduction in the degree of isolation. Thus, with increasing performance, the practical utility of such an optical isolator is limited.

In der US 5,115,340 ist eine Anordnung beschrieben, bei der ein scheibenförmiges Faraday-Element einseitig auf eine Wärmesenke aufgebracht ist und eine Magnetanordnung mit verschiedenen Magnetformen und Magnetfeldformungselementen eingebracht ist. Es wird gegenüber einem stabförmigen Faraday-Element eine geringere Temperaturdifferenz in radialer Richtung (und damit eine geringere thermische Linse) im Faraday-Element erreicht. Um die gewünschte Drehung der Polarisationsrichtung zu erreichen, wird der Laserstrahl einmal durch das Faraday-Element geführt.In the US 5,115,340 An arrangement is described in which a disk-shaped Faraday element is applied to one side of a heat sink and a magnet assembly with different magnetic shapes and magnetic field forming elements is introduced. It is compared to a rod-shaped Faraday element a lower temperature difference in the radial direction (and thus a lower thermal lens) achieved in the Faraday element. In order to achieve the desired rotation of the polarization direction, the laser beam is once passed through the Faraday element.

Im Bereich hoher mittlerer Leistungen (d. h. über 1–2 W) ist das Faraday-aktive Material mit der höchsten Verdet-Konstante Terbium-Gallium-Granat (TGG). Im nahen Infrarotbereich (Wellenlängen von 1,0 bis 1,1 μm) beträgt diese ca. 40 rad/(Tm). Bei einer erreichbaren magnetischen Flußdichte im Bereich von etwa 1 T wird für eine Polarisationsdrehung von 45°, wie sie in Faraday-Isolatoren benötigt wird, somit eine Weglänge durch das Medium von etwa 20 mm benötigt. Im Fall der Scheibe mit Reflexion bedeutet dies eine Dicke der Scheibe mit etwa 10 mm. Um jedoch von einer möglichst eindimensionalen Wärmeleitung profitieren zu können, muß das Aspektverhältnis von Dicke zu Durchmesser der Scheibe möglichst gering sein (bevorzugt kleiner als 0,5). Demnach würden für eine solche Anordnung eine Scheibe mit einem Durchmesser von mindestens 20 mm Durchmesser benötigt werden, besser wäre ein Durchmesser von mindestens 50 mm. Scheiben aus einem Faraday-aktiven Material mit einem solchen Durchmesser sind jedoch sehr teuer.In the range of high average powers (i.e., above 1-2 W), the Faraday active material with the highest Verdet constant is Terbium gallium garnet (TGG). In the near infrared range (wavelengths from 1.0 to 1.1 μm) this is about 40 rad / (Tm). At an achievable magnetic flux density in the range of about 1 T is thus required for a polarization rotation of 45 °, as required in Faraday isolators, a path length through the medium of about 20 mm. In the case of the disc with reflection, this means a thickness of the disc of about 10 mm. However, in order to be able to profit from a one-dimensional heat conduction, the aspect ratio of thickness to diameter of the disc must be as low as possible (preferably less than 0.5). Thus, a disc having a diameter of at least 20 mm in diameter would be needed for such an arrangement, a diameter of at least 50 mm would be better. Disks of a Faraday active material of such a diameter, however, are very expensive.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, einen optischen Isolator mit einem scheibenförmigen Faraday-Element zur Verfügung zu stellen, das für höhere Leistungen geeignet ist und kostengünstig hergestellt werden kann.Proceeding from this, it is an object of the invention to provide an optical isolator with a disc-shaped Faraday element which is suitable for higher powers and can be produced inexpensively.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen optischen Isolator mit einem Eingangspolarisationsfilter, einem Ausgangspolarisationsfilter und einem zwischen beiden Filtern angeordneten Faraday-Rotator, der zumindest ein scheibenförmiges Faraday-Element, das eine Vorderseite und eine reflektive Rückseite umfaßt sowie den Faraday-Effekt zeigt, einen von der Vorderseite beabstandeten Reflektor sowie einen Magneten aufweist, wobei ein durch den Eingangspolarisationsfilter einfallender Laserstrahl aufgrund zumindest einer Reflexion am Reflektor mehrmals von der Vorderseite durch das zumindest eine Faraday-Element läuft und an seiner Rückseite reflektiert wird.The object is achieved by an optical isolator having an input polarization filter, an output polarization filter and a Faraday rotator arranged between the two filters, which comprises at least one disc-shaped Faraday element comprising a front side and a reflective rear side and the Faraday effect, one of the Reflected front reflector and a magnet, wherein an incident by the input polarization laser beam due to at least one reflection on the reflector several times from the front through the at least one Faraday element and is reflected on its back.

Bei dem erfindungsgemäßen optischen Isolator ist somit der Faraday-Rotator so ausgebildet, daß der mehrfache Durchgang des Laserstrahles durch das zumindest eine Faraday-Element mittels des von der Vorderseite bzw. vom Faraday-Element beabstandeten Reflektors bewirkt wird, so daß die notwendige optische Weglänge bereitgestellt werden kann, selbst wenn das zumindest eine Faraday-Element dünn ist. Die Anzahl der Durchgänge kann zwei, drei, vier, etc. betragen. Besonders bevorzugt sind sechs bis zehn Durchgänge, wobei jedoch auch noch mehr Durchgänge möglich sind. Ein dünnes Faraday-Element ist relativ kostengünstig, so daß der erfindungsgemäße optische Isolator kostengünstig hergestellt werden kann und gleichzeitig für hohe mittlere Leistungen geeignet ist. Unter hohen mittleren Leistungen werden hier Leistungen im Bereich von größer 1 W, insbesondere größer 100 W und besonders bevorzugt größer 1 kW verstanden.In the case of the optical isolator according to the invention, the Faraday rotator is thus designed such that the multiple passage of the laser beam through the at least one Faraday element is effected by means of the reflector spaced from the front or from the Faraday element, thus providing the necessary optical path length can be, even if the at least one Faraday element is thin. The number of passes may be two, three, four, etc. Particularly preferred are six to ten passes, but also more passes are possible. A thin Faraday element is relatively inexpensive, so that the optical isolator according to the invention can be produced inexpensively and is simultaneously suitable for high average powers. High mean powers are here understood to mean powers in the range of greater than 1 W, in particular greater than 100 W and particularly preferably greater than 1 kW.

Der Magnet ist insbesondere so ausgebildet, daß ein möglichst homogenes Magnetfeld im Bereich des Faraday-Elementes vorliegt.The magnet is in particular designed such that a magnetic field which is as homogeneous as possible is present in the region of the Faraday element.

Bei dem optischen Isolator kann der Faraday-Rotator so ausgebildet sein, daß die einzelnen Durchgänge des Laserstrahls durch das zumindest eine Faraday-Element innerhalb der Rayleigh-Länge des Laserstrahles liegen. Dies kann z. B. durch geometrisch kurze Wege und/oder durch optische Abbildung erreicht werden. Dadurch kann sichergestellt werden, daß die gewünschte Isolationswirkung des optischen Isolators erreicht wird.In the optical isolator, the Faraday rotator may be formed such that the individual passages of the laser beam through the at least one Faraday element are within the Rayleigh length of the laser beam. This can be z. B. be achieved by geometrically short distances and / or by optical imaging. This can ensure that the desired isolation effect of the optical isolator is achieved.

Insbesondere ist zwischen den beiden Polarisationsfiltern kein weiterer Polarisationsfilter vorgesehen. Es können jedoch phasenändernde Elemente, wie z. B. λ/2-Platten und λ/4-Platten oder entsprechende Beschichtungen vorgesehen sein.In particular, no further polarization filter is present between the two polarization filters intended. However, phase-changing elements, such as. B. λ / 2 plates and λ / 4 plates or corresponding coatings may be provided.

Der Faraday-Rotator kann bei dem optischen Isolator insbesondere so ausgebildet sein, daß mittels des Reflektors das Faraday-Element auf sich selbst abgebildet wird. Damit wird in einfacher Art und Weise der Strahlengang im Faraday-Rotator so gefaltet, daß am Ort des Faraday-Elementes immer die gleichen Strahlparameter auftreten. Dies ist beispielsweise für die Kühlung von Vorteil, da dann das Faraday-Element so gekühlt werden kann, daß es z. B. eine möglichst homogene Temperaturverteilung aufweist. Insbesondere bei Strahlung mit kürzerer Rayleighlänge und hoher Divergenz ist eine abbildende Anordnung sehr vorteilhaft.The Faraday rotator may be formed in the optical isolator in particular so that the Faraday element is imaged on itself by means of the reflector. Thus, in a simple manner, the beam path in the Faraday rotator is folded so that the same beam parameters always occur at the location of the Faraday element. This is for example advantageous for the cooling, since then the Faraday element can be cooled so that it z. B. has a very homogeneous temperature distribution. In particular with radiation having a shorter Rayleigh length and high divergence, an imaging arrangement is very advantageous.

Bei dem erfindungsgemäßen optischen Isolator kann der Reflektor als Parabolspiegel oder Zylinderspiegel ausgebildet sein. Natürlich sind auch andere Spiegelformen möglich.In the case of the optical isolator according to the invention, the reflector can be designed as a parabolic mirror or cylindrical mirror. Of course, other mirror shapes are possible.

Ferner kann der Reflektor bei dem erfindungsgemäßen optischen Isolator als zweites scheibenförmiges Faraday-Element mit einer Vorderseite und einer reflektiven Rückseite ausgebildet sein, wobei der Faraday-Rotator so ausgebildet ist, daß der Laserstrahl zumindest einmal durch das zweite Faraday-Element läuft und an seiner Rückseite reflektiert wird.Furthermore, in the case of the optical isolator according to the invention, the reflector may be formed as a second disc-shaped Faraday element with a front side and a reflective rear side, the Faraday rotator being designed such that the laser beam passes at least once through the second Faraday element and at its rear side is reflected.

So können z. B. die Vorderseiten der beiden Faraday-Elemente zueinander parallel ausgerichtet sein. Dadurch ist z. B. ein Strahlengang möglich, bei dem der Laserstrahl zwischen den beiden Faraday-Elementen hin und her reflektiert wird. Insbesondere ist ein tick-zack-förmiger Strahlengang möglich.So z. B. the front sides of the two Faraday elements are aligned parallel to each other. This is z. As a beam path possible, in which the laser beam between the two Faraday elements is reflected back and forth. In particular, a tick-shaped beam path is possible.

Ferner kann zwischen den beiden Faraday-Elementen ein zweiter Reflektor angeordnet sein, der den von dem ersten Faraday-Element kommenden Laserstrahl zum zweiten Faraday-Element hin umlenkt.Furthermore, a second reflector can be arranged between the two Faraday elements, which deflects the laser beam coming from the first Faraday element to the second Faraday element.

Insbesondere kann der zweite Reflektor als abbildender Reflektor ausgebildet sein. So kann er beispielsweise ein Parabol- oder Zylinderspiegel sein.In particular, the second reflector may be formed as an imaging reflector. For example, it can be a parabolic or cylindrical mirror.

Ferner kann der zweite Reflektor alleine oder als Teil einer Spiegeloptik so ausgebildet sein, daß das erste Faraday-Element auf das zweite Faraday-Element abgebildet wird.Further, the second reflector may be formed alone or as part of a mirror optics so that the first Faraday element is imaged onto the second Faraday element.

Ferner kann das zumindest eine Faraday-Element aus mehreren scheibenförmigen Faraday-Subelementen aufgebaut sein. Auch dadurch ist es möglich, kostensparend das gewünschte scheibenförmige Faraday-Element zur Verfügung zu stellen.Furthermore, the at least one Faraday element can be constructed from a plurality of disc-shaped Faraday subelements. This also makes it possible to provide cost-saving the desired disc-shaped Faraday element available.

Der Reflektor des Faraday-Rotators kann auch als Facettenspiegel ausgebildet sein.The reflector of the Faraday rotator can also be designed as a facet mirror.

Bei dem optischen Isolator kann zwischen dem Eingangs- und Ausgangspolarisationsfilter und insbesondere innerhalb des Faraday-Rotators zumindest eine λ/2-Platte und/oder zumindest eine λ/4-Platte, durch die der einfallende Laserstrahl zumindest einmal hindurchläuft, vorgesehen sein. Damit ist ein Polarisationsmanagement möglich, das notwendig werden kann, wenn aufgrund der Reflexion am Reflektor und/oder aufgrund im Faraday-Rotator vorliegender Beschichtungen unerwünschte Änderungen des Polarisationszustandes auftreten.In the case of the optical isolator, at least one λ / 2 plate and / or at least one λ / 4 plate, through which the incident laser beam passes at least once, may be provided between the input and output polarization filters and in particular within the Faraday rotator. Thus, a polarization management is possible, which may become necessary if unwanted changes in the state of polarization occur due to the reflection at the reflector and / or due to coatings present in the Faraday rotator.

Ferner kann bei dem optischen Isolator der Eingangspolarisationsfilter den einfallenden Laserstrahl in zumindest zwei Laserstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationszuständen aufteilen, die durch den Faraday-Rotator laufen. Bei den zwei Polarisationszuständen kann es sich insbesondere um zueinander orthogonale Polarisationszustände handeln. Damit kann der optische Isolator auch für einen unpolarisierten Laserstrahl eingesetzt werden.Further, in the optical isolator, the input polarizing filter can split the incident laser beam into at least two laser beams having different polarization states passing through the Faraday rotator. In particular, the two polarization states can be mutually orthogonal polarization states. Thus, the optical isolator can also be used for an unpolarized laser beam.

Die Aufteilung in die zumindest zwei Laserstrahlen wird mittels des Eingangspolarisationsfilters bevorzugt so durchgeführt, daß die aufgeteilten Laserstrahlen zueinander parallel verlaufen. Es ist jedoch auch möglich, daß sie nicht zueinander parallel verlaufen, sondern daß eine Winkelaufspaltung vorliegt.The division into the at least two laser beams is preferably carried out by means of the input polarization filter so that the divided laser beams are parallel to one another. However, it is also possible that they do not run parallel to each other, but that there is an angular split.

Der Ausgangspolarisationsfilter kann so ausgebildet sein, daß er die aufgeteilten Laserstrahlen nach Durchlaufen des Faraday-Rotators wieder zu einem gemeinsamen Laserstrahl überlagert. Ferner kann der Ausgangspolarisationsfilter auch so ausgebildet sein, daß eine solche Überlagerung nicht stattfindet. In diesem Fall treten die aufgeteilten Laserstrahlen nach Durchlaufen des Faraday-Rotators als zueinander parallel oder nicht parallel verlaufende Laserstrahlen aus dem optischen Isolator aus.The output polarization filter may be configured to superimpose the split laser beams back into a common laser beam after passing through the Faraday rotator. Furthermore, the output polarization filter can also be designed so that such an overlay does not take place. In this case, the divided laser beams exit the optical isolator after passing through the Faraday rotator as parallel or non-parallel laser beams.

Ferner wird ein Laser mit einer Laserquelle, die einen Laserstrahl abgibt, und einem erfindungsgemäßen optischen Isolator (einschließlich seiner Weiterbildungen) bereitgestellt, wobei der Laserstrahl der Laserquelle auf den optischen Isolator einfällt.Further, a laser is provided with a laser source emitting a laser beam and an optical isolator according to the invention (including its further developments), wherein the laser beam of the laser source is incident on the optical isolator.

Der Laser kann insbesondere als Diodenlaser oder Faserlaser ausgebildet sein. Die mittlere Leistung des Lasers ist bevorzugt größer als 100 W und insbesondere bevorzugt größer als 1 kW.The laser can be designed in particular as a diode laser or fiber laser. The average power of the laser is preferably greater than 100 W and particularly preferably greater than 1 kW.

Natürlich kann der erfindungsgemäße Laser noch weitere, dem Fachmann bekannte, für den Betrieb notwendige Elemente aufweisen.Of course, the laser according to the invention may have further, known in the art, necessary for operation elements.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the specified combinations but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail for example with reference to the accompanying drawings, which also disclose characteristics essential to the invention. Show it:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Isolators; 1 a schematic representation of a first embodiment of the optical isolator according to the invention;

2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Isolators; 2 a schematic representation of a second embodiment of the optical isolator according to the invention;

3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Isolators; 3 a schematic representation of a third embodiment of the optical isolator according to the invention;

4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Isolators; 4 a schematic representation of a fourth embodiment of the optical isolator according to the invention;

5 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Isolators; 5 a schematic representation of a fifth embodiment of the optical isolator according to the invention;

6 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Isolators; 6 a schematic representation of a sixth embodiment of the optical isolator according to the invention;

7 eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Isolators; 7 a schematic representation of a seventh embodiment of the optical isolator according to the invention;

8 eine perspektivische Ansicht der Magnetanordnung 7 von 1; 8th a perspective view of the magnet assembly 7 from 1 ;

9 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Magnetanordnung 7 von 1; 9 a perspective view of another embodiment of the magnet assembly 7 from 1 ;

10A eine Weiterbildung der Magnetanordnung von 8; 10A a development of the magnet arrangement of 8th ;

10B eine Schnittansicht der Magnetanordnung 7 von 10A; 10B a sectional view of the magnet assembly 7 from 10A ;

11 eine Weiterbildung einer Magnetanordnung 7 von 9; 11 a development of a magnet arrangement 7 from 9 ;

12 eine Schnittansicht zur Erläuterung einer Abwandlung der Magnetanordnung 7 von 1; 12 a sectional view for explaining a modification of the magnet assembly 7 from 1 ;

13 eine Schnittansicht zur Erläuterung einer Abwandlung der Magnetanordnung 7 von 10B; 13 a sectional view for explaining a modification of the magnet assembly 7 from 10B ;

14A–14D Ansichten zur Erläuterung der Temperaturverteilung im Faraday-Element 5; 14A - 14D Views explaining the temperature distribution in the Faraday element 5 ;

15A–15D Ansichten zur Erläuterung der Temperaturverteilung im Faraday-Element 5 bei einem gaußförmigen Profil des Laserstrahls 15; 15A - 15D Views explaining the temperature distribution in the Faraday element 5 in a Gaussian profile of the laser beam 15 ;

16A–16D eine Abwandlung der Wärmesenke 6 im Vergleich zur Darstellung von 15A–15D; 16A - 16D a modification of the heat sink 6 in comparison to the representation of 15A - 15D ;

17–19 Darstellungen des optischen Isolators von 1 zur Erläuterung des durchzuführenden Polarisationsmanagements, und 17 - 19 Illustrations of the optical isolator of 1 to explain the polarization management to be performed, and

20 eine Darstellung der Verwendung des erfindungsgemäßen optischen Isolators für unpolarisierte Laserstrahlung. 20 a representation of the use of the optical isolator according to the invention for unpolarized laser radiation.

Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt der erfindungsgemäße optische Isolator 1 einen Eingangspolarisationsfilter 2, einen Ausgangspolarisationsfilter 3 sowie einen zwischen beiden Filtern 2, 3 angeordneten Faraday-Rotator 4.At the in 1 embodiment shown, the inventive optical isolator 1 an input polarization filter 2 , an output polarization filter 3 and one between both filters 2 . 3 arranged Faraday rotator 4 ,

Der Faraday-Rotator 4 umfaßt ein scheibenförmiges Faraday-Element 5, das aus einem Faraday-aktiven Material (wie z. B. Terbium-Gallium-Granat) hergestellt ist, eine Wärmesenke 6, auf der das Faraday-Element 5 liegt, sowie eine Magnetanordnung 7 mit einem hohlzylinderförmigen ersten Magneten 8 und einem darin eingesetzten zweiten Magneten 9, der zylinderförmig ausgebildet ist. Die in den Magneten eingezeichneten Pfeile zeigen in Richtung vom Nord- zum Südpol.The Faraday rotator 4 comprises a disc-shaped Faraday element 5 made of a Faraday active material (such as terbium gallium garnet), a heat sink 6 on which the Faraday element 5 is located, as well as a magnet arrangement 7 with a hollow cylindrical first magnet 8th and a second magnet inserted therein 9 which is cylindrically shaped. The arrows in the magnet point in the direction from the north to the south pole.

Ferner umfaßt der Faraday-Rotator 4 einen Parabolspiegel 10, der das Faraday-Element 5 auf sich selbst abbildet, sowie drei Umlenkelemente 11, 12 und 13.Further, the Faraday rotator includes 4 a parabolic mirror 10 that is the Faraday element 5 on itself, as well as three deflecting elements 11 . 12 and 13 ,

Das Faraday-Element 5 ist so ausgebildet, daß seine auf der Wärmesenke 6 liegende Rückseite 14 verspiegelt ist, so daß der zugeführte Laserstrahl 15 durch die Vorderseite 16 (die bevorzugt eine Antireflexionsbeschichtung aufweist) des Faraday-Elementes 5 in das Faraday-Element 5 eintritt und an der Rückseite 14 reflektiert wird. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform wird mittels der Umlenkelemente 11 und 12 und des Parabolspiegels 10 erreicht, daß der Laserstrahl 15 mehrmals durch das Faraday-Element 5 hindurchläuft, wobei in 1 zwei Durchgänge eingezeichnet sind. Natürlich kann der optische Isolator auch so ausgebildet sein, daß der Laserstrahl 15 mehr als zweimal durch das Faraday-Element 5 hindurchläuft. So können z. B. 6–10 Durchgänge bewirkt werden. Dies gilt auch für alle noch nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen.The Faraday element 5 is designed so that its on the heat sink 6 lying back 14 is mirrored, so that the supplied laser beam 15 through the front 16 (which preferably has an antireflection coating) of the Faraday element 5 into the Faraday element 5 enters and at the back 14 is reflected. At the in 1 embodiment shown is by means of the deflecting elements 11 and 12 and the parabolic mirror 10 achieved that the laser beam 15 several times through the Faraday element 5 passes through, with in 1 two passes are drawn. Of course, the optical isolator can also be designed so that the laser beam 15 more than twice through the Faraday element 5 passes. So z. B. 6-10 passes be effected. This also applies to all embodiments described below.

Die Magnetanordnung 7 ist so gewählt, daß das Magnetfeld im Bereich des Faraday-Elementes 5 bevorzugt parallel zur Richtung des Pfeils P1 verläuft, so daß aufgrund des Faraday-Effektes die gewünschte Drehung der Polarisationsrichtung durchgeführt wird. Dadurch kann dann der Laserstrahl 15 durch den Ausgangspolarisationsfilter 3 hindurch verlaufen.The magnet arrangement 7 is chosen so that the magnetic field in the area of the Faraday element 5 Preferably, parallel to the direction of the arrow P1, so that due to the Faraday effect, the desired rotation of the polarization direction is performed. As a result, then the laser beam 15 through the output polarization filter 3 pass through.

So können beispielsweise beide Polarisationsfilter 2 und 3 für linear polarisiertes Licht transmissiv sein, wobei sie so angeordnet sind, daß die Polarisationsrichtungen der Filter 2, 3 um 45° zueinander verdreht sind. Der Faraday-Rotator 4 ist daher so ausgelegt, daß die Polarisationsrichtung des einfallenden Laserstrahls 15 nach Durchlaufen des Rotators um 45° gedreht ist. Nachdem der Drehsinn des Faraday-Effektes richtungsunabhängig ist, wird ein Laserstrahl, der entgegengesetzt durch den Faraday-Rotator 4 verläuft, in bekannter Weise nicht durch den Eingangspolarisationsfilter 2 aus dem Isolator 1 austreten. Somit wird die gewünschte optische Funktion verwirklicht, daß Laserstrahlung nur in einer Richtung durch den Isolator 1 laufen kann.For example, both polarization filters 2 and 3 be transmissive to linearly polarized light, wherein they are arranged so that the polarization directions of the filter 2 . 3 are rotated by 45 ° to each other. The Faraday rotator 4 is therefore designed so that the polarization direction of the incident laser beam 15 is rotated by 45 ° after passing through the rotator. After the direction of rotation of the Faraday effect is non-directional, a laser beam, which is opposite by the Faraday rotator 4 does not pass through the input polarization filter in a known manner 2 from the insulator 1 escape. Thus, the desired optical function is realized that laser radiation only in one direction through the insulator 1 can run.

Der erfindungsgemäße optische Isolator 1 wird bevorzugt zusammen mit einer Laserquelle (nicht gezeigt) verwendet und dient dazu, unerwünschte Reflexionen des Laserstrahls zurück in die Laserquelle zu verhindern, da solche Rückreflexionen zu Schwankungen der Ausgangsleistung des Lasers bis hin zur Zerstörung des Lasers führen können. Insbesondere Diodenlaser und Faserlaser sind aufgrund ihrer häufig sehr hohen Verstärkungsfaktoren in Kombination mit den sehr kleinen Strahlquerschnitten im Vergleich zu anderen Laserkonzepten sehr empfindlich gegen solche unerwünschten Rückreflexionen.The optical isolator according to the invention 1 is preferably used in conjunction with a laser source (not shown) and serves to prevent unwanted reflections of the laser beam back into the laser source, since such back-reflections can lead to fluctuations in the output power of the laser up to the destruction of the laser. In particular, diode lasers and fiber lasers are very sensitive to such unwanted back reflections due to their often very high gain factors in combination with the very small beam cross-sections compared to other laser concepts.

Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform beträgt die Dicke des Faraday-Elementes 5 (also der Abstand zwischen Vorder- und Rückseite 16, 14) ca. 1 mm. Es werden daher sechs bis acht Durchgänge des Laserstrahls 15 durch das Faraday-Element 5 benötigt, wobei zur Vereinfachung der Darstellung lediglich zwei Durchgänge eingezeichnet sind. Das Faraday-Element 5 ist scheibenförmig mit kreisförmiger Außenkontur ausgebildet und weist bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 5 bis 6 mm auf.At the in 1 The embodiment shown is the thickness of the Faraday element 5 (ie the distance between front and back 16 . 14 ) about 1 mm. There are therefore six to eight passes of the laser beam 15 through the Faraday element 5 needed, with only two passes are shown for simplicity of illustration. The Faraday element 5 is disc-shaped with a circular outer contour and preferably has a diameter in the range of 5 to 6 mm.

Aufgrund der scheibenartigen Ausbildung des Faraday-Elementes 5 kann eine ausgezeichnete Wärmeabfuhr über die Wärmesenke 6 erreicht werden. Der optische Isolator 1 ist insbesondere so ausgebildet, daß die einzelnen Durchgänge des Laserstrahls 15 durch das Faraday Element 5 optisch nah stattfinden. Hierunter wird verstanden, daß sie innerhalb der Rayleigh-Länge des Laserstrahles 15 liegen (die Rayleigh-Länge ist die Distanz von der Strahltaille des Laserstrahls entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls bis zu dem Punkt, an dem die Querschnittsfläche des Laserstrahls doppelt so groß ist im Vergleich zur Querschnittsfläche an der Strahltaille). Der in 1 gezeigte optischer Isolator ist für hohe mittlere Leistungen geeignet, insbesondere für mittlere Leistungen, die größer als 100 W sind.Due to the disc-like design of the Faraday element 5 can provide excellent heat dissipation through the heat sink 6 be achieved. The optical isolator 1 is in particular designed so that the individual passages of the laser beam 15 through the Faraday element 5 take place optically close. This is understood to be within the Rayleigh length of the laser beam 15 (the Rayleigh length is the distance from the beam waist of the laser beam along the propagation direction of the laser beam to the point where the cross-sectional area of the laser beam is twice as large compared to the cross-sectional area at the beam waist). The in 1 shown optical isolator is suitable for high average power, especially for average power, which are greater than 100 W.

In 2 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Isolators 1 gezeigt, bei der wiederum das Faraday-Element 5 in sich selbst mittels des Parabolspiegels 10 abgebildet wird. Gleiche oder ähnliche Elemente im Vergleich zu der Ausführungsform von 1 sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Lediglich der Ausgangspolarisationsfilter ist in 2 nicht dargestellt, da die Auskopplung aus der Zeichenebene heraus erfolgt, so daß der Strahlengang nach Umlenkung am dritten Umlenkelement 13 nicht mehr dargestellt ist.In 2 is another embodiment of the optical isolator according to the invention 1 shown, in turn, the Faraday element 5 in itself by means of the parabolic mirror 10 is shown. Same or similar elements compared to the embodiment of FIG 1 are designated by the same reference numerals. Only the output polarization filter is in 2 not shown, since the coupling out of the plane of the drawing, so that the beam path after deflection at the third deflecting element 13 is no longer shown.

Der Spiegel 10 kann auch als Zylinderspiegel ausgebildet sein, wodurch in vorteilhafter Weise im Vergleich zu der Ausführungsform mit dem Parabolspiegel die Leistungsdichten des Laserstrahles 15 auf den Umlenkelementen 11, 12 verringert sind.The mirror 10 can also be designed as a cylindrical mirror, which advantageously compared to the embodiment with the parabolic mirror, the power densities of the laser beam 15 on the deflection elements 11 . 12 are reduced.

Anstatt den in 2 gezeigten Umlenkspiegeln 11, 12 kann auch ein Umlenkprisma verwendet werden.Instead of the in 2 shown deflecting mirrors 11 . 12 It is also possible to use a deflecting prism.

Bei den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen läuft der Laserstrahl 15 jeweils zweimal durch das Faraday-Element 5. Natürlich können die Faraday-Rotatoren 4 auch so ausgebildet werden, daß der Laserstrahl 15 mehr als zweimal durch das Faraday-Element 5 läuft.At the in 1 and 2 the embodiments shown, the laser beam runs 15 twice through the Faraday element 5 , Of course, the Faraday rotators 4 be formed so that the laser beam 15 more than twice through the Faraday element 5 running.

In 3 ist wiederum eine abbildende Ausbildung zur Strahlengangfaltung beim Faraday-Rotator 4 vorgesehen, wobei diese Ausführungsform zwei Faraday-Elemente 5 und 5' aufweist, die jeweils auf einer eigenen Wärmesenke 6 und 6' sowie einer entsprechenden eigenen Magnetanordnung 7 und 7' angeordnet sind. Der Aufbau der Wärmesenke 6' und der Magnetanordnung 7' kann gleich sein wie bei der Wärmesenke 6 und der Magnetanordnung 7. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in 3 sowie in den nachfolgenden Darstellungen die Filter 2, 3 nicht eingezeichnet.In 3 is again an imaging training for optical path folding in the Faraday rotator 4 provided, this embodiment, two Faraday elements 5 and 5 ' each having their own heat sink 6 and 6 ' and a corresponding own magnet arrangement 7 and 7 ' are arranged. The structure of the heat sink 6 ' and the magnet assembly 7 ' can be the same as with the heat sink 6 and the magnet assembly 7 , To simplify the illustration are in 3 as well as in the following representations the filters 2 . 3 not shown.

Es finden an jedem Faraday-Element 5, 5' des Rotators 4 von 3 zwei Durchgänge statt, so daß der eingekoppelte Laserstrahl 15 insgesamt viermal durch die beiden Faraday-Elemente 5 und 5' läuft. Die beiden Spiegel 10 und 10' bilden die beiden Faraday-Elemente 5 und 5' aufeinander ab. Dazu kann mit den Spiegeln 10 und 10' eine 4f-Abbildung realisiert sein, wobei die Spiegel 10, 10' leicht verkippt sind, um die beschriebenen Mehrfachdurchgänge durch die Faraday-Elemente 5, 5' zu erzeugen. Natürlich kann eines der beiden Faraday-Elemente 5, 5' durch einen Umlenkspiegel (nicht gezeigt) ersetzt werden. In diesem Fall kann die dem entfallenen Faraday-Element 5, 5' zugeordnete Magnetanordnung 7 bzw. 7' weggelassen werden.It can be found on every Faraday element 5 . 5 ' of the rotator 4 from 3 two passes instead, so that the coupled laser beam 15 a total of four times through the two Faraday elements 5 and 5 ' running. The two mirrors 10 and 10 ' form the two Faraday elements 5 and 5 ' on each other. This can be done with the mirrors 10 and 10 ' a 4f image be realized, the mirrors 10 . 10 ' light are tilted to the described multiple passes through the Faraday elements 5 . 5 ' to create. Of course, one of the two Faraday elements 5 . 5 ' be replaced by a deflection mirror (not shown). In this case, the failed Faraday element 5 . 5 ' associated magnet arrangement 7 respectively. 7 ' be omitted.

Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen wurden jeweils Spiegel 10, 10' für die Abbildung eingesetzt. Es ist jedoch auch eine Abbildung mittels Linsen oder mittels einer Kombination von zumindest einem abbildenden Spiegel mit zumindest einer Linse möglich.In the previous embodiments, each mirror 10 . 10 ' used for the picture. However, it is also possible to image by means of lenses or by means of a combination of at least one imaging mirror with at least one lens.

In 4 ist eine Ausführungsform des Faraday-Rotators 4 gezeigt, bei der keine Abbildung durchgeführt wird. Es sind zwei Faraday-Elemente 5 und 5' zueinander parallel ausgerichtet und voneinander beabstandet, wobei ihre Vorderseiten 16, 16' einander zugewandt sind. Aufgrund des ersten Umlenkelementes 11 wird der Laserstrahl 15 zwischen beiden Faraday-Elementen 5 und 5' zick-zack-förmig hin und her reflektiert, wobei in dem dargestellten Beispiel insgesamt sechs Durchgänge durch die beiden Faraday-Elemente 5 und 5' stattfinden. Die Magnetanordnung 7 und 7' sowie die Wärmesenke 6 und 6' sind in gleicher Weise wie bei den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgebildet. Das zweite Umlenkelement 12 ist so angeordnet, daß der ausfallende Laserstrahl parallel zum einfallenden Laserstrahl 15 verläuft.In 4 is an embodiment of the Faraday rotator 4 shown where no mapping is performed. They are two Faraday elements 5 and 5 ' aligned parallel to each other and spaced apart, with their front sides 16 . 16 ' facing each other. Due to the first deflecting element 11 becomes the laser beam 15 between both Faraday elements 5 and 5 ' In the illustrated example, a total of six passes through the two Faraday elements are reflected back and forth in a zig-zag shape 5 and 5 ' occur. The magnet arrangement 7 and 7 ' as well as the heat sink 6 and 6 ' are formed in the same manner as in the already described embodiments. The second deflecting element 12 is arranged so that the emergent laser beam parallel to the incident laser beam 15 runs.

In 5 ist eine Abwandlung des Faraday-Rotators 4 von 4 gezeigt. Bei dieser Abwandlung weisen die Magnetanordnungen 7 und 7' jeweils einen zusätzlichen Magneten 17 und 17' auf, um eine höhere Magnetflußdichte im Bereich der Faraday-Elemente 5, 5' zu erreichen.In 5 is a modification of the Faraday rotator 4 from 4 shown. In this modification, the magnet arrangements 7 and 7 ' one additional magnet each 17 and 17 ' to a higher magnetic flux density in the range of Faraday elements 5 . 5 ' to reach.

Bei der in 6 gezeigten Abwandlung des Faraday-Rotators 4 von 5 sind die Faraday-Elemente 5 und 5' wiederum parallel zueinander ausgerichtet. Jedoch sind sie nicht mehr parallel zum einfallenden Laserstrahl, sondern gegenüber diesem etwas geneigt, so daß auf die Umlenkelemente 11 und 12 verzichtet werden kann. Auch hier findet wiederum ein zick-zack-förmiger Strahlenverlauf statt, wobei insgesamt sechs Durchläufe durch die beiden Faraday-Elemente 5 und 5' erfolgen.At the in 6 shown modification of the Faraday rotator 4 from 5 are the Faraday elements 5 and 5 ' again aligned parallel to each other. However, they are no longer parallel to the incident laser beam, but slightly inclined relative to this, so that the deflection 11 and 12 can be waived. Again, there is a zig-zag beam course, with a total of six passes through the two Faraday elements 5 and 5 ' respectively.

Die Faraday-Elemente 5 und 5' müssen nicht einstückig sein. Es ist auch möglich, daß für jeden optischen Durchgang ein separates Faraday-Subelement vorgesehen ist, so daß mehrere Faraday-Subelemente dann jeweils das entsprechende Faraday-Element 5 bzw. 5' in 4, 5 oder 6 bilden.The Faraday elements 5 and 5 ' do not have to be one-piece. It is also possible that a separate Faraday subelement is provided for each optical path, so that a plurality of Faraday subelements then each have the corresponding Faraday element 5 respectively. 5 ' in 4 . 5 or 6 form.

In 7 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Faraday-Rotators 4 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform sind sechs Umlenkelemente 18 und 19 so angeordnet, daß der einfallende Laserstrahl 15 zweimal durch das Faraday-Element 5 hindurchläuft. Die Umlenkelemente 18, 19 sind als Planspiegel ausgebildet, wobei die Planspiegel 18 als Facettenspiegel bezeichnet werden können.In 7 is another embodiment of the Faraday rotator according to the invention 4 shown. In this embodiment, six deflecting elements 18 and 19 arranged so that the incident laser beam 15 twice through the Faraday element 5 passes. The deflecting elements 18 . 19 are designed as a plane mirror, wherein the plane mirror 18 can be referred to as a facet mirror.

Die Magnetanordnung 7 im Faraday-Rotator 4 von 1 weist, wie bereits beschrieben wurde, einen hohlzylinderförmigen ersten Magneten 8 sowie einen darin eingesetzten zweiten Magneten 9 auf, der zylinderförmig ausgebildet ist, wie in der schematischen perspektivischen Darstellung von 8 ersichtlich ist. Durch diese runde Ausbildung der Magnete 8, 9 kann quasi ein ideal rotationssymmetrisches Magnetfeld erzeugt werden. Die Magneten 8 und 9 können als starke Permanentmagnete ausgebildet sein, so daß eine hohe magnetische Flußdichte im Bereich des Faraday-Elementes 5 vorliegt, wobei diese Flußdichte äußerst konstant ist über das gesamte Faraday-Element 5.The magnet arrangement 7 in the Faraday rotator 4 from 1 has, as already described, a hollow cylindrical first magnet 8th and a second magnet inserted therein 9 on, which is cylindrical, as in the schematic perspective view of 8th is apparent. Through this round formation of the magnets 8th . 9 In effect, an ideal rotationally symmetric magnetic field can be generated. The magnets 8th and 9 can be designed as strong permanent magnets, so that a high magnetic flux density in the region of the Faraday element 5 is present, this flux density is extremely constant over the entire Faraday element 5 ,

In 9 sind quaderförmige Magnete vorgesehen, um den gewünschten Magnetfluß für das Faraday-Element 5 zu erzielen.In 9 are cuboidal magnets provided to the desired magnetic flux for the Faraday element 5 to achieve.

In 10A ist eine Weiterbildung der Magnetanordnung 7 von 8 gezeigt, bei der noch ein zusätzlicher Magnet 26 vorgesehen ist, um das Magnetfeld im Bereich des Faraday-Elementes 5 zu erhöhen, wie insbesondere der entsprechenden Schnittansicht in 10B zu entnehmen ist. Auch diese Magnetanordnung 7 läßt sich mittels quaderförmiger Magnete realisieren, wie in der schematischen Darstellung gemäß 11 ersichtlich ist.In 10A is a development of the magnet arrangement 7 from 8th shown with the additional magnet 26 is provided to the magnetic field in the area of the Faraday element 5 to increase, in particular the corresponding sectional view in 10B can be seen. Also this magnet arrangement 7 can be realized by cuboid magnets, as shown in the schematic representation 11 is apparent.

In 12 ist eine Abwandlung der Magnetanordnung 7 gemäß 1 dargestellt, bei der anstatt des zweiten Magneten 9 ein zylinderförmiges ferromagnetisches Element 27 angeordnet ist.In 12 is a modification of the magnet arrangement 7 according to 1 shown in place of the second magnet 9 a cylindrical ferromagnetic element 27 is arranged.

In 13 ist die entsprechende Abwandlung der Magnetanordnung 7 von 10A und 10B gezeigt. Auch hier ist der zweite Magnet 9 durch das ferromagnetische Element 27 ersetzt.In 13 is the corresponding modification of the magnet arrangement 7 from 10A and 10B shown. Again, the second magnet 9 through the ferromagnetic element 27 replaced.

Natürlich können die beschriebenen Permanentmagneten durch Elektromagneten ersetzt werden. Auch eine Kombination von Permanentmagneten mit Elektromagneten ist möglich.Of course, the described permanent magnets can be replaced by electromagnets. A combination of permanent magnets with electromagnets is possible.

Durch die scheibenartige Ausbildung des Faraday-Elementes 5 kann eine ausgezeichnete Kühlung über die Wärmesenke 6 erreicht werden. Dies ist wichtig, da je höher die Temperaturdifferenz zwischen der Strahlmitte und dem Strahlrand des Laserstrahles 15 ist, desto größer ist die optische Weglängendifferenz zwischen Rand und Mitte und damit die thermisch induzierte Linse, die unerwünscht ist. Bei dem scheibenförmig ausgebildeten Faraday-Element 5 nimmt die Temperaturdifferenz mit zunehmendem Strahldurchmesser ab, da die Strecke, über die die Wärme im Idealfall des eindimensionalen Wärmeflusses in Richtung von der Vorderseite 16 des Faraday-Elementes 5 zu seiner Rückseite 14 abgeführt wird, sich nicht ändert (die Strecke entspricht somit dem Abstand zwischen Vorder- und Rückseite 16, 14), wohingegen die pro Volumen eingebrachte Wärmemenge sich reduziert. Selbst bei einem nicht idealen und somit nicht vollständigen eindimensionalen Wärmefluß ändert sich die Strecke, über die die Wärme abgeführt wird, nur wenig (es kommen noch Anteile quer zur Richtung von Vorderseite 16 hin zur Rückseite 14 hinzu), so daß auch dann die Temperaturdifferenz mit zunehmendem Strahldurchmesser abnimmt, wenn auch etwas weniger als Idealfall des eindimensionalen Wärmeflusses.Due to the disc-like formation of the Faraday element 5 can provide excellent cooling over the heat sink 6 be achieved. This is important because the higher the temperature difference between the beam center and the beam edge of the laser beam 15 is, the greater the optical path length difference between the edge and center and thus the thermally induced lens, which is undesirable. In the disk-shaped Faraday element 5 The temperature difference decreases as the beam diameter increases, because the distance over which the heat ideally radiates the one-dimensional heat flow in the direction from the front 16 of the Faraday element 5 to his back 14 is dissipated, does not change (the distance thus corresponds to the distance between front and back 16 . 14 ), whereas the amount of heat introduced per volume is reduced. Even with a non-ideal, and therefore not complete one-dimensional heat flow, the distance over which the heat is dissipated, changes only slightly (there are still proportions transverse to the direction of the front 16 towards the back 14 added), so that even then the temperature difference decreases with increasing beam diameter, although a little less than ideal case of the one-dimensional heat flow.

Um nun die eingebrachte Wärmemenge pro Volumen zu verringern, kann der Strahldurchmesser skaliert werden und/oder kann die Leistung auf mehrere Faraday-Elemente 5 verteilt werden, wodurch eine Verringerung der Anzahl der Durchgänge pro Faraday-Element 5 erreicht wird. Natürlich steigt der Preis und der Aufwand für größere Faraday-Elemente 5 und für die entsprechenden zu erzeugenden Magnetfelder.In order now to reduce the amount of heat introduced per volume, the beam diameter can be scaled and / or the power applied to several Faraday elements 5 be distributed, thereby reducing the number of passes per Faraday element 5 is reached. Of course, the price and the effort for larger Faraday elements increases 5 and for the corresponding magnetic fields to be generated.

Ferner ist es möglich, die Wärmesenke 6 an das Strahlprofil des Laserstrahls 5 so anzupassen, daß eine möglichst homogene radiale Temperaturverteilung (also quer zur optischen Achse bzw. quer zur Richtung von Vorderseite 16 hin zur Rückseite) innerhalb des Faraday-Elementes 5 entsteht.Furthermore, it is possible to use the heat sink 6 to the beam profile of the laser beam 5 adapt so that the most homogeneous radial temperature distribution (ie transverse to the optical axis or transverse to the direction of the front 16 towards the back) within the Faraday element 5 arises.

In 14A ist schematisch das Faraday-Element 5 sowie die Wärmesenke 6 gezeigt. Es wird angenommen, daß der durch das Faraday-Element 5 laufenden Laserstrahl 15 eine rechteckförmige Intensitätsverteilung (Top-Hat-Verteilung) aufweist, wie in 14B schematisch dargestellt ist. Bei einem Wärmewiderstand R gemäß 14C ergibt sich der in 14D gezeigte Temperaturverlauf T innerhalb des Faraday-Elementes 5.In 14A is schematically the Faraday element 5 as well as the heat sink 6 shown. It is believed that by the Faraday element 5 running laser beam 15 has a rectangular intensity distribution (top-hat distribution), as in 14B is shown schematically. With a thermal resistance R according to 14C results in the 14D shown temperature profile T within the Faraday element 5 ,

Wenn nun der Intensitätsverlauf des Laserstrahles gaußförmig ist, wie in 15B dargestellt ist, ergibt sich bei dem Wärmewiderstand R gemäß 15C der in 15D gezeigte Temperaturverlauf T. Für diesen Fall kann die Wärmesenke, wie in 16A gezeigt ist, angepaßt werden (mit einem mittleren Abschnitt 62 und einem diesen umgebenden Abschnitt 61, dessen Wärmeleitfähigkeit kleiner ist als die des mittleren Abschnittes 62), was zu einem anderen Wärmewiderstandverlauf führt (16C), wodurch sich der in 16D gezeigte Temperaturverlauf im Faraday-Element 5 ergibt.Now if the intensity profile of the laser beam is Gaussian, as in 15B is shown results in the thermal resistance R according to 15C the in 15D shown temperature curve T. In this case, the heat sink, as shown in 16A is shown (with a middle section 62 and a surrounding section 61 , whose thermal conductivity is smaller than that of the middle section 62 ), which leads to a different thermal resistance profile ( 16C ), whereby the in 16D shown temperature profile in the Faraday element 5 results.

Die Wärmesenke 6 kann somit so an das Strahlprofil und die spezifischen Parameter des Faraday-Elementes 5 (wie z. B. seine geometrischen Abmessungen) angepaßt werden, daß eine möglichst gleichmäßige radiale Temperaturverteilung erzielt wird.The heat sink 6 Thus, it can adapt to the beam profile and the specific parameters of the Faraday element 5 (Such as its geometric dimensions) are adapted to the most uniform radial temperature distribution is achieved.

Bei der bisherigen Beschreibung wurde unterstellt, daß lediglich beim Durchgang durch das Faraday-Element 5, 5' eine Änderung der Polarisationsrichtung des Laserstrahls 15 aufgrund des Faraday-Effektes auftritt. Tatsächlich kann es einerseits durch die geometrische Anordnung der Umlenkelemente innerhalb des Rotators 4 zu Änderungen der Polarisationsrichtung kommen. Andererseits können (z. B. dielektrische) Beschichtungen auf Elementen des Faraday-Rotators 4 die Polarisationsrichtung ändern. So kann beispielsweise auf der Vorderseite 16 des Faraday-Elementes 5 eine Antireflexionsbeschichtung und auf den Spiegeln 10, 10', 11, 12, 18, 19 und/oder auf der Rückseite 14 eine hochreflektierende Beschichtung vorgesehen sein.In the previous description it was assumed that only when passing through the Faraday element 5 . 5 ' a change in the polarization direction of the laser beam 15 due to the Faraday effect. In fact, on the one hand, it can be due to the geometric arrangement of the deflecting elements within the rotator 4 come to changes in the direction of polarization. On the other hand, (eg dielectric) coatings on elements of the Faraday rotator can be used 4 change the polarization direction. For example, on the front 16 of the Faraday element 5 an anti-reflection coating and on the mirrors 10 . 10 ' . 11 . 12 . 18 . 19 and / or on the back 14 a highly reflective coating may be provided.

In 17 ist nun für die Ausführungsform von 1 gezeigt, daß aufgrund der beiden Umlenkspiegel 11 und 12 bei zweimaligem Durchgang durch das Faraday-Element 5 keine Änderung der linearen Polarisationsrichtung des einfallenden Laserstrahles 15 erzeugt wird. Die Richtung der linearen Polarisation ist für die einzelnen Strahlabschnitte jeweils durch die Doppelpfeile dargestellt. Daraus ergibt sich, daß keine Isolation durch den Faraday-Isolator erreicht werden kann, da sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung keine Polarisationsdrehung erfolgt.In 17 is now for the embodiment of 1 shown that due to the two deflecting mirrors 11 and 12 with two passes through the Faraday element 5 no change in the linear polarization direction of the incident laser beam 15 is produced. The direction of the linear polarization is represented by the double arrows for the individual beam sections. As a result, insulation can not be achieved by the Faraday isolator because there is no polarization rotation in both the forward and reverse directions.

Zur Lösung dieser Problematik kann z. B. die in 18 dargestellte λ/2-Platte 28 vorgesehen werden, so daß sich die Drehungen der Polarisationsrichtung bei den einzelnen Durchgängen durch das Faraday-Element 5 addieren und nicht mehr aufheben, wie dies bei 17 der Fall war. Natürlich muß keine λ/2-Platte 28 vorgesehen werden. Es kann die notwendige Drehung der Polarisationsrichtung z. B. auch durch eine spezielle Spiegelbeschichtung erreicht werden.To solve this problem can z. B. the in 18 shown λ / 2 plate 28 be provided so that the rotations of the polarization direction in the individual passes through the Faraday element 5 Add and not cancel, as with 17 the case was. Of course, no λ / 2 plate 28 be provided. It may be the necessary rotation of the polarization direction z. B. can also be achieved by a special mirror coating.

Aufgrund einer auf dem Reflektor 10 und der Rückseite 14 des Faraday-Elementes 5 ausgebildeten hochreflektierenden Beschichtung tritt eine Phasenverschiebung zwischen dem senkrecht und dem parallel zur Einfallsebene polarisierten Strahlanteil des Laserstrahles 15 auf, so daß die lineare Polarisation abhängig vom Winkel der Polarisation zur Einfallsebene in eine elliptische Polarisation überführt wird, wie in 19 schematisch angedeutet ist. Durch die Anordnung einer λ/4-Platte zwischen dem Umlenkelement 13 und dem Ausgangspolarisationsfilter 3 kann dieser elliptische Anteil wieder in einen linearen Polarisationsanteil überführt werden, so daß der gewünschte Polarisationszustand vorliegt und der Laserstrahl durch den Ausgangspolarisationsfilter 3 aus dem Faraday-Rotator 4 austreten kann.Because of one on the reflector 10 and the back 14 of the Faraday element 5 formed highly reflective coating occurs a phase shift between the polarized perpendicular to the plane of incidence and parallel to the beam portion of the laser beam 15 so that the linear polarization is converted into an elliptical polarization depending on the angle of polarization to the plane of incidence, as in 19 is indicated schematically. By arranging a λ / 4 plate between the deflecting element 13 and the output polarization filter 3 This elliptical portion can be converted back into a linear polarization component, so that the desired polarization state is present and the laser beam through the Output polarization filter 3 from the Faraday rotator 4 can escape.

Das in Verbindung mit 17 bis 19 beschriebene Polarisationsmanagement kann natürlich auch bei der Ausführungsform von 2 angewendet werden. Bei der Anordnung gemäß 3 kann es Fälle geben, bei denen kein Polarisationsmanagement notwendig ist. Auch bei den Anordnungen gemäß 5 bis 7 ist in der Regel kein Polarisationsmanagement notwendig. Da es jedoch stets vom konkreten Aufbau einschließlich der verwendeten Beschichtungen abhängt, ob ein Polarisationsmanagement notwendig ist, wird erfindungsgemäß bei jeder Ausführungsform ermittelt, ob polarisationsdrehende Elemente (wie z. B. eine λ/2-Platte und/oder eine λ/4-Platte) innerhalb des Faraday-Rotators vorgesehen werden müssen oder nicht.That in conjunction with 17 to 19 Of course, the described polarization management can also be used in the embodiment of FIG 2 be applied. In the arrangement according to 3 there may be cases where no polarization management is necessary. Also in the arrangements according to 5 to 7 As a rule, no polarization management is necessary. However, since it always depends on the concrete structure, including the coatings used, whether polarization management is necessary, it is determined according to the invention in each embodiment whether polarization-rotating elements (such as a λ / 2 plate and / or a λ / 4 plate ) must be provided within the Faraday rotator or not.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen wurde davon ausgegangen, daß der einfallende Laserstrahl 15 so polarisiert ist, daß er durch den Eingangspolarisationsfilter 2 hindurchläuft und nicht von diesem blockiert wird. Der erfindungsgemäße optische Isolator 1 kann jedoch auch für unpolarisierte Strahlung eingesetzt werden. In diesem Fall wird der Laserstrahl 15, wie in 20 schematisch dargestellt ist, zunächst durch den Eingangspolarisationsfilter 2 geleitet, der bei dieser Ausführungsform den Laserstrahl 15 in zwei zueinander parallel versetzte Laserstrahlen 151 und 152 mit zueinander orthogonalen Polarisationszuständen aufteilt. Diese beiden parallelen Laserstrahlen 151 und 152 werden durch den Faraday-Rotator 4 geleitet und treffen danach auf den Ausgangspolarisationsfilter 3, der die beiden parallelen Laserstrahlen 151' und 152', die aus dem Rotator 4 austreten, zu einem gemeinsamen Laserstrahl 15' überlagern. Natürlich kann der Ausgangspolarisationsfilter 3 auch so gestaltet werden, daß zwei Strahlen den Isolator verlassen, falls die Überlagerung der Laserstrahlen 151' und 152' nicht gewünscht ist.In the embodiments described so far it has been assumed that the incident laser beam 15 polarized so that it passes through the input polarization filter 2 passes through and is not blocked by this. The optical isolator according to the invention 1 however, it can also be used for unpolarized radiation. In this case, the laser beam 15 , as in 20 is shown schematically, first through the input polarization filter 2 passed, the laser beam in this embodiment 15 in two mutually parallel laser beams 151 and 152 with mutually orthogonal polarization states. These two parallel laser beams 151 and 152 be through the Faraday rotator 4 and then hit the output polarization filter 3 , the two parallel laser beams 151 ' and 152 ' coming out of the rotator 4 emerge, to a common laser beam 15 ' overlap. Of course, the output polarization filter 3 be designed so that two beams leave the insulator, if the superposition of the laser beams 151 ' and 152 ' not desired.

Die Polarisationsfilter 2 und 3 können in üblicher Weise ausgebildet sein. Insbesondere können doppelbrechende Kristalle oder sonstige Anordnungen eingesetzt werden, um die beschriebene Aufspaltung in zwei parallele Laserstrahlen 151 und 152 zu bewirken. Die Aufspaltung in die beiden parallelen Laserstrahlen 151 und 152 ist insbesondere für die Ausführungsformen des optischen Rotators 4 gemäß 1, 2 sowie 4 bis 7 geeignet.The polarization filters 2 and 3 can be formed in a conventional manner. In particular, birefringent crystals or other arrangements can be used to achieve the described splitting into two parallel laser beams 151 and 152 to effect. The splitting into the two parallel laser beams 151 and 152 is particularly for the embodiments of the optical rotator 4 according to 1 . 2 such as 4 to 7 suitable.

Der Eingangspolarisationsfilter 2 kann auch so ausgebildet sein, daß die beiden Laserstrahlen 151 und 152 mit den orthogonalen Polarisationszuständen nicht parallel zueinander verlaufen. In diesem Fall der Winkelaufspaltung der beiden Laserstrahlen 151 und 152 wird bevorzugt der Faraday-Rotator 4 gemäß der Ausführungsform von 3 verwendet. Natürlich ist der Ausgangspolarisationsfilter 3 dann so ausgelegt, daß die aus dem Rotator 4 ausfallenden Laserstrahlen, die nicht parallel sind, wieder zu dem gemeinsamen Laserstrahlenbündel 15' überlagert werden können, wenn dies gewünscht ist.The input polarization filter 2 can also be designed so that the two laser beams 151 and 152 with the orthogonal polarization states are not parallel to each other. In this case, the angular splitting of the two laser beams 151 and 152 is preferred the Faraday rotator 4 according to the embodiment of 3 used. Of course, the output polarization filter is 3 then designed so that the out of the rotator 4 failing laser beams that are not parallel again to the common laser beam 15 ' can be superimposed, if desired.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 5115340 [0003]

Claims

Optical isolator with an input polarization filter ( 2 ), an output polarization filter ( 3 ), and one between both filters ( 2 . 3 ) arranged Faraday rotator ( 4 ) comprising at least one disc-shaped Faraday element ( 5 . 5 ' ), which has a front side ( 16 . 16 ' ) and a reflective back ( 14 . 14 ' ) and shows the Faraday effect, one from the front ( 16 . 16 ' ) spaced reflector ( 10 . 10 ' . 5 ' ) as well as a magnet ( 7 . 7 ' ), one through the input polarization filter ( 2 ) incident laser beam ( 15 ) due to at least one reflection on the reflector ( 10 . 10 ' . 5 ' ) several times from the front ( 16 . 16 ' ) by the at least one Faraday element ( 5 . 5 ' ) and on its back ( 14 ) is reflected.

An optical isolator according to claim 1, wherein the Faraday rotator ( 4 ) is formed so that the individual passages of the laser beam ( 15 ) by the at least one Faraday element ( 5 . 5 ' ) within the Rayleigh length of the laser beam ( 15 ) lie.

An optical isolator according to claim 1 or 2, wherein between, the two polarizing filters ( 2 . 3 ) no further polarization filter is provided.

Optical isolator according to one of the above claims, in which by means of the reflector ( 10 ) the Faraday element ( 5 ) is mapped to itself.

Optical isolator according to one of the preceding claims, in which the reflector ( 10 . 10 ' ) is designed as a parabolic mirror.

Optical isolator according to one of Claims 1 to 3, in which the reflector ( 5 ' ) as a second disc-shaped Faraday element ( 5 ' ) with a front side ( 16 ' ) and a reflective back ( 14 ' ) is formed and the laser beam ( 15 ) at least once through the second Faraday element ( 5 ' ) and on its back ( 14 ' ) is reflected.

An optical isolator according to claim 6, wherein the front sides ( 16 . 16 ' ) of the two Faraday elements ( 5 . 5 ' ) are aligned parallel to each other.

An optical isolator according to claim 6 or 7, wherein between the two Faraday elements ( 5 . 5 ' ) a second reflector ( 10 . 10 ' ), which is the one of the first Faraday element ( 5 ) coming laser beam ( 15 ) to the second Faraday element ( 5 ' ) deflects.

An optical isolator according to claim 8, wherein the second reflector ( 10 . 10 ' ) is designed as an imaging reflector.

Optical isolator according to Claim 8 or 9, in which by means of the second reflector ( 10 . 10 ' ) the first Faraday element ( 5 ) to the second Faraday element ( 5 ' ) is displayed.

Optical isolator according to one of the preceding claims, in which the at least one Faraday element ( 5 . 5 ' ) is composed of several disc-shaped Faraday subelements.

Optical isolator according to one of the above claims 1 to 3, in which the reflector is in the form of a facet mirror ( 18 ) is trained.

An optical isolator according to any one of the preceding claims, wherein between input and output polarization filters ( 2 . 3 ) a λ / 2 plate and / or a λ / 4 plate through which the incident laser beam ( 15 ) runs at least once, is provided.

Optical isolator according to one of the preceding claims, in which the input polarization filter ( 2 ) the incident laser beam ( 15 ) in at least two laser beams ( 151 . 152 ) with different polarization states, which is determined by the Faraday rotator ( 4 ) to run.

Laser with a laser source, which is a laser beam ( 15 ) and an optical isolator ( 1 ) according to one of the above claims, to which the emitted laser beam ( 15 ).