DE19619983A1 - Hochleistungs-Lichtwellenleiter-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation auf Grundlage von mit seltenen Erden dotierten Mantel-Pumplicht-Lichtwellenleitern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine zeitproportionale Frequenzmodula­ tions-Verstärkung bzw. ein Pulskompressionsverfahren von ul­ trakurzen optischen Impulsen und insbesondere eine zeitpro­ portionale Frequenzmodulations-Verstärkung unter Verwendung von Mantel-Pumplicht-Lichtwellenleitern, d. h. Lichtwellen­ leitern, deren Mantel Pumplicht überträgt.

Seit ihrer ersten Herstellung 1985 haben sich mit seltenen Erden dotierte Einzelmoden-Lichtwellenleiter stetig in eines der am meisten verwendeten Festkörper-Lasermedien entwickelt. Der Hauptgrund besteht eindeutig in ihrer unerreichten Lei­ stungsfähigkeit als optische Verstärker bei Langstrecken- Telekommunikationssystemen, die bereits 1987 demonstriert wurde. Mit seltenen Erden dotierte Lichtwellenleiter sind auch in weiter entwickelten Anwendungen wie Verstärkern für auf Soliton basierenden Übertragungssysteme verwendet worden, von denen man sich verspricht, daß sie die Telekommunika­ tionssysteme revolutionieren.

Es wurden auch früher Entwicklungen mit mit seltenen Erden dotierten Einzelmoden-Lichtwellenleitern ausgeführt, die hauptsächlich die Optimierung der Leistungsfähigkeit dieser Lichtwellenleiter als Laserquellen von getasteten ungedämpf­ ten Wellen (CW, "Continuous Wave") betrafen. Die Anstrengun­ gen zur Optimierung des CW-Betriebs von mit seltenen Erden dotierten Lichtwellenleiter-Lasern haben auch zu dem frühen Vorschlag von Doppelmantel-Lichtwellenleiteranordnungen als einfachen Einrichtungen zum Erreichen von hohen Ausgangslei­ stungen geführt, wie in der Snitzer u. a. erteilten US-4 815 079 offenbart ist.

Doppelmantel-Lichtwellenleiteranordnungen gestatten die Ver­ wendung von Diodenanordnungen mit geringer Helligkeit als Pumplichtquellen, bei denen das Pumplicht in einen Führungs­ mantel anstelle in den Lichtwellenleiterkern injiziert wird. Auf diese Weise wird eine Helligkeitsumwandlung von einem Mehrmoden-Diodenlaser in einen Einzelmoden-Lichtwellenleiter­ laser effektiv erreicht. Der einzige durch die Verwendung von Mantel-Pumplicht-Lichtwellenleiterlasern verbundene Nachteil besteht darin, daß die effektive Absorption durch das Ver­ hältnis der Kerngröße zur Mantelgröße verringert wird, das typischerweise ein Faktor von 100 ist. Deswegen müssen zur Herstellung eines effektiven Lichtwellenleiter-Lasers Licht­ wellenleiterlängen von bis zu dem einhundertfachen von dem von Einzelmantel-Lichtwellenleiteranordnungen verwendet wer­ den.

Sämtliche vorstehend erwähnten Anordnungen haben gemeinsam, daß sie Entnahme von hoher Energie und von Impulsen mit hoher Spitzenleistung aus mit seltenen Erden dotierten Einzelmoden- Lichtwellenleitern nicht berücksichtigen. Bei den herkömm­ lichen Systemen ist das Lasersignal eine getastete unge­ dämpfte Welle (CW). Andere herkömmliche Mantel-Pumplicht- Systeme verstärken Signale mit Breiten von wenigen zehn Pikosekunden und Energien von wenigen pJ (wie bei Soliton- Übertragungssystemen).

Um Lichtwellenleiter-Laser als praktische Quellen für die meisten Anwendungen der nichtlinearen Optik zu berücksichti­ gen, sind jedoch die durch diese CW- oder Quasi-CW-Systeme erzeugten Leistungspegel nicht ausreichend. Beispielsweise sind für den Betrieb von typischen optischen parametrischen Oszillatoren mit hohem Wirkungsgrad Impulse von unter einer Pikosekunde und Impulsenergien von ungefähr 10 nJ erforder­ lich. In dem Fall von optischen parametrischen bzw. Reaktanz- Verstärkern sind Impulse von unter einer Pikosekunde und Im­ pulsenergien von ungefähr 10 µJ erforderlich. Daher wird jeder Versuch zur Einführung von Doppelmantel-Pumplicht- Lichtwellenleiterlasern als Verstärker für derartige Systeme deren Betrieb nachteilig beeinflussen, da die großen Längen dieser Verstärker einen großen Bereich von störenden nichtli­ nearen Auswirkungen verursachen und den Erhalt von Impulsen mit Spitzenleistungen von mehr als 1 kW verhindern. Dennoch stellen kompakte, vollintegrierte Quellen von ultrakurzen (fs bis ps) Impulsen mit hoher Energie (nJ bis µJ) und hoher Durchschnittsleistung (100 mW bis 1 W) den Schlüssel zur Um­ setzung von ultraschneller Technologie in die Praxis dar. Um im Handel erfolgreich zu sein, müssen derartige Einrichtungen außerdem einen robusten Betrieb erlauben, während sie relativ geringe Kosten aufweisen und zur Massenfertigung geeignet sein müssen.

Kompakte Halbleiter- und Lichtwellenleiter-Laser mit ultra­ kurzen optischen Impulsen sind zum Erreichen der vorstehend beschriebenen Merkmale entwickelt worden. Darüber hinaus sind verschiedene Technologien für die Erzeugung von ultrakurzen Impulsen für den Betrieb dieser Einrichtungen entwickelt worden. Beispielsweise können Impulse einer Pikosekunde und einer Femtosekunde aus Halbleiter-Laserdioden unter Verwen­ dung von einer schnellen Abstimmung der Sende- bzw. Emissi­ ons-Wellenlänge, des Umschaltens der Verstärkung oder der Phasenkopplung erzeugt werden. Jedoch können Impulse einer Femtosekunde und einer Pikosekunde aus Lichtwellenleiter­ lasern derzeit nur mit Phasenkopplungstechnologien erhalten werden. Ein Hybridansatz ist ebenfalls möglich, bei dem anfänglich längere Impulse mit schnell abgestimmten oder in ihrer Verstärkung umgeschalteten Laserdioden erzeugt und dann unter Verwendung einer Komprimierung mit Solitoneffekt in einem Lichtwellenleiter oder einem Lichtwellenleiter-Verstär­ ker zu einer kürzeren Dauer komprimiert werden.

Die vorstehend beschriebenen Entwicklungen sind in "Applied Physics Letters", "Generation of femtosecond optical pulses with nanojoule energy from diode laser and fiber based system", von A. Galvanauskas u. a., 27. September 1993, in "Applied Physics Letters", "Ultrashort pulse generation from a Q-switched AlGaAs laser with cw injection", von N. Stelmakh u. a., 5. August 1991, in "Optics Letters", "200-fs optical pulse generation and intracavity pulse evolution in a hybrid mode-locked semiconductor diode-laser/amplifier system", von P. Delfyett u. a., 1. Mai 1992, in "Applied Physics", "Ultrashort-Pulse Sources Based on Single-Mode Rare-Earth- Doped Fibers", von M. Fermann, 21. Juni 1993 und "Electronic Letters", "Femtosecond Optical Pulse Generation Using Distributed-Feedback Laser Diode", von M. Nakazawa u. a., 22. November 1990 berichtet worden, die unter Bezug darauf hierin eingefügt sind.

Obwohl ein Betrieb dieser Einrichtungen nach den vorstehend beschriebenen Verfahren ultrakurze Impulse erzeugen kann, erfordern die meisten potentiellen Anwendungen Impulse mit höheren Energien und Durchschnittsleistungen als diejenigen, die durch die vorstehend beschriebenen Systeme erzeugt wer­ den. Die maximalen Leistungen und Impulsenergien bei Halblei­ ter-Laserquellen sind typischerweise auf ungefähr 10 mW bzw. 100 pJ durch nichtlineare Effekte, Sättigung der Verstärkung und einen geringen Schwellwert für einen sprunghaften Voll­ ausfall begrenzt. Dagegen können Lichtwellenleiter Impuls­ energien von bis zum Mikrojoule-Pegel und Durchschnitts­ leistungen über 1 W erzeugen. Jedoch können Lichtwellen­ leiter-Laser mit Phasenkopplung nur begrenzte Impulsenergien (100 pJ bis 1 nJ) und relativ geringe durchschnittliche Leistungen (unter 100 mW) erzeugen, weil sie auf nichtlinea­ ren Effekten unter bestimmten Bereichsbedingungen basieren. Eine direkte Verstärkung von Impulsen im Femtosekunden- und Pikosekundenbereich bei Lichtwellenleitern ist ebenfalls auf unter ungefähr 1 nJ wegen des geringen Schwellwerts von nichtlinearen Effekten beschränkt.

Die Verwendung der zeitproportionalen Frequenzmodulations- Verstärkungs-Technologie (CPA, "chirped pulse amplification") mit Lichtwellenleiterverstärkern stellt die potentielle Lösung für das vorstehend beschriebene Problem der geringen Energien und Leistungen dar. Eine zeitproportionale Frequenz­ modulations-Verstärkung mit Lichtwellenleiterverstärkern kann von dem Potential von Lichtwellenleitern zur Erhöhung von Impulsenergien und durchschnittlichen Leistungen aus kompak­ ten Lichtwellenleiter- und Laserdiodenquellen auf die Pegel erfolgreich Gebrauch machen, die vergleichbar zu denjenigen sind, die derzeit mit vielen wissenschaftlichen Großlasern erreichbar sind.

Entsprechend dem Verfahren der zeitproportionalen Frequenzmo­ dulations-Verstärkung werden ultrakurze Impulse vor der Verstärkung gedehnt, dann verstärkt und schließlich vor der Übertragung zurückkomprimiert. Durch Verstärkung von gedehn­ ten Impulsen mit relativ langer Dauer wird die Spitzenlei­ stung in dem Verstärker relativ niedrig gehalten, so daß nichtlineare Effekte und eine Zerlegung des Impulses verhin­ dert werden. Jedoch müssen wegen der physikalischen Eigen­ schaften von Lichtwellenleitern und Lichtwellenleiter-Ver­ stärkern eine Anzahl von Problemen und Beschränkungen zur Implementierung der zeitlichen Frequenzmodulations-Verstärkung in Lichtwellenleitern überwunden werden: bei hohen Spitzenleistungen in Lichtwellenleitern auftretende nichtli­ neare Effekte, durch ASE beschränkte Verstärkung, Erhöhung der Dauer des zurückkomprimierten Impulses wegen eines die Verstärkung begrenzenden Effektes, begrenzte Ausgangslei­ stungen wegen begrenzter Pumpleistungen, Zurückkomprimierung von Impulsen bis zu ihrer anfänglichen Dauer unter Verwendung von kompakten Komprimierungs- und Dehnungs-Anordnungen usw.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben bereits zeit­ proportionale Frequenzmodulations-Verstärkungstechnologien mit Lichtwellenleiter-Verstärkern zur Energieverstärkung von Laserdioden- und Lichtwellenleiterlaser-Impulsen zum Erhalt von optischen Impulsen im Mikrojoule-Pikosekunden- sowie im Femtosekunden-Bereich bei einer durchschnittlichen Ausgangs­ leistung von 10 bis 100 mW angewandt. Eine Beschreibung die­ ser Arbeit kann in dem Artikel "Hybrid Diode-Laser Fiber- Amplifier Source of High-Energy Ultrashort Pulses" von A. Galvanauskas, M.E. Fermann, P. Blixt, J.A. Tellefsen und D. Harter, in "Optics Letters", 19, 1043 (1994) und in dem Artikel "Compact Ultrahigh-power Laser Systems" von A. Galvanauskas, "Int. Soc. of Optical Engineering Conf. on Lasers and Appl.", OE LASE 94, San Jose, 1995, Veröffentli­ chung 2377-14 gefunden werden, die unter Bezug darauf hier eingefügt sind. Die Hauptlösung zum Erhalt von Impulsen mit hoher Energie bestand im Erreichen einer hohen Verstärkung von über 60 dB unter Verwendung von optischen Schaltgliedern zwischen den Verstärkerstufen. Die Impulse wurden unter Verwendung von Komprimierern und Dehnungseinrichtungen mit einer Beugungsgitter-Gruppe gedehnt und rückkomprimiert.

Zum besseren Verständnis der technischen Schwierigkeiten, mit denen die Implementierung der Ultrakurzimpulstechnologie mit hoher Leistung verbunden ist, sei bemerkt, daß es einen Kompromiß zwischen den Betriebsbedingungen mit der hohen Energie und denen mit der hohen Leistung der Lichtwellen­ leiterverstärker gibt, und daß die Beschränkungen in diesen beiden Fällen verschieden sind. Energieverstärker dienen zur effektiven Entnahme von gespeicherter Energie im Gegensatz zur Pumpleistung. Für hohe Impulsenergien sind hohe Pumplei­ stungen nicht erforderlich. Tatsächlich kann eine maximale Verstärkung des Verstärkers unter Verwendung von niedrigen Frequenzen bzw. Wiederholraten und dem Opfern der durchschnitt­ lichen Ausgangsleistungen der verstärkten Impulse erhalten werden. Im Gegensatz dazu sind zum Erhalt eines verstärkten Ausgangssignals mit hoher Leistung eine hohe Leistung zum Pumpen und eine effektive Leistungsentnahme mit hohen Impuls­ frequenzen erforderlich.

Das erfindungsgemäße System erreicht hohe durchschnittliche Ausgangsleistungen mit dem Pegel von 100 mW bis 10 W, während gleichzeitig die Kompaktheit beibehalten und die Kosten des gesamten Lichtwellenleitersystems mit zeitproportionaler Fre­ quenzmodulations-Verstärkung verringert werden.

Das erfindungsgemäße System erreicht hohe Leistungen mit zeitproportionaler Frequenzmodulations-Verstärkung auf Grund­ lage von Lichtwellenleitern unter Verwendung von Mantel-Pump­ licht-Lichtwellenleitern zur Aufnahme des Multimoden-Dioden­ laser-Ausgangssignals mit Pumplicht, wodurch hohe Pumplei­ stungen und hohe Ausgangsleistungen mit ausgesprochen ge­ ringen Kosten erreicht werden. Das offenbarte und bean­ spruchte neue System implementiert eine richtige Integration von Mantel-Pumplicht-Lichtwellenleiterverstärkern mit dem System mit zeitproportionaler Frequenzmodulations-Verstär­ kung, während eine kurze Dauer und die Qualität der verstärk­ ten optischen Impulse beibehalten werden. Darüber hinaus demonstrieren die offenbarten Ausführungsbeispiele eine Verwendung eines Hybrid-Lichtwellenleiter-Gitters und Beu­ gungsgitter-Anordnungen zur Impulskomprimierung zum Erreichen einer Kompaktheit des Systems, ohne die maximale Spitzenlei­ stung der verstärkten und zurückkomprimierten optischen ultrakurzen Impulse zu opfern.

Die offenbarten Ausführungsbeispiele demonstrieren Systeman­ ordnungen, die die Verwendung von Doppelmantel-Lichtwellen­ leiteranordnungen als Hochleistungsverstärker für Laserim­ pulse mit hoher Leistung gestatten. Diese Ausführungsbeispie­ le verwenden mehrere Abwandlungen der zeitproportionalen Frequenzmodulations-Verstärkungstechnologie, d. h. ultrakurze optische Impulse werden (unter Verwendung beispielsweise von Bragg-Gittern mit zeitproportional frequenzmodulierten Licht­ wellenleitern) auf große zeitliche Längen vor der Verstärkung in den Doppelmantel-Verstärkern dispergierend bzw. streuend gedehnt. Dies stellt sicher, daß die Spitzenleistung in dem Doppelmantel-Verstärker gering bleibt und sämtliche Kerr- Nichtlinearitäten minimiert werden. Die ursprüngliche Impuls­ breite wird dann durch Rückkomprimierung der Impulse in einem Bragg-Gitter mit einem zeitproportional frequenzmodulierten Lichtwellenleiter zurückgewonnen, das umgekehrt zu dem ersten zeitproportional frequenzmoduliert wird.

Infolgedessen können zum ersten Mal die hohen Leistungs- Möglichkeiten bei getasteten ungedämpften Wellen (CW) von Doppelmantel-Lichtwellenleiteranordnungen mit den Hochener­ gie-Speichermöglichkeiten von Einzelmoden-Lichtwellenleitern kombiniert werden, und Impulse mit ultrahohen Spitzenleistun­ gen und Impulsenergien können mit einer noch nicht dagewese­ nen Einfachheit erzeugt werden. Die offenbarte Technologie erfordert keine besonderen Lichtwellenleiter-Anordnungen, beispielsweise eine Anordnung des Kerns außerhalb des Mittel­ punkts, wie in dem Snitzer u. a. erteilten, vorstehend erwähn­ ten Patent vorgeschlagen wurde. Der Lichtwellenleiterkern kann herkömmlicherweise in der Mitte des Mantels angeordnet sein. Beispielsweise muß der Lichtwellenleitermantel einfach mit einem Material mit einem geringen Index wie Silikongummi umgeben werden, damit ein Wellenleiter für das Pumplicht gebildet wird. Eine derartige Lichtwellenleiteranordnung weist einen herkömmlichen Lichtwellenleiter mit einer Be­ schichtung mit einem geringen Index auf, wie sie vor der Anwendung von Beschichtungen aus Acrylat für Lichtwellenlei­ ter weit verbreitet war.

Fig. 1 zeigt eine Abbildung, die eine Anordnung eines für Mantel-Pumplicht geeigneten Lichtwellenleiters darstellt.

Fig. 2(a) zeigt eine Abbildung einer herkömmlichen Anordnung für Pumplicht unter Verwendung eines Einzelmoden-Lichtwellen­ leiters mit einer Einzelraummoden-Laserdiode.

Fig. 2(b) zeigt eine Abbildung eines herkömmlichen Doppelman­ tel-Lichtwellenleiterverstärkers mit einer Mehrmoden-Laserdi­ odenanordnung oder einer großflächigen Diode.

Fig. 3 zeigt eine Abbildung eines Zweistufen-Leistungsver­ stärkers auf Grundlage von Lichtwellenleitern unter Verwen­ dung von zeitproportionaler Frequenzmodulations-Verstärkung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Einzelstufen-Aufbau dargestellt ist,

Fig. 4 zeigt eine Abbildung eines Zweistufen-Leistungsver­ stärkers auf Grundlage von Lichtwellenleitern unter Verwen­ dung von zeitproportionaler Frequenzmodulations-Verstärkung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Doppelstufen-Aufbau dargestellt ist.

Fig. 5 zeigt eine Abbildung eines neuen Hybrid-Lichtwellen­ leiter-Gitters und einer Beugungsgitter-Anordnung zur Kompri­ mierung von Impulsen mit hoher Energie.

Fig. 6 zeigt eine Abbildung, die den experimentellen Aufbau für eine zeitproportionale Frequenzmodulations-Verstärkung mit schnell abgestimmten Laserdioden-Impulsen mit mit Er/Yb kodotiertem Mehrstreifendioden-Doppelmantel-Pumplicht-Licht­ wellenleiter darstellt, der die Vorteile der Erfindung demon­ striert.

Fig. 7 zeigt eine Abbildung, die den experimentelle Aufbau für eine zeitproportionale Frequenzmodulations-Verstärkung mit hoher Durchschnittsleistung mit einem mit Er dotiertem Mantel-Pumplicht-Lichtwellenleiterverstärker und einem pha­ sengekoppelten Lichtwellenleiteroszillator darstellt, der die Vorteile der Erfindung demonstriert.

Fig. 8 zeigt ein Diagramm, das ein Querprofil des einzeldo­ tierten Mantel-Pumplicht-Lichtwellenleiters darstellt, der bei den experimentellen Anordnungen gemäß Fig. 5 und 6 ver­ wendet wurde.

Ein zur Implementierung der vorliegenden Erfindung geeigneter Doppelmantel-Lichtwellenleiter ist in Fig. 1 dargestellt. Der Lichtwellenleiter gemäß Fig. 1 besteht aus einem Einzelmoden Mittelkern C1 mit geringem Durchmesser und einer geringen numerischen Apertur (N.A.), der von einem größeren Mehrmoden- Kern C2 (mit großer numerischer Apertur) umgeben ist. C3 ist der zweite Mantel, der durch eine Lichtwellenleiter-Beschich­ tung C4 umgeben ist. Deswegen dient C2 sowohl als Mantel zur Begrenzung eines Signals in dem Einzelmoden-Kern C1 als auch als Mehrmoden-Wellenleiter zur Ausbreitung von Pumplicht. Im allgemeinen kann der Querschnitt eines derartigen Lichtwel­ lenleiters vollständig kreisförmig symmetrisch sein oder eine Asymmetrie aufweisen, wie in dem Snitzer u. a. erteilten, vorstehend erwähnten Patent beschrieben ist. Jedoch haben, wie vorstehend beschrieben, obwohl die Asymmetrie zur Verbes­ serung der Pumplicht-Absorption in dem Mittelkern ein nützli­ ches Merkmal ist, die Erfinder experimentell herausgefunden, daß die vorliegende Erfindung mit vergleichbaren Ergebnissen mit Symmetrischen Lichtwellenleitern implementiert werden kann.

In CW-Systemen sind Doppelmantel-Lichtwellenleiter zur Um­ wandlung eines Pumplichtstrahls mit geringer Helligkeit in einen Strahl mit hoher Helligkeit verwendet worden. Dieses Konzept kann durch eine Gegenüberstellung von Fig. 2(a) mit Fig. 2(b) veranschaulicht werden. In Fig. 2(a) ist ein her­ kömmliches Einzelmoden-Pumplicht-Verfahren dargestellt. Ein Ausgangssignal aus einer Einzelraummoden-Pumplichtdiode 200 wird in einen Einzelmoden-Lichtwellenleiter 205 eingekoppelt. Der Einzelmoden-Lichtwellenleiter 205 weist einen Einzelmo­ den-Kern 210 und einen einzelnen Mantel 215 auf. Der Einzel­ moden-Lichtwellenleiter ist an beiden Enden durch dichroiti­ sche Spiegel 220 begrenzt. Abgesehen von der geringen Pump­ leistung besteht das Problem bei einer derartigen Anordnung darin, daß die Asymmetrie und die hohe numerische Apertur des Einzelmoden-Laserdioden-Ausgangs gewöhnlich schwer an die kreisförmig symmetrische Lichtwellenleiter-Mode mit geringer numerischer Apertur angepaßt und ein hoher Kopplungs-Wir­ kungsgrad erreicht werden kann.

Ein verbesserter Kopplungs-Wirkungsgrad kann durch Verwendung der in Fig. 2(b) dargestellten Doppelmantel-Lichtwellenlei­ teranordnung erreicht werden. Die Anordnung gemäß Fig. 2(b) verwendet eine Laserdioden-Anordnung 225 anstelle einer Einzelmodendiode. Der Pumplichtstrahl mit geringer Helligkeit der Diodenanordnung 225 wird einem Doppelmantel-Lichtwellen­ leiter 230 zugeführt. Der Doppelmantel-Lichtwellenleiter 230 ist als an beiden Enden durch dichroitische Spiegel 220 begrenzt dargestellt. Der Doppelmantel-Lichtwellenleiter 230 kann ähnlich dem in Fig. 1 dargestellten Doppelmantel-Licht­ wellenleiter sein.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 2(b) kann eine effektive Ein­ kopplung des Pumplichtstrahls in den Mehrmoden-Kern C2 durch Anpassen der numerischen Apertur und der Abmessungen des Pumplichtstrahls und des Mehrmoden-Kerns C2 erreicht werden. Der Pumplichtstrahl wird entlang des Lichtwellenleiters durch Ionen von seltenen Erden in dem Mittelkern C1 absorbiert. Die beiden dichroitischen Spiegel 220 reflektieren teilweise bei der Signalwellenlänge und übertragen bei der Pumplicht-Wel­ lenlänge, so daß ein Pumplichtstrahl mit hoher Leistung und geringer Helligkeit in einen Einzelraummoden-Strahl einer getasteten ungedämpften Welle (CW) mit hoher Leistung und hoher Helligkeit umgewandelt wird.

Herkömmliche Einzelmoden-Lichtwellenleiterverstärker dienen zur Ausbreitung von einzelnen Transversalmoden sowohl für Pumplicht- als auch für Signalwellenlängen. Dies beschränkt potentielle Pumplichtquellen auf nur diejenigen, die kreis­ förmige Ausgangsstrahlen hoher Qualität aufweisen, die für eine effektive Einkopplung in einen Einzelmoden-Lichtwellen­ leiterkern geeignet sind. Derartige Quellen (beispielsweise Laserdioden-MOPAs ("master oscillator power amplifier") und Anschlußfaser-Laserdioden bei 980 nm und 1480 nm) erzeugen derzeit nur 50 mW bis 1 W Pumplichtleistung. Diese maximale Pumplichtleistung aus Einzelmoden-Quellen ist durch den sprunghaften Vollausfall der Facetten des Lasers beschränkt.

Bestehende Mehrstreifen-Laserdiodenanordnungen und -streifen können Pumplichtleistungen von mehr als 10 W erzeugen und sind um eine Größenordnung kostengünstiger als Einzelmoden- Quellen. Jedoch verhindert wegen der hohen geometrischen Größe der Lichtaussendefläche die geringe Helligkeit und die Strahlenasymmetrie eine effektive Einkopplung in Einzelmoden- Lichtwellenleiter. Bei dem erfindungsgemäßen neuen System wird dieses Problem durch Verwendung von Mantel-Pumplicht- Lichtwellenleitern überwunden.

In Fig. 3 ist ein Zweistufen-Mantel-Pumplicht-Systemaufbau mit zeitproportionaler Frequenzmodulations-Verstärkung mit Einzelstufen-Leistungsverstärkung dargestellt. In Fig. 4 ist das System mit einem Doppelstufen-Leistungsverstärker darge­ stellt, wobei ähnliche in Fig. 3 dargestellte Elemente die­ selben Bezugszahlen aufweisen. Das Doppelstufensystem ist vorzuziehen, da es Leistung aus der letzten Stufe effektiver entnimmt.

Gemäß Fig. 3 und 4 besteht das System aus einer Impulsquelle 10 mit zeitproportionaler Frequenzmodulation, einer Vorver­ stärkerstufe 20, einer Leistungsverstärkerstufe 30a sowie 30b und einem (in Fig. 3 nicht dargestellten) Komprimierer 40. In Fig. 3 ist ebenfalls eine Pumplichtdioden-Anordnung 50 und eine Anordnung optischer Elemente 60a dargestellt, die zur Fokusierung des Lichts aus der Quelle 10 in den Kern 70 und des Lichts aus der Diodenanordnung 50 in den ersten Mantel 80 verwendet wird. Zur Implementierung der Doppelstufenanordnung und der Einkopplung in einen Gitterkomprimierer weist die optische Anordnung 60b gemäß Fig. 4 einen Polarisations- Strahlenteiler 90 und Wellenplatten 100 sowie 110 auf.

Bei den erfindungsgemäßen Anordnungen mit zeitproportionaler Frequenzmodulations-Verstärkung ist gemäß Fig. 3 und 4 eine optische Rückkopplung durch bekannte Einrichtungen ausge­ schlossen. Durch Injektion des Signalstrahls in den Einzelmo­ denkern und des Pumplichtstrahls in den Mehrmodenmantel wird eine ähnliche Helligkeitsumwandlung erreicht, und ein Strahl geringer Leistung mit Impulsen von Femtosekunden oder Pikose­ kunden wird in einen Strahl mit hoher Leistung umgewandelt. Die Verbesserung der Ausgangsleistung verglichen mit herkömm­ licher zeitproportionaler Frequenzmodulations-Verstärkung mit Einzelmoden-Lichtwellenleitern herkömmlicher Geometrie be­ trägt mehr als eine Größenordnung.

Die zeitproportional frequenzmodulierten Impulse können direkt, beispielsweise unter Verwendung einer schnellen Abstimmung von Diodenlasern, oder durch Dehnung von Impulsen aus einer Quelle von ultrakurzen Impulsen in einem Paar Beugungsgitter oder mit einem zeitproportional frequenzmo­ dulierten Bragg-Gitter erzeugt werden. Impulse sollten nach der Verstärkung mit einer ähnlichen Komprimiereranordnung rückkomprimiert werden. Die Verwendung von zeitproportionalen frequenzmodulierten Bragg-Gittern ist vorzuziehen, weil sie kompakte Nur-Lichtwellenleiter-Schaltungen für die zeitpro­ portionale Frequenzmodulations-Verstärkung erlaubt, die von sich her robust und zuverlässig sind. Da jedoch Bragg-Gitter derzeit nur bei Lichtwellenleitern effektiv implementiert werden können, besteht ein Kompromiß zwischen der Länge des Gitters und der maximalen Spitzenleistung der verstärkten und komprimierten Impulse. Zum Niedrighalten der Spitzenlei­ stungen der gedehnten Impulse am Ende der Verstärkung sollten die Impulslängen ausreichend groß sein, weshalb die Energie der verstärkten Impulse von den Längen der Lichtwellenleiter- Gitter abhängt. Demgegenüber weisen längere Lichtwellenlei­ ter-Gitter längere Wechselwirkungs-Längen mit komprimierten Impulsen hoher Spitzenleistung auf, und bei irgendeinem Energiepegel (zwischen 100 nJ und 1 µJ in Abhängigkeit von Impuls- und Gitter-Paramatern) begrenzen nichtlineare Effekte des Komprimierers selbst die erreichbare Impulsenergie.

In Fig. 5 ist eine bevorzugte Anordnung gemäß einer Ausge­ staltung der Erfindung dargestellt, wobei eine Hybridkombina­ tion von Lichtwellenleiter-Gitter- und Beugungsgitter-Kompri­ mierern verwendet wird. Ein verstärkter gedehnter Impuls 500 wird zuerst mit dem Lichtwellenleitergitter-Komprimierer 510 auf eine Dauer unter dem Schwellwert von nichtlinearen Effek­ ten in dem Lichtwellenleiter-Komprimierer vorkomprimiert (auf ungefähr 10 bis 50 ps). Die Endkomprimierung wird durch einen Beugungsgitter-Komprimierer 520 erreicht, der zur Komprimie­ rung relativ kurzer Impulse dient und sehr kompakt ist. Her­ kömmliche metallische Reflexionsgitter können für den Beu­ gungsgitter-Komprimierer 520 verwendet werden. Jedoch sind Übertragungs-Beugungsgitter vorzuziehen, die derzeit eben­ falls erhältlich sind, weil sie bei viel kompakteren und robusteren Anordnungen angeordnet werden können als reflexive Gitter.

Mit kompakten Halbleiter- und Lichtwellenleiter-Laserquellen erzeugte typische Leistungen liegen häufig in dem Pegel von 10 bis 100 µW, was gewöhnlich zur Sättigung eines Leistungs­ verstärkers unzureichend ist, der in einem Bereich der Be­ triebsbedingungen der Ausgangsleistung von 10 mW bis 1 W ar­ beitet. Deswegen ist ein Vorverstärker zur Erhöhung des Signalpegels auf 1 bis 10 mW an dem Eingang der zweiten Stufe zum Erreichen der Sättigung und zur Gestattung einer effekti­ ven Leistungsentnahme erforderlich. Es sei jedoch bemerkt, daß bestimmte Lichtwellenleiter-Oszillatoranordnungen beste­ hen, die ausreichend hohe Ausgangsleistungen im Bereich von 1 bis 50 mW erzeugen, was zur Sättigung des Leistungsverstär­ kers ohne die Verwendung eines Vorverstärkers ausreicht. Weil das erfindungsgemäße System sich wiederholende Impulse an­ stelle eines Signals einer getasteten und ungedämpften Welle verstärkt, ist es wichtig, daß die Frequenz ausreichend hoch sein sollte (1 bis 100 MHz), damit eine Verstärkung der spontanen Emission in beiden Verstärkerstufen ohne Verwendung von optischen Gattern unterdrückt wird.

Die Erfinder haben ein System mit zeitproportionaler Fre­ quenzmodulation-Verstärkung mit einem mit Er/Yb kodotiertem Mehrstreifendioden-Pumplicht-Lichtwellenleiterverstärker und ein System mit zeitproportionaler Frequenzmodulations-Ver­ stärkung mit hoher Durchschnittsleistung mit einem mit Er dotiertem Mantel-Pumplicht-Lichtwellenleiter erfolgreich aufgebaut. Diese Systeme sind nachstehend unter Bezug auf Fig. 6 bzw. 7 beschrieben. Obwohl diese Ausführungsbeispiele unter Bezug auf mit Er dotierte Lichtwellenleiter beschrieben sind, kann die hier beschriebene vorliegende Erfindung jedoch auch erfolgreich bei jedem von mit seltenen Erden dotierten Lichtwellenleitern angewandt werden (beispielsweise Nd, Tm, Yb, Pr, usw.).

Zeitproportionale Frequenzmodulations-Verstärkung im Pikose­ kunden-Bereich mit mit Er/Yb kodotiertem Pumplicht-Doppelman­ tel-Lichtwellenleiter und großflächiger Diode

Die durch die Erfinder entwickelte Anordnung eines Mantel- Pumplicht-Systems mit zeitproportionaler Frequenzmodulations- Verstärkung im Pikosekunden-Bereich ist in Fig. 6 darge­ stellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Mittelkern C1 eines Verstärker-Lichtwellenleiters 550 mit Yb³⁺ zur effektiven Absorption des Pumplichts und zur Übertragung der Lichterregung auf Er³⁺-Ionen in dem Mittelkern C1 kodotiert. Dies gestattet eine effektive Einkopplung von Pumplicht aus einem großflächigen Diodenlaser. Der Dotierpegel von Erbium in dem Kern betrug ungefähr 1000 ppm.

Ein besonderes Merkmal dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, daß dichroitische Spiegel mit den Doppelmantel-Licht­ wellenleitern zur Trennung bzw. Kombination von Pumplicht- und Signal-Wellen verwendet werden. Zwei dichroitische Spie­ gel zur Addition des Pumplichts können sich an jedem Ende des Mantel-Pumplicht-Lichtwellenleiters befinden. Dagegen verwen­ den herkömmliche Einzelmoden-Lichtwellenleitersysteme Licht­ wellenleiter-Wellenlängenmultiplex (WDM). Da in dem Fall des Doppelmantels das Signal in einer Einzelmode und das Pumplicht in einer Mehrmode vorliegt, ist die Verwendung von Standard-Wellenlängenmultiplex nicht möglich. Jedoch kann ein speziell entwickeltes Mehrmoden-Wellenlängenmultiplex zum Richten von Mehrmoden-Pumplicht in den inneren Mantel und Er­ halt der Signalausbreitung in dem Mittelkern verwendet wer­ den. Andere Verfahren als dichroitische Spiegel können eben­ falls mit derselben Wirkung verwendet werden.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wurden zeitproportional frequenzmodulierte Impulse durch direkte zeitproportionale Frequenzmodulation der Aussendung einer abstimmbaren Laserdi­ ode 600 erhalten. Dieses System wurde zur Erzeugung einer durchschnittlichen Leistung von 50 bis 100 mW und Impulsen einer Energie von ungefähr 1 µJ ausgelegt. Die Zweistufen- Verstärkeranordnung gestattete eine große Signalverstärkung von ungefähr 30 dB und eine effektive Leistungsentnahme. Die erste Verstärkerstufe 610 wurde unter Verwendung von mit Erbium dotierten Standard-Einzelmoden-Lichtwellenleitern 620 aufgebaut, in die aus einer Laserdiode 630 mit Anschlußfaser 50 mW bei 1,48 µm eingepumpt wurde. Die zweite Leistungsver­ stärkerstufe 640 wurde in einer Doppelstufen-Geometrie aufge­ baut. Eine (nicht dargestellte) großflächige Laserdiode von 1 W mit Lichtaussendeflächen-Abmessungen von 100 × 1 µm wurde über einen dichroitischen Spiegel DM in den Mantel eines Verstärker-Lichtwellenleiters 650 eingekoppelt. Mehr als 99% des Pumplichts bei 980 nm wurde übertragen und 98% des Si­ gnals mit 1550 nm reflektiert. Die Lichtwellenleiterlänge des Verstärker-Lichtwellenleiters 650 betrug 5 m. Ein Signal wurde in den Mittelkern des Verstärker-Lichtwellenleiters 650 über das Ende eingekoppelt, das gegenüber dem Ort des dichroitischen Spiegels DM liegt. Unter Verwendung des Pola­ risations-Strahlenteilers BPS und zweier Wellenplatten 660 wurde der verstärkte Strahl von dem eintreffenden Strahl getrennt und in den Komprimierer 670 eingegeben. In Fig. 6 sind die Wellenplatten 660 als λ/4-Einrichtungen dargestellt; jedoch kann wahlweise auch eine λ/4-λ/2-Anordnung verwendet werden. Ein Komprimierer 670 kann entweder ein Paar Beugungs­ gitter oder ein zeitproportional frequenzmoduliertes Licht­ wellenleiter-Bragg-Gitter sein. Bei zusätzlichen zwei Wellen­ platten 665 wurde der aus dem Komprimierer reflektierte Strahl zu dem Ausgang des Systems gerichtet. Veränderungen des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels sind eben­ falls möglich. Beispielsweise können die Wellenplatten 660 mit Faraday-Rotatoren ersetzt werden. Eine Anordnung mit Polari­ sations-Strahlenteiler und Wellenplatten (oder Faraday-Rota­ toren) kann mit optischen Isolatoren ersetzt werden, die gegenüber einer Polarisierung des rückgerichteten Lichts unempfindlich sind und deren Verwendung die Anordnung verein­ facht.

Die Bandbreite der zeitproportionalen Frequenzmodulation der Impulse aus der Laserdiode 600 betrug 7 nm. Das Spektrum der Impulse befand sich bei dem Maximum von 1530 nm des Verstär­ kungsspektrums des Verstärker-Lichtwellenleiters 650. 0,5 mW an durchschnittlicher Leistung aus der ersten Stufe 610 reichte aus, die zweite Stufe 640 zu sättigen. Die gesättigte maximale Ausgangsleistung betrug 84 mW bei einer Frequenz von 800 kHz. In diesem Fall erhöhte sich die Ausgangsimpuls­ energie, wenn sich die Frequenz verringert. Bei 60 kHz er­ reichte die Impulsenergie ihr Maximum von 0,98 µJ bei einer durchschnittlichen Leistung von 60 mW. Eine weitere Zunahme der Impulsenergie wurde durch den Schwellwert von nicht­ linearen Effekten bei dem Doppelstufen-Mantel-Pumplicht- Lichtwellenleiter 650 beschränkt. Die Leistungsübertragung über den Komprimierer 670 betrug 50%.

Die Leistungs- und Impulsenergie-Eigenschaften waren nahe denjenigen, die mit einem Pumplicht-Einzelmoden-Lichtwellen­ leiter-Verstärker mit Laserdioden-MOPA erhalten werden, wie in "Optics Letters", "Hybrid diode-laser fiber-amplifier source of high-energy ultrashort pulses", von A. Galvanaus­ kas, 15. Juli 1994 berichtet wurde. Der Hauptvorteil des Systems gemäß diesem Ausführungsbeispiel besteht in den geringeren Kosten in einer Größenordnung für die Pumplicht­ quelle des Leistungsverstärkers. Außerdem kann die bei dieser besonderen Anordnung verwendete großflächige Laserdiode mit 1 W durch viel leistungsfähigere Diodenanordnungen mit mehr als 10 W Pumplichtleistung bei im wesentlichen den gleichen Kosten ersetzt werden. Darüber hinaus können beide Stufen dieses Systems dazu ausgelegt werden, daß Pumplicht in ihren Mantel eingekoppelt wird.

Zeitproportionale Hochleistungs-Frequenzmodulations-Verstär­ kung im Femtosekunden-Bereich

Der Nachteil von kodotierten Lichtwellenleitern besteht darin, daß die Signalbandbreite und der Wirkungsgrad der Umrichtung des Pumplichts in das Signal verglichen mit ein­ zeln dotierten Siliziumoxid-bzw. Silika-Lichtwellenleitern verringert sind. Außerdem ist ein Betrieb irgendeines Licht­ wellenleiter-Verstärkers bei einem System mit zeitproportio­ naler Frequenzmodulations-Verstärkung im Femtosekunden-Be­ reich viel komplexer als eine Verstärkung von schmalbandigen Signalen. Ein System mit zeitproportionaler Frequenzmodulati­ ons-Verstärkung von breitbandigen Impulsen im Femtosekunden- Bereich muß zur Verringerung von spektralen und zeitlichen Verzerrungen der verstärkten und rückkomprimierten Impulse ausgelegt sein.

Beispielsweise fällt bei dem vorstehend beschriebenen mit Er/Yb kodotierten System das Verstärkungsspektrum bei Wellen­ längen von ungefähr 1543 nm im Gegensatz zu einer Dämpfung bei mit Er dotierten Standard-Lichtwellenleitern bei ungefähr 1562 nm ab. Dies hat dramatische Folgen für die Verstärkung von phasengekoppelten Lichtwellenleiterlaser-Impulsen, die sich typischerweise um längere Wellenlängen als 1550 nm herum befinden. Nach der Verstärkung derartiger Impulse tritt eine beträchtliche spektrale Verengung und eine Rückformung auf, was zu einer schlechten Qualität der rückkomprimierten Impul­ se führt.

Die kleinste Verstärkungs-Verengung tritt dann auf, wenn das Impulsspektrum zur Anpassung des Verstärkungsmaximums des Lichtwellenleiter-Verstärkungsspektrums optimal gewählt wird (stimuliertes Emissions-Querschnittsspektrum). Außerdem sollte für denselben Zweck die Verstärkungsbandbreite idea­ lerweise viel breiter als das Impulsspektrum sein. Eine mögliche Lösung besteht darin, den Lichtwellenleiter-Verstär­ ker im Betriebsbereich mit gesättigter Leistung zu betreiben, was die spektrale Impulsantwort des Verstärkers verflacht. In dieser Hinsicht wurde herausgefunden, daß eine Zweistufen- Verstärkung vorteilhaft ist, wenn beide Stufen in der Sät­ tigung betrieben werden. Es ist ebenfalls möglich, optische Filter zur Rückformung des Impulsspektrums während der Ver­ stärkung zu verwenden, damit die Spektralkennlinie des Licht­ wellenleiter-Verstärkers angepaßt wird. Eine andere Lösung besteht darin, verschiedene Grundmaterialien oder Dotier­ stoffe entweder zum Erhalt einer flachen und breiten Ver­ stärkung oder zur Kombination von unterschiedlichen Licht­ wellenleitern zu verwenden.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 wurde zur Verstär­ kung im Femtosekunden-Bereich ein einzeln dotierter Licht­ wellenleiter mit einem geringeren Pumplicht-Manteldurchmesser als der der kodotieren Lichtwellenleiter verwendet. Ein Leistungsverstärker 700 wurde aus hochdotiertem (Er³⁺-Dotier­ pegel von 1000 ppm) Doppelmantel-Erbium-Lichtwellenleiter 710 aufgebaut. Nur der Mittelkern C1 weist eine Erbium-Dotierung auf. Der innere Mantel weist einen Durchmesser von nur 20 µm auf, was eine effektive Einkopplung von Pumplicht in den Man­ tel ohne die Verwendung von Yb³⁺ als Kodotierstoff gestattet. Dieser Lichtwellenleiter 710 behält das breite Verstärkungs­ spektrum und den hohen Pumplicht-Signal-Umwandlungs-Wir­ kungsgrad eines einzeln dotierten Siliziumoxid-bzw. Silika- Lichtwellenleiters bei. Außerdem entspricht das Verstärkungs­ spektrum dem Spektrum des vorliegenden phasengekoppelten Lichtwellenleiter-Oszillators, wodurch eine unerwünschte spektrale Verengung verringert wird. In den Lichtwellenleiter 710 wurde mit (nicht dargestellten) zwei gemultiplexten Polarisations-Einzelmoden-MOPA-Laserdioden Pumplicht einge­ koppelt, die eine Gesamtleistung von 1,6 W bei 980 nm erzeu­ gen. Das Mantel-Pumplicht-Verfahren gemäß diesem Ausführungs­ beispiel gewährleistete eine sehr effektive (nahezu 100%) Einkopplung des Einzelmoden-Pumplichts. Eine effektive Ein­ kopplung eines Mehrmoden-Laserdioden-Strahls kann wahlweise unter Verwendung von Strahlformungs-Techniken erreicht wer­ den, wie in "CLEO ′94", "Novel beam shaping technique for high-power diode bars", von W. Clarkson u. a. offenbart wurde.

Ein vorteilhaftes Merkmal der Verwendung eines einzeln do­ tierten Lichtwellenleiters gemäß diesem Ausführungsbeispiel besteht darin, daß andere Grundmaterialien als Siliziumoxid­ glas verwendet werden können. Beispielsweise kann ebenfalls ein mit Er dotierter Fluoridglas-Lichtwellenleiter als Dop­ pelmantel-Lichtwellenleiter mit einem kleinen Mantel herge­ stellt werden. Der Vorteil des Fluorid-Basismaterials besteht darin, daß die Verstärkungsbandbreite ungefähr zwei bis dreimal größer als die des mit Er dotierten Lichtwellen­ leiters auf Grundlage von Siliziumoxid ist. Dies ist zur drastischen Verringerung des verstärkungsverengenden Effekts sehr wichtig. Mit Fluorid-Lichtwellenleitern kann die Dauer der Impulse nach dem System mit zeitproportionaler Frequenz­ modulations-Verstärkung so gering wie 100 fs sein.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Anordnung war die (nicht dargestellte) Impulsquelle für die zeitproportionale Fre­ quenzmodulations-Verstärkung ein passiv phasengekoppelter Lichtwellenleiter-Oszillator, der anfängliche Impulse mit einer Halbwertsbreite (FWHM) von 200 fs und einer Energie von 20 pJ bei einer einstellbaren Frequenz von 5 bis 50 MHz er­ zeugt. Impulse werden bis zu ungefähr 50 ps in einem 5 mm langen genau zeitproportional frequenzmodulierten Lichtwel­ lenleiter-Bragg-Gitter 720 mit einer Bandbreite von 17 nm gedehnt. Reflektierte Impulse werden in einen Vorverstärker 730 unter Verwendung eines Polarisations-Strahlenteilers FPBS 740 mit Faseranschluß und Lichtwellenleiter-Polarisations- Steuereinrichtungen 750 (anstelle von Gruppen-Polarisations- Strahlenteilern und Wellenplatten) injiziert. Der Vorver­ stärker 730 wird zur Erhöhung der Eingangsleistung auf den Pegel verwendet, der zur Sättigung des Leistungsverstärkers 700 ausreicht. Der Leistungsverstärker 700 wurde in demselben Doppelstufen-Aufbau wie bei dem vorstehend beschriebenen mit Er/Yb kodotierten System aufgebaut. Ein bemerkenswertes Merkmal des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 7 besteht darin, daß irgendeine Länge des Lichtwellenleiters mit positiver Dispersion vor die Vorverstärkerstufe 730 zur Kompensation der negativen Dispersion sämtlicher anderer Lichtwellenleiter in dem System zwischen einer Gitter-Dehnungseinrichtung 720 und einem Komprimierer 760 eingefügt wird.

Die in den Leistungsverstärker 700 injizierte erhältliche durchschnittliche Eingangsleistung betrug bis zu 10 mW. Der Leistungsverstärker 700 hebt die durchschnittliche Signal­ leistung auf einen Pegel von 0,45 W an. Nach Rückkompri­ mierung in einem negativ zeitproportional frequenzmodulierten Lichtwellenleiter-Bragg-Gitter 760 wurde eine durchschnittli­ che Ausgangsleistung von 0,26 erreicht. Die sich ergebende Durchsatzleistung war wegen der Reflektivität des Gitters von ungefähr 80% und des Wirkungsgrades der Kopplung in den Faseranschluß des Gitters von ungefähr 80% auf 60% be­ schränkt. Impulsenergien von 5,2 nJ wurden mit einer Frequenz von 50 MHz erhalten. Durch Senkung der Frequenz wurde die Impulsenergie auf 20 nJ erhöht, was die maximale Grenze für diese Dauer der gedehnten Impulse wegen nichtlinearer Effekte war. Die Impulsbreiten nach der Rückkomprimierung betrugen 380 fs. Diese Zunahme der Impulsdauer bezüglich der anfängli­ chen 200 fs war ein Ergebnis der Verengung der Verstärkung wegen der begrenzten Verstärkungsbandbreite des Lichtwellen­ leiter-Verstärkers 700.

Bei dem Hochleistungs-Lichtwellenleitersystem mit zeitpropor­ tionaler Frequenzmodulations-Verstärkung gemäß Fig. 7 wurden die Parameter zur Beseitigung oder zur Verringerung von nichtlinearen Effekten an dem Ende der zweiten Stufe ange­ ordnet. Bei einem korrekt ausgelegten System sollte der der gesättigten Ausgangsleistung entsprechende Impulsfluß ge­ ringer als der Fluß bei dem Schwellwert der nichtlinearen Wechselwirkung in einem Lichtwellenleiterkern sein. Nicht­ linearitäten, die bei hohen Flußpegeln auftreten, sind Eigen­ phasenmodulation (für kurze Impulse), Instabilität der Modu­ lation (für längere Impulse) und stimulierte Raman-Streuung. Die ersten beiden Effekte werden durch die Abhängigkeit der Intensität von dem Brechungsindex eines optischen Materials verursacht. Ihre allgemeine Wirkung besteht darin, eine spektrale Verbreiterung und Phasen-Nichtlinearitäten hervor­ zurufen, was zu verbreiterten und rückgeformten rückkompri­ mierten Impulsen führt. Typischerweise werden Satelliten- bzw. Nebenimpulse, Modulations-Seitenbänder und ein Hinter­ grund mit geringer Intensität erzeugt, der einen beträchtli­ chen Teil der Impulsenergie enthält. Die stimulierte Raman- Streuung verstreut Impulsenergie in Spektralbänder außerhalb des Verstärkungsbandes, was einen unkomprimierbaren Hinter­ grund und einen Verlust vom Impulsenergie verursacht.

Gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung werden diese nichtlinearen Effekte durch Verringerung der Länge der nicht­ linearen Wechselwirkung durch Verringerung der Länge des Lichtwellenleiter-Verstärkers und Erhöhung des Dotierpegels vermieden, damit der Fluß in dem Lichtwellenleiterkern durch geeignete Auslegung des Mantel-Pumplicht-Lichtwellenleiters mit einer vergrößerten räumlichen Quer-Ausbreitung einer Ausbreitungs-Mode und durch Verwendung einer ausreichenden Impulsdehnung zur Vermeidung von hohen Spitzenleistungen verringert wird. Außerdem wurden Frequenzen der Impulse zur Verringerung des Impulsflusses bei hohen Leistungspegeln eingestellt. Bei erfindungsgemäßen Systemen sollte, wenn eine Einkopplung von Pumplicht in den Mantel ohne Kodotierung durchgeführt wird, die Länge des Lichtwellenleiters ausrei­ chend lang sein, damit gestattet wird, daß eine ausreichende Anzahl von Reflexionen des Pumplichts innerhalb des ersten Mantels effektiv absorbiert wird, wenn der dotierte Mittel­ kern gekreuzt wird. Dies kann mit dem Erfordernis eines kürzeren Lichtwellenleiters für eine geringere nichtlineare Wechselwirkung nur durch eine geeignete Wahl der Lichtwellen­ leiterlänge, des Dotierpegels des Mittelkerns und des Ver­ hältnisses zwischen den Durchmessern des Mantels und dem Mittelkern vereinbart werden.

Die optimierte Länge des Lichtwellenleiters 710 der zweiten Stufe betrug 3,8 m bei einem Dotierpegel von 1000 ppm. Quer­ profile des Pumplicht-Mantels und des Mittelkerns des Licht­ wellenleiters 710 sind in Fig. 8 dargestellt. Die Unter­ schiede des Brechungsindizes zwischen dem Mittelkern und dem ersten Mantel wurden derart ausgewählt, daß sie eine Trans­ versalmode erzeugen, die um ungefähr 40% größer als bei einem Standard-Einzelmoden-Lichtwellenleiter ist. Eine weitere Zunahme des Modendurchmessers wurde durch die gestiegene Beugung zu Mantel-Moden höherer Ordnung begrenzt. In Folge dieser Optimierung erzeugten zur Impulsdehnung und Rückkom­ primierung verwendete linear zeitproportional frequenzmodul­ ierte Lichtwellenleiter-Gitter von 5 mm ausreichend niedrige Spitzenleistungen bei den höchsten Frequenzen von phasenge­ koppelten Impulsen. Wegen der vorstehend diskutierten Berück­ sichtigungen der Anpassung von Impulsen und Verstärkungs­ spektra wurden Gitter-Reflexionsspektra derart ausgewählt, daß sie mit dem spektralen Verstärkungsmaximum übereinstim­ men.

Lichtwellenleiter, in deren Mantel Pumplicht eingekoppelt wird, werden zur zeitproportionalen Frequenzmodulations-Ver­ stärkung von ultrakurzen optischen Impulsen verwendet, was die durchschnittliche Ausgangsleistung um eine Größenordnung erhöht und die Kosten von Pumplichtquellen wesentlich ver­ ringert. Mit Er/Yb kodotierte Pumplicht-Lichtwellenleiter- Verstärker mit großflächigen Mehrmoden-Dioden und mit Er do­ tierte Hochleistungs-MOPA-Pumplicht-Lichtwellenleiter-Ver­ stärker werden zum Erreichen einer zeitproportionalen Fre­ quenzmodulations-Verstärkung verwendet.

Claims (22)

1. Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation, das ultrakurze Impulse erzeugt und eine gedehnte Impulse erzeugende Quelle, eine Leistungsverstärker stufe zur Verstärkung der Impulse und einen die aus der Leistungsverstärkerstufe empfangenen gedehnten Impulse kom­ primierenden Komprimierer aufweist, wobei die Leistungs­ verstärkerstufe einen Doppelmantel-Lichtwellenleiter und eine Pumplichtquelle aufweist.

2. Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 1, mit einer Einrichtung zur Übertragung der gedehnten Impulse und einem Ausgang der Pumplichtquelle zu einer Eingangsseite des Doppelmantel- Lichtwellenleiters zur Verstärkung der gedehnten Impulse, sowie einer Einrichtung zur Kopplung einer Ausgangsseite des Doppelmantel-Lichtwellenleiters zu dem Komprimierer zur Übertragung der gedehnten Impulse aus der Ausgangsseite des Doppelmantel-Lichtwellenleiters in den Komprimierer.

3. Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 2, wobei die Pumplichtquelle eine großflächige Laserdiode oder eine Laserdioden-Anordnung aufweist.

4. Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 3, wobei der Komprimierer zeitproportional frequenzmodulierte Bragg-Gitter aufweist.

5. Hochleistungs-Verstärkersystem mit Zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 3, wobei der Komprimierer eine Hybridkombination aus einem Lichtwellenleiter-Gitter und einem Beugungsgitter aufweist.

6. Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 5, wobei das Beugungsgitter ein Übertragungs-Beugungsgitter aufweist.

7. Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 3, mit einem sich vor dem Leistungsverstärker befindenden Vorverstärker, wobei der Vor­ verstärker einen dotierten Einzelmantel-Lichtwellenleiter und eine Einzeltransversalmoden-Laserdioden-Pumplichtquelle auf­ weist.

8. Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 7, wobei ein Mittelkern des Doppelmantel-Lichtwellenleiters ein mit Yb/Er kodotierter Lichtwellenleiter ist.

9. Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 3, wobei die Quelle eine einstellbare Laserdiode aufweist.

10. Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 1, mit einem an den Ver­ stärker gekoppelten Polarisations-Strahlenteiler, wobei der Komprimierer an eine erste Seite des Polarisations-Strahlen­ teilers und der Leistungsverstärker an den Polarisations- Strahlenteiler an eine der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite gekoppelt ist.

11. Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 10, mit einer zwischen dem Polarisations-Strahlenteiler und dem Leistungsverstärker an­ geordneten ersten Wellenplatte und einer zwischen dem Kompri­ mierer und dem Polarisations-Strahlenteiler angeordneten zweiten Wellenplatte.

12. Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 11, mit einem zwischen der Pumplichtquelle und dem Doppelmantel-Lichtwellenleiter ange­ ordneten dichroitischen Spiegel.

13. Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 12, wobei die Vorverstär­ kerstufe einen dotierten Einzelmoden-Lichtwellenleiter und eine Laserdioden-Pumplichtquelle aufweist, und wobei ein erster Isolator an einem Eingang der Vorverstärkerstufe und ein zweiter Isolator an einem Ausgang der Vorverstärkerstufe angeordnet ist.

14. Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 13, wobei ein Mittelkern des Doppelmantel-Lichtwellenleiters ein mit Yb/Er kodotierter Lichtwellenleiter ist.

15. Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 14, wobei die Quelle eine einstellbare Laserdiode aufweist.

16. Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 13, wobei ein Mittelkern des Doppelmantel-Lichtwellenleiters ein einzeln dotierter Licht­ wellenleiter ist.

17. Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 16, wobei der einzeln do­ tierte Lichtwellenleiter ein Fluoridglas-Lichtwellenleiter ist.

18. Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 1, mit einem Dispersionskor­ rektur-Lichtwellenleiter.

19. Komprimiereinrichtung zur Kompression von Laser-Impulssi­ gnalen mit:
einem Lichtwellenleiter-Gitter zur Kompression des Im­ pulssignals auf eine Dauer unter dem Schwellwert von nichtli­ nearen Effekten in dem Lichtwellenleiter-Gitter und
einem das durch das Lichtwellenleiter-Gitter kompri­ mierte Impulssignal empfangenden Beugungsgitter zur weiteren Kompression des Impulssignals.

20. Komprimiereinrichtung nach Anspruch 19, wobei das Beu­ gungsgitter ein Reflexionsgitter aufweist.

21. Komprimiereinrichtung nach Anspruch 19, wobei das Beu­ gungsgitter ein Übertragungsgitter aufweist.

22. Komprimiereinrichtung nach Anspruch 19, mit einem zwi­ schen dem Lichtwellenleiter-Gitter und dem Beugungsgitter angeordneten Polarisations-Strahlenteiler und einer zwischen dem Polarisations-Strahlenteiler und dem Lichtwellenleitern Gitter angeordneten Wellenplatte.