DE19619983B4

DE19619983B4 - Hochleistungs-Lichtwellenleiter-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation auf Grundlage von mit seltenen Erden dotierten Mantel-Pumplicht-Lichtwellenleitern

Info

Publication number: DE19619983B4
Application number: DE19619983A
Authority: DE
Inventors: Donald J. Dr. Ann Arbor Harter; Martin E. Dr. Ann Arbor Fermann; Almantas Dr. Ann Arbor Galvanauskas
Original assignee: IMRA America Inc
Current assignee: IMRA America Inc
Priority date: 1995-05-19
Filing date: 1996-05-17
Publication date: 2011-02-24
Anticipated expiration: 2016-05-18
Also published as: JPH09105964A; JP2013153196A; JP2008034867A; JP4053619B2; DE19619983A1; US5696782A

Abstract

Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation, das ultrakurze Impulse von fs bis ps, mit hoher Energie von nJ bis μJ erzeugt und eine gedehnte Impulse erzeugende Quelle, eine Leistungsverstärkerstufe (640; 700) zur Verstärkung der Impulse und einen die aus der Leistungsverstärkerstufe (640; 700) empfangenen gedehnten Impulse komprimierenden Komprimierer (670; 760) aufweist, wobei die Leistungsverstärkerstufe einen Doppelmantel-Lichtwellenleiter (650) und eine Pumplichtquelle aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine zeitproportionale Frequenzmodulations-Verstärkung bzw. ein Pulskompressionsverfahren von ultrakurzen optischen Impulsen und insbesondere eine zeitproportionale Frequenzmodulations-Verstärkung unter Verwendung von Mantel-Pumplicht-Lichtwellenleitern, d. h. Lichtwellenleitern, 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 Leistungsfähigkeit 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 Telekommunikationssysteme 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 ungedämpften Wellen (CW, ”Continuous Wave”) betrafen. Die Anstrengungen 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 Ausgangsleistungen geführt, wie in der Snitzer u. a. erteilten US-4 815 079 offenbart ist.
Doppelmantel-Lichtwellenleiteranordnungen gestatten die Verwendung von Diodenanordnungen mit geringer Helligkeit als Pumplichtquellen, bei denen das Pumplicht in einen Führungsmantel anstelle in den Lichtwellenleiterkern injiziert wird. Auf diese Weise wird eine Helligkeitsumwandlung von einem Mehrmoden-Diodenlaser in einen Einzelmoden-Lichtwellenleiterlaser effektiv erreicht. Der einzige durch die Verwendung von Mantel-Pumplicht-Lichtwellenleiterlasern verbundene Nachteil besteht darin, daß die effektive Absorption durch das Verhältnis der Kerngröße zur Mantelgröße verringert wird, das typischerweise ein Faktor von 100 ist. Deswegen müssen zur Herstellung eines effektiven Lichtwellenleiter-Lasers Lichtwellenleiterlängen von bis zu dem einhundertfachen von dem von Einzelmantel-Lichtwellenleiteranordnungen verwendet werden.
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 herkömmlichen Systemen ist das Lasersignal eine getastete ungedämpfte 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 berücksichtigen, 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 erforderlich. In dem Fall von optischen parametrischen bzw. Recktanz-Verstärkern sind Impulse von unter einer Pikosekunde und Impulsenergien 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 nichtlinearen 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 Umsetzung 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 ultrakurzen 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 Verwendung von einer schnellen Abstimmung der Sende- bzw. Emissions-Wellenlänge, des Umschaltens der Verstärkung oder der Phasenkopplung erzeugt werden. Jedoch können Impulse einer Femtosekunde und einer Pikosekunde aus Lichtwellenleiterlasern 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-Verstärker 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 werden. Die maximalen Leistungen und Impulsenergien bei Halbleiter-Laserquellen sind typischerweise auf ungefähr 10 mW bzw. 100 pJ durch nichtlineare Effekte, Sättigung der Verstärkung und einen geringen Schwellwert für einen sprunghaften Vollausfall begrenzt. Dagegen können Lichtwellenleiter Impulsenergien von bis zum Mikrojoule-Pegel und Durchschnittsleistungen über 1 W erzeugen. Jedoch können Lichtwellenleiter-Laser mit Phasenkopplung nur begrenzte Impulsenergien (100 pJ bis 1 nJ) und relativ geringe durchschnittliche Leistungen (unter 100 mW) erzeugen, weil sie auf nichtlinearen 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 Frequenzmodulations-Verstärkung mit Lichtwellenleiterverstärkern kann von dem Potential von Lichtwellenleitern zur Erhöhung von Impulsenergien und durchschnittlichen Leistungen aus kompakten 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 Frequenzmodulations-Verstärkung werden ultrakurze Impulse vor der Verstärkung gedehnt, dann verstärkt und schließlich vor der Übertragung zurückkomprimiert. Durch Verstärkung von gedehnten Impulsen mit relativ langer Dauer wird die Spitzenleistung in dem Verstärker relativ niedrig gehalten, so daß nichtlineare Effekte und eine Zerlegung des Impulses verhindert werden. Jedoch müssen wegen der physikalischen Eigenschaften von Lichtwellenleitern und Lichtwellenleiter-Verstärkern eine Anzahl von Problemen und Beschränkungen zur Implementierung der zeitlichen Frequenzmodulations-Verstärkung in Lichtwellenleitern überwunden werden: bei hohen Spitzenleistungen in Lichtwellenleitern auftretende nichtlineare Effekte, durch ASE beschränkte Verstärkung, Erhöhung der Dauer des zurückkomprimierten Impulses wegen eines die Verstärkung begrenzenden Effektes, begrenzte Ausgangsleistungen 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 zeitproportionale 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 Ausgangsleistung von 10 bis 100 mW angewandt. Eine Beschreibung dieser 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 Ultrahighpower Laser Systems” von A. Galvanauskas, ”Int. Soc. of Optical Engineering Conf. on Lasers and Appl.”, OE LASE 94, San Jose, 1995, Veröffentlichung 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 Lichtwellenleiterverstärker 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 Pumpleistungen nicht erforderlich. Tatsächlich kann eine maximale Verstärkung des Verstärkers unter Verwendung von niedrigen Frequenzen bzw. Wiederholraten und dem Opfern der durchschnittlichen 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 Impulsfrequenzen 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 Frequenzmodulations-Verstärkung verringert werden.
Das erfindungsgemäße System erreicht hohe Leistungen mit zeitproportionaler Frequenzmodulations-Verstärkung auf Grundlage von Lichtwellenleitern unter Verwendung von Mantel-Pumplicht-Lichtwellenleitern zur Aufnahme des Multimoden-Diodenlaser-Ausgangssignals mit Pumplicht, wodurch hohe Pumpleistungen und hohe Ausgangsleistungen mit ausgesprochen geringen Kosten erreicht werden. Das offenbarte und beanspruchte neue System implementiert eine richtige Integration von Mantel-Pumplicht-Lichtwellenleiterverstärkern mit dem System mit zeitproportionaler Frequenzmodulations-Verstärkung, während eine kurze Dauer und die Qualität der verstärkten optischen Impulse beibehalten werden. Darüber hinaus demonstrieren die offenbarten Ausführungsbeispiele eine Verwendung eines Hybrid-Lichtwellenleiter-Gitters und Beugungsgitter-Anordnungen zur Impulskomprimierung zum Erreichen einer Kompaktheit des Systems, ohne die maximale Spitzenleistung der verstärkten und zurückkomprimierten optischen ultrakurzen Impulse zu opfern.
Die offenbarten Ausführungsbeispiele demonstrieren Systemanordnungen, die die Verwendung von Doppelmantel-Lichtwellenleiteranordnungen als Hochleistungsverstärker für Laserimpulse mit hoher Leistung gestatten. Diese Ausführungsbeispiele verwenden mehrere Abwandlungen der zeitproportionalen Frequenzmodulations-Verstärkungstechnologie, d. h. ultrakurze optische Impulse werden (unter Verwendung beispielsweise von Bragg-Gittern mit zeitproportional frequenzmodulierten Lichtwellenleitern) 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 Impulsbreite 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 Hochenergie-Speichermöglichkeiten von Einzelmoden-Lichtwellenleitern kombiniert werden, und Impulse mit ultrahohen Spitzenleistungen und Impulsenergien können mit einer noch nicht dagewesenen Einfachheit erzeugt werden. Die offenbarte Technologie erfordert keine besonderen Lichtwellenleiter-Anordnungen, beispielsweise eine Anordnung des Kerns außerhalb des Mittelpunkts, wie in dem Snitzer u. a. erteilten, vorstehend erwähnten 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 Beschichtung mit einem geringen Index auf, wie sie vor der Anwendung von Beschichtungen aus Acrylat für Lichtwellenleiter weit verbreitet war.
1 zeigt eine Abbildung, die eine Anordnung eines für Mantel-Pumplicht geeigneten Lichtwellenleiters darstellt.
2(a) zeigt eine Abbildung einer herkömmlichen Anordnung für Pumplicht unter Verwendung eines Ein zelmoden-Lichtwellenleiters mit einer Einzelraummoden-Laserdiode.
2(b) zeigt eine Abbildung eines herkömmlichen Doppelmantel-Lichtwellenleiterverstärkers mit einer Mehrmoden-Laserdiodenanordnung oder einer großflächigen Diode.
3 zeigt eine Abbildung eines Zweistufen-Leistungsverstärkers auf Grundlage von Lichtwellenleitern unter Verwendung von zeitproportionaler Frequenzmodulations-Verstärkung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Einzelstufen-Aufbau dargestellt ist,
4 zeigt eine Abbildung eines Zweistufen-Leistungsverstärkers auf Grundlage von Lichtwellenleitern unter Verwendung von zeitproportionaler Frequenzmodulations-Verstärkung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Doppelstufen-Aufbau dargestellt ist.
5 zeigt eine Abbildung eines neuen Hybrid-Lichtwellenleiter-Gitters und einer Beugungsgitter-Anordnung zur Komprimierung von Impulsen mit hoher Energie.
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-Lichtwellenleiter darstellt, der die Vorteile der Erfindung demonstriert.
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 phasengekoppelten Lichtwellenleiteroszillator darstellt, der die Vorteile der Erfindung demonstriert.
8 zeigt ein Diagramm, das ein Querprofil des einzeldotierten Mantel-Pumplicht-Lichtwellenleiters darstellt, der bei den experimentellen Anordnungen gemäß 5 und 6 verwendet wurde.
Ein zur Implementierung der vorliegenden Erfindung geeigneter Doppelmantel-Lichtwellenleiter ist in 1 dargestellt. Der Lichtwellenleiter gemäß 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-Beschichtung 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 Lichtwellenleiters 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 Verbesserung der Pumplicht-Absorption in dem Mittelkern ein nützliches 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 Umwandlung eines Pumplichtstrahls mit geringer Helligkeit in einen Strahl mit hoher Helligkeit verwendet worden. Dieses Konzept kann durch eine Gegenüberstellung von 2(a) mit 2(b) veranschaulicht werden. In 2(a) ist ein herkömmliches Einzelmoden-Pumplicht-Verfahren dargestellt. Ein Ausgangssignal aus einer Einzelraummoden-Pumplichtdiode 200 wird in einen Einzelmoden-Lichtwellenleiter 205 eingekoppelt. Der Einzelmoden-Lichtwellenleiter 205 weist einen Einzelmoden-Kern 210 und einen einzelnen Mantel 215 auf. Der Einzelmoden-Lichtwellenleiter ist an beiden Enden durch dichroitische Spiegel 220 begrenzt. Abgesehen von der geringen Pumpleistung 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-Wirkungsgrad erreicht werden kann.
Ein verbesserter Kopplungs-Wirkungsgrad kann durch Verwendung der in 2(b) dargestellten Doppelmantel-Lichtwellenleiteranordnung erreicht werden. Die Anordnung gemäß 2(b) verwendet eine Laserdioden-Anordnung 225 anstelle einer Einzelmodendiode. Der Pumplichtstrahl mit geringer Helligkeit der Diodenanordnung 225 wird einem Doppelmantel-Lichtwellenleiter 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 1 dargestellten Doppelmantel-Lichtwellenleiter sein.
Bei der Anordnung gemäß 2(b) kann eine effektive Einkopplung 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-Wellenlänge, 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 kreisförmige Ausgangsstrahlen hoher Qualität aufweisen, die für eine effektive Einkopplung in einen Einzelmoden-Lichtwellenleiterkern 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 3 ist ein Zweistufen-Mantel-Pumplicht-Systemaufbau mit zeitproportionaler Frequenzmodulations-Verstärkung mit Einzelstufen-Leistungsverstärkung dargestellt. In 4 ist das System mit einem Doppelstufen-Leistungsverstärker dargestellt, wobei ähnliche in 3 dargestellte Elemente dieselben Bezugszahlen aufweisen. Das Doppelstufensystem ist vorzuziehen, da es Leistung aus der letzten Stufe effektiver entnimmt.
Gemäß 3 und 4 besteht das System aus einer Impulsquelle 10 mit zeitproportionaler Frequenzmodulation, einer Vorverstärkerstufe 20, einer Leistungsverstärkerstufe 30a sowie 30b und einem (in 3 nicht dargestellten) Komprimierer 40. In 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 4 einen Polarisation-Strahlenteiler 90 und Wellenplatten 100 sowie 110 auf.
Bei den erfindungsgemäßen Anordnungen mit zeitproportionaler Frequenzmodulations-Verstärkung ist gemäß 3 und 4 eine optische Rückkopplung durch bekannte Einrichtungen ausgeschlossen. Durch Injektion des Signalstrahls in den Einzelmodenkern und des Pumplichtstrahls in den Mehrmodenmantel wird eine ähnliche Helligkeitsumwandlung erreicht, und ein Strahl geringer Leistung mit Impulsen von Femtosekunden oder Pikosekunden wird in einen Strahl mit hoher Leistung umgewandelt. Die Verbesserung der Ausgangsleistung verglichen mit herkömmlicher zeitproportionaler Frequenzmodulations-Verstärkung mit Einzelmoden-Lichtwellenleitern herkömmlicher Geometrie beträgt 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 frequenzmodulierten 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 zeitproportionale 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 Spitzenleistungen 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 Lichtwellenleiter-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 5 ist eine bevorzugte Anordnung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung dargestellt, wobei eine Hybridkombination von Lichtwellenleiter-Gitter- und Beugungsgitter-Komprimierern verwendet wird. Ein verstärkter gedehnter Impuls 500 wird zuerst mit dem Lichtwellenleitergitter-Komprimierer 510 auf eine Dauer unter dem Schwellwert von nichtlinearen Effekten in dem Lichtwellenleiter-Komprimierer vorkomprimiert (auf ungefähr 10 bis 50 ps). Die Endkomprimierung wird durch einen Beugungsgitter-Komprimierer 520 erreicht, der zur Komprimierung relativ kurzer Impulse dient und sehr kompakt ist. Herkömmliche metallische Reflexionsgitter können für den Beugungsgitter-Komprimierer 520 verwendet werden. Jedoch sind Übertragungs-Beugungsgitter vorzuziehen, die derzeit ebenfalls 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 Leistungsverstärkers unzureichend ist, der in einem Bereich der Betriebsbedingungen der Ausgangsleistung von 10 mW bis 1 W arbeitet. 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 effektiven Leistungsentnahme erforderlich. Es sei jedoch bemerkt, daß bestimmte Lichtwellenleiter-Oszillatoranordnungen bestehen, die ausreichend hohe Ausgangsleistungen im Bereich von 1 bis 50 mW erzeugen, was zur Sättigung des Leistungsverstärkers ohne die Verwendung eines Vorverstärkers ausreicht. Weil das erfindungsgemäße System sich wiederholende Impulse anstelle 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 Frequenzmodulation-Verstärkung mit einem mit Er/Yb kodotiertem Mehrstreifendioden-Pumplicht-Lichtwellenleiterverstärker und ein System mit zeitproportionaler Frequenzmodulation-Verstärkung mit hoher Durchschnittsleistung mit einem mit Er dotiertem Mantel-Pumplicht-Lichtwellenleiter erfolgreich aufgebaut. Diese Systeme sind nachstehend unter Bezug auf 6bzw. 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 Pikosekunden-Bereich mit mit Er/Yb kodotiertem Pumplicht-Doppelmantel-Lichtwellenleiter und großflächiger Diode
Die durch die Erfinder entwickelte Anordnung eines Mantel-Pumplicht-Systems mit zeitproportionaler Frequenzmodulations-Verstärkung im Pikosekunden-Bereich ist in 6 dargestellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Mittelkern C1 eines Verstärker-Lichtwellenleiters 550 mit Yb³⁺ zur effektiven Absorption des Pumplichts und zur Übertragung der Lichterregung auf Er⁺-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-Lichtwellenleitern zur Trennung bzw. Kombination von Pumplicht- und Signal-Wellen verwendet werden. Zwei dichroitische Spiegel zur Addition des Pumplichts können sich an jedem Ende des Mantel-Pumplicht-Lichtwellenleiters befinden. Dagegen verwenden herkömmliche Einzelmoden-Lichtwellenleitersysteme Lichtwellenleiter-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 Erhalt der Signalausbreitung in dem Mittelkern verwendet werden. Andere Verfahren als dichroitische Spiegel können ebenfalls mit derselben Wirkung verwendet werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wurden zeitproportional frequenzmodulierte Impulse durch direkte zeitproportionale Frequenzmodulation der Aussendung einer abstimmbaren Laserdiode 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 Leistungsverstärkerstufe 640 wurde in einer Doppelstufen-Geometrie aufgebaut. 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 Signals 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 Polarisations-Strahlenteilers BPS und zweier Wellenplatten 660 wurde der verstärkte Strahl von dem eintreffenden Strahl getrennt und in den Komprimierer 670 eingegeben. In 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 Beugungsgitter oder ein zeitproportional frequenzmoduliertes Lichtwellenleiter-Bragg-Gitter sein. Bei zusätzlichen zwei Wellenplatten 665 wurde der aus dem Komprimierer reflektierte Strahl zu dem Ausgang des Systems gerichtet. Veränderungen des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels sind ebenfalls möglich. Beispielsweise können die Wellenplatten 660 mit Faraday-Rotatoren ersetzt werden. Eine Anordnung mit Polarisations-Strahlenteiler und Wellenplatten (oder Faraday-Rotatoren) kann mit optischen Isolatoren ersetzt werden, die gegenüber einer Polarisierung des rückgerichteten Lichts unempfindlich sind und deren Verwendung die Anordnung vereinfacht.
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 Verstärkungsspektrums 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 Ausgangsimpulsenergie, wenn sich die Frequenz verringert. Bei 60 kHz erreichte 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 nichtlinearen 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-Lichtwellenleiter-Verstärker mit Laserdioden-MOPA erhalten werden, wie in ”Optics Letters”, ”Hybrid diode-laser fiber-amplifier source of high-energy ultrashort pulses”, von A. Galvanauskas, 15. Juli 1994 berichtet wurde. Der Hauptvorteil des Systems gemäß diesem Ausführungsbeispiel besteht in den geringeren Kosten in einer Größenordnung für die Pumplichtquelle 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-Verstärkung 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 einzeln dotierten Siliziumoxid- bzw. Silika-Lichtwellenleitern verringert sind. Außerdem ist ein Betrieb irgendeines Lichtwellenleiter-Verstärkers bei einem System mit zeitproportionaler Frequenzmodulations-Verstärkung im Femtosekunden-Bereich viel komplexer als eine Verstärkung von schmalbandigen Signalen. Ein System mit zeitproportionaler Frequenzmodulations-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 Wellenlängen 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 Impulse 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 idealerweise viel breiter als das Impulsspektrum sein. Eine mögliche Lösung besteht darin, den Lichtwellenleiter-Verstärker 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 Sättigung betrieben werden. Es ist ebenfalls möglich, optische Filter zur Rückformung des Impulsspektrums während der Verstärkung zu verwenden, damit die Spektralkennlinie des Lichtwellenleiter-Verstärkers angepaßt wird. Eine andere Lösung besteht darin, verschiedene Grundmaterialien oder Dotierstoffe entweder zum Erhalt einer flachen und breiten Verstärkung oder zur Kombination von unterschiedlichen Lichtwellenleitern zu verwenden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 wurde zur Verstärkung im Femtosekunden-Bereich ein einzeln dotierter Lichtwellenleiter mit einem geringeren Pumplicht-Manteldurchmesser als der der kodotieren Lichtwellenleiter verwendet. Ein Leistungsverstärker 700 wurde aus hochdotiertem (Er³⁺-Dotierpegel 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 Mantel ohne die Verwendung von Yb³⁺ als Kodotierstoff gestattet. Dieser Lichtwellenleiter 710 behält das breite Verstärkungsspektrum und den hohen Pumplicht-Signal-Umwandlungs-Wirkungsgrad eines einzeln dotierten Siliziumoxid- bzw. Silika-Lichtwellenleiters bei. Außerdem entspricht das Verstärkungsspektrum dem Spektrum des vorliegenden phasengekoppelten Lichtwellenleiter-Oszillators, wodurch eine unerwünschte spektrale Verengung verringert wird. In den Lichtwellenleiter 710 wurde mit (nicht dargestellten) zwei gemultiplexten Polarisation-Einzelmoden-MOPA-Laserdioden Pumplicht eingekoppelt, die eine Gesamtleistung von 1,6 W bei 980 nm erzeugen. Das Mantel-Pumplicht-Verfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel gewährleistete eine sehr effektive (nahezu 100%) Einkopplung des Einzelmoden-Pumplichts. Eine effektive Einkopplung eines Mehrmoden-Laserdioden-Strahls kann wahlweise unter Verwendung von Strahlformungs-Techniken erreicht werden, wie in ”CLEO '94”, ”Novel beam shaping technique for highpower diode bars”, von W. Clarkson u. a. offenbart wurde.
Ein vorteilhaftes Merkmal der Verwendung eines einzeln dotierten Lichtwellenleiters gemäß diesem Ausführungsbeispiel besteht darin, daß andere Grundmaterialien als Siliziumoxidglas verwendet werden können. Beispielsweise kann ebenfalls ein mit Er dotierter Fluoridglas-Lichtwellenleiter als Doppelmantel-Lichtwellenleiter mit einem kleinen Mantel hergestellt werden. Der Vorteil des Fluorid-Basismaterials besteht darin, daß die Verstärkungsbandbreite ungefähr zwei bis dreimal größer als die des mit Er dotierten Lichtwellenleiters 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 Frequenzmodulations-Verstärkung so gering wie 100 fs sein.
Bei der in 6 dargestellten Anordnung war die (nicht dargestellte) Impulsquelle für die zeitproportionale Frequenzmodulations-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 erzeugt. Impulse werden bis zu ungefähr 50 ps in einem 5 mm langen genau zeitproportional frequenzmodulierten Lichtwellenleiter-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-Polarisation-Steuereinrichtungen 750 (anstelle von Gruppen-Polarisation-Strahlenteilern und Wellenplatten) injiziert. Der Vorverstärker 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 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 Signalleistung auf einen Pegel von 0,45 W an. Nach Rückkomprimierung in einem negativ zeitproportional frequenzmodulierten Lichtwellenleiter-Bragg-Gitter 760 wurde eine durchschnittliche 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% beschränkt. 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 anfänglichen 200 fs war ein Ergebnis der Verengung der Verstärkung wegen der begrenzten Verstärkungsbandbreite des Lichtwellenleiter-Verstärkers 700.
Bei dem Hochleistungs-Lichtwellenleitersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulations-Verstärkung gemäß 7 wurden die Parameter zur Beseitigung oder zur Verringerung von nichtlinearen Effekten an dem Ende der zweiten Stufe angeordnet. Bei einem korrekt ausgelegten System sollte der der gesättigten Ausgangsleistung entsprechende Impulsfluß geringer als der Fluß bei dem Schwellwert der nichtlinearen Wechselwirkung in einem Lichtwellenleiterkern sein. Nichtlinearitäten, die bei hohen Flußpegeln auftreten, sind Eigenphasenmodulation (für kurze Impulse), Instabilität der Modulation (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 hervorzurufen, was zu verbreiterten und rückgeformten rückkomprimierten Impulsen führt. Typischerweise werden Satelliten- bzw. Nebenimpulse, Modulation-Seitenbänder und ein Hintergrund mit geringer Intensität erzeugt, der einen beträchtlichen Teil der Impulsenergie enthält. Die stimulierte Raman-Streuung verstreut Impulsenergie in Spektralbänder außerhalb des Verstärkungsbandes, was einen unkomprimierbaren Hintergrund und einen Verlust vom Impulsenergie verursacht.
Gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung werden diese nichtlinearen Effekte durch Verringerung der Länge der nichtlinearen 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 ausreichend lang sein, damit gestattet wird, daß eine ausreichende Anzahl von Reflexionen des Pumplichts innerhalb des ersten Mantels effektiv absorbiert wird, wenn der dotierte Mittelkern gekreuzt wird. Dies kann mit dem Erfordernis eines kürzeren Lichtwellenleiters für eine geringere nichtlineare Wechselwirkung nur durch eine geeignete Wahl der Lichtwellenleiterlänge, des Dotierpegels des Mittelkerns und des Verhältnisses 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. Querprofile des Pumplicht-Mantels und des Mittelkerns des Lichtwellenleiters 710 sind in 8 dargestellt. Die Unterschiede des Brechungsindizes zwischen dem Mittelkern und dem ersten Mantel wurden derart ausgewählt, daß sie eine Transversalmode 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 Rückkomprimierung verwendete linear zeitproportional frequenzmodulierte Lichtwellenleiter-Gitter von 5 mm ausreichend niedrige Spitzenleistungen bei den höchsten Frequenzen von phasengekoppelten Impulsen. Wegen der vorstehend diskutierten Berücksichtigungen der Anpassung von Impulsen und Verstärkungsspektra wurden Gitter-Reflexionsspektra derart ausgewählt, daß sie mit dem spektralen Verstärkungsmaximum übereinstimmen.
Lichtwellenleiter, in deren Mantel Pumplicht eingekoppelt wird, werden zur zeitproportionalen Frequenzmodulations-Verstärkung von ultrakurzen optischen Impulsen verwendet, was die durchschnittliche Ausgangsleistung um eine Größenordnung erhöht und die Kosten von Pumplichtquellen wesentlich verringert. Mit Er/Yb kodotierte Pumplicht-Lichtwellenleiter-Verstärker mit großflächigen Mehrmoden-Dioden und mit Er dotierte Hochleistungs-MOPA-Pumplicht-Lichtwellenleiter-Verstärker werden zum Erreichen einer zeitproportionalen Frequenzmodulations-Verstärkung verwendet.

Claims

Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation, das ultrakurze Impulse von fs bis ps, mit hoher Energie von nJ bis μJ erzeugt und eine gedehnte Impulse erzeugende Quelle, eine Leistungsverstärkerstufe (640; 700) zur Verstärkung der Impulse und einen die aus der Leistungsverstärkerstufe (640; 700) empfangenen gedehnten Impulse komprimierenden Komprimierer (670; 760) aufweist, wobei die Leistungsverstärkerstufe einen Doppelmantel-Lichtwellenleiter (650) und eine Pumplichtquelle aufweist.
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 (650) zur Verstärkung der gedehnten Impulse, sowie einer Einrichtung zur Kopplung einer Ausgangsseite des Doppelmantel-Lichtwellenleiters (650) zu dem Komprimierer (670; 760) zur Übertragung der gedehnten Impulse aus der Ausgangsseite des Doppelmantel-Lichtwellenleiters (650) in den Komprimierer (670; 760).
Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 2, wobei die Pumplichtquelle eine großflächige Laserdiode oder eine Laserdioden-Anordnung aufweist.
Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 3, wobei der Komprimierer (670; 760) periodenmodulierte Bragg-Gitter aufweist.
Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 3, wobei der Komprimierer (670; 760) eine Hybridkombination aus einem Lichtwellenleiter-Gitter und einem Beugungsgitter aufweist.
Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 5, wobei das Beugungsgitter ein Übertragungs-Beugungsgitter aufweist.
Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 3, mit einem sich vor dem Leistungsverstärker (640; 700) befindenden Vorverstärker (610; 730), wobei der Vorverstärker (610; 730) einen dotierten Einzelmantel-Lichtwellenleiter (620) und eine Einzeltransversalmoden-Laserdioden-Pumplichtquelle (630) aufweist.
Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 7, wobei ein Mittelkern des Doppelmantel-Lichtwellenleiters (650) ein mit Yb/Er kodotierter Lichtwellenleiter ist.
Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 3, wobei die Quelle eine einstellbare Laserdiode aufweist.
Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 1, mit einem an den Verstärker gekoppelten Polarisations-Strahlenteiler, wobei der Komprimierer (670; 760) an eine erste Seite des Polarisations-Strahlenteilers und der Leistungsverstärker (640; 710) an den Polarisation-Strahlenteiler an eine der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite gekoppelt ist.
Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 10, mit einer zwischen dem Polarisation-Strahlenteiler und dem Leistungsverstärker (640; 710) angeordneten ersten Wellenplatte (660) und einer zwischen dem Komprimierer (670; 760) und dem Polarisations-Strahlenteiler angeordneten zweiten Wellenplatte (665).
Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 11, mit einem zwischen der Pumplichtquelle und dem Doppelmantel-Lichtwellenleiter (650) angeordneten dichroitischen Spiegel.
Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 12, wobei die Vorverstärkerstufe (610; 730) einen dotierten Einzelmoden-Lichtwellenleiter (620) und eine Laserdioden-Pumplichtquelle (630) aufweist, und wobei ein erster Isolator an einem Eingang der Vorverstärkerstufe (610; 730) und ein zweiter Isolator an einem Ausgang der Vorverstärkerstufe (610; 730) angeordnet ist.
Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 13, wobei ein Mittelkern des Doppelmantel-Lichtwellenleiters (650) ein mit Yb/Er kodotierter Lichtwellenleiter ist.
Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 14, wobei die Quelle eine einstellbare Laserdiode aufweist.
Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 13, wobei ein Mittelkern des Doppelmantel-Lichtwellenleiters (650) ein einzeln dotierter Lichtwellenleiter ist.
Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 16, wobei der einzeln dotierte Lichtwellenleiter ein Fluoridglas-Lichtwellenleiter ist.
Hochleistungs-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation nach Anspruch 1, mit einem Dispersionskorrektur-Lichtwellenleiter.