PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60121511T2 30.11.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001160940
Titel Optischer Verstärker mit stabförmigen, von der Endseite gepumpten Verstärkungsmedium
Anmelder Northrop Grumman Corp., Los Angeles, Calif., US
Erfinder Injeyan, Hagop (NMI), Glendale, CA 91208, US;
Hoefer, S., Carolyn, Malibu, CA 90265, US;
Palese, P., Stephen, Torrance, CA 90505, US
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Aktenzeichen 60121511
Vertragsstaaten DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 16.05.2001
EP-Aktenzeichen 011112828
EP-Offenlegungsdatum 05.12.2001
EP date of grant 19.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.11.2006
IPC-Hauptklasse H01S 3/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01S 3/0941(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H01S 3/23(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Verstärker zur Verwendung z. B. in einem Hochleistungs-Festkörperlaser und insbesondere einen optischen Verstärker, der eine längliche Platte aus einem Festkörper-Lasermaterial, z. B. einem mit Seltenerde dotierten Yttrium-Aluminium-Granat-(YAG-)Kristall, und eine Mehrzahl Diodenfelder zum Anregen des Festkörper-Lasermaterials zu einem metastabilen Zustand mit relativ hoher Energie enthält, bei dem das Pumplicht koaxial mit dem verstärkten Licht orientiert ist, was in relativ langen Absorptionslängen und somit höheren Gesamtwirkungsgraden resultiert und die Konfiguration besonders für optische Verstärker geeignet macht, die Festkörper-Lasermaterialien mit einer relativ niedrigen Abstraktionslänge wie z. B. Yb und Tm verwenden.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Optische Verstärker sind bekannt, die eine längliche im Allgemeinen rechteckige oder quadratische Platte eines Lasermaterials wie z. B. einen mit Seltenerde dotierten Yttrium-Aluminium-Granat-(YAG-)Kristall enthalten. Die Platten sind mit einer im Allgemeinen rechteckigen oder quadratischen Querschnittsfläche gebildet, die ein Paar gegenüberliegende Stirnflächen und vier seitliche Flächen definieren. Das Material für die Platte ist so gewählt, dass es einen relativ hohen Brechungsindex hat. Die Platte wird mit einem Kühlmedium gekühlt, das einen relativ niedrigen Brechungsindex hat. Diese Änderung des Brechungsindex an der Grenzfläche zwischen Platte und Kühlmittel führt dazu, dass auf eine Stirnfläche der Platte gerichtete einfallende Lichtstrahlen innen durch die Platte hindurch zickzackartig vollständig reflektiert werden. Die optischen Verstärker mit einer solchen Konfiguration sind deshalb als Zickzack-Verstärker bekannt geworden. Beispiele für Festkörperlaser, die solche Zickzack-Verstärker verwenden, sind in den U.S.-Patenten Nr. 4,730,324; 4,852,109 und 5,305,345 offenbart.

Das Dokument EP 0 973 236 A2 offenbart eine längliche Platte aus einem Festkörper-Lasermaterial mit einem festgelegten Querschnitt, der gegenüberliegende Stirnflächen und eine Mehrzahl dazwischen befindlicher seitlicher Flächen definiert, einer im Allgemeinen parallel zu den seitlichen Flächen verlaufenden Längsachse, die zwischen den gegenüberliegenden Stirnflächen definiert ist, und Mitteln, die es ermöglichen, dass gepumptes Licht entlang einer Achse gerichtet ist, die im Allgemeinen parallel zur Längsachse und einem oder mehreren Quellen von Pumpstrahlen verläuft. Die Pumpquellen sind auf seitliche Flächen der Platte gerichtet, die Fußabdrücke oder Fenster enthalten können, die vorzugsweise aus Antireflexbeschichtungen mit der Pumpwellenlänge gebildet sind.

Das Dokument WO 90/16101 offenbart ein Doppelplatten-Lasersystem, das mittels eines Faserbündels mit einer entfernten positionierten optischen Leistungsversorgung gekoppelt ist. Das System besteht aus zwei Platten, die parallel zueinander positioniert und so voneinander getrennt sind, dass sich ein Laserstrahl in einem Zickzack-Weg zwischen den Platten ausbreitet.

Um das Festkörper-Lasermaterial auf einen metastabilen Zustand mit einer relativ hohen Energie zu erregen, werden verschiedene Pumpquellen wie zum Beispiel Diodenfelder verwendet, die zum Beispiel in den U.S.-Patenten Nr. 4,852,109; 4,949,346; 4,984,246; 5,271,031; 5,305,345; 5,317,585 und 5,351,251 offenbart sind. In vielen bekannten optischen Verstärkern sind die Pumpquellen so konfiguriert, dass die Pumpquellen entlang einer seitlichen Fläche der Platte in einer allgemein senkrecht zur Längsachse der Platte verlaufenden Richtung gerichtet sind. Beispiele für optische Verstärker mit einer solchen Konfiguration sind in den U.S.-Patenten Nr. 4,127,827; 4,852,109; 5,271,031; 5,305,345; 5,646,773 und 5,651,021 offenbart. Das gemeinsam gehaltene U.S.-Patent Nummer 5,900,967 offenbart eine Konfiguration, bei der eine Mehrzahl Diodenfelder entlang den seitlichen Flächen der Platte gerichtet ist. Das in der Anmeldung '434 offenbarte System verwendet Diodenfelder, die im Allgemeinen orthogonal zu einer Längsachse der Platte gerichtet sind, sowie Diodenfelder, die in einem Winkel relativ zu den seitlichen Flächen gerichtet sind, um eine im Allgemeinen einheitliche Energieverteilung in der Platte bereitzustellen. Solche als seitengepumpte Konfigurationen bekannte Konfigurationen schränken jedoch die Absorptionslänge des Pumplichts auf nur einige Millimeter ein. Werden solche seitengepumpte Konfigurationen mit optischen Verstärkern verwendet, die ein Festkörper-Lasermaterial mit einem relativ niedrigen Absorptionskoeffizienten wie z. B mit Yb und TM dotierte Materialien verwenden, ergibt sich ein relativ niedriger Absorptionswirkungsgrad und somit ein niedrigerer Gesamtwirkungsgrad. Folglich besteht ein Bedarf an optischen Verstärkern, die verhältnismäßig längere Absorptionslängen haben können, was in relativ höheren Gesamtwirkungsgraden resultiert.

Zusammenfassung der Erfindung

Kurz gesagt betrifft die vorliegende Erfindung nach Anspruch 1 einen optischen Verstärker, der eine längliche Platte aus Festkörper-Lasermaterial wie z. B. eine mit Seltenerde dotierte Yttrium-Aluminium-Granat-(YAG-)Platte enthält. Um eine relativ vergrößerte Absorptionslänge und somit einen höheren Gesamtwirkungsgrad bereitzustellen, enthält der optische Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung Endpumpen, bei dem das gepumpte Licht mit verstärkten Licht orientiert ist, was in relativ längeren Absorptionslängen und höheren Gesamtwirkungsgraden resultiert. Die gleich orientierten Pumpquellen sind auf seitliche Flächen der Platte gerichtet, die aus Antireflexbeschichtungen mit der Pumpwellenlänge gebildete Fußabdrücke oder Fenster enthalten können. Um eine innere Reflexion des Pumpstrahls entlang der Laserachse zu bewirken, sind die Stirnflächen in einem Winkel von ca. 45° relativ zur Längsachse gebildet, was bewirkt, dass das gepumpte Licht in der Platte entlang der Längsachse reflektiert wird. Um die Absorption des gepumpten Lichts auf den Mittelabschnitt der Platte zu beschränken, kann die Platte aus einem Verbundmaterial gebildet sein, wobei die gegenüberliegenden Endabschnitte der Platte aus einem undotierten Wirtsmaterial gebildet sind, wogegen der Mittelabschnitt der Platte entlang der Längsachse aus einem dotierten Wirtsmaterial gebildet ist. Eine solche Konfiguration sorgt für eine relativ niedrige restliche thermische Linsenwirkung bei praktisch keiner Doppelbrechung. Bei einer Ausführungsform wird das Pumplicht von den Diodenfeldern mittels Linsen oder Linsenkanälen mit der Platte gekoppelt. Bei einer alternativen Ausführungsform wird Pumplicht mittels Lichtleitfasern mit der Platte gekoppelt. Bei einer noch anderen Ausführungsform werden das Pumplicht und Laserstrahlen untereinander ausgetauscht, wobei sie eine verlustarme Gerade durch die Platte mit einer endgepumpten Architektur bilden.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung erschließen sich anhand der folgenden Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen; es zeigen:

1 eine Draufsicht eines optischen Verstärkers.

2 eine grafische Darstellung einer Anamorphotlinsen-Baugruppe und eines Diodenfelds.

3 eine schematische Darstellung eines endgepumpten optischen Verstärkers.

4 eine Darstellung ähnlich 3, wobei der optische Verstärker als eine Master-Oszillator-Leistungsverstärker-Konfiguration (MOPA; master oscillator power amplifier) verwendet wird.

5 eine Draufsicht einer endgepumpten Architektur mit fasergekoppeltem Pumplicht.

6 eine Teildraufsicht der in 5 dargestellten Ausführungsform, die die Geometrie der Winkelakzeptanzkriterien für die fasergekoppelte endgepumpte Architektur darstellt.

7 einen Aufriss, der eine Mehrzahl gestapelter fasergepumpter Verstärker wie in 5 dargestellt zeigt.

8 eine Draufsicht einer Ausführungsform, die eine verlustarme Gerade durch die Platte mit einer endgepumpten Architektur darstellt.

Detaillierte Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Verstärker, der im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichnet ist. Der optische Verstärker 20 arbeitet mit Endpumpen. Bei einer solchen Konfiguration ist das gepumpte Licht mit dem verstärkten Licht entlang einer Längsachse der Platte orientiert, was zu einer relativ langen Absorptionslänge führt und folglich für relativ höhere Gesamtwirkungsgrade sorgt. Sie ist besonders geeignet für optische Verstärker, die ein Festkörper-Lasermaterial mit relativ niedrigen Absorptionskoeffizienten wie die Materialien, die Yb und Tm als Dotierstoffe verwenden, nutzen. Wie unten detaillierter erläutert wird, kann die Absorption des gepumpten Lichts auf eine zentrale Zone der Platte beschränkt werden, um Erhitzung an den gegenüberliegenden Enden der Platte zu verringern, die bekanntermaßen anfällig für Verzug sind.

Die 1 bis 4 zeigen wie in der gemeinsam genutzten, gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung Serien-Nr. 09/111,080, eingereicht am 7. Juli 1898, dargelegt ein erstes Beispiel für eine Architektur eines endgepumpten optischen Zickzack-Verstärkers, bei der das Pumpen durch Diodenfelder erfolgt, die durch Linsen oder Linsenkanäle mit der Platte gekoppelt sind. Die 5 bis 7 zeigen einen alternativen Verstärker, bei dem das Pumpen der Platte durch Licht von einem Diodenfeld erfolgt, das mittels Lichtleitfasern gekoppelt ist, was Stapeln der Platten ermöglicht. 8 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Pumpe und Laserstrahlen bezüglich 1 untereinander ausgetauscht werden, wobei sie eine verlustarme Gerade durch den optischen Verstärker bilden.

Wie aus 1 ersichtlich ist, enthält der optische Verstärker 20 eine längliche Platte 22 und ein Paar gepumpter Strahlquellen 24 und 26. Die längliche Platte 22 ist mit einem im Allgemeinen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt ausgebildet, der ein Paar gegenüberliegende Stirnflächen 28 und 30 und vier seitliche Flächen 32 definiert. Wie hierin verwendet, ist eine Längs- oder Laserachse 34 als eine Achse definiert, die im Allgemeinen parallel zu den seitlichen Flächen 32 zwischen den gegenüberliegenden Stirnflächen 28 und 30 verläuft, definiert. Eine Hauptachse ist definiert als eine waagerechte Achse in der Richtung des Zickzack-Musters, wogegen eine Nebenachse als eine senkrechte Achse definiert ist, die im Allgemeinen senkrecht zur Hauptachse verläuft. Die Haupt- und Nebenachse verlaufen senkrecht zur Längsachse.

Die Platte 22 kann aus einem Festkörper-Lasermaterial mit einem relativ hohen Brechungsindex gebildet sein, um eine innere Reflexion des Eingangsstrahls in einem allgemeinen Zickzack-Muster zu bewirken wie in 1 dargestellt, wobei sie einen so genannten Zickzack-Verstärker bildet. Solche Zickzack-Verstärker ermöglichen bekannterweise die Skalierung der Helligkeit, indem sie dem Eingangsstrahl die effektive Mittelung von Wärmegradienten in der Platte ermöglichen, wobei sie ein homogenes Verstärkungsmedium bereitstellen. Um die Erhitzung der Enden der Platte 22 zu verringern, kann die Platte 22 als ein diffusionsgebundenes Verbundmaterial gebildet sein. Insbesondere können entlang der Längsachse 34 der Platte 22 die gegenüberliegenden Endabschnitte 35 und 36 der Platte 22 aus undotierten Wirtsmaterialien wie z. B. Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) gebildet sein. Diese Endabschnitte 35 und 36 können mit einem Mittelabschnitt 38 der Platte 22, der aus einem dotierten Wirtsmaterial wie z. B. mit Yb dotiertem YAG (Yb:YAG) gebildet ist, diffusionsgebunden sein, wobei sie zwei diffusionsgebundene Grenzflächen 40 und 42 bilden. Solche Diffusionsbindungstechniken sind im Stand der Technik bekannt, wie z. B. im U.S.-Patent Nr. 5,441,803 beschrieben. Eine solche Konfiguration beschränkt die Absorptionslänge auf den Mittelabschnitt 38 der Platte 22. Durch Beschränkung der Absorptionslänge auf den Mittelabschnitt 38 der Platte 22 befindet sich durch das optische Pumpen erzeugte Wärme im Mittelabschnitt 38 und entfernt von den für Verzug anfälligen Endabschnitten und 35 und 36. Wie oben erwähnt wird das gepumpte Licht durch die Platte 22 reflektiert. Deshalb können die Pumpstrahlen 24 und 26 in gegenüberliegende seitliche Flächen 32 der Platte 22 an gegenüberliegenden Endabschnitten 35 bzw. 36 eintreten wie in 1 gezeigt. Um den Eintritt des Lichts in die Platte 22 zu ermöglichen, können ein oder mehrere Fußabdrücke oder Fenster 41 und 43 an gegenüberliegenden Endabschnitten 35 und 36 gebildet sein. Die Fenster 41 und 43 können mittels einer Beschichtung wie z. B. einer für die Wellenlänge der Pumpstrahlen 24 und 26 gewählten Antireflexbeschichtung gebildet sein. Wie in 1 dargestellt ist, ist die Antireflexbeschichtung an der seitlichen Fläche 32 sowie den gegenüberliegenden Stirnflächen 28 und 30 vorgesehen und verringert dadurch Verluste des Eingangsstrahls und Pumpstrahls. Die Pumpstrahlen 24 und 26 sind auf gegenüberliegende seitliche Flächen 32 an gegenüberliegenden Endabschnitten 35 und 36 der Platte 32 gerichtet. Wie in 1 gezeigt werden die Pumpstrahlen 24 und 26 von den gegenüberliegenden Stirnflächen 28 und 30 innen vollständig reflektiert, so dass die Pumpstrahlen wie die Längsachse 34 orientiert verlaufen. Durch Verwendung der Verbundplatte 22 wie oben beschrieben ist die Absorptionslänge der Platte 22 auf den Mittelabschnitt 28 beschränkt.

Ein Eingangslichtstrahl 44 wird auf eine Stirnfläche 28 in einem relativ kleinen Winkel, z. B. weniger als 30° relativ zur Lotrechten der Stirnfläche, gerichtet. Durch Begrenzen des Einfallswinkels des Eingangslichtstrahls 44 und Wählen eines Materials mit einem relativ hohen Brechungsindex wird der Eingangslichtstrahl 44 entlang der Platte 22 in einem allgemeinen Zickzack-Muster vollständig reflektiert wie gezeigt und als ein verstärkter Strahl 46 von der gegenüberliegenden Stirnfläche 30 ausgekoppelt. Das Zickzack-Muster über die Temperaturgradienten der Platte resultiert in Verbindung mit dem einheitlichen Pumpen durch das geleitete Diodenlicht und die isolierte Plattenkante in einer relativ niedrigen thermischen Linsenwirkung bei praktisch keiner Doppelbrechung.

Im Stand der Technik ist bekannt, dass Pumpen der Platte 22 in dem Bereich, in dem das Pumplicht absorbiert wird, in einer erhöhten Temperatur resultiert. Wie oben erwähnt, werden Pumpstrahlen z. B. von Diodenfeldern durch die Fenster oder Fußabdrücke 41 und 43 im Allgemeinen senkrecht auf die Stirnflächen 32 gerichtet und von den gegenüberliegenden Stirnflächen 28 und 30 reflektiert, um zu veranlassen, dass der Pumpstrahl direkt entlang der Längsachse 34 gerichtet wird. Zur Kühlung der Platte 22 können verschiedene Kühlverfahren verwendet werden. Systeme zur Kühlung durch Leitung und Konvention sind geeignet. Ein Beispiel für ein System zur Kühlung durch Leitung besteht darin, die Platte 22 an einem Prallkühler mit hoher Intensität wie er z. B. von Thermo-Electron in San Diego, Kalifornien, oder SDL, Inc. in San Jose, Kalifornien, hergestellt wird, anzubringen.

Zur Minimierung des Wärmewiderstands zwischen der Platte 22 und den Kühlern kann eine dünne Schicht eines Wärme leitenden Materials wie z. B. eines weichen Metalls wie z. B. Indium oder Gold, wie in den 3 und 4 allgemein dargestellt, verwendet werden. Während des Zusammenbauens kann die Baugruppe aus Kühler/Indium/Platte bei erhöhten Temperaturen, ca. 150°C, unter Druck gehalten werden, um das Indium fließen zu lassen und Berührungswiderstand zu beseitigen. Für Direkt- oder Konvektionskühlung kann die Platte 22 in den toten Zonen mit einer dünnen Schicht eines über die Plattenflächen fließenden turbulenten Kühlmittels versiegelt werden, um Wärme abzuführen wie im U.S.-Patent Nr. 5,646,773 detailliert erläutert wird. Ein beispielhaftes Konventionskühlsystem ist z. B. in dem gemeinsam gehaltenen U.S.-Patent Nr. 5,646,773 offenbart.

Im Falle von Konduktionskühlung sind die seitlichen Flächen 32 der Platte 22 mit einem dielektrischen Material beschichtet, das als eine Beschichtung 48 für abklingende Wellen dient, um die innere Totalreflexion (ITR) zu erhalten. Wie in 1 gezeigt kann sich die Beschichtung 48 für abklingende Wellen von einer Stirnfläche 28, 30 zu einer Zone geringfügig über die Diffusionsbindungs-Grenzfläche 42 neben der gegenüberliegender Stirnfläche hinaus erstrecken. Die Beschichtung 48 für abklingende Wellen ermöglicht, dass die Platte 22 direkt am Prallkühler anhaftend angebracht werden kann. Eine dicke Schicht (2 bis 4 &mgr;m) aus MgF2 oder SiO2 kann als die Beschichtung 48 für abklingende Wellen verwendet werden.

Zur Erzeugung der Pumpstrahlen 24 und 26 können z. B. Hochleistungs-Diodenfelder 56 mit einem Diodenfeldkühler 57 verwendet werden. Ein effizientes Pumpen der Platte 22 kann durch Verwendung einer geeigneten Anamorphotlinsen-Baugruppe 50, wie sie in 2 allgemein dargestellt ist, erreicht werden. Die Anamorphotlinsen-Baugruppe enthält ein Paar Linsen 52 und 54, die zwischen einem Diodenfeld 56 und den Fenstern 41 und 43 der Platte 22 angeordnet sind. Die Diodenfelder 56 können eine Mehrzahl gestapelter Diodenstäben 58 mit einzelnen Mikrolinsen 60 enthalten. Die Mikrolinsen 60 verringern die Divergenz der schnellen Achse der Stäbe 58 auf circa 1°, wogegen die langsame Achse eine Vollwinkel-Divergenz in der Größenordnung von 7° aufweisen kann. Durch Verwenden der Anamorphotlinsen-Baugruppe 50 kann der Ausgang des Diodenfelds 56 auf den Eingangsbereich auf den Fenstern 41 und 43 der Platte 22 so abgebildet werden, dass ein 2 × 1 cm großes Diodenfeld auf einen Bereich von nur 2 × 2 mm abgebildet werden kann.

Alternativ kann ein Linsenkanal an Stelle der Anamorphotlinsen-Baugruppe 50 verwendet werden. Ein beispielhafter Linsenkanal ist im U.S.-Patent Nr. 5,307,430 offenbart.

Der optische Verstärker 20 kann verwendet werden, um einen Master-Oszillator-Leistungsverstärker (MOPA) zu bilden. Bei dieser wie in 3 dargestellten Ausführungsform ist ein Master-Oszillator (Steueroszillator) 72 auf eine Eingangsstirnfläche 28 der Platte 22 gerichtet. Der Master-Oszillator kann z. B. so ausgeführt sein, wie unten bezüglich 4 erläutert und dargestellt ist. Wie oben erläutert, muss der Eingangsstrahl zur Stirnfläche in einem Winkel verlaufen, der geeignet ist, eine innere Totalreflexion von den seitlichen Flächen der Platte zu bewirken.

Wie in 4 dargestellt kann der optische Verstärker 20 verwendet werden, um einen Master-Oszillator 74 zu bilden. Bei dieser Ausführungsform schwingt der Strahl zwischen dem Totalreflektor 76 und dem Auskoppler 84, der teildurchlässig ist, um den Ausgangsstrahl bereitzustellen. Im Resonator kann ein Q-Switch enthalten sein.

Ein Beispiel ist in 5 dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 100 gekennzeichnet. Dieses Beispiel ist im Wesentlichen das gleiche wie das in 1 dargestellte Beispiel mit der Ausnahme, dass das Pumplicht durch eine oder mehrere Lichtleitfasern 104, die ein Faserbündel 106 bilden, mit der Platte 102 gekoppelt ist. Der Vereinfachung halber ist nur ein Abschnitt der Platte 102 dargestellt. Ähnlich wie bei der in 1 dargestellten Ausführungsform kann die Platte 102 aus einem Festkörper-Lasermaterial mit einem relativ hohen Brechungsindex gebildet sein, um eine innere Reflexion des Eingangsstrahls in einem allgemeinen Zickzack-Muster zu verursachen wie in 1 dargestellt. Um eine Erhitzung der Enden der Platte 102 zu verringern, können beide Endabschnitte der Platte 102 aus einem undotierten Wirtsmaterial wie z. B. Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) gebildet und mit dem Mittelabschnitt der Platte 102, der aus einem dotierten Wirtsmaterial wie z. B. mit Yd dotiertem YAG (Yd:YAG) gebildet ist, diffusionsgebunden sein und Diffusionsbindungs-Grenzflächen bilden, wie oben erläutert worden ist.

Ähnlich wie bei dem in 1 dargestellten Beispiel können Fenster an gegenüberliegenden Endabschnitten gebildet sein, um das Licht in die Platte zu lassen. Der Vereinfachung halber ist nur ein einziger Abschnitt dargestellt. Wie oben erläutert, können die Fenster mittels einer Beschichtung wie z. B. einer für die Wellenlänge der Pumpstrahlen gewählten Antireflexbeschichtung gebildet sein. Das Pumplicht vom Faserbündel 106 (5) ist auf ein Fenster in einem Endabschnitt 108 gerichtet. Wie in 5 gezeigt, wird das Pumplicht von einer Stirnfläche 110 vollständig reflektiert, so dass das Pumplicht koaxial zu einer Längsachse der Platte 102 verläuft. Wie in 6 gezeigt, beträgt der Mindestwinkel für eine innere Totalreflexion in der Platte 102 für eine YAG-Luft-Grenzfläche bei einem Material wie z. B. Nd:YAG oder Yb:YAG (Brechungskoeffizient 1,82) ±30°. Dieser Mindestwinkel &agr; basiert auf einem inneren Totalreflexionswinkel von einer 45°-Stirnfläche 110 wie in 6 allgemein gezeigt. Dies lässt sich in eine maximale numerische Faserapertur (NA) von 0,5 übersetzen, was eine relativ große NA für typische Fasern darstellt, die verwendet werden, um Licht von hoher Leistung von Dioden zu liefern.

Das Pumplicht kann durch Diodenfelder erzeugt werden, wie oben erläutert worden ist. Das Diodenlicht kann mit geeigneten Optiken wie z. B. Systemen, die bei Coherent Inc., Spectra Physics Inc., und SDL Inc. erhältlich sind, mit den Fasern gekoppelt werden.

Ein wichtiger Aspekt der in 5 dargestellten Architektur besteht darin, dass sie ermöglicht, mehrere Platten zu stapeln wie in 7 dargestellt. Insbesondere ermöglicht die in 5 dargestellte Konfiguration, dass die Diodenfelder für das Pumplicht relativ zu den Platten entfernt positioniert werden. Deshalb können mehrere Platten gestapelt werden wie in 7 dargestellt, um ein Hochleistungs-Verstärkerfeld zu bilden. Die Fasern ermöglichen Zugang zu den Plattenpumpfenstern, die normalerweise nicht mittels Linsen oder Linsenkanälen zugänglich sind, wenn die Platten wie gezeigt gestapelt sind.

Insbesondere kann eine Mehrzahl Platten 112, 114, 116, 118 und 120 gestapelt werden. Die Platten 112, 114, 116, 118 und 120 können sandwichartig zwischen Kühlern 122, 124, 126, 128 und 130 angeordnet sein. Die Kühler sind ausgeführt wie oben erörtert. Wie gezeigt sind die Platten 112, 114, 116, 118 und 120 so dimensioniert, dass sie geringfügig länger sind als die Kühler 122, 124, 126, 128, 130 und 132, so dass sich die gegenüberliegenden Endabschnitte jeder der Platten 122, 124, 126, 128, 130 und 132 davon nach außen erstrecken. Eine solche Konfiguration ermöglicht es, das Pumplicht mittels einer Mehrzahl Lichtleitfasern 134 bis 152 auf die Fenster in den Platten zu richten, wie in 7 allgemein gezeigt ist.

Wie oben erläutert, bildet die in 7 dargestellte Konfiguration ein Hochleistungs-Verstärkerfeld. Die Eingangslaserstrahlen sind durch die Pfeile 154, 156, 158, 160 und 162 dargestellt. Die Ausgangslaserstrahlen sind durch die Pfeile 164, 166, 168, 170 und 172 dargestellt.

Eine Ausführungsform ist in 8 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 174 gekennzeichnet. Der Verstärker 174 enthält eine Platte 176 und ist im Wesentlichen der gleiche wie der in 1 dargestellte Verstärker 20 mit der Ausnahme, dass die Pump- und Laserstrahlen gegeneinander ausgetauscht sind. Insbesondere enthält die Platte 176 gegenüberliegende Stirnflächen 178 und 180 und Fenster 182 und 184. Bei dieser Ausführungsform wird das Pumplicht auf die gegenüberliegenden Stirnflächen 178 und 180 gerichtet und in der Platte 176 in einem Zickzack-Muster vollständig reflektiert wie dargestellt, was ein relativ homogenes Pumpen der Platte 176 gewährleistet. Bei dieser Ausführungsform wird der Laserstrahl in eines der Fenster 182, 184 gerichtet und geradlinig durch die Platte 176 reflektiert und aus einem gegenüberliegenden Fenster 182, 184 reflektiert wie in 8 im Wesentlichen gezeigt ist. Die in 8 dargestellte Konfiguration ist bei Anwendungen geeignet, bei denen der erforderliche Leistungsbedarf nicht hoch ist, sondern ein niedriger Verlust erforderlich ist. Das Pumplicht kann durch Linsen, Linsenkanäle oder Faserbündel mit der Platte 176 gekoppelt werden, wie oben erörtert.

Angesichts der obigen Lehren sind natürlich viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Es versteht sich deshalb, dass die Erfindung innerhalb des Gültigkeitsbereichs der beigefügten Ansprüche auf andere Weise als oben speziell beschrieben verwirklicht werden kann.


Anspruch[de]
Optischer Verstärker (174) zum Empfangen einer Eingangslichtquelle und zum Übertragen des verstärkten Lichtes, aufweisend:

eine längliche Platte (176) aus einem Festkörper-Lasermaterial mit gegenüberliegenden Stirnflächen (178, 180) und einer Mehrzahl seitlicher Flächen, wobei die seitlichen Flächen im Allgemeinen parallel zur Längsachse der Platte (176) liegen und die Stirnflächen (178, 180) unter einem Winkel bezogen auf eine senkrechte Achse zur Längsachse angeschnitten sind,

dadurch gekennzeichnet, dass der optische Verstärker (174) ferner aufweist:

eine auf die seitlichen Flächen aufgebrachte Beschichtung, die Fenster (182, 184) zum Empfangen einer Eingangslichtquelle und zum Übertragen des verstärkten Lichtes definiert, und

eine Pumplichtquelle, die so konfiguriert ist, dass sie Pumplicht mit den Stirnflächen (178, 180) koppelt.
Optischer Verstärker (174) nach Anspruch 1, bei dem die Beschichtung eine Antireflexbeschichtung ist. Optischer Verstärker (174) nach Anspruch 2, bei dem die Antireflexbeschichtung für die Wellenlänge des Eingangslichtes gewählt wird.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com