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DE102004047163B4 - Vorrichtung zur Erzeugung einer Laserstrahlung im Infrarotbereich - Google Patents

Vorrichtung zur Erzeugung einer Laserstrahlung im Infrarotbereich Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung einer Laserstrahlung im Infrarotbereich, aufweisend:
• mehrere, mit unterschiedlichen Wellenlängen ausgewählte Laserdioden (3, 31–310), die eine Laserstrahlung (6) im Wellenlängenbereich 1,8–2,1 μm emittieren,
• mindestens einen Stromerzeuger (2), der Stromstufen mit einstellbarer Wiederholfrequenz erzeugt und der an die Laserdioden (3, 31–310) angeschlossen ist,
• einen Verstärkungslichtwellenleiter (4) im Emissionsbereich der Dioden (3, 31–310), der die von den Laserdioden (3, 31–310) emittierte Laserstrahlung verstärkt und der mit 1 bis 3 Masse-% Thulium dotiert ist,
• ein Raman-Verstärkermedium (5, 51–53), das die Wellenlänge der im Verstärkungslichtwellenleiter (4) verstärkten Laserstrahlung ändert.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Erzeugung von Laserstrahlung im Band II und III, d. h. im Bereich von jeweils 2 bis 5 μm und 8 bis 12 μm.
  • Gaslaser sind derzeit die einzigen Laser, mit denen dieser Bereich direkt abgedeckt werden kann. Insbesondere diodengepumpte Festkörperlaser sind dafür noch nicht nutzbar.
  • Nach dem aktuellen Stand der Technik werden um den sichtbaren Bereich (1,060 μm) emittierende Laserquellen verwendet, deren Wellenlänge mit nicht linearen Effekten in den Infrarotbereich konvertiert wird.
  • Aus der US 2002/01 25 228 A1 ist eine Vorrichtung mit einer einzelnen Laserdiode bekannt, die eine Laserstrahlung im Wellenlängenbereich 1–1,5 μm oder länger emittiert. An der Laserdiode ist ein Stromerzeuger angeschlossen, der Stromstufen mit einer einstellbaren Wiederholfrequenz erzeugt. Ein mit einem laseraktiven Ion dotierter Verstärkungslichtwellenleiter verstärkt die von der Laserdiode emittierte Laserstrahlung. Ein Raman-Verstärkermedium ändert die Wellenlänge der im Verstärkungslichtwellenleiter verstärkten Strahlung.
  • Eine Veröffentlichung (Mermelstein, C. u. a. "Physics and applications of III-Sbbased type-I QW diode lasers", In: Proceedings of SPIE VOL. 4651, Novel In-Plane Semiconductor Lasers, S. 173–184, Mai 2002) geht näher auf Laserdioden im Wellenlängenbereich 1,74–2,34 μm ein.
  • Die US 5 742 384 A beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Laserstrahlung im Infrarotbereich, die eine Laserdiode mit einer Kühleinrichtung aufweist.
  • Die US 2003/00 30 892 A1 und eine Veröffentlichung (Clarkson, W. u. a. „Highpower cladding-pumped Tm-doped silica fiber laser with wavelength tuning from 1860 nm to 2090nm", In:Optics Letters, Vol. 27, No. 22, S 1989–1991, November 2002) beschäftigen sich mit Verstärkungslichtwellenleitern.
  • Die US 5 696 778 A geht näher auf die Raman-Verstärkungsmedien ein.
  • Im angemeldeten Patent US2003/0012491 wird bekanntermaßen eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Laserstrahlung im Infrarotbereich mit Mitteln zur Erzeugung eines zu verstärkenden optischen Signals, Mitteln zur Erzeugung eines optischen Pumpsignals, Mitteln zur Kopplung dieser beiden Signale und Mitteln zur Verstärkung und Konversion in den Infrarotbereich bestehend aus einem Lichtwellenleiter aus mindestens 25 Mol% Chalkogenid mit chemischen Elementen, wie z. B. Schwefel, Selen, Tellur oder deren Verbindungen, beschrieben.
  • Durch stimulierten Raman-Effekt wird die optische Strahlung aus dem Koppler verstärkt und deren Frequenz im Lichtwellenleiter verschoben.
  • Insbesondere gemäß Ausführungsbeispiel 2 dieser Patentanmeldung variiert die Frequenz in einem solchen Lichtwellenleiter jedoch nur wenig, wobei am Ausgang jeweils 1,91 μm und 6,2 μm bei Eingangswellenlängen von 1,83 μm und 5,4 μm erzielt wird.
  • Für die Erzeugung einer Laserstrahlung im gesamten Infrarotspektrum, d. h. von 2 bis 12 μm, sollte der Eingangsstrahl vorzugsweise eine Frequenz im gewünschten Frequenzbereich aufweisen. Somit sollten beispielsweise CO2- oder HF/DF-Laser verwendet werden. Solche Laser sind im Rahmen von optoelektronischen Gegenmaßnahmen, insbesondere an Bord von Flugzeugen, technisch schwierig einzusetzen und voluminös (Raumbedarf, Gasrecycling). Zudem weist eine solche Vorrichtung praktisch keine Frequenzagilität auf, da bestenfalls eine geringe Anzahl von diskreten Frequenzen am Ausgang erzielt werden. Diese Eigenschaft ist jedoch für optoelektronische Gegenmaßnahmen ausschlaggebend.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine technisch einfache und weniger voluminöse Vorrichtung mit großer Frequenzagilität zu schaffen, die somit im Rahmen von optoelektronischen Gegenmaßnahmen und in Flugzeugen besonders gut eingesetzt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
  • Zur Sicherstellung einer Frequenzagilität besteht die Vorrichtung aus mehreren, mit unterschiedlichen Wellenlängen ausgewählten Dioden.
  • Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform sind Mittel zur Temperaturregelung mindestens einer Diode für eine kontinuierliche Regelung ihrer Wellenlänge vorgesehen.
  • Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann mit den Mitteln zur Temperaturregelung mindestens einer Diode deren Temperatur auf mehrere zehn Grad Celsius über und unter der Raumtemperatur eingestellt werden.
  • Gemäß einer besonderen Ausführungsform besteht der Lichtwellenleiter aus Siliziumoxid.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Verstärkungslichtwellenleiter mit 10 bis 13 Masse-% Aluminiumionen dotiert. Durch Verwendung von Aluminiumionen kann das Verstärkungsband des Lichtwellenleiters vergrößert werden.
  • Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist der Lichtwellenleiter spiralförmig angeordnet.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Lichtwellenleiter eine Länge unter 5 Metern auf.
  • Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform besteht das Raman-Verstärkermedium mindestens aus einem Gasmedium, wobei vorzugsweise Wasserstoff-, Stickstoff- oder Methangas verwendet wird.
  • Gemäß einer besonderen Ausführungsform besitzt das Raman-Verstärkermedium einen gasgefüllten hohlen Lichtwellenleiter mit metallisierter Innenwand.
  • Gemäß einer weiteren zusätzlichen Ausführungsform entspricht die Ausgangswellenlänge der ersten Stokes-Linie des verwendeten Gases.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Raman-Verstärkermedium ein Festkörper und besteht aus fluoriertem Quarzglas oder Chalkogenid.
  • Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der Beschreibung unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung sowie den beigefügten Figuren hervor, wobei:
  • in 1 ein allgemeines Funktionsschema der Erfindung dargestellt wird;
  • in 2 eine erste Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt wird;
  • in 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt wird;
  • in 4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt wird.
  • In 1 wird das allgemeine Funktionsschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer Laserstrahlung im Infrarotbereich dargestellt.
  • Diese Vorrichtung 1 besitzt mehrere Dioden 3 zum Emittieren einer Laserstrahlung 6 im Frequenzbereich 1,8–2,1 μm, mindestens einen Stromerzeuger 2 zur Erzeugung von Stromstufen 10 mit einstellbarer Frequenz, Mittel 10 zur Anlegung der Stromstufen an die Diode 3, Mittel 4 zur Verstärkung der von der Diode emittierten und über mindestens einen mit einem laseraktiven Ion dotierten Lichtwellenleiter übertragenen Laserstrahlung 6 im Emissionsbereich der Dioden 3 und Mittel 5 zur Änderung der Frequenz der verstärkten Strahlung durch Nutzung des Raman-Effektes. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung besitzt die Vorrichtung zusätzliche Mittel 9 zur Temperaturregelung der Dioden, womit die Wellenlänge der von den Dioden 3 emittierten Laserstrahlung 6 eingestellt werden kann. Folglich kann diese Wellenlänge durch Änderung der Temperatur der Dioden 3 variiert und somit eine Frequenzagilität der Vorrichtung sichergestellt werden.
  • Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Stromstufenerzeuger 2 zur Versorgung von 10 Dioden 31 bis 310 , deren Emissionswellenlängen zwischen 1,85 μm und 2,05 μm liegen und gleichmäßig über diesen Bereich bei 25°C verteilt sind, d. h. 1,85 μm entspricht der ersten, 1,87 μm der zweiten... und 2,05 μm der zehnten Diode. Die Vorrichtung besitzt zusätzliche Mittel 11 für die Wahl der Anlegung der Stromstufen an die Dioden, um eine einzige oder mehrere Dioden gleichzeitig versorgen zu können.
  • Jede dieser zehn Dioden ist mit einem Verstärkungslichtwellenleiter 4 aus Siliziumoxid verbunden, der mit jeweils 3 Masse-% Thuliumionen und 13 Masse-% Aluminiumionen dotiert ist. Der Ausgang des Verstärkungslichtwellenleiters 4 wird in ein Wasserstoff-Ramanmedium 5 geleitet.
  • Versuche zeigen, dass durch Einsatz des einfachsten Anwendungsmodus des Raman-Mediums 5, d. h. der ersten Stokes-Linie des Wasserstoffgases, Frequenzen zwischen 8 und 12 μm, d. h. das gesamte Band III, am Ausgang erzielt werden.
  • Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Stromstufenerzeuger 2 zur Versorgung von 10 Dioden 31 bis 310 , deren Emissionswellenlängen zwischen 1,85 μm und 2,05 μm liegen und gleichmäßig über diesen Bereich bei 25°C verteilt sind, d. h. 1,85 μm entspricht der ersten, 1,87 μm der zweiten... und 2,05 μm der zehnten Diode. Die Vorrichtung besitzt zusätzliche Mittel 11 für die Wahl der Anlegung der Stromstufen an die Dioden, um eine einzige oder mehrere Dioden gleichzeitig versorgen zu können, sowie Mittel zur Temperaturregelung der Dioden.
  • Diese zehn Dioden sind jeweils mit einem Verstärkungslichtwellenleiter 4 verbunden, der mit 3 Masse-% Thuliumionen dotiert ist, wobei der Ausgang jeder der zehn Lichtwellenleiter in ein Methan-Ramanmedium geleitet wird.
  • Versuche zeigen, dass durch Einsatz des einfachsten Anwendungsmodus des Raman-Mediums, d. h. der ersten Stokes-Linie, Frequenzen zwischen 3,8 und 5 μm, d. h. das obere Band II, am Ausgang erzielt werden.
  • Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Stromstufenerzeuger 2 zur Versorgung von drei Gruppen 141 , 142, 143 mit je zehn an der Universität Freiburg entwickelten Dioden 31 bis 310 , deren Emissionswellenlängen zwischen 1,85 μm und 2,05 μm liegen und gleichmäßig über diesen Bereich bei 25°C verteilt sind, d. h. 1,85 μm entspricht der ersten, 1,87 μm der zweiten... und 2,05 μm der zehnten Diode. Die Vorrichtung besitzt zusätzliche Mittel 11 für die Wahl der Anlegung der Stromstufen an alle Dioden, um eine einzige oder mehrere Dioden gleichzeitig versorgen zu können.
  • Jede dieser 10-Diodengruppen ist mit einem von THORLABS vermarkteten Verstärkungslichtwellenleiter 41 , 42 bzw. 43 aus Siliziumoxid verbunden, der mit jeweils 2 Masse-% Thuliumionen und 10 Masse-% Aluminiumionen dotiert ist. Er ist ca. 1,5 m lang und spiralförmig aufgewickelt.
  • Der Ausgang des Lichtwellenleiters 41 , 42 bzw. 43 ist jeweils mit einem ersten Stickstoff-Ramanmedium 51 , einem zweiten Methan-Ramanmedium 52 bzw. einem dritten Wasserstoff-Ramanmedium 53 verbunden. Bekanntermaßen befindet sich der unter Druck stehende Wasserstoff in einem hohlen Lichtwellenleiter mit metallisierter, d. h. mit einer Goldfolie überzogenen Innenwand, wobei die Laserstrahlung in diesen hohlen Lichtwellenleiter geleitet wird.
  • Die Vorrichtung besitzt zusätzliche Mittel 12 zur Führung der Strahlen 8 aus dem jeweiligen Raman-Medium 51 , 52 bzw. 53 in einen nicht verstärkenden Lichtwellenleiter 13 zur Weiterleitung der Laserstrahlung zum entsprechenden Einsatzort.
  • Versuche zeigen, dass durch Einsatz des einfachsten Anwendungsmodus, d. h. der ersten Stokes-Linie, in jedem Raman-Medium bei Eingangsfrequenzen zwischen 1,85 μm und 2,05 μm folgende Ausgangsfrequenzen erzielt werden:
    3 bis 3,8 μm im Stickstoff-Ramanmedium,
    3,8 bis 5 μm im Methan-Ramanmedium,
    8 bis 12 μm im Wasserstoff-Ramanmedium,
    was praktisch den gesamten nutzbaren Gegenmaßnahmen im Band II und III entspricht.
  • Wasserdampf weist nämlich zahlreiche Absorptionspeaks zwischen 2 und 3 μm auf; somit wird die Emission bei Frequenzen von größer oder gleich 3 μm für optoelektronische Gegenmaßnahmen empfohlen.
  • Bei dieser Ausführungsform sind der Stromstufenerzeuger 2 und die Mittel 11 für die Wahl der Anlegung der Stromstufen an die Dioden PC-gesteuert. Somit kann die Wiederholfrequenz der Stromstufen und die Diode(n), an die diese Stufe angelegt wird, geregelt werden. Wird eine Stromstufe an eine der Laserdioden 3 angelegt, emittiert diese einen Laserimpuls, dessen Frequenz bei einer gegebenen Temperatur einen festen Wert aufweist, jedoch aufgrund der Temperaturregelung um ca. 10–10 m pro Grad bei dieser Ausführungsform variieren kann.
  • Dieser Laserimpuls wird mit der Frequenz λ an den entsprechenden Lichtwellenleiter 4 übertragen, in dem seine Leistung um einen Faktor von über 104 verstärkt wird. Die Ausgangsimpulse weisen eine ausreichend große Leistung auf, um einen guten Konversionswirkungsgrad in den Raman-Medien 5 erzielen zu können.
  • Der Impuls wird anschließend an das entsprechende Raman-Medium übertragen, in dem seine Frequenz gemäß der ersten Stokes-Linienfrequenz des verwendeten Gases durch folgende Wellenlängenfaktoren geändert wird:
    4155 cm–1 für Wasserstoff,
    2914 cm–1 für Methan,
    2311 cm–1 für Stickstoff.
  • Je nachdem, an welche Diode die Stromstufe angelegt wird, liegt der Ausgangs-Stromimpuls somit zwischen 3 und 5 μm bzw. 8 und 12 μm, wodurch die Emissionsfrequenz sowie die Emissionsfrequenz des Impulses, die mehrere zehn MHz aufweisen kann, in Echtzeit variiert werden können.
  • In Abweichung zum dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Raman-Medium insbesondere ein Lichtwellenleiter aus fluoriertem Quarzglas sein, für den die vierte Stokes-Linie verwendet wird, wobei jedoch eine Phasenanpassungsvorrichtung erforderlich wäre.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung einer Laserstrahlung im Infrarotbereich, aufweisend: • mehrere, mit unterschiedlichen Wellenlängen ausgewählte Laserdioden (3, 31 –310 ), die eine Laserstrahlung (6) im Wellenlängenbereich 1,8–2,1 μm emittieren, • mindestens einen Stromerzeuger (2), der Stromstufen mit einstellbarer Wiederholfrequenz erzeugt und der an die Laserdioden (3, 31 –310 ) angeschlossen ist, • einen Verstärkungslichtwellenleiter (4) im Emissionsbereich der Dioden (3, 31 –310 ), der die von den Laserdioden (3, 31 –310 ) emittierte Laserstrahlung verstärkt und der mit 1 bis 3 Masse-% Thulium dotiert ist, • ein Raman-Verstärkermedium (5, 51 –53 ), das die Wellenlänge der im Verstärkungslichtwellenleiter (4) verstärkten Laserstrahlung ändert.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die Mittel (9) zur Temperaturregelung mindestens einer Laserdiode (3, 31 –310 ) für eine kontinuierliche Regelung ihrer Wellenlänge besitzt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der mit den Mitteln (9) zur Temperaturregelung mindestens einer Laserdiode (3, 31 –310 ) deren Temperatur auf mehrere zehn Grad Celsius über und unter der Raumtemperatur eingestellt werden kann.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Verstärkungslichtwellenleiter (4) aus Siliziumoxid besteht.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, bei der der Verstärkungslichtwellenleiter (4) mit 10 bis 13 Masse-% Aluminiumionen dotiert ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, bei der der Verstärkungslichtwellenleiter (4) spiralförmig angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, bei der der Verstärkungslichtwellenleiter (4) eine Länge unter 5 Metern aufweist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Raman-Verstärkermedium (5, 51 –53 ) mindestens aus einem Gasmedium besteht, wobei vorzugsweise Wasserstoff-, Stickstoff- oder Methangas verwendet wird.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der das Raman-Verstärkermedium (5, 51 –53 ) einen gasgefüllten hohlen Lichtwellenleiter mit metallisierter Innenwand besitzt.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der die Ausgangswellenlänge der ersten Stokes-Linie des verwendeten Gases entspricht.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Raman-Verstärkermedium (5, 51 –53 ) ein Festkörper ist und aus fluoriertem Quarzglas oder Chalkogenid besteht.
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