DE19825037C2 - Kurzkohärente Lichtquelle und deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kurzkohärente Lichtquelle mit einer als optischem Resonator ausgebildeten Doppelkernfaser zum Erzeugen von Licht mit Hilfe eines Laserprozesses, mit einer Pumpquelle zum Erzeugen von Anregungslicht zum Anregen des Laserprozesses in einem Lasermedium der Doppelkernfaser und mit einer Einkoppeloptik zum Einkoppeln des Anregungslichtes in die Doppelkernfaser. Weiter bezieht sich die Erfindung auf Anwendungen dieser kurzkohärenten Lichtquelle im medizinischen Bereich.

Kurzkohärente Doppelkernfaserlaser sind beispielsweise aus der WO 97/12429 A1 bekannt. Bei diesen Lasern wird ein innerer Kern einer Doppelkernfaser als lasendes Medium verwendet. Das lasende Medium wird mit Pumplicht angeregt, das in einem das lasende Medium umgebenden Kern geführt wird, wo es zwischen Pumpkern und dem Fasermantel mehrfach totalreflektiert. Dabei fällt ein Teil des Lichts, um einen Laserprozeß anzuregen, auch in den Pumpkern. Gemäß der WO 97/12429 A1 wird vorgeschlagen, dadurch möglichst viel Energie des Pumplichts in den Mantel zu führen, daß der Pumpkern eine kreisförmige Form mit einem Anschliff aufweist. Der Anschliff sorgt für Unregelmäßigkeiten im Verlauf der Totalreflexionen, die das gesamte Licht dann, zumindest nach einer begrenzten Anzahl von Reflexionen, in den Pumpkern führen. Durch den Anschliff wird so die Pumpleistung zur Laseranregung möglichst weitgehend ausgenutzt bzw. können so die Doppelkernfasern für ähnliche Laserleistungen im Vergleich zu herkömmlichen Doppelkernfaserlasern verkürzt werden.

Derartige Lichtquellen können mit Hilfe der Dotierung für eine spektrale Breite ausgelegt werden, aufgrund der die Kohärenzlänge des ausgehenden Lichts gering ist. Üblicherweise wird zwar bei Interferenzversuchen gerade eine geringe spektrale Breite angestrebt, es gibt jedoch Anwendungsfälle, bei denen nur das geringe, durch Laser erzielbare Strahlprodukt interessiert, Interferenzeffekte aufgrund einer großen Kohärenzlänge aber störend wirken würden.

Dazu seien einige Beispiele explizit genannt. In der Laservideoprojektion von Großbildern, bei der einzelne Bildpunkte eines Videobildes mit einem Laserstrahl geschrieben werden, wird ein Strahldurchmesser von wenigen Millimetern in Abständen von mehreren Metern benötigt. Der Laser ist dafür die geeignete Lichtquelle, jedoch führt die Interferenzfähigkeit des Laserlichtes zu Glitzererscheinungen, den sogenannten Speckles, die in einem Videobild als störend empfunden werden würden. Ein Großteil der Arbeiten auf diesem Gebiet befaßt sich gerade mit der genannten Speckleproblematik.

Eine ähnliches Problem ergibt sich diesbezüglich auch bei Mikroskopbeleuchtungen mit Lasern, die man hier einsetzen kann, um eine möglichst hohe Leuchtdichte auf einem kleinen Fleck zu erreichen, wobei jedoch auch hier Speckleerscheinungen das mikroskopisch aufgenommene Bild in unerwünschter Weise verfälschen können.

Ein weiteres Gebiet, bei dem Interferenzerscheinungen störend sein könnten, ist die Tomographie mit Licht. Bei dieser Technik bestrahlt man Gewebeteile mit Licht und detektiert das von dem Gewebe zurückgeworfene Licht. Absorptionsverhalten, Durchdringungsverhalten und Absorption geben Informationen über das Gewebe, die zur medizinischen Diagnostik verwendet werden können. Durch Rastern des Lichtbündels oder gezieltem Verfahren des Gewebes entsteht ein Bild, ein sogenannte optisches Tomographiebild. Um für dieses eine möglichst gute Bildauflösung zu erreichen, sollte das von dem Tomographen auf das Gewebe gerichtete Lichtbündel sehr gut fokussierbar sein. Der Einsatz von Lasern wäre hier also äußerst wünschenswert. Die Interferenzfähigkeit würde jedoch auch hier stören, da fehlerhafte Bildinformation aufgrund von Interferenz möglich wäre. Aufgrund dessen sind bisher bekannte Laser für derartige Tomographen ungeeignet. Außerdem ist die Tiefenauflösung von der Kohärenzlänge abhängig. Je kleiner die Kohärenzlänge ist, desto besser wird die Tiefenauflösung, wie nachfolgend an Ausführungsbeispielen noch deutlicher wird.

Üblicherweise hat man bei derartigen Anwendungen Lichtquellen verwendet, die mit lichtemittierenden Halbleiterelementen realisiert wurden. Neben den Vorteilen, die sich daraus ergeben, daß diese kleine, kostengünstige elektronische Bauelemente mit hohem Wirkungsgrad sind, mußte man aber dabei bisher den Nachteil schlechter Strahlqualität in einem limitierten Leistungsbereich in Kauf nehmen. Überdies waren die fertigungstechnische Streuungen in den Eigenschaften der lichtemittierenden Halbleiterelemente so groß, daß man nur mit ausgesuchten Exemplaren arbeiten konnte. Schon das Aussuchen spezieller Bauelemente verteuert derartige optische Tomographen. Wegen der hohen Streuung mußte jedoch bei unterschiedlichen Tomographen auch mit unterschiedlicher Bildinformation gerechnet werden, so daß unterschiedliche Interpretationen von Bildinhalten möglich sind, welche die Ergebnisse prinzipiell zweifelhaft machen.

Die bisher als derartige Halbleiterelemente eingesetzten Superluminiszenzdioden haben insbesondere eine typische Ausgangsleistung von unter 2 mW und sind auch deshalb zum Beleuchten größerer Objekte ungeeignet. Außerdem sind sie extrem empfindlich gegenüber Rückreflexen, die aus Objekt und Referenzzweig durch einen üblicherweise verwendeten 3 dB-Koppler in die Diode gelangen. Durch den Rückreflex schwingen die Dioden als Laser an. Sie bekommen dadurch eine spektral eingeengte Emission, die zu einer unerwünschten erhöhten Kohärenzlänge führt. Die Lebensdauer der Dioden ist ebenfalls sehr begrenzt, denn durch Alterungsprozesse der Antireflexschichten auf der Diode aufgrund der hohen Lichtleistung neigen die Dioden zum Lasen, was ebenfalls zu unerwünschter spektraler Einengung führt.

Ein ähnliches Problem tritt bei der Einkopplung der Strahlung von Superluminiszenzdioden in eine Monomodefaser auf, denn auch dabei sollte darauf geachtet werden, daß kein Licht von der Faserendfläche zur Diode zurückreflektiert werden darf. Ein aufwendiger Herstellungsprozeß macht die Dioden zudem sehr teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kurzkohärente Lichtquelle zu schaffen, bei der die oben genannten Nachteile von Superluminiszenzdioden vermieden werden und die gegenüber herkömmlichen Lichtquellen geringer Kohärenzlänge eine vergrößerte spektrale Breite aufweist.

Die Aufgabe wird bezüglich der eingangs genannten Lichtquelle durch die Merkmale des Anspruch 1 gelöst und insbesondere dadurch, daß mindestens ein Teil der Doppelkernfaser als Notchfilter ausgebildet ist oder ein separates mit der Doppelkernfaser innerhalb des Resonators in optischer Verbindung stehendes Notchfilter vorgesehen ist, wobei das jeweilige Notchfilter für ähnliche Breite und nahezu gleiche Schwerpunktwellenlänge wie die Quelle dimensioniert ist.

Man hätte erwarten können, daß zur Lösung der Aufgabe ein ganz anderer Weg beschritten worden wäre. Aufgrund des bisherigen Einsatzes von Superluminiszenzdioden bei der Erzeugung kurzkohärenter Strahlung und deren hauptsächlicher Nachteil eines großen Strahlparameters, das schon wegen der endlichen Ausdehnung des lichtemittierenden Bereiches nach unten begrenzt ist, hätte man erwartet, daß die erwünschten kurzkohärenten Lichtquellen auf dieser Basis durch Verkleinerung des lichtemittierten Bereiches, durch Erhöhung der Leistung mittels zusätzlicher Kühlung, durch spezielle Auswahl von Antireflexschichten usw. verbessert worden wären.

Dagegen wurde erfindungsgemäß ein ganz anderer Weg beschritten. Als kurzkohärente Lichtquelle wird eine ganz andere Technik, nämlich eine Doppelkernfaserlaser bekannter Art eingesetzt und modifiziert. Es ist nämlich bekannt, daß man die Bandbreite derartiger Laser mit Hilfe geeigneter Dotierstoffe vergrößern kann. Die bisher erreichte Kohärenzlänge ist jedoch für die genannten praktischen Anwendungen immer noch nicht ausreichend. Hier hätte der Fachmann versuchen können, die spektrale Breite durch Ausprobieren verschiedener Dotierstoffe und deren Kombinationen zu erhöhen. Demgegenüber wird jedoch erfindungsgemäß ein ganz anderer Weg beschritten, nämlich eine Linienverbreiterung mit Hilfe eines Notchfilters.

Ein Notchfilter ist ein Filter bestimmter spektraler Charakteristik, der in dem hier interessierenden Spektralbereich nahezu beliebig auf die durch das Lasen erzeugte Wellenlänge abstimmbar ist. Diese spektrale Charakteristik zeigt eine konstante Transmission in der Nähe des durch das Lasen erzeugten Wellenlängenbereiches, während im Bereich des Spektrums ein Transmissionsminimum eingestellt wird. Durch Abstimmen der Charakteristik des Notchfilters auf die spektrale Charakteristik des Faserlasers, läßt sich mit dieser Form der Transmissionsfunktion erreichen, daß die Verstärkung an den Flanken der spektralen Charakteristik des lasenden Materials im Faserlaser stärker angehoben wird als im Zentrum, also bei der Schwerpunktwellenlänge des Emissionsspektrums, wodurch die gesamte spektrale Charakteristik eines Faserlasers mit Notchfilter verbreitert und die Kohärenzlänge verringert wird.

Aufgrund des bekannten Transmissionsverhaltens von Notchfiltern wurde deren Anwendung bisher für eine Erhöhung der Bandbreite zur Datenübermittlung mit Laserlicht vorgeschlagen. Dieser entfernte Stand der Technik wird beispielsweise durch die Publikation "Ultra Wide Band Erbium-Doped Silica Fiber Amplifier with 80 nm of Bandwidth" von Yan Sun et al., Optical Amplifiers and Their Applications, 1997, Technical Digest, Seiten 144 bis 147, repräsentiert. Hier wird für einen ganz andersartigen Aufbau in Verbindung mit einem Verstärker ein Breitbandbraggfilter genannt. Der dort eingesetzte Filter ist im wesentlichen eine Glasfaser, deren Kern in Längsrichtung periodische Gebiete mit geändertem Brechungsindex aufweist. Durch die Dimensionierung des Abstandes und der Größe dieser Gebiete läßt sich das Notchfilter bezüglich Breite und Tiefe des Transmissionsminimums auf den zu filternden Spektralbereich anpassen.

Eine andere Art von Notchfilter ist in der Publikation "EDFA gain flattening using periodic tapered fibre filters", T. J. Cullen, N. E. Jolley, F. Davis and J. Mun, Optical Amplifiers and Their Applications, 1997, Technical Digest, Seiten 112 bis 115, angegeben. Dieses Notchfilter besteht aus einer Lichtleitfaser mit periodischen Quetschstellen, die für lokale Änderungen der Schwingungsmoden in der Faser sorgen. Durch Auslegung der Periodenlängen und der Periodenform der Quetschungen läßt sich auch dieses Notchfilter für einen erfindungsgemäßen Einsatz auf die jeweilige spektrale Charakteristik des lasenden Kerns der Doppelkernfaser abstimmen.

Aus der Nachrichtentechnik sind auch Laser und Verstärker, beispielsweise gemäß EP 0582 860 A1 und US 5 668 821 bekannt, bei denen Notchfilter im lasenden Medium vorgesehen waren, um ein flaches nahezu rechteckförmiges Lichtspektrum bzw. einen rechteckigen Bandpaß zu erhalten.

Damit würde man aber nicht unbedingt eine gleichmäßig geringe Kohärenzlänge zur Vermeidung von Specklen erhalten, da eine Fouriertransformierte einer Rechteckfunktion eine sehr breite Verteilung, hier Kohärenzlängenverteilung, ergibt.

Dagegen wird hier für geringe Längen eher eine Rechteckfunktion in der Kohärenzlängenverteilung, also eine mehr gaussische spektrale Charakteristik, verlangt. Dies wird durch die sehr breite erfindungsgemäße Notchfilterkurve in der Größenordnung der Quelle bewirkt.

Insbesondere aus der Tatsache, daß solche Notchfilter auch mit Hilfe von Fasern ausgebildet werden können, ergibt sich insbesondere ein großer Vorteil. Der lasende Kern der Doppelkernfaser und eine eventuell als Notchfilter eingesetzte Lichtleitfaser können mit herkömmlichen Verbindungstechniken ohne zusätzliche optische Elemente aneinandergefügt werden, was für die erfindungsgemäße Lichtquelle bezüglich Herstellungskosten besonders zu bevorzugen ist.

Neben dem Einsatz von Lichtleitfasern als Notchfilter könnte man das beschriebene Transmissionsverhalten auch durch dielektrische Schichten auf einem Resonatorspiegel oder mit zusätzlichen Elementen im optischen Strahlengang verwirklichen. Zur Verringerung einer hohen, die dielektrischen Schichten auf längere Zeit zerstörende Leistungsdichte, wäre dabei aber der Einsatz einer Zerstreuungspolitik vor den dielektrischen Schichten und nachgeordneter Sammeloptik von Licht empfehlenswert.

Die vorangegangenen Beispiele zeigen vor allem, daß ein Notchfilter nicht durch seinen Aufbau, sondern allein durch sein Transmissionsverhalten charakterisiert ist. Der Ausdruck "Notchfilter" rührt sogar von der vorher beschriebenen Transmissionscharakteristik her, die später noch anhand der Figuren besser verdeutlicht wird. Die Kennlinie Transmission/Wellenlänge sieht wie eine Nut, "Notch", in einem flachen Bereich aus.

Die Ausbildung der Notchfilter bei der Erfindung mit Hilfe von Lichtleitfasern ist gegenüber anderen Arten, wie eine Ausbildung der beispielhaft genannten dielektrischen Schichten, vorzuziehen, da die Fasern eine einfache Ein- und Auskopplung in das Filter erlauben.

Weiter kann die Ausbildung des Notchfilters durch Brechungsindexänderung oder Quetschstellen sogar in der Doppelkernfaser selbst erfolgen, was die Anzahl von Fertigungsschritten zur Herstellung der kurzkohärenten Lichtquellen und die Kosten, insbesondere gegenüber den lichtemittierenden Dioden gemäß Stand der Technik, weiter verringert.

Diesbezüglich ist gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß das Notchfilter in der Doppelkernfaser selbst oder in einer zusätzlichen innerhalb des Resonators mit der Doppelkernfaser in optischer Verbindung stehenden Lichtleitfaser dadurch ausgebildet ist, daß sie zumindest in einem Teilbereich ihrer Länge periodische Quetschstellen aufweist.

Neben den oben genannten Vorteilen, die sich bei Lichtleitfasern ergeben, haben die Quetschstellen, wenn sie in der Doppelkernfaser selbst vorgesehen werden, den weiteren Vorteil, daß das im äußeren Kern geführte Licht aufgrund der unterschiedlichen Moden innerhalb und im Übergangsbereich außerhalb der Quetschstellen der Pumpquelle mit höherer Wahrscheinlichkeit in den lasenden Kern eingekoppelt wird, dadurch also die Ausnutzung der Pumpleistung für den Laserprozeß erhöht wird.

Eine fertigungstechnisch einfache Methode zur Erzeugung eines Notchfilters besteht gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung darin, daß als Notchfilter periodische Biegungen in zumindest einem Teilbereich der Doppelkernfaser selbst oder einer zusätzlich mit der Doppelkernfaser innerhalb des Resonators in optischer Verbindung stehender anderen Lichtleitfaser vorgesehen werden. Auch hier wird an den Biegungen ein Übergang zwischen unterschiedlichen Moden induziert, was wie bei den Quetschstellen zu dem gewünschten Transmissionsverhalten und eine Erhöhung der Pumpeffizienz führt.

Insbesondere wird eine Weiterbildung der Erfindung bevorzugt, bei der das Notchfilter als Braggfilter ausgebildet ist. Braggfilter lassen sich heute technologisch besonders einfach und kostengünstig fertigen und zählen heute wegen der Anpaßbarkeit des Transmissionsverhalten schon zu den optischen Standardbauelementen.

Wie aus den vorstehenden Erläuterungen schon deutlich wurde, kommt es bei solchen Lichtquellen nicht nur auf eine verringerte Kohärenzlänge bei kleinem Strahlprodukt an. Auch die Lichtleistung ist ein wesentlicher Faktor für die Einsatzfähigkeit einer kurzkohärenten Lichtquelle.

Für dessen Optimierung ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Doppelkernfaser einen von einem Mantel umgebenen Pumpkern aufweist, innerhalb dem ein Laserkern vorgesehen ist, wobei der Pumpkern eine Form hat, aufgrund der Licht beliebiger Lichtrichtung nach einer oder mehrerer Reflexionen an der Grenzfläche Pumpkern/Mantel mindestens einmal in den Laserkern reflektiert wird.

Aufgrund dieser Weiterbildung läßt sich nahezu das gesamte in den Pumpkern eingekoppelte Licht auch in das Lasermedium einkoppeln. Damit wird die Pumpleistung höchstmöglich ausgenutzt, was der Leistung der Lichtquelle äußerst förderlich ist. Insbesondere hat sich sowohl fertigungstechnisch als auch für die diesbezügliche Erhöhung der Leistung der Lichtquelle als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Pumpkern die Form eines Kreisabschnitts mit einem Zentriwinkel größer als 180° aufweist. Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren noch deutlicher werden.

Ein besonders breites Spektrum, d. h., eine besonders geringe Kohärenzlänge, läßt sich dann erreichen, wenn zum Lasen geeignete Dotierstoffe mit entsprechend großer Linienbreite verwendet werden. Diesbezüglich ist bei einer bevorzugten Weiterbildung insbesondere vorgesehen, daß das Lasermedium der Doppelkernfaser mit seltenen Erden, insbesondere aus der Gruppe Pr, Yb, Md, Er, Cm, Ho, Nd dotiert ist. Ein derartiger Vorteil ergibt sich erfahrungsgemäß ferner auch dann, wenn das Lasermedium der Doppelkernfaser gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung auch mit Cu oder Ti dotiert ist. Insbesondere kann die Wellenlänge auch durch geeignete weitere Dotierung, zum Beispiel mit Phosphor, verschoben werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Enden der Doppelkernfaser für die Reflexion von Licht mit einem Reflexionsgrad kleiner 0,1% ausgebildet sind. Andernfalls könnte das reflektierte Licht die Wirkung des Notchfilters teilweise aufheben, da die Enden selbst als Resonator wirken und den Laserprozeß wesentlich mitbestimmen. Der geringe, gemäß der Weiterbildung der Erfindung verlangte Reflexionsgrad könnte beispielsweise mittels Antireflexionsschichten an den Enden bewirkt werden. Um allerdings eine lange Lebensdauer für derartige Lichtquellen zu erzielen, eine Eigenschaft die bei den einleitend genannten Anwendungen besonders wichtig ist, sollten bei Hochleistungslasern keine Antireflexschichten für die pumpende Lichtquelle, beispielsweise eine Laserdiode, eingesetzt werden, da diese Schichten unter Umständen durch die hohe Laserleistungsdichte zerstört werden könnten. Besonders vorteilhaft ist dabei aber eine entsprechende Formgebung der Enden, beispielsweise durch Abschrägung oder einer kleinen Rundung.

Insbesondere hat es sich bezüglich letzterem sowohl fertigungstechnisch als auch für die Qualität des Laserstrahls herausgestellt, wenn mindestens ein Ende der Doppelkernfaser mit einem Winkel größer als 5° abgeschrägt ist.

Messungen an Versuchsaufbauten haben gezeigt, daß eine erfindungsgemäße Lichtquelle bezüglich der kleinen Kohärenzlänge, Lichtleistung und Strahldurchmesser besonders für die optische Kohärenztomographie geeignet ist. Eine derartige Anwendung ist wegen der dann gegebenen hohen Bildauflösung besonders vorteilhaft, wenn gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen ist, daß das Strahlprodukt der kurzkohärenten Lichtquelle kleiner als 0,8 mm . mrad und insbesondere kleiner 0,4 mm . mrad ist. Der Einsatz der Lichtquelle bei der Kohärenztomographie wird insbesondere nachfolgend noch anhand der Figuren näher beschrieben, mit denen auch weitere Merkmale bisher nicht angesprochener Weiterbildungen der Erfindung verdeutlicht werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft noch weiter beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise eines Doppelkernfaserlasers;

Fig. 2 Diagramme zur Verdeutlichung der Wirkung von Notchfiltern;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Aufbaus und der Wirkungsweise eines optischen Kohärenztomographen;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines optischen Kohärenztomographen, ähnlich dem von Fig. 3, bei dem die nach dem Stand der Technik eingesetzte Superlumineszenzdiode durch eine erfindungsgemäße kurzkohärente Lichtquelle ersetzt ist.

Zur Wirkungsweise von Doppelkernfaserlaser wird auf die Literatur verwiesen. Hier soll zum besseren Verständnis nur noch einmal auf eine besonders bevorzugte Ausbildung eingegangen werden. Die in Fig. 1 im Schnitt gezeigte Doppelkernfaser 20 weist im wesentlichen einen Pumpkern 22 auf, der einen beispielsweise runden Laserkern 24 umgibt, der als lasendes Medium geeignet dotiert ist. Diese verwendeten Dotierstoffe bestimmen bei Doppelkernfaserlasern nicht nur die Wellenlänge der Laserlinie, sondern auch deren spektrale Breite wesentlich mit. Für eine große Breite, also eine kleine Kohärenzlänge, ist insbesondere eine Dotierung mit seltenen Erden, insbesondere aus der Gruppe Pr, Yb, Nd, Er, Tm, Ho bevorzugt. Diesbezüglich wird auch vorgezogen, das Lasermedium in der Doppelkernfaser mit Kupfer oder Titan zu dotieren.

Der Pumpkern wird üblicherweise mit einem Mantel 26 umgeben, der einen niedrigeren Brechungsindex als der Pumpkern aufweist, so daß das Pumplicht durch Totalreflexion an der Grenzfläche Pumpkern 22 und Mantel 26 bei seiner Ausbreitung hin- und hergeworfen wird und innerhalb der Doppelkernfaser 20 bleibt. Aufgrund dieser Hin- und Herreflektion treffen die Lichtstrahlen auch ab und zu in den Laserkern 24 und regen dort die Elektronenzustände des Lasermediums zur stimulierten Emission an, so daß Laserlicht entsteht.

Aus der Literatur sind Doppelkernfaserlaser bekannt, bei denen der Pumpkern 22 kreisförmig ausgebildet wird. Dies hat jedoch den Nachteil, daß es bei der Totalreflexion Strahlengänge gibt, die niemals durch den Pumpkern 24 führen. Deswegen ist im Beispiel von Fig. 1 ein Anschliff 28 vorgesehen, so daß der Pumpkern die Form eines Kreisabschnitts mit einem Zentriwinkel α < 180° aufweist. Dadurch werden Lichtstrahlen, wie in Fig. 1 mit dem Polygonzug 29 angedeutet ist, nach einer bestimmten Anzahl von Reflexionen immer in den Pumpkern geführt. Damit läßt sich eine Effizienz der Erzeugung von Laserstrahlung aus der Pumpstrahlung erreichen, die auf nahezu 100%iger Absorption des Pumplichts im Laserkern 24 zurückzuführen ist.

Bevorzugte Abmessungen der Doppelkernlichtleitfaser 20 seien hier kurz angegeben. Der Pumpkerndurchmesser ∅_PK an der Stelle ohne Abschliff sollte 10 bis 600 µm betragen. Der Laserkerndurchmesser ∅_LK ist vorzugsweise 1,5 bis 20 µm. Die Stärke des Mantels 26 kann dabei 5 bis 100 µm betragen, der in Fig. 1 gezeigte Abschliff a sollte 1 bis 49% des Pumpkerndurchmessers ∅_PK betragen. Zweckmäßigerweise wird die Länge der verwendeten Faser 20 für die genannten Laseranwendungen zwischen 0,3 bis 50 m gewählt.

Die spezielle in Fig. 1 gezeigte Formgebung des Pumpkerns 24 ist aber für die Steigerung der Effizienz nicht essentiell. Wichtig ist dabei nur, daß die Totalreflexion des Lichtbündels nach einer endlichen Zahl von Reflexionen immer in den Pumpkern 24 führt. Die in Fig. 1 gezeigte spezielle Form mit dem Anschliff 28 hat aber gegenüber anderen Formbildungen den Vorteil, daß sie in einfacher Weise hergestellt werden kann.

Für die eingangs genannten Anwendungen soll insbesondere eine breite spektrale Charakteristik bei einer derartigen Doppelkernfaser erreicht werden. Die Wirkungsweise eines dafür eingesetzten Notchfilters ist in Fig. 2 beispielhaft gezeigt. Fig. 2a zeigt die spektrale Charakteristik einer Laserquelle, wie sie beispielsweise ohne spezielle Filtertechniken erreicht wird. Das gezeigte spektrale Verhalten hängt im wesentlichen von den Moden des Lasers und der Linienbreite des Laserprozesses ab.

In Fig. 2b ist ferner die spektrale Charakteristik eines Notchfilters gezeigt. Dieses hat eine nahezu konstante Transmission, die jedoch bei den genannten Anwendungen im Bereich der Laserwellenlänge gemäß Fig. 2a stark verringert ist. Die Kennlinie sieht prinzipiell aus wie eine Ebene, in die eine Nut eingefräst ist. Daher rührt auch der Name Notchfilter.

Durch die Einfügung eines Notchfilters in den Doppelkernfaserlaser entsteht eine höhere Transmission an den Flanken der spektralen Charakteristik der Laserquelle, d. h. der Laserprozeß wird bei den Wellenlängen außerhalb des Maximums stärker angehoben als in diesen selbst. Dadurch entsteht eine spektrale Charakteristik, wie sie in Fig. 2c gezeigt ist.

Das Notchfilter läßt sich so, bei seiner Dimensionierung mit ähnlicher Breite wie die spektrale Charakteristik der Quelle und fast nahezu gleicher Schwerpunktswellenlänge, einsetzen, um die spektrale Charakteristik einer Quelle zu verbreitern. Dadurch wird die Kohärenzlänge des erzeugten Laserlichts wesentlich verringert. Interferenzeffekte werden unterdrückt, so daß sich eine derartige Quelle für die eingangs genannten Anwendungen in besonderem Maße eignet.

Der Einsatz einer Doppelkernfaser mit dem Notchfilter soll im folgenden anhand von Fig. 3 und 4 bei der optischen Kohärenztomographie, in Fachkreisen auch OTC genannt, gezeigt werden. Fig. 3 zeigt den üblichen Aufbau eines derartigen Tomographen.

Als Strahlquelle wird dabei eine Superlumineszenzdiode 101 eingesetzt, deren Strahlung 102 mit einer Koppeloptik 103 in eine Glasfaser 104 eingekoppelt wird. Die in der Faser 104 geführte Strahlung wird im 3dB-Koppler 105, der hier als Strahlteiler eingesetzt wird, auf die beiden Zweige 109 und 113 aufgeteilt. Der Zweig 109 führt zu einer Ablenkeinrichtung 110, mit dem ein Objekt 111 rasternd abgetastet wird. Der Referenzzweig 113 weist eine Verzögerungsleitung 106, einen Kollimator 107 und einen Retroreflektor 108 auf.

Das vom Objekt 111 rückgestreute Licht wird am 3dB-Koppler mit dem aus dem Referenzzweig 113 reflektierten Licht überlagert. Wenn die vom Licht zurückgelegten Wegstrecken im Objektzweig 109 und im Referenzzweig 113 genau gleich lang sind, kommt es im vierten Zweig 114 des Kopplers 105 zu Interferenzerscheinungen, die mit einer Photodiode 112 detektiert werden. Durch axiales Verschieben des Retroreflektors 108 wird die Länge des Referenzzweiges verändert. Da nur dann ein Interferenzsignal beobachtet wird, wenn die Differenzlänge zwischen Objekt und Referenzzweig innerhalb der durch die spektrale Charakteristik der Superlumineszenzdiode 101 gegebenen Kohärenzlänge liegt, läßt sich aufgrund der Stellung des Retroreflektors 108 eine Tiefeninformation über das Objekt ermitteln. Durch Rastern der Objektoberfläche mittels der Ablenkeinrichtung 110 wird ein dreidimensionales Bild des Objekts erzeugt.

Wie vorstehend deutlich wurde, kommt es für die Tiefenempfindlichkeit vor allen Dingen darauf an, daß Interferenzeffekte nur bei nahezu gleich langen Lichtwegen im Objekt- und Referenzzweig auftreten. Deshalb ist es für derartige Anwendungen äußerst wichtig, die Kohärenzlänge des zur Beobachtung eingesetzten Lichtes so gering wie möglich zu halten.

Weiter sollte auch das laterale Ortsauflösungsvermögen möglichst hoch sein. Deswegen ist eine Laserquelle mit geringem Strahldurchmesser, d. h. Strahlprodukten unterhalb von 0,8 mm . mrad besonders vorzuziehen. Das erreichbare Strahlprodukt ist gleich der numerischen Apertur der Doppelkernfaser und läßt sich durch deren Dimensionierung einstellen. Wegen der aufgrund des Notchfilters möglichen großen spektralen Breite und der dadurch bedingten kleinen Kohärenzlänge ist ein Doppelkernfaserlaser gemäß Fig. 1, der zur weiteren Verbreiterung der spektralen Charakteristik mit einem Notchfilter ausgerüstet ist, wie es anhand von Fig. 2 erläutert wurde, als Lichtquelle für die optische Kohärenztomographie besonders geeignet. Als Notchfilter können bekannte Braggfilter, periodische Quetschstellen in einer zusätzlichen Lichtleitfaser oder sogar periodische Verbiegungen der Doppelkernfaser selbst dienen.

Ein derartiges Beispiel für einen optischen Kohärenztomographen mit dem vorher beschriebenen Doppelkernfaserlaser ist in Fig. 4 gezeigt. Die Pumpstrahlung 202 einer Laserdiode 201 wird mit Hilfe einer Koppeloptik 203 in die aktive Faser 213 eingekoppelt. Die aktive Faser 213 weist in diesem Fall eine periodische Modulation des Brechungsindex im Pumpkern 22 und Laserkern 24 auf. In diese Doppelkernfaser wurde also ein Braggfilter, durch die gezeigten Unterbrechungen 216 schematisch dargestellt, bekannter Art integriert. Man kann jedoch auch ein Braggfilter bekannter Art hinter die aktive Faser 213 schalten. In gleicher Weise kann man das Notchfilter auch durch periodische Quetschstellen oder durch Verbiegungen der aktiven Faser 213 ausbilden. Derartige Ausbildungen sind dem Fachmann bekannt, so daß hier nicht näher darauf eingegangen werden muß.

Die in der Faser erzeugte Laserstrahlung wird über einen Spleiß 214 oder einen Faserstecker mit geringem Reflex, auch bekannt unter dem Namen FC-APC, in die Faser 104 eingekoppelt. Um Rückkopplung und damit spektrale Einengung der Lichtleitfaserquelle zu vermeiden, ist das Faserende 115 entweder schräg poliert bzw. gebrochen oder mit einer Antireflexschicht versehen.

Ansonsten arbeitet das Ausführungsbeispiel von Fig. 4 in gleicher Weise wie das von Fig. 3. Die einzelnen Funktionsbaugruppen wurden zum besseren Vergleich von Fig. 3 mit Fig. 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.

Neben dem Vorteil, eine sehr breitbandige Laserquelle für die optische Kohärenztomographie zur Verfügung zu haben, ergibt sich ein weiterer Vorteil dadurch, daß in die Faser 104 direkt aus einer das Licht erzeugenden Faser 213 eingekoppelt wird. Aufgrund dessen kann man die Kopplung sehr einfach durchführen, nämlich mit einem Standartfaserkoppler 214, ohne daß weitere optische Elemente vorgesehen werden müssen. Neben der erreichten kostengünstigen Kopplung werden bei dieser Art der Lichtversorgung für die Faser 104 auch nur geringe Lichtverluste erwartet.

Obwohl der dargestellte Laser hier beispielhaft anhand der optischen Kohärenztomographie dargestellt wurde, läßt er sich auch andere Anwendungen einsetzen, wie beispielsweise die Laservideoprojektionstechnik, bei der eine große spektrale Breite zur Verringerung von Interferenzen erwünscht ist, als Speckle das Bild stark stören würden.

Claims (12)

1. Kurzkohärente Lichtquelle mit einer als optischem Resonator ausgebildeten Doppelkernfaser (213) zum Erzeugen von Licht mit Hilfe eines Laserprozesses, mit einer Pumpquelle (201) zum Erzeugen von Anregungslicht zum Anregen des Laserprozesses in einem Lasermedium der Doppelkernfaser (213) und einer Einkoppeloptik (203) zum Einkoppeln des Anregungslichtes in die Doppelkernfaser (213) wobei mindestens ein Teil der Doppelkernfaser (213) als Notchfilter ausgebildet ist oder ein separates mit der Doppelkernfaser (213) innerhalb des Resonators in optischer Verbindung stehendes Notchfilter vorgesehen ist, wobei das jeweilige Notchfilter für ähnliche Breite und nahezu gleiche Schwerpunktwellenlänge wie die Quelle dimensioniert ist.

2. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Notchfilter in der Doppelkernfaser (213) selbst oder in einer zusätzlichen innerhalb des Resonators mit der Doppelkernfaser (213) in optischer Verbindung stehenden Lichtleitfaser dadurch ausgebildet ist, daß sie zumindest in einem Teilbereich ihrer Länge periodische Quetschstellen aufweist.

3. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Notchfilter periodische Biegungen in zumindest einem Teilbereich der Doppelkernfaser (213) selbst oder in einer zusätzlichen, mit der Doppelkernfaser (213) innerhalb des Resonators in optischer Verbindung stehenden anderen Lichtleitfaser vorgesehen ist.

4. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Notchfilter als Braggfilter ausgebildet ist.

5. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelkernfaser (213) einen von einem Mantel (26) umgebenen Pumpkern (22) aufweist, innerhalb dem ein Laserkern (22) vorgesehen ist, wobei der Pumpkern (22) eine Form hat, aufgrund der Licht beliebiger Lichtrichtung nach einer oder mehreren Reflexionen an der Grenzfläche Pumpkern/Mantel (26, 22) mindestens einmal in den Laserkern (22) reflektiert wird.

6. Lichtquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpkern (22) die Form eines Kreisabschnittes mit einem Zentriwinkel (2) größer als 180° aufweist.

7. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermedium der Doppelkernfaser (213) mit seltenen Erden, insbesondere aus der Gruppe Pr, Yb, Nd, Er, Tm, Ho dotiert ist.

8. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermedium der Doppelkernfaser (213) mit Cu oder Ti dotiert ist.

9. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Doppelkernfasern (213) für die Reflexionen von Licht mit einem Reflexionsgrad kleiner als 0,1% ausgebildet sind.

10. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Ende der Doppelkernfaser (213) mit einem Winkel größer als 5° abgeschrägt ist.

11. Verwendung einer kurzkohärenten Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für die optische Kohärenztomographie.

12. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlprodukt der kurzkohärenten Lichtquelle kleiner als 0,8 mm . mrad und insbesondere kleiner als 0,4 mm . mrad ist.