EP-4500646-B1 - OPTICAL ARRANGEMENT WITH FIBRE LASER OR FIBRE AMPLIFIER AND FREE-BEAM COUPLING ELEMENT

Inventors

• EICHHORN, MARC
• KIELECK, CHRISTELLE
• FORSTER, PATRICK

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20230323

Claims (9)

1. Optical arrangement with a fibre laser (1) or fibre amplifier (2), which has at least - one active fibre (3) with a fibre core and at least one fibre jacket, which - - enables pump radiation (5) of a pump wavelength to be guided in the fibre jacket and - - in which laser radiation (6) of a laser wavelength guided in the fibre core is amplified in operation with the pump radiation (5) by optical pumping, wherein the pump wavelength and the laser wavelength are different, and - includes a coupling lens (4), - - which is arranged at a distance from a first fibre end of the active fibre (3), and - - via which the pump radiation (5) is coupled into the fibre jacket via the first fibre end in operation, characterized in that the coupling lens (4) has at least two different focusing zones (4a, 4b) in the radial direction, of which a circular inner zone (4a), wherein the size of the inner zone is selected such that it is equal to at least 1 to 1.5 times the size of the 1/e 2 intensity radius of the laser beam, and an adjacent annular outer zone (4b) are designed such that a focal plane of collimated radiation of the pump wavelength incident on the outer zone (4b) is closer to a focal plane of collimated radiation of the laser wavelength incident on the inner zone (4a) than in a design of the coupling lens (4) in which collimated radiation of the pump wavelength incident on the outer zone (4b) and collimated radiation of the pump wavelength incident on the inner zone (4a) have the same focal plane.
2. Optical arrangement according to Claim 1, characterized in that the inner zone (4a) has a radius which is at least equal to a beam radius of the laser radiation (6) induced by the numerical aperture of the fibre core of the active fibre (3), which said radiation has when coupled out via the first fibre end at the location of the coupling lens (4).
3. Optical arrangement according to Claim 1 or 2 characterized in that the active fibre (3) is a double-jacket fibre.
4. Optical arrangement according to any one of Claims 1 to 3, characterized in that the optical arrangement has a pump laser assembly that emits the pump radiation (5) of the pump wavelength, which - preferably after collimation - is coupled into the fibre jacket of the active fibre (3) with the coupling lens (4).
5. Optical arrangement according to Claim 4, characterized in that the pump laser assembly is made up of one or more laser diodes.
6. Optical arrangement according to any one of Claims 1 to 5, characterized in that the optical arrangement includes a seed laser (8) that emits seed laser radiation (9) with the laser wavelength to be amplified by the fibre laser (1) or fibre amplifier (2), which - preferably after collimation - is coupled into the fibre core of the active fibre (3) with the coupling lens (4).
7. Optical arrangement according to any one of Claims 1 to 5, characterized in that the laser radiation (6) guided in the fibre core emerges from the active fibre (3) via the first fibre end and is collimated by the coupling lens (4) or coupled to an external resonator mirror.
8. Optical arrangement according to any one of Claims 1 to 7, characterized in that the active fibre (3) is doped with thulium, holmium or erbium or with a combination of thulium and holmium.
9. Optical arrangement according to Claim 8, characterized in that the pump wavelength is in the range between 700 and 1000 nm, in particular at 790 nm, 976 nm or 888 nm depending on the doping of the active fibre (3).

Description

Technisches Anwendungsgebiet Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung mit einem Faserlaser oder Faserverstärker, die wenigstens eine aktive Faser mit einem Faserkern und wenigstens einem Fasermantel und eine Koppellinse aufweist, die in einem Abstand zu einem ersten Faserende der aktiven Faser angeordnet ist und über die vorzugsweise kollimierte Pumpstrahlung über das erste Faserende in den Fasermantel einkoppelbar ist. Die Erfindung betrifft auch eine optische Linse, die für den Einsatz als Koppellinse in der optischen Anordnung ausgebildet oder geeignet ist. Für den Betrieb von Faserlasern oder Faserverstärkern wird in vielen Fällen die Pumpstrahlung im Fasermantel der aktiven Faser geführt und muss entsprechend in den Fasermantel eingekoppelt werden. Bei Hochleistungs-Faserlasern oder -Faserverstärkern kann hierzu teilweise nicht auf diskrete Optik zur Einkopplung der Pumpstrahlung in den Fasermantel und zur Auskopplung der Laserstrahlung aus dem Faserkern der aktiven Faser verzichtet werden, da Faser-zu-Faser-Koppler für höchste Laserleistungen, insbesondere am Auskoppelende eines Faserlasersystems, an ihre Leistungsgrenzen kommen. Je nach Wellenlängenbereich tritt dies bei einigen 100 W oder kW auf. Die Einkopplung und Auskopplung erfolgt dabei mit Hilfe optischer Linsen oder Linsensysteme aus geeigneten Glasmaterialien. Insbesondere für den Fall stark unterschiedlicher Pump- und Laserwellenlängen, beispielsweise beim Betrieb von Thulium-Faserlasern mit einer Laserwellenlänge um 2000 nm und einer Pumpwellenlänge um 790 nm, weisen selbst gut geeignete Glasmaterialien eine zu hohe Dispersion auf, so dass eine sphärische Linse zur gleichzeitigen Einkopplung der Pumpstrahlung und Auskopplung der Laserstrahlung nicht eingesetzt werden kann. Selbst bei aktuell verfügbaren dispersions-optimierten asphärischen Linsen bleibt bei einem so großen Wellenlängenunterschied eine residuelle axiale Fokuspunkt-Differenz zwischen der Pumpstrahlung und der Laserstrahlung übrig, da diese Linsen auf optimale Abbildungseigenschaften der verwendeten Wellenlängen optimiert sind und eine exakte Kompensation über den gesamten Linsenquerschnitt dabei nicht möglich ist. Daher kann bisher kein Fokusabstand zwischen Linse und Faser gefunden werden, bei dem optimale Koppeleigenschaften in die oder aus der Faser für die lateral einmodige Laserstrahlung erreicht und gleichzeitig eine maximale Einkopplung der Pumpstrahlung erhalten wird. Stand der Technik Bei bisher bekannten Anordnungen mit einem Hochleistungs-Faserlaser oder -Faserverstärker werden daher zum Teil mehrlinsige Systeme zur Kopplung benutzt, welche die Fokusdifferenz zwischen Pump- und Laserstrahlung weiter verringern, oder es wird nicht mit kollimierten Strahlen gearbeitet, wobei mindestens einer der Pump- oder Laserstrahlen im Freistrahl eine hohe Divergenz aufweist. Im ersten Fall treten allerdings erhöhte Beschichtungsverluste an den multiplen Oberflächen auf, beispielsweise in Achromat-Anordnungen. Im zweiten Fall schränkt die Divergenz wenigstens eines der beiden Strahlen die Positionierfreiheit der Optiken stark ein und verursacht unnötig große Strahldurchmesser auf weiteren optischen Komponenten, welche dann ebenfalls größer gefertigt werden müssen. Dies ist insbesondere in militärischen Lasern nachteilig, da diese oft kompakt, robust und effizient sein müssen. Weiterhin ist es bekannt, die Pumpstrahl-Einkopplung und Laserstrahl-Auskopplung oder - Einkopplung voneinander zu trennen. Hierbei werden unmittelbar vor oder nach der Faser dichroitische Spiegel genutzt, die es erlauben, beide Strahlen separat zu fokussieren bzw. zu kollimieren. So zeigen beispielsweise T.S. McComb et al., "Widely tunable (>100 nm) continuous-wave narrow-linewidth high-power thulium fiber laser," Proc. SPIE 7193, Solid State Lasers XVIII: Technology and Devices, Seiten 71931I-1 bis 71931I-8, 2009, eine optische Anordnung mit einem Faserverstärker, bei der Laserstrahlung eines Seed-Lasers über eine Linse und Pumpstrahlung einer Pumplaseranordnung über ein separates Linsensystem in die aktive Faser des Faserverstärkers eingekoppelt werden. Die koaxiale Überlagerung der fokussierten Laserstrahlung des Seed-Lasers und der fokussierten Pumplaserstrahlung erfolgt über einen dichroitischen Spiegel der unmittelbar vor einem Faserende der Faser angeordnet ist. Aus S.D. Jackson et al., "Application and Development of High-Power and Highly Efficient Silica-Based Fiber Lasers Operating at 2 µm," in IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 13, no. 3, Seiten 567-572, 2007, ist eine optische Anordnung mit einem Faserlaser bekannt, bei der die Pumpstrahlung von beiden Seiten der Faser über jeweils eine Linsenanordnung in die Faser eingekoppelt wird. Die Laserstrahlung des Faserlasers wird über eines der Faserenden mit einer separaten Linse ausgekoppelt. Die Trennung zwischen ausgekoppelter Laserstrahlung und Pumpstrahlung am Auskoppelende der Faser erfolgt wiederum ü