CN118235074A - 模场适配器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使输入光纤(2)的模场与输出光纤(3)模场匹配的模场适配器(1)，该模场适配器包括模场适配器光纤(14)，其中模场适配器光纤(14)具有用于使输入光纤的模场的模场直径与输出光纤的模场匹配的模场匹配区段(146)，其中模场适配器光纤(14)具有介于5mm与150mm之间的长度(L)，并且模场匹配区段(146)具有介于5mm与50mm之间的长度(L2)，优选地具有介于15mm与50mm之间的长度。

Description

模场适配器

技术领域

本发明涉及一种用于使输入光纤的模场与输出光纤的模场的模场匹配的适配器，尤其在高功率光纤激光系统中使用。

背景技术

为了实现具有高射束品质(即例如衍射指数接近1)的光纤激光器，具有小模场的激光活性光导光纤是有利的，而高输出功率需要具有大模场的光学放大器。现在，为了能够将具有小模场的输入光纤与具有大模场的输出光纤相连接，使用模场适配器。在例如用于光纤激光系统的模场适配器的典型实际应用中，首先向输入光纤的活性(掺杂)纤芯的小模场馈入相对较弱的激光功率(例如通过外部激光源)并且在必要时通过导入光纤中的另外的外部光学泵浦信号将其进行预放大。这确保了具有高射束品质和对应优选主导的基模的激光，其藉由模场适配器转换成大模场的区域。在输出光纤中提供较大的模场由于与此相关的最大可容许的激光功率更大而可以通过外部光学放大器实现激光的最大输出功率的提高。

从US2011/0249321 A1中已知一种模场适配器，该模场适配器将种子光纤或输入光纤与放大器光纤或输出光纤相连接，其中输出光纤具有比输入光纤更大的纤芯直径。模场适配器具有带均匀折射率分布的内部区域的第一光纤，其中均匀折射率分布的内部区域大于种子激光器或输入光纤的纤芯直径。此外，模场适配器具有布置在第一光纤下游的第二光纤，该第二光纤具有内部区域，该内部区域具有径向逐渐减小的折射率(渐变折射率(GRIN))。匹配GRIN光纤/GRIN透镜的长度，使得激光从输入光纤聚焦到输出光纤的纤芯区域。输入光纤的较小纤芯在此与较小的模场直径相对应，其中输出光纤的较大的第二纤芯与较大的模场直径相对应。因此，在内部区域中具有均匀折射率、代表模场适配器的第一部分的光纤对来自细输入光纤纤芯的光的模场进行扩展，该光在随后的第二部分(渐变折射率光纤)中准直到输出光纤的较大的光纤纤芯中，由此匹配模场。

模场适配器的这种两件式的结构需要相对高且复杂的制造成本，因为为了连接输入光纤、模场适配器和输出光纤必须在三个位置处进行拼接并且总体上进行四次切割。多个拼接过程除了增加制造成本之外，还在拼接位置处增加了功率损耗。

此外，必须非常精确地制造非常短的模场适配器组成部分，以确保激光适当地准直到具有较大模体积的后续输出光纤中。这对于保持高射束品质尤其重要。

为了通过模场适配器确保激光的保持偏振引导，在这种结构形式中还需要将模场适配器实施得非常短(介于0.5mm与1mm之间)，这限制了构件的实施方式。

发明内容

从已知的现有技术出发，本发明的目的在于提供一种经改进的用于使输入光纤的模场与输出光纤的模场匹配的模场适配器，尤其在容易制造的同时在过渡区域中进行保持偏振的(polarisationserhaltend)光引导。

该目的通过具有权利要求1所述特征的模场适配器来实现。自从属权利要求、说明书和附图中得出有利的改进方案。

对应地，提出一种用于使输入光纤的模场与输出光纤的模场匹配的模场适配器，该模场适配器包括模场适配器光纤。根据本发明，模场适配器光纤具有用于将输入光纤的模场的模场直径与输出光纤的模场的模场匹配的匹配区段，其中模场适配器光纤具有介于5mm与150mm之间的长度，并且模场匹配区段具有介于5mm与50mm之间的长度，优选15mm与50mm之间的长度，其中模场适配器光纤将偏振光从输入光纤以保持偏振的方式转移到输出光纤中。

输入光纤和输出光纤的实施方式可以是不同的光纤类型。本发明包括、然而并不限于：阶跃折射率光纤、渐变折射率光纤、以及呈中空纤芯光纤或光子晶体光纤(PCF，英语“photonic crystal fiber”)形式的微结构光纤。关于PCF，尤其应提及光子带隙光纤和具有活性纤芯的双包层PCF，其中后者与光纤激光器应用特别相关。

尤其可以实现，藉由在此描述的模场适配器将特定类型的输入光纤与另一种类型的输出光纤相连接。

下面简要描述在输入光纤和输出光纤的示例性的实施方式中可以使用的不同的光纤类型。然而，本发明不限于明确提出的光纤类型。

阶跃折射率光纤包括光纤包层和导光纤芯，并且其特征尤其在于折射率呈阶梯形变化，其中纤芯的折射率大于光纤包层的折射率，由此保证其导光特性。

替代性地，可以使用双包层的阶跃折射率光纤，其包括两个共轴布置的光纤包层，其中外包层的折射率小于内包层的折射率，并且内包层的折射率小于光纤纤芯的折射率。对应地确保了光纤纤芯的导光特性以及内包层的进一步的导光特性。

单包层和双包层的阶跃折射率光纤还可以配备有掺杂的活性纤芯，其中例如可以用稀土金属进行掺杂。具有掺杂的活性纤芯对于光纤激光系统尤其重要。特别是在双包层光纤结构形式的情况下，内包层的导光特性优选地用于将被引导至掺杂的活性纤芯中的激光进行光学放大。

在渐变折射率光纤中，没有明确定义的导光纤芯，而是藉由逐渐且径向向外减小的折射率来实现光引导。这些光纤类型尤其可以实现减少被引导的光的模态色散。

在光子晶体光纤中，光纤是微结构化的，其中微结构化相当于孔沿光纤轴的周期性布置。光纤的实心纤芯例如可以是非结构化的，而周围的光纤材料被结构化为具有呈三角形网格或蜂窝网格形式的孔。通过与结构化包层相比在非结构化的纤芯中实际更高的折射率实现引导光的特性。

替代性地，光子晶体光纤可以被实施为光子带隙光纤。在此，例如可以形成填充有空气的中空纤芯，该中空纤芯被周期性结构化的包层包围，该包层例如被结构化为具有填充有空气的孔的三角形网格或蜂窝网格。包层中的折射率的这种周期性结构通过衍射和干涉影响光的传播，并且可以实现窄波长范围内的光在中空纤芯中唯一地传播，而超出该范围的光的传播被抑制。具有填充有空气的中空纤芯的光纤结构形式还被称为中空纤芯光纤。不同于上述光纤类型，光子带隙光纤不是借助于纤芯与包层之间的折射率差来引导光，而是藉由包层中的孔结构的周期性布置引导光，这实现了光子带隙并且允许或抑制特定波长的传播。

在另一个替代方案中，光子晶体光纤可以被实施为具有掺杂的活性纤芯，而不是未掺杂的实心光纤纤芯或填充有空气的中空纤芯，其中该活性纤芯可以掺杂有各种稀土金属。该变体对于光纤激光系统尤其重要。

此外，光子晶体光纤或光子带隙光纤还可以被实施为双包层光纤。第二包层尤其可以被实施为空气包层(英语“air-clad”)，该空气包层例如借助于围绕光纤纤芯同心布置的、填充有空气的孔来实现。空气包层在内包层中产生引导光的特性，这对于光纤激光系统中的光学放大尤其重要。

上述示例性的空气包层并不限于光子晶体光纤，而是可以在任意的光纤类型中使用。

从特定波长的受光纤引导的光出发，除了阶跃折射率光纤之外，光纤纤芯的几何纤芯直径或横截面积与其相关的模场之间不存在简单的关系。这对于不具有明确定义的纤芯直径的光纤类型(例如渐变折射率光纤)尤其明显。由于根据本发明的模场适配器的模场匹配不限于阶跃折射率光纤，因此在本发明的范围内，主要使用模场来表征光纤。

任意玻璃光纤类型的模场通常可以用有效模场面积A_eff来表示，该有效模场面积与光模的存在于光纤中的空间强度分布的有效覆盖的横截面积的度量相对应。与光纤类型无关的光纤的有效模面积A_eff的普遍适用的表达式(具有沿z轴的纵向方向和与其横向的轴x和y)可以计算如下：

其中，I(x,y)是光模的空间强度分布，并且积分在整个光纤的横截面积上延伸，甚至延伸超出引导光的纤芯。光模的强度分布可以通过对模轮廓进行测量或数值模拟来确定。术语“模场和有效模场面积”在下文中应同义地使用。

此外，光纤分为单模光纤和多模光纤。单模光纤被设计成其对于确定的光波长仅能够引导具有近似高斯形径向强度轮廓的基模，而在多模光纤中，允许多个模的传播。除了光子晶体光纤之外，允许的模的数量大体上通过特定波长的受引导的光的有效模场面积A_eff以及光纤的数值孔径来确定。然而，相对于更常规的光纤类型(如阶跃折射率光纤或渐变折射率光纤)，光子晶体光纤的特殊设计可以在有效模场面积和数值孔径在名义上相同的情况下实现允许的模的数量显著减少。

为了实现具有接近1的衍射指数的高射束品质，单模光纤是优选的，因为这些模在光纤输出端处的光传播仅受到衍射的限制。此外，使用具有较大有效模场面积的单模光纤(例如借助于光子晶体光纤)具有特别的优点，因为它们可以同时实现高输出射束品质和大模场。由于大模场允许的光学功率高，因此例如可以在光纤激光系统中实现在具有高亮度的同时高功率的激光。

在具有高斯形径向强度轮廓的单模光纤的情况下，有效模场面积可以通过模场半径w来表征，其中满足A_eff＝πw²。在这种情况下，模场还可以通过模场直径d＝2w来表示。

在阶跃折射率光纤的特殊情况下，还可以利用所涉及的光纤的几何纤芯半径a确定模场半径w。根据马库斯方程(Marcuse's Gleichung)满足：

在此，V表示所谓的V数，由下式给出

其中λ是使用的激光的波长，并且是光纤的数值孔径。后者由阶跃折射率光纤的纤芯的折射率n_core和邻接的光纤包层的折射率n_cladding确定。V数相当于无量纲参数，该参数可以被看作为是一种归一化的光学频率。换种表述方式，为了计算V数，将用数值孔径NA加权的几何光纤纤芯半径a归一化到所使用的、与波长的倒数1/λ成正比的激光频率。V数尤其是单模光纤与多模光纤之间关于阶跃折射率光纤的分界标准。尤其，对于V≤2.405，光纤在每个偏振方向仅能传输一种模(基模)。多模光纤对应的特征是较大的V数。

输入光纤与输出光纤之间的主要不同的特征尤其是，输入光纤的模场与输出光纤的模场不同。

在实施方式中，输入光纤的模场例如可以小于输出光纤的模场。

在另一个实施方式中，输入光纤的模场还可以大于输出光纤的模场。

模场适配器的功能不限于单模光纤或多模光纤的模场的匹配，可以对应地针对两种光纤类型进行匹配。输入光纤尤其可以是单模光纤，并且输出光纤是多模光纤，或相反。

在阶跃折射率光纤的特殊情况下，可以借助于V数将光纤分类为单模光纤或多模光纤。对于引导光的纤芯的波长固定且数值孔径同样固定而言，如果V≤2.405，则光纤被分类为单模光纤，并且如果V≥2.405，则光纤被分类为多模光纤。

对于更复杂/其他的光纤类型而言，没有用于将光纤归类为单模光纤或多模光纤的普遍适用的标准。于是，通常需要对所涉及的光纤的模轮廓进行数值模拟。

提出的旨在将上述输入光纤与输出光纤之间进行连接的模场适配器尤其本身被实施为玻璃纤维，并且包括纤芯和包层，其中包层具有比引导光的纤芯更低的折射率。这种类型的模场适配器光纤具有介于5mm与150mm之间的长度以及模场匹配区段，该模场匹配区段尤其具有介于5mm与150mm之间的长度、优选介于15mm与50mm之间的长度。

尤其，纤芯直径在模场匹配区段内沿其纵向方向被实施为膨胀的，并且因此包括具有未膨胀纤芯的端部以及具有最大膨胀纤芯的端部。通常，包层直径可以对应于纤芯的逐渐膨胀，然而在优选的实施方式中，包层直径是恒定的，并且为至少130μm且小于900μm，在优选的实施方式中例如为400μm。

模场适配器的膨胀的纤芯直径对应于模场的增大，然而由于模场适配器的制造工艺不同，几何纤芯直径与模场之间不存在普遍适用的关系。然而，对应于上文介绍的定义，模场可以通过有效模场面积A_eff来表征。因此，在模场适配器的输入侧和输出侧处的模场匹配通常藉由匹配模场来进行，而不一定藉由匹配几何纤芯直径来进行。后者仅对阶跃折射率光纤有意义，其中可以通过阶梯形改变的折射率指定纤芯与包层之间明确的分隔。

因此，模场适配器的具有未膨胀的纤芯直径的端部具有相对较小的模场并且适应输入光纤的模场，而具有最大膨胀的纤芯直径的端部具有较大的模场并且适应输出光纤的模场。

对应于上述替代方案，输入光纤的模场还可以大于输出光纤的模场。在此，模场适配器可以反向地使用，并且因此将输入光纤的较大模场转换为输出光纤的较小模场。

模场适配器的在直径上逐渐膨胀的纤芯可以通过各种工艺来实现。用于制造模场适配器光纤的常见方法是使光纤“锥化(Tapern)”，其中光纤被局部加热，并且在此在其两端彼此拉开，由此使其在加热位置处变得更细且更长。在变细位置处和不变的较厚位置处进行相应的切割，产生模场适配器。在该方法中，引导光的纤芯和包层的膨胀是对应的。

用于制造模场适配器的另一个在此优选的可能性在于模场适配器光纤的纤芯的热膨胀(TEC，来自英语“thermally expanded core”)。在此，将具有较小模场的光纤暴露于沿纵向轴线变化的加热轮廓中。由此使得定义光纤纤芯的径向轮廓的玻璃部分扩散，并且基谐模的模场增大。在此应注意的是，在TEC方法中，由于工艺的原因，纤芯与包层的边界不再明确定义。对应地，在纤芯的膨胀区域中无法给出几何纤芯直径的明确定义值。在这种情况下又利用对模场的计算/测量，以定义光纤的引导光的部分。

对应地，在一个实施例中，热膨胀的模场适配器光纤的纤芯例如从10μm的几何纤芯直径逐渐膨胀到30μm的模场直径。在此应指出的是，对应于引入的关于有效模场面积的模场定义，只有对于光纤中的光的模轮廓径向对称时，指定模场直径才有意义，因为只有在这种情况下才允许对模场面积进行圆形定义。后者典型地只能在单模光纤中可靠地实现。为了使模场与随后的单模输出光纤进行适当匹配，该单模输出光纤对应地同样应被实施为具有30μm的模场直径。

为了将模场适配器光纤与输入光纤和输出光纤连接，首先分别在模场适配器光纤的未膨胀端部和最大膨胀端部处进行抛光并且在必要时进行切割。抛光和/或切割的目的是产生光纤的尽可能完美的平坦端部。在抛光和/或切割之后，将模场适配器光纤的两个端部拼接在输入光纤或输出光纤上，其中光纤纤芯的相对应的模场相互连通。在拼接光纤时，将要拼接的玻璃光纤的引导光的纤芯彼此精确地对准，然后藉由各种方法相互连接。连接例如可以通过熔合拼接进行，其中使用电弧将端部彼此熔接在一起。

这种单片式的结构(即输入光纤和输出光纤的模场匹配借助于仅利用光纤组成部分制成的模场适配器来实现)可以实现设备的紧凑、稳健且成本有效的实施方式。

作为模场适配器正常工作的定量标准，对于单模光纤而言，可以限定连接位置处(即输入光纤与模场适配器光纤之间的过渡，以及模场适配器光纤与输出光纤之间的过渡)的最大可容许的功率损耗。对应地，可以引导具有较小模场的基模的输入光纤应与模场适配器光纤的输入侧的模场相匹配，使得(例如通过在输入侧将输入光纤拼接到模场适配器光纤上)实现模场以<3dB、优选<1dB的损耗的光学耦合。在输出侧，模场适配器光纤应以较大模场匹配为输出光纤的同样较大的模场，使得实现<3dB、优选<2dB的损耗。

在优选的实施方式中，输入光纤和输出光纤被制造为保持偏振的(PM，英语“polarisation maintaining”)。保持偏振是指，射入光纤中的特定偏振态的光在沿光纤的特定路径上保持该偏振态。偏振态的与此相比的劣化是由于(与射入光的偏振态相比)存在光的越来越多的正交偏振态而引起的。用于描述偏振态的定量参数可以通过偏振比来给出，该偏振比可以由射入光的期望偏振分量和偏振态的与其正交的部分形成。偏振态的改变可以对应地通过光的射入的偏振(其在通过模场适配器光纤时转换成与其正交的偏振)的百分比份额给出。

如果没有经过特殊制造，那么即使在非常短的距离内，光纤也无法保持偏振，因为尽管光纤具有圆形对称性，但最小的杂质、不对称性或产生应力的弯曲也将导致光纤的弱且随机的寄生双折射特性，然而由于微观光波长典型地非常小，这种特性由于在偏振态之间由双折射引起的耦合即使在很短、但宏观的距离内也会对偏振产生显著的影响。因此，为了制造保持偏振光纤，例如在光纤中有意地产生强烈、但明确定义的双折射，由此可以使两个明确定义的偏振态以唯一但不同的相速度传播。

对于给定的波长，可以定义拍长(英语“Beat-Length”)，该拍长通过沿光纤的一段距离给出，在该距离上，偏振态之一和与其正交的偏振态相比延迟一个波长。当沿光纤在点0处存在偏振态1(以及与其正交的偏振态2)时，正交的偏振态之间的固有寄生耦合确保具有特定相位的偏振态2的振幅有限。在光波传播半个拍长之后，同样的随机耦合进而确保持偏振振态2中的振幅有限，然而与点0处的耦合相比具有180°的相移，由此消除偏振态2中的波部分。换言之，对于保持偏振光纤而言，由外部引发的双折射而引起的拍长应明显小于寄生双折射耦合由于弯曲和杂质等固有效应而变化的长度尺度。与此相对应地，射入偏振在相当于多个拍长的距离上得以保持。

根据此原理制造的光纤例如可以通过光纤包层和/或纤芯的非圆形对称性或光纤包层内轴向相对延伸的杆来产生，这些杆被配置成使得它们能够实现由应力引起的双折射。

尽管模场适配器光纤被实施得非常长，但所提出的模场适配器是保持偏振的，即使模场适配器的光纤材料不具有保持偏振结构。该特征可以通过如下方式实现：(1)代表模场适配器的非PM光纤段仍足够短，(2)PM输入光纤和PM输出光纤在拼接之前根据其偏振轴彼此对准，以及(3)将模场适配器光纤的整个过渡区域保持为足够的无应力，以避免由应力引起的双折射造成的偏振度劣化。在这些前提条件下，随后可以将测试信号耦合到输入光纤中，并且可以通过将光纤彼此对准来优化或最大化输出光纤上的功率和偏振比。

用于制造模场匹配区段的上述方法对于非保持偏振光纤而言明显更容易实现，尤其在输入光纤和输出光纤的直径之间存在较大差异时。在此提出的模场适配器光纤描述了没有明确保持偏振结构的保持偏振光引导，因此确保了保持偏振模场适配器的制造被高度简化。

模场适配器光纤尤其不具有明确形成的保持偏振结构，例如应引起波的保持偏振传播的应力杆或其他双折射结构。也不针对模场适配器光纤设置可以引起保持偏振的不对称的光纤设计或包层设计(Faser-oder Mantelkonstruktionen)。

模场适配器光纤通过支架以不弯曲、优选笔直、特别优选具有大于10m的曲率半径的方式支承。因此确保避免或减少随机分布的或由不均匀的应力引起的双折射，并且模场适配器中的偏振在其长度上得以基本保持。

所述支架包括管、优选玻璃管，该管分别借助于粘合点将输入光纤和输出光纤固定在管中。对应地，模场适配器光纤间接地支承在管中，其中这两个粘合点将管封闭。

本发明不限于模场适配器的管状支架，而是在本发明的范围内，还可以使用用于支承的任意其他合适的几何形状。

在改进方案中，模场适配器光纤的间接紧固装置被紧固在石英玻璃管中。藉由两个粘合点进行紧固，其中粘合点被设计成使得它们密封地封闭管。密封的粘合点主要防止/减少颗粒的侵入，然而也可能防止/减少水蒸气的侵入。在此，特别优选的是尽可能无应力的支承，以避免由应力引起的双折射。与此相对应地，优选地应使用软性粘合剂进行紧固。

在优选的实施方式中，偏振态的改变，即光的射入偏振在通过模场适配器光纤时转换成与其正交的偏振的百分比份额借助于上述无应力的支架而小于25％(-6dB)，优选地小于1％(-20dB)。

在特别优选的应用中，输入光纤、模场适配器光纤与输出光纤之间的光纤连接可以用作激光放大系统。为此，输入光纤和/或输出光纤可以实施为具有用作活性激光介质的掺杂的光纤纤芯。掺杂可以用合适的原子进行，例如铒、镱、铥或钕，其中本发明不限于所提及的掺杂原子。纤芯的掺杂形成用于光纤激光器的光纤的活性介质，用于射入激光的受激辐射和放大。

在对大输出功率以及同时高射束品质具有高要求的光纤激光放大器系统中，使用输出侧具有较大模场的模场适配器尤其重要。这是因为具有较小模场但较高光功率的光纤具有非常大的光学强度，这些光学强度引起不期望的非线性的光-物质相互作用。后者尤其会导致频率转换，并且由此影响激光的品质。这种非线性效应可以通过提供较大模场来抑制，因为其中的光学强度可以保持得相对较低。

在实施方式中，输入光纤可以被设计为前置放大器光纤和/或输出光纤可以被设计为主放大器光纤。这尤其意味着，光纤被实施为在纤芯中具有活性介质，由此借助于外部泵浦光可以放大激光功率。输入光纤被实施为前置放大器光纤尤其意味着激光的功率受到较小模场的限制。相反，被实施为主放大器光纤的输出光纤的相对较大的模场提供较大的可能输出功率。

在根据上述实施方式的单包层的输入光纤和/或输出光纤的情况下，用于放大激光的泵浦光可以耦入输入光纤和/或输出光纤的纤芯中。

在根据上述实施方式的双包层的输入光纤和/或输出光纤的情况下，用于放大激光的泵浦光可以耦入输入光纤和/或输出光纤的内包层中。

基于双包层的放大器光纤的上述实施方式对于激光放大而言是特别优选的，因为与耦入单包层的放大器光纤的纤芯相比，泵浦光耦入内包层可以实现更高的泵浦功率，并且同时确保在相对较细的纤芯中引导的激光的高射束品质。

在借助于阶跃折射率光纤的典型实施方式中，将作为前置放大器光纤的输入光纤制造为具有较小纤芯直径、优选处于≤10μm数量级。相比之下，通过使用具有较大纤芯直径(优选地处于≥20μm数量级)的输出光纤作为主放大器光纤，可以在放大器链的末端处实现高功率。

为了完整地实现激光系统，首先在种子源中产生激光辐射、例如激光脉冲。该激光耦入到具有较小模场的输入光纤的纤芯中，并且在必要时进行预放大。随后是模场适配器，其中将从输入光纤耦入的激光以较小模场匹配为输出光纤的较大模场。输出光纤被用作放大器光纤，其方式为通过泵浦信号合成器将激光辐射从泵浦源耦入到输出光纤的包层中。耦入的泵浦光将输出光纤中的激光辐射放大。放大的激光辐射从激光系统的输出光纤射出。

种子源例如被设计为二极管，该二极管具有光纤放大器、光纤振荡器以及必要时具有前置放大器。在此不排除替代性地提供用于耦入到输入光纤中的激光。

泵浦源例如可以被实施为一个或多个光纤耦合的激光二极管，其典型地耦合至(多个)多模光纤，其中后者被称为泵浦光纤。

泵浦信号合成器提供一种设备，该设备用于将来自外部泵浦源的泵浦光耦入到被实施为主放大器光纤的输出光纤的包层面中，其中泵浦光在相关的泵浦光纤中被引导。例如，为此可以将来自泵浦源的多个泵浦光纤与主放大器光纤相连接。后者典型地以如下方式发生(然而并不限于此)：泵浦光纤围绕输出光纤布置，并且整个光纤束(通常被玻璃管包围)逐渐变细，以使其尺寸与活性光纤的尺寸相对应。对应地，泵浦光纤和活性输出光纤以如下方式熔合，使得产生稳定且一体式的光纤结构。

在替代形式中，还可以借助于自由射束光学器件在泵浦信号合成器的框架内耦入外部泵浦光。

在激光系统的实施方式中，例如藉由泵浦信号合成器将来自泵浦源的泵浦光朝向与射入激光相反的方向泵浦到输出光纤的包层面中，由此使未吸收的泵浦光进入模场适配器的包层面中。

未吸收的泵浦光可以在模场适配器上可选地设置的模式剥离器(Modestripper)中从系统中耦出。在高泵浦功率下，这防止损坏布置在模场适配器之前的光纤部件/放大器光纤，以及防止泵浦光不期望地耦入到种子源中。

在一种实施方式中，模式剥离器区段在光纤包层上具有粗糙的外表面，该外表面例如可以通过对光纤包层的HF蚀刻产生。

在模式剥离器的另一实施方式中，模式剥离器区段的光纤包层可以覆盖有层，该层具有比光纤包层更高的折射率，由此使未吸收的泵浦光在包层中被吸收或在侧向上耦出。

在优选的实施方式中，模式剥离器区段在模场匹配区段上延伸。

在模场适配器光纤的之前提及的其中膨胀纤芯是通过TEC方法制造的实施方式中，包层具有至少130μm的相对较大的包层直径，尤其例如400μm的直径。由此可以实现沿光纤均匀地引入热量，由此可以减少/避免纤芯中的应力场，这些应力场导致功率由于应力双折射而耦合到更高的纤芯模中。此外，输出光纤/放大器光纤的未吸收的泵浦光可以大部分、优选完全地在模场适配器的包层中被引导。在包层中引导的未吸收的泵浦光可以在模式剥离器中耦出，由此避免模场适配器上未吸收的泵浦辐射对光纤的损坏。

同样地，由于模场适配器的相对较大的包层直径带来了光纤的与此相关的高固有刚度，这简化了整个制造过程。

附图说明

通过以下对附图的描述来详细阐述本发明的其他优选实施方式。在附图中：

图1示出模场适配器光纤的纵截面以及输入光纤和输出光纤的横截面的示意图；

图2示出与输入光纤和输出光纤连接的、具有保持偏振结构的模场适配器光纤的纵截面的示意图；

图3示出用于固定输入光纤和输出光纤以及模场适配器的支架的示意图；以及

图4示出包含模场适配器的光纤激光系统的结构的示意图。

具体实施方式

在下文中借助附图来描述优选的实施例。在此，不同附图中相同、相似或作用相同的元件设有相同的附图标记，并且部分地省去对这些元件的重复描述，以避免冗余。

图1示意性地以纵截面示出模场适配器1。模场适配器1具有输入侧10和输出侧12。模场适配器1的输入侧10被设计成联接在此以横截面非常示意性地展示的输入光纤2。例如可以藉由拼接工艺实现模场适配器1的输入侧10与输入光纤2的端侧20之间的联接。

模场适配器1的输出侧12被设计成联接在此同样以横截面非常示意性地展示的输出光纤3。例如同样可以藉由拼接工艺实现模场适配器1的输出侧12与输出光纤3的端侧30之间的联接。

在图1中以纵截面示出模场适配器1，而分别以横截面示出输入光纤2和输出光纤3。

如已经证实，输入光纤和输出光纤的光纤结构形式可以是不同类型，这可能导致光纤的相关模场的非常不同的特性，并且尤其不允许几何纤芯直径与模场之间的简单关系，主要是由于有些光纤类型不具有明确定义的纤芯直径。为了便于理解地描述，附图中绘制的光纤的模场应通过模场直径来表征。这尤其以单模光纤为前提，因为只有这样才能通过高斯形基模得到径向对称的轮廓。然而如已经在说明书中所提及的，本发明并不限于单模光纤的使用，因为模场匹配还可以藉由有效模场面积来实现。此外，示出具有简单实施方式的光纤包层的光纤，其中并不排除开篇所述的更复杂的结构形式，例如双包层。

如在示意性地展示的端侧20可以看出，输入光纤2具有引导光的光纤纤芯22，该光纤纤芯的特征在于第一模场直径d1。围绕光纤纤芯22形成光纤包层24。

输出光纤3同样具有光纤纤芯32，该光纤纤芯具有第二模场直径d2。围绕光纤纤芯32同样形成光纤包层34。

输入光纤2的光纤纤芯22所具有的第一模场直径d1明显小于输出光纤3的光纤纤芯32所具有的第二模场直径d2。

由于输入光纤2的光纤纤芯22和输出光纤3的光纤纤芯32的这两个模场具有不同的直径，因此输入光纤2与输出光纤3的直接连接只能在非常高的光学损耗下实现，因为突然的过渡导致在界面处有反射。

借助于模场适配器1，可以对应地将输入光纤2的模场与输出光纤3的模场适应或匹配，由此明显减少在过渡时的光学损耗。

为此，模场适配器1具有模场适配器光纤14，该模场适配器光纤对应地具有输入侧10和输出侧12。模场适配器光纤14具有光纤纤芯140，该光纤纤芯在输入侧10具有与输入光纤2的模场直径d1相对应的模场直径d1a，并在输出侧12具有与输出光纤3的模场直径d2相对应的模场直径d2a。

对应地，通过将输入光纤2以其端侧20连结至模场适配器1的输入侧10，输入光纤2的模场可以耦入模场适配器1、尤其其光纤纤芯140中。在模场适配器1的输出侧12，模场可以从模场适配器1的光纤纤芯140耦入输出光纤3的光纤纤芯32中。

模场适配器1的光纤纤芯140对应地从输入侧10朝向输出侧12延伸。如在图1中示意性地示出，在此示例性的实施方式中，模场适配器1的光纤纤芯140的模场直径的实际匹配不是在模场适配器光纤14的整个长度L上进行的。模场适配器光纤14的长度L被定义为模场适配器光纤14的输入侧10与输出侧12之间的长度。

更确切地说，模场适配器光纤14的光纤纤芯140从输入侧10首先以不变的第一模场直径d1a延伸，该第一模场直径与输入光纤2的光纤纤芯22的模场直径d1相对应。模场适配器光纤14的光纤纤芯140的设有不变的模场直径的第一区段142具有在图1中被称为L1的长度。

此外，在示出的实施例中，模场适配器光纤14的另一区域形成的光纤纤芯140具有固定的模场直径，即模场直径d2a。模场适配器光纤14的光纤纤芯140的具有固定的模场直径d2a的第三区段144从输出侧12朝向输入侧10的方向延伸。第三区段144具有在图1中被称为L3的长度。

在模场适配器1的模场适配器光纤14的光纤纤芯140分别以固定的模场直径延伸(即在第一区段142和第三区段144中)的这两个区域之间设置有模场匹配区段146，模场适配器光纤14的光纤纤芯140在该模场匹配区段中膨胀，即从第一区段142的第一模场直径d1a膨胀到随后在第三区段144中达到的第二模场直径d2a。模场匹配区段146具有长度L2。

在此提出的模场适配器并不限于上述的三部分的结构(142、144和146)。模场匹配区段146尤其还可以在模场适配器1的整个长度L上延伸，由此将不存在具有恒定模场直径的区域。

模场适配器1的模场适配器光纤14具有介于5mm与150mm之间的长度L，其中模场匹配区段146具有的长度L2介于5mm与150mm之间，优选地具有介于15mm与50mm之间的长度。

以这种方式可以实现将输入光纤2的模场与输出光纤3的模场相匹配，并且模场适配器1同时可以以这种方式被设计为保持偏振的。在此，模场适配器1或尤其模场适配器光纤14本身可以不具有明确保持偏振的结构。

模场适配器光纤14尤其不具有明确形成的保持偏振结构，例如应引起波的保持偏振传播的应力杆或其他双折射结构。也不针对模场适配器光纤设置可以引起保持偏振的不对称的光纤设计或包层设计。

然而，输入光纤2和/或输出光纤3可以设置有例如在所谓的PM光纤类型领域中已知的保持偏振结构，例如通过张紧PM光纤中不同的轴。PM光纤类型例如还可以通过安装两个沿纵向方向定向的、掺硼玻璃杆来形成，这些玻璃杆定位在光纤纤芯的相对侧。典型的实施方式是圆柱形或“领结”形的玻璃杆。还可以使用椭圆形的纤芯光纤或者光纤或光纤纤芯的其他不对称设计，这些设计对应地能够对输入光纤2和/或输出光纤3起到保持偏振作用。这种不对称设计还可以用于光纤包层，并且同样用于实现保持偏振光纤。对于光子晶体光纤的情况，微结构化的孔结构的不对称布置尤其可以用于实现保持偏振效果。

这种保持偏振结构没有明确地设置在模场适配器光纤14中。而是，在此仅设置有例如具有热膨胀纤芯的模场适配器光纤14。

优选地，模场适配器光纤14的包层直径d3连续地在模场适配器光纤14的整个区域上、即在其整个长度L上恒定。换言之，模场适配器光纤14的直径、尤其包层直径d3不变。仅在模场匹配区段146中的光纤纤芯140具有从模场直径d1a到模场直径d2a的对应增加。

模场适配器光纤14的包层直径d3例如可以大于130μm，优选地小于900μm。以这种方式，在制造过程期间可以均匀地引入热量并且可以减少或避免光纤纤芯140中的应力场。

此外，在模场适配器光纤14的包层直径d3恒定时，放大器的未吸收的泵浦光可以在包层中被引导并且通过可选地的模式剥离器(下面进一步描述)在包层面上耦出，由此可以避免未吸收的辐射对模场适配器光纤14造成的损坏。

在图2中示出处于与输入光纤2和输出光纤3连接的状态下的模场适配器1，其中输入光纤2的端侧20对应地借助于拼接工艺连接至模场适配器光纤14的输入侧10，使得输入光纤2的光纤纤芯22与模场适配器光纤14的光纤纤芯140对准，使得对应地可以实现将输入光纤2的模耦入到模场适配器光纤14中。

同样，输出光纤3以其端侧30拼接在模场适配器光纤14的输出侧12，使得将在模场适配器光纤14中、尤其在其光纤纤芯140中传播的模直接耦入到输出光纤3的光纤纤芯32中。在此主要讨论的单模光纤的情况下，在此优选地仅耦入基模，以确保高射束品质。然而，这并不排除模场适配器1与具有多模光波传播的多模光纤一起使用。

输入光纤2与模场适配器光纤14的连接或输出光纤3与模场适配器光纤14的连接可以藉由已知的拼接工艺或藉由切割和拼接工艺实现，使得可以实现从输入光纤2到模场适配器1的尽可能低损耗的耦入以及从模场适配器1到输出光纤3的尽可能低损耗的耦出。

对于输入侧和输出侧的单模光纤的特殊情况优选的是，将具有光纤纤芯22的输入光纤2(其可以引导具有模场直径d1的基模)与在输入侧具有纤芯140(其在区域142中可以引导具有模场直径d1a的基模)的模场适配器光纤14相匹配，使得(例如借助于将输入光纤2拼接至模场适配器光纤14的端侧10)可以实现模场直径d1与d1a以<3dB、优选<1dB损耗的光学耦合。在输出侧，模场适配器光纤14应具有光纤纤芯140，该光纤纤芯带有具有模场直径d2a的基模，使得可以实现d2a与输出光纤3的纤芯32的基模的模场直径d2以<3dB、优选<2dB损耗的光学耦合。

输入光纤2具有在此非常示意性地展示的保持偏振结构26，这些保持偏振结构例如被设置为呈沿输入光纤2的纵向方向延伸且掺杂硼的两个玻璃杆的形式。

输出光纤3也具有示意性地展示的保持偏振结构，这些保持偏振结构例如可以被设置为呈同样沿输出光纤3的纵向方向延伸的、掺杂硼的玻璃杆36的形式。

模场适配器光纤14还可以具有至少一个模式剥离器区段148，该至少一个模式剥离器区段被设计为可以使泵浦光从包层中耦出。模式剥离器区段148对应地被设计成使得泵浦光可以耦出并且使可能导致模场适配器光纤14或其他部件损坏的、未吸收的泵浦光可以耦出。

模式剥离器区段148例如可以被设计为具有比包层的层的折射率更高的层，或可以是粗糙的包层面，以便对应地实现模式剥离器的特性。

在优选的设计方案中，模式剥离器区段148沿模场匹配区段146延伸，因此可以将未吸收的泵浦光对应地耦出。

在图3中示意性地示出模场适配器1，该模场适配器包括模场适配器光纤14，输入光纤2和输出光纤3均拼接在该模场适配器光纤上，例如以图1和图2中所述的形式。

模场适配器光纤14被支承在支架4中，该支架例如可以被设计成管40的形式。模场适配器光纤14和输入光纤2以及输出光纤3的相应端部被支承在管40中。这例如可以通过对应的粘合剂滴42来实现，利用粘合剂滴将输入光纤2的末端以及输出光纤3的起始端与支架4的管40粘合。例如可以在典型地围绕玻璃光纤布置的聚合物层上进行粘合。在示出的实施例中，模场适配器光纤14并不直接与管40粘合。

用于支承模场适配器光纤14的支架4被设计成使得模场适配器光纤14不弯曲地保持在支架4中。尤其，模场适配器光纤保持笔直并且特别优选地保持大于10m的曲率半径。优选地，模场适配器光纤14以无应力的方式支承在支架4中。

以这种方式可以实现，模场适配器光纤14即使在没有明确提供保持偏振结构的情况下仍可以维持偏振。

管40例如可以是玻璃管。在用于使模场适配器光纤的纤芯膨胀的TEC工艺的情况下，管尤其可以经历与模场适配器光纤本身相同的热膨胀。

偏振态的改变，即光的射入偏振在通过模场适配器光纤时转换成与其正交的偏振的百分比份额小于25％(-6dB)，优选地小于1％(-20dB)。

在图4中示意性地示出激光系统5，在该激光系统中使用模场适配器1。在此，设置有种子源50，该种子源例如被设计成二极管的形式，该二极管具有光纤放大器、光纤振荡器以及在必要时的前置放大器。通过种子源50，例如以脉冲激光辐射的形式产生激光辐射。在此，在种子源50中例如使用具有小模场直径的光纤。

由种子源50产生的激光脉冲应随后在光学放大器52中被放大，其中放大器52被设计为呈掺杂放大器光纤的形式，该放大器光纤具有的模场直径大于种子源50的模场直径。对应地，由种子源50经由具有光纤纤芯22的第一模场直径d1的输入光纤2提供激光脉冲，并且借助于上述模场适配器1匹配为输出光纤3的较大的模场直径d2并且随后将其供应至光学放大器52。

借助于泵浦信号合成器54，从端部泵浦放大器52。为此，还设置有泵浦源56。在此，未吸收的泵浦光可以在模场适配器1的模式剥离器区段中耦出。

经由放大器52放大的激光辐射或种子源50的经由放大器52放大的激光脉冲可以作为自由射束58耦出。替代性地，还可以借助于输出光纤58a来设计激光辐射的耦出。

种子源50的激光脉冲的偏振通过对应设计的模场适配器1得以保持，并且随后可以在放大器52中维持，使得在输出光纤58上仍对应地保持偏振。

如果适用，在不脱离本发明的范围的情况下，在实施例中展示的所有单独特征可以相互组合和/或交换。

附图标记列表

1模场适配器

10 输入侧

12 输出侧

14 模场适配器光纤

140 光纤纤芯

142 第一区段

144 第三区段

148 模式剥离器区段

2输入光纤

20 端侧

22 光纤纤芯

24 光纤包层

26 保持偏振结构

3输出光纤

30 端侧

32 光纤纤芯

34 光纤包层

36 保持偏振结构

4支架

40管

42粘合剂/密封材料

5激光系统

50 种子源

52 光学放大器

54泵浦/信号合成器

56 泵浦源

58 输出光纤

d1 第一模场直径

d2第二模场直径

d1a模场适配器光纤的第一模场直径

d2a模场适配器光纤的第二模场直径

d3包层直径

L模场适配器光纤的长度

L1第一区段142的长度

L2模场匹配区段146的长度

L3第三区段144的长度

Claims (14)

1.一种用于使输入光纤(2)的模场与输出光纤(3)的模场匹配的模场适配器(1)，所述模场适配器包括模场适配器光纤(14)，

其特征在于，

所述模场适配器光纤(14)具有用于使所述输入光纤的模场的模场直径与所述输出光纤的模场匹配的模场匹配区段(146)，其中，所述模场适配器光纤(14)具有介于5mm与150mm之间的长度(L)，所述模场匹配区段(146)具有介于5mm与150mm之间的长度(L2)，优选介于15mm与50mm之间的长度，其中，所述模场适配器光纤(14)将偏振光从所述输入光纤(2)以保持偏振的方式转移到所述输出光纤(3)中。

2.根据权利要求1所述的模场适配器(1)，其特征在于，所述模场适配器光纤(14)不具有保持偏振结构，并且所述模场适配器光纤(14)尤其不具有应力杆或其他双折射结构或不对称的光纤设计或包层设计。

3.根据权利要求1或2所述的模场适配器(1)，其特征在于，设置有用于支承所述模场适配器光纤(14)的支架(4)，并且所述模场适配器光纤(14)无应力地支承在所述支架(4)中。

4.根据前述权利要求中任一项所述的模场适配器(1)，其特征在于，设置有用于支承所述模场适配器光纤(14)的支架(4)，并且所述模场适配器光纤(14)不弯曲、优选笔直地、特别优选地以大于10m的曲率半径支承在所述支架(4)中。

5.根据权利要求3或4之一所述的模场适配器，其特征在于，所述支架(4)包括管(40)，其中所述管(4)优选地是玻璃管。

6.根据权利要求5所述的模场适配器(1)，其特征在于，所述输入光纤(2)和所述输出光纤(3)分别借助于粘合点(42)支承在所述管(40)中，由此将所述模场适配器光纤(14)间接地支承在所述管(40)中，其中，两个所述粘合点(42)将所述管(40)封闭。

7.根据前述权利要求中任一项所述的模场适配器(1)，其特征在于，所述激光的偏振态在通过所述模场适配器光纤(14)时的改变小于25％(-6dB)，优选地小于1％(-20dB)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的模场适配器(1)，其特征在于，所述模场适配器光纤(14)在输入侧(2)被抛光和/或切割，并且所述输入光纤(2)拼接到所述输入侧(10)，和/或所述模场适配器光纤(14)在输出侧(12)被抛光和/或切割，并且所述输出光纤(3)拼接到所述输出侧(12)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的模场适配器(1)，其特征在于，所述模场适配器光纤(14)具有光纤纤芯(140)，其中，所述光纤纤芯(140)的模场直径(d1a)在所述输入侧(10)处的模场匹配区段(146)中与所述输入光纤(2)的光纤纤芯(22)的模场直径(d1)相对应，并且在所述模场匹配区段(146)的输出侧(12)处具有与所述输出光纤(3)的光纤纤芯(32)的模场直径(d2)相对应的模场直径(d2a)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的模场适配器(1)，其特征在于，所述模场适配器光纤纤芯(140)是热膨胀纤芯。

11.根据前述权利要求中任一项所述的模场适配器(1)，其特征在于，所述模场适配器光纤(14)具有光纤包层，其中所述光纤包层的直径(d3)在所述模场适配器光纤(14)的长度(L)上是恒定的，其中所述光纤包层的直径优选地大于130μm。

12.根据前述权利要求中任一项所述的模场适配器(1)，其特征在于，所述模场适配器光纤(14)具有至少一个模式剥离器区段(148)，所述至少一个模式剥离器区段被配置成将泵浦光从所述模场适配器光纤包层中耦出。

13.根据权利要求12所述的模场适配器(1)，其特征在于，所述模式剥离器区段(148)通过所述模场适配器光纤包层上的层来实现，所述层具有比所述模场适配器光纤包层更大的折射率，和/或所述模式剥离器区段通过粗糙的模场适配器光纤包层面实现。

14.一种激光系统(5)，所述激光系统包括种子激光器(50)、根据前述权利要求中任一项所述的模场适配器(1)、具有放大器光纤的放大器(52)、泵浦信号合成器(54)和泵浦激光器(56)，

其中，所述种子激光器(50)被配置成在输入光纤(2)中产生具有模场的激光辐射，其中，所述模场适配器(1)被配置成将所述输入光纤(2)的模场匹配为输出光纤(3)的模场，其中所述输出光纤(3)是所述放大器(52)的放大器光纤，其中所述放大器(52)被配置成将所述激光辐射放大，其中所述泵浦合成器(54)被配置成用所述泵浦激光器(56)的激光辐射泵浦所述放大器(52)，其中所述激光系统是保持偏振的。