CZ305868B6

CZ305868B6 - Přizpůsobovací člen profilu pole signálové větve slučovačů signálu a čerpání, slučovač a optické zařízení

Info

Publication number: CZ305868B6
Application number: CZ2014-896A
Authority: CZ
Inventors: Pavel Koška; Pavel Peterka; Michael Písařík
Original assignee: Ústav Fotoniky A Elektroniky Av Čr, V. V. I.; Sqs Vláknová Optika, A.S.
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2016-04-13
Also published as: CZ2014896A3

Abstract

Vynález poskytuje přizpůsobovací člen pro přizpůsobení profilu elektromagnetického pole signálové větve pro slučovače signálu a čerpání, zejména pro pláštěm čerpané vláknové lasery a zesilovače, obsahující vstupní optické vlákno (1), alespoň jedno mezilehlé optické vlákno (4) a výstupní optické vlákno (7), kde vstupní optické vlákno (1) má zúžený jeden konec a je tímto zúženým koncem spojeno se sousedícím zužujícím se mezilehlým optickým vláknem (4) prostřednictvím svaru (5) mezi vstupním optickým vláknem a mezilehlým optickým vláknem. Mezilehlé optické vlákno (4) je na svém zúženém konci spojeno s výstupním optickým vláknem (7) prostřednictvím svaru (6) mezi výstupním optickým vláknem a mezilehlým optickým vláknem. V případě přítomnosti více mezilehlých optických vláken (4) jsou tato mezilehlá optická vlákna zužující se a jsou rovněž spojena svary (8) mezi mezilehlými optickými vlákny. V místě každého svaru mezi dvěma optickými vlákny je maximalizován překryvový integrál profilů polí těchto vláken. Dále řešení poskytuje slučovač a optické zařízení jej obsahující. Přizpůsobovací člen a slučovač může být s výhodou využit v různých oblastech techniky, zejména v laserových systémech s vysokým výkonem pro zpracování materiálu nebo pro medicínské laserové systémy.

Description

Přizpůsobovací člen profilu pole signálové větve slučovačů signálu a čerpání, slučovač a optické zařízení

Oblast techniky

Vynález se týká nového řešení přizpůsobení profilu elektromagnetického pole v signálové větvi sluěovaěe signálu a čerpání do jádra dvouplášťového optického vlákna pro optická zařízení, tj. optické zesilovače a zdroje záření, zvláště pro výkonové vláknové lasery, širokopásmové zdroje, optické zesilovače, zařízení s čerpáním přes plášť.

Dosavadní stav techniky

Vláknové zesilovače a lasery jsou skupina zesilovačů a laserů, které jako aktivní médium využívají skleněná optická vlákna, zejména vlákna dopovaná prvky vzácných zemin. Pro svou variabilitu jsou vláknové zesilovače a lasery využitelné ve značně rozdílných aplikacích. Využívají se v aplikacích náročných na výkon jako řezání a sváření v průmyslu a lze je nalézt i v delikátních zařízeních vyvíjených pro dosud nejpřesnější měření frekvence a času. Rostoucí zájem je o vysokovýkonné vláknové lasery, neboť v řadě aplikací mohou potenciálně nahradit konvenční pevnolátkové lasery na bázi objemových prvků, např. krystalů dopovaných prvky vzácných zemin. Geometrické uspořádání vláknových zesilovačů a laserů poskytuje několik výhod oproti konvenčním pevnolátkovým, jako je inherentně vynikající kvalita výstupního svazku a dobrý odvod ztrátového tepla. Protože z jedné preformy optického vlákna lze připravit kilometry aktivního vlákna, vláknové zesilovače a lasery mají velký potenciál pro masovou a levnou výrobu.

Metoda čerpání přes plášť je vůdčí technologií v oblasti vysokovýkonných vláknových zesilovačů a laserů (E. Snitzer, H. Po, R. P. Tuminelli and F. Hakimi, „Optical fiber lasers and amplifiers”, patent US 4 815 079; Robert Maurer, “Optical waveguide light source”, Patent US 3 808 549). Optické čerpání tohoto typu zesilovače nebo laseru je navazováno do oblasti mnohamódového vnitřního pláště dvouplášťového aktivního vlákna s relativně velkým průměrem a nikoliv jen do oblasti jednomódového jádra. Princip laseru s dvouplášťovým aktivním vláknem je naznačen na obr. 3. Jádro vlákna je dopováno ionty prvků vzácných zemin schopnými laserového zesílení. Vnitřní plášť má pak nižší index lomu než jádro, takže jádro slouží jako vlnovod pro signál. Jádro je většinou jednomódové. Vnitřní plášť je obklopen vnějším pláštěm, který je tvořen např. polysiloxanovým polymerem nebo akrylátem, příp. vzduchovou vrstvou. Vnější plášť je prostředí s nižším indexem lomu než má vnitřní plášť. Vnitřní plášť tedy slouží také jako vlnovod, a to pro šíření čerpání. Protože vnitřní plášť má relativně velkou plochu průřezu, je možné do něj účinně navázat z čerpacích diod vysoký optický výkon. Jak se čerpací záření šíří podél vlákna, stále znovu křižuje oblast dopovaného jádra a je v něm absorbováno na iontech vzácných zemin. Excitované ionty pak mohou formou stimulované emise předat svou energii zesilovanému signálu. Rezonátor laseru tvoří v případě zobrazeném na obr. 3 kolmo zalomená čela vlákna. Rozhraní křemenného skla a vzduchu tvoří zrcadlo s odrazivostí 3,5 %. Dvouplášťová vlákna jsou mimořádně účinné prvky pro konverzi výkonného záření polovodičových laserů s malým jasem do výkonného záření s vysokým jasem. Hlavní výhodou pláštěm čerpaných zesilovačů a laserů je proto především možnost použít vysoce výkonných mnohamódových čerpacích diod a z toho vyplývající nižší cena a vysoký výstupní výkon.

Pro využití dvouplášťových optických vláken ve vláknovém zesilovači nebo laseru je třeba vyřešit současné navázání čerpání do vnitřního mnohamódového pláště a signálu do jednomódového jádra. Ačkoliv bylo vyvinuto několik metod pro navázání záření do dvouplášťových optických vláken, čerpání dvouplášťových optických vláken zůstává pro řadu aplikací závažným problémem. Jednou z možností je navázání čerpání ve směru osy dvouplášťového optického vlákna na jeho čelo. Nejprve bylo realizováno kombinování signálu a čerpání na vstupu aktivního vlákna pomocí objemových optických prvků a čoček a tento způsob byl stále zdokonalován, (Η. M.

- 1 CZ 305868 B6

Pask, J. L. Archambault, D. C. Hanna, L. Reekie, P. S. Russell, J. E. Townsend and A. C. Tropper, „Operation of cladding-pumped Yb-doped silica fiber lasers in l-pm region“, Electronics Lett.. 30(11): 863-865, 1994; W. A. Clarkson and D. C. Hanna, „Two-mirror beam-shaping technique for high-power diode bars”, Optics Lett.. 21(6): 375-377, 1996.

Takové řešení však postrádá robustnost potřebnou pro praktické využití. Dostatečnou robustnost poskytují celovláknové komponenty. Byly patentovány způsoby s použitím směrového vláknového vazebního členu buď vytvořeného z jednomódového a jednoho mnohamódového vlákna (V. P. Gapontsev and I. Samartsev, „Coupling arrangement between a multi-mode light source and an optical fiber through an intermediate optical fiber length”, patent US 5 999 673), anebo několika mnohamódových čerpacích vláken, soustředěných okolo jednomódového signálového vlákna (D. J. DiGiovanni and A. J. Stentz, „Tapered fiber bundles for coupling light into and out of cladding-pumped fiber devices,” patent US 5 864 644, resp. EP 0 893 862, D. Bayart and L. Berthelot, „Optical coupler for a multimode pump“, patent US 6778562; S. Mac Cormack, V. G. Dominic, and R. G. Waart, „Side coupled pumping of double clad fiber gain media“, patent US 6 434 295; B. G. Fidric, V. G. Dominic, S. Sanders, „Optical couplers for multimode fibers“, patent US 6 434 302; resp. WO 9945419; F. Gonthier, L. Martineau, F. Seguin, A. Villeneuve, M. Faucher, N. Azami, and M. Garneau, „Optical coupler comprising multimode fibers and method of making the same“, WO 2005 029 146.

Z uvedených řešení slučovačů signálu a čerpání se jako nejbližší navrhovanému řešení jeví řešení podle D. J. DiGiovanni and A. J. Stentz, „Tapered fiber bundles for coupling light into and out of cladding-pumped fiber devices,” patent US 5 864 644, resp. EP 0 893 862. Přizpůsobení profilu elektromagnetického pole signálu se dosahuje zařazením speciálního přizpůsobovacího vlákna do slučovače, a to mezi vstupní a výstupní vlákno. Toto řešení se zásadně liší od přihlášky vynálezu jak ve způsobu přizpůsobení profilu pole a optimalizace parametrů přizpůsobovacího vlákna, tak ve způsobu výroby slučovače. Konstrukce slučovače a přizpůsobovacího členu podle DiGiovanniho a Stentze je založena na zapojení mezilehlého vlákna ke vstupnímu vláknu již mimo slučovač. Jádro mezilehlého vlákna na základě řešení podle D. J. DiGiovanni je proto na konci kónického zúžení slučovače značně ztenčeno oproti jádru výstupního dvouplášťového vlákna, takže pole v signálovém vlákně značně expanduje z jádra. Možnosti a omezení takového přizpůsobení byly diskutovány v L. Kong, J. Leng, J. Cao, S. Guo, H. Jiang, “The comparison between MFD and MOI on the simulation of combiner insertion loss,” in Proc. SPIE 8904, High Power Lasers and Applications, Beijing, Cn, 2013, p. 890416.

V řešení podle tohoto vynálezu mají mezilehlé a výstupní vlákno na konci slučovače jádra blízkého poloměru, takže poleje stále vedeno v jádře, nebo z něj jen mírně expanduje, řeší tedy přizpůsobení jiným způsobem.

Řešení podle DiGiovanniho a Stentze dále nevyužívá navrhovanou techniku zúženého svaru uvnitř kónické části slučovače, která zavádí do navrhovaného řešení další stupeň volnosti umožňující lepší přizpůsobení profilu elektromagnetického pole. Navrhované řešení se tak zásadně liší od řešení DiGiovanniho a Stentze i ve výrobě slučovače.

Další přizpůsobovací člen je navržen v US 20090080835 Al. Tento přizpůsobovací člen není uvažován jako součást slučovače signálu a čerpání a řeší tak jiný problém. Tento přizpůsobovací člen, obdobně jako řešení DiGiovanniho a Stentze, využívá mezilehlé optické vlákno. V prvním případě je mezilehlé optické vlákno nezúžené a řeší tak přizpůsobení jiným způsobem. Ve druhém případě je mezilehlé optické vlákno zúžené a jedná se o analogii přizpůsobovacího členu podle DiGiovanniho a Stentze. Ani jedna varianta přizpůsobovacího členu nevyužívá navrhovanou techniku zúženého svaru uvnitř kónické části přizpůsobovacího členu. Navrhované řešení se tak zásadně liší od přizpůsobovacího členu podle US 20090080835 svým principem činnosti, svou konstrukcí i účelem použití.

-2CZ 305868 B6

Dalším blízkým řešením je řešení podle F. Gonthier, L. Martineau, F. Seguin, A. Villeneuve, M. Faucher, N. Azami, and M. Garneau, „Optical coupler comprising multimode fibers and method of making the same“, WO 2005 029 146. Toto řešení využívá pro přizpůsobení profilu elektromagnetického pole adaptéru módového pole umístěného buď v optickém vlákně zařazeném mezi slučovač a výstupní optické vlákno, nebo na konci kónického úseku slučovače. Adaptér pole je vytvořen expanzí jádra signálového vlákna pomocí vysokoteplotní difúze dopantů jádra, typicky germánia. Difúze dopantů je limitována materiálovými vlastnostmi použitého optického vlákna a jedná se o empirickou techniku. Neumožňuje tudíž přesný návrh a optimalizaci struktury přizpůsobovacího členu. Řešení dále neobsahuje mezilehlé optické vlákno uvnitř kónického úseku slučovače. Adaptér profilu pole je implementovén přímo na vstupním signálovém vlákně. Řešení přizpůsobovacího členu módového pole podle F. Gonthier et al. se tak zásadně liší od řešení podle přihlášky vynálezu způsobem jeho výroby, strukturou i podstatou jeho činnosti.

Jiným řešením slučovače signálu a čerpání je řešení podle US 8 818 151 Bl. Toto řešení je založeno na využití krátkého úseku tlustého optického vlákna. Průměr vlákna na začátku odpovídá průměru nezúženého svazku signálového a čerpacích optických vláken. Technikou postupného chemického odleptání leptání je tlusté vlákno opracováno do podoby kónusu, jehož konečný průměr odpovídá průměru výstupního optického vlákna. Při chemickém leptání je zachován průměr jádra tlustého optického vlákna a odpadá tak problém s přizpůsobením pole v signálové větvi. Řešení tak neobsahuje žádný přizpůsobovací člen signálové větve.

Další řešení slučovače signálu a čerpání jsou navržena v US 20110261580 Al. Řešení lze rozdělit do dvou skupin. V první skupině jsou navrženy slučovače, které zachovávají průměr signálového jádra podél slučovače, a plášť je opracován technikou chemického odleptání. Slučovače navržené ve druhé skupině nezachovávají průměr signálového jádra, neobsahují však žádný přizpůsobovací člen signálové větve.

Jiná vzájemně podobná řešení slučovače signálu a čerpání jsou navržena ve WO 2007 148 127 A2 a ve WO 2012 088 269 Al. Řešení podle těchto dokumentů spočívá v zavedení signálového vlákna do ztenčené kapiláry, jejímž pláštěm je vedeno čerpací záření. Řešení podle WO 2007 148 127 využívá pouze neztenčené signálové vlákno, řešení podle WO 2012 088 269 připouští i ztenčené signálové vlákno. Pro ztenčení je využita technika chemického odleptání. Průměr jádra signálového vlákna je v obou případech téměř zachován. Řešení nevyužívají žádný přizpůsobovací člen v signálové větvi a liší se tak zásadně od navrhovaného řešení.

Zcela odlišné řešení bylo navrženo v CZ 301215 B6. Toto řešení využívá speciálního dvouplášťového optického vlákna tvaru čtyřúhelníku, ke kterému lze přímo připojit signálové optické vlákno a čerpací optické vlákno. Řešení nevyužívá žádný přizpůsobovací člen signálové větve a zásadně se tak liší od navrhovaného řešení.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je přizpůsobovací člen pro přizpůsobení profilu elektromagnetického pole signálové větve určený pro použití v kónicky zúženém slučovači signálu a čerpání, vhodném pro optická zařízení, například pro pláštěm čerpané vláknové lasery. Přizpůsobovací člen obsahuje: vstupní optické vlákno, alespoň jedno mezilehlé optické vlákno, výstupní optické vlákno, svar mezi vstupním optickým vláknem a mezilehlým optickým vláknem, svar mezi výstupním optickým vláknem a mezilehlým optickým vláknem, a popřípadě svary mezi mezilehlými optickými vlákny. Vstupní optické vlákno má zúžený jeden konec a je tímto zúženým koncem spojeno se sousedícím zužujícím se mezilehlým optickým vláknem prostřednictvím svaru mezi vstupním optickým vláknem a mezilehlým optickým vláknem a mezilehlé optické vlákno je na svém zúženém konci spojeno s výstupním optickým vláknem prostřednictvím svaru mezi výstupním optickým vláknem a mezilehlým optickým vláknem, přičemž v případě přítomnosti více mezilehlých optických vláken jsou tato mezilehlá optická vlákna zužující se a jsou rovněž spojena svary mezi

-3CZ 305868 B6 mezilehlými optickými vlákny. V místě každého svaru mezi dvěma optickými vlákny je maximalizován překryvový integrál profilů polí těchto vláken. Toho lze dosáhnout tak, že každý svar mezi dvěma optickými vlákny, vyjma svaru mezi mezilehlým optickým vláknem a výstupním optickým vláknem, je umístěn v bodě, kde je maximalizován překryvový integrál profilů polí těchto vláken. Svar mezi mezilehlým optickým vláknem a výstupním optickým vláknem je umístěn v místě, kde příčné rozměry slučovače odpovídají příčným rozměrům výstupního optického vlákna. U svaru mezi mezilehlým optickým vláknem a výstupním optickým vláknem se maximalizace překryvového integrálu profilů polí mezilehlého optického vlákna a výstupního optického vlákna v bodě svaru těchto vláken dosahuje výběrem numerické apertury a průměru jádra mezilehlého optického vlákna navazujícího na výstupní optické vlákno.

Maxima překryvového integrálu se obecně nabývá pro průměr jádra mezilehlého optického vlákna zúženého na konci slučovače blízký průměru jádra výstupního optického vlákna, tj. pro průměry jádra zúženého mezilehlého optického vlákna a jádra výstupního optického vlákna nelišící se o více než 30 % a v případě shodných numerických apertur mezilehlého optického vlákna a jádra výstupního optického vlákna jsou shodné i průměry jádra zúženého mezilehlého optického vlákna navazujícího na výstupní optické vlákno a jádra výstupního optického vlákna. Zužující se mezilehlá optická vlákna jsou umístěna vždy širším koncem směrem ke vstupnímu optickému vláknu a užším (zúženým) koncem směrem k výstupnímu optickému vláknu. V případě přítomnosti více mezilehlých optických vláken lze toto jejich uspořádání popsat jako kaskádní.

Dále je předmětem vynálezu slučovač signálu a čerpání, obsahující vstupní optické vlákno, alespoň jedno mezilehlé optické vlákno, výstupní optické vlákno, a alespoň jedno čerpací optické vlákno, kde vstupní optické vlákno je svým zúženým koncem spojeno se sousedícím zužujícím se mezilehlým optickým vláknem prostřednictvím svaru mezi vstupním optickým vláknem a mezilehlým optickým vláknem a mezilehlé optické vlákno je na svém zúženém konci spojeno s výstupním optickým vláknem prostřednictvím svaru mezi výstupním optickým vláknem a mezilehlým optickým vláknem, přičemž v případě přítomnosti více mezilehlých optických vláken jsou tato mezilehlá optická vlákna zužující se a jsou rovněž spojena svary mezi mezilehlými optickými vlákny, přičemž každý svar mezi dvěma optickými vlákny je umístěn v bodě, kde je maximalizován překryvový integrál profilů polí těchto vláken, a přičemž jsou svar mezi vstupním optickým vláknem a mezilehlým optickým vláknem a svary mezi mezilehlými optickými vlákny umístěny uvnitř kónicky zúženého úseku slučovače.

Čerpací optická vlákna jsou s výhodou uspořádána radiálně kolem vstupního optického vlákna a mezilehlých optických vláken a jsou pak spojena svarem s výstupním optickým vláknem.

Slučovač, resp. přizpůsobovací člen, může obsahovat více než jedno, výhodně 2 až 10, kaskádně uspořádaných mezilehlých optických vláken, a odpovídající počet svarů mezi mezilehlými optickými vlákny. Tyto svary mezi mezilehlými optickými vlákny jsou umístěny uvnitř kónicky zúženého úseku slučovače. Svar mezi výstupním optickým vláknem a mezilehlým optickým vláknem je umístěn na konci kónicky zúženého úseku slučovače. Mezilehlé optické vlákno může mít skokový i gradientní profil indexu lomu v příčném řezu vláknem.

Slučovač obsahuje jedno nebo několik čerpacích optických vláken s mnohamódovým jádrem a přizpůsobovací člen je vedený typicky středem svazku těchto čerpacích optických vláken. Slučovač je kónicky zúžen tak, aby na konci svými rozměry odpovídal rozměrům výstupního optického vlákna.

Překryvový integrál je dán vztahem:

₌ l/^xfí^-zdnl² ^a x wn · idn| 1/(e₂ x h₂} ždn|

-4CZ 305868 B6 kde E] resp. H] je rozložení elektrické resp. magnetické intenzity elektromagnetického pole základního vidu prvního vlákna v bodě svaru a E₂ resp. H₂]q rozložení elektrické resp. magnetické intenzity elektromagnetického pole základního vidu druhého vlákna v bodě svaru, z je jednotkový vektor ve směru osy vlákna. Integrace se provádí v daném bodě vlákna přes celý průřez vlákna kolmý k podélné ose vlákna.

Princip činnosti přizpůsobovacího členu je následující. Po vstupu do zužující se části vstupního optického vlákna začne elektromagnetické pole postupně expandovat z jádra tohoto optického vlákna. V bodě, kde tento expandovaný profil pole odpovídá profilu pole mezilehlého optického vlákna, je umístěn svar mezi těmito vlákny. V zužujícím se mezilehlém optickém vlákně je profil pole postupně komprimován až do bodu, kde odpovídá poli v jádře výstupního dvouplášťového vlákna. V tomto bodě je slučovač svařen s výstupním dvouplášťovým vláknem. Přizpůsobení pole ve všech svarech podél signálové trasy minimalizuje ztráty vzniklé na těchto svarech. V případě přizpůsobovacího členu s více mezilehlými optickými vlákny fungují přechody mezi těmito optickými vlákny stejným způsobem, jako výše popsaný přechod mezi vstupním optickým vláknem a mezilehlým optickým vláknem.

Předmětem vynálezu je dále způsob výroby slučovače signálu a čerpání, kdy vstupní optické vlákno se svaří ve svářečce optických vláken s mezilehlým optickým vláknem, přičemž v případě přítomnosti více mezilehlých optických vláken se tato mezilehlá optická vlákna rovněž vzájemně spojí svary, takto spojená optická vlákna se umístí doprostřed svazku čerpacích optických vláken a celý svazek vláken se kónicky zúží; potom se v místě pro svar mezi mezilehlým optickým vláknem a výstupním optickým vláknem svazek vláken kolmo zalomí a svazek vláken se v místě zalomení spojí s výstupním optickým vláknem prostřednictvím svaru.

Zařízení podle předmětu vynálezu poskytuje významné výhody oproti stávajícím řešením slučovačů čerpání a signálu. Výhodou vynálezu je dosažení nižších vložných ztrát signálu, protože nastavení pozice svaru mezi vstupním optickým vláknem a mezilehlým optickým vláknem uvnitř kónicky zúženého úseku slučovače poskytuje další stupeň volnosti při optimalizaci ztrát slučovače pro signál. Další výhodou je i z principu vyšší spolehlivost výsledného vláknového laseru nebo zesilovače, protože se zlepšuje odolnost vůči poškození čerpacích laserových diod: menší ztráty signálu znamenají i menší přenos (přeslech) výkonu laserového signálu do čerpacích mnohamódových vláken. Zvláště v případě pulzních vláknových laserů takto přenesený výkon může vést k postupné degradaci nebo až k zničení čerpacích laserových diod.

Objasnění výkresů

Obr. 1 - uspořádání slučovače s přizpůsobovacím členem s jedním mezilehlým optickým vláknem

Obr. 2 - uspořádání slučovače s přizpůsobovacím členem s více mezilehlými optickými vlákny

Obr. 3 - Princip pláštěm čerpaného optického zařízení (vláknového laseru).

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Provedení podle vynálezu s jedním mezilehlým optickým vláknem 4 pro vlnovou délku 2 pm je znázorněno na obr. 1. Jedná se slučovač signálu a čerpání do dvouplášťového výstupního optického vlákna 7 s přizpůsobovacím členem. Jako vstupní optické vlákno 1 je použito jednomódové optické vlákno s průměrem jádra 14 8,2 pm, numerickou aperturou 0,14 a průměrem pláště 125

-5CZ 305868 B6 gm. Jako výstupní optické vlákno 7 je použito dvouplášťové optické vlákno s průměrem jádra 16 8,2 pm, numerickou aperturou 0,14, průměrem vnitřního pláště 105 pm a průměrem vnějšího pláště 9 125 pm, které má módový profil pole jádra přizpůsoben ke vstupnímu optickému vláknu 1. Jako mezilehlé optické vlákno 4 je použito optické vlákno s průměrem jádra 15 20 pm, nume5 rickou aperturou 0,14 a průměrem pláště 125 pm. Kónicky zúžený úsek 3 má délku 12 mm a lineární profil zúžení. Svar 5 mezi vstupním optickým vláknem 1 a mezilehlým optickým vláknem 4 je umístěn 4,7 mm od počátku kónicky zúženého úseku 3 v místě, kde poměr zúžení nabývá hodnoty 0,74, tj. v místě, kde je maximalizován překryvový integrál profilů polí těchto vláken. Svar 6 mezi mezilehlým optickým vláknem a výstupním optickým vláknem je umístěn na konci ίο kónicky zúženého úseku 3 v místě, kde poměr zúžení nabývá hodnoty 1/3 a kde výsledný průměr slučovače odpovídá průměru výstupního vlákna. Jako čerpací optická vlákna 2 je použito 6 mnohamódových optických vláken s průměrem jádra (neznázoměno) 105 pm, numerickou aperturou 0,22 a průměrem pláště 125 pm. S tímto přizpůsobovacím členem bylo dosaženo ztrát v signálové větvi slučovače lepších než 0,25 dB.

Slučovač signálu a čerpání se vyrobí tak, že vstupní optické vlákno 1 se svaří ve svářečce optických vláken s mezilehlým optickým vláknem 4, přičemž v případě přítomnosti více mezilehlých optických vláken se tato mezilehlá optická vlákna rovněž vzájemně spojí svary 8, takto spojená optická vlákna se umístí doprostřed svazku čerpacích optických vláken 2 a celý svazek vláken se 20 kónicky zúží tak, aby v místě svaru 5 mezi vstupním 1 a mezilehlým optickým vláknem 4 bylo dosaženo určeného poměru zúžení; potom se v místě kónického zúžení odpovídajícího požadovanému koncovému zúžení slučovače, tj. místem pro svar 6 mezi mezilehlým optickým vláknem 4 a výstupním optickým vláknem 7 svazek vláken kolmo zalomí a svazek vláken se v místě zalomení spojí s výstupním optickým vláknem 7 prostřednictvím svaru 6 mezi mezilehlým optic25 kým vláknem 4 a výstupním optickým vláknem 7.

V případě přizpůsobovacího členu s jedním mezilehlým optickým vláknem (viz například obr. 1) jsou obecně numerická apertura a průměr jádra mezilehlého optického vlákna takové, aby profil pole na konci zúženého mezilehlého optického vlákna odpovídal profilu pole jádra výstupního 30 dvouplášťového vlákna. Pro mezilehlé optické vlákno se skokovým profilem indexu lomu a obdobnou numerickou aperturu je průměr jádra tohoto vlákna přibližně odpovídající 1/p násobku průměru jádra výstupního optického vlákna, kde p je poměr zúžení na konci slučovače. Svar mezi vstupním optickým vláknem a mezilehlým optickým vláknem je umístěn v bodě, kde je maximalizován překryvový integrál profilů pole zúženého vstupního optického vlákna a profilu pole 35 mezilehlého optického vlákna zúženého se stejným poměrem.

V případě velkého rozdílu v profilech elektromagnetických polí jádra vstupního optického vlákna a jádra výstupního optického vlákna je možno dosáhnout přizpůsobení vícestupňovým přizpůsobovacím členem s několika kaskádně řazenými mezilehlými optickými vlákny, viz obr. 2.

Průmyslová využitelnost

Navrhované řešení přizpůsobovacího členu pro slučovače signálu a čerpání může být s výhodou využito v různých oblastech techniky, zejména v laserových systémech s vysokým výkonem pro zpracování materiálu nebo pro medicínské laserové systémy. Využití najde i v dalších zařízeních s čerpáním přes plášť jako jsou širokopásmové zdroje záření a optické zesilovače.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Přizpůsobovací člen pro přizpůsobení profilu elektromagnetického pole signálové větve pro slučovače signálu a čerpání, zejména pro pláštěm čerpané vláknové lasery a zesilovače, obsahující vstupní optické vlákno (1), alespoň jedno mezilehlé optické vlákno (4) a výstupní optické vlákno (7), vyznačující se tím, že vstupní optické vlákno (1) má zúžený jeden konec a je tímto zúženým koncem spojeno se sousedícím zužujícím se mezilehlým optickým vláknem (4) prostřednictvím svaru (5) mezi vstupním optickým vláknem a mezilehlým optickým vláknem a mezilehlé optické vlákno (4) je na svém zúženém konci spojeno s výstupním optickým vláknem (7) prostřednictvím svaru (6) mezi výstupním optickým vláknem a mezilehlým optickým vláknem, přičemž v případě přítomnosti více mezilehlých optických vláken (4) jsou tato mezilehlá optická vlákna zužující se a jsou rovněž spojena svary (8) mezi mezilehlými optickými vlákny, a přičemž v místě každého svaru mezi dvěma optickými vlákny je maximalizován překryvový integrál profilů polí těchto vláken.
2. Slučovač signálu a čerpání, obsahující vstupní optické vlákno (1), alespoň jedno mezilehlé optické vlákno (4), výstupní optické vlákno (7), a alespoň jedno čerpací optické vlákno (2), vyznačující se tím, že vstupní optické vlákno (1) je svým zúženým koncem spojeno se sousedícím zužujícím se mezilehlým optickým vláknem (4) prostřednictvím svaru (5) mezi vstupním optickým vláknem a mezilehlým optickým vláknem a mezilehlé optické vlákno (4) je na svém zúženém konci spojeno s výstupním optickým vláknem (7) prostřednictvím svaru (6) mezi výstupním optickým vláknem a mezilehlým optickým vláknem, přičemž v případě přítomnosti více mezilehlých optických vláken (4) jsou tato mezilehlá optická vlákna zužující se a jsou rovněž spojena svary (8) mezi mezilehlými optickými vlákny, přičemž v místě každého svaru mezi dvěma optickými vlákny je maximalizován překryvový integrál profilů polí těchto vláken, a přičemž jsou svar (5) mezi vstupním optickým vláknem a mezilehlým optickým vláknem a svary (8) mezi mezilehlými optickými vlákny umístěny uvnitř kónicky zúženého úseku (3) slučovače.
3. Přizpůsobovací člen podle nároku 1 nebo slučovač podle nároku 2, vyznačující se tím, že obsahuje 2 až 10 mezilehlých optických vláken (4) a odpovídající počet svarů (8) mezi mezilehlými optickými vlákny (4) umístěnými v kónicky zúženém úseku (3) slučovače, přičemž mezilehlá optická vlákna (4) jsou uspořádána kaskádně.
4. Přizpůsobovací člen nebo slučovač podle kteréhokoliv z nároků 1 až 3, vyznačující se tí m , že maximalizace překryvového integrálu profilů polí mezilehlého optického vlákna (4) a výstupního optického vlákna (7) v místě svaru těchto vláken je dosažena hodnotami numerické apertury a průměru jádra mezilehlého optického vlákna (4) navazujícího na výstupní optické vlákno (7) a maximalizace překryvového integrálu profilů polí mezilehlého optického vlákna (4) a vstupního optického vlákna (1) v místě svaru těchto vláken a případně maximalizace překryvového integrálu profilů polí v místě svaru mezi mezilehlými optickými vlákny (4) je dosažena umístěním svaru.
5. Přizpůsobovací člen nebo slučovač podle kteréhokoliv z nároků laž4, vyznačující se t í m, že průměry jádra zúženého mezilehlého optického vlákna (4) navazujícího na výstupní optické vlákno (7) a jádra výstupního optického vlákna (7) se neliší o více než 30 % a v případě shodných numerických apertur mezilehlého optického vlákna (4) a jádra výstupního optického vlákna (7) jsou shodné i průměry jádra zúženého mezilehlého optického vlákna (4) navazujícího na výstupní optické vlákno (7) a jádra výstupního optického vlákna.
6. Pláštěm čerpané optické zařízení, vyznačující se tím, že obsahuje slučovač podle kteréhokoliv z nároků 2 až 5.
7. Způsob výroby slučovače signálu a čerpání podle kteréhokoliv z nároků 2až5, vyznačující se tí m , že vstupní optické vlákno (1) se svaří ve svářečce optických vláken s mezi

-7CZ 305868 B6 lehlým optickým vláknem (4), přičemž v případě přítomnosti více mezilehlých optických vláken (4) se tato mezilehlá optická vlákna rovněž vzájemně spojí svary, takto spojená optická vlákna se umístí doprostřed svazku čerpacích optických vláken (2) a celý svazek vláken se kónicky zúží tak, aby v místě sváru (5) mezi vstupním a mezilehlým optickým vláknem bylo dosaženo poměru zúžení minimalizujícího ztráty na tomto svaru; potom se v místě pro svar (6) mezi mezilehlým optickým vláknem (4) a výstupním optickým vláknem (7) svazek vláken kolmo zalomí a tento zúžený svazek vláken se v místě zalomení spojí s výstupním optickým vláknem (7) prostřednictvím svaru (6) mezi mezilehlým optickým vláknem a výstupním optickým vláknem.