DE10131661A1

DE10131661A1 - Laservorrichtung und diese einsetzende, ein Lichtsignal verstärkende Vorrichtung

Info

Publication number: DE10131661A1
Application number: DE10131661A
Authority: DE
Inventors: Katsuhisa Itoh
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2002-01-10
Anticipated expiration: 2021-06-30
Also published as: JP4401540B2; JP2002026431A; DE10131661B4; US6798792B2; US20020001320A1

Abstract

In einer Laservorrichtung und einer Lichtsignal-verstärkenden Vorrichtung mit einer optischen Faser, die im Inneren eine Laser-aktivierende Substanz zum Emittieren eines Laserstrahls bei Anregung der Laser-aktivierenden Substanz von einem Endabschnitt enthält, wobei die optische Faser zumindest teilweise durch ein optisches Medium in einem dichten Zustand fixiert wird, verwendet man ein Polysilsesquioxan, welches eine sich wiederholende Einheit mit der allgemeinen Formel RSiO¶1,5¶ umfaßt (worin R eine Alkyl-Gruppe, eine Hydroxyl-Gruppe, eine Phenyl-Gruppe, eine Vinyl-Gruppe, eine 2-Chlorethyl-Gruppe, eine 2-Bromethyl-Gruppe, Wasserstoff, schwerer Wasserstoff, Fluor oder Sauerstoffatom bedeutet. Jedoch ist ein Material, in dem R vollständig Sauerstoff ist, ausgenommen. Ferner kann sich R in jeder sich wiederholenden Einheit unterscheiden) als optisches Medium.

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laservorrichtung und eine Lichtsignal-verstärkende Vorrichtung. Insbesondere betrifft sie eine Laservorrichtung zur Laserschwingung, in der anregendes Licht zu einer im Inneren einer optischen Faser enthaltenen Laser-aktivierenden Substanz eingeführt wird, und eine Lichtsignal-verstärkende Vorrichtung mit dieser Laservorrichtung.

2. Beschreibung verwandter Techniken

Auf dem Gebiet der optischen Kommunikation oder der optischen Verarbeitungstechnologie besteht Bedarf an der Entwicklung einer kostengünstigen Hochleistungs-Laservorrichtung. Herkömmlicherweise ist bekannt, daß eine Laservorrichtung auf Basis einer optischen Faser voraussichtlich in der Lage ist, diese Nachfrage zu befriedigen. Da eine optische Faser- Laservorrichtung die Wechselwirkung zwischen einer Laser- aktivierenden Substanz und Licht fördert, da sie Licht mit einer hohen Dichte enthält und ferner die Wechselwirkungslänge durch Ausdehnen der Länge erhöht, kann man einen Laserstrahl mit hoher Qualität dreidimensional erzeugen.

Um eine hohe Leistung oder einen hohen Wirkungsgrad des Laserstrahls zu erzielen, muß man sich bei solch einer Laservorrichtung mit dem Problem auseinandersetzen, wie man das Anregungslicht effizient in den Kern der optischen Faser einführt, zu der man eine Laser-aktivierende Substanz gegeben hat. Da jedoch im allgemeinen der Durchmesser des Kerns auf 10 µm oder weniger beschränkt ist, wenn man den Kern für die Bedingungen eines Monomode-Lichtwellenleiters einrichtet, ist es schwierig, das anregende Licht effizient in die Endfläche dieses Durchmessers einzuführen. Daher wurde eine Laservorrichtung vorgeschlagen, die in der Lage ist, den Wirkungsgrad beim Einführen des Anregungslichts und das Sammeln des Lichts des ausgehenden Laserstrahls zu verbessern, durch Einführen des Anregungslichts von einer Seitenfläche der optischen Faser.

Beispielsweise offenbart JP-A-10-190097 eine Laservorrichtung, die eine Struktur mit einer optischen Faser umfaßt, die durch ein optisches Medium in einem dichten Zustand so integriert ist, daß ein Laserstrahl die Endfläche der optischen Faser verläßt, wenn man das Anregungslicht auf einen Teil des Umfangs der Struktur richtet. Da gemäß solch einer Vorrichtung das Anregungslicht von der Seitenfläche der optischen Faser eingeführt wird, vergrößert sich die Eingangsfläche für das Anregungslicht dramatisch, wenn man mit der Einführung des Anregungslichts von der Endfläche vergleicht. Da außerdem der auszugebende Laserstrahl nur von der Mode ist, wie sie durch die Wellenleiterstruktur der optischen Faser bestimmt wird, kann man das die optische Faser verlassende Licht etwa zum Kerndurchmesser sammeln. Wenn sich daher in der Faser nur die Monomode fortpflanzt, kann man das entnommene Licht bis zum Analysegrenzwert sammeln. Dementsprechend kann man einen Laserstrahl mit einer weit höheren Helligkeit als jener des Anregungslichts erhalten.

Da sich jedoch in der Laservorrichtung gemäß JP-A-10-190097 das Anregungslicht fortpflanzt, während es die optische Faser quert, sollte man eine Dämpfung der Fortpflanzung und einen Streuverlust des Anregungslichts in den Lücken der optischen Faser vermeiden. Aus diesem Grund kann man das Vereinigen der optischen Fasern durch thermische Fusion und das Füllen der Lücken in der optischen Faser mit einem organischen Klebstoff in Betracht ziehen.

Obwohl sich die Lücken relativ leicht mit einem organischen Klebstoff in der optischen Faser füllen lassen, da es sich um eine organische Verbindung handelt, zeigt diese eine geringe Widerstandskraft gegen Licht, so daß ihre mechanische Festigkeit bei einer starken Anregung von mehreren hundert Watt nicht notwendigerweise erhalten bleibt oder der Klebstoff denaturiert und seine Transparenz nicht behält.

Darüber hinaus führt man das Verfahren zum Verbinden der optischen Faser durch thermische Fusion dadurch aus, daß man die Lücken in der optischen Faser vollständig mit einem dem Muttermaterial der optischen Faser äquivalenten Glas ausfüllt. Obwohl das Verfahren sehr verläßlich ist, kann sich der Kern der optischen Faser verformen, da bei einer aus einem Glas mit hohem Schmelzpunkt, wie Quarzglas, hergestellten optischen Faser, diese bei einer hohen Temperatur von 1500°C oder mehr verschmolzen werden sollte. Ferner taucht das Problem auf, daß es schwierig ist, eine Hilfsvorrichtung (Schablone) zum Formerhalt zu entwickeln, die diese Temperatur aushalten kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die zuvor beschriebenen Probleme zu lösen, und eine Aufgabe ist es somit, in einem Herstellungsschritt eine Laservorrichtung, die einen ausgezeichneten Wirkungsgrad beim Einführen des Anregungslichts und bei der Laserschwingung sowie eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Licht und Hitze, welche die Laserschwingung begleiten, aufweist, und eine Lichtsignal- verstärkende Vorrichtung unter Verwendung der Laservorrichtung bereitzustellen.

Um diese Aufgabe zu lösen, haben die vorliegenden Erfinder, als Ergebnis sorgfältiger Studien, herausgefunden, daß ein organisch-anorganisches Hybrid-Material, welches sowohl die Eigenschaften eines organischen Polymerharzes, das sich leicht handhaben läßt, als auch die Eigenschaften eines anorganischen Metalloxidglases mit ausgezeichneter Lichtbeständigkeit und Wärmebeständigkeit aufweist, ausgezeichnete Eigenschaften als optisches Medium zum Fixieren einer optischen Faser in einem dichten Zustand liefert, und so die Erfindung vollendet.

Die Erfindung stellt eine Laservorrichtung mit einer optischen Faser bereit, die im Inneren eine Laser- aktivierende Substanz zum Emittieren eines Laserstrahls von einem entfernt gelegenen Endabschnitt enthält, wobei ein Teil der optischen Faser durch ein optisches Medium in einem dichten bzw. festen Zustand fixiert wird, worin das optische Medium ein organisch-anorganisches Hybrid-Material mit einer Härtungstemperatur von 400°C oder weniger ist, und ferner das gehärtete optische Medium sich bei einer Temperatur von 300°C oder mehr zu zersetzen beginnt, der Brechungsindex zwischen 1,40 und 1,56 liegt bei einer anregenden Lichtwellenlänge, die in der Lage ist, die Laser-aktivierende Substanz anzuregen, und der Transparenzverlust 0,5 dB/cm oder weniger beträgt.

Da erfindungsgemäß die Fließfähigkeit des optischen Mediums bei einer Härtungstemperatur von 400°C oder weniger verloren gehen kann, kann man die Herstellung der Laservorrichtung vereinfachen, und es gibt ferner kein Risiko, daß sich der Kern der optischen Faser zum Zeitpunkt der Herstellung verformt. Da die Vorrichtung sich nach dem Härten ferner zu zersetzen beginnt, wird die Vorrichtung nicht durch Wärme oder Licht beschädigt, welche die Laserschwingung begleiten. Schließlich kann man die Brechungsindizes der optischen Faser und des optischen Mediums auf das gleiche Niveau einstellen, da das optische Medium einen Brechungsindex von 1,40 bis 1,56 bei einer Wellenlänge des anregenden Lichts aufweist, welche die Laser-aktivierende Substanz anregen kann, so daß der Streuverlust des Anregungslichts an der Grenzfläche zwischen dem optischen Medium und der Umhüllung auf ein Minimum beschränkt werden kann. Da es ferner einen Transparenzverlust von 0,5 dB/cm oder weniger aufweist, kann man die Dämpfung des Anregungslichts im optischen Medium verhindern. Daher kann man eine Laservorrichtung mit einem ausgezeichneten Wirkungsgrad hinsichtlich der Einführung des Anregungslichts und Wirkungsgrad der Laserschwingung und einer hohen Beständigkeit gegenüber Licht und Wärme, welche die Laserschwingung begleiten, in einem einfachen Herstellungsschritt bereitstellen.

Erfindungsgemäß kann man als optisches Medium mit diesen Eigenschaften ein organisch-anorganisches Hybrid-Material verwenden, welches eine sich wiederholende Einheit mit der allgemeinen. Formel RSiO_1,5 umfaßt (worin R eine Alkyl-Gruppe, eine Hydroxyl-Gruppe, eine Phenyl-Gruppe, eine Vinyl-Gruppe, eine 2-Chlorethyl-Gruppe, eine 2-Bromethyl-Gruppe, Wasserstoff, schwerer Wasserstoff, Fluor oder Sauerstoff bedeutet. Jedoch ist ein Material, in dem R vollständig Sauerstoff ist, ausgenommen. Ferner kann sich R in jeder sich wiederholenden Einheit unterscheiden).

Spezifisch kann man als optisches Medium mit diesen Eigenschaften ein Oligomer oder Polymer, umfassend ein Polymethylsilsequioxan, ein Polymethyl-Hydridsilsequioxan, ein Polyphenylsilsequioxan, ein Polyphenyl- Methylsilsesquioxan, ein Phenylsilsesquioxan-Dimethylsiloxan- Copolymer, ein Polyphenyl-Vinylsilsequioxan, ein Polycyclohexylsilsesquioxan, ein Polycyclopentylsilsesquioxan, ein Polyhydridsilsesquioxan, ein Poly(2-chlorethyl)silsesquioxan, ein Poly(2- bromethyl)silsesquioxan, eine Mischung davon und eine Mischung dieser mit einem Polysiloxan, oder ein amorphes Siliciumoxid, das man durch Härten eines Poly(2- chlorethyl)silsequioxans, eines Poly(2- bromethyl)silsequioxans oder, einer Mischung davon, oder dgl. herstellt, einsetzen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Planansicht, welche eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung zeigt.

Fig. 2 ist ein schematischer Querschnitt, der die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung zeigt.

Fig. 3 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung.

Fig. 4 ist ein schematischer Querschnitt, der die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung zeigt.

Fig. 5 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung.

Fig. 6 ist ein schematischer Querschnitt, der die dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Laservorrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Laservorrichtung 10 umfaßt eine optische Faserstruktur 12 mit einer im aufgewickelten Zustand fixierten optischen Faser 14 und eine anregende Lichtquelle 20, die ein Anregungslicht zum Anregen der optischen Faser 14 emittiert.

Die optische Faserstruktur 12 umfaßt die spiralförmig in einer einzigen Schicht aufgewickelte optische Faser 14 und eine Bindungsschicht 16 zum Binden und Fixieren des aneinander angrenzenden Teils der optischen Faser 14.

Die optische Faser 14 umfaßt einen Kern 14a, der mit einer Laser-aktivierenden Substanz dotiert wurde, und eine Umhüllung 14b, die um den Kern 14a gebildet ist. Die Laser- aktivierende Substanz ist eine Substanz, die, vom Anregungslicht vermittelt, einen Laserstrahl durch einen dielektrischen Entladungseffekt erzeugt. Sie wird unter Seltenerd-Elementen, wie Neodym (Nd), Ytterbium (Yb) und Erbium (Er) oder dgl., je nach Anwendung der Laservorrichtung ausgewählt. In dieser Ausführungsform verwendet man eine Umhüllung 14b mit einem rechteckigen Querschnitt für die optische Faser 14 zum Verstärken der Bindungsfestigkeit der Bindungsschicht 16, und um die Erzeugung von Rissen in der Bindungsschicht 16 durch Kontraktion beim Härten der Bindungsschicht 16 zu verhindern. Die optische Faser 14 ist aus einem optischen Material entsprechend der Anwendung der Laservorrichtung 10 hergestellt. Das bedeutet, daß sie im allgemeinen aus Glas mit einem Brechungsindex von 1,60 oder weniger hergestellt ist, wie Glas auf Quarzbasis, Phosphatglas, Fluoridglas, Phosphatfluoridglas und Boratglas.

Die optische Faser 14 ist spiralförmig in einer einzelnen Schicht um den Zylinder 22 gewickelt, wobei eine reflektierende Oberfläche auf dem äußeren Umfang ausgebildet wird. Ein Ende der optischen Faser 14 wird mit einem Reflexionsspiegel 24 im Inneren des zentralen Bauglieds (Stab) als Reflexionsende verbunden und das andere Ende wird nach außen als Ausgabeende geführt.

In dem aneinander angrenzenden Teil der aufgewickelten optischen Faser 14 wird eine Bindungsschicht 16 gebildet. Durch die Bindungsschicht 16 wird die optische Faser 14 als scheibenartige optische Faserstruktur 12 fixiert. Als Bindungsschicht 16 kann man ein organisch-anorganisches Hybrid-Material mit einer Härtungstemperatur von 400°C oder weniger und, sobald dieses gehärtet ist, einer Temperatur, bei der die thermische Zersetzung einsetzt, von 300°C oder mehr, einem Brechungsindex von 1,40 bis 1,56 bei einer anregenden Lichtwellenlänge, die in der Lage ist, die Laser- aktivierende Substanz anzuregen, und einem Transparenzverlust von 0,5 dB/cm oder weniger verwenden.

Als Substanz mit diesen Eigenschaften kann man ein organisch- anorganisches Hybridmaterial anführen, welches eine sich wiederholende Einheit der allgemeinen Formel RSiO_1,5 umfaßt (worin R eine Alkyl-Gruppe, eine Hydroxyl-Gruppe, eine Phenyl-Gruppe, eine Vinyl-Gruppe, eine 2-Chlorethyl-Gruppe, eine 2-Bromethyl-Gruppe, Wasserstoff, schwerer Wasserstoff, Fluor oder Sauerstoff bedeutet. Jedoch ist ein Material, in dem R vollständig Sauerstoff ist, ausgenommen. Ferner kann sich R in jeder sich wiederholenden Einheit unterscheiden). Das organisch-anorganische Hybrid-Polymer ist beispielsweise eine hochgradig vernetzte Substanz, die man durch Hydrolyse eines Organoalkoxysilans erhält, welches zusätzlich zu einer Bindung zwischen einem Siliciumatom und einem Sauerstoffatom, eine organische Seitenkette in der Molekülstruktur enthält, um auf diese Weise eine dreidimensionale gitterartige Struktur bereitzustellen.

Spezifisch kann das optische Medium, als organisch- anorganisches Hybrid-Polymer mit diesen Eigenschaften, ein Oligomer oder Polymer, umfassend ein Polymethylsilsequioxan, ein Polymethyl-Hydridsilsequioxan, ein Polyphenylsilsequioxan, ein Polyphenyl-Methylsilsesquioxan, ein Phenylsilsesquioxan-Dimethylsiloxan-Copolymer, ein Polyphenyl-Vinylsilsequioxan, ein Polycyclohexylsilsesquioxan, ein Polycyclopentylsilsesquioxan, ein Polyhydridsilsesquioxan, ein Poly(2-chlorethyl)silsesquioxan, ein Poly(2- bromethyl)silsesquioxan, eine Mischung davon und eine gehärtete Mischung aus diesen und einem Polysiloxan enthalten.

Beispielsweise verwendet man bei einer Laser-aktivierenden Substanz mit einer Anregungswellenlänge von etwa 0,910 µm, wie Ytterbium, ein Polyhydridsilsesquioxan, das keine C-H- Bindung oder dgl. enthält, um die Absorption des Anregungslichts zu vermeiden, da die Dehnungsschwingung einer C-H-Bindung bei dieser Wellenlänge liegt.

Man kann den Brechungsindex der Silsesquioxane auf einen Bereich von 1,40 bis 1,56 durch Verändern der organischen Seitenkette einstellen. Darüber hinaus kann man, durch Mischen und Polymerisieren dieser Oligomere, ein optisch homogenes Polymer erhalten. Auf diese Weise kann man ein Polymer mit dem gewünschten Brechungsindex in diesem Bereich herstellen. Beispielsweise hat ein Polyhydrid-Silsequioxan, in dem alle organischen Seitenketten Methyl-Gruppen sind, einen Brechungsindex von 1,43 bei der Natrium-D-Linie und ein Polyphenyl-Methylsilsesquioxan mit Phenyl-Gruppen und Methyl- Gruppen als Seitenketten einen Brechungsindex von 1,49 bei der gleichen Linie. Durch Mischen und Polymerisieren dieser Oligomere kann man den Brechungsindex auf 1,4585 einstellen, welches der Brechungsindex einer Quarzglasumhüllung ist. Durch Einstellen des Brechungsindex der Umhüllung 14b der optischen Faser 14 und der Bindungsschicht 16 auf den gleichen Wert verschwindet die Grenzfläche der Bindungsschicht und der Umhüllung im wesentlichen unter optischen Kriterien, so daß der Streuverlust des Anregungslichts auf ein Minimum beschränkt werden kann.

Man kann die optische Faserstruktur 12 bilden, indem man die optische Faser 14 mit einer Lösung beschichtet, die man durch Auflösen eines Oligomers oder Monomers des Harzes in einem organischen Lösungsmittel, wie Butanol, Aceton, Methoxypropanol, Pyridin, Tetrahydrofuran und Methylisobutylketon hergestellt hat, die optische Faser 14 um den Zylinder 22 wickelt, trocknet und das Harz durch Erwärmen, Bestrahlung mit UV-Strahlen oder dgl. härtet. Auf diese Weise kann man eine Bindungsschicht 16 erzeugen, die eine hohe mechanische Festigkeit und einen Transparenzverlust von 0,5 dB/cm oder weniger aufweist und eine hohe Temperatur von 300°C oder mehr über einen langen Zeitraum aushalten kann.

Die thermische Zersetzungstemperatur des Harzes beträgt beispielsweise etwa 500°C für eine 1 : 2-Mischung aus Polymethylsilsequloxan und Polyphenylmethylsilsesquioxan und etwa 350°C bei einem Phenylsilsequioxan-Dimethylsiloxan- Copolymer. Ferner beginnt β-Bromethylsilsesquioxan sich bei einer Temperatur von 300°C oder mehr zu zersetzen und bildet einen dichten anorganischen Film. Die thermische Zersetzungstemperatur nach der Erzeugung des anorganischen Films beträgt 1500°C oder mehr.

Wenn man das Harz durch Erwärmen härtet, beträgt die Härtungstemperatur 50 bis 400°C, im allgemeinen 100 bis 250°C und man kann somit bei einer Temperatur härten, die beträchtlich unterhalb der Schmelz- und Bindetemperatur für ein gewöhnliches anorganisches Glas liegt. Beispielsweise erzeugt Poly(2-chlorethyl)silsesquioxan, Poly(2- bromethyl)silsequioxan oder dgl. Chlorwasserstoff oder Bromwasserstoff während der Polykondensation in der Wärme und dient somit selbst als Katalysator für die Polymerisation und fördert den Abgang der organischen Seitenkette. Auf diese Weise kann man einen im wesentlichen vollständig amorphen Siliciumoxid-Film bei einer relativ geringen Temperatur von 400°C oder weniger in einer oxidierenden Atmosphäre, wie Sauerstoff, und Ozon erzeugen. Durch Verwendung dieser Substanzen kann man daher eine vollständig aus einem anorganischen Material gebildete optische Faserstruktur 12 mit ausgezeichneter Lichtbeständigkeit und Wärmebeständigkeit bei einer relativ geringen Temperatur herstellen.

Ferner können Poly(2-chlorethyl)silsequioxan und Poly(2- bromethyl)silsequioxan den amorphen Siliciumoxid-Film (Silica-Film) auch durch Bestrahlung mit UV-Strahlen einer Wellenlänge von 180 nm oder mehr erzeugen. In diesem Fall kann man die vollständig aus einem anorganischen Material bestehende optische Faserstruktur 12 bei Umgebungstemperatur herstellen.

Je nach Bedarf beschichtet man die optische Struktur 12 mit einer transparenten Harzschicht 18 aus einem Fluorharz, einem organisch-anorganischen Hybrid-Material, oder dgl., welche einen Brechungsindex aufweisen, der genauso groß, oder vorzugsweise etwas kleiner ist als jener der Umhüllung 14b der optischen Faser 14.

Man ordnet eine Anregungslichtquelle 20 im Umfangsbereich der optischen Faserstruktur 12 an, um einen Laserstrahl durch Anregen der optischen Faser 14 zu erzeugen. Als Anregungslichtquelle 20 kann man ein Halbleiterelement, wie eine lichtemittierende Diode (LED) und eine Laser-Diode (LD) oder Lampen wie eine Blitzlampe, verwenden, die in der Lage sind, ein Licht mit einer Wellenlänge zu emittieren, das die Laser-aktivierende Substanz anregt, mit der der Kern 14a der optischen Faser dotiert wurde.

Im folgenden wird der Betrieb der Laservorrichtung erläutert.

Man führt das die Anregungslichtquelle 20 verlassende Anregungslicht in die optische Faserstruktur 12 von einem Teil ein, bei dem man die transparente Harzschicht 18 teilweise entfernt hat. Das Anregungslicht breitet sich in der optischen Faserstruktur 12 aus, während es die Seitenflächen der optischen Faser 14 quert, so daß es von der transparenten Harzschicht 18 vollständig reflektiert wird, aufgrund des Brechungsindexunterschieds bezüglich der Umhüllung 14b der optischen Faser 14, und in der optischen Faserstruktur 12 eingeschlossen wird. Zu diesem Zeitpunkt kann man mit der erfindungsgemäßen Laservorrichtung, aufgrund der in den Lücken der optischen Faser 14 in der optischen Faserstruktur 12 gebildeten Bindungsschicht 16, die durch die Ausbreitung des Anregungslichts verursachte Dämpfung und den Streuverlust des Anregungslichts an der Grenzfläche zwischen der Umhüllung 14b und der Bindungsschicht 16 reduzieren.

Das Anregungslicht regt die in den Kern 14a der optischen Faser 14 dotierte Laser-Aktivierungssubstanz an und erzeugt. einen Laserstrahl über einen dielektrischen Entladungseffekt. Der Laserstrahl pflanzt sich im Kern 14a der optischen Faser 14 fort und verläßt das Austrittsende.

Auf diese Weise kann man mit der erfindungsgemäßen Laservorrichtung 10 eine Laservorrichtung mit einem ausgezeichneten Wirkungsgrad beim Einführen des Anregungslichts und Laserschwingungswirkungsrad bereitstellen. Da man ferner die Bindungsschicht durch Trocknen, Erwärmen bei relativ geringer Temperatur, oder durch Ultraviolettstrahlung härten kann, und diese ferner eine hohe Wärmebeständigkeit im gehärteten Zustand zeigt, kann man eine Laservorrichtung mit einer hohen Beständigkeit gegenüber dem Anregungslicht in einem einfachen Herstellungsschritt zur Verfügung stellen.

Als nächstes wird eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform erläutert. In der nachstehenden Beschreibung werden die gleichen Komponenten wie zuvor mit den gleichen Bezugsziffern versehen, ohne daß eine weitere Erklärung gegeben wird.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Laservorrichtung 30 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Die Laservorrichtung 30 umfaßt eine optische Struktur 32 mit einer im aufgewickelten Zustand fixierten optischen Faser 34, des Anregungslichtquelle (nicht gezeigt) zum Emittieren eines Anregungslichts zum Anregen der optischen Faser 34, und eine Glaszuführung 40 als Lichtführungselement zum Führen des Anregungslichts zu der optischen Faserstruktur 32.

Die optische Faserstruktur 32 hat eine Struktur, bei der die optische Faser 34 wie eine Spule aufgewickelt ist. Eine Bindungsschicht 16 ist in einem aneinander angrenzenden Teil der aufgewickelten optischen Faser 34 so ausgebildet, daß die optische Faser 34 durch die Bindungsschicht 16 als, eine optische Faserstruktur 32 in einer selbsttragenden zylindrischen Form fixiert wird. In dieser Ausführungsform verwendet man als optische Faser 34 eine, die einen faßartigen Querschnitt mit zwei auf der Oberfläche der Umhüllung 34b abgeschrägten (abgefrästen) parallelen Ebenen aufweist, die die Bindungsfestigkeit der Bindungsschicht 16 erhöhen und die Erzeugung von Rissen in der Bindungsschicht infolge der Kontraktion beim Härten der Bindungsschicht 16 verhindern, so daß die optische Faser 34 durch Aneinanderbinden der Ebenen fixiert wird. Man kann die optische Faserstruktur 32 herstellen, indem man beispielsweise die optische Faser 34 um die Seitenfläche einer zylindrischen Basis lückenfrei aufwickelt, ein in einem organischen Lösungsmittel gelöstes organisches-anorganisches Hybrid-Material aufbringt, unter Erwärmen, UV-Bestrahlung, oder dgl. härtet, und die Basis entfernt.

An der oberen Endfläche der optischen Faserstruktur 32 sieht man eine aus einer dünnen Glasplatte hergestellte Glaszuführung 40 als Lichtführungselement zum Führen des die Anregungslichtquelle verlassenden Lichts vor. Man kann ebenfalls eine Zuführung mit einer anderen Form, eine optische Faser oder dergleichen als Lichtführungselement verwenden. Darüber hinaus kann man die Lichtquelle direkt mit der optischen Faserstruktur verwenden, ohne ein Lichtführungselement zu verwenden.

Man kann solch eine Laservorrichtung 30 beispielsweise auch in einem Kühlmedium mit einem geringeren Brechungsindex als Luft oder Quarz betreiben.

Im folgenden wird der Betrieb der Laservorrichtung 30 erläutert. Man führt das die Anregungslichtquelle verlassende Anregungslicht in die optische Faserstruktur 32 von einem oberen Teil über die Glaszuführung 40 ein. Das Anregungslicht breitet sich in der optischen Faserstruktur 32 abwärts aus, während es die Seitenfläche der optischen Faser 34 quert. Zu diesem Zeitpunkt kann man mit der erfindungsgemäßen Laservorrichtung 30, aufgrund der in den Lücken der optischen Faser 14 gebildeten Bindungsschicht 16, die durch die Ausbreitung des Anregungslichts verursachte Dämpfung und den Streuverlust des Anregungslichts an der Grenzfläche zwischen der Umhüllung 34b und der Bindungsschicht 16 reduzieren.

Das Anregungslicht regt die in den Kern 34a der optischen Faser 34 dotierte Laser-Aktivsubstanz an und erzeugt einen Laserstrahl über einen dielektrischen Entladungseffekt. Der Laserstrahl pflanzt sich in der optischen Faser 34 fort und verläßt das Austrittsende.

Auf diese Weise kann man mit der erfindungsgemäßen Laservorrichtung 30 eine Laservorrichtung mit einem ausgezeichneten Wirkungsgrad beim Einführen des Anregungslichts und Laserschwingungs-Wirkungsgrad und ferner einer hohen Beständigkeit gegenüber dem Anregungslicht in einem einfachen Herstellungsschritt bereitstellen.

Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung erläutert.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Laservorrichtung 50 gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Die Laservorrichtung 50 umfaßt eine optische Faserstruktur 52 mit einer nach mehrfachen Falten in einem gebündelten Zustand fixierten optischen Faser 14 und ein optisches Substrat 54 zum Halten der optischen Faserstruktur 52 und zum Einführen des Anregungslichts in die optische Faserstruktur 52.

Gemäß der optischen Faserstruktur 52, faltet man die einen optischen Pfad bereitstellende optische Faser 14 mehrfach, wobei der Zentralabschnitt einen Bündelabschnitt 56 bildet, worin die optische Faser 14 parallel gebündelt ist. Im Bündelabschnitt 56 wird die Bindungsschicht 16 in dem aneinanderangrenzenden Teil der optischen Faser 14 so ausgebildet, daß die optische Faser 14 durch die Bindungsschicht 16 als Struktur fixiert wird. Man fixiert den Bündelabschnitt 56 durch die Bindungsschicht 16 auf dem aus Glas, oder dgl. hergestellten optischen Substrat 54. Die Endflächen 54a, 54b des optischen Substrats 54 haben eine polierte Oberfläche, welche das Einführen des Anregungslichts erlaubt.

Man kann die Laservorrichtung 50 herstellen, indem man eine Mehrzahl optischer Fasern auf dem optischen Substrat 54 lückenlos anordnet, darauf ein in einem organischen Lösungsmittel gelöstes organisch-anorganisches Hybrid- Polymer aufbringt, härtet und die Endflächen der optischen Fasern mit einer Schmelzverbindungsvorrichtung miteinander verbindet, um den optischen Pfad integral zu verbinden. Darüber hinaus kann man diese auch durch mehrfaches Falten einer optischen Faser, Bündeln des Zentralabschnitts und Fixieren des gebündelten Abschnitts auf dem optischen Substrat unter Verwendung einer Bindungsschicht herstellen.

Im folgenden wird der Betrieb der Laservorrichtung 50 erläutert.

Man führt das die Anregungslichtquelle verlassende Anregungslicht in das optische Substrat 54 von der Endfläche 54b ein. Das Anregungslicht breitet sich unter wiederholter Reflexion an den oberen und unteren Flächen des optischen Substrats 54 aus. Wenn es den mit dem Bündelabschnitt 56 versehenen Teil erreicht, wird es in die optische Faser 14 von der Seitenfläche über die Bindungsschicht 16 eingeführt. Zu diesem Zeitpunkt kann man mit der erfindungsgemäßen Lichtvorrichtung 50 die Dämpfung des Anregungslichts in der Bindungsschicht 16 und den Streuverlust des Anregungslichts an der Grenzfläche reduzieren.

Das Anregungslicht regt die Laseraktivierungssubstanz an, mit der der Kern 14a der optischen Faser 14 dotiert wurde, und erzeugt einen Laserstrahl durch einen dielektrischen Entladungseffekt. Der Laserstrahl pflanzt sich in der optischen Faser 14 fort und verläßt diese am nach außen führenden Endabschnitt.

Auf diese Weise kann man mit der erfindungsgemäßen Laservorrichtung 50 eine Laservorrichtung mit einem ausgezeichneten Wirkungsgrad beim Einführen des Anregungslichts und Laserschwingungs-Wirkungsgrad und ferner einer hohen Beständigkeit gegenüber dem Anregungslicht in einem einfachen Herstellungsschritt bereitstellen.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen begrenzt, sondern kann mit optionalen Änderungen durchgeführt werden, ohne vom Erfindungsbereich abzuweichen. Beispielsweise kann man eine optische Faser mit einer Umhüllung mit rundem oder elliptischem Querschnitt verwenden, wenn man eine Substanz mit einem kleinen thermischen Kontraktionsverhältnis für die Bindungsschicht 16 einsetzt. Darüber hinaus führt man bei der Verwendung der Laservorrichtungen 10, 30 und 50 der Erfindung als Vorrichtung zur Lichtsignalverstärkung beide Enden der optischen Faser 14, 34 nach außen, mit einem Ende als Lichtsignal-Eingabeende und dem anderen Ende als Signal- Ausgabeende.

Im folgenden werden Beispiele der Erfindung erläutert.

Beispiel 1

Die Laserschwingung wurde mit der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Laservorrichtung durchgeführt.

Man stellte, als optische Faser 14, 120 m Glasfaser auf Quarzbasis mit einem rechteckigen Querschnitt her, die einen Kerndurchmesser von 50 µm, einem Umhüllungsdurchmesser von 70 × 200 µm, und eine numerische Öffnung ("aperture") des Kerns 14a von 0,2 aufwies, wobei der Kern 14a mit 1,0 Atom-% Neodym-Ionen (Nd³⁺) dotiert war. Die optische Faser 14 wurde mit einer 10 gew.-%igen Aceton-Lösung einer 1 : 2 Mischung aus Polymethylsilsesquioxan und Polyphenyl-Methylsilsequioxan benetzt und in diesem Zustand um einen auf der Oberfläche mit einer Goldplattierung versehenen Zylinder 22 mit einem inneren Durchmesser von 60 ϕ gewickelt, überlagert in einer Breite von 200 µm, um die Struktur herzustellen, worauf man in einer Reinatmosphäre trocknete.

Nach vollständigem Beenden des Trocknens legte man die Struktur in einen Ofen und erhöhte die Temperatur auf 110°C mit einer Temperaturanstiegsrate von 1°C/min. Nachdem man diese 30 min in diesem Zustand gehalten hatte, kühlte man auf Raumtemperatur mit einer Rate von 10°C/min ab. Man entnahm die Struktur aus dem Ofen und wischte überschüssiges Silsesquioxan auf der Struktur mit 10% Ethanol enthaltendem Wasser ab. Nach dem Trocknen legte man die Struktur erneut in den Ofen und erhöhte die Temperatur auf 200°C mit einer Temperaturanstiegsrate von 5°C/min. Man hielt sie in diesem Zustand über 30 min. Durch diese Vorgehensweise wurde das Polysilsesquioxan vollständig gehärtet.

Der Abschnitt der optischen Faser 14, mit dem man beim Wickeln begann, wurde in einen im Zylinder 22 gebildeten Schlitz eingeführt. Diese Endfläche verknüpfte man als Reflexionsende mit dem Reflexionsspiegel 24, der Licht der Wellenlänge 1,06 µm zu 99% reflektierte. Ferner führte man als Austrittsende das andere Ende der optischen Faser, so wie es war, mit der geschnittenen Oberfläche, nach außen. Man beschichtete die Struktur mit einem transparenten Fluorharz 18 mit einem Brechungsindex von 1,33, um die optische Faserstruktur 12 zu erhalten.

Man ordnete 23 LDs 20 mit einer Schwingungswellenlänge von 0,8 µm um die optische Struktur 12 an, um ein Anregungslicht von etwa 120 W von einer jeden LD 20, insgesamt etwa 2760 W über das Lichtführungselement einzuführen. Im Ergebnis erhielt man eine Laserschwingung von etwa 800 W in einer 1,06 µm Bande vom Austrittsende der optischen Faser 14. Im übrigen beobachtete man keine Beschädigung der optischen Faserstruktur 12 durch die Laserschwingung.

Als Vergleichsbeispiel stellte man eine Laservorrichtung auf die gleiche Weise wie im Beispiel her, abgesehen davon, daß man einen Klebstoff auf Epoxy-Basis anstelle des Polysilsesquioxans verwendete und die Laserschwingung durchführte. Als Folge davon verbrannte ein Teil der Bindungsschicht bei einer Anregungsleistung von einem Drittel oder weniger, bezogen auf das Beispiel.

Darüber hinaus stellte man eine Laservorrichtung unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel her, abgesehen davon, daß man die optische Faser mit einem Quarzglas anstelle des Polysilsesquioxans verschmolz und führte die Laserschwingung aus. In diesem Fall wurden keine Schäden verursacht bis zur maximalen Leistungsabgabe wie im Beispiel, jedoch war der Fortpflanzungsverlust des im Kern sich fortpflanzenden Laserstrahls so groß, daß der Wirkungsgrad etwa 70% bezüglich des Beispiels betrug. Dies macht die Wirkung der Erfindung klar.

Beispiel 2

Die Laserschwingung wurde mit der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Laservorrichtung durchgeführt.

Als optische Faser 34 stellte man eine Glasfaser auf Quarzbasis mit einer Gesamtlänge von 50 m und einen Durchmesser von 200 µm her, die eine faßartige Querschnittsform, zwei Reihen von abgeschrägten, parallel mit einem Abstand von 125 µm angeordneten Ebenen, einen Kerndurchmesser von 50 µm und eine numerische Öffnung ("aperture") des Kerns von 0,2 aufwies, wobei der Kern mit 1,0 Atom-% Neodym-Ionen dotiert war.

Man wickelte die optische Faser 34 um eine Säule mit einem inneren Durchmesser von 150 ϕ, so daß die Ebenen miteinander in Kontakt standen. Zwei Quarzglaszuführungen 40 mit einer Dicke von 125 µm und einer Breite von 12 mm wurden auf dem oberen Teil der optischen Faser 34 installiert. Danach trug man eine ausreichende Menge einer 5-gew.-%igen Methoxypropanol-Lösung von β-Bromethylsilsequioxan auf die Kontaktflächen zwischen den Ebenen der optischen Faser 34 und die Kontaktflächen zwischen der optischen Faser 34 und den Glaszuführungen 40 auf, worauf man in einer Reinatmosphäre ausreichend trocknete.

Danach wischte man den Überschuß β-Bromethylsilsequioxan auf der Oberfläche ab. Dann bestrahlte man 4 h lang mit dem UV- Strahl einer Niederdruck-Quecksilberlampe. Durch die UV- Strahlung wurde das β-Bromethylsilsequioxan vollständig gehärtet. Dann entnahm man die Säule und erhielt eine selbsttragende optische Faserstruktur 32 mit zylindrischer Form.

Eine Endfläche der optischen Faser 34 befestigte man als Reflexionsende an dem Reflexionsspiegel 24, der Licht einer Wellenlänge von 1,06 µm zu 99% reflektierte. Ferner beließ man das andere Ende der optischen Faser 34, so wie es war, mit der geschnittenen Oberfläche, als Austrittsende.

Für jede der Glaszuführungen 40 sah man eine 0,8 µm LD vor, so daß man von jeder LD Anregungslicht mit etwa 100 W abgeben konnte, insgesamt etwa 200 W. Im Ergebnis erhielt man eine Laserschwingung von etwa 80 W in einer 1,06 µm-Bande vom Austrittsende der optischen Faser 34. Man beobachtete keine Beschädigung der optischen Faserstruktur 32 durch die Laserschwingung.

Beispiel 3

Die Laserschwingung wurde mit der in den Fig. 5 und 6 gezeigten Laservorrichtung durchgeführt.

Als optische Faser 14 stellte man 1 bis 2 m, insgesamt 20 m optische Fasern auf Quarzbasis mit einem quadratischen Querschnitt, mit einem Kerndurchmesser von 50 µm, einem Umhüllungsdurchmesser von 125 × 200 µm und einer numerischen Öffnung ("aperture") des Kerns 14a von 0,2 her, wobei das Innere des Kerns 14a mit 2,0 Atom-% Neodym-Ionen (Nd³⁺) dotiert wurde. Für das optische Substrat 54 stellte man eine flache Quarzglasplatte mit einer Länge von 1,0 m, einer Breite von 1,5 mm und einer Dicke von 150 µm her, deren beide Endseiten in Längsrichtung poliert waren. Man ordnete die optischen Fasern 14 auf dem optischen Substrat 54 in Längsrichtung lückenlos an. Man trug eine 20 gew.-%ige Butanol-Lösung eines Phenylsilsesquioxan-Dimethylsiloxan- Copolymers auf die optischen Fasern 14 auf, damit diese zwischen die optischen Fasern eindringt, und zwischen die Kontaktflächen der optischen Fasern 14 und des optischen Substrats 54 eindringt, worauf man in einer Reinatmosphäre ausreichend trocknete. Danach wischte man den Überschuß Phenylsilsesquioxan-Dimethylsiloxan-Copolymer auf der Oberfläche der optischen Faser 14 ab. Man härtete durch 90- minütiges Erhitzen auf 120°C.

Dann verknüpfte man die Endflächen der optischen Fasern 14 in einer Quarzfaser-Schmelzvorrichtung, um einen vollständigen optischen Pfad zu erhalten. Es bestätigte sich, daß der Verlust durch die Schmelzverknüpfung bei einer Wellenlänge von 1,06 µm etwa dem Meßfehler entsprach. Beide Enden der optisch integrierten optischen Faser 14 wurden nach außen geführt, so wie sie waren, mit der geschnittenen Oberfläche.

Man richtete Laserdioden-Anregungslicht mit einer Schwingungswellenlänge von 0,8 µm auf beide Endflächen in Längsrichtung des optischen Substrats, 40 W pro Endfläche, insgesamt 80 W. Im Ergebnis erhielt man insgesamt 32 W Laserschwingung in einer Bande mit der Wellenlänge 1,06 µm von beiden Endflächen der optischen Faser 14.

Man beobachtete keine Beschädigung der optischen Faserstruktur 52 durch die Laserschwingung.

Die zuvor gegebene Beschreibung macht klar, daß man erfindungsgemäß die Herstellung der Laservorrichtung vereinfachen kann, und kein Risiko eingeht, daß der Kern der optischen Faser sich bei der Herstellung deformiert, da man das optische Medium zum Fixieren der optischen Faser bei 400°C oder weniger härten kann, was unterhalb der Härtungstemperatur eines gewöhnlichen anorganisches Glases liegt. Da ferner das optische Medium eine Wärmebeständigkeit von 300°C oder mehr aufweist, sobald es gehärtet ist, wird es nicht durch Wärme oder Licht beschädigt, welche die Laserschwingung begleiten. Da das optische Medium ferner einen Brechungsindex von 1,40 bis 1,56 bei einer anregenden Lichtwellenlänge aufweist, die in der Lage ist, die Laser- Aktivierungssubstanz anzuregen, kann man die Brechungsindizes der optischen Faser und des optischen Mediums auf den gleichen Wert einstellen und somit den Streuverlust des Anregungslichts an der Grenzfläche zwischen dem optischen Medium und der Umhüllung auf ein Minimum beschränken. Da schließlich das optische Medium einen Transparenzverlust von 0,5 dB/cm oder weniger aufweist, kann man die Dämpfung des Anregungslichts im optischen Medium verhindern.

Daher kann man eine Laservorrichtung mit einem ausgezeichneten Wirkungsgrad für die Einführung des Anregungslichts und Laserschwingungs-Wirkungsgrad und einer hohen Beständigkeit gegenüber dem Anregungslicht, und eine Lichtsignal-verstärkende Vorrichtung unter Verwendung dieser Laservorrichtung in einem einfachen Herstellungsschritt bereitstellen.

Claims

1. Laservorrichtung mit einer optischen Faser, die im Inneren eine Laser-aktivierende Substanz zum Emittieren eines Laserstrahls von einem entfernt gelegenen Endabschnitt enthält, wobei ein Teil der optischen Faser durch ein optisches Medium in einem dichten Zustand fixiert wird,
worin das optische Medium ein organisch-anorganisches Hybrid-Material mit einer Härtungstemperatur von 400°C oder weniger ist, und
worin ferner das gehärtete optische Medium bei einer Temperatur von 300°C oder mehr sich zu zersetzen beginnt, der Brechungsindex zwischen 1,40 und 1,56 liegt bei einer anregenden Lichtwellenlänge, die in der Lage ist, die Laser-aktivierende Substanz anzuregen, und der Transparenzverlust 0,5 dB/cm oder weniger beträgt.

2. Laservorrichtung mit einer optischen Faser, die im Inneren eine Laser-aktivierende Substanz zum Emittieren eines Laserstrahls von einem entfernt gelegenen Endabschnitt enthält, wobei ein Teil der optischen Faser durch ein optisches Medium in einem dichten Zustand fixiert wird,
worin das optische Medium ein organisch-anorganisches Hybrid-Material ist, welches eine sich wiederholende Einheit der allgemeinen Formel RSiO_1,5 umfaßt,
worin ferner R ausgewählt wird aus einer Alkyl-Gruppe, einer Hydroxyl-Gruppe, einer Phenyl-Gruppe, einer Vinyl-Gruppe, einer 2-Chlorethyl-Gruppe, einer 2-Bromethyl-Gruppe, einem Wasserstoff, einem schweren Wasserstoff, einem Fluor und einem Sauerstoff, wobei ausgeschlossen ist, daß R vollständig aus Sauerstoff besteht und es zulässig ist, daß R in jeder sich wiederholenden Einheit unterschiedlich ist.

3. Laservorrichtung mit einer optischen Faser, die im Inneren eine Laser-aktivierende Substanz zum Emittieren eines Laserstrahls von einem entfernt gelegenen Endabschnitt enthält, wobei ein Teil der optischen Faser durch ein optisches Medium in einem dichten Zustand fixiert wird,
worin das optische Medium ausgewählt wird aus einem Oligomer oder Polymer, enthaltend mindestens einen Vertreter aus der Gruppe Polymethylsilsequioxan, Polymethyl-Hydridsilsequioxan, Polyphenylsilsequioxan, Polyphenyl-Methylsilsesquioxan, Phenylsilsesquioxan- Dimethylsiloxan-Copolymer, Polyphenyl- Vinylsilsequioxan, Polycyclohexylsilsesquioxan, Polycyclopentylsilsesquioxan, Polyhydridsilsesquioxan, Poly(2-chlorethyl)silsesquioxan, Poly(2- bromethyl)silsesquioxan, oder eine Mischung von mindestens einem der Vertreter mit einem Polysiloxan.

4. Laservorrichtung mit einer optischen Faser, die im Inneren eine Laser-aktivierende Substanz zum Emittieren eines Laserstrahls von einem entfernt gelegenen Endabschnitt enthält, wobei ein Teil der optischen Faser durch ein optisches Medium in einem dichten Zustand fixiert wird,
worin das optische Medium ein amorphes Siliziumoxid enthält, hergestellt durch Härten von mindestens einem Vertreter aus der Gruppe Poly(2- chlorethyl)silsequioxan, Poly(2-bromethyl)silsesquioxan und einer Mischung davon.

5. Laservorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die optische Faser in Spiralform oder Spulenform aufgewickelt ist.

6. Laservorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die optische Faser in einem gebündelten Zustand fixiert ist.

7. Laservorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, worin eine flache Oberfläche auf einer Seitenfläche der optischen Faser so ausgebildet ist, daß die optische Faser in einem Zustand fixiert ist, in dem die flache Oberfläche sich in engem Kontakt miteinander befindet.

8. Lichtsignal-verstärkende Vorrichtung, welche die Laservorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 umfaßt, und einen weiteren entfernt liegenden Endabschnitt der optischen Faser der Laservorrichtung als Eingabeende für das Lichtsignal und den entfernt gelegenen Endabschnitt als Ausgabeende für das verstärkte Licht aufweist.