DE102006012869A1 - Optische Faser für einen Hochleistungs-Faserlaser und Hochleistungs-Faserlaser, umfassend die optische Faser - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Faser zur Verwendung als Lasermedium in einem Faserlaser, insbesondere Hochleistungs-Faserlaser, umfassend einen Kern, dotiert mit laseraktivem Material, insbesondere Selten-Erdatomen, einen Mantel, der den Kern umgibt, wobei der Mantel eine Mikrostrukturierung aufweist und das Material für den Faserkern und/oder Fasermantel ausgewählt ist aus Lithium- und Aluminium-haltigen Silikatgläsern, Schwermetalloxidgläsern, Quarzgläsern, Phosphatgläsern, phasenentmischten Gläsern, Gläsern mit Domänen und/oder Glaskeramik, basierend auf den bezeichneten Gläsern. Erfindungsgemäß werden Hochleistungs-Faserlaser bereitgestellt, die mit Festkörperlasern vergleichbare Leistungsdichten aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine optische Faser für einen Hochleistungs-Faserlaser.
  • Die Materialbearbeitung mit Laserstrahlen ist ein wachsender Markt. Moderne Laserschneidewerkzeuge werden immer leistungsfähiger und finden Eingang in immer neue Einsatzgebiete. Hochleistungslaser auf Basis klassischer Festkörperlaser unter Verwendung von Blitzlampen oder Dioden-gepumpte Festkörperlaser bedeuten in der Regel nicht nur hohe Anschaffungskosten, sondern auch hohe Unterhaltskosten.
  • Heute werden Gas-Laser, Festkörperlaser und bereits sogenannte mehrlagige Scheibenlaser zur Erzeugung von Hochleitungslaserpulsen verwendet. Außerhalb des Hochleistungsbereichs kommen vermehrt auch Faserlaser hauptsächlich auf Basis von dotierten Silicatgläsern zum Einsatz.
  • Ein Faserlaser besteht üblicherweise aus einem mit laseraktiven Materialien dotierten aktiven Kern, der in einem Mantel oder Cladding angeordnet ist, an den Enden mit dielektrischen Spiegeln versehen ist und einer Pumplichtquelle sowie üblicherweise einer Laserdiode, deren Strahlung über eine Koppeloptik als Pumplicht in die aktive Faser einkoppelt wird. Als Dotierstoffe werden dazu, abhängig vom Anwendungsbereich, die sogenannten Selten-Erdatome verwendet. Im Gegensatz zu anderen optisch gepumpten Festkörperlasern bleibt die Pumpstrahlung über die ganze Faserlänge fokussiert, also einige cm bis einige 10 m. Dies hat sehr hohe Effizienzen zur Folge. Gleichzeitig führt die dünne Faser die Verlustleistung (Wärme) sehr gut ab, so dass schon Faserlaser mit über 100 W Ausgangsleistung realisiert werden konnten.
  • Bekannte Laser auf Basis von Gasen und Festkörpern haben bekanntermaßen hohe Anschaffungs- und Unterhaltskosten. Faserlaser bieten hier jedoch nur bedingt eine Alternative. Um eine hohe Strahlqualität zu erhalten, darf in konventionellen Glasfaserlasern der Kerndurchmesser einen bestimmten Durchmesser nicht überschreiten. Der Kerndurchmesser muss in Abhängigkeit von den Brechungsindizes der umgebenden Materialien so gewählt werden, dass keine Oberschwingungen auftreten können.
  • In letzter Zeit wurden vermehrt sogenannte „large mode area"-Fasern verwendet. Dieser Typ von Fasern hat außer dem eigentlich optisch aktiven Kern in der Fasermitte noch einen sogenannten Pumpkern, der den aktiven Kern umgibt, d.h. bei diesen Doppelkernfasern ist der dotierte Faserkern umgeben von einem weiteren, undotierten Faserkern, der die Pumpstrahlung führt.
  • Die Brechungsindizes von aktivem und Pumpkern sind gerade so gewählt, dass der aktive Kern möglichst groß werden kann, ohne zu Oberschwingungen zu führen. Der umgebende Pumpkern gewährleistet eine hohe Einkoppeleffizienz der Pumpdioden. Der Pumpkern selbst ist im Gegensatz zum aktiven Laserkern kein aktives Lasermedium.
  • Ein derartiger Doppelkern-Faserlaser geht beispielsweise aus der DE 195 35 526 C1 hervor, worin zur besseren Absorption des Pumplichts im Laserkern der Pumpkern an der Oberseite in Längsrichtung abgeschliffen wurde.
  • Ein Nachteil von Doppelkernfasern ist, dass nur wenig aktives Material im eigentlichen Faserkern zur Verfügung steht. Daher muss die Faserlänge vergrößert werden, um ein bestimmtes, für die gewünschte Verstärkung notwendiges, laseraktives Volumen zu erreichen. Eine längere Faser ist aber wiederum schwieriger zu pumpen, da der Pumpkern im Idealfall die Pumpleistung absorbiert, also mit wachsender Faserlänge immer weniger Pumpleistung zur Verfügung steht. Es sind demnach mehrere Pumpstationen hintereinander nötig. Bei geeigneter Pumpleistung erhält man dann eine hohe Laserleistung auf einem kleinen Querschnitt. Dies führt aber zu einer Reihe weiterer Probleme, so zum Beispiel einer erhöhten Wärmebelastung des Materials und damit zu einem Effizienzverlust durch strahlungslose Relaxationsprozesse im Material.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile und Probleme zu vermeiden und Fasern zur Verwendung in einem Faserlaser bereitzustellen, welche ohne zusätzlichen Pumpkern eine hohe Strahlungsqualität ermöglichen ohne dabei unerwünschte Oberschwingungen zu erzeugen, wobei die Größe des Faserkerns auch die Verwendung relativ kurzer Faserlängen ermöglichen soll. Ferner soll ein Hochleistungs-Faserlaser unter Verwendung der optischen Faser bereitgestellt werden, der einen hohen Pumpwirkungsgrad bei gleichzeitig niedrigen Kosten erlaubt.
  • Erfindungsgemäß wird die vorstehend geschilderte Aufgabe gelöst durch eine optische Faser zur Verwendung als Lasermedium in einem Faserlaser, umfassend
    einen Kern, dotiert mit laseraktivem Material, insbesondere Selten-Erdatomen,
    einen Mantel, der den Kern umgibt,
    wobei der Mantel eine Mikrostrukturierung aufweist und
    das Material für den Faserkern und/oder Fasermantel, insbesondere für den Faserkern, ausgewählt ist aus Lithium und Aluminium haltigen Silikatgläsern, Schwermetalloxidgläsern, Quarzgläsern, Phosphatgläsern, phasenentmischten Gläsern, Gläsern mit Domänen und/oder Glaskeramik basierend auf den bezeichneten Gläsern. Schwermetalloxidgläser sind zum Beispiel Telluroxidgläser, Antimonoxidgläser und Bismutoxidgläser, wobei die letzteren besonders bevorzugt sind.
  • Eine erfindungsgemäße optische Faserlaser-Faser bzw. Hochleistungslaser-Faser weist demnach einen inneren mit laseraktivem Material dotierten Kern auf, durch welchen die Laserstrahlung erzeugt wird, und einen diesen Kern umhüllenden Fasermantel, welcher mikrostrukturiert ist.
  • Unter „Mikrostrukturierung" sollen im Rahmen der Erfindung Strukturen im Mikro- oder Nanometerbereich verstanden werden, beispielsweise in Form von Mikro-Kanälen oder Lochstrukturen oder dergleichen, die sich im Mantel der optischen Faser befinden.
  • Besonders bevorzugt sind nur ausgewählte Bereiche des Fasermantels strukturiert, wobei dem Fachmann derartige Strukturen bekannt sind. Die Strukturierung wir je nach dem Anwendungsbereich entsprechend ausgewählt.
  • Beispielsweise können im Mantel sogenannte Lochstrukturen zum Einsatz kommen, deren spezielle Geometrie durch den Lochdurchmesser und die Wandstärke festgelegt werden können. So kann durch Angabe von Lochgröße (Lochdurchmesser) und Abstand der Löcher (Pitch) die Strukturierung spezifiziert werden. Üblicherweise werden Verhältnis aus Wandstärke/Lochdurchmesser angegeben. Erfindungsgemäß liegt dieses Verhältnis bei Verwendung einer derartigen Lochstruktur bevorzugt in einem Bereich von etwa 0,2 bis 0,6, bevorzugt 0,25 bis 0,55, noch bevorzugter von 0,3 bis 0,5, ganz besonders bevorzugt um etwa 0,4. Hierbei können zum Beispiel größere und kleinere Löchern in unterschiedlichen Strukturierungen, je nach Anwendungszweck, vorgesehen werden.
  • Solche mikrostrukturierte Bereiche im Glasfasermantel können hergestellt werden durch Erwärmen und Ziehen einer entsprechenden Vorform in eine lang gestreckte Glasfaser, welche zum Beispiel eine Vielzahl von Mikro-Kanälen aufweist. Diese Mikrostruktur kann unter einem Rasterelektronenmikroskop überprüft werden. Dem Fachmann sind mikrostrukturierte optische Fasern (auch bekannt als „photonic crystal fibers" PCF) und deren Herstellung bekannt.
  • Besonders bevorzugt werden erfindungsgemäß die Fasern derart hergestellt, dass die Strukturierung bzw. Geometrie der gewählten Struktur im Mantel bei Herstellung der optischen Fasern, insbesondere beim Ziehen der Fasern, erhalten bleibt.
  • Optische Fasern mit einem mikrostrukturierten Mantel erlauben in überraschender Weise die oben angesprochenen Probleme zu vermeiden. So kann die Mikrostrukturierung der Faser dafür sorgen, dass auch in einem dicken Kern keine harmonischen Oberschwingungen auftreten können. Dadurch kann der aktive Kern weitaus größer sein als bei bislang bekannten, klassischen Faserlasern und damit kann ein weiterer Pumpkern entfallen. Die Nachteile der oben geschilderten Doppelkern-Faserlaser können damit vermieden werden.
  • Es ist demnach erfindungsgemäß möglich die Fasermantel-Strukturparameter in weiten Grenzen zu variieren. Besonders bevorzugt wird der Mantel der Faser derart strukturiert, dass ein monomodiges Strahlprofil mit nahezu gaußförmiger Intensitätsverteilung abgestrahlt wird. Die erfindungsgemäße Strukturierung führt dazu, dass unerwünschte Oberschwingungen nicht mehr auftreten können, da diese zu physikalisch verbotenen Zuständen werden, so dass nur noch die Grundschwingung möglich ist. Demzufolge können sich harmonische Oberschwingungen nicht mehr ausbreiten. Für die Materialbearbeitung bietet ein Stnahlprofil mit gaußförmiger Intensitätsverteilung, bei der die maximale Strahlintensität exakt inmitten des Strahls lokalisiert ist und nach außen exponentiell abfällt, den Vorteil, dass höherwertige Materialschnitte und Trennkanten entstehen. Hierdurch tritt keine inhomogen verteilte Intensität auf, deren höchste Leistung sich beispielsweise am Rand des Strahls befindet, was gänzlich unerwünscht ist. Dieser spezielle Aufbau gemäß der Erfindung erlaubt es daher, ein monomodiges Strahlprofil zu erhalten.
  • Die erfindungsgemäße Mikrostrukturierung des Mantels erlaubt es ferner, dass ein Faserkern mit größerem Durchmesser als üblicherweise verwendet, eingesetzt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird ein vorzugsweise mit Selten-Erdatomen dotiertes Material für den Kern der Faser verwendet.
  • Das Material für Faserkern und/oder -mantel wird erfindungsgemäß bevorzugt aus einer geeigneten Glaskeramik oder einer geeigneten Glaszusammensetzung ausgewählt. Als Gläser oder Ausgangsgläser für eine Glaskeramik kommen in Frage: Lithium- und Aluminium-haltigen Silikatgläsern, Schwermetalloxidgläsern, Quarzgläsern, Phosphatgläsern, phasenentmischten Gläsern, Gläsern mit Domänen und/oder Glaskeramik basierend auf den bezeichneten Gläsern, insbesondere bevorzugt sind Bismutoxid-haltige Gläser.
  • Besonders bevorzugt sind silkatische Gläser, Quarzgläser, Schwermetalloxidgläser oder nicht-silikatische Phosphatgläser. Erfindungsgemäß kommen vorzugsweise demnach sogenannte Spezialgläser zum Einsatz, d.h. für den speziellen Anwendungszweck ausgewählte Glaszusammensetzungen, die je nach Einsatzgebiet des Lasers, besonders geeignet sind. Mit anderen Worten, es ist nicht jedes Glas bzw. jede Glaskeramik verwendbar, sondern es muss eine geeignete Auswahl getroffen werden.
  • So sind erfindungsgemäße Fasern mit mikrostrukturiertem Mantel, dotiertem Kern und dotiertem oder undotiertem Mantel für Hochleistungs-Laser besonders geeignet, wenn das Material für Kern und/oder Mantel ausgewählt wird aus Phosphatgläsern, Schwermetalloxidgläsern, phasenentmischten Gläser, Gläsern mit Domänen, und/oder Glaskeramik. Faser für Kurzpulslaser werden bevorzugt aus Schwermetalloxiden und/oder Glaskeramik ausgewählt.
  • Insbesondere führen Schwermetalloxide aufgrund entsprechender zwischenatomarer Bindungen, resultierenden elektrischen Felder und daher aufgrund einer größeren Stark-Aufspaltung der angeregten Zustände der Selten-Erdatome zu breiteren Emissionen bzw. breitbandigeren Emissionsbanden.
  • Als Hostmaterial oder Matrix kann besonders bevorzugt auch Glaskeramik verwendet werden. Bevorzugt ist die Glaskeramik beispielsweise eine LAS-Glaskeramik (Lithium-, Aluminium- und Siliciumoxid-haltige Glaskeramik) oder eine MAS-Glaskeramik (Magnesium-, Aluminium- und Silikathaltige Glaskeramik).
  • Von besonderem Vorteil kann das Material mit einer Phononenergie so gewählt werden, dass Konkurrenzprozesse, wie eine Aufwärtskonversion (up-conversion), vermindert sind. Dies wird beispielsweise durch einen hohen Anteil von SiO2-Verbindungen in der Glas- oder Glaskeramikzusammensetzung erreicht.
  • Die erfindungsgemäß ausgewählten Spezialgläser oder -glaskeramiken ermöglichen eine besonders hohe laseraktive Dotierung, insbesondere mit Selten-Erdatomen, ohne eine unerwünschte Clusterbildung. Dies führt zu einer deutlich höheren Leistung der Fasern in Lasern als erwartet werden konnte.
  • Die erfindungsgemäße Faser enthält nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform im Gegensatz zu konventionellen Glasfasern nicht verschieden dotierte Glasmaterialien bzw. Variationen eines Glases, sondern Faserkern und Fasermantel sind vorzugsweise aus dem gleichen Material aufgebaut bzw. enthalten das gleiche Material. Durch Vorsehen eines mikrostrukturierten Mantels wird es erfindungsgemäß demnach möglich, dass Faserkern und -mantel aus demselben Material aufgebaut sein können. Nach einer erfindungsgemäß ganz besonders bevorzugten Ausführungsform sind Faserkern und Fasermaterial der optischen Faser daher aus derselben Glas- oder Glaskeramikzusammensetzung aufgebaut. Es können aber auch verschiedene Glaszusammensetzungen bzw. Glaskeramikzusammensetzungen für den Kern und den Mantel kombiniert werden. Eine Auswahl der Glas- oder Glaskeramikmaterialien erfolgt vorzugsweise durch Abstimmung der Wärmeleiteigenschaften und Oberflächenspannung des Materials von Kern und Mantel der Faser aufeinander.
  • Optisch aktive Kerne von Fasern für Faserverstärker sollten zudem in der Regel mit einem Mantel mit geringerem Brechwert als demjenigen des Kernmaterials ummantelt sein, um eine ausreichende Lichtleitung im Kern zu gewährleisten.
  • Erfindungsgemäß besonders bevorzugt verwendete Glaszusammensetzungen oder Ausgangsglaszusammensetzungen für Glaskeramiken, die für den Faserkern und/oder Fasermantel eingesetzt werden können, sind nachfolgend erläutert. Ganz besonders bevorzugt stellt die erfindungsgemäße optische Faser eine Glas- oder Glaskeramik-Faser dar, von der das Material für die Faser und den Mantel aus den bezeichneten Glaszusammensetzungen oder entsprechenden Glaskeramiken ausgewählt sind.
  • Bevorzugte Glaszusammensetzungen sind Bismutoxid-haltige Glaszusammensetzungen. Hierbei enthalten die Gläser bevorzugt mindestens 15 Mol-% Bismutoxid. Bevorzugter beträgt die Menge an Bismutoxid mindestens 20 Mol-%, insbesondere mindesten 30 Mol-%. Die Obergrenze liegt vorzugsweise bei 80 Mol-%, da Glas oberhalb dieses Werts sehr leicht auskristallisiert. Noch bevorzugter beträgt der Gehalt an Bismutoxid maximal 70 Mol-%, ganz besonders bevorzugt höchstens etwa 60 Mol-%.
  • Bevorzugt sind Bismutoxid-haltige Glaszusammensetzungen, die zusätzlich mehrwertige Kationen enthalten. Diese sind bevorzugt ausgewählt aus Oxiden des Typs R2O5, insbesondere kommen in Frage: Nb2O5, Sb2O5, SnO2, Cr2O3, As2O3 und V2O5 oder deren Mischungen. Derartige mehrwertige Kationen wirken stabilisierend auf den Oxidationszustand des Bismuts und sind deutlich effizienter als beispielsweise ein Zusatz von Ceroxid.
  • Die mehrwertigen Kationen werden in einer Menge von mindestens 0,001 Mol-% und bevorzugt höchstens 20 Mol-%, noch bevorzugter höchstens 10 Mol-%, eingesetzt. Es kann ein mehrwertiges Kation oder eine Mischung dieser vorliegen. Besonders bevorzugt liegen mehrwertige Kationen in einer Menge von mindestens 0,01 Mol-%, noch bevorzugter mindestens 0,1 Mol-%, vor.
  • Besonders bevorzugt sind auch Bismutoxidgläser, die als Zusatz La2O3 enthalten, das vorzugsweise in einer Menge von 0,001-20 Mol-% vorhanden ist. Bevorzugt beträgt der Gehalt and La2O3 höchstens 10 Mol-%, noch bevorzugter höchstens 8 Mol-%; besonders bevorzugt sind mindestens 0,005 Mol-%. Der Zusatz von La2O3 führt zu einer Stabilisierung der Bismutoxid-haltigen Gläser durch positive Beeinflussung der Entglasungsstabilität der Gläser.
  • Weiterhin bevorzugte Bismutoxid-haltige Gläser sind solche, die einen Gehalt an GeO2 besitzen. Durch die Anwesenheit von Germaniumoxid wird die thermische Belastbarkeit von oxidhaltigen Gläsern verbessert. Unter einer verbesserten bzw. erhöhten thermischen Belastbarkeit eines Glases wird dabei verstanden, dass zur Einstellung einer bestimmten Viskosität eines Glases eine höhere Temperatur erforderlich ist, als bei einem Glas mit einer geringeren bzw. schlechteren thermischen Belastbarkeit. Beispielsweise sind die Transformationstemperatur Tg und/oder der Erweichungspunkt EW eines thermisch belastbareren Glases im Vergleich zu einem germaniumoxidfreien Ausgangsglas erhöht.
  • Der Gehalt an Germaniumoxid liegt vorzugsweise bei mindestens 0,1 Mol-%, noch bevorzugter ≥ 1 Mol-%, besonders bevorzugt ≥ 3 Mol-%. Diese erfindungsgemäße Glaszusammensetzung weist vorzugsweise höchstens 60 Mol-%, noch bevorzugter höchstens 50 Mol-%, ganz besonders bevorzugt höchstens 40 Mol-% Germaniumoxid auf.
  • In Bismutoxid-haltigen Glaszusammensetzungen können weitere Oxide zur Einstellung der physikochemischen und optischen Eigenschaften oder zur Erniedrigung der Kristallisationsneigung enthalten sein.
  • Zur Verbesserung der Faserziehbarkeit können beispielsweise klassische Netzwerkbildner, wie B2O3 und Al2O3, eingesetzt werden. Der Zusatz von SiO2 hat positiven Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Glases, verschlechtert jedoch die spektroskopischen Eigenschaften. Vorzugsweise sind 1 Mol-%, noch bevorzugter 5 Mol-%, SiO2 enthalten. Die bevorzugte Höchstgrenze für SiO2 liegt bei 50 Mol-%, insbesondere 40 Mol-%, noch bevorzugter 30 Mol-%.
  • Ein Zusatz von B2O3 verbessert die spektroskopischen Eigenschaften des Glases, so dass bevorzugt 5 Mol-%, noch bevorzugter mindestens 10 Mol-%, besonders bevorzugt mindestens 15 Mol-%, im Glas enthalten sind.
  • Zur erleichterten Glasbildung kann Al2O3 zugesetzt werden.
  • Weiterhin können Oxide ausgewählt aus Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Sn, Ta, Nb, W, Ti, Zr, Cd und In vorhanden sein. Der Anteil dieser Oxide beträgt bevorzugt 1 Mol-% und vorzugsweise höchstens 60 Mol-%, noch bevorzugter höchstens 40 Mol-%.
  • Je nach Anwendungsfeld ist bei den erfindungsgemässen Gläsern die Zugabe von Lithiumoxid besonders bevorzugt. Es wurde gefunden, dass die Zugabe von Li2O bei Bismutoxid-haltigen Gläsern die Glasbildungsbereiche vergrössern kann.
  • Darüber hinaus ist Li2O vorteilhaft, wenn ein Verstärker mit besonders guter Effizienz im sog. L-Band, also bei Wellenlängen von etwa 1.450 nm bis etwa 1.650 nm, generiert werden soll. Günstig ist der Einsatz von vorzugsweise mindestens 1 Mol-%, noch bevorzugter von mindestens 3 Mol-%, Li2O.
  • Gegebenenfalls können die erfindungsgemässen Gläser auch Anteile an Halogenidionen wie F oder Cl in einem Gewichtsanteil von höchstens etwa 10 Mol-%, besonders bevorzugt von höchstens etwa 5 Mol-%, enthalten.
  • Der Oxidationsstufe von Bismut in den Bismutoxid-haltigen Gläsern lässt sich beispielsweise durch Aufschmelzen des Glases unter oxidativen Bedingungen stabilisieren. Dies kann durch Einblasen von Sauerstoff in die Glasschmelze erfolgen. Wird Cer zur Stabilisierung eingesetzt, so stabilisiert dies den Oxidationszustand nur oberhalb einer Schmelztemperatur von 1000°C.
  • Jedoch bewirkt der Zusatz von Cer eine gelb-orange Färbung durch Verschiebung der UV-Kante, was häufig unerwünscht ist.
  • Die oben beschriebenen Bismutoxid-haltige Gläser sind beispielsweise aus der DE 103 08 476 A1 bzw. der WO 2004/074197, der DE 102 07 5983 A1 bzw. der EP 1 425 250 , der WO 03/022763 A2 und der WO 03/022764 A1 bekannt, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme in die vorliegenden Offenbarung miteinbezogen wird.
  • Nachfolgend sind beispielhafte Glaszusammensetzungen beschrieben, die in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Glaszusammensetzungen beschränkt: Bismutoxid-haltige Glaszusammensetzungen, die eines oder mehrere mehrwertige Kationen enthalten, weisen beispielsweise die nachfolgenden Zusammensetzungen auf (bezogen auf Oxidbasis):
    Bi2O3 ≥ 20 Mol-%
    mehrwertige Kationen 0,001-20 Mol-%
    andere Oxide 0-79,999 Mol-%
  • Hierbei sind die mehrwertigen Kationen bevorzugt ausgewählt aus Oxiden des Typs R2O5, insbesondere kommen in Frage: Nb2O5, Sb2O5, SnO2, Cr2O3, As2O3 und V2O5 oder deren Mischungen. Derartige mehrwertige Kationen wirken stabilisierend auf den Oxidationszustand des Bismuts und sind deutlich effizienter als beispielsweise ein Zusatz von Ceroxid.
  • Besonders bevorzugte Bismutoxid-haltige Gläser, die mehrwertige Kationen enthalten, weisen die nachfolgenden Zusammensetzungen auf (in Mol-%, auf Oxidbasis):
    Bi2O3 30-70
    mehrwertige Kationen 0,001-8
    SiO2 0-60
    GeO2 0-30
    B2O3 0-60
    Al2O3 0-50
    Ga2O3 0-50
    In2O3 0-30
    La2O3 0-20
    WO3 0-30
    MoO3 0-30
    Nb2O5 0-30
    Ta2O5 0-15
    TiO2 0-30
    ZrO2 0-30
    M'2O 0-40
    M''O 0-30
    F und/oder Cl 0-10
    SiO2 und GeO2 0,5-60
    B2O3 + Al2O3 + Ga2O3 0,5-60
    wobei M' mindestens eines ausgewählt aus Li, Na, K, Rb und/oder Cs, und M'' mindestens eines ausgewählt aus Be, Mg, Ca, Sr, Ba und/oder Zn darstellt.
  • Besonders bevorzugt enthält das Glas 0,001 bis 10 Mol-% mehrwertige Kationen.
  • Besonders bevorzugt wird das mehrwertige Kation im höchst möglichen Oxidationszustand zugesetzt. Zum Beispiel Antimon im 5-wertigen Zustand als NaSb(OH)6.
  • Die Glaszusammensetzungen kann vorzugsweise Sc- und/oder Y-Verbindungen enthalten.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Bismutoxid-haltigen Glaszusammensetzungen, die zusätzlich Lanthanoxid enthalten, ausgewählt aus:
    Bi2O3 ≥ 20 Mol-%, bevorzugt 20-70 Mol-%
    La2O3 0,001-20 Mol-%
    andere Oxide 080 Mol-%.
  • Bevorzugt beträgt der Gehalt and La2O3 höchstens 10 Mol-%, noch bevorzugter höchstens 8 Mol-%; besonders bevorzugt sind mindestens 0,005 Mol-%. Lanthan beeinflusst die physikalischen Eigenschaften der Glaszusammensetzung fast in derselben Weise wie die Selten-Erdatome, nur dass Lanthan nicht optisch aktiv ist.
  • Besonders bevorzugte Bismutoxid-haltige Gläser mit Lanthanoxid-Zusatz weisen die nachfolgenden Zusammensetzungen auf (in Mol-%, auf Oxidbasis):
    Bi2O3 30-70
    La2O3 0,001-20
    SiO2 0-60
    GeO2 0-30
    B2O3 0-60
    Al2O3 0-50
    Ga2O3 0-50
    In2O3 0-30
    WO3 0-30
    MoO3 0-30
    Nb2O5 0-30
    Ta2O5 0-15
    TiO2 0-30
    SnO2 0-40
    ZrO2 0-30
    M'2O 0-40
    M''O 0-30
    F und/oder Cl 0-10
    SiO2 und GeO2 0,5-60
    B2O3 + Al2O3 + Ga2O3 0,5-60,
    wobei M' mindestens eines ausgewählt aus Li, Na, K, Rb und/oder Cs, und M'' mindestens eines ausgewählt aus Be, Mg, Ca, Sr, Ba und/oder Zn darstellt.
  • Besonders bevorzugt können in dieser Glaszusammensetzung auch mehrwertigen Kationen enthalten sein, bevorzugt ausgewählt aus Oxiden des Typs R2O5, insbesondere kommen in Frage: Nb2O5, Sb2O5, SnO2, Cr2O3, As2O3 und V2O5 oder deren Mischungen. Besonders bevorzugt sind im Glas 0,01 bis 10 Gew.-% mehrwertige Kationen enthalten, insbesondere bevorzugt 5 Gew.-%.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Bismutoxid-haltigen Glaszusammensetzungen, die zusätzlich Germaniumoxid aufweisen, besonders bevorzugt ausgewählt aus:
    Bi2O3 10-80 Mol-%
    GeO2 ≥ 1 Mol-%
    B2O3 + SiO2 ≥ 0,1 aber < 5 Mol-%
    weitere Oxide 18,9-88,9 Mol-%.
  • Die erfindungsgemässen Bismutoxid-haltigen und Germaniumoxid-haltigen Gläser zeigen, insbesondere wenn der Gesamtanteil von B2O3 und SiO2 kleiner als 5 Mol-% ist und gleichzeitig jedoch grösser als 0,1 Mol-% ist, eine besonders gute Glasqualität mit guten optischen Eigenschaften. Hierbei liegt die Transformationstemperatur Tg ausreichend hoch und die Kristallisationstemperatur Tx weist einen ausreichenden Abstand zur Transformationstemperatur auf. Dies ist vorteilhaft, wenn das Glas nach einem ersten Abkühlen und Erkalten aus der Schmelze durch Umformen weiterverarbeitet werden soll, wie es zur Herstellung der Vorform und der Faser nötig ist. Je weiter die Kristallisationstemperatur Tx oberhalb der Transformationstemperatur Tg liegt, um so geringer ist die Gefahr, dass beim Wiedererwärmen eine Kristallisation und damit in der Regel ein Unbrauchbarwerden des Glases vorliegt.
  • Der Zusatz von Boroxid bzw. Siliciumoxid in der angegebenen Menge verbessert nicht nur die mechanischen sondern insbesondere auch die spektroskopischen Eigenschaften des Glases, die Bandbreite und Flachheit der Verstärkung. Eine zu hohe Zugabe von B2O3 führt jedoch als Folge des Wassergehaltes und durch Einfluss auf die Phononenenergien zu einem Abfall der Lumineszenzlebensdauer. Eine hohe Lumineszenzlebensdauer ist erwünscht, um die für eine Verstärkung notwendige Inversion zu erzielen. Der erfindungsgemässe Bereich insbesondere für den Borsäuregehalt ergibt somit einen optimalen Kompromiss zwischen homogener Verstärkung und ausreichend langer Lumineszenzlebensdauer.
  • Weiterhin besonders bevorzugte Bismutoxid-haltige Glaszusammensetzungen, die zusätzlich Germaniumoxid aufweisen, haben folgende Zusammensetzungen (in Mol-%, auf Oxidbasis):
    B2O3 ≥ 1
    Bi2O3 10-60
    GeO2 10-60
    La2O3 0-15
    Ga2O3 0-40
    Al2O3 0-20
    ZnO 0-30
    CeO2 0-10
    M'2O 0-30
    M''O 0-20
    weitere Oxide Rest,
    wobei M' mindestens eines ausgewählt aus Li, Na, K, Rb und/oder Cs, und M'' mindestens eines ausgewählt aus Be, Mg, Ca, Sr und/oder Ba darstellt.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Bismutoxid-haltigen Glaszusammensetzungen, die zusätzlich Germaniumoxid enthalten, ausgewählt aus:
    Bi2O3 ≥ 15 Mol-%
    GeO2 ≥ 0,01 Mol-%
    weitere Oxide 0-79,9 Mol-%
  • Die erfindungsgemässen Germaniumoxid-haltigen Gläser weisen, wie bereits erläutert, verglichen mit Germaniumoxid-freien Gläsern einen grösseren Abstand zwischen der Transformationstemperatur Tg und der Kristallisationstemperatur Tx auf, was die beschriebenen Vorteile mit sich bringt. Ferner ist ein solches Glas beispielsweise besser zum Verziehen aus einer Preform in eine Glasfaser geeignet, da beim Erwärmen zum Verziehen ein ausreichender Abstand zur Kristallisationstemperatur eingehalten werden kann.
  • Zudem wurde festgestellt, dass die Einführung der netzwerkbildenden Komponente GeO2 insbesondere in Kombination mit SiO2 die mechanischen Eigenschaften des Glases verbessert. So ist beispielsweise der sogenannte Y-Wert bei den erfindungsgemässen Gläsern verbessert. Der Y-Wert wird durch die Bestimmung der Vicker's-Härte ermittelt. Dazu wird in einem Eindruckversuch auf die Oberfläche einer Glasplatte für einen gegebenen Druck die Eindringtiefe bestimmt. Auch wurde festgestellt, dass aus den erfindungsgemässen Gläsern gezogene Single-Mode-Fasern eine bessere Weibull-Statistik aufweisen, als entsprechende Germaniumoxid-freie Glasfasern.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform weisen besonders bevorzugte Bismutoxidhaltige Gläser, die zusätzlich Germaniumoxid enthalten, die nachfolgenden Zusammensetzungen auf (in Mol-%, auf Oxidbasis):
    Bi2O3 15-70
    GeO2 1-60
    La2O3 0-20
    SiO2 0,5-60
    B2O3 5-60
    Al2O3 0,5-50
    Ga2O3 0-50
    WO3 0-30
    Nb2O5 0-30
    Ta2O5 0-15
    TiO2 0-30
    ZnO 0-40
    ZrO2 0-30
    SnO2 0-30
    M'2O 0-40
    M''O 0-30
    F und/oder Cl 0-10
    Bi2O3 + GeO2+ B2O3 + Al2O3 0,5-60
    wobei M' mindestens eines ausgewählt aus Li, Na, K, Rb und/oder Cs, und M'' mindestens eines ausgewählt aus Be, Mg, Ca, Sr und/oder Ba darstellt.
  • Wie bereits erläutert, wird durch die Anwesenheit von Germaniumoxid die thermische Belastbarkeit von oxidhaltigen Gläsern verbessert.
  • Bei der Verwendung von B2O3 haben sich insbesondere Zusätze zwischen etwa 3 und 4,95 Mol-% als vorteilhaft im Hinblick auf die Verbesserung der optischen Eigenschaften erwiesen. Zusätze von Ga2O3 und La2O3 haben sich als vorteilhaft erwiesen, um die Glasbildung zu unterstützen und einer Kristallisation entgegenzuwirken. Der Zusatz von Wolframoxid ist zwar grundsätzlich geeignet, um die Bandbreite und Homogenität der Verstärkung zu verbessern, birgt jedoch insbesondere die Gefahr einer verstärkten Kristallisationsneigung.
  • Durch den Zusatz von Li2O lässt sich die Bandbreite insbesondere im niedrigen Energiebereich des Spektrums (L-Band) verbessern. Auch ergibt sich im Vergleich zu Na2O-Zusätzen ein verbreiterter Glasbildungsbereich. Es hat sich ferner gezeigt, dass der Zusatz dieser klassischen Netzwerkwandler Na2O bzw. Li2O ggf. sinnvoll ist, um die Glasbildung zu verbessern. Ferner führt der Zusatz dieser Netzwerkwandler insbesondere im Bereich zwischen etwa 0,5 und 15 Mol-% Na2O und/oder Li2O teilweise zu verbesserten optischen Eigenschaften in gewissen Grenzen. Während der Zusatz von Na2O die Verstärkung zu niedrigen Energien hin verschiebt, wird die Bandbreite im Allgemeinen nachteilig beeinflusst.
  • Auch ein Zusatz von La2O3 verbessert die Glasbildung, insbesondere, wenn maximal etwa 8 Mol-%, insbesondere maximal etwa 5 Mol-% zugesetzt werden. Dabei lässt sich La2O3 leicht durch Er2O3 oder Eu2O3 ersetzen. Das Verstärkungsmaximum wird durch den Zusatz von La2O3 zu höheren Energien hin verschoben, während die Bandbreite tendenziell verringert wird. Das Verstärkungsmaximum wird durch den Zusatz von La2O3 zu höheren Energien hin verschoben, während die Bandbreite tendenziell verringert wird.
  • Ein Zusatz von Al2O3 hat im Wesentlichen keinen Einfluss auf die optischen Eigenschaften und ist allenfalls in geringen Mengen sinnvoll, da sonst, insbesondere wenn mehr als 5 Mol-% zugesetzt werden, die Glasstabilität beeinträchtigt werden kann.
  • Zusätze von ZnO und BaO (bzw. BeO, MgO, CaO, SrO) haben sich als vorteilhaft erwiesen, um die Glasstabilität zu verbessern. Hierbei werden vorzugsweise etwa 1 bis 15 Mol-%, besonders bevorzugt etwa 2 bis 12 Mol-%, ZnO zugesetzt. Insbesondere bis zu etwa 10 Mol-% ZnO zeigen sich vorteilhafte Auswirkungen auf die Glasstabilität. Bezüglich des Zusatzes von BaO (bzw. BeO, MgO, CaO, SrO) haben sich Zusätze bis zu etwa 10 Mol-%, insbesondere bis zu etwa 5 Mol-%, als zweckmässig zur Verbesserung der Glasstabilität erwiesen.
  • Auch Zusätze von Ga2O3 und Gd2O3 von bis zu 40 Mol-% bzw. von bis zu 10 Mol-% haben sich als vorteilhaft für die Glasbildung erwiesen.
  • Ggf. können die bezeichneten erfindungsgemässen Gläser auch Anteile an Halogendionen wie F– oder Cl– in einem Gewichtsanteil von bis zu 10 Mol-%, insbesondere bis zu etwa 5 Mol-%, enthalten.
  • Die erfindungsgemässen Gläser können auch Ceroxid enthalten. Vorzugsweise enthalten die erfindungsgemässen Gläser nur einen geringen Anteil von CeO2 im Bereich von maximal etwa 1 Mol-% oder sind cerfrei.
  • Weiterhin bevorzugte Glaszusammensetzungen, die erfindungsgemäß als Material für den Faserkern und/oder Fasermantel eingesetzt werden können, sind phasenseparierte optische Gläser, welche auf einer SiO2-Matrix basieren und mindestens eine Sorte von in der Matrix eingebetteten, diskreten Bereichen umfassen, wobei die in der Matrix eingebetteten, diskreten Bereiche eine von der Matrix verschiedene Zusammensetzung aufweisen und wobei diese Bereiche im wesentlichen nichtkristallin sind.
  • Beispielhafte phasenseparierte Glaszusammensetzungen sind die Nachfolgenden (in Mol-%, auf Oxidbasis):
    SiO2 20-80
    GeO2 0-30
    Al2O3 0-40
    Ga2O3 0-40
    In2O3 0-30
    TiO2 0-30
    ZrO2 0-30
    V2O5 0-30
    B2O3 30-50
    M'2O 0-40 (M' = Li, Na, K, Rb und/oder Cs)
    M''O 0-40 (M''= Mg, Ca, Sr, Ba, Pb und/oder Zn)
    F, Cl, Br 0-20
    P2O5 0-40
    Schwermetalloxid 0-80
  • Derartige Gläser sind aus der DE 101 63 553 A1 bzw. der WO 2003/053873 bekannt, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme in die vorliegenden Offenbarung miteinbezogen wird.
  • Vorzugsweise liegt in diesen phasenseparierten Gläsern Siliziumdioxid in einer Menge von 30 bis 75 Mol-% vor. In diesem Bereich wird in der Regel die maximale Festigkeit der Glaszusammensetzung erhalten.
  • Weiterhin können Oxide von Elementen enthalten sein, welche aus der Gruppe von Oxiden der Elemente Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, W, Ti, Zr, Cd und/oder In ausgewählt sind.
  • Zusätzliche Oxide können zur Einstellung physikochemischer bzw. optischer Eigenschaften oder zur Erniedrigung der Kristallisationsneigung enthalten sein.
  • Beispielsweise ist die Zugabe mindestens einer weiteren klassischen netzwerkbildenden Komponente wie B2O3, Al2O3, GeO2 usw. bevorzugt.
  • Ferner können Komponenten in dem erfindungsgemässen Glas vorliegen, welche eine Stabilisierung der glasigen Phase gegen Kristallisation bewirken, wie beispielsweise Al2O3, ZnO und Li2O. Diese Komponenten liegen vorzugsweise in einem Gesamtanteil Al2O3 + ZnO + Li2O von 0,1 bis 20 Mol-% vor.
  • Lithiumoxid kann der erfindungsgemässen Glaszusammensetzung in einem Anteil von vorzugsweise 0,01 bis 10 Mol-%, noch bevorzugter 0,1 bis 5 Mol-%, zugefügt werden, um die Phasenseparation zu verbessern und um eine Kristallisation der in der Matrix eingebetteten Bereiche zu verhindern. Ferner kann die Zugabe von Li2O bevorzugt sein, da es in Schwermetalloxid-haltigen Gläsern die Glasbildungsbereiche vergrössern kann.
  • Ferner kann das erfindungsgemässe Glas zur Verbesserung der Phasentrennung Fluor in einem Anteil von 0,01 bis 20 Mol-%, vorzugsweise 0,1 bis 10 Mol-% enthalten.
  • Zinkoxid kann dazu verwendet werden, die Teilchengrösse zu regulieren. Zinkoxid kann sowohl in der Matrixphase als auch in den eingebetteten Bereichen auftreten. Es wird angenommen, dass es die Oberflächenspannung der eingebetteten Bereiche verändert. Liegt Zinkoxid in einem Anteil von mindestens etwa 0,4 Mol-% vor, so kann dies in kleineren eingebetteten Bereichen resultieren. Besonders bevorzugt ist die Zugabe von Zinkoxid, wenn Lithiumoxid in einem Gehalt von mindestens 0,2 Mol-% vorliegt.
  • Phosphat bzw. Phosphorverbindungen, wie Phosphoroxide, kann/können bei einigen Glaszusammensetzungen eine Phasenseparation unterstützen. Bei derartigen Glaszusammensetzungen ist daher die Zugabe von Phosphat besonders bevorzugt. Auch Phosphoroxide unterscheiden sich von ihren physikalischen Eigenschaften von der silicatischen Matrix und neigen daher dazu, eine separate Phase auszubilden. Liegen in der Schmelze weitere Verbindungen vor, welche eher mit der phosphatischen Phase kompatibel sind als mit der silicatischen, so können diese zusammen mit der phosphatischen Phase die von der silicatischen Matrix verschiedenen Bereiche bilden.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei der Matrix eines phasenseparierten Glases um ein Multikomponentensystem, wobei vorzugsweise mindestens drei Komponenten nebeneinander in der Matrix vorliegen. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Matrix Siliziumdioxid, Aluminiumoxid und Kaliumoxid, wobei Kaliumoxid durch andere Alkalimetalle und/oder Erdalkalimetalle ausgetauscht sein kann bzw. im Gemisch mit diesen vorliegen kann.
  • Das erfindungsgemässe phasenseparierte optische Glas enthält neben der Matrix ferner in der Matrix eingebettete diskrete Bereiche, welche eine von der Matrix verschiedene Zusammensetzung aufweisen und welche im wesentlichen nicht kristallin sind.
  • Gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der molare Anteil der Matrixkomponenten grösser als der molare Anteil der Komponenten, welche die in der Matrix eingebetteten Bereiche bilden, beispielsweise liegt der molare Anteil an SiO2 bei 50 bis 80 Mol-%, mehr bevorzugt 60 bis 70 Mol-%, der molare Anteil der Komponente, welche den Hauptbestandteil der in der Matrix eingebetteten Bereiche bildet, bei 50 bis 20 Mol-%, noch bevorzugter bei 40 bis 30 Mol-%.
  • Besonders bevorzugt enthält das erfindungsgemässe Glas mindestens eine Schwermetallverbindung, welche aus Verbindungen von Antimon, Molybdän, Tellur, Wolfram, Bismut, Arsen, Tantal, Lanthan, Niob und/oder Gemischen dieser Verbindungen ausgewählt ist.
  • Insbesondere diese Schwermetalle weisen, verglichen mit Silizium, eine wesentliche geringere Bindungsstärke zu Sauerstoffatomen auf. Sie weisen in Form der Oxide im Vergleich zu Siliziumdioxid einen wesentlich tiefer liegenden Schmelzpunkt auf. Es wird angenommen, dass aus diesen Gründen diese Schwermetalloxide mit Siliziumdioxid in geschmolzenem Zustand nur schlecht mischbar, d.h. nicht kompatibel, sind. Dadurch bilden sich beim Aufschmelzen der Ausgangszusammensetzungen in der flüssigen Phase diskrete Phasen aus. Beim Abkühlen bleiben diese entmischten Phasen bestehen und bilden einphasensepariertes Glas.
  • Der Anteil der Schwermetallverbindung in der Glaszusammensetzung beträgt vorzugsweise mindestens 1 Mol-% auf Oxidbasis, noch bevorzugter mindestens 5 Mol-% auf Oxidbasis, besonders bevorzugt mindestens 10 Mol-% auf Oxidbasis, und vorzugsweise höchstens 80 Mol-% auf Oxidbasis, noch bevorzugter höchstens 70 Mol-% auf Oxidbasis, besonders bevorzugt höchstens 60 Mol-% auf Oxidbasis.
  • Es hat sich herausgestellt, dass bei Antimonoxid-haltigen Gläsern die Zugabe von Borsäure zur Glaszusammensetzung die Phasentrennung verschlechtert. Für eine klare Phasentrennung ist daher gemäss dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Zugabe von Boroxid bzw. Borsäure zu der Glaszusammensetzung nicht bevorzugt. Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemässe Glas gemäss dieser Ausführungsform daher nur geringe Mengen von höchstens 10 Mol-% und ganz besonders bevorzugt im wesentlichen kein Boroxid. Ferner wurde gefunden, dass auch BaO die Phasenseparation bei Antimonoxid-haltigen Gläsern verschlechtern kann, und BaO liegt daher gemäss dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ebenfalls vorzugsweise in einem Anteil von höchstens 10 Mol-% vor, mehr bevorzugt enthält das erfindungsgemässe Glas im wesentlichen kein BaO.
  • Der Ausdruck "im wesentlichen kein" bedeutet dabei erfindungsgemäss, dass diese Komponente höchstens als Verunreinigung vorliegt und nicht als zusätzliche Komponente zu der Ausgangsglaszusammensetzung hinzugegeben wird.
  • Selbstverständlich kann für die erfindungsgemäße Faser auch Glaskeramik eingesetzt werden. Die oben beschriebenen Glaszusammensetzungen dienen hierbei zum Beispiel als Ausgangsglaszusammensetzungen für eine Glaskeramik.
  • Bei Verwendung von Glaskeramik für die Faser sollte die thermische Belastung von einer Änderung der optischen Parameter weitestgehend entkoppelt werden können, was bedeutet, dass die thermische Belastung während des Laserbetriebs nicht zu einer Längenänderung des Laserresonators führt.
  • Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden Schwermetalloxidgläser oder -Keramiken eingesetzt, die phasenentmischte Domänen enthalten. Diese phasenentmischten Domänen enthalten dann im Faserkern laseraktives Material, insbesondere ein oder mehrere Selten-Erdatome.
  • Durch Vorsehen von Bereichen mit hoher Konzentration von dotierten Ionen und Bereichen mit niedrigen Konzentrationen von dotierten Ionen kann eine Effizienzsteigerung erreicht werden.
  • Als laseraktives Material, insbesondere laseraktive Ionen, im Kern der optischen Faser können alle Selten Erden-Elemente verwendet werden, beispielsweise genannt seien: Cer (Ce), Neodym (Nd), Erbium (Er), Holmium (Ho), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb), Praseodym (Pr), Promethium (PM), Samarium (SM), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Luthetium (Lu), Dysprosium (Dy) und Terbium (Tb), oder Kombinationen dieser. Besonders bevorzugt sind Oxide der Elemente Er, Pr, Tm, Eu, Nd und/oder Dy. Durch eine Co-Dotierung oder Kombination mehrerer Selten Erdatome in einer Faser lassen sich zum Teil andere Wellenlängenbereiche erschließen und die Leistung effizienter nutzbar machen. Zum Beispiel kann durch Co-Dotierung mit optisch aktiven Selten-Erdatome die Pumpeffizienz eines Verstärkers erhöht werden. Eine Co-Dotierung kann auch mit optisch inaktiven Selten-Erdatome, wie zum Beispiel Lanthan (La) und/oder Yttrium (Y) erfolgen. Hierdurch wird zum Beispiel die Dauer der Emissionen verlängert. Als Faustregel kann beispielsweise eine bis zu etwa 3fach höhere Co-Dotierung als die eigentliche Dotierung zum Einsatz kommen.
  • Erfindungsgemäß können im Faserkern höhere Dotierungen mit laseraktivem Material zum Einsatz kommen als dies im Stand der Technik bislang üblich war. In silikatischen Gläsern verwendet man üblicherweise einen Dotiergrad von 1000 ppm an Selten-Erdatomen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Mindest-Dotierung im Laserkern an aktivem Material, insbesondere einem oder mehreren Selten-Erdenatomen von vorzugsweise über 1000 ppm, bevorzugter über 2000 ppm, insbesondere über 3000 ppm, noch bevorzugter über 4000 ppm, besonders bevorzugt über 5000 ppm, ganz besonders bevorzugt etwa 6000 ppm oder darüber eingestellt. Eine Höchstgrenze für den Dortierungsgrad liegt bei etwa 6.500 ppm.
  • In den erfindungsgemäß bevorzugt verwendeten Schwermetalloxidgläsern kann somit beispielsweise eine zu Kristallen vergleichbar hohe Dotierung mit aktiven Selten-Erdatomen erreicht werden. D.h. man erhält eine zu Festkörperlasern vergleichbare Leistungsdichte von ca. 1023 W/cm3.
  • Bei einer gegebenen Laserleistung wird die benötigte Faserlänge durch den Kerndurchmesser und den Dotiergrad bestimmt. Ein höherer Dotiergrad als er bislang im Stand der Technik beispielsweise in silikatischen Gläsern üblich ist, eröffnet erfindungsgemäß also weitaus kürzere Faserlängen als bisher üblich, oder erlaubt deutlich höhere Laserleistungen bei vergleichbarer Faserlänge.
  • Das Laservolumen ergibt sich damit aus dem Produkt von Kerndurchmesser und Faserlänge. Die Anzahl der aktiven Laserionen ergibt sich dann aus dem Laservolumen und der Anzahl der laseraktiven Ionen je Volumeneinheit.
  • Bei vergleichbarer Laserleistung kann die aktive Laserfaser der Erfindung um das 80 bis 100 fache kürzer sein als eine konventionelle, nicht mikrostrukturierte Faser, beispielsweise aus dotiertem Quarzglas. Dies bedeutet, dass sich eine material-inhärente Dämpfung, die mit der Länge der Faser zunimmt, nicht allzu sehr nachteilig auswirkt.
  • Bei Verwendung beispielsweise von Schwermetalloxidgläsern kann die maximale Phononenergie deutlich größer als beispielsweise bei Fluoridgläsern sein und damit wird das Auftreten von „up-conversion" (Aufwärtskonversion) als Konkurrenzprozeß verhindert.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser, wobei mittels eines Tiegels mit Doppelauslauf die Ausgangskomponenten des Glases nach dem Aufschmelzen und gegebenenfalls Läutern in Vorformen gezogen werden, die dann zu einer endgültigen Faservorform gefügt werden.
  • Erfindungsgemäß kann die Vorform für die optische Faser, die bevorzugt eine kurze Faserlänge aufweist, zum Beispiel einige Zentimeter, demnach in einem Tiegel hergestellt werden. Dies ist beispielsweise ein Tiegel mit einem Doppelmantel und Doppelauslauf, wobei der Auslauf über die Wandstärke entsprechend dimensioniert werden kann. Nach Aufschmelzen der Ausgangsmaterialien und gegebenenfalls Läutern können Vorformen gezogen werden, die dann zu einer endgültigen Faservorform gefügt werden. D.h. aus den erhaltenen Stäben kann die Faser mit Faserkern und Fasermantel hergestellt werden. Hierbei müssen keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden, wie Durchführung des Verfahrens in einem Reinraum für hochreine Substanzen. Vielmehr ermöglicht die erfindungsgemäße Faser, dass auf hohe Anforderungen an die Reinheit der Glas-Rohstoffe verzichtet werden kann und besondere Reinheitsanforderungen an das Herstellungsverfahren deutlich abgesenkt werden können, so dass beispielsweise das für die Faser notwendig Rohglas auch aus weniger reinen Rohstoffen in einem Schmelztiegel hergestellt werden kann.
  • Erfindungsgemäß erfolgt bei Verwendung von Glaskeramik der Keramisierungsprozess aus dem Grünglaskörper nach dem Ziehen in eine Faservorform. Bevorzugt wird der Keramisierungsprozess aus dem Grünglaskörper während dem Ziehen in eine Faservorform durchgeführt oder der Keramisierungsprozess aus dem Grünglaskörper wird nach dem Ziehen der Vorform aus dem Tiegel aber vor dem eigentlichen Ziehen oder Zusammenfügen der Faser durchgeführt.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Hochleistungs-Faserlaser, der die oben geschilderte optische Faser als Lasermedium aufweist.
  • Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der erfindungsgemäßen optischen Faser als Lasermedium in einem Faserlaser, insbesondere Hochleistungs-Faserlaser.
  • Auch ist die Verwendung der optischen Faser der Erfindung in Kurzpulslasern von Interesse. Die Verwendung faserbasierter Kurzpulslasersysteme ermöglicht den Einsatz in völlig neuen Anwendungsfeldern, wie zum Beispiel die präzise Bearbeitung von Metallen und Dielektrika.
  • Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind außerordentlich vielschichtig:
    Es werden erfindungsgemäß bevorzugt im Mantel mikrostrukturierte Fasern mit extrem hoher Selten-Erdatom-Dotierung im aktiven Laserkern zur Verfügung gestellt, wobei die erfindungsgemäß vorgesehene Mikrostrukturierung des Fasermantels die Vermeidung unerwünschter Oberschwingungen ermöglicht. Derartige mikrostrukturierte Fasern sind in dieser Form im Stand der Technik bislang nicht bekannt. Die Erfindung verwendet demnach designbare Materialeigenschaften und kombiniert diese mit der Formgebung des Materials, um optimale Laserleistung zu erhalten.
  • Der Dotierungsgrad des Laserkerns gemäß der Erfindung liegt deutlich oberhalb der üblicherweise zum Einsatz kommenden Menge.
  • Da bei vorgegebener Laserleistung die benötigte Faserlänge durch den Kerndurchmesser und den Dotiergrad bestimmt wird, können durch den erfindungsgemäß möglichen höheren Dotierungsgrad weitaus kürzere Faserlängen als bisher üblich verwendet werden, zum Beispiel um das 80- bis 100- fache kürzere Fasern, wodurch eine deutlich höhere Laserleistungen als bei vergleichbaren Faserlängen resultiert. Man erhält eine zu Festkörperlasern vergleichbare Leistungsdichte.
  • Damit kann ein hoher Ausbeute- und Wirkungsgrad auch bei kurzer Faserlänge erreicht werden, und es können Faserkerne verwendet werden, die mit aktivem Material hochdotiert sind.
  • Die Anforderungen an das Material der Faser, insbesondere Rohglas, und die Herstellung werden demnach weniger restriktiv, so dass keine hoch reinen Rohstoffe mehr verwendet werden müssen.
  • Bei Verwendung des gleichen Materials für Faserkern und -mantel wird zudem die Herstellung der Faser vereinfacht und erleichtert.
  • Im Falle von Kurzpulslasern wird durch Verwendung von Schwermetalloxidgläsern ein unerwünschtes Auftreten einer Aufwärtskonversion (up-conversion) als Konkurrenzprozeß mit Hilfe der Mikrostrukturierung verhindert. Vorzugsweise finden die schwermetalloxidhaltigen Gläsern, als Faserkern- und Fasermantelmaterial Verwendung, deren maximale Phononenergie deutlich größer ist als beispielsweise bei Fluoridgläsern, wie ZBLAN.
  • Die nachfolgenden Figuren dienen der Illustration der erfindungsgemäßen Lehre. Sie sind lediglich als mögliche, exemplarisch dargestellte Ausführungsformen zu verstehen, ohne die Erfindung auf deren Inhalt zu beschränken.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben werden. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Draufsicht auf eine Doppelkernfaser gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 eine schematische Schnittansicht einer Doppelkernfaser gemäß dem Stand der Technik;
  • 3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faser und
  • 4 eine schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen Hochleistungs-Faserlasers.
  • 1 und 2 zeigen verschiedene schematische Ansichten einer Doppelkernfaser 10 aus dem Stand der Technik. Diese Faser 10 weist einen Pumpkern 30 auf, beispielsweise aus Quarzglas, in dem sich zentrisch angeordnet ein runder Laserkern 20, dotiert mit laseraktivem Material, beispielsweise ein mit Selten-Erdatomen dotiertes Medium, vorliegt. Der Pumpkern 30 weist eine Umhüllung 40, zum Beispiel aus einem transparenten Polymer mit niedrigem Brechungsindex auf. Durch die Doppelkernfaser 10 eingekoppeltes Pumplicht 45 tritt als Laserstrahlung 55 am Faserende aus.
  • In 3 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faser 100 dargestellt. Es ist ein laseraktiver Faserkern 200, beispielsweise aus einem Schwermetalloxid, gezeigt, der zum Beispiel mit Selten-Erdatomen dotiert ist. Dieser ist von einem Fasermantel 300, der beispielsweise aus demselben Schwermetalloxid aufgebaut ist, umgeben, der eine Mikrostrukturierung 350 aufweist.
  • Für eine erfindungsgemäße Faser 100 sind beispielhaft die folgenden Parameter angeführt:
    Radius des aktiven Kerns: 2 μm bis 20 μm;
    die Länge der Faser: 100 mm bis 5000 mm
  • Hierdurch kann der aktive Kern weitaus größer sein als bei klassischen Faserlasern. Die erfindungsgemäße Faser verwendet keinen weiteren Pumpkern.
  • 4 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Hochleistungs-Faserlasers 500, welcher die in 3 dargestellte erfindungsgemäße optische Faser 100 als Lasermedium verwendet. Der Laser 500 besteht aus einer Laserdiode 510, deren Licht über eine Koppeloptik 520 und einen Einkoppelspiegel 530 als Pumplicht in die erfindungsgemäße Faser 100 eingekoppelt wird. Die in der Faser 100 erzeugte Laserstrahlung 550 wird über einen Auskoppelspiegel 540 ausgekoppelt, wobei die beiden Spiegel an den jeweiligen Faserenden angeordnet sind.
  • Der dargestellte Hochleistungs-Faserlaser hat eine zu Festkörperlasern vergleichbare Leistungsdichte von ca. 1023 W/cm3.

Claims (33)

  1. Optische Faser zur Verwendung als Lasermedium in einem Faserlaser, insbesondere Hochleistungs-Faserlaser, umfassend einen Kern, dotiert mit laseraktivem Material, insbesondere Selten-Erdatomen, einen Mantel, der den Kern umgibt, wobei der Mantel eine Mikrostrukturierung aufweist und das Material für den Faserkern und/oder Fasermantel ausgewählt ist aus Lithium- und Aluminium-haltigen Silikatgläsern, Schwermetalloxidgläsern, Quarzgläsern, Phosphatgläsern, phasenentmischten Gläsern, Gläsern mit Domänen und/oder Glaskeramik basierend auf den bezeichneten Gläsern.
  2. Optische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel der Faser derart strukturiert ist, dass ein monomodiges Strahlprofil mit nahezu gaußförmiger Intensitätsverteilung abgestrahlt wird.
  3. Optische Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material von Faserkern und Fasermantel mit einer Phononenergien so gewählt ist, dass Konkurrenzprozesse, wie Aufwärtskonversion (up-conversion), vermindert sind, insbesondere ausgewählt ist aus Schwermetalloxidgläsem.
  4. Optische Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas ausgewählt ist aus Bismutoxid-haltigen Gläsern.
  5. Optische Faser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas ausgewählt ist aus Bismutoxid-haltigen Gläsern, die mehrwertige Kationen enthalten.
  6. Optische Faser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas ausgewählt ist aus Bismutoxid-haltigen Gläsern mit der Zusammensetzung: Bi2O3 ≥ 20 Mol-% mehrwertige Kationen 0,001-20 Mol-% andere Oxide 0-80 Mol-%.
  7. Optische Faser nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrwertigen Kationen ausgewählt sind aus Nb2O5, Sb2O5, SnO2, Cr2O3, As2O3 und V2O5 oder deren Mischungen.
  8. Optische Faser nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bismutoxid-haltige Glas die nachfolgenden Zusammensetzungen (in Mol-%, auf Oxidbasis) aufweist: Bi2O3 30-70 mehrwertige Kationen 0,001-8 SiO2 0-60 GeO2 0-30 B2O3 0-60 Al2O3 0-50 Ga2O3 0-50 In2O3 0-30 La2O3 0-20 WO3 0-30 MoO3 0-30 Nb2O5 0-30 Ta2O5 0-15 TiO2 0-30 ZrO2 0-30 M'2O 0-40 M''O 0-30 F und/oder Cl 0-10 SiO2 und GeO2 0,5-60 B2O3 + Al2O3 + Ga2O3 0,5-60
    wobei M' mindestens eines ausgewählt aus Li, Na, K, Rb und/oder Cs, und M'' mindestens eines ausgewählt aus Be, Mg, Ca, Sr, Ba und/oder Zn darstellt
  9. Optische Faser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas ausgewählt ist aus Bismutoxid-haltigen Gläsern, die einen Zusatz an Lanthanoxid aufweisen.
  10. Optische Faser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt and La2O3 höchstens 10 Mol-%, noch bevorzugter höchstens 8 Mol-%; und bevorzugt mindestens 0,005 Mol-% beträgt.
  11. Optische Faser nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas ausgewählt ist aus Bismutoxid-haltigen Gläsern mit der Zusammensetzung: Bi2O3 ≥ 20 Mol-% La2O3 0,001-20 Mol-% andere Oxide 0-79,999 Mol-%
  12. Optische Faser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bismutoxid-haltige Glas die nachfolgenden Zusammensetzungen (in Mol-%, auf Oxidbasis) aufweist: Bi2O3 30-70 La2O3 0,001-20 SiO2 0-60 GeO2 0-30 B2O3 0-60 Al2O3 0-50 Ga2O3 0-50 In2O3 0-30 WO3 0-30 MoO3 0-30 Nb2O5 0-30 Ta2O5 0-15 TiO2 0-30 SnO2 0-40 ZrO2 0-30 M'2O 0-40 M''O 0-30 F und/oder Cl 0-10 SiO2 und GeO2 0,5-60 B2O3 + Al2O3 + Ga2O3 0,5-60
    wobei M' mindestens eines ausgewählt aus Li, Na, K, Rb und/oder Cs, und M'' mindestens eines ausgewählt aus Be, Mg, Ca, Sr, Ba und/oder Zn darstellt.
  13. Optische Faser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas ausgewählt ist aus Bismutoxid-haltigen Gläsern, die einen Zusatz an Germaniumoxid aufweisen.
  14. Optische Faser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an GeO2 mindestens 0,1 Mol-%, noch bevorzugter ≥ 1 Mol-%, besonders bevorzugt ≥ 3 Mol-%, vorzugsweise höchstens 60 Mol-%, noch bevorzugter höchstens 50 Mol-%, ganz besonders bevorzugt höchstens 40 Mol-% beträgt.
  15. Optische Faser nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas ausgewählt ist aus Bismutoxid-haltigen Gläsern mit den Zusammensetzungen: Bi2O3 10-80 Mol-% GeO2 ≥ 1 Mol-% B2O3 + SiO2 ≥ 0,1 aber < 5 Mol-% weitere Oxide 18,9-88,9 Mol-%
  16. Optische Faser nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Bismutoxid-haltige Glas die nachfolgenden Zusammensetzungen (in Mol-%, auf Oxidbasis) aufweist: B2O3 ≥ 1 Bi2O3 10-60 GeO2 10-60 La2O3 0-15 Al2O3 0-20 ZnO 0-30 M'2O 0-30 M''O 0-20 weitere Oxide Rest,
    wobei M' mindestens eines ausgewählt aus Li, Na, K, Rb und/oder Cs, und M'' mindestens eines ausgewählt aus Be, Mg, Ca, Sr und/oder Ba darstellt.
  17. Optische Faser nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bismutoxid-haltige Glas die nachfolgenden Zusammensetzungen aufweist: Bi2O3 ≥ 15 Mol-% GeO2 ≥ 0,01 Mol-% weitere Oxide 0-79,9 Mol-%
  18. Optische Faser nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Bismutoxid-haltige Glas die nachfolgenden Zusammensetzungen (in Mol-%, auf Oxidbasis) aufweist: Bi2O3 15-70 GeO2 1-60 La2O3 0-20 SiO2 0,5-60 B2O3 5-60 Al2O3 0,5-50 Ga2O3 0-50 WO3 0-30 Nb2O5 0-30 Ta2O5 0-15 TiO2 0-30 ZnO 0-40 ZrO2 0-30 SnO2 0-30 M'2O 0-40 M''O 0-30 F und/oder Cl 0-10 Bi2O3 + GeO2 + B2O3 + Al2O3 0,5-60
    wobei M' mindestens eines ausgewählt aus Li, Na, K, Rb und/oder Cs, und M'' mindestens eines ausgewählt aus Be, Mg, Ca, Sr und/oder Ba darstellt.
  19. Optische Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für den Faserkern und/oder Fasermantel ein phasenentmischtes Glas oder Glas mit Domänen darstellt.
  20. Optische Faser nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das phasenentmischte Glas eine der nachfolgenden Zusammensetzungen (in Mol-%, auf Oxidbasis) aufweist: SiO2 20-80 GeO2 0-30 Al2O3 0-40 Ga2O3 0-40 In2O3 0-30 TiO2 0-30 ZrO2 0-30 V2O5 0-30 B2O3 30-50 M'2O 0-40 M''O 0-40 F, Cl, Br 0-20 P2O5 0-40 Schwermetalloxid 0-80,
    wobei M' mindestens eines ausgewählt aus Li, Na, K, Rb und/oder Cs, und M'' mindestens eines ausgewählt aus Mg, Ca, Sr, Ba, Pb und/oder Zn darstellt.
  21. Optische Faser nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Material von Faserkern und Fasermantel dieselbe Zusammensetzung enthält oder hieraus besteht.
  22. Optische Faser nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Material von Faserkern und Fasermantel eine andere Zusammensetzung enthält oder hieraus besteht.
  23. Optische Faser nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Material vom Faserkern und das Material vom Fasermantel derart ausgewählt ist, dass der Wärmeleiteigenschaften und Oberflächenspannung beider Materialien aufeinander abgestimmt sind.
  24. Optische Faser nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserkern einen Dotiergrad von mindestens 1000 ppm, bevorzugt mehr als 2000 ppm, noch bevorzugter mehr als 3000 ppm, weiterhin bevorzugt mehr als 4000 ppm, ganz besonders bevorzugt mehr als 5000 ppm, insbesondere mehr als 6000 ppm laseraktivem Material, insbesondere ein oder mehrere Selten-Erdatome, aufweist.
  25. Optische Faser nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserkern Schwermetalloxid-Gläser oder -Keramiken mit phasenentmischten Domänen enthält, die mit laseraktivem Material, insbesondere ein oder mehreren Selten-Erdatomen, dotiert sind.
  26. Optische Faser nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das laseraktive Material aus Selten-Erdatomen ausgewählt ist, insbesondere aus Cer (Ce), Neodym (Nd), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Erbium (Er), Holmium (Ho), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb), Praseodym (Pr), Dysprosium (Dy), Luthetium (Lu) und Terbium (Tb) oder Kombinationen dieser.
  27. Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei mittels eines Tiegels mit Doppelauslauf die Ausgangskomponenten des Glases nach dem Aufschmelzen und gegebenenfalls Läutern in Vorformen gezogen werden, die dann zu einer endgültigen Faservorform gefügt werden.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramisierungsprozess aus dem Grünglaskörper nach dem Ziehen in eine Faservorform durchgeführt wird.
  29. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramisierungsprozess aus dem Grünglaskörper während dem Ziehen in eine Faservorform durchgeführt wird.
  30. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramisierungsprozess aus dem Grünglaskörper nach dem Ziehen der Vorform aus dem Tiegel aber vor dem eigentlichen Ziehen oder Zusammenfügen der Faser durchgeführt wird.
  31. Hochleistungs-Faserlaser, umfassend eine optische Faser nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 26 als Lasermedium.
  32. Verwendung einer optischen Faser nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 26 als Lasermedium in einem Faserlaser, insbesondere Hochleistungs-Faserlaser.
  33. Verwendung einer optischen Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 26 als Lasermedium für Kurzpulslaser.
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