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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf optische Fasern und optische Drähte im Allgemeinen
und insbesondere auf optische Faser-Wellenleiter und Draht-Wellenleiter
mit großer
Ausdehnung des Kerns zur Ausbreitung von einzelnen Moden und auf
Geräte und
Systeme, die solche Fasern und Drähte nutzen wie zum Beispiel
Laser und Verstärker.
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TECHNISCHER
HINTERGRUND
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Faserlaser
(Fiber Lasers) haben ein großes Potenzial
als Hochleistungspuls- und Dauerstrich-(CW)-Laserlichtquellen gezeigt,
insbesondere für
Anwendungen, bei denen ein Strahl hoher Qualität und nahezu beugungsbegrenzt
benötigt
wird. Solche Anwendungen schließen
Präzisionsbearbeiten ein,
bei dem eine gut definierter Ort des Strahls entscheidend ist und
Mikro-Bearbeiten und Wellenleiter-Schreiben (waveguide-writing),
bei dem ein hoch fokussierter Strahl ein nützliches Werkzeug zum Erreichen
einer Schwelle eines Leistungsniveaus ist. Die Hauptbegrenzung für die Entwicklung
von Faser-Lasern mit gleichmäßig hohen
Leistungsspitzen (peak power) sind nichtlineare Effekte. Die hauptsächlichen
nicht-linearen Grenzen resultieren aus Raman-Streuung und Selbstphasen-Modulation,
obwohl Brillouin-Streuung auch eine Rolle in Lasersystemen mit kleiner
Linienbreite spielen kann. Nichtlineare Koeffizienten sind klein
für Quarzglas,
welches in den meisten optischen Fasern benutzt wird. Die Wechselwirkung
zwischen den kleinen nichtlinearen Koeffizienten und der hohen Peak-Intensität in dem kleinen
Faserkern über
eine hinreichend große
Länge kann
dennoch eine starke Störung des
Pulses und Energieverlust verursachen. Verringerung der Faserlänge ist
sicherlich ein möglicher
Zugang. Dies ist jedoch begrenzt durch die Löslichkeit von Seltenerd-Ionen
in der Glasmasse und den M2-Wert der Vielmoden-Pumplaser.
Der Schlüssel
zu dem nichtlinearen Problem sind demnach optische Fasern mit großer effektiver
Moden-Fläche
bei gleichzeitig robuster Ausbreitung einer einzelnen Mode. Eine
solche Faser wird auch benötigt,
um einen Strahl aus einer einzelnen Mode über eine Distanz zu einem Arbeitsgerät liefern,
ein wichtiges praktisches Merkmal in vielen Anwendungen.
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Theoretisch
kann eine konventionelle Einzelmoden-Faser angepasst werden, um
eine sehr große effektive
Fläche
bereitzustellen. In der Praxis ist ein solcher Wellenleiter so schwach,
dass die optische Faser sehr sensibel bezüglich ihrer Umwelt wird, insbesondere
bezüglich
Biegeeffekten. In der Folgezeit wurde Ausbreitung einer einzelnen
Mode in Fasern mit wenigen Moden vorgeschlagen (siehe US-Patent 5 818 630
zum Beispiel). Die Robustheit der Ausbreitung einer einzelnen Mode
kann in diesem Fall in einem vernünftigen Grad beibehalten werden,
wenn Sorge getragen wird, Einzelmoden-Einspeisung (single mode launch),
Minimierung von Modenkoppelung und zusätzliches Modenfiltern zu gewährleisten.
Eine Kombination dieser Techniken hat zu einer Demonstration einer
Einzelmoden-Ausbreitung
mit einem Modenfelddurchmesser (MFD) von ca. 30 μm geführt (A. Galvanauskas, "Mode-scalable fiber
chirped pulse amplification systems", IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.,
7, 504 (2001)). Wiederholte Versuche sind in den letzten Jahren
auch gemacht wurden, um eine Lösung
mit großer
effektiver Fläche
unter Benutzung der neu entstandenen Technologie von Photonische-Kristall-Fasern (photonic
crystal fiber technology) bereitzustellen. Eine typische Photonische-Kristall-Faser
hat eine reguläre
Anordnung von hexagonal platzierten Luftlöchern, die einen festen. Kern
umgeben. Eine Photonische-Kristall-Faser unterstützt geführte Moden in einem festen
Kern durch Bereitstellen eines zusammengesetzten Mantels, welcher Luftlöcher in
einem Glas-Hintergrund aufweist, welcher einen geringeren effektiven
Brechungsindex hat als der Kern. Um die Zahl der Moden in Photonische-Kristall-Fasern
zu reduzieren, wendet eine Auslegung nach dem neuesten Stand kleine
Luftlöcher mit
einem Verhältnis
von Lochdurchmesser d zu Pitch Λ von
weniger als 0,1 an. In diesem Bereich ist die Photonische-Kristall-Faser
sehr schwach geleitet, was zu einer hohen Empfindlichkeit bezüglich der Umwelt
führt.
Robuste Ausbreitung einer einzelnen Mode in Photonische-Kristall-Fasern
ist auf Modenfeldverteilung (MFD) von ~28 μm begrenzt gewesen (High-power
air-clad large-mode-area photonic crystal fiber, in: Optics express,
vol. 11, Seiten 818-823, 2004), ein ähnliches Niveau wie das einer
konventionellen Faser. Dies ist nicht überraschend wenn man die prinzipielle Ähnlichkeit
der beiden Ansätze
bedenkt. Der Fortschritt zu Fasern mit großer effektiver Fläche ist
deswegen relativ stagnierend in den letzten 5-7 Jahren trotz des
signifikanten Fortschritts bei Faser-Lasern.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung weist eine optische Faser zum Ausbreiten von mindestens eine
Mode niedriger Ordnung auf, die eine Wellenlänge λ hat, während sie die Ausbreitung von
Moden höherer
Ordnung, die eine Wellenlänge λ haben, begrenzt
durch Versehen der Moden höherer
Ordnung mit einem höheren
Verlust als bei der mindestens einem Mode niedriger Ordnung mit
der Wellenlänge λ, wobei die
optische Faser aufweist: einen ersten Mantelbereich, welcher ein
oder mehr Mantel-Merkmale aufweist und einen Kernbereich, welcher
von dem ersten Mantelbereich umgeben wird, wobei die Mantel-Merkmale
gestaltet sind, um die Ausbreitung der Moden niedriger Ordnung im
Wesentlichen auf den Kernbereich zu beschränken, wobei der Kernbereich mindestens
eine Breite von mindestens ungefähr
20 Mikrometern hat, wobei der Kernbereich so gestaltet ist, um einen
Verlust der Moden höherer
Ordnung von mindestens ungefähr
0,5 dB zu liefern.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung umfasst eine optische Faser zum Ausbreiten von mindestens
einer Mode niedriger Ordnung mit einer Wellenlänge λ, während sie die Ausbreitung von
Moden höherer
Ordnung mit einer Wellen länge λ begrenzt
durch Versehen der Moden höherer
Ordnung mit einem größerem Verlust
als bei der mindestens einen Mode niedriger Ordnung mit der Wellenlänge λ, wobei die
optische Faser aufweist: einen ersten Mantel-Bereich, welcher ein
oder mehr Mantel-Merkmale aufweist, die gestaltet sind, um eine
teilweise umschlossenen Bereich zu formen, wobei der teilweise umschlossene
Bereich mindestens eine Öffnung
darin hat, welche durch einen oder mehrere Räume in dem teilweise umschlossenen
Bereich geformt werden, wobei das eine oder mehr Merkmal eine maximale
Merkmalsgröße d hat
und eine maximale Brückenweite
a hat, wobei die maximale Brückenweite teilweise
die Größe des einen
oder mehreren Räume in
dem teilweise umschlossenen Bereich bestimmt; und einen Kernbereich,
der von dem ersten Mantel-Bereich umgeben ist, wobei die Mantel-Merkmale gestaltet
sind, um die Ausbreitung der Moden niedriger Ordnung im Wesentlichen
auf den Kernbereich zu begrenzen, wobei die maximale Brückenweite
a und maximale Merkmalsgröße d jeweils
Werte haben, die ein Verhältnis
von a/λ ergeben,
das mindestens ungefähr
5 und ein Verhältnis
von d/λ,
das mindestens ungefähr
10 ist, damit eine vergrößerte effektive
Kerngröße bereitstellend,
Einsperrung der mindestens einen Mode niedriger Ordnung und Reduzierung
der Moden höherer
Ordnung.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung umfasst einen Wellenleiter-Draht zum Ausbreiten von mindestens
einer Mode niedriger Ordnung, die eine Wellenlänge λ hat, während sie die Ausbreitung von Moden
höherer
Ordnung, die eine Wellenlänge λ haben, begrenzt
durch Versehen der Moden höherer Ordnung
mit einem höheren
Verlust als die mindestens eine Mode niedriger Ordnung mit Wellenlänge λ, wobei der
Draht aufweist: einen Rumpf (body), der ein Material aufweist, das
im wesentlichen optisch durchlässig
bei der genannten Wellenlänge
ist, wobei der Rumpf eine Breite und Dicke größer als ungefähr 250 μm hat; einen
ersten Mantelbereich im Rumpf, wobei der erste Mantelbereich ein
oder mehr Mantel-Merkmale aufweist, die angepasst sind, um einen teilweise
umschlossenen Bereich zu formen, wobei der teilweise umschlossene
Bereich mindestens eine Öffnung
darin hat, die durch ein oder mehr Räume in dem teilweise umschlosse nen
Bereich geformt werden, wobei das eine oder mehr Merkmal eine maximale
Merkmalsgröße d und
eine maximale Brückenweite
a haben, wobei die maximale Brückenweite
teilweise die Größe des einen
oder mehr Raumes in dem teilweise umschlossenen Bereich bestimmt;
und einen Kernbereich, wobei der Kernbereich von dem erstes Mantelbereich
umgeben ist, wobei die Mantel-Merkmale so angepasst sind, um die
Ausbreitung der mindestens einen Mode niedriger Ordnung im wesentlichen
auch den Kernbereich zu begrenzen, wobei die maximale Brückenweite
a und die maximale Merkmalsgröße d jeweilige
Werte haben, die ein Verhältnis
von a/λ ergeben,
das mindestens ungefähr 5
ist und ein Verhältnis
von d/λ,
das mindestens ungefähr
10 ist, dadurch bereitstellend eine vergrößerte effektive Kerngröße, Einsperrung
der mindestens einen Mode niedriger Ordnung und Verringerung der Moden
höheren
Ordnung.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung weist einen optischen Draht zum Ausbreiten von mindestens
einer Mode niedriger Ordnung auf, die eine Wellenlänge λ hat, während sie
die Ausbreitung von Moden höherer
Ordnung, die eine Wellenlänge λ haben, begrenzt
durch Versehen der Moden höherer Ordnung
mit einem höheren
Verlust als die mindestens eine Mode niedriger Ordnung mit der Wellenlänge λ, wobei der
optische Draht aufweist: einen ersten Mantelbereich, welcher ein
oder mehr Mantel-Merkmale aufweist; und einen Kernbereich, welcher
von dem ersten Mantelbereich umgeben ist, wobei die Mantel-Merkmale
angepasst sind, um Ausbreitung der Moden mit niedriger Ordnung im
wesentlichen auf den Kernbereich zu begrenzen, wobei der Kernbereich
eine Breite von mindestens ungefähr
20 Mikrometern hat, wobei der Kernbereich so angepasst ist, um einen
Verlust der Moden höherer
Ordnung von mindestens ungefähr
0,5 dB zu liefern.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung umfasst eine hybride Drahtstruktur, aufweisend: einen
Draht-Anteil mit löchrigen
Wellenleitern, der mindestens einen Kernbereich und mindestens einen Mantel-Bereich
aufweist, wobei der Kernbereich von Luftlöchern, die den Kernbereich
umgeben, begrenzt wird, wobei wei terhin die Luftlöcher innerhalb
der physikalischen Ausdehnung des Mantelbereichs angeordnet sind;
und einen nicht wellenleitenden Anteil, der mit dem Draht-Anteil
mit löchrigen
Wellenleitern verbunden ist, wobei die Luftlöcher sich großteils entlang
der Länge
des löchrigen
Wellenleiters erstrecken und am nicht wellenleitenden Draht-Anteil
enden.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung umfasst einen Draht mit löchrigen Wellenleitern, aufweisend:
ein keramisches oder kristallines Lasermaterial; mindestens einen
Kernbereich in dem keramischen oder kristallinen Lasermaterial,
wobei der Kernbereich durch. Merkmale begrenzt wird, die den Kernbereich
umgeben; und mindestens einen Mantelbereich in dem keramischen oder
kristallinen Lasermaterial, wobei die Merkmale innerhalb der physikalischen
Ausdehnung des Mantelbereichs angeordnet sind.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein Verfahren des Herstellens eines löchrigen
Wellenleiter-Drahtverstärkers,
aufweisend: Bereitstellen keramischen oder kristallinen Lasermaterials;
Formen von mindestens einem Luftloch, welches ausgebildet ist, um
einen Kernbereich im keramischen oder kristallinen Lasermaterial
zu bilden, wobei der Kernbereich durch das mindestens eine Luftloch
begrenzt wird, wobei das mindestens eine Luftloch einen Mantelbereich
in dem keramischen oder kristallinen Lasermaterial aufweist.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung umfasst einen Wellenleiter-Drahtverstärker, umfassend: einen Draht,
welcher eine äußere Breitenausdehnung
von mindestens ungefähr
250 μm umfasst; mindestens
einen Mantelbereich; und mindestens einen dotierten Kernbereich,
welcher eine numerische Apertur von weniger als ungefähr 0,04
hat, wobei der Kernbereich so ausgebildet ist, um ein nahezu beugungsfreies
Eingangssignal zu empfangen und einen verstärkten, nahezu beugungsbegrenzten
Ausgangsstrahl auszugeben.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung umfasst eine optische Faser zum Ausbreiten von mindestens
einer Mode niedriger Ordnung, die eine Wellenlänge λ hat, während sie die Ausbreitung von Moden
höherer
Ordnung, die eine Wellenlänge λ haben, begrenzt
durch Versehen der Moden höherer Ordnung
mit einem höheren
Verlust als die mindestens eine Mode niedriger Ordnung mit der Wellenlänge λ, wobei die
optische Faser aufweist: einen Mantel; und einen Kern, wobei der
Kernbereich eine Breite von mindestens ungefähr 20 Mikrometern hat, wobei
die Faser so ausgebildet ist, dass (i) die mindestens eine Mode
niedriger Ordnung nicht mehr als 1,0 dB Verlust bei einem Biegeradius
von 30 cm hat und (ii) die Moden höherer Ordnung einen Verlust
von mindestens 0,5 dB haben.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A und 1B sind
Seiten- und Querschnittsansichten, die schematisch eine Faser darstellen,
welche einen Kernbereich aufweist, der von einem Mantelbereich umgeben
wird, welcher einer Mehrzahl von Mantel-Merkmalen aufweist, welche Luftlöcher in
einer hexagonalen Anordnung umfassen.
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1C ist
ein Plot von Wellenlänge
versus maximale Merkmalsgröße (normalisiert
durch den Lochabstand von Mitte zur Mitte), welcher Simulationsresultate
für Einzelmoden-Ausbreitung
in einer Faser mit einer oder zwei Schichten von Löchern in einer
hexagonalen Anordnung für
verschiedene Betriebsparameterbereiche zeigt.
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2A ist
eine Fotografie eines Querschnitts einer löchrigen Multimodenfaser, die
hergestellt wird, um eine einzelne Mode zu unterstützen und
die Ausbreitung von höheren
Moden zu unterdrücken.
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2B zeigt
eine gemessenen Modenfeldverteilung (modal field distribution) der
hergestellten Faser, die in 2a gezeigt
wird und die Moden-Feldverteilung,
die aus Simulationen erhalten wird.
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3 ist
ein Plot, der den gemessenen Verlust versus Biegeradius entlang
zwei im in der Einführung
gezeigten Biegeebenen, ein Leistungsmerkmal, das stark verbessert
ist im Vergleich mit einer konventionellen Faser mit großer Modenfläche ist.
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4 ist
der Plot der Wellenlänge
versus maximale Lochgröße (normiert
durch den Lochabstand von Mitte zu Mitte) aus 1A,
der schematisch den Einzelmodenbetriebsbereich mit Konturlinien
von konstanter Brückenweite
(bridge width) a/λ zeigt.
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5A ist
ein schematisches Diagramm einer verallgemeinerten Faser.
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5B ist
ein Querschnitt der Faser aus 5A, welcher
schematisch einen Kern 141 der Faser 140 zeigt,
welcher durch die Merkmale 142 bestimmt ist, einen Bereich 143,
der die Merkmale 142 umgibt, eine Glasbrückenweite
(glass bridge width) a, definiert als die minimale Breite des Glasbereichs zwischen
den Merkmalen und eine Merkmalsgröße d, die als die Breite des
Merkmals definiert ist, welches dem Kern gegenüberliegt.
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6A, 6B, 6C, 6D, 6E und 6F veranschaulichen
alternative Auslegungen, welche nicht kreisförmige Merkmalsformen und Anordnungen
benutzen.
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7A stellt
schematisch ein Design für eine
die Polarisation beibehaltende Faser dar, welche einen asymmetrischen
Kern aufweist.
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7B stellt
schematisch die Aufnahme von Spannungselementen um den Kern dar,
um eine die Polarisation beibehaltende Faser zu schaffen.
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7C ist
ein schematisches Diagamm, welches Spannungselemente zeigt, die
in Kombination mit einem asymmetrischen Kern und elliptischen Merkmalen
benutzt werden.
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7D stellt
schematisch ein Design für eine
die Polarisation beibehaltenden Faser dar, welches kreisförmige Merkmale
von variierender Größe benutzt.
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7E stellt
schematisch ein Design einer die Polarisation beibehaltenden Faser
mit Spannungselementen in Kern dar.
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8A, 8B und 8C stellen
Doppelmantel-Strukturen zum Ummanteln von gepumpten Verstärkern und
Lasern dar.
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9 stellt
schematisch die Anregung der Grundmode in der Faser mit großer Modenfläche dar, welche
eine Verjüngung
an einem Ende der Faser benutzt, um die Kerngöße zu verringern, so dass die Faser
besser zu einer Faser mit einer einzigen oder mit wenigen Moden
passt. (Wie gezeigt, kann auch eine Linse als Alternative zum Spleißen benutzt
werden).
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10 stellt
schematisch eine bevorzugte Anordnung dar, wobei die Faser aufgerollt
ist, so dass unerwünschte
Moden höheren
Ordnung durch die Rolle weiter gedämpft werden. (Ein gerades Stück wird
am Eingang und am Ausgang aufrechterhalten).
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11 zeigt
schematisch eine Faser mit großer
Modenfläche,
die einen Kern aufweist, der mit Seltenerd-Ionen dotiert ist, welche
in einem Faserverstärker
oder in einem Laser benutzt wird, die durch eine Vielmoden-Pumpquelle
gepumpt werden.
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12 stellt
schematisch ein Beispiel dar, wie die Faser mit großer Modenfläche in einem
Verstärkungssystem
für hochenergetische
Pulse benutzt werden kann.
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13 zeigt
schematisch ein Beispiel der Benutzung der Faser mit großer Moden-Fläche als eine
Zuführfaser
für ein
Hochleistungslasersystem, um einen optischen Strahl zu einem Arbeitsplatz
zu transportieren (eine lokale Linse wird benutzt, um den Strahl
zu fokussieren).
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14A ist eine schematische Darstellung einer Konfiguration,
bei der eine Faser mit großem Kern
von einer Strecke einer nicht wellenleitenden Faser gefolgt wird,
so dass der geführte
Strahl durch Beugungseffekte substanziell aufgefächert werden kann, bevor er
die Glas-Luft-Grenzfläche
erreicht.
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14B, 14C und 14D zeigen schematisch eine mögliche Durchführung des
Designs aus 14A durch das Schließen von
Luftlöchern
mittels Erhitzen einer Strecke der Faser.
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14E stellt. schematisch eine erste Faser mit doppelter
Ummantelung dar, die mit einer zweiten Faser, die eine einzelne
Ummantelung besitzt, gespleißt
ist.
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15A stellt schematisch einen Querschnitt eines
luftummantelten löchrigen
Drahts dar.
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15B stellt schematisch den Querschnitt eines doppelt
ummantelten Drahts mit Stufenindex (step index) dar.
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15C ist eine Photografie eines löchrigen Drahts
mit einfacher Ummantelung.
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15D ist eine Seitenansicht, die schematisch einen
monolithischen Wellenleiterdraht darstellt.
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15E stellt schematisch einen Querschnitt einer
Wellenleiter-Platte, welche Luftlöcher aufweist, dar.
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15F stellt schematisch einen beispielhaften, gekrümmten Wellenleiter
dar.
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16 stellt
schematisch ein Hochleistungsverstärkersystem dar, welches einen
Faser-Draht und eine Vielmoden(MM)-Pumpquelle aufweist.
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17 stellt
schematisch ein Hochleistungsverstärkersystem dar, welches einen
Faserdraht benutzt.
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18 stellt
schematisch eine Kühlanordnung
für einen
Wellenleiter-Draht dar.
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19 stellt
schematisch eine generischen Dauerstrich(cw)-Laserkonfiguration
dar, welche je einen Draht mit ultragroßer Mode benutzt.
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20A stellt schematisch ein generisches Chirped-Pulse-Verstärkungssystem
für Femtosekunden(fs)-
oder Picosekunden(ps)-Pulse dar, welches einen ultragroßen Moden-Draht
benutzt.
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20B stellt schematisch ein generisches Verstärkungssystem
für Nanosekunden(ns)-Pulse dar,
welches einen ultragroßen
Moden-Draht benutzt.
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21 stellt
schematisch einen generischen Q-Switched-Laser mit Wellenleiter-Draht dar (Q-switched
waveguide rod laser).
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
EINIGER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Verschiedene
Ausführungsformen
der Erfindung umfassen optische Wellenleiter, wie z.B. optische
Multimoden-Fasern mit großem
Kern. Diese optischen Multimoden-Faser umfasst Kern- und Mantelbereiche.
Die Faser kann ein Grundgerüst-Material aufweisen
mit einer Vielzahl von darin gebildeten Löchern. Siehe 1A und 1B.
Die Vielzahl der Löcher
ist im Mantelbereich und liefert für die Kernregion Einschließung. Das
Grundgerüstmaterial
kann zum Beispiel Quarzglas aufweisen und die Löcher können Luftlöcher sein.
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Der
Kern kann eine seitliche Ausdehnung haben, wie zum Beispiel eine
Breite oder einen Durchmesser. Ähnlich
kann die optische Faser selbst auch eine Querschnittsausdehnung
wie eine Breite oder einen Durchmesser haben. Die Löcher können eine
seitliche Ausdehnung, z. B. eine Querschnittsgröße oder -durchmesser d und
einen durchschnittlichen Abstand von Zentrum zu Zentrum Λ haben. Außerdem können die
Löcher
durch Brücken,
welche eine Brückenweite
a haben, getrennt sein. Diese Brücken
können
das Grundgerüst-Material
oder Material, welches die Mantelregion umfasst, aufweisen.
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Große Luftlöcher helfen
bei der Einschließung
des Lichts in Kernbereich und sind besonders nützlich, um Verlust zu reduzieren,
welcher durch Biegen der Faser induziert wird. Die Luft/Glas-Grenzfläche mit
hohem Kontrast der großen
Luftlöcher schließt die Grundmode
und Moden niedriger Ordnung in einer Biegung ein. Biegeverlust kann
deswegen durch das Benutzen von großen Löchern wirksam reduziert werden.
In einigen Ausführungsformen z.B.
darf der Biegeverlust von Moden niedriger Ordnung (z.B. 1, 3, 5,
10 Moden) nicht mehr als ungefähr 1
dB bei einem Biegeradius von 30 cm oder mehr sein. Dies führt zu Designs
mit einer kleineren Zahl von größeren Löchern zur
Reduzierung von Biegeverlust, wie weiter unten im größeren Detail
diskutiert.
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In
einigen Ausführungsformen
kann der äquivalente
Lochdurchmesser zu Kantenverhältnis (hole
diameter-to-pitch ratio) d/Λ größer als
0,4 sein in einer Struk tur mit Löchern,
die in einem Dreiecksmuster angeordnet sind. In anderen Ausführungsformen
kann das Verhältnis
von Lochdurchmesser zu Wellenlänge
d/λ mindestens
oder mehr als ungefähr 5
sein. In bestimmten Ausführungsformen
variieren die Werte von d/λ (wobei λ die Lichtwellenlänge im Vakuum
ist) zwischen ungefähr
10 bis 100 für
Kerndurchmesser bis zu ungefähr
100 μm.
Der Wert von d/λ kann
sogar größer sein
(zum Beispiel mindestens ungefähr
100) für
größere Kerngröße (mindestens ungefähr 100 μm). Werte
außerhalb
dieser Bereiche sind jedoch möglich.
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Verschiedene
Ausführungsformen
umfassen eine Multimoden-Faser mit großem Kern mit ausreichend eingebauten
Modenfiltern, um robuste Ausbreitung einer Einzelmode zu erlauben.
Große
Abstände
zwischen den Löchern
liefern ausreichende Verlustkanäle
für Moden
höherer
Ordnung, was zum Erhalten von Einzelmodenausbreitung nützlich ist.
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Insbesondere
die maximale Breite der Glasbrücke
a zwischen den Löchern,
welche den Kern definieren, kann als ein Designparameter zum Erreichen
einer stabilen Einzelmodenausbreitung benutzt werden. Der Wert a
kann normiert werden mit der Betriebswellenlänge und das Verhältnis a/λ kann als
ein allgemeiner Mess- und Designparameter benutzt werden. In einem
exemplarischen Design, welches unten beschrieben werden soll, welches
6 kreisförmige
Löcher
hat, variiert zum Beispiel a/λ von
ungefähr 5
bis 40, wenn die Kerngröße von ungefähr 25 zu
100 μm variiert
bei einer Betriebswellenlänge
von ca. 1 μm.
Für größere Kerngröße jenseits
von 100 μm Kerndurchmesser
zum Beispiel kann ein größeres a/λ (größer als
ungefähr
100) benutzt werden, um größere Verlustkanäle für die Moden
höherer
Ordnung zu erzeugen. Andere Werte, zum Beispiel außerhalb
dieser Bereiche, sind möglich.
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Das
Resultat dieser Designmerkmale ist eine Faser mit einem festen Kern,
welcher von wenigen großen
Luftlöchern
umgeben ist. Ein großer
Kern wird bereitgestellt, der hohe Intensitäten mit reduzierten Nichtlinearitäten und
reduziertem Schaden behandeln kann. Größere Brücken können benutzt werden, um Leckverluste
einzuführen,
um Moden höherer
Ordnung zu unterdrücken.
Verschiedene Designs reduzieren auch Kopplung zwischen Moden wegen des
hohen Leckverlustes der Moden höherer
Ordnung, was zu einer stark verbesserten Einzelmodenausbreitung
führt.
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In
verschiedenen Ausführungsformen
liegt das Verhältnis
von Lochdurchmesser zu Wellenlänge oberhalb
von ungefähr
5. In bestimmten hergestellten Designs wird d/λ mit Werten in der Höhe von 60 benutzt,
was zu einem stark reduzierten Biegeverlust führt. Eine effektive Modenfläche von
1417 μm2, eine äquivalente
Modenfeld-Verteilung (MFD) von ca. 42,5 μm, ist vorgeführt worden.
Robuste Einzelmoden-Ausbreitung ist demonstriert worden. Es wird
erwartet, dass diese Technologie einen signifikanten Einfluss auf
die Entwicklung von Hochleistungsfaserlasern hat.
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Die
Ausdehnung des Lochs, welches dem Faserkern gegenüberliegt,
ist eine besonders relevante Ausdehnung. Demgemäß können statt einer kreisförmigen Struktur
Merkmale mit großem
Längenverhältnis, z.B.
lange Ellipsen mit der langen Ausdehnung, wobei die lange Seite
dem Kern gegenüberliegt,
benutzt werden. Das Variieren der Form des Lochs kann mehr Flexibilität in einigen
Designs bereitstellen.
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Kontrollieren
der Brückenweite
a/λ erlaubt auch
dem Designer mehr Flexibilität
beim Erzeugen von Faserdesigns, besonders wenn andere Randbedingungen
beachtet werden müssen.
Nicht kreisförmige
Löcher,
variierende Anzahl von Löchern,
nicht gleichmäßig verteilte
Löcher,
können
alle in einem Design benutzt werden. Zusätzlich können auch verschiedene Materialien
wie verschiedene Konfigurationen benutzt werden.
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Asymmetrische
Geometrie z.B. entweder in der Verteilung der Löcher oder/und Form der Löcher kann
benutzt werden, um polarisationserhaltende Fasern zu er zeugen. Spannungsinduzierende
Elemente können
in einer asymmetrischen Weise in Löcher einbezogen werden, um
ebenfalls einen polarisationserhaltenden Effekt zu erzielen.
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Die
Löcher
können
im Allgemeinen irgendeine Form haben. Zusätzlich können die Löcher mit einem im Wesentlichen
optisch transparenten Material gefüllt werden, welches z.B. einen
kleineren Brechungsindex als der Rest des Grundgerüst-Materials hat (welches
zum Beispiel Glas umfassen kann). Die Löcher müssen nicht gleichförmig sein.
Die Anzahl der Löcher
kann auch nur eins sein.
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Seltenerd-Ionen,
zum Beispiel Ytterbium und Erbium, können in den Kern integriert
werden, um ein aktives Medium zu bilden. Dementsprechend kann Gain
in einer Faser bereitgestellt werden, wenn sie mit angemessenen
Pumpquellen gepumpt wird.
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Eine
Pumpführung
kann weiterhin um den Kernbereich und die Merkmale, die genutzt
werden, um den Kern zu definieren, eingebaut werden. Ein Design
mit Doppelmantel kann verwendet werden. Pumpenergie kann in den
Pumpleiter eingespeist werden, um die aktiven Ionen in dem dotierten
Kern zu pumpen. Dieser Pumpleiter kann eine zusätzliche Schicht um den Kernbereich
und die Merkmale, die benutzt werden, um den Kern zu definieren,
aufweisen. Diese zusätzliche
Schicht kann einen effektiv niedrigeren Brechungsindex haben, entweder
durch den Gebrauch von zum Beispiel einer Polymerbeschichtung mit
niedrigem Index oder Luft-Loch-Strukturen, die im Wesentlichen Luft
und einen kleinen Anteil von Glas umfassen, in einigen Ausführungsformen,
die in größerem Detail
unten diskutiert werden. Im Fall des Gebrauchs von Luft-Loch-Strukturen,
um den Pumpmantel zu bilden, kann eine zusätzliche Glasschicht um die
Pumpschicht verwendet werden, um strukturelle Unterstützung zu
liefern. Eine Polymerschicht kann als äußerste Schicht verwendet werden,
um weiteren Schutz zu liefern.
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Eine
Taper kann gebildet werden an einem Ende des großen Kerns, um ein Faserende
bereitzustellen, das entweder eine oder weniger Moden hat. Dieses
Ende, welches eine reduzierte Größe hat, kann
entweder zum Spleißen
mit einer Einzelmoden- oder Wenigmodenfaser oder zum Einführen von
Licht in die Faser verwendet werden. Stabile Anregung einer fundamentalen
Mode in der Faser mit großem Kern
kann durch diese Art von Taper leicht erreicht werden.
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Die
Feldverteilung in einer Mode in der Faser mit großem Kern
kann modifiziert werden durch Biegungen, sogar wenn minimaler Leistungsverlust
auftritt. Dieser Effekt liegt an einer Kombination von schwacher
Führung
in dem großen
Kern und größerer spannungsinduzierter
Brechungsindexänderung über den
viel größeren Kern.
Der optische Wellenleiter wird ausreichend modifiziert durch Biegungen, was
zu einer Änderung
in der Modenfeldverteilung führt.
In verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen jedoch, wenn die
Faser mit großem
Kern benutzt wird und sowohl das einführende als auch das ausgehende
Ende gerade sind, um eine bessere Anregung der fundamentalen Mode
und ein wünschenswertes
Output-Modenprofil zu erreichen.
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Eine
Anwendung der Faser mit großer
Modenfläche
ist die Bereitstellung eines Hochleistungslasers. Der stark reduzierte
nichtlineare Effekt in der Faser mit großem Kern erlaubt eine viel
höhere
Leistung, die durch die Faser getragen wird. Die Faser mit großer Modenfläche kann
auch potentiell verwendet werden als ein Compressor mit einem Hochenergie-Chirped-Pulse-Verstärkungssystem,
bei dem optischen Pulse gechirped sind, was ihre Leistungsspitzen
in Verstärkern
reduziert, bevor sie zurück
zu ihrer ursprünglichen
Pulsweite komprimiert werden. Diese Kompressorfunktion kann auch
für einige
Anwendungen in einen Verstärker
und/oder Lieferfaser integriert werden. Die niedrige Nichtlinearität der Faser erlaubt
es auch, dass diese Faser mit großem Kern Solitonen niedriger
Ordnung mit einer viel höheren Spitzenleistung
unterstützt.
Dieses Merkmal kann in einigen Anwendungen nützlich sein. Demnach kann in
anderen Ausführungsformen
die Faser an eine Quelle von Solitonen angekoppelt werden.
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Zusätzlich zum
Filtern von Moden höherer Ordnung
verbessert die Reduzierung der Kopplung zwischen Moden auch die
robuste Ausbreitung einer einzelnen Mode in einem Wellenleiter mit
großem Kern,
wodurch der Leistungsübertrag
von der fundamentalen Mode zu Moden höherer Ordnung reduziert oder
minimiert wird. Vergrößern des
Faserdurchmessers reduziert die Modenkopplung, was es wiederum auch
erlaubt, dass der Kerndurchmesser in der Faser erhöht wird
(s. z.B. US-Patent 5 818 630). Im Extremfall werden so Faserdrähte erhalten.
Solche Faserdrähte
reduzieren oder minimieren auch Modenkopplung wegen einer Reduktion
des Mikrobiegens. Solch ein Draht hat genug Festigkeit, um seine
physikalische Form zu erhalten. Drähte können in einer geraden Konfiguration
angewendet werden und alternativ in fest gebogener Konfigurationen,
wenn angemessen. Vor kurzem wurden solche Faserdrähte beschrieben
von N. Deguil-Robin et al. „Rod-fiber
lasers", Advanced
Solid State Photonics, 2005. Das Faserdraht-Konzept wurde weiter entwickelt durch Limpert
et al. in „High-power
switched ytterbium-doped photonic crystal Laser producing sub-10
ns pulses", Conf.
On Advanced Solid State Photonics, paper PD-1, Vienna (2005).
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Das
Design von optimierten Multimodenfaserstrukturen mit ultragroßem Kern
kann nahezu beugungsbegrenzte Outputs erlauben. Die Unterdrückung von
Moden höherer
Ordnung kann besonders nützlich
beim Erzeugen von nahezu beugungsbegrenzten Outputs sein. Diese
Multimodenfasern mit sehr großem
Kern können
Kerndurchmesser von z.B. ungefähr
15 μm und
größere Durchmesser
von mindestens ungefähr
200 μm haben,
um Modenkopplung zu reduzieren oder zu minimieren. Solche Faserstrukturen
mit ultragroßem
Kern können Drahtstrukturen ähneln, die
hinreichend starr sind, um kein signifikantes Biegen oder Aufwickeln
zu erlauben (wenn nicht vorgebogen). Faserstrukturen, die auf konventionellen
Stufenindex- wie auch. auf Designs von löchrigen Fasern basieren, können verwirklicht
werden.
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Sowohl
Stufenindex- als auch Designs von löchrigen Fasern können weiterhin
dotierte Kernbereiche einbeziehen, um ihren Gebrauch als optischer Verstärker oder
Laser zu erleichtern. Durch Einbinden eines Doppelmantels in den
Faserverstärker
und Laserstrukturen mit ultragroßem Kern wird Mantelpumpen
z.B. mit Anordnungen von Festkörperlaserdioden
möglich.
Alternativ kann Pumplicht direkt in den Kernbereich der Faserstruktur
mit ultragroßem Kern
eingekoppelt werden.
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Die
Verringerung von Modenkopplung in solchen Faserstrukturen mit ultragroßem Kern
erlaubt weiterhin direktes Pumpen des Kerns mit Multimodenlaserstrahlen,
während
es gleichzeitig einen nahezu beugungsbegrenzten Output für die verstärkte Lasermode
beibehält.
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Für den spezifischen
Fall von Hochenergie-Ytterbium-Verstärkern können Multimodenpumpquellen,
die auf Nd- oder Yb-Faserlasern basieren, implementiert werden.
Alternativ kann ein frequenzverdoppelter Tm-Faserlaser auch zum
Kernpumpen eines Yb-Faserlasers mit ultragroßem Kern verwendet werden.
Andere Konfigurationen und Designs sind auch möglich.
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Darüber hinaus
können
Faserstrukturen mit ultragroßem
Kern kombiniert werden mit Taper-Strukturen (z.B. an dem Pumpende),
um die Output-Spitzenleistung aus diesem System weiter zu erhöhen. Diese
Taper-Strukturen werden vorzugsweise mit nahezu beugungsbegrenzten
Pumpstrahlen gepumpt, obwohl konventionelle Pumpwellen mit niedriger
Helligkeit auch implementiert werden können. Alternativ können Taper-Strukturen
auch verwendet werden, um das Input-Einkoppeln in diese großen Modenfasern
zu vereinfachen.
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Ultragroße Modenfaser-Drähte können auch entworfen
werden, um gekrümmten
Wegen zu folgen, um den tatsächlichen
Speicherplatz für
solche Strukturen zu reduzieren oder zu minimieren. Solche gekrümmten Wege
können
erhalten werden durch vorsichtiges Heizen von Bereichen des Faserdrahts und
Biegen dessel ben in eine gewünschte
Form. Faserdrähte,
die zu gekrümmten
Formen geformt wurden, erlauben weiterhin die Einführung von
unterschiedlichen Verlusten für
die fundamentale und die Moden höherer
Ordnung.
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Die
Konstruktion von Lasersystemen, die auf Drei-Niveau-Übergängen basieren,
wird weiter erleichtert durch die Implementierung von Multimoden löchrigen
oder konventionellen Stufenindexfasern, die auf ultragroßen Kernen
basieren. Im Fall, dass es einen Wettbewerb zwischen Drei- und Vier-Energieniveausystemen
gibt, wie in Ytterbium-dotierten Fasern, strahlt das Vier-Niveau-System
oft zuerst bei einer längeren
Wellenlänge
wegen der niedrigen benötigten
Inversion. Dies ist besonders der Fall für eine lange Ytterbium-dotierte
Faserstrecke, bei der jede Emission bei der kürzeren Wellenlänge des
Drei-Energie-Niveausystems absorbiert wird, um das Vier-Energiesystem
zu pumpen. In einer Doppelmantelfaser mit einem großen Kern,
bei der Pumplicht über
eine kurze Länge
absorbiert werden kann, kann eine kürzere Ytterbium-dotierte Faser
verwendet werden und erleichtert die Laserstrahlung aus dem Drei-Energie-System.
Diese Lasersysteme können z.B.
als Pumpquellen für
Faserverstärker
und Faser-Taper mit ultragroßem
Kern verwendet werden.
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Fasern
und Drähte
mit ultragroßem
Kern erlauben weiter die Verstärkung
von ultrakurzen Pulsen Chirped-Puls-Verstärkungstechniken. Fasern und Drähte mit
ultragroßem
Kern erlauben auch einen Q-switched Betrieb wie auch eine Frequenzumwandlung
zu UV und IR. Solche Pulsquellen können z.B. Leistungsspitzen
von mindestens ungefähr
1 MW und Pulsenergien von mehreren mJ für Pulse mit einer Breite von
nur ungefähr
einer ns erzeugen.
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Weiter
ist die Konstruktion von löchrigen
großen
Modenwellenleitern nicht begrenzt auf Fasermaterialien, hohle große Modenwellenleiter
können auch
aus Keramik, Kunststoff und kristallinen Materialien konstruiert
werden. In einigen Ausführungsformen
werden diese Strukturen gleichmäßig dotiert und
können
direkt im Kern gepumpt werden oder im Mantel gepumpt werden. Wellenleiter-Drähte oder -Platten
erlauben die Extraktion von viel größeren Gains aus aktiven Materialien
im Vergleich zu Standard-Laser-Draht-Technologie. Undotierte Wellenleiterstrukturen
basierend auf Keramik, Kunststoff und kristallinen Materialien können auch
vorgesehen werden.
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Wie
hier benutzt, werden Einzelmoden und Multimodenfaser konsistent
mit den Definitionen definiert, die für eine traditionelle nicht
löchrige
Faser gebraucht werden. Für
traditionelle Fasern wird Einzelmoden- und Multimodenfaser allgemein
definiert mit Hilfe einer V-Zahl, die π (numerische Apertur) Kerndurchmesser/Wellenlänge für Stufenindexfasern
beträgt.
Für Nicht-Stufenindexfasern
kann numerische Apertur und Kerndurchmesser berechnet werden mit
den äquivalenten
Werten für
Stufenindexfasern [s. z.B. das Martinez, F., Husey, C.D. „(E) ESI determination
from mode-field diameter and refractive index profile measurements
on single-mode fibres" IEEE
Proceedings V135, pp. 202-210, (1988)]. Für Fasern, die die Beziehung
V<2,4 erfüllen, ist
die Leistung der fundamentalen Mode signifikant größer als
die optische Leistung der nächst
höheren
Mode. Alternativ für
Fasern, bei denen V>2,4,
kann mindestens die nächste
Mode oberhalb der fundamentalen Mode eine signifikante Leistung
im Vergleich zur fundamentalen Mode haben. Traditionelle Einzelmoden- und
Multimodenfasern sind dementsprechend spezifisch über die
Beziehung V<2,4
bzw. V>2,4 definiert. V=2,4
ist der Grenzwert für
die Ausbreitung irgendeiner Mode außer der Mode niedrigster Ordnung.
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In
hohlen Fasern kann die numerische Apertur erhalten werden durch
die Differenz im Brechungsindex von Kern und Mantel. Jedoch ist
ein Kerndurchmesser, der der äquivalente
Wert für
Stufenindexfasern ist, schwierig zu berechnen. Verschiedene Referenzen
[s. z.B.(1) Knight et. al, „Properties
of photonic crystal fiber and the effective mode index model" J. Opt. Soc. Am.
A Vo. 15, pp. 748-752, (1998) and (2) Mortensen et al „Modal
cutoff and the V parameter in photonic crystal fibers" Opt. Lett V. 28,
pp. 1879-1881, (2003)] berichten, dass, wenn der Kerndurchmesser
gleich gemacht wird zu dem Abstand oder der Distanz zwischen Löchern Λ, dann ist
V für das
Abschneiden der Ausbreitung von jeder anderen Mode als der Einzelmode
= 2,5 (s. z.B. Knight et al.) und π (s. z.B. Mortensen et al.).
Für die verschiedenen
hier beschriebenen Ausführungsformen
ist es nicht kritisch, ob der V-Abschneideparameter 2,405, 2,5 oder π ist. Verschiedene
Ausführungsformen
einer hier beschriebenen löchrigen
Faser haben einen viel größeren Kernradius
als es möglich
ist mit einer konventionellen optischen Faser, die die Ausbreitung
einer einzelnen optischen Mode unterstützt. Deswegen werden wir die
aktuelle Forschung in diesem technischen Gebiet verwenden, bei der
eine Multimodenfaser definiert ist, wenn V> π und
der Kerndurchmesser wird gleichgesetzt dem Abstand oder dem durchschnittlichen
Abstand zu der Faser. Umgekehrt wird eine Einzelfaser hier definiert als
eine Faser, bei der V< π.
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Wie
oben beschrieben, kann eine löchrige Faser
entworfen werden, um Verlust für
spezifische Moden einzuführen.
Die Lochgröße, Brücke und
die Zahl der Löcher
können
z.B. ausgewählt
werden, um Verlust in der Ausbreitung von Moden höherer Ordnung
in einer Multimodenfaser einzuführen,
bei der V> π. Mit einem
Verringern der Zahl der Löcher
kann Licht in den Moden höherer
Ordnung nicht auf den Kern beschränkt werden und kann aus der
Faser entweichen. Solch ein Verlust, der in die Multimodenfaser
V> π eingeführt wird,
ist analog zu traditionellen nicht löchrigen Multimodenfasern, die
eine V-Zahl größer als π hat, die
Moden-Filtern einschließt, z.B. geliefert
durch das Biegen der Faser, um den Verlust in der Ausbreitung von
Moden höherer
Ordnung einzuführen.
(Modenfilter werden beschrieben z.B. in US-Patent 5 818 630, erteilt
an Ferman et al. am 6. Oktober 1998 und mit dem Titel „Single-mode
Amplifier and Compressors Based on Multi-mode Fibers", das hierin durch
Bezug eingeschlossen ist.) Ausreichendes Biegen kann angewendet
werden, um Verluste für
jede der Moden höher
als die fundamentale Mode zu induzieren, so dass die fundamentale
Mode die einzige Mode ist, die sich durch die gebogene Multimodenfaser
ausbreitet. Ähnlich
kann eine gebogene Multimodenfaser, die eine V-Zahl größer als
ungefähr π hat, ein
Design haben, das Verlust für
die Moden höherer
Ordnung einführt,
so dass Ausbreitung dieser Moden höherer Ordnung gedämpft wird. Siehe
z.B. die US- Patentanmeldung
Nr. 10/844 943, die am 13. Mai 2004 eingereicht wurde und den Titel „ Large
Core Holey Fibers " (Attorney
Docket Nr. IMRAA.024A) hat, die hierin in ihrer Gänze eingeschlossen
wird.
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In
verschiedenen weiter unten diskutierten Designs kann deswegen die
maximale Größe der Mantelmerkmale,
z.B. Luftlöcher,
die maximale Brückenweite,
die Zahl der Schichten (z.B. 1 oder 2) so sein, dass nur wenige
(z.B. 3, 5, 10) Moden niedriger Ordnung oder sogar nur eine einzelne
Mode sich ohne viel Verlust ausbreitet, während Moden höherer Ordnung
sich mit einem viel größeren Verlust
ausbreiten.
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1A und 1B zeigen
schematisch eine Ausführungsform
einer löchrigen
Faser 500. Ein Querschnitt der Faser, die 1A zeigt,
ist in 1B dargestellt, bei der verschiedene
Parameter definiert werden. Wie gezeigt ist d der Lochdurchmesser
und Λ der
Lochabstand von Zentrum zu Zentrum. Der Kernradius ρ ist der
Abstand vom Zentrum zu dem Rand des nächsten Lochs. Die Werte können bzgl. der
Wellenlänge λ, der Wellenlänge von
Licht im Vakuum, normiert werden.
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1C ist
ein Plot von Wellenlänge
versus maximaler Merkmalsgröße, der
die Resultate von Simulationen für
verschiedene Parameterbereiche des Betriebs für Einzelmodenausbreitung darstellt,
bezeichnet mit 502 und 501, bei einer hohle Faser,
wie sie in 1A und 1B gezeigt
wird, mit ein und zwei Schichten von Löchern in einer hexagonalen Anordnung.
Die oberen Grenzen 503 und 505 von 501 und 502 in 1C werden
bestimmt durch den maximal tolerierbaren Verlust der fundamentalen Mode
und die unteren Grenzen 504 und 506 durch den
minimalen Ausbreitungsverlust der Moden zweiter Ordnung. Der Plot
in 1C zeigt, dass mit einer Reduzierung der Zahl
der Löcher
von zwei zu einer Schicht d/λ sich
zu größeren Werten
hinbewegt für dieselbe
Kerngröße. Die
Konturlinien von konstantem Kerndurchmesser 2ρ werden in den Linien 507, 508 und 509 für Kerndurchmesser
von 25, 50 bzw. 100 μm
gezeigt. 1c ist für gerade Fasern berechnet.
Für gebogene
Fasern, wie es in einem praktischen Fall vorkommen kann, sind die
Betriebsbereiche 501 und 502 hin zu größerem d/λ verschoben.
In 1c bezieht sich ein 1OM auf die fundamentale Mode
und 2OM auf die Mode zweiter Ordnung. Die Kerngröße bezieht sich auf den Kerndurchmesser
2ρ und ist
gleich 2 Λ-d
in dem hexagonalen Fall, der in 1b gezeigt
wird.
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2a ist
eine Photographie einer beispielhaften Faser 510, die hergestellt
und getestet wird. Insbesondere zeigt 2b, 511 die
gemessene Modenfeldverteilung der hergestellten Faser 510.
Auch gezeigt wird die respektive Modenfeldverteilung 512, die
aus einem Modell der Faser 510, die in 2A gezeigt
wird, berechnet wird. 2b zeigt auch einen Plot 513 und
eine Kurve 514, die die gemessenen Feldprofile durch das
Zentrum der Mode entlang der Y- bzw. X-Achse zeigen, wie in 2a eingezeichnet. 2b liefert
auch Plot 515, und die Kurve 516 zeigt das entsprechend
modellierte Feldprofil. Einzelmodenbetrieb wird durch diese Verteilungen klar
gezeigt. Diese Faser 510 unterstützt Einzelmodenausbreitung
mit einer gemessenen effektiven Modenfläche von ungefähr 1400 μm2, die erhalten wird durch das Vornehmen
einer angemessenen Integration der gemessenen Modenfeldverteilung
in 511.
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3 zeigt
den gemessenen Verlust versus Biegeradius entlang zwei Biegeebenen,
die in dem eingesetzten Kasten angezeigt werden. Der Biegeverlust
der Faser wurde durch das Aufwickeln der Faser um Bolzen von bekanntem
Durchmesser gemessen. Da der Querschnitt der Faser keine Rotationssymmetrie
hat, wurde die Abhängigkeit
des Biegeverlusts von der Orientierung der Biegeebene untersucht.
Spezifisch wie im eingesetzten Kasten von 2 gezeigt,
wird eine Biegeebene AA, die sich mit zwei kleineren Löchern schneidet,
definiert. Ähnlich wird
auch eine Biegeebene BB, die zwei dünne Glaskanten schneidet, definiert.
Der Output der Faser wird auf eine Videokamera mit einer asphärischen Linse
abgebildet. Durch Überwachen
des Outputstrahlprofils kann Einzelmodenausbreitung über die Messung
hin gewährleistet
werden. Der Betrag von Biegeverlust in Dezibel pro Meter ist in 3 geplottet
als eine Funktion des Biegeradius in Zentimetern.
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Biegen
entlang der Ebene AA führt
zu weniger Verlusten der Faser im Vergleich zum Biegen entlang der
Ebene BB, was erklärt
werden kann durch die Anwesenheit von zwei kleinen Löchern, die
helfen, um die Mode besser einzuschließen. Wie in
3 zu
sehen, folgt der Betrag des Biegeverlusts in Dezibel pro Einheitslänge als
eine Funktion des Biegeradius derselben funktionalen Abhängigkeit
die für konventionelle optische Fasern
entwickelt wurde, wobei R
bend der Biegeradius
ist. Die Fitparameter sind α=3755
dB cm
0,5/m, β=1,258 1/cm für Biegen
entlang der Ebene AA und α =
2,265 × 10
4 dB cm
0,5/m, β = 1,460
1/cm für
Biegen entlang der Ebene BB.
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4 zeigt
dieselben Einzelmoden-Betriebsregimes, die in 1c geplottet
wurden, unter Einschluss von Konturlinien von konstanter Brückenweite
a/λ. Betriebsregimes 121 und 120 werden durch
die Grenzen 124, 125 und 122, 123 eingeschlossen,
die für
eine Schicht bzw. zwei Schichten von Löchern sind. Die Konturlinien 130, 131, 132, 133, 134 und 135 von
konstanter Brückenweite
sind entsprechend für
Brückenweiten
a/λ = 1,
2, 4, 10, 20 und 40. Für
einen Kerndurchmesser von ungefähr
25 bis 100 μm
variiert a/λ von
ungefähr
5 zu 40.
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5a und 5b zeigen
eine generische Faser 140. Ein Kern 141 in der
Faser 14U wird durch die Merkmale 142 in einem
Mantelbereich definiert. Der Bereich 141 umgibt weiterhin
die Merkmale 142 im Mantelbereich. Die Glasbrückenbreite
a ist definiert als die minimale Breite des Glasbereichs zwischen
Löchern.
Die Merkmalsgröße b ist
definiert als die Breite des Merkmals.
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6a, 6b, 6c, 6d, 6e und 6f zeigen
alternative Designs, die nicht kreisförmige Merkmale in verschiedenen
Anordnungen verwenden. 6a zeigt eine Mehrzahl von elliptischen
Löchern 151 in
einer kreisförmigen
Anordnung, die einen zentralen Kernbereich 150 definieren.
Die Löcher 151 werden
in einem Grundsubstanzmaterial 152 gebildet. 6b zeigt
eine Mehrzahl von verschieden geformten Löchern 155 in einer unregelmäßigen Anordnung,
die einen zentra len Kernbereich 154 definiert. Die Löcher 155 werden
in einem Grundsubstanzmaterial 156 gebildet. 6c zeigt
kreisförmige
Löcher 158,
die in einem nicht kreisförmigen
Muster angeordnet sind, die einen zentralen Kernbereich 157 definieren.
Die Löcher 158 werden
in einem Grundsubstanzmaterial 159 gebildet. Wie hier benutzt,
können
die Merkmale Löcher umfassen,
die Luft einschließen
oder evakuiert sind und demnach Vakuum enthalten. Außerdem können diese
Löcher
mit einem anderen Material, z.B. einem verschiedenen Material als
dem Grundsubstanzmaterial gefüllt
werden, um die Merkmale zu bilden. Die 6d, 6e und 6f beschreiben
weiterhin, wie a und d in verschiedenen Designs definiert werden.
Die Fasern der 6d und 6e haben
ein Paar von Löchern,
während
die Faser in 6f ein einzelnes Loch hat.
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7A zeigt
ein Design für
eine polarisationserhaltende Faser. Elliptische Merkmale 162 umgeben
einen im Allgemeinen elliptischen oder rechteckigen Kern 161.
Der Gebrauch von langen Ellipsen vergrößert das Maß von Doppelbrechung und reduziert
Biegeverlust. Die Merkmale sind in einem Grundsubstanzmaterial 163,
das die Merkmale umgibt. In 7B werden
Spannungselemente (stress elements) 164 um den Kern 165 verwendet,
um eine polarisationserhaltende Faser zu erzeugen. Der Kern 165 wird
weiter durch zusätzliche
Merkmale 166 definiert. In 7C werden
Spannungselemente 168 in Kombination mit einem asymmetrischen
Kern 167 und elliptischen Merkmalen 169 verwendet. 7D zeigt
ein Design einer polarisationserhaltenden Faser mit kreisförmigen Merkmalen.
Zwei der Merkmale, die entlang einer Ebene ausgerichtet sind, sind
in ihrer Größe reduziert,
um Asymmetrie zum Aufrechterhalten der Polarisation bereitzustellen. 7E zeigt
ein Faserdesign 400, bei dem Spannungselemente 414 und 415 in
den Kern 401 eingeführt
werden, der durch sechs kreisförmige
Merkmale 403 in einer hexagonalen Anordnung definiert ist.
Die Faser 400 kann ein Doppelmantel-Design haben durch Einführen eines
Pumpmantels mit niedrigem Brechungsindex 404, der die Pumpführung 402 umgibt.
Eine äußere Schicht 405 wird
auch geliefert.
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Die 8A und 8B zeigen
eine Doppelmantelstruktur zum Ummanteln von gepumpten Verstärkern und
Lasern. 8A zeigt einen Kern 170, der
durch die Merkmale 171 definiert ist, die einen inneren
Mantel definieren, der wiederum von einem äußeren Mantel 172 umgeben
ist. Der Pumpmantel 173 ist ein Material mit einem niedrigeren
Brechungsindex, zum Bespiel eine Polymerbeschichtung. Jedoch kann
auch ein zweites Glas mit einem niedrigeren Brechungsindex verwendet
werden. 8B zeigt eine andere Doppelmantelfaser,
die einen Kern 174 umfasst, der durch die Merkmale 175 definiert
ist, die einen inneren Mantel definieren und einen umgebenden äußeren Mantel 176.
In 8B wird ein Pumpmantel 177, der Luftlöcher und
dünne Glasbrücken (nicht
gezeigt) umfasst, verwendet. Ein weiterer Glasbereich 178 umgibt
den Pumpmantel 177, um mechanische Unterstützung zu
liefern. Obwohl nicht gezeigt, verbinden dünne Glasbrücken den äußeren Mantelbereich 176 und
den Glasbereich 178. Eine Polymerbeschichtung, die den
Glasbereich 178 umgibt, nicht gezeigt in 8B,
kann auch auf die Faser aufgebracht werden. In 8C wird
der Pumpmantel 179 so gezeigt, dass er eine rechteckige
Form hat. Tatsächlich
kann dieser Pumpmantel jede Form um die Pumpführung annehmen. Dementsprechend
sind andere Konfigurationen möglich.
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9 zeigt
zwei beispielhafte Konfigurationen für die Anregung der fundamentalen
Mode in der Faser mit großer
Modenfläche 180.
In dieser ersten Konfiguration wird eine Taper an einem Ende der
Faser gemacht, um ihre Kerngröße zu verringern,
sodass sie besser zu einer Einzelmoden- oder Wenigmoden-Faser 181 passt.
Licht, welches aus der Einzelmoden- oder Wenigmoden-Faser 181 kommt,
regt im Wesentlichen nur die fundamentale Mode in der Faser mit
großer
Modenfläche
an, wenn durch die Taper ein gutes Moden-Matching zwischen den beiden Fasern
erreicht wird. Bei einer zweiten Konfiguration, die in 9 gezeigt
wird, wird eine Linse 183 genutzt, um durch die Taper 182 die
fundamentale Mode in die Faser 180 einzuführen als
eine Alternative zu einer Spleißung.
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10 zeigt
eine beispielhafte Anordnung, bei der die Faser aufgewickelt ist, 190,
sodass jegliche ungewollte Moden höherer Ordnung durch die Wicklungen weiter
gedämpft
werden können.
Ein gerader Abschnitt 191 wird an dem Input-Ende aufrechterhalten.
Ein gerader Abschnitt 192 wird auch am Ausgangsende aufrechterhalten.
Die modale Feldverteilung kann gestört werden an den Biegungen
in der Faser mit großer
Modenfläche
wegen der schwachen Führung
und der relativ stärkeren,
durch Spannung induzierten Brechungsindex-Änderung. Die geraden Abschnitte
stellen bessere Einkopplung in die fundamentale Mode sicher und
demnach bessere Startbedingungen einer fundamentale Mode wie auch
ein gutes Output-Modenprofil. Eine Linse 193 wird gezeigt,
wie sie Licht in den geraden Abschnitt der Faser am Input-Ende einkoppelt.
Die Wicklung 190 kann auch genutzt werden, um Polarisation
entlang der Faser zu erhalten. Die Doppelbrechung wird verursacht
von spannungsoptischen Effekten als ein Resultat von Asymmetrie
in der biegeinduzierten Spannung. Diese biegeinduzierte Spannung
ist in einer Faser mit großem
Kern größer.
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11 zeigt
eine Faser mit großer
Modenfläche 200 mit
einem Kern, der mit Seltenerd-Ionen dotiert ist, die in einem Faserverstärker oder
einem Laser verwendet wird, der durch eine Multimoden-Pumpquelle
gepumpt wird. Die Faser hat gerade Input- und Output-Enden 201, 202 und
einen aufgewickelten Abschnitt dazwischen. Eine Multimoden-Pumpe 205 wird
verwendet, um den Verstärker oder
Laser zu pumpen unter Gebrauch einer Kopplungslinse 204.
Der Inputstrahl 206 wird in die Faser 200 durch
eine Linse 203 eingeführt.
Der Output 207 wird durch einen Kaltlichtspiegel (dichroic
mirror) 208 abgetrennt.
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12 zeigt
ein Beispiel, wie die Faser mit großer Modenfläche in einem Hochenergiepulsverstärkungssystem
verwendet werden kann. Der optische Puls aus einer Keimquelle (seed
source) 210 wird in einen stretched Puls 211 gestreckt.
Der Pulsauswähler
(pulse picker) 212 reduziert die Pulswiederholrate. Ein
Verstärker
mit großem
Kern 213, der die Faser mit großer Modenfläche umfasst, verstärkt den
Puls, und der Puls wird dann unter Verwendung eines Pulscompressors 214 nah
an seine ursprüngliche
Breite im Output-Strahl 215 komprimiert.
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13 zeigt
ein Beispiel des Gebrauchs einer Faser mit großer Modenfläche als eine Lieferfaser 221 für ein Hochleistungs-Lasersystem,
um einen optischen Strahl 222 zu einem Werkstück 224 zu transportieren.
Eine lokale Linse 223 wird verwendet, um den Strahl 222 zu
fokussieren. Ein Positionssystem kann verwendet werden, um den Output-Strahl bzgl.
des Werkstücks
zu positionieren. Dieses Positionierungssystem kann zum Beispiel
einen Linearversteller, auf welchem das Werkstück angeordnet ist, aufweisen.
Bewegliche Optik wie ein beweglicher Spiegel oder eine Linse können verwendet
werden. Andere Konfigurationen und Designs sind auch möglich.
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In 14A umfasst eine Faser 240 eine erste
Strecke, die einen Kern, der durch einen Mantel 241 gebildet
wird, aufweist, die von einer zweiten Strecke ohne einen Kern gefolgt
wird. Ein Strahl 242 breitet sich von der ersten Strecke
zu der zweiten Stecke aus, wo der Strahl sich wegen der Beugung
in der Größe ausweitet.
Der Stahl 242 ist wesentlich ausgeweitet, wenn der Strahl
das Faserende erreicht, wo die Schadenschwelle niedrig ist. Dies
kann einen Schaden der Endfläche
am Output-Ende eines Verstärkers
verhindern, wo die Leistung am höchsten ist.
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Die
Konfiguration aus 14A kann auch verwirklicht werden
durch das Spleißen
der Faser mit großem
Kern mit einer anderen kernlosen Faser. Dieser Zugang ist besonders
nützlich,
wenn die Länge zum
Expanieren des Strahls 242 lang ist (zum Beispiel von mehreren
Zentimetern zu mehreren zehn Zentimetern lang).
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14B, 14C und 14D zeigen eine Verwirklichung der Faserstruktur
aus 14A. Ein Verschmelzungsspleißer wurde
verwendet, um Löcher
entlang einer Länge
der Faser zu kollabieren, um den kernlosen Abschnitt zu bilden. 14B zeigt einen Querschnitt der ersten Strecke,
bei der die Löcher
präsent
sind und 14D einen Querschnitt der zweiten
Strecke, bei der die Löcher
kollabiert sind und demnach nicht präsent sind.
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Die
erste Doppelmantel-Faser 600 in 14E umfasst
einen ersten Mantel 602, der einen Kern und einen zweiten
Mantel 603 definiert, welcher einen Pump-Führer definiert. Die erste Faser 600 wird
dann mit einer zweiten Faser 601 gespleißt. Die zweite
Faser 601 hat einen Einzelmantel 604, der eine
Abmessung nahe von jener des zweiten Mantels 603 in der
ersten Faser 600 hat. Die zweite Faser 601 kann
verwendet werden, um einen Strahl 605 auszuweiten und kann
auch benutzt werden, dass Pumpleistung (nicht gezeigt in 14E) in die zweite Faser 601 eingeführt wird.
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Wie
oben beschrieben, ist in verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen
die Abmessung der Faser groß,
sodass die Faser effektiv ein Draht wird, der starr ist. 15A weist ein beispielhaftes Design einer löchrigen
Faser 250 auf, wie sie oben diskutiert wurde. Die verschiedenen
Designs und Konzepte, die hier mit Bezug auf Fasern beschrieben
wurden, sind auch auf Drähte
anwendbar.
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In 15 umfasst die löchrige Faser oder Draht 250 einen
Kernbereich 251, der bevorzugt bzgl. des Brechungsindex
zu dem Mantelbereich 252 passt. Der Kernbereich 251 kann
auch einen anderen Brechungsindex haben, wie zum Beispiel einen
Brechungsindex, der kleiner als der des Mantelbereichs 252 ist.
In verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen wird der Kernbereich 251 weiterhin
mit Seltenerd-Ionen, wie Yb, Nd, Er oder Tm dotiert, um Gain zu
liefern. Geeignete Glas-bildende Dotierungen wie B oder F werden
zu dem Glas hinzugefügt, um
einen Brechungsindex der dotierten Kernbereiche zu erhalten, der
zu dem Mantelbereich 252 passt (oder mit einem vergleichsweise
erniedrigten Brechungsindex). Innerhalb des Mantels 252 ist
eine Menge von Luftlöchern 253 angeordnet,
die den Kernbereich 251 definieren. Wie oben diskutiert, kann
der Abstand des Zentrums der Luftlöcher Λ nahe dem Durchmesser der Luftlöcher d sein,
zum Beispiel d/Λ > 0,4, um eine verbesserte
oder optimale Modenqualität
für die
fundamentale Mode zu erhalten. Jedoch können auch andere Werte, zum
Beispiel Verhältnisse
von d/Λ < 0,4 verwendet werden.
In verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen kann die Faser
mehr als zwei Kernmoden unterstützen. Außerdem kann
es wünschenswert
sein, zusätzliche Löcher in
den Mantelbereich 252 hinzuzufügen, um die Mantelfläche zu reduzieren.
Die Glaskanten zwischen den Luftlöchern können in der Breite mindestens
ein paar Wellenlängen
groß sein,
zum Beispiel im Bereich von 5-100 μm, sodass Pumplicht von der Mantelregion 252 in
die Kernregion 251 eindringt. Der Luftmantelbereich 254 umgibt
den Mantelbereich 252. Wie oben diskutiert, kann der Luftmantelbereich eine
Anordnung von sehr dünnen
Glaskanten umfassen, die um den Mantelbereich 252 angeordnet
sind und den äußeren Mantelbereich 255 verbinden.
Der Mantelbereich 254 kann mit einem niedrigen effektiven
Brechungsindex konstruiert werden, entsprechend dem Erzeugen eines
großen
Akzeptanzwinkels (oder numerische Appertur NA) für Pumplicht, das in den Mantelbereich 252 eingekoppelt
wird. In verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen ist der äußere Durchmesser
der Faser 250 mindestens ungefähr 250 μm, um Modenkopplung zu reduzieren oder
zu minimieren.
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Eine
einfachere Faserdrahtstruktur 260, die auf einer konventionellen
Fasergeometrie basiert, wird in 15b gezeigt.
Der Faserdraht 260 aus 15b weist
einen Standard-Gainbereich 261 mit Seltenerd-dotiertem
Stufenindexkern und einen Mantelbereich 262 auf. Um Pumplicht
im Mantelbereich 262 einzusperren, wird weiterhin ein Bereich 263 mit niedrigem
Brechungsindex hinzugefügt.
Da Faserdrähte
im Allgemeinen gerade gehalten werden und Modenkopplung mit einem
großen äußeren Faserdurchmesser
wesentlich reduziert oder minimiert wird, können im vorliegenden Beispiel
numerische Aperturen des Kerns im Bereich von 0,01-0,05 noch effektiv
gebraucht werden. Variationen des Brechungsindex im Kernbereich
werden bei verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen auf einem Minimum
gehalten. Um eine große
Brechungsindexdifferenz zwischen den Mantelbereichen 262 und 263 zu liefern,
können
Multikomponentengläser
wie Ta- oder Sb-dotierte Quarzgläser
gebraucht werden. Solche Gläser
werden diskutiert in Deneka et al., US-Patent Nr. 6 836 607. Unter
Benutzung von solchen Multikomponentengläsern kann eine effektive numerische Apertur
für den
Pumpführungsbereich
von ungefähr 0,40
oder höher
erzielt werden.
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Hybridformen
der Designs, die in 15a und 15b gezeigt
werden, können
auch für
ultragroße
Modenfaserdrähte
verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Luftmantel 265 in
den Mantelbereich 262 zur Konstruktion einer konventionellen Luft-Mantel-Stufenindexfaser
integriert werden.
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Eine
Fotografie eines Querschnitts eines Faserdrahts, die gemäß den oben
diskutierten Designprinzipien hergestellt wird, wird in 15c gezeigt. Dieser beispielhafte Faserdraht hat
einen Kerndurchmesser von 58 μm
und einen Manteldurchmesser von 270 μm. Die Luftlöcher haben einen Durchmesser
von ungefähr
40-46 μm.
Kein Luftmantel 254 wurde eingebaut. Mit geeigneten Einspeisebedingungen könnte eine
fundamentale Mode mit einem Modenfelddurchmesser von 42 μm in diese
Faser eingekoppelt werden. Die Faser wurde mit der Stapel- und Zugtechnik (stack
and draw technique) hergestellt. Es ist zu beachten, dass dieser
Draht weiterhin Löcher
von verschiedenem Durchmesser (nämlich
40 und 46 μm)
entlang zwei Achsen der Faser einschließt, um einen Grad von Form-Doppelbrechung in
der Struktur zu induzieren. Es ist beachten, dass Doppelbrechung
weiterhin in die Faser durch Aufwickeln eingeführt werden kann, was einen
polarisationserhaltenden Betrieb erlaubt.
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Die
verschiedenen Designs, die in Verbindung mit den 15a-15c diskutiert werden, können in
dem Draht 101 verwendet werden, welcher in den Verstärker- und
Lasersystemen verwendet wird, die in 16, 17 und 19 gezeigt
sind, die im größeren Detail
weiter unten diskutiert werden.
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Als
ein Beispiel ist das Verstärkersystem 100,
das in 17 gezeigt wird, zu beachten.
In diesem System 100 ist ein Faserdraht-Verstärker 101 angeschlossen
und bevorzugt mit einem Drahtverstärker 102 verschmolzen.
Der Faserdraht 101 ist mit einer Doppelmantelstruktur konstruiert,
die einen äußeren Mantel 103,
einen inneren Mantel 104 und einen Seltenerd-dotierten
Kernbereich 105 aufweist. Im bestimmten Ausführungsformen
sind der innere und der äußere Mantel
nicht dotiert, obwohl dotierte Mantelstrukturen auch verwirklicht
werden können. Die Drahtstruktur 102 umfasst
einen ungepumpten Bereich 106 und einen gepumpten Bereich 107.
Diese Drahtstruktur 102 kann gleichmäßig mit einem Gain-Medium dotiert
werden, gerade wie ein konventioneller Laser-Draht. Die Verstärkerdrähte 101 und 102 werden
mit den Pumpquellen 108 bzw. 109 gepumpt. In verschiedenen
bevorzugten Ausführungsformen
enthält
die Pumpquelle 108 viele Moden und die Pumpquelle 109 ist
im Einzelmodus. Jedoch können
auch effiziente Verstärker
konstruiert werden, basierend auf einer Einzelmoden-Pumpquelle 108; gleichfalls
kann die Pumpquelle 109 auch viele Moden haben.
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Geeignete
Pumpquellen können
auf nahezu beugungsbegrenzten oder Multimodenfaser- oder Festkörperlasern
basieren wie auch auf strahlgeformten Halbleiterlasern. Solche strahlgeformten Halbleiterlaser
werden z. B. im US-Patent 6,778,732 beschrieben, ausgegeben an Ferman
et al. Zwei Linsen werden verwendet, um die Pumpquellen in die Drahtverstärkerstrukturen 101 und 102 einzukoppeln.
Einzelne Linsen werden nur der Einfachheit halber gezeigt. Im Allgemeinen
können
geeignete Linsensysteme zum Pump-Einkoppeln verwendet werden. Die
dichroischen Strahlteiler 110 und 111 werden verwendet,
um die Pumpquellen mit den Input- und Output-Signalen 112 bzw. 114 zu
kombinieren/zu trennen. Das Input-Signal 112 ist vorzugsweise
nahezu beugungsbegrenzt und wird in die Faserdrahtstruktur 101 eingespeist.
Die Richtung des Pumplichtes aus der Pumpquelle 109 wird
mit dem Pfeil 113 bezeichnet. Der Output 114 aus
dem gesamten Verstärkersystem
wird auch mit einem größeren Pfeil
bezeichnet.
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Ein
direkter Vergleich kann mit den Merkmalen des Drahts gemacht werden,
der in 15a gezeichnet ist und dem Draht,
der in 17 gezeigt wird. Zum Beispiel
korrespondiert der Kernbereich 251 zum Kernbereich 105;
der Mantelbereich 252 korrespondiert zum Mantelbereich 104 und
der Mantelbereich 254 korrespondiert zum Mantelbereich 103.
Ein separater äußerer Mantelbereich 255 wurde in 17 nicht
gezeigt. Das einfache Design, das in 15b gezeigt
wird, hat auch seine exakte Äquivalenz
im Design des in 17 gezeigten Faserdrahts 101.
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Optional
kann die Faser 101 in 17 (wie auf
die in 16 und 19, die
detaillierter weiter unten diskutiert werden) mit einer Polymerhülle umgeben
sein oder sie kann metallbeschichtet sein und an eine Wärmesenke
befestigt sein für
einen. effizienten thermischen Wärmeverlust.
In verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen können die
Luftlöcher
innerhalb der Faser 101 am Signalinput-Ende thermisch kollabiert werden, um
Verschmutzung der Endfläche
zu vermeiden und Schaden an der Struktur zu reduzieren oder zu minimieren.
Zusätzlich kann
das Signalinput-Ende des Faserdrahts 101 im Durchmesser
verjüngt
werden, um Einzelmodenausbreitung zu ermöglichen und die Anregung der
fundamentalen Mode im Faserdraht 101 zu erleichtern.
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Verschiedene
spezifische Beispiele von verschiedenen Faserdesigns und Drahtdesigns
werden unten präsentiert.
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Faserdesign-Beispiel 1
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Dieses
Design schließt
6 Luftlöcher
ein, die in einer hexagonalen Form angeordnet sind, wie in 1A gezeigt.
Der Zentrum-zu-Zentrum-Abstand λ ist
40 μm, die
Lochgröße 30 μm, was einen
Kerndurchmesser 2ρ von
50 μm bei
einem Betrieb mit ~1 μm
Wellenlänge
ergibt. Die Brückenbreite
a/λ ist
10 und die normierte Lochgröße d/λ 30.
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Faserdesign-Beispiel 2
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Dieses
Design enthält
6 Luftlöcher,
die in einer hexagonalen Form angeordnet sind, wie in 1A gezeigt.
Der Zentrum-zu-Zentrum-Abstand λ ist
80 μm, die
Lochgröße 60 μm, was einen
Kerndurchmesser 2ρ von
100 μm beim
Betrieb bei 1 μm Wellenlänge ergibt.
Die Brückenbreite
a/λ ist
20 und die normierte Lochgröße d/λ 60.
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Faserdesign-Beispiel 3
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Dieses
Design schließt
6 Luftlöcher
ein, die in einer hexagonalen Form angeordnet sind, wie in 1A gezeigt.
Der Zentrum-zu-Zentrum-Abstand λ ist
160 μm,
die Lochgröße 120 μm, was einen
Kerndurchmesser 2ρ von
200 μm bei
einem Betrieb bei ~ 1 μm
Wellenlänge
ergibt. Die Brückenbreite
a/λ ist
40 und die normierte Lochgröße d/λ 120.
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Faserdesign Beispiel 4
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Dieses
Design enthält
6 Luftlöcher,
die in einer hexagonalen Form angeordnet sind wie in 1A gezeigt.
Der Zentrum-zu-Zentrum-Abstand λ ist
40 μm, die
Lochgröße 30 μm, was einen
Kerndurchmesser 2ρ von
50 μm bei
einem Betrieb bei ~ 1 μm
Wellenlänge
ergibt. Die Brückenbreite
a/λ ist
10 und die normierte Lochgröße d/λ 30. Zwei
Spannungselemente, die Bor-dotiertes Quarzglas aufweisen, sind in
zwei diagonal entgegengesetzten Luftlöchern eingebaut, um eine polarisationserhaltende Faser
zu erzeugen.
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Für alle hier
beschriebenen Designbeispiele sind die tatsächlichen Faserquerschnitte
im Allgemeinen verschieden von den Vorformen wegen des zähflüssigen Flusses
während
des Faserzugprozesses (fiber drawing process) in den Fällen, in
denen die Vorformen gemäß den Designs
gemacht werden. Häufig
sind Faservorformen leicht modifiziert gegenüber den Designs, um irgendwelchen
praktischen Randbedingungen zu genügen. Auch können andere Größen und
Materialien verwendet werden. Zum Beispiel kann anderes Glas als
geschmolzenes Quarzglas zum Beispiel Phosphat, Fluorid, Tellurid,
Bleisilikat, etc. verwendet werden. Tatsächlich kann Phosphatglas höhere Seltenerd-Dotiergrade
erlauben. Wie oben diskutiert, können
die Luftlöcher
durch ein oder mehr Materialien ersetzt werden, z. B. in allen Designbeispielen
durch Glas mit einem kleineren effektiven Brechungsindex. Seltenerd-Ionen
oder eine Kombination von Seltenerd-Ionen wie Ytterbium, Erbium,
Thulium, Neodym etc. können
in den Kernbereich dotiert werden, um Gain zu liefern. Eine Doppelmantelstruktur
kann auch verwirklicht werden, um eine äußere Pumpführung bereitzustellen, wie
in 8 dargestellt. Andere Abmessungen
und Konfigurationen können
auch verwendet werden.
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Drahtdesign-Beispiel 1
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Dieses
Design umfasst eine Struktur, die ähnlich zu der in 15a gezeigten ist. Der Draht kann aus einem Quarzglas
konstruiert werden, das eine Kernabsorption von 600 dB/m bei einer
Wellenlänge
von 980 mn liefert, was zu einem Ytterbium-Dotiergrad von ungefähr 1 Gew.-% korrespondiert.
Die Luftlöcher
können
einen Durchmesser von 40 μm
haben und der Kerndurchmesser (definiert als der nächste Abstand
zwischen gegenüberliegenden Luftlöchern) kann
50 μm sein.
Der innere Durchmesser des Luftmantels 254 kann einen Durchmesser von
150 μm haben.
Der äußere Durchmesser
kann irgendwo im Bereich von ungefähr 250 μm zu ungefähr 10 mm oder sogar größer liegen.
Die numerische Apertur des Luftmantels kann 0,6 sein. Demnach kann
eine hohe durchschnittliche Mantelabsorption von 65 dB/m bei einer
Wellenlänge
von 980 nm erreicht werden. Der Hauptgrund für die Verbesserung in der Mantelabsorption
ist das verbesserte Kerndesign der Struktur.
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Drahtdesign-Beispiel 2
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Dieses
Design umfasst eine Struktur, die ähnlich zu der in 15b gezeigten Struktur ist. Wieder kann der Draht
aus Quarzglas konstruiert werden, welches eine Kernabsorption von
600 dB/m bei einer Wellenlänge
von 980 mit bietet. Der Kerndurchmesser kann 50 μm sein und der innere Durchmesser
oder der Luftmantel 264 kann einen Durchmesser von 150 μm haben.
Die numerische Apertur des Kerns kann 0,04 sein und die numerische
Apertur des Luftmantels kann 0,6 sein. Wieder kann eine durchschnittliche
Mantelabsorption von 65 dB/m bei einer Wellenlänge von 980 mit erreicht werden.
Ein äußerer Faserdurchmesser
von ungefähr
250 μm bis zu
ungefähr
10 mm und größer kann
verwendet werden.
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Mit
gegenwärtig
erhältlichen
Pumpquellen können
bis zu 100 W in die obigen zwei Faserstrukturen eingekoppelt werden,
was die Erzeugung von verstärkten
durchschnittlichen Leistungen bei mindestens ungefähr 50 W
für eine
Faserlänge
von weniger als ungefähr
50 cm ermöglicht.
Gains von ungefähr
30 dB oder höher
können
weiterhin aus solchen Faserstrukturen auf Strecken erreicht werden,
die nicht kleiner als ungefähr
50 cm sind.
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Wenn
man solche Drähte
in einem Kurzpuls-Verstärkungssystem
benutzt, können
für einen effektiven
Modendurchmesser von ungefähr
50 μm Pulse,
die eine ns lang sind und mit einer Pulsenergie von bis zu 2,5 MJ
erzeugt werden, begrenzt durch die Schwelle für Materialschaden von Quarzglas.
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Sogar
höhere
Pulsenergien können
erzeugt werden durch Benutzung eines Drahtquerschnitts 102 aus 17.
Die Modenausweitung im Drahtabschnitt 102 wird durch Beugung
bestimmt. Für
einen Modendurchmesser ω von
ungefähr
50 μm kann
der Raileigh-Bereich R definiert werden, über welchen Beugung zu einer
Modenaufweitung mit einem Faktor von √2 führt als
r = n π ω2/2λ,
wobei n der Brechungsindex, λ die
Betriebswellenlänge
und ω definiert
ist als der Durchmesser zwischen den Punkten, wo die Modenintensität um einen
Faktor 1/e verringert ist verglichen mit der Intensität im Zentrum
der Mode. Für
einen Modendurchmesser ω von
ungefähr 50 μm und n =
1,5 (für
Quarzglas) bei einer Wellenlänge
von λ =
1 μm ist
der Raileigh-Bereich r ungefähr 6
mm. Wenn man optimale Modenüberlappung
zwischen der Pumpquelle 109 und dem Output aus dem Faserdraht 101 sicherstellt,
kann eine Vergrößerung der
Modengröße um einen
Faktor 4 (von ungefähr
50 zu 200 μm)
in einem dotierten Draht 102 mit 24 mm Länge erreicht
werden. Für
ein vollständig
invertiertes Draht-Gain-Medium 102, das aus demselben Material
wie der Faserdraht 101 gemacht ist, kann ein Gain von 2
dB/cm an der Spitze des Ytterbium-Gain-Bereichs bei 1030 nm erreicht
werden. Demnach kann ein Draht mit 24 cm Länge die maximale Pulsenergie
um ungefähr
5 dB vergrößern. Wenn
eine Einzelmoden(SM)-Pumpquelle hoher Leistung 107 verfügbar ist,
kann dieselbe Pumpquelle benutzt werden, um den Draht 102 und
den Faserdraht 101 zu pumpen.
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Eine
sogar noch bessere Situation kann erreicht werden, wenn ein Faserdraht
mit 100 μm
Kerndurchmesser verwendet wird. In diesem Fall wird ein 42 mm langer
Draht verwendet, um eine Modengröße von 200 μm zu erhalten.
Demnach kann ein Gain von 8 dB im Draht 102 erhalten werden.
Schließlich ist
der erreichbare Gain im Draht 102 begrenzt durch thermal
lensing. Jedoch können
geeignete Designs des Faserdrahts 101 und des Drahts 102 eine
reduzierte oder minimale Modenstörung
sogar für
hohe Gainwerte im Draht 102 sicherstellen. Darüber hinaus
kann die thermische Linse selbst verwendet werden, um einen Grad
von Wellenleiten zu liefern. Zusätzlich
können
Gain-führende
Effekte, wie in Ferman et al. '630
diskuiert, verwendet werden, um die Modenqualität am Output des Faserdrahts 102 zu verbessern.
Um thermische Störungen
wegen Endeffekten im Draht 102 zu minimieren, kann ein
zusätzlicher
nicht dotierter Draht (nicht gezeigt) mit dem Output-Enddraht 102 verschmolzen
werden.
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Die
Faserdraht/Draht-Kombination kann von einem effizienten externen
konvektiven oder wärmeleitenden
Kühlen
profitieren. Wärmeleitendes
Kühlen kann
eine höhere
Wärmedissipation
bereitstellen. Eine mögliche
wärmeleitende
Kühlanordnung
wird in 18 gezeigt. Hier umfasst die
Struktur 300 die Faserdraht/Drahtkombination 301,
die in bestimmten Ausführungsformen
in den Metallhalter 302 eingelötet werden kann. Der Metallhalter 302 wird
von vier Wasserkanälen 303, 304, 305, 306 gekühlt, die
zentralsymmetrisch um den Draht 301 angeordnet sind. Mehr
oder weniger Wasserkanäle
können
verwendet werden. Ein gleichförmiges
Temperaturprofil kann durch richtige Designs erhalten werden. Andere
Konfigurationen sind möglich.
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Der
Gebrauch des Drahts 102 in 17 für die Maximierung
der erhältlichen
Pulsenergien ist rein optional und der Faserdraht 101 kann
selbst verwendet werden, um hohe Pulsenergien zu erzeugen, wie solche,
die in 16 gezeigt werden, die weiter unten
in größerem Detail
diskutiert wird. Wenn man den Faserdraht 101 (ohne den
Draht 102) verwendet, können
kleine Winkel (nicht gezeigt) an den Faserenden eingeführt werden,
um parasitäre
Reflektion in solchen Strukturen zu vermeiden. Kleine undotierte Drähte können mit
dem Faserdraht 101 als Endkappen verschmolzen werden, um
Modenaufweitung zu ermöglichen
und um die Schadenschwelle der Faserdrahtenden zu erhöhen oder
zu maximieren.
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Der
erreichbare Gain pro Einheitslänge
im Draht 102 kann weiter optimiert werden durch den Gebrauch
von Multikomponentenlasern, wie Bi- oder Phosphatgläsern, keramischen
oder kristallinen Materialien, wie Yb:Y2O3 oder Nd:YAG, die direkt mit dem Glasdraht
verschmolzen werden können.
Hier sind Bi- oder Phosphatglas, Yb:Y2O3-Keramik und Nd:YAG sind nur als Beispiele
zitiert, und im Prinzip kann jedes aktive Gain-Medium für den Draht 102 benutzt
werden. Gainmedien wie Nd:YAG, Nd:YLF oder Nd:YVO4,
Nd:Glas, Yb:Glas, Nd:KGW, Yb:KGW und Yb:KYW sind weitere Beispiele
von Strukturen, die in die Faserdrähte hineingeformt werden können. Diese Gain-Medien
können
gleichmäßig dotiert
werden.
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Allgemeiner
können
solche Löcher
direkt in die gleichmäßig dotierten
Gläser,
keramischen oder kristallinen Materialien wie Bi- und Phosphatgläser, Yb:Y2O3-Keramik oder Nd:YAG
und sogar Ti-Saphir wie auch Kunststoffe wie PMMA, eingebaut werden. Die
meisten Gläser
wie Bi-Gläser
und Phosphat wie auch einige keramische Materialien können in
Fasern gezogen werden und die Struktur, die in 15a gezeigt wird, kann dann einfach unter Benutzung
der bekannten Stapel- und Zugtechnik gezogen werden. Alternativ
können
geeignete Löcher
in einem Kristall unter Benutzung von mechanischem Bohren, Laserabtragung
oder ultraschnellen optischen Pulsen mikrobearbeitet werden. Die
Löcher
in den Faserdrähten
können
viel größer sein
verglichen zu löchrigen
Fasern. Um Oberflächenunregelmäßigkeiten
in der tatsächlichen
Lochstruktur zu reduzieren oder zu minimieren und um den Raileigh-Bereich des
abtragenden Lasers zu erhöhen
oder zu maximieren, können
UV-Pulse verwendet werden.
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Wenn
man gleichmäßig dotierte
Materialien als Faserdrähte
oder allgemein als Wellenleiter-Drähte verwendet, kann der Gebrauch
von direktem Pumpen in die Kernstruktur mit nahezu beugungsbegrenzten
Pumpquellen zum Erreichen einer guten Überlappung zwischen Pump- und
Signalstrahl nützlich
sein.
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Wenn
Löcher
in einem generischen Verstärkermedium
wie Glas, Kunststoff, Keramik oder kristallinen Materialien erzeugt
werden, können
monolithische Designs von hybriden Versionen des Wellenleiterdrahts
konstruiert werden. Die Seitenansicht eines solchen monolithischen
hybriden Wellenleiterdrahts 220 wird in 15b gezeigt. Der Wellenleiterdraht 220 umfasst
ein gleichförmig
dotiertes Gain-Material 221 und einen Ausbreitungsbereich 222.
Der Ausbreitungsbereich 222 wird durch symmetrisch angeordnete
Luftlöcher 223 und 224 (z.B. sechs
große,
eng benachbarte Löcher
können
verwendet werden wie in 15a gezeigt)
auf einer Seite (linke Seite der Zeichnung) für Einsperrung des Modenlichts,
während
es dem Ausbreitungsbereich erlaubt ist, auf der gegenüberliegenden
Seite frei zu beugen (rechte Seite der Zeichnung). Die Struktur kann
von dem frei ausbreitenden Bereich (rechte Seite der Zeichnung)
gepumpt werden. Das Signal wird in den Bereich mit eingesperrter
Ausbreitung (linke Seite der Zeichnung) eingeführt. Löcher 223 und 224 können durch
mechanisches Bohren hergestellt werden oder sie können durch
Gebrauch von Laserabtragung konstruiert werden. In solchen Strukturen können Größen der
fundamentalen Moden von bis zu ungefähr 100 μm oder größer erhalten werden. Um die
Verschmutzung der Luftlöcher 223 und 224 zu vermeiden,
werden die Input- und Output-Endflächen vorzugsweise poliert und
anti-reflexiv-(AR) beschichtet vor der Einführung der Luftlöcher. Die
Input- und Output-Endflächen
können
auch geneigt oder verkeilt (nicht gezeigt) sein, um parasitäre Spiegelung
in dem Verstärker
zu vermeiden.
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Da
insbesondere kristalline oder keramische Wellenleiterdrähte wegen
Herstellungsbeschränkung relativ
kurz sein können
oder weil der Dotierungsgrad in diesen Strukturen wegen thermischen
und effizienten Betrachtungen begrenzt sein kann, kann das Signal
in solchen Wellenleiterdrähten
mehrfach hindurchgeführt
werden, um den erreichbaren Gain zu erhöhen. Zurückkommend zu 15b, werden solche Wellenleiterdrähte, die
in einer Mehrdurchlauf-Konfiguration betrieben werden, vorzugsweise ohne
einen frei beugenden Bereich konstruiert. Standardverfahren für Mehrdurchlauf
durch Wellenleiter einschließlich
Farraday-Rotatoren
und Polarisationsstrahlteilern können
verwirklicht werden, um einen doppelten oder vierfachen Durchlauf
durch die Wellenleiterdrähte
zu erhalten.
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Wegen
thermischer Betrachtungen kann es vorteilhaft sein, Wellenleiter-Scheiben
statt Wellenleiter-Drähten
zu konstruieren. Eine generische Verwirklichung einer Wellenleiterscheibe 230 wird
in 15e gezeigt. Diese Scheibe ist
breiter als sie dick ist. Beispielhafte Abmessungen können von
einer Breite von ungefähr
250 μm zu
10 mm reichen. Hier besteht der Kernbereich 231 aus einem
im wesentlichen gleichförmig
dotierten aktiven Material 232, wie einem Glas, einer Keramik
oder einem Kristall. Die verlängerte
Kernstruktur wird definiert durch acht Luftlöcher. Die Struktur wird vorzugsweise
direkt kerngepumpt. Ein vorzugsweise eindimensionaler Wärmefluss
kann erhalten werden durch Anbringen von Wärmesinken und geeigneten Kühlmechanismen
an das obere und untere Ende der Scheibe 230. Geeignete
Moden-transformierende Optik kann dann auch verwendet werden, um
den elliptischen Output-Strahl in einen mehr kreisförmigeren
Strahl zu verwandeln, wie es für
viele Anwendungen erforderlich ist. Weiterhin kann Mantelpumpen
ermöglicht werden
durch das Umgeben des Substrats 232 mit einem Material
mit einem niedrigeren Brechungsindex als dem des Substrats 232.
Um Streuverluste wegen des Pumplichts, das in die Luftlöcher gerichtet ist,
zu vermeiden, können
die Luftlöcher
in der Scheibenstruktur am Ende der Pumpankopplung herunterkollabiert
werden.
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Um
Speicherplatz für
lange Wellenleiterdrähte
zu sparen und einen unterschiedlichen Verlust zwischen der fundamentalen
Mode und jeder Mode höherer
Ordnung zu induzieren, kann es vorteilhaft sein, die starre Struktur
auf starre Rollen oder andere Strukturen, die gekrümmten Wegen
folgen, aufzuwickeln. Wegen des klei nen Biegeverlusts eines löchrigen
Wellerileiterdrahts mit großer
Modenfläche
können
gekrümmte
Wege ohne irgendwelche größeren Leistungsbegrenzungen
eingeführt
werden. Darüber hinaus
sind wegen der Einführung
von Biegeverlusten für
die Moden höherer
Ordnung gekrümmte Wege
vorteilhaft für
eine Unterscheidung der Moden innerhalb des Wellenleiters. Ein Beispiel
eines Glas- oder Keramikwellenleiterdrahts, der einem gekrümmten Weg
folgt, wird in 15f gezeigt. Sogar relativ starre
Wellenleiterdrähte
von bis zu 1 mm (oder größerem) äußerem Durchmesser
können
in beliebige Formen gebracht werden durch vorsichtiges Heizen der
Drähte
und Biegen derselben in die gewünschte Form.
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Obwohl
die Designbeispiele, die bis jetzt aufgelistet wurden, hauptsächlich Wellenleiterdrahtstrukturen
mit im Wesentlichen kreisförmig
geformten Luftlöchern
umfassten, kann für
den Betrieb von solchen Wellenleitern die exakte Form, Anzahl und
Anordnung der Luftlöcher
variieren. Die Designs, die zum Beispiel in den 5a, 5b, 6a-6f, 7a-7e und 8a-8c gezeigt
werden, können
alle als eine Drahtstruktur verwendet werden.
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Ein
polarisationserhaltender Betrieb eines Wellenleiterdrahts kann durch
Auslegen dieser Strukturen mit doppelbrechenden kristallinen Materialien und
Anregen einer Hauptachse des Kristalls erhalten werden. Für den Fall
von Faserdrähten
können Spannungsbereiche
in die Fasern eingebaut werden, um einen polarisationserhaltenden
Betrieb zu ermöglichen.
Beispiele von Designs für
einen polarisationserhaltenden Faserdraht werden in den 7a-7e gezeigt.
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Da
Modenkopplung in Faserdrähten
stark reduziert ist, können
die Multimoden(MM)-Pumpquellen in den Kernbereich des Faserdrahts
eingekoppelt werden mit kleinen oder minimalen Effekten auf die Strahlqualität des Output-Strahls
des Verstärkers. Ein
nahezu beugungsbegrenzter Output-Strahl ist möglich. Solch eine Anordnung
ist in 16 gezeigt. Das System ist sehr ähnlich zu
dem in 17 gezeigten. Jedoch ist der
Draht 102 weggelassen und kein separater Luftmantel wird
im Draht 101 benötigt. Die
Einzelmodenpumpe 109 wird durch die Multi modenpumpe 115 ersetzt.
Die Pumpe 115 kann einen Wenigmodenfaserlaser oder einen
Halbleiterlaser mit großer
Helligkeit umfassen. Ebenfalls wird eine Faserverjüngung 116 gezeigt,
die die Anregung der fundamentalen Mode im Faserdraht 101 erleichtert. Wegen
der Abwesenheit von Modenkopplung (oder sehr kleiner Modenkopplung
in dem Faserdraht 101) kann sich die fundamentale Mode
mit minimalen Störungen
im Faserdraht 101 trotz seiner Multimodenstruktur ausbreiten.
Die Multimodenstruktur akzeptiert jedoch Multimoden-Pumpstrahlen.
Zum Beispiel für
einen Faserdraht mit 50 μm
Kerndurchmesser, wie in 15a gezeigt,
kann ein Multimoden-Pumpstrahl, der 5-20 Moden enthält, verwendet
werden, um den Kernbereich des Faserdrahts 101 zu pumpen.
Für einen
Faserdraht mit 100 μm
Kerndurchmesser können
bis zu 100 Pumpmoden unterstützt werden.
Demnach wird mit der gegenwärtigen
Konfiguration ein effizienter Wandler von Helligkeit erhalten.
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Die
in 16 gezeigte Struktur kann auch in Verbindung mit
Wellenleiterdrähten
und -scheiben verwendet werden, wie in den 15a-15c gezeigt. Nicht alle Wellenleiter-Drähte können den
Einbau von Verjüngungen 116,
wie in 16 gezeigt, erlauben. Demnach
kann es nötig
sein, besonders für kristalline
Wellenleiterdrähte
und -scheiben, dass ein Wellenleiter 101 ohne Verjüngung verwirklicht
wird.
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Die
Verstärkerfasern
und -drähte
mit ultragroßem
Kern können
als ein effizienter Dauerstrich-Laser verwendet werden, der mit
Drei-Niveau-Übergängen arbeitet,
wie Nd-Fasern, die bei ungefähr
920 nm arbeiten oder Ytterbium-Faserlaser, die bei ungefähr 980 nm
arbeiten. Ein beispielhafter Aufbau eines effizienten Nd-Faserlasers, der
im Bereich zwischen ungefähr
920-940 nm Wellenlänge
arbeitet, wird in 19 gezeigt. Faserdrähte sind
nicht notwendig, und lange Strecken von löchrigen Fasern, wie die in 15a gezeigte, können verwendet werden. Diese
langen Strecken von löchriger
Faser können
Modenfilter einbauen, um Dauerstrich-Laserstrahlen in der fundamentalen
Mode der löchrigen Faserstruktur
zu erleichtern oder Strahlen in zumindest den wenigen Moden niedriger
Ordnung.
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Darüber hinaus
kann die Faser auf eine Trommel gewickelt werden, um das Zusammenpacken
der Geräte
zu ermöglichen.
Sogar ein Wenigmoden-Dauerstrich-Laser
kann als Pumpquelle für einen
Faserdraht verwendet werden, wie mit Bezug auf 16 erklärt. Das
System in 19 ist leicht verändert im
Vergleich zu dem in 16 gezeigten System. Das System
in 19 enthält
eine Verjüngung 116 als
einen Modenfilter und ein Fasergitter (fiber grating) 117,
um vorzugsweise Laserabstrahlen beim 940nm-Laserübergang der Nd-Faser zu erhalten,
wenn man im 800nm-Wellenlängenbereich pumpt
(s. z.B. Ferman et al. im US-Patent 5 818 630). Ein dichroischer
Spiegel 118 ist weiterhin optional direkt auf das Pumpkopplungsende
der Faser 101 geschweißt.
Die Löcher
im Pumpkopplungsfaserende können
kollabiert werden und nachfolgend poliert werden, um eine flache
Endfläche
zu erhalten und um die Effizienz der Pumpkopplung zu verbessern oder
zu optimieren, wie auch die Anschweißung des optionalen Spiegels 118 zu
vereinfachen. Alternativ kann das flache Pumpkopplungsende als eine
reflexive Struktur verwendet werden.
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Eine
beispielhafte Ausführungsform
kann eine hohle Faser mit einem 60μm Kern und einem einem 50 μm Manteldurchmesser
umfassen. Faserlängen
zwischen 1 und ungefähr
30 m können
optimal verwendet werden. Sogar mit einer Standard-Numerischen-Apertur
des Mantels von 0,45, wie sie mit Polymermantelfasern erreichbar
ist, können
mehr als ungefähr
100 W von Pumpleistung in den Fasermantel eingekoppelt werden. Für eine numerische
Apertur des Mantels von 0,60 kann eine Pumpleistung von bis zu ungefähr 200 W
in den Fasermantel mit konventionellen Pumpquellen hoher Helligkeit
eingekoppelt werden, was die Erzeugung von bis zu 100 W an Leistung
nahe 940 nm ermöglicht.
Solche nahezu beugungsbegrenzte Hochleistungsdauerstrichquellen
sind ideal für
korrektes Kernpumpen von Ytterbium-Faserdrähten im Allgemeinen und besonders
für gleichmäßig mit
Ytterbium dotierte Faserdrähte,
die keinen undotierten Faserbereich umfassen.
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Ähnliche
Designüberlegungen
gelten auch für
das Design von Ytterbium-Faserlasern,
die bei 980 nm arbeiten, die sogar noch bessere Pumpquellen für das direkte
Kernpumpen von Ytterbium-Faserdrähten
sind. Im Allgemeinen können
Fasern mit ultragroßem
Kern, wie sie hier diskutiert werden, für die Vorführung von Laser-Abstrahlen
bei jedem Drei-Niveau-Übergang
in Seltenerd-dotierten Fasern verwendet werden.
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Die
hier diskutierten Wellenleiterdrahtverstärker sind auch vorteilhaft
für den
Gebrauch als Leistungsverstärker
für kompakte
Hochenergieverstärkungssysteme
für ns-,
ps- und fs-Pulse. Ein generisches System für die Verstärkung von fs- oder ps-Pulsen,
das auf der Chirped-Pulse-Verstärkungstechnik
basiert, wird in 20a gezeigt. Das System 300 umfasst
eine Keimquelle (seed source) 301, ein optisches Gatter
(optical gate) 302, einen Wellenleiterdraht-Verstärker 303 wie
auch einen Pulscompressor 304. Der Output aus dem System
und die Richtung der Lichtausbreitung wird durch den Pfeil 305 angezeigt.
In einigen Ausführungsformen
kann die Keimquelle 301 einen Laser aufweisen, der Femtosekunden-
oder Pikosekunden-Pulse erzeugt, einen Puls-Stretcher und mehrere
Vorverstärkerstufen. Solche
Systeme werden in der US-Patentanmeldung Nr. 10/992 762 von Ferman
et al., eingereicht am 22.11.2004 mit dem Titel „All-fiber chirped pulse amplification
system" (Docket
Nr. IM-114) beschrieben, die hierin in ihrer Gänze durch Bezugnahme eingeschlossen
ist. Das optische Gatter 302 kann einen optischen Isolator
und einen akusto-optischen Modulator umfassen, um jede verstärkte spontane
Emission, die in der Keimquelle erzeugt wird, von der Einkopplung
in den Wellenleiterdraht-Verstärker 303 zu reduzieren
oder zu minimieren. Der Compressor 304 kann bzgl. der Dispersion
an den Compressor innerhalb der Keimquelle angepasst werden, um
die Erzeugung der kürzestmöglichen
Pulse am Output aus dem System zu ermöglichen. Ein bestimmter Grad von
Dispersionsunausgeglichenheit zwischen Stretcher und Compressor
ist tolerierbar, wenn man die nichtlineare Pulsausbreitung der stretched
Pulse ausnutzt, insbesondere wenn die Erzeugung von Cubicon-Pulsen
ermöglicht
wird; s. das oben angegebene US-Patent
10/992 762. Dieser Ansatz ist besonders nützlich für die Erzeugung von Femtosekunden-Pulsen.
Das System kann auch ausgelegt werden, um Cubicon-Pulse schon in der
Keimquelle 301 zu erzeugen oder es kann auch für die Bildung
von Cubicon-Pulsen im Wellenleiterdraht-Verstärker 303 ausgelegt
werden. Die Erzeugung eines Cubicon-Pulses kann ermöglicht werden,
wenn hochgradig stretched optische Pulse in einen Verstärker eingeführt werden
und sie zu einer Spitzenleistung verstärkt werden, die die Pulse signifikanten
Graden von Selbstphasenmodulation unterwirft. Optionale Stufen mit
Frequenzwandlung können
weiterhin nachgeschaltet bzgl. des Systems 305 verwirklicht
werden. Wenn man ps-Pulse
verstärkt,
können
Puls-Stretcher wie auch der Compressor 304 weggelassen
werden. Darüber
hinaus kann nichtlineare spektrale Kompression benutzt werden, wie
sie diskutiert wird in der US-Patentanmeldung Nr. 10/927 374, angemeldet am
27.8.2004 und mit dem Titel "High-energy
optical fiber amplifier for ps-ns pulses for advanced material processing
applications" (Docket
Nr. IM-105), die durch Bezugnahme hier eingeschlossen ist, um nahezu
beugungsbegrenzte ps-Pulse
am Output zu erhalten. Nichtlineare spektrale Kompression kann in einem
Wellenleiterdraht-Verstärker
mit positiver Dispersion induziert werden durch das Einführen von
negativ chirped Pulsen und Verstärken
der Pulse zu einer Spitzenleistung, die sie signifikanten Graden
von Selbstphasenmodulation unterwirft. Andere Konfigurationen sind
auch möglich.
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Ein
generischer Nanosekunden-(ns)-Pulsverstärker wird in 20B gezeigt. Der Nanosekundenverstärker 306 ist
sehr ähnlich
zum System 300, das in 20A gezeigt
wird, jedoch werden kein Stretcher und Compressor benutzt. Ebenfalls
gezeigt wird ein optionales Frequenzumwandlungselement 307,
das typischerweise einen nichtlinearen Kristall oder eine Anordnung
von nichtlinearen Kristallen aufweisen kann, die für Up- oder
Down-Conversion der Frequenz verwendet werden. Faserverstärker (oder Drahtverstärker) vom
Nanosekunden- wie auch vom Pikosekunden-Typ können weiterhin als Pumpquellen
für optische
parametrische Verstärker
verwendet werden, die die Erzeugung von Impulsen mit Breiten von
weniger als 50 fs oder sogar weniger als ungefähr 10 fs erlauben. Solche optischen
parametrischen Verstärkersysteme
werden in der US-Patentanmeldung Nr. 11/091,015 mit dem Titel „Optical
parametric amplification, optical parametric generation and optical
pumping in optical fiber systems" diskutiert,
die am 25. März
2005 eingereicht wurde (Attorney Docket Nr. IMRAA.026A), die hierin
durch Bezugnahme in ihrer Gänze
eingeschlossen wird.
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Wenn
ns-Pulse erzeugt werden, ist es am kosteneffizientesten, aktives
oder passives Q-Switching zu verwenden. Solch eine Systemkonfiguration wird
in 21 gezeigt. Das System 100 ist sehr ähnlich zu
dem System, das schon mit Bezug auf 16 beschrieben
wurde. Jedoch wird ein optischer Modulator 118 vor einem
der Resonator-Spiegel (in diesem Fall das Faser-Bragg-Gitter 117)
hinzugefügt.
Zwei zusätzliche
Linsen 119, 120 (oder allgemeiner ein Linsensystem
oder Einkopplungssystem) werden verwendet, um Licht aus dem Output-Ende
des Faserdrahts mit Verjüngung 116 in
den Modenfilter 117 zu koppeln. Ein Multimoden-Faserdraht 101 kann
als das aktive Gain-Element verwendet werden. Ein nahezu beugungsfreier
Betrieb des Systems wird durch das Moden-Filtern der Verjüngung 116 in
Verbindung mit dem Faser-Bragg-Gitter 117 erhalten. Allgemeiner
können
Wellenleiterdrähte
auch in dieser Systemkonfiguration verwirklicht werden. Da die Pulsenergie,
die in solchen Systemen erzeugt werden kann, einige wenige mJ übertreffen
kann, kann ein Modenfilter, der auf einem räumlichen Filter basiert, an
einem Ende des Resonators verwendet werden. Alternativ kann die
Verjüngung 116 weggelassen
werden und die Faser 117 kann durch eine Einzelmoden-Faser
mit Luftlöchern
ersetzt werden, um Moden-Filtern bereitzustellen. Das Moden-Filtern
kann auch durch Formen des Wellenleiterdrahts 101 in eine
gekrümmte
Form erhalten werden. Ein Spiegel kann dann an einem Ende der Faser
mit Luftlöchern
eingebaut werden, um eine zweite reflexive Struktur über die
Konstruktion eines Resonators bereitzustellen. Solche Resonator-Verwirklichungen
werden nicht separat gezeigt.
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Die
ultragroßen
Modenfasern- und -drähte, die
oben diskutiert wurden, sind besonders geeignet für ein Spektrum
von Bearbeitungs- und Markieranwendungen, die das Bearbeiten von
Metallen, Keramiken, Gläsern,
Halbleitern, Kristallen, biologischen Systemen und anderen umfassen,
um nur wenige Bespiele zu erwähnen.
Da die obigen Systeme die Erzeugung von Pulsen mit Energien von
einigen wenigen mJ bis zu durchschnittlichen Leistungen von einigen
zehn W erlauben, wird für
Laserbearbeitung ein sehr hoher Durchsatz möglich. Die Outputs können auch
nahezu beugungsbegrenzt sein. Solche Systeme schließen Positioniersysteme
wie Verschieber zum Verschieben des Werkstücks oder bewegliche Optik (zum
Beispiel bewegliche Spiegel oder Linsen etc.) ein. Andere Konfigurationen
sind möglich.
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Darüber hinaus
sind verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung oben beschrieben worden. Obwohl diese Erfindung mit
Bezug auf diese spezifischen Ausführungsformen beschrieben worden
ist, ist es für
die Beschreibungen beabsichtigt, dass sie veranschaulichend für die Erfindung
sind, aber nicht beabsichtigt, dass sie begrenzend sind. Verschiedene
Abänderungen
und Anwendungen können
den Fachleuten einfallen, ohne vom wahren Geist und Umfang der Erfindung
abzuweichen, wie sie in den angehängten Patentansprüchen definiert ist.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung werden wie folgt erwähnt:
- 1. Eine optische
Faser zum Ausbreiten von mindestens einer Mode niedriger Ordnung,
die eine Wellenlänge λ hat, während sei
die Ausbreitung von Moden höherer
Ordnung, die eine Wellenlänge λ haben, begrenzt
durch das Versehen der Moden höherer
Ordnung mit einem höheren
Verlust als die mindestens eine Mode niedriger Ordnung bei der Wellenlänge λ, wobei die
optische Faser umfasst:
einen ersten Mantelbereich, der ein
oder mehr Mantelmerkmale umfasst; und
einen Kernbereich, der
von dem ersten Mantelbereich umgeben ist, wobei die Mantelmerkmale
konfiguriert sind, um die Ausbreitung der Mode niedriger Ordnung
im Wesentlichen auf den Kernbereich zu beschränken,
wobei der Kernbereich
eine Breite von mindestens ungefähr
20 μm hat, wobei
der Kernbereich konfiguriert ist, um einen Verlust für die Moden
höherer
Ordnung von mindestens ungefähr
0,5 dB zu liefern.
- 2. Die optische Faser gemäß Anspruch
1, wobei der Kernbereich so konfiguriert ist, um einen Verlust für die Moden
höherer
Ordnung von mindestens ungefähr
1 dB zu liefern.
- 3. Die optische Faser gemäß Anspruch
1, wobei die Breite des Kernbereichs mindestens ungefähr 40 μm ist.
- 4. Die optische Faser gemäß Anspruch
1, wobei die Merkmale eine minimale Größe d haben, die ein Verhältnis von
d/λ von
mindestens ungefähr
10 ergibt.
- 5. Die optische Faser gemäß Anspruch
4, wobei das Verhältnis
von d/λ mindestens
ungefähr
20 ist.
- 6. Die optische Faser gemäß Anspruch
1, wobei die Mantelmerkmale in einer einzigen Reihe angeordnet sind.
- 7. Die optische Faser gemäß Anspruch
1, wobei der Kern und die Mantelbereiche in einem wesentlich optisch übertragenden
Hauptkörper
der optischen Faser sind, wobei der Hauptkörper ein Material aufweist,
das im Wesentlichen optisch übertragend
bei der Wellenlänge λ ist, wobei
der Hauptkörper
eine Breite und Dicke von mindestens ungefähr 250 μm hat, um Modenkopplung der
Moden niedriger Ordnung mit den Moden höherer Ordnung zu reduzieren.
- 8. Die optische Faser gemäß Anspruch
7, wobei die Breite und Dicke des Hauptkörpers mindestens ungefähr 500 μm ist.
- 9. Die optische Faser gemäß Anspruch
1, wobei der Kern und die Mantelbereiche so konfiguriert werden, so
dass der Kernbereich einen nahezu beugungsbegrenzten Output-Strahl
ausgibt.
- 10. Ein optischer Verstärker,
der eine optische Faser gemäß Anspruch
1 umfasst, wobei der Kernbereich dotiert ist, um optischen Gain
zu liefern.
- 11. Ein System, das den optischen Verstärker gemäß Anspruch 10 umfasst, wobei
die Pulsenergie des Outputs 1 μJ übersteigt.
- 12. Ein optisches System zur Erzeugung von Solitonen hoher Leistung,
das die optische Faser des Anspruchs 1 umfasst.
- 13. Ein Lasersystem, das die optische Faser des Anspruchs 1
umfasst, wobei die optische Faser mit Dotierungen dotiert ist, die
für die
optische Faser Gain bereitstellen, und wobei die optische Faser
an Reflektionselemente optisch gekoppelt ist, die einen optischen
Resonator bilden.
- 14. Eine Faser gemäß Anspruch
13, wobei mindestens eines der reflexiven Elemente ein Bragg-Gitter einer
optischen Faser aufweist.
- 15. Ein Faserlaser gemäß Anspruch
13, wobei die Faser eine Nd-dotierte Faser aufweist, die konfiguriert
ist, Laserlicht zwischen 900 und 960 Nanometern abzugeben.
- 16. Ein Faserlaser gemäß Anspruch
13, wobei die Faser eine Ytterbium-dotierte Faser umfasst, die konfiguriert
ist, Laserlicht zwischen ungefähr
900 bis 1000 Nanometern abzugeben.
- 17. Ein Chirped-Pulse-Verstärkungssystem
für die Verstärkung von
Pikosekunden- oder Femtosekunden-Pulsen, das die Faser die Anspruchs
10 und einen Puls-Kompressor umfasst.
- 18. Das Chirped-Pulse-Verstärkungssystem
des Anspruchs 17, weiterhin mindestens ein Frequenzwandlungselement
enthaltend.
- 19. Ein Lasermikrobearbeitungssystem, das das Chirped-Pulse-Verstärkungssystem
des Anspruchs 17 und ein Positionierungssystem umfasst.
- 20. Ein Q-Switched-Laser, umfassend:
eine Faser gemäß Anspruch
10;
einen optischer Resonator, wobei sich die optische Faser
innerhalb des Resonators befindet;
einen schnellen optischen
Schalter, der im optischen Resonator enthalten ist und
eine
Pumpquelle, die konfiguriert ist, um die optische Faser zu pumpen.
- 21. Ein Laser-Mikrobearbeitungssystem, das den Q-Switched-Laser
des Anspruchs 20 und ein Positionierungssystem aufweist.
- 22. Ein optisches Laser-Liefersystem für Hochleistungsdauerstrich-
oder gepulste Lasersysteme, welches die optische Faser des Anspruchs
1 aufweist.
- 23. Ein optischer Faser-Compressor für ein Lasersystem mit hoher
Leistung, das die optische Faser des Anspruchs 1 aufweist.
- 24. Eine optische Faser gemäß Anspruch
1, wobei der Kern und die Mantelbereiche Polymermaterialien aufweisen.
- 25. Ein optisches Gerät,
das die Faser in Anspruch 24 umfasst.
- 26. Ein optisches Gerät,
wobei die mindestens eine Mode niedriger Ordnung mindestens 10 optische
Moden oder weniger umfasst.
- 27. Ein optisches Gerät,
wobei die mindestens eine Mode niedriger Ordnung nicht mehr als
5 optische Moden umfasst.
- 28. Eine optische Faser zum Ausbreiten von mindestens einer
Mode niedriger Ordnung, die eine Wellenlänge λ hat, während sie die Ausbreitung von
Moden höherer
Ordnung, die eine Wellenlänge λ haben, begrenzt
durch Versehen der Moden höherer
Ordnung mit einem höheren
Verlust als die mindestens eine Mode niedriger Ordnung bei der Wellenlänge λ, wobei die
optische Faser umfasst:
einen ersten Mantelbereich, der ein
oder mehr Mantelmerkmale umfasst, die konfiguriert sind, um einen teilweise
umschlossenen Bereich zu bilden, wobei der teilweise umschlossene
Bereich mindestens eine Öffnung
darin hat, die durch einen oder mehrere Räume in dem teilweise umschlossenen
Bereich gebildet wird, wobei das eine oder mehr Merkmal eine maximale
Merkmalsgröße d und
eine maximale Brückenweite
a hat, wobei die maximale Brückenweite teilweise
die Größe des einen
oder mehr Raumes in dem teilweise umschlossenen Bereich bestimmt
und
einen Kernbereich, der vom ersten Mantelbereich umgeben
ist, wobei die Mantelmerkmale so konfiguriert sind, um die Ausbreitung
der Moden niedriger Ordnung im Wesentlichen auf den Kernbereich
zu beschränken,
wobei
die maximale Brückenweite
a und die maximale Merkmalsgröße d ein
Verhältnis
von a/λ ergeben, das
mindestens ungefähr
5 ist und ein Verhältnis
von d/λ,
das mindestens ungefähr
10 ist, womit sie eine vergrößerte effektive
Kerngröße, Einsperrung
der mindestens einen Mode niedriger Ordnung und Verringerung der
Moden höherer
Ordnung liefern.
- 29. Die optische Faser gemäß Anspruch
28, wobei die Mantelmerkmale Bereiche eines Materials mit einem
niedrigeren Brechungsindex als dem des Kernbereich aufweisen.
- 30. Die optische Faser gemäß Anspruch
28, wobei das Verhältnis
von d/λ mindestens
ungefähr
20 ist.
- 31. Die optische Faser gemäß Anspruch
28, wobei das Verhältnis
von d/λ mindestens
ungefähr
40 ist.
- 32. Die optische Faser gemäß Anspruch
28, wobei das Verhältnis
von a/λ mindestens
ungefähr
10 ist.
- 33. Die optische Faser gemäß Anspruch
28, wobei die Mantelmerkmale im Wesentlichen in einem Kreis angeordnet
sind.
- 34. Die optische Faser gemäß Anspruch
28, wobei die Mantelmerkmale im Wesentlichen in nicht mehr als zwei
Ringen um den Kernbereich angeordnet sind.
- 35. Die optische Faser gemäß Anspruch
34, wobei die Mantelmerkmale im Wesentlichen in nicht mehr als einem
Ring um den Kernbereich angeordnet sind.
- 36. Die optische Faser gemäß Anspruch
28, wobei die Mantelmerkmale zweidimensionale Asymmetrien haben,
die Doppelbrechung bereitstellen.
- 37. Die optische Faser gemäß Anspruch
28, weiter umfassend Spannungselemente, die zweidimensionale Asymmetrien
erzeugen und Doppelbrechung bereitstellen.
- 38. Die optische Faser gemäß Anspruch
28, weiterhin mindestens einen Spannung erzeugenden Bereich umfassend.
- 39. Die optische Faser gemäß Anspruch
28, wobei der Kernbereich zwischen ungefähr 20 μm und 300 μm im Durchmesser ist.
- 40. Die optische Faser gemäß Anspruch
28, wobei der Kernbereich mit mindestens einem Seltenerd-Ion dotiert
ist, das Gain liefert.
- 41. Die optische Faser gemäß Anspruch
40, wobei der Kernbereich mit Ytterbium-Ionen dotiert ist.
- 42. Die optische Faser gemäß Anspruch
40, wobei der Kernbereich mit Erbium-Ionen dotiert ist.
- 43. Die optische Faser gemäß Anspruch
28, wobei der erste Mantelbereich von einem zweiten Mantelbereich
umgeben ist.
- 44. Die optische Faser gemäß Anspruch
43, wobei der zweite Mantelbereich ein Polymer mit einem Brechungsindex
aufweist, der niedriger als der des Kernbereichs ist.
- 45. Die optische Faser gemäß Anspruch
43, wobei der zweite Mantelbereich mindestens ein Mantelmerkmal
und eine Brücke
aufweist.
- 46. Die optische Faser gemäß Anspruch
43, wobei die Faser mit einer Strecke einer zweiten nicht wellenleitenden
Faser gespleißt
ist.
- 47. Die optische Faser gemäß Anspruch
43, wobei die Faser mit einer Strecke einer zweiten Faser mit einer
einzelnen Mantel gespleißt
ist, der im Wesent lichen bezüglich
der Abmessung zum zweiten Mantel der Faser passt und Pumpleistung
in die zweite Faser eingekoppelt wird.
- 48. Die optische Faser gemäß Anspruch
28, die weiterhin ein Ende mit einer Verjüngung aufweist.
- 49. Die optische Faser gemäß Anspruch
48, wobei das Ende mit der Verjüngung
mit einer Einzel- oder Wenigmoden-Faser gespleißt und bezüglich der Mode angepasst wird.
- 50. Die optische Faser gemäß Anspruch
28, wobei die Mantelmerkmale Luftlöcher aufweisen und die Luftlöcher an
jedem Ende kollabiert sind, womit die Luftlöcher verschlossen sind und
im Wesentlichen luftlöcherfreie
Enden produziert werden.
- 51. Die optische Faser gemäß Anspruch
28, wobei der optische Wellenleiter aus einem keramischen, kristallinen,
Glas- oder Kunststoffmaterial konstruiert ist.
- 52. Die optische Faser gemäß Anspruch
40, weiter eine Nicht-Wellenleiter-Faser aufweisend, die optisch an mindestens
eines der Enden der optischen Faser angekoppelt ist.
- 53. Ein Wellenleiterdraht zum Ausbreiten von mindestens einer
Mode niedriger Ordnung, die eine Wellenlänge λ hat, während er die Ausbreitung von
Moden höherer
Ordnung, die eine Wellenlänge λ haben, begrenzt
durch das Versehen der Moden höherer Ordnung
mit einem höheren
Verlust als die mindestens eine Mode niedriger Ordnung bei der Wellenlänge λ, wobei der
Draht aufweist:
einen Körper,
der ein Material aufweist, das im Wesentlichen optisch übertragend
bei der Wellenlänge ist,
wobei der Körper
eine Breite und Dicke breiter als ungefähr 250 μm hat;
einen ersten Mantelbereich
in diesem Körper,
wobei der erste Mantelbereich ein oder mehr Mantelmerkmale aufweist,
die konfiguriert sind, um einen teilweise umschlossenen Bereich
zu bilden, wobei der teilweise umschlossene Bereich mindestens eine Öffnung darin
hat, die von einem oder mehr Raum in jenem teilweise umschlossenen
Bereich gebildet wird, wobei das eine oder mehr Merkmal eine maximale Merkmalsgröße d und
eine maximale Brückenweite
a haben, wobei die maximale Brückenweite
teilweise die Größe des einen
oder mehr Raums in dem teilweise umschlossenen Bereich bestimmt
und
einen Kernbereich in diesem Körper, wobei der Kernbereich
von dem ersten Mantelbereich umgeben ist, wobei die Mantelmerkmale
konfiguriert sind, um die Ausbreitung der mindestens einen Mode
niedriger Ordnung im Wesentlichen auf den Kernbereich zu begrenzen,
wobei
die maximale Brückenweite
a und die maximale Merkmalsgröße d jeweils
Werte haben, die ein Verhältnis
von a/λ ergeben,
das mindestens ungefähr
5 ist und ein Verhältnis
von d/λ,
das mindestens ungefähr
10 ist, womit sie eine vergrößerte effektive
Kerngröße, Einsperrung
der mindestens einen Mode niedriger Ordnung und Verringerung der
Moden höherer
Ordnung liefern.
- 54. Ein Wellenleiterdraht gemäß Anspruch 53, weiter einen
zweiten Mantel umfassend, der den ersten Mantelbereich umgibt.
- 55. Ein Wellenleiterdraht gemäß Anspruch 53, wobei der Wellenleiterdraht
gerade ist.
- 56. Ein Wellenleiterdraht gemäß Anspruch 53, wobei der Wellenleiterdraht
gekrümmt
ist, um mindestens eine Wicklung zu bilden.
- 57. Ein Wellenleiterdraht gemäß Anspruch 53, ein Ende mit
einer Verjüngung
oder einen Abschnitt mit einer Verjüngung umfassend.
- 58. Ein optischer Draht zum Ausbreiten von mindestens einer
Mode niedriger Ordnung, die eine Wellenlänge λ hat, während er die Ausbreitung von
Moden höherer
Ordnung begrenzt, die eine Wellenlänge λ haben, durch Versehen der Moden
höherer
Ordnung mit einem höheren
Verlust als die mindestens eine Mode niedriger Ordnung bei der Wellenlänge λ, wobei der
optische Draht umfasst:
einen ersten Mantelbereich, der ein
oder mehr Mantelmerkmale aufweist und
einen Kernbereich, der
von dem Mantelbereich umgeben ist, wobei die Mantelmerkmale konfiguriert sind,
um die Ausbreitung der Moden niedriger Ordnung im Wesentlichen auf
den Kernbereich zu begrenzen, wobei der Kernbereich eine Breite
von mindestens ungefähr
20 μm hat,
wobei
der Kernbereich konfiguriert ist, um einen Verlust der Moden höherer Ordnung
von mindestens ungefähr
0,5 dB zu liefern.
- 59. Der Draht gemäß Anspruch
58, wobei der Kernbereich konfiguriert ist, um einen Verlust für die Moden
höherer
Ordnung von mindestens ungefähr
1 dB zu liefern.
- 60. Der Draht gemäß Anspruch
58, wobei die Breite des Kernbereichs mindestens ungefähr 40 μm Durchmesser
hat.
- 61. Der Draht gemäß Anspruch
58, wobei die Merkmale eine minimale Merkmalsgröße d haben, die ein Verhältnis von
d/λ, das
mindestens ungefähr
10 ist, ergibt.
- 62. Der Draht gemäß Anspruch
58, wobei die Kern- und Mantelbereiche in einem im Wesentlichen
optisch übertragenden
Hauptkörper
des Drahts sind, wobei der Hauptkörper ein Material aufweist,
das im Wesentlichen optisch übertragend
bei der Wellenlänge λ ist, wobei
der Hauptkörper
eine Breite und Dicke von mindestens ungefähr 250 μm hat, so dass er die Modenkopplung
der mindestens einen Mode niedriger Ordnung mit den Moden höherer Ordnung
reduziert.
- 63. Eine hybride Drahtstruktur, aufweisend:
einen Anteil
von löchrigem
Wellenleiterdraht, der mindestens einen Kernbereich und mindestens
einen Mantelbereich umfasst, wobei der Kernbereich durch Luftlöcher, die
den Kernbereich umgeben, begrenzt wird, wobei weiterhin sich Luftlöcher innerhalb
der physikalischen Ausdehnung des Mantelbereichs befinden und
einen
nicht wellenleitenden Anteil, der mit dem Anteil mit löchrigem
Wellenleiterdraht verbunden ist, wobei sich die Luftlöcher entlang
des größten Teils
der Strecke des löchrigen
Wellenleiters erstrecken und bei dem nicht wellenleitenden Drahtanteil
aufhören.
- 64. Die hybride Drahtstruktur gemäß Anspruch 63, wobei der löchrige Wellenleiterdraht
und der Anteil von nicht wellenleitendem Draht monolithisch sind.
- 65. Ein Wellenleiterverstärker,
der den hybriden Draht aus Anspruch 63 umfasst, wobei der nicht
wellenleitenden Draht mit aktiven Ionen dotiert ist, wobei der nicht
wellenleitende Draht weiterhin mit einer Pumpquelle gepumpt wird,
um ein optische Signal, das diesen nicht wellenleitenden Draht durchläuft, zu verstärken.
- 66. Ein Wellenleiterdraht-Verstärker gemäß Anspruch 65, weiterhin eine
Pumpquelle umfassend, die konfiguriert ist, um sowohl den nicht-wellenleitenden
als auch den wellenleitenden Draht zu pumpen.
- 67. Ein löchriger
Wellenleiterdraht umfassend:
ein keramisches oder kristallines
Lasermaterial;
mindestens einen Kernbereich in dem keramischen oder
kristallinen Lasermaterial, wobei der Kernbereich durch Merkmale
begrenzt wird, die den Kernbereich umgeben und
mindestens ein
Mantelbereich im keramischen oder kristallinen Lasermaterial, wobei
die Merkmale innerhalb der physikalischen Ausdehnung des Mantelbereichs
angeordnet sind.
- 68. Der löchrige
Wellenleiterdraht gemäß Anspruch 67,
wobei die Merkmale Luftlöcher
aufweisen.
- 69. Ein löchriger
Wellenlängendraht-Verstärker gemäß Anspruch
67, wobei der keramische oder kristalline Wellenleiterdraht Ti:Saphir,
Yb:Y2O3, Nd:YAG, Nd:YLF,
Nd:YVO4, Nd:KGW, Yb:KGW oder Yb:KYW aufweist.
- 70. Ein Verfahren zum Herstellen eines löchrigen Wellenleiterdraht-Verstärkers, umfassend:
Bereitstellen
eines keramischen oder kristallinen Lasermaterials;
Bilden
von mindestens einem Luftloch, das konfiguriert ist, um einen Kernbereich
in dem keramischen oder kristallinen Lasermaterial zu bilden, wobei
der Kernbereich von dem mindestens einen Luftloch begrenzt wird,
wobei das mindestens eine Luftloch einen Mantelbereich in dem keramischen
oder kristallinen Lasermaterial aufweist.
- 71. Ein Verfahren zum Herstellen eines löchrigen Wellenleiterdrahtverstärkers gemäß Anspruch
70, wobei die Luftlöcher
durch mechanisches Bohren oder Laserabtragung gebildet werden.
- 72. Ein Wellenleiterdraht-Verstärker, umfassend:
einen
Draht, der eine äußere seitliche
Abmessung von mindestens ungefähr
250 μm im
Querschnitt hat;
mindestens einen Mantelbereich und
mindestens
einen dotierten Kernbereich, der eine numerische Apertur von weniger
als ungefähr
0,04 hat, wobei der Kernbereich konfiguriert ist, um ein nahezu beugungsbegrenztes
Input-Signal zu empfangen und einen verstärkten, nahezu beugungsbegrenzten
Output-Strahl auszugeben.
- 73. Der Drahtverstärker
gemäß Anspruch
72, weiter umfassend eine Pumpquelle, die an den Kernbereich optisch
angekoppelt ist.
- 74. Der Drahtverstärker
gemäß Anspruch
72, wobei der Draht im Wesentlichen gerade ist.
- 75. Eine optische Faser zum Ausbreiten von mindestens einer
Mode niedriger Ordnung, die eine Wellenlänge λ hat, während er die Ausbreitung von
Moden höherer
Ordnung begrenzt, die eine Wellenlänge λ haben, durch Versehen der Moden
höherer
Ordnung mit einem höheren
Verlust als die mindestens eine Mode niedriger Ordnung bei der Wellenlänge λ, wobei die
optische Faser umfasst:
einen Mantel;
einen Kern, wobei
dieser Kernbereich eine Breite von mindestens ungefähr 20 Mikrometern
hat,
wobei die Faser so konfiguriert ist, dass (i) die mindestens
eine Mode niedriger Ordnung nicht mehr als 1,0 dB Verlust bei einem
Biegeradius von 30 Zentimetern hat und (ii) die Moden höherer Ordnung
einen Verlust von mindestens 0,5 dB haben.
- 76. Die optische Faser gemäß Anspruch
75, wobei die Zahl der Moden niedriger Ordnung nicht mehr als 10
ist.
- 77. Die optische Faser gemäß Anspruch
76, wobei die Zahl der Moden niedriger Ordnung nicht mehr als 5
ist.
- 78. Die optische Faser gemäß Anspruch
77, wobei die Zahl der Moden niedriger Ordnung nicht mehr als 1
ist.
- 79. Die optische Faser gemäß Anspruch
78, wobei die fundamentale Mode nicht mehr als 0,5 dB an Verlust
bei einem Biegeradius von 10 Zentimetern hat.