DE102006063046B3

DE102006063046B3 - Optische Multimoden-Faser und optische Systeme mit einer solchen Faser

Info

Publication number: DE102006063046B3
Application number: DE102006063046.7A
Authority: DE
Inventors: Liang Dong; William Wong; Martin E. Fermann
Original assignee: IMRA America Inc
Current assignee: IMRA America Inc
Priority date: 2005-05-20
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2022-09-01
Anticipated expiration: 2026-05-23
Also published as: US9664849B2; US20150036703A1; DE102006023976B4; US8571370B2; DE102006023976A1; US20100322575A1; US8290322B2; US9281650B2; US10067289B2; US20060263024A1; US20140044139A1; US20130089113A1; US8873916B2; US7787729B2; US20160291247A1; US8055109B2; US20120099609A1; US20170343730A1

Abstract

Eine optische Multimoden-Faser (500, 140) zum Ausbreiten von mindestens einer Mode niedriger Ordnung, die eine Wellenlänge λ hat und zum Ausbreiten von Moden höherer Ordnung, während die optische Faser die Ausbreitung der 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, wobei die optische Faser umfasst:einen ersten Mantelbereich (143), der eine Mehrzahl von im Wesentlich runden Mantelmerkmalen (142) umfasst, die einen Durchmesser d und einen Abstand von Zentrum zu Zentrum Λ haben, wobei d/A für alle Mantelmerkmale im Bereich von 0,6 bis 0,9 liegt; undeinen Kernbereich (141), der von dem ersten Mantelbereich umgeben ist, wobei die Mantelmerkmale ein erstes Material aufweisen und der Kernbereich ein zweites Material;wobei die Mantelmerkmale konfiguriert sind, um eine Einschließung der mindestens einen Mode niedriger Ordnung auf den Kernbereich bereitzustellen;wobei die optische Multimoden-Faser für den Betrieb bei einer Wellenlänge λ von ungefähr 1 µm ausgelegt ist;wobei der Kernbereich der optischen Faser eine Breite von mindestens 20 µm hat;wobei das Verhältnis Λ / λ größer als 15 ist; undwobei der Kernbereich mit mindestens einem von Nd- oder Yb-Ionen dotiert ist um optischen Gain für eine Verstärkung von Licht bereitzustellen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
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.
TECHNISCHER HINTERGRUND
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.
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 A 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.
In diesem Zusammenhang betrifft WO 2002/039159 A1 eine mikrostrukturierte optische Faser mit einem speziell entwickelten Mantel, um eine Einzelmoden-Wellenführung und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Biegeverlusten zu gewährleisten. Die optische Faser hat eine innere und eine äußere Umhüllung, die jeweils längliche Merkmale aufweisen. Die inneren Mantelmerkmale haben normierte Abmessungen im Bereich von 0,35 bis 0,50 und die äußeren Mantelmerkmale haben normierte Abmessungen im Bereich von 0,5 bis 0,9, wobei der Normierungsfaktor ein typischer Merkmalabstand ist. Die Faser ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Merkmale der inneren Umhüllung größer als 2,0 Mikrometer ist. Weitere optische Fasern und System, die zum technischen Hintergrund der vorliegenden Erfindung zählen sind in US 2002/0159736 A1 , DE 600 04 638 T2 , EP 1 421 420 B1 , DE 11 2005 000197 T5 und EP 1 443 347 A2 sowie in den folgenden beiden Veröffentlichungen beschrieben:

DE MATOS, C.J.S. [et al.]: All-fiber chirped pulse amplification using highlydispersive air-core photonic bandgap fiber. In: Optics Express, Vol. 11, 3 November 2003, No. 22, S. 2832-2837, und
LIMPERT, J. [et al.]: High-power air-clad large-mode-area photonic crystal fiber laser. In: Optics Express, Vol. 11, 7 April 2003, No. 7, S. 818-823.

ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung ist durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche definiert. Spezielle Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen spezifiziert.
Figurenliste

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.
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.
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.
2B zeigt eine gemessenen Modenfeldverteilung (modal field distribution) der hergestellten Faser, die in 2a gezeigt wird und die ModenFeldverteilung, die aus Simulationen erhalten wird.
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.
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.
5A ist ein schematisches Diagramm einer verallgemeinerten Faser.
5B (nicht erfindungsgemäß) 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.
6A, 6B, 6C, 6D, 6E und 6F (bis auf 6C nicht erfindungsgemäß) veranschaulichen alternative Auslegungen, welche nicht kreisförmige Merkmalsformen und Anordnungen benutzen.
7A stellt schematisch ein Design für eine die Polarisation beibehaltende Faser dar, welche einen asymmetrischen Kern aufweist.
7B stellt schematisch die Aufnahme von Spannungselementen um den Kern dar, um eine die Polarisation beibehaltende Faser zu schaffen.
7C ist ein schematisches Diagramm, welches Spannungselemente zeigt, die in Kombination mit einem asymmetrischen Kern und elliptischen Merkmalen benutzt werden.
7D stellt schematisch ein Design für eine die Polarisation beibehaltenden Faser dar, welches kreisförmige Merkmale von variierender Größe benutzt.
7E stellt schematisch ein Design einer die Polarisation beibehaltenden Faser mit Spannungselementen in Kern dar.
8A, 8B und 8C (nicht erfindungsgemäß) stellen Doppelmantel-Strukturen zum Ummanteln von gepumpten Verstärkern und Lasern dar.
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 Kerngröße 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).
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).
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.
12 stellt schematisch ein Beispiel dar, wie die Faser mit großer Modenfläche in einem Verstärkungssystem für hochenergetische Pulse benutzt werden kann.
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).
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.
14B, 14C und 14D zeigen schematisch eine mögliche Durchführung des Designs aus 14A durch das Schließen von Luftlöchern mittels Erhitzen einer Strecke der Faser.
14E stellt schematisch eine erste Faser mit doppelter Ummantelung dar, die mit einer zweiten Faser, die eine einzelne Ummantelung besitzt, gespleißt ist.
15A stellt schematisch einen Querschnitt eines luftummantelten löchrigen Drahts dar.
15B (nicht erfindungsgemäß) stellt schematisch den Querschnitt eines doppelt ummantelten Drahts mit Stufenindex (step index) dar.
15C ist eine Photografie eines löchrigen Drahts mit einfacher Ummantelung.
15D ist eine Seitenansicht, die schematisch einen monolithischen Wellenleiterdraht darstellt.
15E stellt schematisch einen Querschnitt einer Wellenleiter-Platte, welche Luftlöcher aufweist, dar.
15F stellt schematisch einen beispielhaften, gekrümmten Wellenleiter dar.
16 stellt schematisch ein Hochleistungsverstärkersystem dar, welches einen Faser-Draht und eine Vielmoden(MM)-Pumpquelle aufweist.
17 stellt schematisch ein Hochleistungsverstärkersystem dar, welches einen Faserdraht benutzt.
18 stellt schematisch eine Kühlanordnung für einen Wellenleiter-Draht dar.
19 stellt schematisch eine generischen Dauerstrich(cw)-Laserkonfiguration dar, welche je einen Draht mit ultragroßer Mode benutzt.
20A stellt schematisch ein generisches Chirped-Pulse-Verstärkungssystem für Femtosekunden(fs)- oder Picosekunden(ps)-Pulse dar, welches einen ultragroßen Moden-Draht benutzt.
20B stellt schematisch ein generisches Verstärkungssystem für Nanosekunden(ns)-Pulse dar, welches einen ultragroßen Moden-Draht benutzt.
21 stellt schematisch einen generischen Q-Switched-Laser mit Wellenleiter-Draht dar (Q-switched waveguide rod laser).

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINIGER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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.
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 A 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.
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.
In einigen Ausführungsformen kann der äquivalente Lochdurchmesser zu Kantenverhältnis (hole diameter-to-pitch ratio) d/A größer als 0,4 sein in einer Struktur 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Asymmetrische Geometrie z.B. entweder in der Verteilung der Löcher oder/und Form der Löcher kann benutzt werden, um polarisationserhaltende Fasern zu erzeugen. Spannungsinduzierende Elemente können in einer asymmetrischen Weise in Löcher einbezogen werden, um ebenfalls einen polarisationserhaltenden Effekt zu erzielen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 A ). 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).
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.
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.
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.
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.
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.
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 desselben 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.
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.
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.
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.
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.
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 A, 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.
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 A , 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 (veröffentlicht als US 2005/0157998 A1 ), 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.
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.
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 A der Lochabstand von Zentrum zu Zentrum. Der Kernradius p 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.
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 2p 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 10M auf die fundamentale Mode und 20M auf die Mode zweiter Ordnung. Die Kerngröße bezieht sich auf den Kerndurchmesser 2p und ist gleich 2 A - d in dem hexagonalen Fall, der in 1b gezeigt wird.
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.
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. 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 $[= \frac{α}{\sqrt{R_{b e n d}}} exp (- β R_{b e n d})],$
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 × 10⁴ dB cm^0,5/m, β = 1,460 1/cm für Biegen entlang der Ebene BB.
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.
5a und 5b zeigen eine generische Faser 140. Ein Kern 141 in der Faser 140 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.
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 zentralen 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Schadensschwelle niedrig ist. Dies kann einen Schaden der Endfläche am Output-Ende eines Verstärkers verhindern, wo die Leistung am höchsten ist.
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).
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.
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.
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.
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 A nahe dem Durchmesser der Luftlöcher d sein, zum Beispiel d/A > 0,4, um eine verbesserte oder optimale Modenqualität für die fundamentale Mode zu erhalten. Jedoch können auch andere Werte, zum Beispiel Verhältnisse von d/A < 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.
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 B2 . Unter Benutzung von solchen Multikomponentengläsern kann eine effektive numerische Apertur für den Pumpführungsbereich von ungefähr 0,40 oder höher erzielt werden.
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.
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.
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.
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.
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 B1 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.
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.
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.
Verschiedene spezifische Beispiele von verschiedenen Faserdesigns und Drahtdesigns werden unten präsentiert.
Faserdesign-Beispiel 1
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 2p von 50 µm bei einem Betrieb mit ~1 µm Wellenlänge ergibt. Die Brückenbreite a/ λ ist 10 und die normierte Lochgröße d/ λ 30.
Faserdesign-Beispiel 2
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 2p von 100 µm beim Betrieb bei ~ 1 µm Wellenlänge ergibt. Die Brückenbreite a/ λ ist 20 und die normierte Lochgröße d/λ 60.
Faserdesign-Beispiel 3
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 2p von 200 µm bei einem Betrieb bei ~ 1 µm Wellenlänge ergibt. Die Brückenbreite a/λ ist 40 und die normierte Lochgröße d/λ 120.
Faserdesign Beispiel 4
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 2p 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.
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.
Drahtdesign-Beispiel 1
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 nm 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.
Drahtdesign-Beispiel 2
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 mn 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 mn erreicht werden. Ein äußerer Faserdurchmesser von ungefähr 250 µm bis zu ungefähr 10 mm und größer kann verwendet werden.
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.
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.
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 $\sqrt{2}$
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.
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.
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.
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 Schadensschwelle der Faserdrahtenden zu erhöhen oder zu maximieren.
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. Gain-medien 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 kleinen Biegeverlusts eines löchrigen Wellenleiterdrahts 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.
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.
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.
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 Multimodenpumpe 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.
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.
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. 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.
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.
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.
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 (veröffentlicht als US 2005/0105865 A1 ) 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 10/992762 ( US 2005/0105865 A1 ). 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. 10/927374 ( US 2005/0041702 A1 ), 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.
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 ( US 2005/0238070 A1 ) 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.
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.
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.

Claims

Eine optische Multimoden-Faser (500, 140) zum Ausbreiten von mindestens einer Mode niedriger Ordnung, die eine Wellenlänge λ hat und zum Ausbreiten von Moden höherer Ordnung, während die optische Faser die Ausbreitung der 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, wobei die optische Faser umfasst: einen ersten Mantelbereich (143), der eine Mehrzahl von im Wesentlich runden Mantelmerkmalen (142) umfasst, die einen Durchmesser d und einen Abstand von Zentrum zu Zentrum Λ haben, wobei d/A für alle Mantelmerkmale im Bereich von 0,6 bis 0,9 liegt; und einen Kernbereich (141), der von dem ersten Mantelbereich umgeben ist, wobei die Mantelmerkmale ein erstes Material aufweisen und der Kernbereich ein zweites Material; wobei die Mantelmerkmale konfiguriert sind, um eine Einschließung der mindestens einen Mode niedriger Ordnung auf den Kernbereich bereitzustellen; wobei die optische Multimoden-Faser für den Betrieb bei einer Wellenlänge λ von ungefähr 1 µm ausgelegt ist; wobei der Kernbereich der optischen Faser eine Breite von mindestens 20 µm hat; wobei das Verhältnis Λ / λ größer als 15 ist; und wobei der Kernbereich mit mindestens einem von Nd- oder Yb-Ionen dotiert ist um optischen Gain für eine Verstärkung von Licht bereitzustellen.
Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei der Kern und die Mantelbereiche in einem optisch übertragenden Hauptkörper der optischen Faser sind, wobei der Hauptkörper ein Material aufweist, das optisch übertragend bei der Wellenlänge λ ist, wobei der Hauptkörper eine Breite und Dicke von mindestens 250 µm hat, um Modenkopplung der Moden niedriger Ordnung mit den Moden höherer Ordnung zu reduzieren.
Die optische Faser gemäß Anspruch 2, wobei die Breite und Dicke des Hauptkörpers mindestens 500 µm ist.
Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei Spannungselemente in oder um den Kernbereich angeordnet sind, um Doppelbrechung zu erzeugen und die Spannungselemente vorzugsweise aus Bor-dotiertem Quarzglas gefertigt sind..
Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei ein Verhältnis von d/λ mindestens 10 ist.
Die optische Faser gemäß Anspruch 5, wobei das Verhältnis von d/λ mindestens 20 ist.
Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei die Mantelmerkmale in einem einzigen Ring angeordnet sind.
Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei die Faser mit einer Strecke einer zweiten nicht wellenleitenden Faser gespleißt ist.
Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei die Faser so konfiguriert ist, dass die Moden höherer Ordnung einen Verlust von mindestens 0,5 dB / m haben.
Die optische Faser gemäß Anspruch 9, wobei die Zahl der Moden niedriger Ordnung nicht mehr als 10 ist.
Die optische Faser gemäß Anspruch 10, wobei die Zahl der Moden niedriger Ordnung nicht mehr als 5 ist.
Die optische Faser gemäß Anspruch 11, wobei die Zahl der Moden niedriger Ordnung nicht mehr als 1 ist.
Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei die fundamentale Mode nicht mehr als 0,5 dB / m an Verlust bei einem Biegeradius von 10 Zentimetern hat.
Ein optischer Verstärker, der eine optische Faser gemäß Anspruch 1 umfasst, wobei der Kernbereich dotiert ist, um optischen Gain zu liefern.
Ein System, das den optischen Verstärker gemäß Anspruch 14 umfasst, wobei die Pulsenergie des Outputs 1 µJ übersteigt.
Ein optisches System zur Erzeugung von Solitonen hoher Leistung, das die optische Faser des Anspruchs 1 umfasst.
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.
Ein Chirped-Pulse-Verstärkungssystem für die Verstärkung von Pikosekunden- oder Femtosekunden-Pulsen, das den optischen Verstärker gemäß Anspruch 14 und einen Puls-Kompressor umfasst.
Ein Lasermikrobearbeitungssystem, das das Chirped-Pulse-Verstärkungssystem des Anspruchs 18 und ein Positionierungssystem umfasst.
Eine optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei der Kern und die Mantelbereiche Polymermaterialien aufweisen.
Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei der Brechungsindex des ersten Materials geringer ist als der des zweiten Materials.
Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei das Verhältnis von d/λ mindestens 20 ist.
Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei das Verhältnis von d/λ mindestens 40 ist.
Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei die Mantelmerkmale des ersten Mantelbereichs durch Brücken, welche eine Brückenweite a haben, getrennt sind und wobei das Verhältnis von a/λ mindestens 10 ist.
Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei die Mantelmerkmale in nicht mehr als zwei Ringen um den Kernbereich angeordnet sind.
Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei der Kernbereich zwischen 20 µm und 300 µm im Durchmesser ist.
Die optische Faser gemäß Anspruch 1, wobei der erste Mantelbereich von einem zweiten Mantelbereich umgeben ist.
Die optische Faser gemäß Anspruch 27, wobei der zweite Mantelbereich ein Polymer mit einem Brechungsindex aufweist, der niedriger als der des Kernbereichs ist.
Die optische Faser gemäß Anspruch 27, wobei der zweite Mantelbereich mindestens ein Loch und eine Brücke aufweist.
Die optische Faser gemäß Anspruch 27, wobei die Faser mit einer Strecke einer zweiten Faser mit einem einzelnen Mantel gespleißt ist, der bezüglich der Abmessung zum zweiten Mantel der Faser passt und Pumpleistung in die zweite Faser eingekoppelt wird.
Die optische Faser gemäß Anspruch 1, die weiterhin ein Ende mit einer Verjüngung aufweist.
Die optische Faser gemäß Anspruch 31, wobei das Ende mit der Verjüngung mit einer Einzel- oder Wenigmoden-Faser gespleißt und bezüglich der Mode angepasst wird.