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1. Hintergrund der Erfindung
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Die
Offenbarung bezieht sich allgemein auf einen Hochleistungs-Faserlaserverstärker
und insbesondere einen Hochleistungs-Faserlaserverstärker, der
die Enden von Faserverstärkern in einem verjüngten
Faserbündel miteinander verbindet, um die Strahlen mit
verbessertem Füllfaktor zusammenzuführen.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Hochleistungs-Laserverstärker
haben viele Anwendungen einschließlich industrieller, gewerblicher,
militärischer und anderer Anwendungen. Die Konstrukteure
von Laserverstärkern suchen ständig nach neuen
Wegen zur Erhöhung der Leistung der Laserverstärker
für diese Anwendungen. Eine bekannte Bauform eines Laserverstärkers
ist ein Faserlaserverstärker, der dotierte Lichtleitfasern
und Pumplaser zur Erzeugung des Laserstrahls einsetzt. Üblicherweise
verwendet ein Hochleistungs-Faserlaserverstärker eine Lichtleitfaser,
die einen aktiven Kern mit einem Durchmesser von etwa 10–20 μm
oder mehr aufweist. Moderne Faserlaserverstärkerkonstruktionen
haben Einzelfaserleistungswerte von bis zu 5 kW erzielt. Einige
Faserverstärker-Systeme verwenden Mehrfach-Faserlaserverstärker
und bündeln sie auf bestimmte Weise zu höheren
Leistungen.
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Eine
besondere Herausforderung für die Konstruktion von Faserlaserverstärkern
ist die Bündelung der Strahlen jeder Faser auf kohärente
Weise, so dass die Strahlen einen einzigen Ausgangsstrahl mit einer
einheitlichen Phase über den Strahldurchmesser so erzeugen,
dass der Strahl auf einen kleinen Brennpunkt fokussiert werden kann.
Das Fokussieren eines zusammengeführten bzw. gebündelten
Strahls über eine große Entfernung (Fernfeld)
auf einen kleinen Punkt bestimmt die Qualität des Strahls,
wobei gilt, je kohärenter die einzelnen Faserstrahlen sind,
je gleichförmiger ist die zusammengeführte Phase
und je besser ist die Strahlqualität.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In 1 ist
eine schematische Draufsicht auf einen bekannten Faserlaserverstärker
mit einer Faserlinsenmatrix gezeigt;
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In 2 ist
eine Querschnittsansicht der Faserlinsenmatrix, die in dem in 1 gezeigten
Faserverstärker verwendet wird, dargestellt;
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3 ist
eine schematische Draufsicht auf einen bekannten Faserlaserverstärker
mit einem optischen Beugungselement DOE;
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4 zeigt
eine schematische Draufsicht auf einen Faserlaserverstärker
mit einem verjüngten Faserbündel und einem Phasendetektor
für den Strahl;
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5 ist
eine Darstellung eines verjüngten Faserbündels
und einer Endkappe;
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6 zeigt
eine Querschnittsansicht des Eintrittsendes des in 5 dargestellten
verjüngten Faserbündels;
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In 7 ist
eine Querschnittsansicht des Austrittsendes des in 5 dargestellten
verjüngten Faserbündels dargestellt;
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8 zeigt
das Profil der Strahlintensität im Nahfeld des aus dem
in 5 gezeigten verjüngten Faserbündel
austretenden Ausgangsstrahls;
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9 ist
ein Diagramm mit dem Kerndurchmesser auf der horizontalen Achse
und dem wirksamen Modendurchmesser auf der vertikalen Achse, das
den wirksamen Durchmesser einer Stufenindexfaser wiedergibt;
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10 zeigt
das Profil der Strahlintensitätsverteilung im Nahfeld eines
Faserbündels aus 7 eng gepackten Fasern vor deren Verjüngung;
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11 zeigt
das Profil der Intensitätsverteilung im Strahl im Nahfeld
des in 10 gezeigten Faserbündels
aus 7 eng gepackten Fasern nach deren Verjüngung;
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12 zeigt
das Profil der Intensitätsverteilung im Strahl im Nahfeld
eines Bündels aus 19 eng gepackten Fasern;
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13 zeigt
eine Querschnittsansicht des Eintrittsendes eines verjüngten
Faserbündels mit einem Glasmantel mit niedrigem Brechungsindex;
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14 ist
eine Querschnittsansicht des Austrittsendes des in 13 gezeigten
Faserbündels mit dem Glasmantel mit niedrigem Brechungsindex;
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15 ist
eine perspektivische Ansicht einer Endkappe für ein verjüngtes
Faserbündel mit einer negativ brechenden (streuenden) GRIN-Linse;
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in 16 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer mehrteiligen Endkappe für
ein verjüngtes Faserbündel;
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17 ist
eine perspektivische Ansicht einer verjüngten bzw. konischen
Endkappe für ein verjüngtes Faserbündel;
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18 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer mehrteiligen Endkappe für
ein verjüngtes Faserbündel mit einer positiv brechenden
GRIN-Linse;
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19 ist
eine schematische Ansicht eines Faserlaserverstärkers mit
einem verjüngten Faserbündel, einem Faserphasendetektor
und einem Faserpolarisationsprozessoren;
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20 ist
eine Querschnittsansicht einer Mehrkernfaser;
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21 ist
eine Darstellung der in 20 gezeigten
Mehrkernfaser;
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22 ist
eine schematische Draufsicht auf einen Faserlaserverstärker
mit einer Vielzahl von Master- bzw. Hauptoszillatoren, verjüngten
Faserbündeln und Phasendetektoren;
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23 ist
eine schematische Ansicht eines Faserlaserverstärkers mit
einer Vielzahl von Hauptoszillatoren, einem SBC-Gitter und einer
Vielzahl von Phasenprozessoren;
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24 ist
eine schematische Draufsicht auf einen Faserverstärker
mit einer Vielzahl von Hauptoszillatoren, einem SBC-Gitter, Phasendetektoren
und Faserpolarisationsreglern;
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25 ist
eine schematische Draufsicht auf einen Faserlaserverstärker
mit einer Vielzahl von Hauptoszillatoren, einer Vielzahl von Vor-Streugittern und
einem SBC-Gitter;
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26 ist
eine schematische Draufsicht auf einen Faserlaserverstärker
mit einer Vielzahl von Hauptoszillatoren und einem SBC Gitter sowie
einem treppenförmigen Spiegel;
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27 ist
eine schematische Draufsicht auf einen bekannten Faserlaserverstärker
mit einer Monomodefaser und einem Vorverstärker;
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28 ist
eine schematische Draufsicht auf einen Faserlaserverstärker
mit einem verjüngten Faserbündel, einer Rückkopplungs-Monomodefaser,
einem Vorverstärker und einem Strahlsampler (Strahl-Probennehmer);
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29 ist
eine schematische Draufsicht auf einen Faserlaserverstärker
mit einem verjüngten Faserbündel, eine Rückkopplung-Monomodefaser,
einem Vorverstärker und Faserpolarisationsreglern, und
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30 zeigt
eine schematische Draufsicht auf einen Faserlaserverstärker
mit einem verjüngten Faserbündel, einer Rückkopplung-Monomodefaser, einem
Vorverstärker und einem Sampel-Gitter (Probenahmegitter).
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Ausführliche Beschreibung
der Ausführungsformen
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Die
nachfolgende Erörterung der Ausführungsformen
der Offenbarung ist auf Faserlaserverstärker, kurz Faserverstärker,
mit verjüngten Faser- bzw. Lichtleiterbündeln
gerichtet und ist nur exemplarisch. Es ist in keiner Weise beabsichtigt,
die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken.
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1 stellt
eine schematische Draufsicht auf ein bekanntes Faserlaserverstärkersystem
10 mit
einem Hauptoszillator
12 bzw. Masteroscillator (MO), der
einen Signalstrahl auf einem Faserleiter
14 erzeugt, dar.
Ein Faserlaserverstärkersystem der in
1 gezeigten
Bauweise kann in der
US Patentschrift
Nr. 6 708 003 aufgefunden werden, die am 16. März
2004 an Wickham et al unter dem Titel ”Optical Energy Transmission
System Utilizing Precise Phase and Amplitude Control” erteilt
und an den Rechtsnachfolger dieser Anmeldung übertragen
wurde und die in diese Beschreibung durch Bezugnahme aufgenommen
wird. Der Signalstrahl wird in eine bestimmte Anzahl von Teilstrahlen
mit Hilfe eines Strahlteilers und Phasenmodulatoren
16 aufgeteilt,
wobei für jeden abgeteilten Strahl ein separater Phasenmodulator
16 vorgesehen
ist. Der Strahlteiler und der Phasenmodulator sind tatsächlich
zwei voneinander getrennte Vorrichtungen, sind aber hier als ein
einziges Bauteil dargestellt, da sie auf einem einzigen Chip implementiert
sein können. Die Phasenmodulatoren
16 stellen
die Phase jedes abgeteilten bzw. Teilstrahls ein, sodass alle Strahlen
in einem zusammengeführten bzw. gemeinsamen Ausgangsstrahl
26 miteinander
in Phase sind, wie dies mit weiteren Einzelheiten an späterer
Stelle erläutert wird. Anschließend werden die
Teilstrahlen aus den Phasenmodulatoren
16 an Faserverstärker
18 geleitet,
bei denen Verstärker
20 den dotierten, verstärkenden
Teil des Faserverstärkers
18 wiedergeben, der
einen nicht dargestellten optischen Pumpstrahl empfängt.
Die verstärkten Faserstrahlen bzw. fasergeführten
Strahlen (fiber beams) aus den Verstärkern
18 werden
dann zu einer Faserlinsenmatrix
22 mit einer zylindrischen Faserlinse
24 für
jeden Faserverstärker
18 geleitet, bei der die
einzelnen Linsen
24 zu der Matrix
22 miteinander
verbunden sind, so dass alle Faserstrahlen dort zu dem zusammengeführten
bzw. gemeinsamen Ausgangsstrahl
26 vereinigt sind. Die
Faserlinsenmatrix
22 richtet jeden der Faserstrahlen parallel
und richtet ihn präzise aus, um eine kachelförmige
Matrix parallel gerichteter Strahlen zu bilden. Der zusammengeführte
Ausgangsstrahl
26 wird an einen Strahlsampler (Strahlprobennehmer)
28 geleitet,
der den Strahl
26 aufteilt, wobei der größte
Teil der Strahlintensität als der Ausgangsstrahl des Systems
bzw. der Vorrichtung
10 abgegeben wird.
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Der
Haupt- bzw. Masteroscillator MO 12 erzeugt weiterhin einen
Referenzstrahl auf einer Faser (einem Lichtleiter) 30,
der mit Hilfe eines Faserverstärkers 32 verstärkt
und mit einer Linse 34 parallel gerichtet wird. Der parallel
gerichtete Referenzstrahl aus der Linse 34 wird an den
Strahlsampler 28 geleitet, in dem der Referenzstrahl mit
jedem der Faserstrahlen in dem zusammengeführten bzw. gemeinsamen
Strahl 26 in Wechselwirkung tritt, um ein Interferenzmuster
zwischen dem Referenzstrahl und jedem einzelnen der Faserstrahlen
zu erzeugen. Die in Wechselwirkung getretenen Strahlen werden mit
Hilfe von Linsen 36 auf eine Matrix (array) von Phasendetektoren 38 gerichtet,
in der ein separater Phasendetektor 38 für jeden
der einzelnen Faserstrahlen vorgesehen ist. Ein elektrisches Signal,
das das Interferenzmuster zwischen den Strahlen von den Detektoren 38 definiert,
wird an einen Phasenprozessor und Regler 40 geleitet, der
Phasenkorrektursignale an jeden der Phasenmodulatoren 16 sendet,
um die Phase der Teilstrahlen aus dem Hauptoscillator MO 12 nachzujustieren
bzw. nachzustellen, so dass sie alle in Phase miteinander stehen
und der Ausgangsstrahl 26 ein kohärenter Strahl
ist, der im Fernfeld scharf fokussiert werden kann.
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2 zeigt
einen Querschnitt der Linsenmatrix 22 mit den einzelnen
Linsen 24. Aus dieser Anordnung ergibt sich augenscheinlich,
dass die zylindrische Form der Linsen 24 einen Totraum 42 zwischen
den Linsen 24 erzeugt, der zu einem verminderten Füllgrad
führt, der als der Anteil der gemeinsamen Strahlfläche,
die von den Hochleistungsstrahlen eingenommen wird, definiert ist.
Wie auf diesem Gebiet üblich, bedeutet ein verbesserter
Füllfaktor einen größeren Füllfaktor
und eine bessere Strahlqualität oder Fokussierbarkeit auf
einen kleineren streuungsbegrenzten Punkt. Dadurch, dass die Strahlen
untereinander phasengleich und in große Nähe zueinander
gebracht sind, ist die Strahlqualität des Ausgangsstrahls 26 verbessert
und es kann auf einen kleinen Punkt fokussiert werden. Es ist daher
wünschenswert, die Linsen 24 so eng wie möglich
zu packen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass der tatsächliche,
durch den Kern jeder einzelnen Faser sich ausbreitende Strahl ein
Gaussscher Strahl ist, der ein glockenförmiges Strahlprofil
mit einer höheren Intensität in der Mitte und
zum Rand hin abfallender Intensität hat. Wenn ein eng gepacktes
Feld von Gaussschen Strahlen fokussiert wird, wird der mittlere
Fokusbereich üblicherweise nur etwa 60% der Leistung bzw.
Energie des gemeinsamen Strahls aufgrund der Gaussschen Form und
des zwischen den Strahlen liegenden toten Raums aufweisen. Folglich resultiert
der verminderte Füllfaktor des gemeinsamen Strahlfeldes
aus einer Kombination von Gaussschem Profil der einzelnen Strahlen
und des jeweils zwischen ihnen liegenden toten Raums 42,
so dass die gemeinsame Ausgangsleistung, die auf den zentralen Fernfeldfokusbereich
fokussiert ist, durch den Füllfaktor bestimmt wird, was
etwa 60% der gesamten Strahlleistung ausmacht.
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3 zeigt
eine schematische Draufsicht auf eine bekannte faseroptische Verstärkervorrichtung
50,
die den zuvor erörterten Füllfaktor eliminiert und
in der gleiche Teile der Vorrichtung
10 mit den gleichen
Bezugszeichen wie zuvor bezeichnet sind. Ein Faserverstärker
dieser Bauart kann in der
US
Patentschrift Nr. 7,440,174 gefunden werden, die am 21 Oktober
2008 an Rice et al ausgegeben wurde und den Titel: ”Coherent
Fiber Diffractive Optical Element Beam Combiner” trägt
und an den gleichen Rechtsinhaber wie den der vorliegenden Anmeldung übertragen
worden ist und die durch Bezugnahme in diese beschreibung aufgenommen
wird. Bei dieser Ausführungsform sind die Faserverstärker
18 zu
einer einzigen Fasermatrix
52 gespleißt, um ein
Feld eng beieinander liegender Ausgangsstrahlen
54 zu erzeugen.
Die Ausgangsstahlen
54 werden mithilfe einer Linse
56 parallel gerichtet
und werden dann an ein optisches Beugungselement (DOE)
58 geleitet,
das die Strahlen kombiniert, wenn sie genau ausgerichtet und in
Phase gebracht worden sind. Die aus dem optischen Beugungselement
austretenden gebeugten Strahlen, die unter dem gleichen Winkel abgegeben werden,
werden an einen Strahlsampler
60 (Strahlprobennehmer) geleitet,
der die Strahlen aufteilt, wobei der größte Teil
des zusammengeführten Strahls den Ausgangsstrahl der Vorrichtung
50 bildet.
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Der
abgetrennte Teil des gemeinsamen Strahls aus dem optischen Beugungselement
DOE
58 wird durch eine Fokussieroptik
52 gesammelt
und an einen Phasendetektor
64 geleitet. Der Phasendetektor
64 misst
die Phase des gemeinsamen Strahls und sendet ein Messsignal an einen
Synchron-Phasenprozessor
66. Durch Erkennen der Phase des
gemeinsamen Strahls kann auf diese Weise der Bezugsstrahl ausgeschaltet
werden und kann ein einziger Phasendetektor verwendet werden. Die
Phase der einzelnen Strahlen kann in dem einen Ausgangsphasendetektor
64 durch
eindeutiges Dithering oder Streuen der einzelnen, den gemeinsamen
Strahl bildenden Faserstrahlen nach Phase oder Amplitude unterschieden
werden, wie beispielsweise unter Verwendung eindeutiger Frequenzen
für die Frequenzmodulation (FM) oder Amplitudenmodulation
(AM) oder eines eindeutigen Codes für einen Codeteilungs-Mehrfachzugriff
(code division multiple access) (CDMA) oder einen Zeitmultiplex-Vielfachzugriff
(time division multiple access) (TDMA) usw., sodass ein Synchron-Detektorkonzept
die einzelnen Phasensignale für jeden Faserstrahl im zusammengeführten
bzw. gemeinsamen Strahl unterscheiden kann. Eine solche Technik
ist in der
US Patentschrift Nr.
7 346 085 beschrieben, die am 18. März 2008 an Rothenberg
et al ausgegeben wurde und den Titel: ”Multi-Stage Method
and System for Coherent Diffractive Beam Combining” trägt
und an den Rechtsinhaber dieser Anmeldung übertragen wurde
und in diese Beschreibung durch Bezugnahme aufgenommen wird. Der
Synchron-Phasenprozessor
66 dekodiert die eindeutigen einzelnen
Phasen in dem Messsignal des Phasendetektors
64 und erzeugt
ein Korrektursignal zu dem gemessenen Phasenfehler für jeden
Faserstrahl, der an den korrespondierenden Phasenmodulator
16 abgegeben
wurde, so dass Nachjustierungen der Phase der einzelnen Faserstrahlen
in dem Faserverstärker
18 dazu führen,
dass alle separaten Faserstrahlen in dem Ausgangsstrahl zueinander
in Phase gebracht sind. Da das Feld von Faserstrahlen
52 zu
einem einzigen Ausgangsstrahl zusammen geführt ist, ist
das Problem des Füllfaktors ausgeschaltet und kann der
Ausgangsstrahl auf einen begrenzten Punkt nahezu ohne Beugung fokussiert
werden, um die theoretische Grenze der Helligkeit, die durch die
gesamte gemeinsame Leistung der Strahlen gegeben ist, fast zu erreichen.
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Die
vom optischen Beugungselement (DOE) 58 stammenden gebeugten
Strahlen 68 haben, anders als der gemeinsame Ausgangsstrahl,
begrenzte Winkeltrennung und erfordern daher eine vergleichsweise
große Weglänge, um die gebeugten Austrittsstrahlen
ausreichend voneinander zu trennen, was die Vorrichtung 50 weniger
kompakt macht. Außerdem muss die Matrix der Ausgangsfasern
mit sehr hoher Präzision untereinander und sehr genau auf das
Ausgangsobjektiv der Vorrichtung 50 ausgerichtet werden,
um einen hohen Wirkungsgrad der Zusammenführung bzw. Vereinigung
zu erzielen. Eine solche Präzisionsausrichtung ist in Gegenwart
der unvermeidbaren thermischen Abstrahlung, die das Vorliegen von
Laserstrahlen mit vielen kW Leistung begleitet, noch herausfordernder.
Daher ist es wünschenswert, ein Faserverstärker-System
mit ausgezeichneter Strahlqualität zu schaffen, die das
Erfordernis der genauen Ausrichtung von Fasermatrices bzw. arrays
auf voluminöse optische Elemente mit freiem Raum (bulky
free space optical elements) vermeidet. Hinzu kommt, dass ein Versuch,
der die Strahlen in einem allumfassenden Strahlenformat zusammenfasst,
eine ideale Packungslösung für das Leistungsskalieren
bei hoher Leistung mit einer einzigen Faserapertur liefern kann,
die dann entweder unmittelbar in ein Teleskop geführt wird
oder als ein Baublock für weitere Strahlkombinationen verwendet werden
kann.
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4 ist
eine schematische Ansicht einer Faserlaserverstärkersystems 70,
das Verbesserungen gegenüber den zuvor erläuterten
Systemen 10 und 50 durch eine Strahlzusammenführung
bzw. -vereinigung mit höherem Füllfaktor und höherer Strahlqualität
in dem Fasermaterial selbst bringt. Bei dem System 70 sind
die gleichen Elemente wie bei den Systemen 10 und 50 mit
den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dieser Ausführungsform
werden die Ausgänge der Faserverstärker 18 mit
dem Eintrittsende eines sich verjüngenden Faserbündels 72 (tapered
fiber bundle) verbunden, das die Faserverstärker 18 in
eine einzige Masse aus Einzelfasern zusammenfasst bzw. vereinigt.
Eine End- bzw. Abschlusskappe 74 ist auf einem Austrittsende
des verjüngten Faserbündels 72 befestigt.
Der Ausgangsstrahl der Endkappe 74 wird durch ein Teleskop 76 mit
einer Eingangsoptik 78 und einer Kollimatoroptik 80 parallel
gerichtet und fokussiert. Auf die zuvor diskutierte Weise wird der
durch Probenahme gewonnene Anteil des gemeinsamen Strahls aus dem Strahlsampler 82 durch
eine Fokussieroptik 84 auf einen Phasendetektor 86 fokussiert,
der die Phase des gemeinsamen Strahls misst und ein elektrisches
Signal über die Phasenmessung an einen Synchron-N-Strahlphasenprozessor 88 abgibt.
Der Prozessor 88 sendet dann ein Phasenfehlerkorrektursignal
an den Phasenmodulator 16 zur Steuerung bzw. Regelung der
Phase der Strahlen in den Faserverstärkern 18,
so dass alle einzelnen Faserstrahlen in dem gemeinsamen Ausgangsstrahl
mit der gleichen Phase in der gleichen Weise, wie dies zuvor erläutert wurde,
aneinander gefesselt sind. Ebenso wie bei dem Verfahren, das in
Verbindung mit dem Lasersystem 50 beschrieben wurde, um
in der Lage zu sein, die geeigneten Phasenregelsignale für
die einzelnen durch den Strahlteiler 16 abgeteilten Strahlen
zu bestimmen, wenden die Phasenmodulatoren 16 eine eindeutige
Streuraster- bzw. Dither-Frequenz für FM oder AM oder einen
eindeutigen Code für einen Codeteilungs-Mehrfachzugriff
oder einen Zeitmultiplex-Vielfachzugriff auf jeden abgetrennten
Strahl an, der am Ausgang des Systems 70 in dem gemeinsamen
Ausgangsstrahl zusammengefasst ist. Der Phasendetektor 86 kann
die eindeutigen Streuraster-Frequenzen oder die Codes bestimmen
und der Prozessor 88 kann diese Informationen zur Bestimmung
eines Phasenfehlers für jeden abgeteilten Strahl verwenden
und ein Fehlerkorrektursignal an den korrespondierenden Phasenmodulator 16 für
jeden der entsprechenden abgeteilten Strahlen zur geeigneten Phasenfesselung
aller einzelnen konstituierenden Strahlen in dem gemeinsamen Ausgangsstrahl
liefern.
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5 zeigt
eine Darstellung von 7 Fasern 100, von denen jede eine äußere
Mantelschicht 102 und einen inneren Kern 104 aufweist,
durch den sich der Strahl fortpflanzt, wobei die Fasern zu einem
verjüngten oder vereinigten Faserbündel 106 der
oben erwähnten Art zusammengeführt sind. 6 zeigt eine
Querschnittsansicht eines Eintrittsendes des verjüngten
Faserbündels 106 mit den 7 Fasern 100 an
einem inneren Teil des Bündels 106 und eine Vielzahl
von Mantelfasern 108, die um das Bündel der Fasern 100 herum
ausgebildet sind. 7 ist eine Querschnittsansicht
eines Austrittsendes des verjungten Faserbündels 106,
die zeigt, dass die Kombination der Fasern 100 und der
Mantelfasern 108 zu einer einzigen Fasermasse 110 geformt
wurde, in der die Punkte 112 die Kerne 104 der
Fasern 100 wiedergeben. 8 ist eine
Querschnittsansicht eines Strahlprofils 116 im Nahfeld
des Strahls, das von der Endkappe 14 abgegeben wird.
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Das
verjüngte Faserbündel 106 kann mittels jeder
der bekannten Techniken zur Herstellung verjüngter Faserbündel
erzeugt werden, in dem die Fasern 100 und 108 zu
einem Bündel zusammengefasst werden und das Bündel
dann auf einen geringerem Durchmesser in einem sorgfältig
geregelten Hochtemperaturschmelzprozess ausgezogen wird. Das Endergebnis
ist eine verkleinerte Version des ursprünglichen dicht
gepackten Bündels von Faserverstärkern, bei dem
der endgültige Kerndurchmesser 2a und der Abstand
b den endgültigen Austrittsfüllfaktor des vereinigten
Strahls bestimmt. Da diese Strahlen eine sehr hohe Intensität
aufweisen, ist es erforderlich, eine Endkappe 114 auf das
Austrittsende des verjüngten Faserbündels 106 aufzubringen, um
eine Beschädigung der Austrittsfläche des verjüngten
Faserbündels 106 zu vermeiden. Der vereinigte
Strahl weitet sich aufgrund der Beugung in der Endkappe 114 auf,
bis die maximale Intensität ausreichend vermindert ist,
so dass eine Oberflächenbeschädigung vermieden
ist. Eine Gradientenindexlinse (GRIN) mit einer negativen Brennweite
kann in die Endkappe 114 zur Vergrößerung
der Aufweitung des Austrittstrahls integriert werden, wie dies an
späterer Stelle erläutert werden wird.
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Ist
der Austrittsstrahl aus der Endkappe 114 ausgetreten, wird
er parallel gerichtet und/oder mit Hilfe einer einfachen Linse oder
eines gekrümmten Spiegels auf eine gewünschte
Strahlgröße und durch Kollimation durch das Teleskop 76 abgebildet.
Es besteht keine Notwendigkeit für eine Linsenmatrix oder andere
präzise Ausrichtung der Fasern untereinander. Die externen
optischen Glieder sind einfache Kollimator- und/oder Teleskopoptiken,
wie sie zur Vergrößerung des Strahls auf eine
gewünschte Größe verwendet werden, die
allgemein in vielen Hochleistungslasersystemen und Strahlleitvorrichtungen verwendet
werden. Dies steht im Gegensatz zu den Systemen 10 und 50,
die beide eine sehr präzise Ausrichtung jeder der einzelnen
Fasern gegenüber externen beabstandeten Optiken erfordern.
Es besteht keine solche Notwendigkeit für das System 70 außer
den üblichen Ausrichtungserfordernissen des ganzen Einzelstrahls
in dem letzten Teleskop. Außerdem gibt es keine Notwendigkeit
für den exakten Abstand der Faserkerne innerhalb des verjüngten
Faserbündels 72, außer der, sie so nah
wie möglich aneinander anzuordnen. Die Ausrichtung der
Kerne ist nicht so kritisch, da die Streuung jeder einzelnen Fasern
das mehrfache eines mrad (10 s of mrad) beträgt. Folglich
erzeugt dieser Ansatz einen vereinigten Austrittsstrahl mit N mal
der Strahlleistung einer einzigen Faserapertur, mit N der Anzahl
der vereinigten Faserstrahlen. Das Lasersystem 70 bewirkt
einen Quantensprung an Integration, Kompaktheit und Robustheit im
Vergleich zu den Systemen 10 und 50.
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Das
verjüngte Faserbündel 106 maximiert den
Füllfaktor dadurch, dass es die Faserkerne ganz nahe aneinander
bringt, so dass die einzelnen Fasermoden einander überlappen.
Wenn aber die Moden einander überlappen, tritt ein Übersprechen
(Kreuzkopplung) und eine Interferenz zwischen den Fasermoden auf.
Durch Fesselung oder Kopplung der Phasen der Fasern aneinander,
wie dies oben diskutiert wurde, kann die Ausbildung einer phasengleichen Supermode
sichergestellt werden, was zu einer konstruktiven Interferenz zwischen
all den Fasern führt und die Intensität in den
Zwischenräumen zwischen den Fasern signifikant erhöht.
Auf diese Weise kann ein zusammengeführter Strahl mit einem
kontinuierlichen Intensitätsprofil und geringem oder keinem
dazwischen liegenden Totraum erreicht werden. Es ist die Herausforderung,
bei der Herstellung des verjüngten Faserbündels
sicherzustellen, dass innerhalb des Bündels nur ein vernachlässigbarer
Verlust auftritt. Folglich müssen die Eintrittsfasern in
das verjüngte Faserbündel 106 einen ausreichend
großen Manteldurchmesser haben, so dass nur eine sehr geringe
Leistung an der Mandeloberfläche austritt. Im allgemeinen
erfordert dies einen Manteldurchmesser b von etwa dem 2- bis 3-fachen
des Kerndurchmessers 2a, der für die interessierenden
Fasern mit großem Modenbereich die Leistung an der Manteloberfläche
auf 1 ppm des Ganzen begrenzt. Da die Kerne einen Abstand von der
Größe des Manteldurchmessers b voneinander haben,
wird dieses Verhältnis den Füllfaktor vor der
Verjüngung maßgeblich bestimmen. Der Füllfaktor
kann recht klein für ein Verhältnis von b/2a =
3 sein, bei dem nur etwa 20% der Leistung in den zentralen Bereich
bzw. Kegel von 25 μm Kernen fokussiert und NA = 0,06 ist,
mit NA der numerischen Apertur. Wenn das Faserbündel verjüngt
wird, werden grundsätzlich sowohl der Durchmesser des Kerns
und der des Mantels proportional zueinander abnehmen, während
die Fasern auch zusammenschmelzen, so dass dieses Verhältnis
von Manteldurchmesser zu Kerndurchmesser auch bei der Verjüngung
etwa beibehalten wird und somit erscheint es so zu sein, dass der
Füllfaktor unverändert bleibt. Hinzu kommt, dass
durch das Verjüngen des Kerndurchmessers es so zu sein
scheint, dass der Durchmesser der Moden vermindert wird und dass
die maximale Intensität zunimmt, was für Höchstleistungsverstärker
eine Begrenzung darstellt. Das überraschende Ergebnis ist
jedoch, dass mit der Abnahme des Kerndurchmessers durch die Verjüngung
die Form der Moden sich derart ändert, dass die Reduzierung
des Modenbereichs auf einen Minimalwert begrenzt ist und sich die
Seitenbereiche bzw. Schwänze der Modenfeldverteilung signifikant
verbreitern. Dieses Verhalten dient sowohl dazu, die maximale Intensität
innerhalb des verjüngten Faserbündels 72 zu
begrenzen, als auch ein besseres Überlappen der Moden sicherzustellen
und folglich kann der Füllfaktor statt über die
Verjüngung konstant zu bleiben, vielmehr signifikant vergrößert
werden.
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9 ist
ein Diagramm, das den effektiven Durchmesser der Moden einer Stufenindexfaser
mit NA = 0,06 als eine Funktion des Kerndurchmessers zeigt, mit
dem Kerndurchmesser auf der horizontalen Achse und dem effektiven
Modendurchmesser auf der vertikalen Achse. Der effektive Durchmesser
ist in dem Diagramm definiert als ein 1/e2 Intensitätsdurchmesser
einer Gaussschen Verteilung mit der gleichen maximalen Intensität
bzw. dem gleichen Intensitätsmaximum wie die Fasermode.
Man kann erkennen, dass in dem Maße, in dem der Kerndurchmesser
abnimmt, der Durchmesser der Mode den kleinsten Wert bei etwa 13 μm
erreicht und dann steil ansteigt. Man beachte ferner, dass die Faser
streng eine Single- bzw. Monomodefaser ist, wenn der Kerndurchmesser
kleiner als etwa 14 μm (V# = NA × 2πa/λ < für λ =
1080 nm) ist. Dieser schnelle Anstieg des Modendurchmessers für
dünnere Kerne ist das Ergebnis des Anstiegs in den seitlichen
Bereichen der Mode. Beginnend mit einem Kerndurchmesser von 25 μm
kann gezeigt werden, dass die Mode innerhalb einer vernachlässigbaren
Leistung jenseits von etwa dem 2,5-fachen des Kerndurchmessers eingegrenzt
ist, dass aber, wenn der Kerndurchmesser und somit der Wert V# abnimmt,
die verminderte Eingrenzung der Modenschwänze den wirksamen Modendurchmesser
erhöht und somit die Modenüberlappung in dem verjüngten
Faserbündel 72 ansteigt. Bei einer weiteren Verkleinerung
des Kerndurchmessers, wenn sich der Wert V# etwa dem Wert 1 nähert,
nähern sich die Schwänze einer sehr begrenzten
Eingrenzung und erlauben somit eine große zufällige
Modenüberlappung, aber auch zunehmende Verluste durch die Mantelschicht.
Wenn die Phasen der einzelnen Strahlen aneinander gebunden sind,
um eine phasengleiche (konstruktive) Interferenz bei der Ausbildung
der Supermode sicherzustellen, kann der Nachteil beim Füllfaktor
stark gesenkt werden. Durch die Optimierung der Kerngröße
auf der Austrittsseite des verjüngten Faserbündels 72 lässt
sich eine gute Überlappung erzielen, bei der immer noch
eine exzellente Eingrenzung innerhalb des nun größeren
Mantels eines Bündels vernünftiger Größe,
wie z. B. von 400 μm Durchmesser, möglich ist.
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Man
beachte, dass das Verfahren über eine einfache Verjüngung
hinaus dadurch verbessert werden kann, dass sowohl die Kerngröße
als auch der Kernabstand proportional zueinander verkleinert werden.
Die Anwendung einer sorgfältig angepassten Temperatur während
des Verjüngungsprozesses kann zu einer erhöhten
Diffusion der Dotierungssubstanzen um den Kern herum führen
und somit kann die effektive Kerngröße durch die
Diffusion relativ zur proportionalen Änderung des Abstandes
zwischen den Kernen vergrößert werden. Diese Wirkung
der Methode kann weiterhin den Füllfaktor der Ausgangsmoden
des verjüngten Faserbündels verbessern.
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Als
ein Beispiel eines zusammengeführten Ausgangsstrahls, der
aus der Endkappe 74 austritt, betrachte man ein dicht hexagonal
gepacktes verjüngtes Faserbündel aus 7 Fasern
mit 25 μm Kerndurchmesser und 62,5 μm Manteldurchmesser
als Ausgangswert, bei dem der anfängliche Abstand der Kerne
voneinander ebenfalls 62,5 μm beträgt. Das Eintritts-
bzw. ursprüngliche Bündel wird um etwa das 3,6-fache
auf eine Kerngröße von 6,9 μm ausgezogen,
wobei der Wert V# etwa 1,2 beträgt und der Abstand zwischen
den Kernen auf 17,2 μm vermindert ist. Die Eingangsfasermoden
haben einen vernachlässigbaren Anteil (Approximationssignal
1 ppm) an der Faserleistung an der noch nicht verjüngten
Mantelzwischenfläche, aber die Moden haben eine größere Überlappung
mit den benachbarten Kernen, nachdem sie ausgezogen und miteinander
verschmolzen worden sind. Ausbreitungssimulationen zeigen, dass
das geeignete adiabatische Verjüngen der Kerne die Auskopplung
der Moden niedrigster Ordnung in jedem Kern auf ein Mehrfaches des ppm-Werts
begrenzt. Es wird angenommen, dass alle Modenfelder synchronisiert
worden sind, so dass sie gemeinsam dazu beitragen und den Füllfaktor
somit vollständig maximieren.
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Die
Intensitätsverteilung 120 im Nahfeld eines Faserbündels
aus 7 dicht gepackten Fasern mit 25 μm Kerndurchmesser
und 62,5 μm Manteldurchmesser ist in 10 vor
der Durchführung der Verjüngung bzw. des Ausziehens
dargestellt, in der der Ring 122 den angenommenen Referenzöffnungsdurchmesser
Dref von etwa 190 μm hat, der zur
Definition des beugungsbegrenzten Radius λ/Dref im Fernfeld
verwendet wird. Es kann gezeigt werden, dass die LMA Moden gut begrenzt
sind und einander nicht überlappen und aufgrund der großen
Abstände zwischen den Eintrittskernen der Füllfaktor
recht klein ist. Es kann ferner gezeigt werden, dass die berechnete
Leistung in der Keule (PIB) eines zusammengeführten bzw.
vereinigten Strahls auf der Grundlage dieser Geometrie innerhalb
eines Winkelradius 1,2 λ/Dref der
beugungsbegrenzten Fernsicht bei nur etwa 17% liegt. Im Vergleich
hierzu erreicht ein beugungsbegrenzter Strahl mit flachem oberem Ende,
der die Referenzapertur vollständig ausfüllt, bei
diesem beugungsbegrenzten Bereich etwa 84% PIB in der Keule.
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Mit
dem Ausziehen dieses Eintrittsbündels mit 7 Fasern auf
einen angenommenen Kerndurchmesser von 6,9 μm bei einem
Abstand von 17,2 μm von Kern zu Kern erreicht man einen
völlig anders zusammengeführten Austrittsstrahl,
wie dies für die Intensitätsverteilung 124 im
Nahfeld in 11 gezeigt ist, in der der Ring 126 als
der Referenzdurchmesser angenommen ist. Der Durchmesser der Referenzapertur
bzw. -öffnung des Nahfeldes ist in diesem Fall mit 69 μm
gewählt, der mehr als 99% der kombinierten Leistung aufnimmt.
Der kombinierte Ausgang des verjüngten Faserbündels
hat aufgrund der stark angestiegenen Überlappung der Moden
und des Füllfaktors für das Fokussieren in einen
beugungsbegrenzte Bereich (bucket) im Fernfeld nun einen sehr hohen
Wirkungsgrad. Es lässt sich zeigen, dass das PIB von 7
ideal synchronisierten Strahlen in den beugungsbegrenzten Winkelradius
von 1,2 λ/Dref etwa 92% beträgt.
Man beachte, dass dieses PIB die 84%, die durch einen beugungsbegrenzten
und voll gefüllten Strahl mit flachem oberen Ende (flat
top) erzielt werden, übersteigt. Das PIB der 7 vereinigten
Strahlen erhöht sich innerhalb eines Radius von 1,5 λ/Dref auf etwa 95%. Somit kann gezeigt werden,
dass es die Wirkung des verjüngten Faserbündels 72 ist,
den Füllfaktor und das PIB im Vergleich zu den am Eintrittsende
des Faserbündels so dramatisch erhöht zu haben.
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Für
eine gegebene Kerngeometrie kann eine effektive Fläche
des zusammengeführten Strahls auf der Basis des Intensitätsmaximums
definiert werden, das zur Definition einer maximalen Leistung, bevor intensitätsverursachte
Schäden zu einem Problem werden, verwendet werden, wozu
das Maximum der Intensität Imax des
zusammengeführten Strahls der Leistung P definiert ist
als Imax = P/Aeff.
Für die Vereinigung der 7 Strahlen in dem oben erläuterten
verjüngten Faserbündel ist Aeff =
630 μm2, während ein einzelner,
der bündelbildenden Strahlen am Austrittsende des verjüngten
Faserbündels eine wirksame Fläche von 80 μm2 hat. Somit ist die wirksame Fläche
um den Faktor 7,8 gegenüber einem Einzelstrahl erhöht.
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Für
eine höhere Leistung kann eine größere Anzahl
Eingangsfasern verwendet werden. Für eine dichte hexagonale
Packung ist die nächste magische Zahl mit einem zusätzlichen
Ring von Fasern 19, was auf der Grundlage des oben erwähnten
Abstands auf der Basis der Kerndurchmesser eine wirksame Fläche
von etwa 1860 μm2 ergibt und somit
eine Leistung von mehr als 60 kW für ein einziges verjüngtes Faserbündel
ermöglicht, unter der Annahme von etwa 3 kW je Eintrittsstrahl.
Eine Intensitätsverteilung 130 im Nahfeld des
Ausgangsstrahls eines verjüngten Faserbündels
mit einer Ringapertur 132 ist in 12 dargestellt,
in der der Referenzdurchmesser für die Apertur 96 μm
beträgt.
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Wie
oben beschrieben, ist angenommen worden, dass die Supermode einfach
die ist, die in der kohärenten gleichphasigen Überlagerung
der einzelnen Fasermoden gebildet ist. Wenn die Phasen der 6 äußeren
Strahlen aneinander gefesselt und gleich sind, dann sind aufgrund
der Symmetrie gerade zwei Moden von Interesse, wo der mittlere Strahl entweder
synchronisiert ist oder nicht synchronisiert ist und entweder als
synchronisierte ☐|+> Supermode
oder nicht synchronisierte ☐|–> Supermoden bezeichnet wird. Folglich
beruhen die zuvor genannten Ergebnisse auf einer Unterdrückung
der nicht synchronisierten ☐|–> Supermoden durch geeignetes Synchronisieren
der Phasen der Eintrittsstrahlen. Die Verwendung der Vorrichtungen
zur Phasenfesselung kann gewiss sicherstellen, dass der zentrale
Strahl am Austritt eine geeignete relative Phase gegenüber den
Austrittsstrahlen hat. Aufgrund der großen Überlappung
der Moden zwischen den einzelnen Fasern und dem verjüngten
Faserbündel 72 gibt es jedoch einen beträchtlichen
Leistungsaustausch zwischen den Kernen. Simulationen zeigen, dass
für das oben erwähnte Beispiel für den
Kerndurchmesser am Ende der Verjüngung bzw. des Kegels
im mittleren Kern freigesetzte Energie sich vom mittleren Strahl zu
den äußeren Strahlen hin bis in eine Fortpflanzungsentfernung
von etwa 2,5 mm überträgt. Daher muss zur Sicherstellung
der erwünschten einheitlichen Leistungsverteilung der Strahlen
neben der geeigneten Synchronisierung der Phasen der Eintrittsfelder
die Länge und die Neigung bzw. Konizität des verjüngten
Faserbündels 72 entsprechend bemessen werden.
Beim angenommenen Austrittsstrahl hat das zentrale Maximum tatsächlich
eine etwa 30% höhere Leistung als die äußeren
Maxima des Strahls. Durch geeignete Ausbildung der Länge
des verjüngten Faserbündels 72 derart,
dass die Leistungskopplung zwischen den Kernen die Leistung des
mittleren Kerns etwas vermindert, so dass der Maximalwert etwas
eingeebnet ist und eine Verminderung der maximalen Intensität
für eine vorgegebene gesamte Matrixleistung erzielt werden
kann, kann auf diese Weise die Gesamtleistungsgrenze für
einen vorgegebenen Schwellenwert gegen Zerstörung angehoben werden.
Die erforderliche Auslegungsgenauigkeit auf einige Prozent Leistungsausgleich,
basierend auf der simulierten 2,5 mm Kopplungsdistanz, beträgt
einige hundert Mikrometer, was leicht erreicht werden können
sollte.
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Derzeitige
kommerzielle Hochleistungsgeräte mit verjüngter
Faserbündeln haben Dissipationsleistungen von etwa 100
W und es ist wahrscheinlich, dass diese mit fortschreitender Entwicklung
der Geräte zunehmen. Berichte über Multimode-Pumpkoppler,
die für Faserverstärker eingesetzt werden, die mehr
als 1 kW zusammenführen, sind Standard für Pumpdurchsatzleistungen,
die bei mehr als 98% erzielt werden. Diese kommerziellen Geräte
versuchen im allgemeinen die Pumphelligkeit durch Zusammenführen
verjüngter Faserbündel zu einer Ausgangsfaser
zu erhöhen mit einer Winkelaufnahme von nur wenig mehr
als der wirksamen kumulativen Aufnahme am Eingang. Daher haben diese
Geräte im allgemeinen ein deutlichen, d. h. mehr als 1%
betragenden Kopplungsverlust. Bei dem hier vorgeschlagenen Typus
eines verjüngten Faserbündels tritt kein Verlust
durch das Ankoppeln einer Ausgangsfaser auf, da nur eine Endkappe
eingesetzt wird. Die intrinsischen Absorptionsverluste von Fasern
mit hoher Übertragungsqualität, die in dem verjüngten
Faserbündel eingesetzt werden, ist sehr gering, d. h. weniger
als 10 ppm/cm, und folglich wird angenommen, dass dies kein einschränkender
Faktor ist.
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Die
verbleibenden Verluste rühren von Moden-Konversion großer
Winkel und von Streuungen während der Strahlfortpflanzung
oder nahe dem Verjüngungsende des verjüngten Faserbündels
her. Dies hängt natürlich auch von der Konstruktion
und der bei der Herstellung des verjüngten Faserbündels verwendeten
Sorgfalt ab. Die LMA Eingangsfasern von Interesse haben eine recht
niedrige numerische Apertur NA von z. B. etwa 0,06, und die Winkelaufweitung
von diesem einfallenden Licht ist begrenzt selbst wenn die Restleistung
in den Seitenabschnitten der Moden eingeschlossen ist. So hat z.
B. eine 25 μm/0,06 NA LMA Fasermode eine Restleistung von
weniger als 100 ppm, die sich bei Winkeln von mehr als etwa ±10
mrad fortpflanzt. Selbst die Mode des kleinen Kerns von 6,9 μm
am Ende des verjüngten Faserbündels, das oben
beschrieben ist, hat weniger als 100 ppm Restleistung außerhalb
der Winkel von ±0,2 rad. Eine Erwärmung innerhalb
des verjüngten Faserbündelpakets wird wahrscheinlich
durch unter großem Winkel ausgekoppeltes Licht, das durch
das Mantelmaterial im verjüngten Faserbündel absorbiert
wird, dominiert. Die Verwendung eines Mantelwerkstoffes aus Glas
mit moderater numerischer Apertur NA in dem verjüngten
Faserbündel, das praktisch nicht absorbierend ist, sollte
die Wärmeentwicklung durch Streuung innerhalb des verjüngten
Faserbündels bei allen außer den sehr großen
Winkeln vermindern. So kann z. B. mit Fluor dotiertes Glas als Mantelwerkstoff
mit einer Grenze der NA von etwa 0,3 verwendet werden, und kann
somit jegliches unter einem geringem Winkel gestreutes Licht darin
beschränken, die Absorption in das verjüngte Faserbündelpaket
zu verhindern und durch die Endkappe auszutreten.
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Es
zeigen 13 eine Querschnittsansicht des
Eintrittsendes eines verjüngten Faserbündels 140 mit
einem äußeren Glasrohr 142 mit niedrigem Brechungsindex
und
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14 eine
Querschnittsansicht des einen Austrittsendes des verjüngten
Faserbündels 140 mit dem zuvor genannten Glasrohr 142.
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Oben
ist erläutert, dass die Endkappe 74 dazu verwendet
wird, den zusammengeführten Hochleistungsstrahl durch das
Glas ohne Beschädigung oder Verschlechterung der Strahlqualität
hindurch zu bekommen. Wie erläutert, ist der Zweck der Endkappe 74 der,
dem Strahl ein ausreichendes Aufweiten zu ermöglichen,
so dass die Intensität an der Ausgangsfläche unterhalb
der Beschädigungsschwelle (Schwelle, ab der eine Beschädigung
auftreten kann) liegt. Ferner muss sichergestellt werden, dass die
von der Oberfläche reflektierte Leistung die Performance
des Faserverstärkers nicht nachteilig beeinträchtigt.
Es wird daher üblicherweise bevorzugt, eine Antireflex-(AR-)Beschichtung
auf der Außenfläche der Endkappe 74 zur
Minimierung von Reflektionen vorzusehen. Für die kleinen
hier besprochenen Strahlen wurde berichtet, dass Beschädigungsschwellen
erzielbar sind, die oberhalb von 1 MW/cm2 liegen.
Für einen Ausgangsstrahl mit einer Leistung von 20 kW bedeutet
dies, dass der Strahl auf eine wirksame Fläche von etwa
2 mm2 aufgeweitet werden muss. Für
das oben erläuterte Bündel von 7 Strahlen beträgt
der effektive Durchmesser 1/e2 des zusammengeführten
Strahls bei Eintritt in die Endkappe 74 etwa 45 μm
und der Gesamtaufweitungswinkel ist somit recht klein, d. h. der
Winkel ist angenähert ±0,01 bei 1/e2 in
Glas, so dass für die Fortpflanzung zur Verminderung der
Spitzenintensität ein großer Abstand erforderlich
ist. Berechnungen zeigen, dass für einen 7-Strahlenausgang
von 20 kW die maximale Intensität auf etwa 1 MW/cm2 nach einer Laufstrecke von etwa 11 cm vermindert
ist, an welchem Punkt der Strahl grob angenähert ein Gaussscher
Strahl mit einem FWHM von etwa 1,3 mm ist. Folglich wird es nötig
sein, den Durchmesser der Endkappe auf über 5 mm zu vergrößern,
entweder kegelförmig oder abschnittsweise, um sich an die sich
an der Außenfläche aufweitenden Strahlen anzupassen,
wie dies an späterer Stelle erläutert werden wird.
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Selbst
bei Endkappen mit sehr niedriger Absorption stellt der lange Fortpflanzungsweg
bzw. die Laufstrecke im Glas eine Schwierigkeit für die
aufgelaufene thermische Verzerrung über den optischen Wegs
(OPD) dar. Diese ist jedoch durch das hohe Aspektverhältnis
der Endkappe 74 gemildert, da der Strahl bei etwa 1 mm
am größten ist. Eine Oberflächenkühlung
der Endkappe 74 sollte hier adäquat sein, aber
es besteht dann wegen der intrinsischen Absorption in der Endkappe 74 immer
noch eine unvermeidbare quadratische Temperaturschwankung. Approximiert
man die Wärmeentwicklung als gleichmäßig über
die Erstreckung des Strahls, beträgt die Temperaturdifferenz,
die durch die Absorption über die Strahlbreite auftritt,
angenähert ΔT = Pα/4πk = (Pα/180)°C,
worin P die Gesamtleistung des Strahls in kW, α die intrinsische
Glasabsorption in ppm/cm und die Glasleitfähigkeit κ =
1,4 W/m-°C bedeuten. Die OPD in Glass beträgt
etwa 1,3 Wellen je cm Länge und °C Temperaturdifferenz
und beträgt somit für einen 20 kW Strahl und 10
cm Wegstrecke die maximale OPD etwa α/7 Wellen. Verschmolzenes
Silizium mit ultraniedriger Absorption wurde erwähnt mit α < 1 ppm/cm, womit
die Verzerrung des optischen Pfads OPD nicht besonders groß und
meist sphärisch ist. Jedoch kann dieses Problem schwerwiegende
Einschränkungen beim Leistungsskalieren nach dieser Methode
machen. Dies zeigt, dass das Wärmemanagement für
die Endkappe 74 für Fasersysteme, die bei Leistungspegeln
von mehr als 10 kW arbeiten, für das Minimieren der OPD
sehr wichtig sein wird.
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Mit
der zunehmenden Anzahl der Strahlen nimmt dieses Problem noch zu,
da der vereinigte Strahl einen großem effektiven Durchmesser
hat, z. B. von etwa 70 μm, und folglich noch ein geringeres Aufweiten
aufweist. Für das oben diskutierte Bündel von
19 Strahlen beträgt der berechnete Aufweitungswinkel bei
1/e2 etwa ±7,2 mrad in Glas und
würde in Verbindung mit einer größeren
Gesamtleistung von 60 kW zur Verminderung der Ausgangsintensität
auf etwa 1 MW/cm2 eine etwa 27 cm lange
Endkappe erfordern. Das vordringliche Problem ist die sehr geringe
Aufweitung des zusammengeführten Strahls.
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Ein
Versuch zur Verminderung dieses Problems ist die Herstellung einer
Endkappe, die eine GRIN-Linse mit negativem Brechungsindex nahe
der Verbindung des verjüngten Faserbündels aufweist. 15 ist
eine perspektivische Ansicht einer Endkappe 150 mit einer
GRIN-Linse 152 mit negativer Brechkraft, die mit dem verjüngtem
Faserbündel verbunden ist. Der verbleibende Teil der Endkappe 150 ist
ein gleichförmiger Glasstab 154, wobei die GRIN-Linse 152 mit
dem Glasstab 154 mit Hilfe einer geeigneten Verbindung 156 optisch
miteinander verbunden sind. Die negative Brennweite der Linse kann die
Aufweitung des kombinierten bzw. vereinigten Strahls erheblich erhöhen
und somit die erforderliche Länge der Endkappe auf einige
wenige cm verkürzen und somit die akkumulierte OPD in der
Endkappe 150 stark vermindern. Eine GRIN-Linse mit einer Brennweite
von –0.8 mm wird z. B. die Ausgangsstrahl-Aufweitung eines
verjüngten Faserbündels mit 7 Strahlen auf etwa
das Dreifache vergrößern und somit die OPD für
einen Ausgangsstrahl von 20 kW proportional auf etwa α/20
Wellen verkleinern. Ein solches Vorgehen könnte das Skalieren
dieser Vorrichtung auf Einzelaperturleistungen bis zu 100 kW in Reichweite
rücken.
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Der
Durchmesser der Endkappe 74 könnte sich abschnittsweise
vergrößern oder eine Kegelform aufweisen, um den
sich aufweitenden Strahl aufzunehmen. 16 ist
eine perspektivische Ansicht einer Endkappe 160, die abgestufte
Abschnitte aufweist und bei der eine GRIN-Linse 162 mit
negativer Brechkraft mit dem verjüngten Faserbündel
und einem gleichförmigen Glasstab 164 von etwa
dem gleichen Durchmesser mittels einer Befestigung 168 verbunden
ist. Das gegenüberliegende Ende des Glasstabs 164 ist
mit einem Glasstab 166 größeren Durchmessers
durch eine Befestigung verbunden, die seinerseits mit einem Glasstab 170 noch
größeren Durchmessers verbunden ist, um die Abschnitte für
die Strahlaufweitung zu bilden. Eine Antireflexbeschichtung 172 kann
auf der gegenüber der GRIN-Linse 162 liegenden
Außenfläche des Glasstabs 170 vorgesehen
sein.
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17 ist
eine perspektivische Ansicht einer Endkappe 180 mit einer
GRIN-Linse 182 mit negativer Brechkraft, die an das eine
Ende des verjüngten Faserbündels anzubringen ist,
und mit einem gleichförmigen Glasstab 164 von
etwa dem gleichen Durchmesser, der durch eine Befestigung 166 am entgegengesetzten
Ende anzubringen ist. Ein abgestufter Glasstab 188 wird
dann an dem gleichförmigen Glasstab 184 angebracht.
Das weite Ende des abgestuften Glasstabs 188 weist eine
Antireflexbeschichtung 190 auf.
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Mit
einer Standard Antireflexbeschichtung eines Reflektionsvermögens
von 0,2% beträgt die reflektierte Leistung für
20 kW nur 40 W in einem aufgeweiteten Strahl, so dass der Teil der
Reflektion, der in die Ausgangsfaser des kleinen verjüngten
Faserbündels wieder eintritt, geradewegs auf kleine und
sichere Leistungswerte begrenzt wird.
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Für
eine Strahllenkeinrichtung mit großer Öffnung
würde es wünschenswert sein, dass das vergrößerte
Bild im Nahfeld des verjüngten Faserbündels auf
die Öffnung (Apertur) der Strahllenkeinrichtung weitergeleitet
wird. Dies wird mit Hilfe eines Teleskop 76 erreicht, bei
dem die Linse 78 eine Brennweite f1 und
die Linse 80 eine Brennweite f2 hat
und bei dem die Objektive 78 und 80 mit einem
Abstand von f1 + f2 beabstandet
sind, was das Abbild um das Längenverhältnis f2/f1 vergrößert.
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Es
ist möglich, die Linse 78 in die Endkappe 74 durch
Verwendung einer sphärischen Austrittsfläche auf
der Endkappe 74 oder durch Aufbringen einer fokussierenden
GRIN-Linse auf die Austrittsseite der Endkappe zu integrieren. 18 ist
eine perspektivische Ansicht einer Endkappe 172 – ähnlich
der Endkappe 116 – bei der gleiche Bauteile mit
den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Die Endkappe 192 umfasst
eine sammelnde GRIN-Linse 194, die auf die Antireflexbeschichtung 172 aufgebracht
ist und die als die Linse 78 wirkt. Eine solche optische
Anordnung kann auch unmittelbar in das den Strahl lenkende Teleskop
bzw. Objektiv integriert werden. Kompaktere Standardteleskope bzw.
-objektive mit starker Vergrößerung, die sowohl
Sammellinsen als auch Streulinsen einsetzen, können ebenfalls verwendet
werden, um die Größe der Aufweitungsoptiken zu
optimieren.
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Um
eine gute Strahlqualität aufrechtzuerhalten, ist es erforderlich,
dass die Polarisierung der Faserstrahlen in jedem der Faserverstärker 18 die
gleiche Ausrichtung hat. Bei dem System 70 werden in den
Faserverstärker 18 Fasern eingesetzt, die die Polarisation
beibehaltende Fasern sind, so dass alle Strahlen in allen Fasern
die gleiche Ausrichtung der Polarisation haben. Bei bestimmten Anwendungen, wie
beispielsweise Hochleistungsanwendungen, kann es nicht ratsam sein,
die Polarisation beibehaltende Fasern einzusetzen, so dass es dann
erforderlich wird, die Polarisation jedes der Faserstrahlen in den
Faserverstärkern 18 zueinander auszurichten.
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19 ist
eine schematische Ansicht eines Faserlaserverstärkersystems
200,
das keine Polarisation beibehaltende Fasern verwendet, in der gleiche
Bauteile mit dem System
70 mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet sind. Das System
200 verwendet einen Polarisator
202 zur
Bestimmung der Polarisation der Faserstrahlen in dem Sampelstrahl (Probenstrahl)
aus dem Strahlsampler
82. Da sich die Polarisation zueinander
in den Faserstrahlen ändert, bewirkt der Polarisator
202,
dass mehr oder weniger Licht auf einen Polarisationsdetektor
204 gerichtet
werden muss. Der Polarisationsdetektor
204 verwendet eindeutige
Frequenz-Streumuster (Dither) oder Tags auf den einzelnen Strahlen
zur Bestimmung der Polarisation jedes Strahls in dem Ausgangsstrahl.
Die Messung der Polarisation wird mit einem Synchron-N-Strahl Polarisationsprozessor
206 bewirkt,
der die relative Ausrichtung der Polarisierungen in den Strahlen
bestimmt. Der Polarisationsprozessor
206 verwendet eindeutige
Streugitter-(Dither)Frequenzen oder Tags zur Identifizierung der
Fasern aller gemessener Polarisationsänderungen und erzeugt
Signale für die Polarisationsregler
208 für
die entsprechenden Faserverstärker
18 zur Regelung
der Orientierung der Polarisation in jeder Faser derart, dass sie
die gleichen sind. Ein solches Polarisationsregelsystem ist bereits
in der
US Patentschrift Nr. 6
317 257 vorgeschlagen worden, die am 13. November 2001
an Upton et al asusgegeben wurde und den Titel trägt: Technique
for Polarization Locking Optical Outputs, die an den gleichen Rechtsinhaber
wie die vorliegende Anmeldung übertragen worden ist und
in diese Beschreibung durch Bezugnahme eingefügt wird.
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Die Überführung
von Faserverstärkern 18 in ein verjüngtes
Faserbündel 72 führt zu einer Reihe von
Herausforderungen. Es ist wünschenswert, ein bestimmtes
Verhältnis von Faserkerndurchmesser zu Faserdurchmesser
zu erzielen und die Faserkerne so dicht wie möglich aneinander
anzuordnen. Ferner beschränkt die Flexibilität
der Fasern mit den hier erwähnten Durchmessern die Handhabungseigenschaften
der Fasern. Es sind Mehrkernfasern im Stand der Technik bekannt,
die mehrere, miteinander in einem Bündel vereinigte Kerne
haben, die von einer gemeinsamen Mantelschicht umgeben sind. Solche
Mehrkernfasern würden leichter zu handhaben und zu verjüngten
Faserbündeln verarbeitbar sein als die oben erwähnten.
Es ist jedoch dann erforderlich, Faserstrahlen in die einzelnen
Kerne innerhalb des Mehrfaserkerns einzuspeisen. Es ist ferner im
Stand der Technik bekannt, einen äußeren Luftmantel
um die einzelnen Verfahren in der Mehrkernfaser vorzusehen, um eine
hohe Eingrenzung der numerischen Apertur des Punktlichts innerhalb
des jeden Kern umgebenden Mantels zu erzielen.
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20 ist
eine Querschnittsansicht einer Mehrkernfaser 210 der erläuterten
Art. Die Mehrkernfaser 210 umfasst im Wesentlichen eine
Vielzahl einzelner Fasern 212, jede mit einem Kern 214 und
einer inneren Mantelschicht 216. Ferner sind die einzelnen
Kerne 214 mit der inneren Mantelschicht 216 von
einem äußeren Luftmantel 222 umgeben,
der aus einer Anzahl kleiner Glas-Luft-Brücken 226 gebildet
ist, die zu einem Luftmantel führen, der im wesentlichen
ganz aus Luft besteht, in einer Weise, die von den Fachleuten auf
dem vorliegenden Gebiet verstanden wird. Durch Erzeugen eines Luftmantels 222 um
die einzelnen Kerne 214 herum, können die einzelnen
Fasern 212 von einem Mehrkernfaserkörper 224 durch
chemisches Wegätzen der Luftbrücken 226 innerhalb
des Luftmantels 222 und des Glases in dem Mehrkernfaserkörper 224 voneinander getrennt
werden.
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21 ist
eine Draufsicht auf eine Mehrkernfaser 210, bei der die
einzelnen Fasern 212 voneinander getrennt sind, um Schwänzchen
zu bilden, die sich von dem Mehrkernfaserabschnitt 218 weg
erstrecken. In einer Ausführungsform ist der Mehrkernfaserkörper 224 und
der Luftmantel 222 mit Hilfe von Fluorsäure oder
einer anderen geeigneten chemischen Substanz weggeätzt
worden, um die einzelnen Fasern 212 von dem Abschnitt 218 zu
trennen, so dass die einzelnen Fasern 212 mit dem Faserverstärker 18 verbunden
werden können. Da der Mehrkernfaserabschnitt 218 einen
signifikant größeren Durchmesser als die einzelnen
Fasern 212 hat, kann er leichter zur Herstellung eines
verjüngten Faserbündels der oben erläuterten
Bauformen herangezogen werden. Es ist zu beachten, dass bei dem
Auszieh- bzw. Verjüngungsvorgang geeignet hohe Temperaturen
angewendet werden müssen und unter Umständen ein
Vakuum, damit die Brücken in den Luftmänteln 222 kollabieren,
so dass die Fasermantelschichten 216 zwischen den Kernen
und dem Mehrkernfaserkörper 224 durchgehend verlaufen.
Dies ermöglicht es den in jedem Kern 214 eingeschlossenen
Moden sich zu verteilen und sich mit den anderen Moden in dem verjüngten
Bereich der Mehrkernfaser 210 zu überlappen.
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Die
oben erläuterten Ausführungsformen können
auf andere Bauarten von Faserlaserverstärkersystemen übertragen
werden, um die Ausgangsleistung des Systems zu erhöhen. 22 ist
eine schematische Draufsicht auf ein Faserlaserverstärkersystem 230, das
Mehrfachfasern vereinigt, die die spektrale Strahlvereinigung (SBC)
zur Erhöhung der Strahlleistung einsetzen. In dem System 230 erzeugt eine
Vielzahl N Hauptoszillatoren 232 einzeln Strahlen auf den
Fasern 234, die unterschiedliche Wellenlängen
(λ1, λ2,
..., λN). Jede Wellenlänge
eines Hauptoszillators wird dann mit Hilfe von M Strahlteilern und Phasenmodulatoren
auf M Faserstrahlen auf die oben erläuterte Weise aufgeteilt.
Die einzelnen Faserstrahlen jedes Strahlteilers und Phasenmodulators 236 werden
dann in einen Faserverstärker 238, der als Verstärker 240 wiedergegeben
ist, eingekoppelt. Die Faserverstärker 238 werden
als nächstes miteinander zu einem verjüngten Faserbündel 242 verbunden,
das mit einer Endkappe 244 auf die oben beschriebene Weise
versehen wird. Das verjüngte Faserbündel 242 und
die Endkappe 244 können jede beliebige der verjüngten
Faserbündel und/oder Endkappen der zuvor erläuterten
Ausführungsformen sein.
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Die
N verjüngten Faserbündel sind in einer linearen
Matrix angeordnet, die auf der rückwärtige Brennebene
einer gemeinsamen Kollimatorlinse 248 angeordnet ist. Der
Ausgangsstrahl jeder Endkappe 244 wird mit Hilfe einer
Teleskoplinse 246 fokussiert und es werden die vereinigten
Strahlen für alle Hauptoszillatorwellenlängen
dann mit Hilfe der Kollimatorlinse 248 parallel ausgerichtet.
Die parallel ausgerichteten Strahlen der Kollimatorlinse 248 werden dann
mit Hilfe eines Strahlteilers 250 gesampelt, während
der größte Teil des Strahls an ein SBC-Gitter 252 geleitet
wird. Das SBC-Gitter 252 ist in der gegenüberliegenden
Brennebene der Kollimatorlinse 248 angeordnet. Die Dispersion
zusammen mit den Wellenlängen der Hauptoszillatoren, der
Abstand zwischen benachbarten verjüngten Faserbündeln und
die Brennweite der Kollimatorlinse werden so gewählt, dass
jeder Strahl mit allen anderen Strahlen nach der Beugung durch das
SBC-Gitter 252 präzise zusammenwirkt. Auf diese
Weise werden somit alle Strahlen für jede Hauptoszillatorwellenlänge
auf den gleichen Punkt fokussiert, ebenso wie alle anderen Strahlwellenlängen
des Hauptoszillators.
-
Der
Strahlsampler 250 erzeugt eine kleine Probe der Sammlung
von N Strahlen, die auf das Gitter 252 fallen, von denen
sich jeder unter einem etwas anderen Winkel fortpflanzt. Eine Fokussieroptik 254 fokussiert
den vereinigten Strahl auf N einzelne Phasendetektoren, von denen
jeder Phasendetektor 256 die Phasenbeziehung unter den
M Strahlen bei jeder einzelnen Hauptoszillatorwellenlänge
misst. Wie oben gezeigt, wird ein Frequenztag (Markierung) an jedem
einzelnen Faserstrahl für jede einzelne Hauptoszillatorwellenlänge
angebracht, so dass die Messsignale von den Phasendetektoren 256 mit
Hilfe eines Synchron-Phasenprozessors 258 empfangen werden,
der die Phasenmodulatoren 236 in jeder Wellenlängengruppe,
wie oben erläutert, justiert bzw. nachregelt. Folglich
ist das Signal aller N Phasendetektoren 256 zur Fesselung
der Phasen jeder Gruppe von M Strahlen verwendet worden, die zu
dem verjüngten Faserbündel 242 für
jede der N entsprechenden Wellenlängen vereint worden sind.
Das Phasensignal wird synchron verarbeitet, um zu unterscheiden,
bei welcher der Fasern einer Gruppe der Phasenfehler entsteht, und
um Korrektursignale an die richtigen Modulatoren 236 zu
geben, so dass die Strahlen innerhalb jeder Wellenlängengruppe
optimal phasengefesselt sind. Bei dieser Ausführungsform
sind die Faserverstärker 238 die Polarisation beibehaltende
Fasern, um einen kohärenten und polarisierten Ausgangsstrahl
sicherzustellen und somit effektiv die höchstmögliche
Beugung von den SBC-Gittern 252 zu erzielen, was üblicherweise
sehr viel wirksamer für einen einzigen Polarisationszustand
ist, als den anderen.
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23 zeigt
eine schematische Draufsicht auf ein Faserlaserverstärkungssystem 260 ähnlich dem
System 230, in der gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet sind. Das System 260 ist eine vereinfachte Ausführungsform
gegenüber dem System 230, die sich den Vorteil
der Reflektion 0-ter Ordnung an dem SBC Gitter 252 zunutze macht.
Die Rückreflektion 1. Ordnung des SBC Gitters 252 ist
der Hauptstrahl, der auf den gewünschten Ort fokussiert
wird, an dem ein Teilausschnitt des Strahls vom SBC Gitter 252 als
0. Ordnung zurück reflektiert wird. Da die Rückreflektion
der 0. Ordnung vom SBC Gitter 252 für jede einzelne
Wellenlängengruppe etwas voneinander abweicht, kann die
Sammellinsenoptik 254 die einzelnen Strahlen auf die bestimmten
Detektoren 256 fokussieren, wie dies weiter oben erläutert
wurde. Auf diese Weise benötigt das System 260 keinen
Strahlteiler 250.
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24 ist
eine schematische Draufsicht auf ein Faserlaserverstärkersystem 270 ähnlich
dem System 260, in der gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen sind. Das System 260 verwendet die Polarisation
beibehaltende Fasern, die für hohe Leistungen brauchbar
sein können oder nicht. Das System 270 setzt in
den Faserverstärkern 256 keine die Polarisation
beibehaltende Fasern ein und folglich muss ein Verfahren angewendet
werden, mit dem die Ausrichtung der Polarisation zwischen den Faserstrahlen
in jeder Wellenlängengruppe der einzelnen Hauptoszillatoren
bewirkt werden kann. Um dies zu erreichen, verwendet das System 270 einen Polarisator 272 zwischen
der Fokussieroptik 254 und den Detektoren 256,
der einen Teil der Strahlen an die N Polarisationsdetektoren 274 lenkt,
die die Polarisation für jede einzelne Wellenlängegruppe
messen. Die probengenommenen Strahlen können durch Gitterreflektion
0. Ordnung, wie sie für das System 270 dargestellt
ist, erzeugt werden, oder durch eine getrennte Sampleroptik, wie
diese für das System 230 beschrieben ist. Die
von den Detektoren jeweils gemessenen Signale werden an N Polarisationsprozessoren 276 geleitet,
die die relative Ausrichtung der Polarisation zwischen den M Faserstrahlen
in jeder der N Wellenlängengruppen bestimmen und ein geeignetes
Signal an die M Polarisationsregler 278 auf der Niederleistungsseite
jedes der M Faserverstärker 238 abgeben.
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Das
SBC Gitter 252 stellt eine bessere Strahlqualität
zur Verfügung und eine geringere Aufweitung, wenn die Strahlen
von den Hauptoszillatoren 232 eine enge Strahlbandbreite
aufweisen. Durch Erzeugen einer schmalen Strahlbandbreite durch
den Hauptoszillator 232 bewirken jedoch akustische Effekte
innerhalb der verschiedenen Fasern und anderer optischer Komponenten
eine stimulierte Brillouin-Streuung (SBS), die dazu neigt, optische Bauteile
zu zerstören. Daher ist es wünschenswert, die
Strahlbandbreite des Hauptoszillatorsignals zu vergrößern,
um eine stimulierte Brillouin-Streuung zu verhindern, was – wie
bereits erwähnt – zu einer geringeren Strahlqualität
führt.
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25 zeigt
eine schematische Draufsicht auf ein Faserlaserverstärkungssystem 280,
das einen Hauptoszillator mit breiterer Strahlbandbreite zulässt,
aber eine geringere Bandbreite an dem SBC Gitter 25 erzeugt,
wobei wieder gleiche Bauteile des Systems 260 mit den gleichen
Bezugszeichen wie zuvor gekennzeichnet sind. Um dieses Merkmal zur Verfügung
zu stellen, umfasst das System 280 N Vor-Streugitter 282,
eines für jede Wellenlängengruppe. Die Streugitter 282 erzeugen
eine Dispersionskompensation, die im Wesentlichen die gleiche Streuung
wie das SBC-Gitter 252 erzeugt, aber in entgegengesetzter
Richtung orientiert ist, um so die Nettostreuung für jeden
Strahl der Wellenlängengruppe auszulöschen. Die
Streugitter 282 sind derart ausgerichtet, dass die Strahlen
einander auf dem SBC Gitter 252 überlappen und
unter dem korrekten Winkel einfallen, um eine gemeinsame Fortpflanzung der
gestreuten Strahlen zu erzielen. Die Strahlqualität ist
optimiert, wenn die Strahlen von den Streugittern 282 auf
die SBC Gitter 252 unter Verwendung der Weiterführungsteleskope 284 abgebildet
werden. Die Optiken der Weiterführungsteleskope können
zylindrisch ausgebildet sein, um eine große Strahlweite in
einer zur Streurichtung orthogonalen Richtung zu ermöglichen,
so dass die Intensität auf der Oberfläche der
Gitter unterhalb einer Schwelle gehalten werden kann, ab der ein
optische Beschädigung auftritt.
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In
dem System 280 müssen die Streugitter 282 individuell
und präzise mit den SBC Gittern 252 in der oben
erläuterten Weise ausgerichtet worden sein, was mühsam
und aufwändig sein kann. 26 zeigt
eine alternative Ausführungsform für ein Faserlaserverstärkersystem 290,
das bei dieser Problematik hilft, bei dem wiederum gleiche Elemente
mit dem System 280 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet
sind. Bei dem System 290 sind die einzelnen Streugitter 282 durch
ein einziges Vor-Streugitter 292 ersetzt, das in der gleichen
Weise wirkt. Die einzelnen Strahlwellenlängengruppen werden
von dem Vor-Streugitter 292 unter unterschiedlichen Winkeln zurück
reflektiert, die vor dem Auftreffen auf das SBC Gitter 252 korrigiert
werden müssen, so dass alle Strahlen auf den gleichen Strahlpunkt
gerichtet sind. Ein stufenförmiger Spiegel 254 mit
einer eigenen Treppenstufe für jede Strahlwellenlängengruppe
ist vorgesehen, bei dem die Stufen hinsichtlich Stufenhöhe
und – breite so gewählt sind, dass die Strahlen unter
dem geeigneten Winkel auftreffen, so dass alle Strahlen nach der
Streuung an dem SBC Gitter 252 gleich ausgerichtet sind.
Für Hochleistungsanwendungen sind zylindrische Optiken 296 und 298 im Strahlpfad
zwischen dem Vor-Streugitter 292 und dem SBC Gitter 252 vorgesehen,
um die Leistungsdichte jedes einzelnen Strahls auf eine Brennlinie oder
einen angenäherten Brennpunkt auf einer anderen Stufe des
stufenförmigen Spiegels zu verteilen und so die maximale
Intensität unterhalb der Schwelle zu halten, bei der optische
Schäden auftreten können. Die Eigenschaften des
Vor-Streugitters und der Einfallswinkel sind so gewählt,
dass die Streuung des SBC Gitters 252 ausgelöscht
wird. Eine Konstruktion mit im Wesentlichen keiner resultierenden
Streuung ist die Verwendung identischer Gitter mit entgegengesetzten
Ausrichtungen für die Vor-Streuungsgitter und die SBC Gitter.
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27 stellt
eine Draufsicht auf ein bekanntes Faserlaserverstärkersystem
300 dar,
wie es z. B. in der
US Patentschrift
Nr. 7 130 113 dargestellt ist, die am 31. Oktober 2006
an Shakir et al unter dem ”Titel Passive Phasing of Fiber
Amplifiers” ausgegeben wurde und die an die Rechtsinhaber
der vorliegenden Anmeldung übertragen worden ist und die
in diese Beschreibung durch Bezugnahme eingegliedert wird. Das System
300 unterscheidet
sich von dem Verstärkersystem
10 und anderen zuvor
beschriebenen, weil es keinen Hauptoszillator einsetzt, sondern
stattdessen einen Lichtrückkopplungskreis verwendet. Das
Verstärkersystem
300 umfasst Faserverstärker
302,
die durch Verstärker
304 wiedergegeben sind, die
mit Hilfe eines nicht dargestellten Pumpstrahls gepumpt werden,
um die optische Verstärkung zu erzielen. Die verstärkten
Signale aus den Faserverstärkern
302 werden dann
an eine Linsenmatrix
306 der oben erläuterten
Art geleitet, die die Faserstrahlen bündelt. Die einzelnen
Linsen der Linsenmatrix
306 müssen präzise
ausgerichtet sein, so dass sich alle Faserstrahlen in der gleichen
Richtung gemeinsam fortpflanzen. Die von der Linsenmatrix
306 gemeinsam
ausgehenden Strahlen werden mit Hilfe eines Strahlsamplers
308 gesampelt,
wobei die meisten der Strahlen durch den Strahlsampler
308 als
der Ausgangsstrahl des Systems hindurchtreten. Der gesampelte bzw.
probegenommene Teil des Strahls aus dem Strahlsampler
308 wird
durch Koppellinsen
310 fokussiert und mit Hilfe eines Kollektors
312 gesammelt,
um durch eine Monomodefaser
314 geleitet zu werden, die
die Strahlrückkopplung bewirkt. Da die Faser
314 eine
Monomodefaser ist, bewirkt sie die Ausrichtung der Phasen der Faserstrahlen
in den Faserverstärkern
302 passiv im Gegensatz zu
einer aktiven Regelung, die durch die elektrische Rückkopplung
zu den Phasenmodulatoren bewirkt wird, wie dies zuvor erläutert
wurde. Ein optischer Isolator
316 ist in der Monomodefaser
314vorgesehen,
so dass sich das Licht nur in der Rückkopplungsrichtung
fortpflanzt. Der Rückkopplungsstrahl wird mit Hilfe eines
Vorverstärkers
318 verstärkt und mit
Hilfe eines Strahlteilers aufgeteilt, um die Faserstrahlen für
die verschiedenen Faserverstärker
302 zu erzeugen.
Diese Technik hat sich beim passiven Fesseln der Phasen der Faserverstärker
302 als wirksam
erwiesen, leidet aber immer noch an dem Problem des geringen Füllfaktors,
das zuvor unter Bezugnahme auf das System
10 erörtert
wurde.
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Das
System 300 kann auch, um in der Konstruktion kompakter
zu sein und die Anzahl der eine Ausrichtung erfordernden optischen
Komponenten zu verringern, durch Einsatz eines verjüngten
Faserbündels in der gleichen Weise verbessert werden, wie
dies zuvor erörtert wurde. 28 ist
eine schematische Draufsicht auf ein Faserlaserverstärkersystem 330,
das eine solche Ausführungsform zeigt, in der gleiche Bauteile
wie im System 300 durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet
sind. Das System 330 umfasst ein verjüngtes Faserbündel 332, das
die Faserverstärker 302 in der oben erläuterten Weise
miteinander vereinigt, um eine Strahlüberlappung am Ausgang
des verjüngten Faserbündels 332 zu erzielen.
Eine Endkappe 334 ist auf das verjüngte Faserbündel 332 aufgebracht
und kann eine der verschiedenen oben erläuterten Ausführungsformen
haben. Ein Ausgangsstrahl aus der Endkappe 334 ist mit
Hilfe eines Kollimator- und Vergrößerungsteleskop 336 gebündelt,
das eine Fokussieroptik 338 und ein Kollimatoroptik 340 aufweist.
Folglich löst das System 330 das Problem des Füllfaktors
des Systems 300 mit einer kompakten Konstruktion. Wie zuvor
kann die Fokussieroptik 338 ein Teil der Endkappe 334 sein,
wie z. B. eine GRIN-Linse mit positiver Brechkraft.
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Es
ist möglich, dass die Systeme 303 und 330 selbstpolarisierend
ausgebildet sind, was bedeutet, dass alle Faserstrahlen den gleichen
Polarisationszustand haben, der für eine kohärente
Strahlzusammenführung erforderlich ist. Dies kann unter
Verwendung einer einzigen Monomodefaser 314 erfolgen oder
es kann die Polarisation durch Faserverstärker 302 erzwungen
werden, so dass alle einschließlich der die Polarisation
beibehaltenden Fasern die gleiche Polarisation haben. Alternativ
können in dem System Polarisationsregler vorgesehen werden,
um die Orientierung der Polarisation in den Faserverstärkern 302 auf
die zuvor erläuterte Weise beizubehalten.
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Die 29 stellt
eine schematische Draufsicht auf ein Faserlaserverstärkersystem 350 dar, das
eine Polarisationsregelung vorsieht, bei der gleiche Bauteile wie
bei den Systemen 300 und 330 durch die gleichen
Bezugszeichen bezeichnet sind. Bei dieser Ausführungsform
lenkt eine Polarisationsvorrichtung 352 zwischen der Kopplungslinse 310 und
der Sammellinse 312 einen Teil des Strahls auf einen Polarisationsdetektor 354,
der die Polarisationsunterschiede zwischen den aneinander gebündelten
Strahlen des Ausgangsstrahls des verjüngten Faserbündels 332 misst.
Ein Synchron-N Strahlen-Polarisationsprozessor 356 empfängt
das von dem Polarisationsdetektor 354 gemessene Polarisationssignal
und regelt den Polarisationsregler 358 in jedem Faserverstärker 302,
so dass die Ausrichtung der Polarisation in jedem Faserverstärker 302 beibehalten
wird. Um dem Polarisationsprozessor 356 die Feststellung
zu ermöglichen, welcher der N Strahlen eine Korrektur erfordert,
muss jeder der Polarisationsregler 358 eine eindeutige
Dither-Frequenz oder einen eindeutigen Code erzeugen, ähnlich
wie es für die anderen Ausführungsformen bei den
zuvor beschriebenen Verfahren zur Phasenregelung beschrieben worden
ist.
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30 ist
eine schematische Darstellung eines Faserlaserverstärkersystems 360 ähnlich
den Systemen 300, 330 und 350, in der
gleichen Bauteile durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In
dieser Ausführungsform enthält das Kollimator- und
Vergrößerungsteleskop eine kombinierte einer Linsen-
und Probenahme-Gitteranordnung 362 mit einer Linse 364 und
einem Sampel- bzw. Probenahmegitter 366. Die Linse 364 richtet
den Ausgangsstrahl von der Endkappe 334 parallel und das
Sampelgitter 366 lenkt einen kleinen Teil des Ausgangsstrahls
auf die Kopplungslinse 310. Das Sampelgitter 366 kann
eine zufällige kleine Probe des Ausgangsstrahls ohne die
Einführung einer zusätzlichen separaten Optik
gewinnen. Das vergrößernde Teleskop kann auch
Spiegel statt Linsen verwenden.
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Die
zuvor gegebene Erläuterung offenbart und beschreibt nur
beispielhafte Ausführungsformen. Der auf dem vorliegenden
Gebiet tätige Fachmann wird aus der Erläuterung,
den beigefügten Zeichnungen und den Patentansprüchen
erkennen, dass hier verschiedene Änderungen, Modifikationen
und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist
und Umfang der Erfindung, wie sie in den nachfolgenden Patentansprüchen
gekennzeichnet ist, vorgenommen werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6708003 [0035]
- - US 7440174 [0038]
- - US 7346085 [0039]
- - US 6317257 [0068]
- - US 7130113 [0080]
