DE102012213174A1 - Verfahren zur Herstellung von aktiven Laserfasern - Google Patents

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Katrin Rößner
Dr. Hämmerle Wolfgang
Lothar Brehm
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Faser mit gestörter Zylindersymmetrie der Glasoberfläche. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst eine Vorform aus einem Zentralstab aus Glas, darum herum kreisförmig angeordneten Hilfsstäben aus Glas und einem äußeren Glasumfangungsrohr aufgebaut wird. Diese Vorform wird in einem Zwischenschritt oder direkt beim Ziehen zu einem kompakten Glasgebilde mit gestörter Zylindersymmetrie verschmolzen. Diese kompakte Vorform wird zu einer Faser ausgezogen, wobei die Ziehbedingungen so gewählt werden, dass sich die gestörte Zylindersymmetrie der Vorform auf die Faser überträgt.

Description

  • Aktive Laserfasern dienen zur Erzeugung von Laserlicht. Derartige Anordnungen werden auch als „Faserlaser“ bezeichnet. Bei Laserfasern ist der lichtleitende Kern dotiert und bildet ein laseraktives Medium aus. Die äußere Pumpanregung wird auf den gesamten Faserquerschnitt angelegt und wirkt auf den aktiven Faserkern ein. Aufgrund der Mehrfachreflexionen des innerhalb des Kerns geleiteten Lichtes und der großen Länge der Faser wird dabei eine hohe Verstärkung der Laserstrahlung erreicht, die am Faserende ausgekoppelt wird.
  • Um eine hohe optische Ausbeute bei der Umsetzung der Pumpenergie in Laserleistung zu erreichen, werden aktive Fasern mit Seltenerdelementen verwendet. Diese werden mit einem Pumpkern ummantelt, der sich durch eine gestörte Zylindersymmetrie oder mechanische Spannungen, die durch Brechzahldifferenzen im Pumpkern induziert werden, auszeichnet. Derartige Pumpkerne werden gemäß dem Stand der Technik aus zylindrischen Vorformen hergestellt, wobei deren Zylindersymmetrie durch das Abschleifen von Segmenten bewußt gestört wird. Die daraus resultierenden Pumpkerne weisen eine so genannte D-Struktur, eine Doppel-D oder eine mehrfach W-Struktur auf. Ein derartiges Abschleifen der Pumpkerne erfordert einen separaten Arbeitsschritt und ist mit einem Mehraufwand an Ressourcen und Arbeitszeit verbunden.
  • Gemäß dem Stand der Technik werden im Wesentlichen folgende Vorgehensweisen für ein rationelleres Fertigen aktiver Laserfasern vorgeschlagen:
    In der Druckschrift US 6411762 wird eine Laserfaser beschrieben, bei der mittels eines Einfügens verschieden dotierter Stäbe um einen aktiven Kern eine bessere Modenmischung erreicht wird. Dabei wird eine Multimode Preform mit einer Ultraschallbehandlung derart vorbereitet, dass Löcher ausgebohrt werden, in die in einem folgenden Arbeitsschritt die dotierten Stäbe eingeschoben werden.
  • In der Druckschrift US 4978377 wird ein Herstellungsverfahren für polarisiationserhaltende Fasern beschrieben, bei der unter Beibehaltung der Zylindersymmetrie verschiedene Claddingsegmente zusammengefügt und anschließend verbunden werden.
  • Sowohl das Ultraschallbohren als auch das Zusammenfügen der Claddingsegmente ist jedoch relativ aufwändig und erfordert ein hohes Maß an fertigungstechnischer Erfahrung.
  • Es besteht somit Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von aktiven Laserfasern zu entwickeln, bei dem die Abweichung von der Zylindersymmetrie direkt während des Faserziehprozesses erzeugt werden kann.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige und/oder vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Es wird zunächst eine Vorform aus einem Zentralstab aus Glas, darum herum kreisförmig angeordneten Hilfsstäben aus Glas und einem äußeren Glasumfangungsrohr aufgebaut. Diese Vorform wird in einem Zwischenschritt oder direkt beim Ziehen zu einem kompakten Glasgebilde mit gestörter Zylindersymmetrie verschmolzen. Diese kompakte Vorform wird danach zu einer Faser ausgezogen. Dabei werden die Ziehbedingungen so gewählt, dass sich die gestörte Zylindersymmetrie der Vorform auf die Faser überträgt.
  • Diese Aufgabe wird somit dadurch gelöst, indem aktive Laserfasern mit einem nicht zylindersymmetrischen Pumpkern derart erzeugt werden, dass um eine Vorform für den aktiven Laserkern mehrere dotierte/undotiere Glasstäbe angeordnet und mit einem Glasrohr ummantelt werden. Dieses Ummanteln kann vor oder während des Faserziehens durchgeführt werden. Durch die Anordnung von mehreren Glasstäben um den aktiven Kern wird schon bei der Primärpreform eine nicht zylindersymmetrische Struktur vorgegeben, die während des Ummantelungsschrittes erhalten bleibt. Somit kann in einem einzigen Prozessschritt eine Faser mit einem nicht zylindersymmetrischen Pumpkern hergestellt werden.
  • Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform weist der Zentralstab einen polygonalen oder kreisförmigen Querschnitt auf, wobei die Hilfsstäbe einen polygonalen, einen kreis-, einen kreisabschnitts- oder einen kreissegmentförmigen Querschnitt haben.
  • Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform des Verfahrens wird die Anzahl der Symmetriestörungen über den Preformumfang durch die Anzahl der Hilfsstäbe eingestellt. Die Größe der jeweiligen Symmetriestörung wird jeweils durch den Durchmesser des einzelnen Hilfsstabes eingestellt. Dadurch stehen zwei Verfahrensparameter zur Verfügung, die grundsätzlich voneinander unabhängig gewählt werden können.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Größe der Symmetriestörungen durch Einsatz von Hilfsstäben mit unterschiedlichem Durchmesser eingestellt. Dadurch können ortsabhängige oder auch abgestufte Symmetriestörungen erzeugt werden.
  • Sowohl der Zentralstab als auch die Hilfsstäbe können dotiert sein. Bei einer ersten Ausführungsform weist der Zentralstab einen dotierten Kern auf, wobei dieser Kern mit seltenen Erden dotiert ist, wodurch der Zentralstab zur Erzeugung von Laserlicht genutzt werden kann.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist mindestens einer der Hilfsstäbe ganz oder teilweise mit Bor dotiert. Die dotierten Hilfsstäbe werden als Stresselemente zur Erzeugung von inneren Spannungen und damit verbundener Doppelbrechung in der gezogenen Faser eingesetzt. Die aus einer solchen Preform gezogene Faser ist polarisationserhaltend.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform weist mindestens einer der Hilfselemente ganz oder teilweise einen Brechungsindex auf, der höher als der Brechungsindex des Umfangungsrohres ist. Dieser höhere Brechungsindex des Hilfsstabes kann durch ein Element der 4. Hauptgruppe, insbesondere durch eine Dotierung mit Germanium, eingestellt werden.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform wird der höhere Brechungsindex des Hilfsstabes durch eine Dotierung mit einem Element der 5. Hauptgruppe, insbesondere Phosphor, eingestellt.
  • Die Hilfsstäbe mit erhöhter Brechzahl können zur Übertragung von Licht entlang der ausgezogenen Faser verwendet werden. Dabei wird das von den Hilfsstäben übertragene Licht in der ausgezogenen Faser zum Pumpen des dotierten Kerns im Zentralstab genutzt.
  • Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Verschmelzen des Zentralstabes, der kreisförmig angeordneten Hilfsstäbe und des Umfangungsrohres unter Vakuum.
  • Bei einer Weiterbildung des Verfahrens ist sind ein oder mehrere Hilfsstäbe als Kapillare ausgebildet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die 1a bis 5. Es werden für gleiche oder gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • Es zeigt:
  • 1a eine Ausgangskonfiguration aus Zentralstab, mehreren Hilfsstäben und Umfangrohr vor dem Kollabierschritt,
  • 1b die in 1a gezeigte Konfiguration nach dem ausgeführten Kollabierschritt,
  • 2 eine Ausführungsform mit polygonal, hier dreiecksförmig, ausgebildeten Hilfsstäben,
  • 3 eine Ausführungsform mit Hilfsstäben, die kreissegmentartige Abschnitte aufweisen,
  • 4 eine Ausführungsform mit Hilfsstäben mit unterschiedlichen Durchmessern,
  • 4b eine weitere Ausführungsform mit Hilfsstäben mit unterschiedliche Durchmessern in einer anderen Konfiguration,
  • 5 eine Ausführungsform mit teilweise Bor-dotierten Hilfsstäben.
  • 1a zeigt eine Ausgangskonfiguration aus einem Zentralstab 1 und mehreren Hilfsstäben 2. Diese sind von einem Umfangrohr 3 umgeben. In dem hier vorliegenden Fall weisen der Zentralstab und die Hilfsstäbe jeweils einen kreisförmigen Querschnitt auf. Die Hilfsstäbe sind um den Zentralstab herum gleichmäßig angeordnet. Das Umfangrohr kann entweder vor dem eigentlichen Ziehvorgang angebracht werden oder erst unmittelbar während des Ziehprozesses angefügt werden. Die in 1 gezeigte beispielhafte Form weist eine sechszählige Symmetrie auf, die jedoch von einer Zylindersymmetrie signifikant abweicht.
  • Beim nachfolgenden Ziehprozess wird die gestörte Zylindersymmetrie auf die entstehende Faser übertragen. 1b zeigt den dabei entstehenden Faserquerschnitt. Die Faser weist eine Außenkontur 4 auf, die signifikant von einer Kreiskontur abweicht. Das Umfangrohr 3 aus 1a ist bei dem Faserziehprozess zu einer Füllmasse oder Glasmatrix 5 umgeformt worden, die sich in die Zwischenräume zwischen den Hilfsstäben hineingesenkt hat. Dabei sind die Hilfsstäbe gegen den Zentralstab gedrückt und mit diesem verbunden worden. Möglich ist dabei auch ein Verschmelzen zwischen Zentralstab und Hilfsstäben. Sofern beide Stäbe die gleiche Brechzahl aufweisen, wird somit eine Faser mit einem sternförmigen, nicht zylindersymmetrischen Faserkern erzeugt.
  • Die in 1b gezeigte Anordnung kann insbesondere für ein Zuführen von elektromagnetischer Pumpenergie über die Hilfsstäbe zu dem in der fertigen Laserfaser als Laserkern dienenden Zentralstab dienen. Hierzu sind insbesondere die Kopplungen zwischen dem Zentralstab und den Hilfsstäben nützlich. Das in den Hilfsstäben geführte Pumplicht tritt dabei unmittelbar in den Zentralstab, d.h. den Laserkern, über.
  • 2 zeigt eine weitere Ausführungsform für die Hilfsstäbe 2. Diese sind in dem hier vorliegenden Beispiel mit einem polygonalen, insbesondere einem dreieckigen Querschnitt ausgeführt. Die Symmetrie ist hier achtzählig, aber nicht zylindersymmetrisch. Die Verarbeitung geschieht wie bei den Ausführungsbeispielen aus 1a und 1b. Die hier gezeigte Ausführungsform ermöglicht einen breiteren Faserkontakt zwischen den Hilfsstäben und dem Zentralstab 1 und erweist sich somit ebenfalls als vorteilhaft hinsichtlich des Pumpvorgangs innerhalb der Laserfaser. Das Umgangrohr 3 ist in der vorgergehend beschriebenen Weise ausgebildet.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform mit einem Zentralstab 1, der eine quadratische Querschnittsfläche und einen dotierten Kern 6 aufweist. An den Seitenflächen schließt sich jeweils ein Hilfsstab 2 an. Jeder der Hilfsstäbe weist in dem vorliegenden Beispiel im Querschnitt eine kreisbogenförmige Gestaltung auf. Dabei ist der zum Zentralstab gerichtete Teil der Außenkontur jedes einzelnen Hilfsstabes zu dem Zentralstab gerichtet. Beim Kollabieren verschmelzen die Hilfsstäbe mit dem Zentralstab zu einem kreuzförmigen und somit nicht zylindersymmetrischen Gebilde, das in seinem Inneren einen Kern enthält, der insbesondere als Pumpkern einer Laserfaser fungieren kann, der über die Hilfsstäbe, d.h. die Kreuzschenkel mit Pumplicht beaufschlagt werden kann.
  • Die Hilfsstäbe können verschieden groß, d.h. mit unterschiedlichen Durchmessern, ausgebildet sein. 4 zeigt ein entsprechendes Beispiel. Die hier verursachte Symmetriestörung ergibt sich daher nicht nur aus der Zahl der Hilfsstäbe 2, sondern außerdem noch aus deren Größe. Bei dem hier vorliegenden Beispiel wechseln sich jeweils ein Hilfsstab mit einem größeren Durchmesser mit einem Hilfsstab mit einem kleineren Durchmesser ab. Die Hilfsstäbe sind insgesamt gleichmäßig um den Zentralstab 1 herum angeordnet. Möglich ist aber auch eine asymmetrische Anordnung der dickeren und dünneren Hilfsstäbe. Dabei können die verschiedenen Arten der Hilfsstäbe auch in verschiedenen Anzahlen vorhanden sein.
  • 4a zeigt beispielhaft eine Anordnung aus zwei Hilfsstäben mit größerem Durchmesser, die links und rechts neben dem Zentralstab in einer Linie angeordnet sind, während sich oberhalb und unterhalb dieser Linie dünnere Hilfsstäbe befinden.
  • 5 zeigt eine Ausführungsform, bei den zwei Hilfsstäbe mit jeweils einem Bor-dotierten Kern 7 verwendet werden. Die mit dem Bor-dotierten Kern versehenen Hilfsstäbe erzeugen innerhalb der zwischen den beiden Bor-Kernen verlaufenden Verbindungslinie ein mechanisches Spannungsprofil, das eine induzierte Doppelbrechung im Querschnitt der der Preform sowie der gezogenen Faser hervorruft. Die gezogene optische Faser weist infolge dessen polarisationserhaltende Eigenschaften auf.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausführungsformen möglich. Diese ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zentralstab
    2
    Hilfsstab
    3
    Umfangrohr
    4
    Außenkontur
    5
    Glasmatrix
    6
    dotierter Kern
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6411762 [0003]
    • US 4978377 [0004]

Claims (12)

  1. Verfahren zum Herstellen einer optischen Faser mit gestörter Zylindersymmetrie der Glasoberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Vorform aus einem Zentralstab (1) aus Glas, darum herum kreisförmig angeordneten Hilfsstäben (2) aus Glas und einem äußeren Glasumfangsrohr (3) aufgebaut wird, dass diese Vorform in einem Zwischenschritt oder direkt beim Ziehen zu einem kompakten Glasgebilde mit gestörter Zylindersymmetrie verschmolzen wird, dass diese kompakte Vorform zu einer Faser ausgezogen wird, wobei die Ziehbedingungen so gewählt werden, dass sich die gestörte Zylindersymmetrie der Vorform auf die Faser überträgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralstab (1) einen polygonalen oder kreisförmigen Querschnitt aufweist, und dass die Hilfsstäbe (2) eine polygonalen, kreis-, kreisabschnitts- oder kreissegmentförmigen Querschnitt aufweisen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Anzahl der Symmetriestörungen über den Preformumfang durch die Anzahl der Hilfsstäbe eingestellt und dass die Größe der jeweiligen Symmetriestörung jeweils durch den Durchmesser des einzelnen Hilfsstabes eingestellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Symmetriestörungen durch Einsatz von Hilfsstäben mit unterschiedlichen Durchmessern eingestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralstab einen dotierten Kern aufweist und mit seltenen Erden dotiert ist, wobei der Zentralstab zur Erzeugung von Laserlicht vorgesehen ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass mindestens einer der Hilfsstäbe ganz oder teilweise mit Bor dotiert ist, wobei die dotierten Hilfsstäbe als Stresselemente zur Erzeugung von inneren Spannungen und damit verbundener Doppelbrechung in der gezogenen Faser eingesetzt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Hilfsstäbe ganz oder teilweise einen Brechungsindex aufweist, der höher als der Brechungsindex des Umfangungsrohres ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dass der höhere Brechungsindex des Hilfsstabes durch eine Dotierung mit einem Element der 4. Hauptgruppe, insbesondere Germanium, eingestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der höhere Brechungsindex des Hilfsstabes durch eine Dotierung mit einem Element der 5. Hauptgruppe, insbesondere Phosphor, eingestellt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsstäbe mit erhöhter Brechzahl zur Übertragung von Licht entlang der ausgezogenen Faser verwendet werden, wobei das in den Hilfsstäben übertragene Licht in der ausgezogenen Faser zum Pumpen des dotierten Kerns im Zentralstab genutzt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschmelzen des Zentralstabes, der kreisförmig angeordneten Hilfsstäbe und des Umfangungsrohres unter Vakuum erfolgt.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Hilfsstäbe als Kapillare ausgebildet sind.
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