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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Lichtstrahlung in einen Lichtwellenleiter, der in einer Kammer, die von einem Kammergehäuse ausgebildet ist, angeordnet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kammergehäuses. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum optischen Pumpen einer Faser.
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Als optisches Pumpen bezeichnet man den physikalischen Effekt, der eine Besetzungsinversion durch optische Anregung (Elektron-Photon-Wechselwirkung) bewirkt. Eine Besetzungsinversion liegt dann vor, wenn der angeregte Zustand eines Atoms oder Moleküls im Vergleich zum Grundzustand überbesetzt ist.
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Bekannt ist das optische Pumpen u. a. von Lasern. Dabei wird das optisch aktive Medium in einem Resonator durch eine äußere Energiequelle (z. B. eine Laser-Lichtquelle oder eine Blitzlampe) angeregt, d. h. die Elektronen in der Hülle werden auf ein höheres Energieniveau „angehoben”.
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Ein Faserlaser ist eine spezielle Form eines Festkörperlasers. Der dotierte Kern einer Faser bildet bei einem Faserlaser das aktive Medium. Faserlaser werden im Allgemeinen optisch gepumpt, indem in den Faserkern oder in den den Faserkern umgebenden Mantel (Cladding) parallel zu deren Längsachse Strahlung von Diodenlasern eingekoppelt wird. Ein Faserlaser umfasst regelmäßig eine oder mehrere Pump-Laserdioden, eine Einkoppeloptik zum Einkoppeln der Pumpstrahlung der Laserdioden und einen Resonator.
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Die Faser selbst besteht typischerweise aus dem aktiven Kern („Core”), der aus (z. B. mit Yterbium oder Erbium) dotiertem Quarzglas besteht und beispielsweise einen Durchmesser von ca. 10 μm aufweisen kann. Den aktiven Kern umgeben ein oder mehrere Mäntel („Cladding(s)”) aus Quarzglas. Die Schichtdicke der Mäntel kann beispielsweise ca. 0,25 mm betragen. Die Mäntel sind von einer oder mehreren Schutzschichten aus Kunststoff („Coating” oder „Buffer”) umgeben. Die Schutzschichten sind weiterhin regelmäßig von einer Schutzhülle („Jacket”) umgeben. Der Brechungsindex der einzelnen lichtführenden Teile (Kern und Mäntel) nimmt in der Regel von innen nach außen ab.
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Ein Resonator eines Faserlasers kann u. a. auf Faser-Bragg-Gittern (FBG) beruhen, die z. B. mittels Ultraviolettstrahlung in einen an die Faser angesetzten passiven Lichtwellenleiter eingeschrieben werden. Im Kern der passiven Faser entstehen dadurch longitudinale Brechzahlunterschiede mit hohen und niedrigen Brechzahlbereichen, die abhängig von der Periodenlänge Strahlung einer bestimmten Wellenlänge reflektieren und die Spiegel des Resonators bilden. Der Vorteil hierbei ist, dass an den Faser-Bragg-Gittern keine zusätzlichen Koppelverluste entstehen und der Laser stabil und kompakt realisiert werden kann. Gewünschte Wellenlängen werden selektiv reflektieren und dadurch ein schmalbandiger Laserbetrieb ermöglicht.
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Nach Austritt aus der Faser gelangt der Laserstrahl regelmäßig in einen weiteren Lichtwellenleiter, der die Strahlung zum Beispiel zu einer Fokussieroptik einer Laser-Materialbearbeitungsmaschine leiten kann.
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Faserlaser hoher Leistung können einen kleinen Faserlaser oder eine Laserdiode als sogenannten Seedlaser zur Erzeugung der Eingangsleistung für einen nachgeschalteten Faserverstärker (die optisch gepumpte aktive Faser) aufweisen. Die Trennung des Faserlasers in Seedlaser und Nachverstärkung (sogenanntes MOPA-System [MOPA: „Master Oscillator Power Amplifier”]) hat den Vorteil, dass sich die Lasertätigkeit in der Regel besser steuern lässt.
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Ein solcher Faserverstärker ist beispielsweise aus der
DE 10 2011 103 286 A1 bekannt. Dort ist eine optisch aktive Faser vorgesehen, die schleifenförmig auf einer Grundplatte verläuft und dabei mehrere, von Anregungsgehäusen ausgebildete Anregungskammern mehrfach durchläuft, wobei eine Schutzumhüllung der Faser in den innerhalb der Anregungskammern verlaufenden Abschnitten entfernt ist. Die Anregungskammern weisen in den senkrecht zu der Längsachse der Faserabschnitte ausgerichteten Querschnitten eine einfach oder mehrfach ovale Form auf. Über Fenster wird in jede der Anregungskammern Strahlung von transversalen Pumplichtquellen eingebracht, die derart fokussiert ist, dass diese durch den aktiven Kern von einem der durch die jeweilige Anregungskammer verlaufenden Abschnitte der Anregungsfaser verläuft.
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Weiterhin ist aus der
EP 1 065 764 B1 ein Faserverstärker bekannt, bei dem die Pumpstrahlung seitlich in die Faser eingekoppelt wird. Die Faser umfasst einen aktiven Kern, einen den Kern umgebenden Mantel sowie einen den Mantel umgebenden Schutzmantel. Der Schutzmantel ist in einem Abschnitt der Faser entfernt, wobei ein Gitter zur Reflektion oder Beugung der von der Seite durch den Kern und Mantel hindurchtretenden Pumpstrahlung auf der der Pumpstrahlquelle abgewandten Seite vorgesehen ist. Das Gitter, das als Faser-Bragg-Gitter ausgebildet sein kann, ist entweder in den Mantel der Faser selbst eingeschrieben oder in ein Substrat integriert, das an dem Mantel der Faser anliegt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik hat der Erfindung die Aufgabe zugrunde gelegen, eine vorteilhafte Vorrichtung zum transversalen Einkoppeln von Lichtstrahlung in einen Lichtwellenleiter anzugeben. Insbesondere sollte sich die Vorrichtung durch eine einfache Herstellbarkeit bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad für die Einkoppelung der Lichtstrahlung auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie Verfahren zu der Herstellung dieser Vorrichtung sind Gegenstand der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Einkoppeln von Lichtstrahlung in einen Lichtwellenleiter mit (mindestens) einer von (mindestens) einem Kammergehäuse ausgebildeten Kammer, in der (mindestens) ein Lichtwellenleiter, der einen Kern sowie einen den Kern direkt umgebenden Mantel aufweist, angeordnet ist, wobei die Kammer (mindestens) eine Einstrahlöffnung ausbildet, durch die von (mindestens) einer Lichtquelle Lichtstrahlung in die Kammer derart einbringbar ist, dass diese seitlich (und insbesondere radial) bezüglich (einer Längsachse) des Lichtwellenleiters gerichtet ist, wobei das Licht von (mindestens) einem Gitter in den Lichtwellenleiter gebeugt und/oder reflektiert wird, ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass das Gitter in das Kammergehäuse integriert ist, wobei der Mantel des Lichtwellenleiters an dem das Gitter aufweisenden Abschnitt des Kammergehäuses anliegt und wobei der Werkstoff des Teils des Kammergehäuses, der zwischen dem Gitter und dem Mantel angeordnet ist, einen Brechungsindex aufweist, der demjenigen des Mantels möglichst entspricht.
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In bekannter Weise kann der Lichtwellenleiter zusätzlich zu dem Kern und dem Mantel weitere Bestandteil bzw. Schichten aufweisen, wie insbesondere eine oder mehrere den Mantel umgebende Schutzschichten („Coatings” bzw. „Buffer”) aus z. B. Kunststoff sowie (mindestens) eine die Schutzschicht(en) umgebende Schutzhülle („Jacket”). Auch kann der Lichtwellenleiter mehrere, z. B. zwei Mäntel aufweisen, von denen einer als Innenmantel („Inner Cladding”) direkt an dem Kern anliegt, während ein zweiter, der Außenmantel („Outer Cladding”), den Innenmantel umgibt. Als „Mantel” wird erfindungsgemäß der an dem Kern direkt anliegende Mantel und somit gegebenenfalls der Innenmantel verstanden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kombiniert in vorteilhafterweise die Einkoppelung der Strahlung in den Lichtwellenleiter in einer Kammer, wie dies grundsätzlich aus der
DE 10 2011 103 286 A1 bekannt ist, mit der Beugung und/oder Reflexion der Strahlung über ein Gitter, wie dies grundsätzlich aus der
EP 1 065 764 B1 bekannt ist. Der große Aufwand, der mit der Integration des Gitters in die Faser entsprechend der Offenbarung der
EP 1 065 764 B1 verbunden ist, kann erfindungsgemäß jedoch vermieden werden, indem das Gitter als Teil des (ggf. mehrteiligen) Kammergehäuses ausgebildet wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Einkoppeln von Pumplichtstrahlung von einer oder mehreren Pumplichtquellen (z. B. Diodenlasern) in eine oder mehrere Fasern und kann somit u. a. als Faserverstärker für einen Faserlaser dienen. Der Kern des Lichtwellenleiters (d. h. der Faser) ist dann ein aktiver Kern. Das Einkoppeln der Lichtstrahlung in den Lichtwellenleiter erfolgt dann durch Beugung und/oder Reflexion in definierten Winkeln, die an den Ausbreitungswinkel mindestens eines der Fasermodi angepasst sind.
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Grundsätzlich eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zum seitlichen Einkoppeln beliebiger Lichtstrahlung, wobei es sich hierbei nicht zwingend um Laserstrahlung handeln muss. In diesen Fällen kann der Kern des Lichtwellenleiters passiv sein und somit in Verbindung mit dem Mantel lediglich der Übertragung der Lichtstrahlung dienen, ohne selbst angeregt zu werden. Beispielsweise kann mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Einkoppeln von Signalstrahlung vorgesehen sein (ein sogenannter WDM: „Wavelength Division Multiplexer”).
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Die Einkoppelung der Lichtstrahlung in den Lichtwellenleiter in einer Kammer kann sich insbesondere durch einen hohen Wirkungsgrad hervorheben. Dieser kann insbesondere darin begründet sein, dass es regelmäßig nicht möglich ist, die gesamte auf das Gitter auftreffende Lichtstrahlung in den Lichtwellenleiter zu beugen oder zu reflektieren. Durch eine Reflexion der verbliebenen Lichtstrahlung an der (vorzugsweise zwei- oder dreidimensional gekrümmt verlaufenden) Innenseite des Kammergehäuses (wozu diese ggf. mit einer reflektierenden, z. B. metallischen Beschichtung versehen sein kann) kann eine Refokussierung mit einer erneuten Beugung oder Reflexion der Reststrahlung an demselben oder einem anderen Gitter in denselben oder einen anderen Lichtwellenleiter oder in denselben oder einen anderen Abschnitt desselben Lichtwellenleiters erreicht werden, wodurch insgesamt ein vergleichsweise hoher Wirkungsgrad der Einkoppelung erreicht werden kann.
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Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einen (vorzugsweise senkrecht) bezüglich einer Längsachse des Lichtwellenleiters (in dem Abschnitt, in dem dieser entlang des Gitters verläuft) einfach oder mehrfach elliptischen (d. h. mehrere sich teilweise überschneidende Ellipsen) Querschnitt aufweisen, wobei die Längsachse des Lichtwellenleiters in einem der Brennpunkte der Kammer angeordnet ist. Besonders bevorzugt verläuft dabei der (oder jeweils ein) Lichtwellenleiter durch alle Brennpunkte des Querschnitts.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt in ihrer einfachen Herstellbarkeit.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass das Kammergehäuse ein Grundgehäuse aufweist, wobei das Gitter auf einer Innenseitenfläche des Grundgehäuses ausgebildet ist und wobei im Bereich des Gitters eine Zwischenschicht mit der Innenseite des Grundgehäuses verbunden ist, deren Brechungsindex demjenigen des Mantels des Lichtwellenleiters entspricht.
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Das Kammergehäuse einer solchen erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dann vorteilhafterweise dadurch hergestellt werden, dass das gesamte Grundgehäuse, zumindest aber der das Gitter aufweisende Teil des Grundgehäuses in einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt wird.
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Sol-Gel-Verfahren sind Verfahren zur Herstellung nichtmetallischer anorganischer oder hybrid polymerer Materialien aus kolloidalen Dispersionen, den sogenannten Solen. Aus den Ausgangsmaterialien, die auch als Präkursoren bezeichnet werden, entstehen in Lösung in ersten Grundreaktionen feinste Teilchen. Durch eine spezielle Weiterverarbeitung der Sole lassen sich Pulver, Fasern, Schichten oder Aerogele erzeugen. Diese könnten zu festen Bauteilen weiterverarbeitet werden.
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Ein wesentlicher Vorteil des Sol-Gel-Verfahrens liegt in der Herstellbarkeit von sehr kleinen Strukturen mit sehr guter Reproduzierbarkeit. Für die erfindungsgemäße Verwendung des Sol-Gel-Verfahrens zur Herstellung des das Gitter aufweisenden Teils des Kammergehäuses ist zudem relevant, dass sich damit Quarzglasteile herstellen lassen, die zudem dotiert sein können. Da erfindungsgemäß die Verwendung von Quarzglas auch für zumindest den Kern und den Mantel des Lichtwellenleiters vorgesehen sein kann, ermöglicht dies eine gute Abstimmung des Brechungsindex des das Gitter ausbildenden Teils des Grundgehäuses an die Brechungsindizes von Kern und Mantel des Lichtwellenleiters, was für die Beugung und/oder Reflexion vorteilhaft ist.
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Bei dem Sol-Gel-Verfahren wird beispielsweise eine Sol-Flüssigkeit, die hochreine nanoskalige SiO2-Teilchen in einer vorgegebenen Konzentration enthält, in eine Form eingebracht, in der diese geliert. Das so entstandene nasse Gel-Formteil wird dann der Form entnommen und getrocknet. Je nach Trocknungsverfahren wird dadurch ein offenporiges Aerogel- oder Xerogel-Zwischenprodukt erzeugt, in dessen Poren sich ein Gas befindet. In einem abschließenden thermischen Schritt der Sinterung bei Temperaturen zwischen 1000°C und 1400°C kollabieren die Poren, wodurch das Aerogel- oder Xerogel-Zwischenprodukt schrumpft. Da die Schrumpfung exakt definierbar ist, kann die Form und somit das Gel-Formteil derart dimensioniert werden, dass die Soll-Abmessungen des Endteils äußerst exakt erreicht werden können.
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Zur erfindungsgemäßen Herstellung des das Gitter aufweisenden (Teils des) Grundgehäuses kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass das Gitter vor dem abschließenden Aushärten (durch Sintern) eingebracht wird und insbesondere das Gel-Formteil die Gitterstruktur bereits aufweist.
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Die Zwischenschicht kann nach der Herstellung des Grundgehäuses im Sol-Gel-Verfahren in beliebiger Weise auf die Innenseitenfläche des Grundgehäuses aufgebracht, z. B. aufgesprüht werden.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Gitterstruktur in eine Gitterschicht integriert ist, die mit einer Innenseitenfläche eines Grundgehäuses des Kammergehäuses verbunden ist, wobei zwischen der Gitterschicht und dem Mantel des Lichtwellenleiters eine Zwischenschicht angeordnet ist, deren Brechungsindex demjenigen des Mantels möglichst entspricht. Diese Ausführungsform kann gegenüber derjenigen, bei der die Gitterstruktur in das Grundgehäuse integriert ist, insbesondere den Vorteil einer einfachen Ausgestaltung und Herstellbarkeit des Grundgehäuses aufweisen. Insbesondere kann dieses vorteilhaft aus Metall ausgebildet werden, wodurch die Abfuhr von bei der Einkoppelung der Strahlung entstehender Wärme begünstigt werden kann. Ein solches Grundgehäuse kann auch mit relativ geringem Aufwand mit z. B. Kühlkanälen versehen werden, durch die ein Kühlmedium geleitet werden kann. Dadurch kann die Wärmeabfuhr weiter verbessert werden.
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Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Kammergehäuses einer solchen erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorsehen, dass auf die Innenseite des Grundgehäuses eine erste Schicht eines aushärtbaren Materials aufgebracht wird, daraufhin eine Negativform der Gitterstruktur in die erste Schicht eingeformt wird, um die Gitterschicht auszubilden, und daraufhin eine zweite Schicht auf die erste Schicht aufgebracht wird, die die Negativform der Gitterstruktur vollständig ausfüllt (und dadurch die Positivform der Gitterstruktur ausbildet), um die Zwischenschicht auszubilden.
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Dabei kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass der Werkstoff der ersten (Gitter-)Schicht bereits vor dem Aufbringen der zweiten (Zwischen-)Schicht ausgehärtet wird.
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Beispielsweise kann die Negativform der Gitterstruktur mittels einer Prägeform in die erste Schicht eingeprägt werden. In diesem Fall kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die erste Schicht ausgehärtet wird, während die Prägeform in diese eingetaucht ist, um ihre Formstabilität sicher zu stellen.
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Die Negativform der Gitterstruktur kann auch dadurch in die erste Schicht eingeformt werden, dass für die erste Schicht ein photosensitiver Werkstoff verwendet wird, wobei die Gitterstruktur durch selektive Beleuchtung und nachfolgende Entwicklung ausgebildet wird.
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Selbstverständlich besteht auch bei einer Ausführungsform der Vorrichtung, bei der das Kammergehäuse ein Grundgehäuse, eine Gitterschicht und eine Zwischenschicht aufweist, die Möglichkeit, einzelne oder alle diese Teile des Kammergehäuses mittels eines Sol-Gel-Verfahrens herzustellen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass das Gitter derart angeordnet ist, dass die Strahlung (ausgehend von der Einstrahlöffnung) zunächst durch den Lichtwellenleiter hindurchtritt und dann auf das Gitter auftrifft. Das Gitter dient dann als Reflexionsgitter, bei dem die Strahlung (teilweise) an dem Gitter reflektiert und gleichzeitig in Richtung der Längsachse des Lichtwellenleiters gebeugt wird. Zur Verbesserung der Reflexionseigenschaften des Gitters kann dieses mit einer reflektierenden Schicht (z. B. aus einem Metall) versehen sein. Die reflektierende Schicht kann beispielsweise auf die Negativform der Gitterstruktur aufgebracht werden, bevor die Zwischenschicht aufgebracht wird.
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Alternativ kann aber auch eine Nutzung des Gitters als Transmissionsgitter vorgesehen sein, bei der die Strahlung (zumindest teilweise) durch das Gitter hindurchtritt und dabei in Richtung der Längsachse des Lichtwellenleiters gebeugt wird. Eine Nutzung des Gitters als Transmissionsgitter kann beispielsweise dann erfolgen, wenn die Kammer so dimensioniert ist, dass diese im Wesentlichen nur Platz für den Lichtwellenleiter aufweist, so dass das Gitter zwischen der Lichtquelle und dem Lichtwellenleiter angeordnet ist. Ein solches Kammergehäuse kann insbesondere mittels eines Sol-Gel-Verfahrens hergestellt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:
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1: in einer schematischen Darstellung einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
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2: den vergrößerten Ausschnitt II in der 1; und
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3 bis 5: verschiedene Schritte bei der Herstellung eines Kammergehäuses der Vorrichtung gemäß 1 und 2.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einkoppeln von Pumplaserstrahlung in einen als Faser ausgebildeten Lichtwellenleiter. Die Vorrichtung umfasst ein (Pump-)Kammergehäuse 1 (umfassend ein Grundgehäuse und einen innenseitige doppelte Beschichtung), das eine (Pump-)Kammer 2 ausbildet. Innerhalb der Kammer 2 verläuft der Lichtwellenleiter 3, wobei zwei Abschnitte des Lichtwellenleiters 3 innerhalb der Kammer 2 parallel verlaufen. Der Lichtwellenleiter 3 kann hierzu in einem nicht dargestellten Abschnitt, der innerhalb oder außerhalb der Kammer 2 liegen kann, in einem 180°-Bogen geführt sein. Der senkrecht zur Längsachse der beiden parallel geführten Abschnitte des Lichtwellenleiters 3 liegende Querschnitt der Kammer (wie auch des Kammergehäuses selbst) ist (einfach) elliptisch ausgebildet, wobei die Längsachse der beiden Abschnitte des Lichtwellenleiters 3 möglichst exakt innerhalb der beiden Brennpunkte des elliptischen Querschnitts angeordnet sind.
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Außerhalb des Kammergehäuses 1 ist eine (Pump-)Lichtquelle 4, z. B. in Form eines Diodenlasers, angeordnet, die (Laser-)Lichtstrahlung 5 durch eine Einstrahlöffnung 6 in die Kammer 2 einstrahlt. Dabei ist die Ausrichtung der Lichtquelle 4 sowie der Einstrahlöffnung 6 derart gewählt, dass die Lichtstrahlung 5 möglichst exakt auf die Längsachse und damit auf einen (aktiven) Kern 7 („Core”) des einen, in der 1 links dargestellten Abschnitts des Lichtwellenleiters 3 gerichtet ist.
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Neben dem Kern 7 umfasst der Lichtwellenleiter 3 noch einen Innenmantel 8 („Inner Cladding”), der den Kern 7 direkt umgibt, sowie einen Außenmantel 9, der den Innenmantel 8 direkt umgibt. Der Lichtwellenleiter 3 weist weiterhin noch eine oder mehrere Schutzbeschichtungen („Coatings” bzw. „Buffer”), die auf die Außenseite des Außenmantels 9 aufgebracht sind, sowie mindestens einen, die Schutzbeschichtungen umgebenden Schützmantel („Jacket”) auf. Diese sind in den 1 und 2 nicht dargestellt, da sie bei den innerhalb der Kammer 2 angeordneten Abschnitten des Lichtwellenleiters 3 (zumindest abschnittsweise) entfernt worden sind.
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Ein Faserverstärker kann eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Vorrichtungen, wie sie z. B. in den 1 und 2 dargestellt sind, aufweisen, wobei derselbe Lichtwellenleiter 3 die Kammern 2 aller Vorrichtungen durchlaufen kann. In den Abschnitten zwischen den Kammergehäusen 1 der einzelnen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass der Lichtwellenleiter 3 mit den weiteren Schichten, d. h. den Schutzbeschichtungen und dem Schutzmantel, versehen ist.
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In zumindest einem (längsaxialen) Abschnitt der beiden innerhalb der Kammer 2 parallel verlaufenden Abschnitte des Lichtwellenleiters 3 ist auch der Außenmantel 9 über einen Teil seines Umfangs entfernt worden, um dort die Oberfläche des Innenmantels 8 freizulegen. Dies ist in dem der Innenseite des Kammergehäuses 1 am nächsten liegenden Abschnitt vorgesehen.
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In diesem Bereich und etwas darüber hinausgehend ist die Innenseite eines Grundgehäuses 10 des Kammergehäuse 1 erfindungsgemäß mit einem zwei-Schicht-System beschichtet (vgl. 2), in das ein Gitter 11 integriert ist. Über dieses Gitter 11 wird zumindest ein Teil der Lichtstrahlung 5, die ausgehend von der Lichtquelle 4 zunächst im Wesentlichen vollständig durch den links dargestellten Abschnitt des Lichtwellenleiters 3 hindurchtritt, in den Lichtwellenleiter 3 gebeugt und/oder reflektiert, d. h. eingekoppelt, so dass dieser Teil der Lichtstrahlung 5 zumindest eine Richtungskomponente aufweist, die parallel zur Längsachse des Abschnitts des Lichtwellenleiters ausgerichtet ist.
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Der nicht von dem Gitter 11 eingekoppelte Teil der Lichtstrahlung 5 tritt durch das Gitter 11 hindurch und wird an der Innenseite des Grundgehäuses 10, das zur Verbesserung der Reflexionseigenschaften mit einer nicht dargestellten metallischen Reflexionsschicht versehen sein kann, (total) reflektiert. Durch den elliptischen Querschnitt der Kammer 2 kommt es dabei zu einer Refokussierung auf den rechts dargestellten Brennpunkt und somit auf den dortigen Abschnitt des Lichtwellenleiters 3. Dabei kann die Krümmung des Gitters die Fokussierung beeinflussen. Es kann aber auch ein planares Gitter zum Einsatz kommen.
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Auch diesen Abschnitt des Lichtwellenleiters 3 durchtritt die Lichtstrahlung im Wesentlichen vollständig und wird daraufhin wieder teilweise durch ein Gitter 11 in den dortigen Abschnitt des Lichtwellenleiters eingekoppelt. Das Gitter 11 ist auf der rechts dargestellten Seite der Pumpkammer in zur links dargestellten Seite entsprechender Weise (vgl. 2) ausgebildet.
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Der durch das Gitter 11 im rechts dargestellten Teil der Kammer 2 transmittierte Teil der Strahlung wird durch den elliptischen Querschnitt der Kammer 2 wieder in den links dargestellten Brennpunkt abgebildet und über das dortige Gitter 11 in den dortigen Abschnitt des Lichtwellenleiters 3 eingekoppelt. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis alle Strahlung in den Lichtwellenleiter eingekoppelt oder absorbiert ist.
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An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass die Lichtstrahlung von insbesondere mehreren Lichtquellen auch über mehrere Einstrahlöffnungen in die Kammer eingebracht werden kann. Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel können insbesondere zwei Einstrahlöffnungen mit jeweils einer oder mehreren Lichtquellen vorgesehen sein, wobei eine der Einstrahlöffnungen auf den einen und die andere Einstrahlöffnung auf den anderen Brennpunkt ausgerichtet sein kann.
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Das Zwei-Schicht-System umfasst eine Gitterschicht 12, die auf die Innenseite des Grundgehäuses 10 aufgebracht ist. In einem Gitterabschnitt 13 des Zwei-Schicht-Systems ist in die Gitterschicht 12 die Negativform der sägezahnförmigen Gitterstruktur eingebracht. Eine Zwischenschicht 14 ist auf die Gitterschicht 12 aufgebracht. Diese füllt die von der Negativform der Gitterstruktur der Gitterschicht 12 ausgebildeten Vertiefungen vollständig aus und bildet somit die Positivform der Gitterstruktur des Gitters 11 aus. Auf der der Gitterschicht 12 abgewandten Seite steht die Zwischenschicht 14 in einem dem Gitterabschnitt 13 im Wesentlichen entsprechenden Abschnitt im direkten Kontakt mit der Außenseite des Innenmantels 8 des Lichtwellenleiters 3.
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Die Einkoppelung der Lichtstrahlung in den Lichtwellenleiter 3 beruht auf dem Unterschied in dem Brechungsindex („Brechungsindexkontrast”) der Gitterschicht 12 sowie der Zwischenschicht 14, wobei der Brechungsindex der Gitterschicht 12 kleiner als derjenige der Zwischenschicht 14 ist. Der Brechungsindexkontrast sollte möglichst hoch sein, um einen hohen Wirkungsgrad für die Einkoppelung der Lichtstrahlung 5 zu erreichen. Um eine weitere Beugung und/oder Reflexion in dem Übergang von der Zwischenschicht 14 zum Innenmantel 8 des Lichtwellenleiters 3 zu vermeiden, ist vorgesehen, dass der Brechungsindex der Zwischenschicht 14 an denjenigen des Innenmantels 8 möglichst optimal angepasst ist.
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Um die fokussierenden Eigenschaften des elliptischen Querschnitts der Kammer 2 zu erhalten, sollte das Zwei-Schicht-System möglichst dünn sein und eine hohe Transmission für die Lichtstrahlung besitzen. Ein dünnes Zwei-Schicht-System kann zudem eine Wärmeabfuhr über das Kammergehäuse 1 positiv beeinflussen.
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Die 3 bis 5 zeigen eine Möglichkeit zur Herstellung des Gitters 11 in der Zwei-Schicht-Struktur des Kammergehäuses 1. Bei dem Gitter 11 handelt es sich um ein sogenanntes „Blazed Grating”, das bezogen auf die Längsachse des Lichtwellenleiters 3 geneigt ausgerichtete Gitterstrukturflächen aufweist. Das in den 3 bis 5 quer verlaufende Gitter 11 ist in den 1 und 2 um zwei Achsen um 90° gedreht und dadurch parallel zur Längsachse des jeweiligen Abschnitts des Lichtwellenleiters 3 verlaufend ausgerichtet. Die Periodenlänge (z. B: ca. 488 nm) des Gitters 11, d. h. der Abstand zwischen den einzelnen „Sägezähnen”, entspricht ca. der halben Wellenlänge der Lichtstrahlung 5. Neben einem hier dargestellten periodischen Gitter ist auch die Verwendung eines aperiodischen Gitters möglich.
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Die Herstellung des das Gitter 11 aufweisenden Zwei-Schicht-Systems auf der Innenseite des Grundgehäuses 10 des Kammergehäuses 1 kann beispielsweise folgendermaßen erfolgen:
Beispielsweise mittels Aufsprühen oder Eintauchen wird zunächst eine erste, z. B. mehrere hundert Nanometer dicke Schicht 16 eines thermisch quervernetzenden Kunstharzes auf den entsprechenden Abschnitt der Innenseite des Grundgehäuses 10 aufgetragen. Durch Nanoimprint-Lithographie (NIL) kann dann die Negativform der Gitterstruktur in diese erste Schicht 16 eingeformt werden, um die Gitterschicht 12 auszubilden. Hierzu wird ein Stempel 15 beispielsweise durch Elektronenstrahllithographie mit anschließendem Ätzprozess hergestellt. Dieser Stempel 15 wird in das Kunstharz der ersten Schicht 16 gepresst und dann das Kunstharz erwärmt und damit ausgehärtet. Der Stempel 15 wird daraufhin entfernt. Er kann für eine Vielzahl von Gittern 11 verwendet werden.
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Auf die Gitterschicht 12 wird dann eine zweite Schicht 17 eines Kunstharzes mit einem dem Brechungsindex des Innenmantels 8 möglichst entsprechenden Brechungsindex aufgebracht, z. B. gesprüht, wodurch die Zwischenschicht 14 entsteht, die die Negativform der Gitterstruktur auffüllt und dadurch die Positivform der Gitterstruktur ausbildet.
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In die noch nicht ausgehärtete Zwischenschicht 14 wird der teilweise von dem Außenmantel 9 befreite Abschnitt des Lichtwellenleiters 3 gedrückt, um die direkte Kontaktierung zwischen dem Innenmantel 8 des Lichtwellenleiters 3 und der Zwischenschicht 14 zu gewährleisten. Daraufhin wird auch die Zwischenschicht 14 durch Wärmezufuhr verfestigt. Dabei sollte die Temperatur ausreichend niedrig gewählt werden, so dass beim Ausheizen weder der Lichtwellenleiter 3, noch die Gitterschicht 12 geschädigt werden. Zudem sollte das Material für die Zwischenschicht 14 so gewählt werden, dass diese beim Ausheizen im Wesentlichen ihr Volumen behält und insbesondere nicht schrumpft, um einen unterbrechungsfreien Kontakt von Negativ- und Positivform des Gitters 11 zu gewährleisten.
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In einem alternativen, in den Zeichnungen nicht dargestellten Verfahren kann die Herstellung des Zwei-Schicht-Systems auch folgendermaßen erfolgen:
Auf die Innenseite des Grundgehäuses 10 wird die erste Schicht 16 aus einem photosensitiven Material (z. B. Photolack) aufgebracht (z. B. durch Aufsprühen oder Eintauchen). Je nach Art des photosensitiven Materials vernetzen beleuchtete Bereiche quer (sogenannter „Negativresist”) oder werden durch einen Entwickler löslich (sogenannter „Positivresist”). Somit kann durch selektive Beleuchtung die Struktur des Gitters 11 in die erste Schicht 16 geschrieben werden. Durch eine darauffolgende Entwicklung und Aushärtung der ersten Schicht 16 überträgt sich die beleuchtete Struktur in ein Höhenprofil, das die Negativform der Gitterstruktur darstellt. Dieses Höhenprofil wird anschließend beim Aufbringen der zweiten Schicht 17 aufgefüllt.
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Die Beleuchtung kann durch eine Maske hindurch erfolgen, welche die zu übertragende Struktur vorgibt. Zur Beleuchtung können beispielsweise Hg-Dampflampen als Lichtquellen eingesetzt werden, die Strahlung auf mehreren Emissionslinien, relativ ungerichtet sowie inkohärent emittieren.
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Die Belichtung der ersten Schicht kann auch über ein direkt schreibendes Verfahren, z. B. mittels Laser- oder Elektronenstrahlen erfolgen. Hierbei kann die gewünschte Struktur durch den Laser- bzw. Elektronenstrahl sukzessive abgefahren werden. Mittels diffraktiver optischer Elemente (DOEs) kann kohärente Strahlung von z. B. einem Laser auch gebeugt und somit die zu belichtende Struktur vorgegeben werden. Dies würde ermöglichen, dass mittels eines Lasers die Gitterstruktur nicht sukzessive abgefahren werden muss, sondern die gesamte Gitterstruktur oder zumindest ein größerer Abschnitt davon gleichzeitig belichtet werden kann.
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In einem anderen, wiederum in den Zeichnungen nicht dargestellten Verfahren kann die Gitterschicht 12 oder aber das gesamte, dann die Gitterstruktur aufweisende Grundgehäuse 10 mittels eines Sol-Gel-Verfahrens hergestellt werden. Die Gitterstruktur könnte dabei schon vor dem mit einer starken Schrumpfung einhergehenden Aushärten des Sol-Gels in die Innenseite der Kammer 2 geprägt oder auf andere Weise eingebracht werden. Nach der Schrumpfung kann dann die angestrebte Periodenlänge des Gitters 11 im Bereich von ca. 500 nm erreicht werden. Zumindest im Bereich der Gitterstruktur wird anschließend die zweite Schicht 17 auf die Innenseite des Grundgehäuses 10 aufgetragen, um die Zwischenschicht 14 auszubilden. Diese kann wiederum thermisch ausgehärtet werden.
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Das Sol-Gel kann mit z. B. Fluor co-dotiert werden, um einen im Vergleich zu der Zwischenschicht 14 und damit dem Innenmantel 8 des Lichtwellenleiters 3 niedrigeren Brechungsindex zu erreichen. Weiterhin kann die Innenseite des Kammergehäuses 1 reflektierend beschichtet werden (z. B. mit einer Metallschicht), um die Reflektivität für die Lichtstrahlung zu erhöhen und somit die Abbildungseigenschaften der elliptischen Kammer 2 effizient zu nutzen.
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Neben ihren optischen Eigenschaften sollten die für die erste Schicht 16 und die zweite Schicht 17 verwendeten Materialien thermisch stabil sein, um den im Betrieb der Vorrichtung auftretenden thermischen Belastungen Stand zu halten und sich nicht zu verformen.
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Für die Ausbildung der Gitterschicht eignet sich beispielsweise Polydimethylsiloxan (PDMS), gegebenenfalls verdünnt mit Hexan (zur Verringerung der Viskosität). Für die Ausbildung der Zwischenschicht eignet sich beispielsweise Perfluorocyclobutyl (PFCB).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011103286 A1 [0009, 0015]
- EP 1065764 B1 [0010, 0015, 0015]
