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Die Erfindung betrifft ein Fasersystem mit wenigstens einer lichtleitenden aktiven Faser und wenigstens einer damit verbundenen lichtleitenden passiven Faser, wobei die aktive Faser in einem lichtführenden Bereich eine erste Seltenerdverbindung enthält, die bei einer Pumpwellenlänge optisch anregbar ist und bei einer Arbeitswellenlänge Licht emittiert.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung lichtleitender Fasern, deren optische Grundmodenfelder in Form und Durchmesser angepasst sind (Modenfeldanpassung), insbesondere für ein Fasersystem der vorgenannten Art, wobei eine erste Faser hergestellt wird, die in einem lichtführenden Bereich mit einem ersten Dotanden dotiert wird, und eine zweite Faser hergestellt wird.
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Monolithische optische Fasersysteme sind typischerweise aus untereinander verbundenen lichtleitenden Fasern mit verschiedenen Funktionalitäten zusammengesetzt. Monolithische Faserlaser- und Faserverstärkersysteme sind beispielsweise aus verschiedenen teilweise mit laseraktiven Ionen (Seltenerdionen) dotierten Fasern (aktive Fasern) und undotierten Fasern (passiven Fasern) und weiteren (faseroptischen) Komponenten aufgebaut.
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Demnach besteht die Notwendigkeit, bei der Herstellung monolithischer Faserlaser- oder Faserverstärkersysteme verschiedenartige Fasern miteinander zu verbinden. Dabei ist es wichtig, Maßnahmen vorzusehen, die dafür sorgen, dass die Lichtleitung beim Übergang zwischen zwei Fasern nicht negativ beeinträchtigt wird. Z.B. sollen Leistungsverluste vermieden werden, die Strahlqualität soll erhalten bleiben usw. Um dies zu gewährleisten, werden von den Herstellern kommerzieller Fasern zusätzlich zu den laseraktiv dotierten Fasern angepasste passive Fasern hergestellt und angeboten.
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Typischerweise erfordert die Herstellung aktiver Fasern ein komplexes Stoffsystem, aus dem die Matrix der Faser gebildet wird. Die laseraktiven Dotanden (Dotiermittel) müssen in der gewünschten Konzentration enthalten sein. Ggf. sind weitere Dotanden erforderlich, die als Lösungsvermittler fungieren. Ein wichtiger Parameter ist der Brechungsindexunterschied zwischen dem Fasermantel und dem Faserkern der jeweiligen aktiven Faser, der die Lichtleitungseigenschaften maßgeblich bestimmt. Es kann erforderlich sein, zusätzlich zu den laseraktiven Dotanden und lösungsvermittelnden Dotanden weitere Dotanden zur Brechungsindexanpassung (Erhöhung oder Absenkung des Brechungsindex) hinzuzufügen. Jeder der Dotanden hat stofftypische Eigenschaften (z.B. Diffusionsgeschwindigkeit, Abdampfrate, ...), die zu einem stofftypischen Brechungsindexverlauf des Faserkerns, d.h. des lichtführenden Bereichs der Faser beitragen.
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Bei der Herstellung passiver Fasern kann das Stoffsystem typischerweise deutlich einfacher gehalten werden, da keine Zugabe laseraktiver Ionen erforderlich ist. Typischerweise werden in passiven Fasern Germanium oder Phosphor als alleinige Dotanden verwendet.
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Die Herstellung von passiven Fasern, deren Modenprofil an das einer aktiven Faser angepasst ist und bei denen somit die Störungen der Lichtleitung beim Übergang von aktiven zu passiven Fasern möglichst gering sind, erfordert eine Anpassung des jeweiligen Brechungsindexprofils.
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Aufgrund der unterschiedlichen Herstellungsverfahren bedingt durch unterschiedliche Stoffsysteme von aktiven und passiven Fasern weisen beide Fasertypen verschiedene charakteristische Brechungsindexprofile auf. Diese unterscheiden sich z.B. in der Flankensteilheit oder in der Ausprägung eines Brechungsindexdips in der Fasermitte, der für einige Stoffsysteme charakteristisch ist. Die verschiedenen Brechungsindexprofile bedingen Unterschiede in den Profilen, d.h. der Lichtintensitätsverteilungen über den Faserquerschnitt, der geführten Moden.
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Es ist demnach nicht ohne weiteres möglich, die Modenprofile der verschiedenen Fasertypen aneinander anzupassen, indem die Brechungsindexprofile der Fasern angeglichen werden. Zur Anpassung der Modenprofile trotz unterschiedlicher Brechungsindexverläufe stehen nach dem Stand der Technik vor allem zwei Faserparameter zur Verfügung: der Kerndurchmesser und der Brechungsindexunterschied zwischen den verschiedenen Fasertypen. Die Anpassung der passiven Faser an die aktive erfordert ein aufwendiges Vorgehen, bei dem zunächst die charakteristischen Brechungsindexverläufe beider Fasertypen ermittelt werden müssen. Anschließend werden die geführten Modenprofile z.B. mit Hilfe von Simulationen ermittelt. Es schließt sich ein iterativer Prozess an, bei dem typischerweise über Änderung des Brechungsindexunterschieds und der Kerngröße der Modenüberlapp der verschiedenen Fasertypen optimiert wird. Bei jedem Iterationsschritt werden die Verluste beim Übergang zwischen den beiden Fasern bestimmt und ggf. der Erhalt der Strahlqualität überprüft.
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Der beschriebene Aufwand zur Entwicklung an spezielle aktive Faserdesigns angepasster passiver Fasern ist hoch und demnach in vielen praktischen Fällen nicht wirtschaftlich. Die Entwicklung der letzten Jahre, z.B. im Zusammenhang mit der Leistungsskalierung von Faserlasersystemen, zeigt, dass die kommerziell erhältlichen Fasersysteme nicht den hohen Anforderungen genügen und Spezialfasern verwendet werden müssen.
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Aufgabe der Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, die Herstellung passiver Fasern, die jeweils individuell an spezielle aktive Fasern angepasst sind, gegenüber dem Stand der Technik flexibler und kostengünstiger zu gestalten.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem Fasersystem der eingangs angegebenen Art dadurch, dass die passive Faser in einem lichtführenden Bereich einen zweiten Dotanden enthält, der bei der Pump- und Arbeitswellenlänge nicht optisch anregbar ist.
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Außerdem löst die Erfindung die Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs angegebenen Art dadurch, dass die zweite Faser in einem lichtführenden Bereich mit einem zweiten Dotanden dotiert wird, wobei die erste Faser und die zweite Faser hinsichtlich der stofflichen Zusammensetzung, bis auf den jeweils enthaltenen Dotanden, übereinstimmend hergestellt werden.
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Gemäß der Erfindung ist der einzige wesentliche Unterschied zwischen passiver und aktiver Faser, der gleichzeitig die Funktion der aktiven Faser ausmacht, dass die aktive Faser laseraktive Dotanden (erste Seltenerdverbindung) enthält, die zum Laserprozess beitragen, und die passive Faser frei von solchen Dotanden (im relevanten Wellenlängenbereich) ist. Als Ersatz für die laseraktiven Dotanden enthält die passive Faser Dotanden (zweite Seltenerdverbindung), die nicht zum Laserprozess beitragen, d.h. die bei der Pump- und Arbeitswellenlänge nicht optisch anregbar sind.
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Die Erfindung bezieht sich jedoch nicht ausschließlich auf die Herstellung von aktiven und passiven Fasern. Das Prinzip der Erfindung lässt sich auch auf Fasern anderer Funktionalitäten anwenden, solange die Dotierung mit dem ersten bzw. zweiten Dotanden die Funktionalität bedingt. Allgemeiner kann man sagen, es geht um die Anpassungen von Fasern mit durch die jeweilige Dotierung bedingten, verschiedenen Funktionalitäten (z.B. Anpassung einer passiven Transportfaser an eine laseraktive Faser).
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Gemäß der Erfindung stimmen vorzugsweise die Herstellungsprozesse der aktiven Faser und der passiven Faser hinsichtlich der Prozessführung überein. Das bedeutet, dass sowohl das Stoffsystem als auch die Prozessführung bei der Herstellung der aktiven Faser soweit möglich für die Herstellung der passiven Faser adaptiert werden. Dabei erfordert die Herstellung der passiven Faser lediglich das Ersetzen des laseraktiven Dotanden (erste Seltenerdionen) durch einen nicht laseraktiven Dotanden (zweite Seltenerdionen) gleichsam als Ersatzdotanden.
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Für seltenerddotierte aktive Fasern, die typischerweise mit einer Verbindung von Yb, Tm oder Er dotiert werden, bietet sich ein Austausch durch andere Seltenerddotanden, wie z.B. La, Ce, Gd oder Eu an. Vorteilhafterweise hat der Ersatzdotand möglichst ähnliche Eigenschaften, z.B. bezüglich der Diffusionsgeschwindigkeit, der Abdampfrate und der verursachten Auswirkung auf den Brechungsindex. Es ist bekannt, dass die Verbindungen der seltenen Erden diesbezüglich untereinander ähnliche Eigenschaften haben.
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Die Erfindung hat die folgenden Vorteile:
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Solange das Stoffsystem und alle Prozessparameter zur Herstellung der speziellen aktiven (ersten) Faser bekannt sind, kann durch Substitution des laseraktiven Dotanden durch einen geeigneten nicht laseraktiven Dotanden eine an eine beliebige aktive Faser angepasste passive (zweite) Faser hergestellt werden. Das Verfahren ist flexibel für Fasern unterschiedlichster Stoffzusammensetzungen und Geometrien anwendbar.
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Durch den alleinigen Austausch des aktiven Dotanden und das Beibehalten des übrigen Stoffsystems und aller Prozessparameter ist das gleiche Verhalten während der Prozessführung zur Faservorformherstellung, zum Ziehen der Vorform zur Faser und auch bei ggf. notwendigen Nachbehandlungen der Faser (Spleißen, Anbringen von Endkappen, Tapern etc....) zu erwarten, so dass aufwendige Anpassungen der Prozessparameter entfallen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt keine aufwendigen iterativen Zwischenschritte zum Anpassen der passiven Faser, wie es im Stand der Technik der Fall ist.
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Bei Verbindung der sich lediglich hinsichtlich der spezifischen Dotanden unterscheidenden Fasern treten mit Vorteil sehr geringe Koppelverluste (< 5 %) an den Verbindungsstellen auf.
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Zur Beurteilung der Qualität der Modenfeldanpassung der passiven Faser an die aktive Faser ist lediglich ein Vergleich der Brechungsindexprofile beider Fasern erforderlich. Das Brechungsindexprofil kann mit Hilfe kommerzieller Messgeräte mit geringem Aufwand ermittelt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fasersystems stimmen die aktive und die passive Faser in ihren lichtführenden Bereichen hinsichtlich des Brechungsindexprofils überein. Dadurch dass erfindungsgemäß die aktive Faser und die passive Faser hinsichtlich des Herstellungsprozesses und hinsichtlich des Stoffsystems übereinstimmen, bis auf die jeweils unterschiedlichen enthaltenen Seltenerdverbindungen, ergibt sich ein (nahezu) übereinstimmendes Brechungsindexprofil, wenn man von geringfügig unterschiedlichen Werten der Brechungsindices aufgrund der verschiedenen Seltenerdverbindungen absieht. Wenn zusätzlich die aktive und passive Faser einen übereinstimmen Kerndurchmesser aufweisen, also auch hinsichtlich der Geometrie übereinstimmen, ergibt sich eine sehr gute Modenfeldanpassung, so dass Verluste beim Übergang von aktiver zu passiver Faser und negative Auswirkungen auf die Strahlqualität entsprechend minimal sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Herstellung der modenfeldangepassten lichtleitenden Fasern werden zweckmäßig die Vorformen der aktiven und der passiven Faser jeweils durch einen modifizierten chemischen Dampfabscheidungsprozess (MCVD) hergestellt. Es sind aber auch andere gängige Herstellungstechnologien von optischen Fasern denkbar, bei denen die Erfindung angewendet werden kann.
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Das Verfahren läuft so ab, dass ein in eine Glasdrehbank eingespanntes und rotierendes Substratrohr, das in der Regel aus Quarzglas besteht, in mehreren Durchgängen mit den gewünschten Mantel- bzw. Kernschichten aus einem Glasmaterial beschichtet wird. Die Ausgangsstoffe für die Mantel- bzw. Kernschichten werden in Gasform durch das Substratrohr geleitet. Durch die in Längsrichtung fortschreitende Erhitzung des Substratrohres mittels eines Brenners wird fortschreitend auf der Innenwandung des Substratrohres eine Glasschicht bestimmter Zusammensetzung erzeugt. Als Ausgangswerkstoffe für die Herstellung der Glasschichten werden beispielsweise Siliziumtetrachlorid, Germaniumtetrachlorid, Phosphoroxidchlorid und Hexafluorethan zusammen mit Sauerstoff und Helium verwendet. Erfindungsgemäß werden bei der Herstellung der aktiven und der passiven Faser so weit wie möglich dieselben Prozessgase und Prozessparameter im MCVD-Prozess verwendet. Lediglich die Seltenerdverbindung wird bei der Herstellung der passiven Faser ausgetauscht. Die Seltenerdverbindungen werden zweckmäßig jeweils durch Lösungsdotierung in die Vorform eingebracht. Das bedeutet, dass die Seltenerdverbindungen in gelöster Form, d.h. als Flüssigkeit in die Vorform eingebracht werden, wo sie in den Kernbereich eindiffundieren. Diese Art der Dotierung mit Seltenerdverbindung hat sich als besonders praktikabel erwiesen. Denkbar ist es aber auch, die Dotanden über die Gasphase einzubringen. Nach der Herstellung der Vorformen werden diese in einer Faserziehvorrichtung an sich bekannter Art zu Fasern gezogen. Das Brechungsindexprofil der Vorform bleibt während des Ziehvorgangs erhalten.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1: schematisch ein erfindungsgemäßes Fasersystem;
- 2: schematisch einen Längsschnitt durch eine Verbindungsstelle der aktiven und der passiven Faser bei dem erfindungsgemäßen Fasersystem.
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Die 1 zeigt ein Fasersystem gemäß der Erfindung, bei dem es sich um ein monolithisches Faserlasersystem handelt. Dieses umfasst eine lichtleitende aktive Faser 1 sowie Abschnitte einer lichtleitenden passiven Faser 2. An Verbindungsstellen 3 (z.B. Spleißverbindungen) ist die aktive Faser 1 mit den Abschnitten der passiven Faser 2 verbunden. Des Weiteren umfasst das dargestellte Faserlasersystem faserintegrierte funktionale optische Elemente 4, z.B. zur Ausbildung eines Laserresonators. Mittels einer Pumplichtquelle 5 wird die aktive Faser 1 optisch gepumpt. Die aktive Faser 1 enthält eine erste Seltenerdverbindung (z.B. eine Verbindung von Er), die bei der Wellenlänge der Lichtquelle 5 optisch anregbar ist und bei einer von der Pumpwellenlänge verschiedenen Arbeitswellenlänge Licht emittiert. Das erzeugte Laserlicht verlässt den Faserlaser am Ausgang 6. Die aktive Faser 1 und die passive Faser 2 sind aneinander modenfeldangepasst.
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Die Prozessführung bei der Herstellung der aktiven Faser 1 ist für die Herstellung der passiven Faser 2 erfindungsgemäß so weit wie möglich adaptiert. Der einzige Unterschied ist, dass die passive Faser 2 eine von der ersten Seltenerdverbindung verschiedene zweite Seltenerdverbindung enthält, die bei der Pump- und Laserwellenlänge nicht optisch anregbar ist. Beispielsweise ist die passive Faser 2 mit einer Verbindung von La dotiert.
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Dies illustriert auch die 2. Die 2 zeigt schematisch die aktive Faser 1 und die passive Faser 2 im Längsschnitt. Die beiden Fasern 1, 2 sind über eine Spleißverbindung 3 miteinander verbunden. Beide Fasern 1, 2 weisen denselben Aufbau auf. Sie umfassen jeweils einen Kern 7, einen Mantel 8, wobei sich das Material des Mantels 8 hinsichtlich des Brechungsindex von dem Material des Kerns 7 unterscheidet. An der Außenseite weisen die Fasern 1, 2 eine Schutzumhüllung 9 auf. Im Kernbereich weisen die Fasern 1 und 2 jeweils eine Dotierungszone 10, 10' auf. Die Dotierungszone 10 weist eine Verbindung von Yb auf, während die Zone 10' eine Verbindung von Ce aufweist. Die aktive Faser 1 und die passive Faser 2 sind hinsichtlich des Brechungsindexprofils und hinsichtlich des Kerndurchmessers sehr ähnlich, so dass die Modenfeldanpassung entsprechend gut ist.
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Bei der Herstellung der aktiven Faser 1 und der passiven Faser 2 wird wie folgt vorgegangen:
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Zunächst wird die Vorform der aktiven Faser 1 in einem MCVD-Verfahren hergestellt. Danach wird das für die Herstellung der Vorform der aktiven Faser 1 verwendete Stoffsystem für die Herstellung der Vorform der passiven Faser 2 adaptiert, wobei ausschließlich der laseraktive Dotand (im Ausführungsbeispiel eine Verbindung von Er) durch einen in seinen sonstigen Eigenschaften ähnlichen aber nicht laseraktiven Ersatzdotanden (im Ausführungsbeispiel eine Verbindung von La) substituiert wird. Bei der Herstellung der Vorform der passiven Faser 2 werden außerdem die bei der Herstellung der Vorform der aktiven Faser 1 angewendeten Prozessparameter übertragen. Danach werden die aktive Faser 1 und die passive Faser 2 in wiederum herkömmlicher Art und Weise gezogen. Die aktive Faser 1 und die passive Faser 2 sowie auch deren jeweilige Vorformen weisen durch diese Maßnahmen die im Wesentlichen gleichen charakteristischen Brechungsindexverläufe auf. Eine optimale Modenfeldanpassung ist automatisch durch die Anpassung der Brechungsindexverläufe gegeben.
