DE102021003126A1

DE102021003126A1 - Vielschichtenlichtwellenleiter in Form einer Faseroptik

Info

Publication number: DE102021003126A1
Application number: DE102021003126.1A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-06-20
Filing date: 2021-06-20
Publication date: 2022-12-22
Also published as: DE102021003126A9

Abstract

Es wird eine Faseroptik vorgestellt, die ein von innen nach außen laufendes Brechungsindexquerschnittsprofil besitzt, bei dem der innere Kernbereich durch einen hohen Brechungsindex gekennzeichnet ist, und, diesen umschließend, ringförmige Schichten mit niedrigem Brechungsindex mit rinfgörmigen Schichten mit hohem Brechungsindex sich abwechseln. Im Falle von Lichteinkopplung und Lichtleitung im Kernbereich entstehen durch diese alternierende Brechungsindexmodulation im äußeren Randbereich der Faseroptik Strahlungsmoden, die die Lichtenergie seitlich zur Längsachse radial und zylindersymmetrisch in die Umgebung abstrahlen.Mögliche Anwendungsbereiche umfassen die optische Spektroskopie, bei der beispielsweise das zu untersuchende Umgebungsmedium mit Anregungsstrahlung beaufschlagt wird, das Pumpen von laseraktiven Materialien, Anwendungen in der Beleuchtungstechnik bspw. für dekorative Zwecke oder ästhetische Anwendungen oder die technische Realisierung von Antennen im Bereich der Mikrowellen- oder Hochfrequenztechnik mit einer hinsichtlich der räumlichen Winkelverteilung besonderen Abstrahl- oder Empfangscharakteristik mit hohem Wirkungsgrad. Eventuell lassen sich analog dazu optische Antennen, die im UV/Vis/IR-Bereich abstrahlen oder empfangen, verwirklichen.

Description

Stand der Technik:
In der Integrierten Optik werden als Multi- oder Vielschichtenlichtwellenleiter Lichtwellenleiter bezeichnet [1], bei denen das Brechungsindextiefenprofil als aus verschiedenen und zur Längsachse des eigentlichen Lichtwellenleiters parallel (und somit horizontal) laufenden lateralen Tiefenschichten aufgebaut oder zusammengesetzt aufgefasst werden kann, wobei sich laterale Tiefenschichten TS₁ mit hohem Brechungsindex n₁ und laterale Tiefenschichten TS₂ mit niedrigem Brechungsindex n₂ miteinander abwechseln ( 1): beispielsweise wird eine laterale Tiefenschicht TS₁ mit einem hohen Brechungsindex n₁ zwischen zwei lateralen Tiefenschichten TS₂ mit einem niedrigen Brechungsindex n₂ eingeschlossen und umgekehrt, so dass in Tiefenrichtung des Lichtwellenleiters gesehen sich in horizontale Richtung ausgerichtete laterale Tiefenschichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex einander abwechseln. Es entsteht so ein aus lateralen Tiefenschichten bestehender oder geschichteter Lichtwellenleiter mit einem in Tiefenrichtung gesehen alternierenden Brechungsindexprofil.
Besteht zwischen den einander abwechselnden lateralen Schichten mit abwechselnd hohen und niedrigen Brechungsindizes eine starke optische Kopplung (d.h. das entsprechende Überlappungsintegral besitzt einen hohen Wert), so ergibt sich als Lösung der dazugehörigen Wellengleichung (bei Berücksichtigung dieser alternierenden Brechungsindexmodulation als Nebenbedingung) keine in Tiefenrichtung des Lichtwellenleiters exponentiell abnehmende Wellenfunktion, welche eine Führungsmode mit einem lateral exponentiell abnehmenden evaneszenten Feld in Form einer reellen Exponentialfunktion darstellen würde, wie es im oberen Teil des Lichtwellenleiters der Fall ist, sondern es ergibt sich als Wellenfunktion eine in Tiefenrichtung oszillierende komplexe Exponentialfunktion, welche als eine Strahlungsmode (engl. radiation or leaking mode) interpretiert werden kann [1].
Für die Lichtführung bedeutet dies, dass bei Einkopplung von Licht in den oberen Teil des Vielschichtenlichtwellenleiters dicht unterhalb der Lichtwellenleiteroberfläche sich dort erst einmal Führungs- oder Leitungsmoden ausbilden wie bei jedem anderen „normalen“ Lichtwellenleiter auch; dass aber aufgrund der starken Kopplung zwischen den einzelnen lateralen Tiefenschichten über das evaneszente Feld Lichtenergie vom oberen Teil des Vielschichtenlichtwellenleiters in den unteren Teil desselben übertragen werden. Dann aber entstehen im unteren Teil des Lichtwellenleiters jedoch Strahlungsmoden, die Lichtenergie von der Unterseite des unteren Teils des Lichtwellenleiters in die unterhalb von ihm liegenden Bereiche des Substrates, an deren Grenzfläche halt der Vielschichtenlichtwellenleiter ausgebildet ist, und die somit Lichtenergie in die Tiefe des Substrates abstrahlen, so dass auf diese Weise Lichtenergie der eigentlichen Lichtführung des Lichtwellenleiters verlorengeht und somit insgesamt eine hohe intrinsische Dämpfung des Lichtwellenleiters verursacht wird.
Voraussetzung dabei ist jedoch, dass zwischen den lateralen Tiefenschichten des Vielschichtenlichtwellenleiters eine starke optische Kopplung realisiert worden ist, d.h. die Dicke oder Breite der einzelnen lateralen Tiefenschichten, insbesondere die mit einem kleineren Brechungsindex und somit ein in Tiefenrichtung lokales Brechungsindexminimum ausbildend, müssen ausreichend klein sein und/oder der Brechungsindexhub zwischen zwei benachbarten lateralen Tiefenschichten TS_n einerseits und TS_n-1 und TS_n+1 andererseits mit unterschiedlichen Brechungsindizes darf nicht zu groß sein. Ansonsten erhält man entweder nur eine schwache optische Kopplung zwischen den einzelnen lateralen Tiefenschichten, wie es bei einem optischen Richtkoppler der Fall ist, so dass Lichtenergie zwischen den einzelnen weiter oben liegenden lateralen Tiefenschichten und den weiter unten liegenden lateralen Tiefenschichten hin- und herpendeln würde; oder man erhält überhaupt gar keine optische Kopplung zwischen den einzelnen lateralen Tiefenschichten, so dass alle entsprechenden lateralen Tiefenschichten als voneinander unabhänigige Lichtwellenleiterstrukturen aufgefasst werden können, die einfach nur untereinander angeordnet worden sind. Somit bilden in diesem Falle zwar diese voneinander unabhängigen Lichtwellenleiterstrukturen zusammen ein Array von untereinander angeordneten Lichtwellenleitern aus, die aber voneinander vollständig unabhängig operieren können: da zwischen den einzelnen Lichtwellenleiterstrukturen kein optischer Überlapp und somit keine optische Kopplung besteht, wird zwischen den einzelnen Lichtwellenleiterstrukturen keine Lichtenergie ausgetauscht, so dass wenn in einem ersten Lichtwellenleiter Licht eingekoppelt wird, so wird dieses auch nur von diesem einen ersten Lichtwellenleiter und von keinem zweiten oder einem weiteren anderen Lichtwellenleiter geführt.
Ein planarer Vielschichten- oder Multischichtenlichtwellenleiter in integriert-optischer Form kann entweder als eindimensionaler Linien- oder zweidimensionaler Schichtlichtwellenleiter ausgeführt worden sein.
Beispiele von Vielschichtenlichtwellenleitern sind gegeben in [1] - [4].
Im Bereich der Faseroptiken gibt es bereits schon Lichtwellenleiter in faseroptischer Form, bei deren die äußeren ringförmigen (optischen) Schichten teilweise einen höheren Brechungsindex besitzen als die inneren Bereiche; beispielsweise besitzt bei einigen von ihnen der Coating-Bereich einen höheren Brechungsindex als der Kern-/Core-Bereich und/oder der Cladding-Bereich. Aber diese Ausführungsformen haben eine gänzlich andere Funktion oder besitzen eine gänzlich andere Verwendung als die hier beanspruchten, beispielsweise zur Kompensation von Dispersionen. Beispiele hierfür bieten u.a. die Druckschrift US 7 317 857 B2 , um ein bestimmtes Strahlprofil des aus der Faseroptik austretenden Laserstrahls für medizinische Anwendungen zu formen, oder allgemein sog. Double-clad fiber [5].
Eine besonders erwähnenswerte Anwendung einer (starren) faser- oder röhrenförmigen länglichen Optik (Lichtquelle) ist in der Druckschrift US 4 210 389 A , dort insbesondere Spalte 2, letzter Absatz, beschrieben, bei der die (starre) röhrenförmige Lichtquelle 4 in dem ersten Brennpunkt eines ellipsoiden Hohlspiegels 2 lokalisiert worden ist, um ein laseraktives Materials 6,welches in dem zweiten Brennpunkt des ellipsoiden Hohlspiegels 2 lokalisiert worden ist, anzuregen oder zu pumpen, wobei das laseraktive Material 6 in dem anderen gegenüberliegenden zweiten Brennpunkt desselben ellipsoiden Hohlspiegels 2 positioniert worden ist, so dass bei Abstrahlung von Pump- oder Anregungslicht von der im ersten Brennpunkt sich befindlichen röhrenförmigen Lichtquelle 4 das Licht über die reflektiven Innenflächen des ellipsoiden Hohlspiegels 2 in seinen zweiten Brennpunkt fokussiert wird, in dem sich das zu pumpende oder anzuregende laseraktive Material 6 befindet. Durch diese Anordnung wird ein hoher Wirkungsgrad des optischen Pumpens oder Anregens erreicht, da nur wenig von der röhrenförmigen Lichtquelle 4 abgestrahltes Licht verlorengeht.
Aufgabenstellung:
Es wird ein faseroptischer Lichtwellenleiter vorgestellt, der nicht nur Licht entlang seiner Längsachse führen.kann wie ein normaler Lichtwellenleiter auch, sondern zusätzlich Licht senkrecht zu seiner Längsachse, d.h. in seitlicher oder lateraler Richtung, abstrahlen kann.
Für einen solchen Lichtwellenleiter gibt es eine Vielzahl von Anwendungen.
Prinzipieller Lösungsweg und Ausführungsbeispiele:
Ein normaler Lichtwellenleiter in faseroptischer Form (Lichtleitfaser oder Faseroptik) besteht aus einem Kernbereich K („core“), der zentral in der Lichtleitfaser angeordnet ist und einen Brechungsindex n₁ besitzt, und einen Mantelbereich M („cladding“), der konzentrisch um den Kernbereich angeordnet ist und einen Brechungsindex n₂ besitzt (2). Dabei gilt, dass der Brechungsindex n₁ des Kernbereichs K größer ist als der Brechungsindex n₂ des Mantelbereichs M, damit im Kernbereich K Totalreflexion des in ihm eingekoppelten Lichts stattfinden kann. Dadurch wird Licht im Lichtwellenleiterbereich, genauer gesagt im Kernbereich K der Lichtleitfaser, geführt, wodurch geführte Moden des Lichts entstehen, da die Lichtführung gemäß der zu lösenden Wellengleichung unter Berücksichtigung der entsprechenden Randbedingungen nur bei bestimmten Winkeln möglich ist. Dies ermöglicht theoretisch eine Lichtführung des in den Kernbereich K eingekoppelten Lichts ohne Dämpfungsverluste, da durch die Totalreflexion keine Lichtenergie nach außen in die Umgebung der Lichtleitfaser abgegeben wird; die gesamte Lichtenergie verbleibt während der Lichtführung oder Lichtleitung im Kernbereich K der Lichtleitfaser.
Außerdem müssen der Kernbereich K und der Mantelbereich M der Lichtleitfaser eine möglichst geringe Materialabsorption besitzen, damit die intrinsischen Dämpfungsverluste des Lichtwellenleiters minimiert werden.
Meist besitzt der Kernbereich K der Faseroptik einen Durchmesser von ca. 5 µm (Singlemode) oder zwischen 50 und 500 µm (Multimode). Der Brechungsindexhub Δn₁₂ n₁ -n₂ liegt meist deutlich unter 0,1.
Auch wenn der Großteil der elektromagnetischen Energieflussdichte (Poynting-Vektor) im Kernbereich K verbleibt, sogelangt ein geringer Teil der Energieflussdichte in Form des exponentiell abfallenden evaneszenten Feldes in den Mantelbereich M.
Optional wird bei einem normalen Lichtwellenleiter noch eine weitere Schicht, die sog. erste Schutzschicht S₁ („coating“ oder „buffer“), konzentrisch um den Mantelbereich M angeordnet, welche aber lediglich eine (mechanische oder thermische) Schutzwirkung besitzt oder verhindern soll, dass extern Licht aus der Umgebung in die Faseroptik eingekoppelt werden kann oder Streulicht aus der Faseroptik austritt, aber ansonsten keinerlei weitere optische Funktion innehat. Daher kann diese erste Schutzschicht S₁ auch intransparent sein und besteht meist aus einem Kunststoff.
Optional kann die erste Schutzschicht S₁ noch durch eine weitere, zweite Schutzschicht S₂ („jacket“) ummantelt werden, die ebenfalls zum Schutz der Lichtleitfaser und deren Funktion dient, die aber auch entsprechende technische Beschriftungen zu den technischen Parametern der Faseroptik aufweisen kann.
Dagegen wird bei der erfindungsgemäßen Faseroptik anstelle der ersten und der zweiten Schutzschicht S₁ und S₂ („coating“ / „buffer“ und „jacket“) eine weitere optische (und somit transparente) Schicht, im Folgenden erste Umhüllungs- oder Ummantelungsschicht U₁ genannt, konzentrisch um den Mantelbereich („cladding“) angeordnet, wobei die erste Ummantelungsschicht U₁ einen Brechungsindex n₃ besitzt, und es gilt: n₁ > n₂ < n₃. Dabei kann gelten, dass n1= n3 ist, muss es aber nicht; es kann auch gelten dass n₁ > n₃ oder n₁ < n₃ ist; auf jeden Fall muss die Ungleichung n₁ > n₂ < n₃ erfüllt sein. Zudem sollte der Mantelbereich M („cladding“) nicht zu dick ausfallen, und der Brechungsindexhub Δn₁₂ = n₁ - n₂ (mit n₁ als Brechungsindex des Kernbereichs K und n₂ als Brechungsindex des Mantelbereichs M) sowie der Brechungsindexhub Δn₃₂ = n₃ -n₂ (mit n₃ als Brechungsindex der ersten Ummantelungsschicht U₁ und n₂ als Brechungsindex des Mantelbereichs M) sollten ebenfalls nicht zu groß sein. Dadurch bildet sich über das evaneszente Feld eine starke Kopplung zwischen dem Lichtfeld im Kernbereich K und dem Lichtfeld der ersten Ummantelungsschicht U₁ der Lichtleitfaser aus, wodurch Lichtenergie von dem im Kernbereich K geführten Licht über das in den Mantelbereich hineinreichende oder, genauer ausgedrückt, durch den Mantelbereich durchgehende evaneszente Feld in die erste Ummantelungsschicht U₁ übertragen wird. Dort in der ersten Ummantelungsschicht U₁ entstehen im Gegensatz zum Kernbereich K keine geführten Moden, sondern Strahlungsmoden („radiation modes“ oder „leaking modes“), die dafür sorgen, dass Lichtenergie seitlich oder lateral, also beispielsweise senkrecht zur Längsachse des Lichtwellenleiters, zur Seite hin abgestrahlt wird. Voraussetzung ist, dass sich entweder keine weitere oder nur eine weitere Ummantelungsschicht U₂ mit einem niedrigeren Brechungsindex als der der ersten Ummantelungsschicht U₁ anschließen darf.
Es lässt sich feststellen, dass der innere Bereich (Kernbereich K mit einem höheren Brechungsindex) der Lichtführung und der erste Ummantelungsbereich U₁ (mit einem höheren Brechungsindex) der lateralen Abstrahlung von Lichtenergie von der seitlichen Oberfläche der erfindungsgemäßen Faseroptik dient, und der dazwischenliegende Mantelbereich M (mit einem niedrigeren Brechungsindex) zur Kopplung und somit im Prinzip der Übertragung der Lichtenergie vom innen liegenden Kernbereich K in den außen liegenden Ummantelungsbereich U₁ dient.
Optional kann die erste Ummantelungsschicht U₁ noch durch weitere Ummantelungsschichten U₂, U₃, U₄... konzentrisch ummantelt werden, wobei die zweite Ummantelungsschicht U₂ den Brechungsindex n₄, die dritte Ummantelungsschicht U₃ den Brechungsindex n₅, die vierte Ummantelungsschicht U₄ den Brechungsindex n₆ usf. besitzt, und es immer beachtet werden muss, dass gilt: n₁ > n₂ < n₃ > n₄ < n₅ > n₆ .... Das bedeutet, dass sich die Brechungsindizes der einander umfassenden Ummantelungsschichten hinsichtlich ihrer relativen Größe zueinander immer abwechseln, d.h. eine alternierende Folge von höheren und niedrigeren Brechungsindizes der einander ummantelnden Ummantelungsschichten entsteht, bei der ein höherer Brechungsindex einem niedrigeren, und wiederum ein niedrigerer dem höheren Brechungsindex folgt.
Im Prinzip lässt sich also im Allgemeinen die Ummantelung beliebig fortsetzen in einer Reihenfolge, in der sich Ummantelungsschichten mit einem höheren Brechungsindex mit Ummantelungsschichten mit einem niedrigeren Brechungsindex abwechseln. Die Dicke der einzelnen Ummantelungsschichtstrukturen in dieser ringförmige Anordnung von Schichtstrukturen dürfen nicht zu dick sein, und der Brechungsindexhub zwischen zwei benachbarten Ummantelungsschichtstrukturen darf einen bestimmten Wert nicht überschreiten, so dass die Lichtenergien in den einzelnen Ummantelungsschichten (insbesondere mit einem höheren Brechungsindex) miteinander stark gekoppelt sind. Dies dient der Übertragung der Lichtenergie aus den inneren lichtführenden Ummantelungsschichten (mit einem höheren Brechungsindex) in die lichtführenden Ummantelungsschichten (mit einem höheren Brechungsindex) in den äußeren Bereichen der ringförmigen Anordnung von Schichtstrukturen der erfindungsgemäßen Faseroptik. Die Ummantelungsschichten U_i mit einem niedrigeren Brechungsindex dienen lediglich dazu, dass die lichtführenden Ummantelungsschichten U_i-1 und U_i+1 mit einem höheren Brechungsindex, die der Ummantelungsschicht U_i mit einem niedrigeren Brechungsindex nach innen und nach außen benachbart sind, über das sie hindurchtretende evaneszente Feld miteinander stark gekoppelt sind. Die gesamte Anordnung von ringförmigen Ummantelungsstrukturen vom inneren bis in den äußeren Bereich dient also lediglich der Übertragung oder Transport von Lichtenergie des sich in den lichtführenden Ummantelungsschichten (mit einem höheren Brechungsindex) ausbreitenden Lichts vom inneren Bereich der ringförmigen Anordnung der Ummantelungsschichten der erfindungsgemäßen Faseroptik in die äußeren Bereiche der ringförmigen Anordnung der Ummantelungsschichten der erfindungsgemäßen Faseroptik, ohne dass sich dort erst einmal Strahlungsmoden ausbilden sollen.
Im Allgemeinen bilden sich die Strahlungsmoden erst entweder in der letzten, äußeren Ummantelungsschicht U_m, die einen höheren Brechungsindex besitzt, aus und auf die keine weitere Ummantelungsschicht mehr folgt, oder die Strahlungsmoden bilden sich in der vorletzten, zweitäußeren Ummantelungsschicht U_m-1, die einen höheren Brechungsindex besitzt, aus und auf die eine Ummantelungsschicht U_m mit einem niedrigeren Brechungsindex folgt, so dass der Brechungsindex der vorletzten, zweitäußeren Ummantelungsschicht U_m-1 größer ist als der der äußeren Ummantelungsschicht U_m.
Die Ummantelungsschicht, in der sich die Strahlungsmoden ausbilden, werden im Folgenden als Abstrahlungs- oder Strahlungsschicht AS oder SS bezeichnet. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich dabei um die letzte, äußere Ummantelungsschicht U_m oder um die vorletzte, zweitäußere Ummantelungsschicht U_m-1 handelt; es ist auf jeden Fall die letzte, äußere Ummantelungsschicht mit einem höheren Brechungsindex, in der sich Strahlungsmoden ausbilden, so dass Lichtenergie seitlich von der Oberfläche der erfindungsgemäßen Faseroptik abgestrahlt wird.
Natürlich darf eine solche erfindungsgemäße Faseroptik nicht durch eine optisch intransparente Schutzschicht S₁ und S₂ („coating“/„buffer“ und „jacket“) ummantelt oder beschichtet werden, da sonst das erwünschte laterale Abstrahlungsverhalten unterbunden wird. Die beiden Schutzschichten S₁ und S₂, falls diese notwendig sein sollten, sollten also zumindest teiltransparent sein im Sinne von erstens, dass nur Teilbereiche der Oberfläche vollständig oder teiltransparent sind und die restlichen Teilbereiche intransparent sein dürfen und/oder zweitens, dass durch diese Schichten nur ein Teil des Spektrums hindurchtreten (transmittieren) kann, während die übrigen Teile des Spektrums absorbiert oder zurückgeworfen (reflektiert) werden; eventuell können beide Schutzschichten S₁ und S₂ auch gefärbt sein, um eine Filterwirkung auszuüben, oder sie können anisotrope optische Eigenschaften besitzen wie Doppelbrechung, oder sie können eine polarisierende Wirkung besitzen, um die optischen Eigenschaften der lateral abgestrahlten Lichtstrahlung zu manipulieren.
Optional können auch die übrigen Bereiche und Schichten wie Kernbereich oder Mantelbereich oder Ummantelungsschichten teiltransparent im ersten und/oder im zweiten Sinne, wie weiter oben ausgeführt worden ist, und/oder gefärbt und/oder polarisierend und/oder doppelbrechend sein, um in Kombination mit den anderen transparenten, teiltransparenten und/oder gefärbten und/oder polarisierenden und/oder doppelbrechenden Bereichen oder Schichten mittels wellenlängenspezifischer Materialabsorption und/oder optisch anisotropen oder nichtlinear-optischen Effekten ein gewünschtes Abstrahlungsspektrum mit entsprechender (raumwinkelaufgelöster) Abstrahlungsverteilung oder -charakteristik und/oder mit entsprechenden optischen Eigenschaften auszuwählen.
Dabei ist aber auch auf die Brechungsindizes der zumindest teiltransparenten Schutzschichten S₁ und S₂ zu achten, dass diese.so gewählt werden sollten, dass diese die laterale Abstrahlung des Lichts nicht in unerwünschter Weise beeinflussen oder sogar unterbinden. Daher sollte die Brechungsindexdifferenz zwischen dem Brechungsindex der Absstrahlunsgschicht (so die letzte Ummantelungsschicht genannt, in denen sich Strahlungsmoden ausbilden) und dem der Schutzschichten nicht allzu hoch ausfallen, um Fresnel-Verluste zu vermeiden; oder aber sie müssen der alternierenden Brechungsindexreihenfolge genügen, wie bereits oben und weiter unten beschrieben: der Brechungsindex der Schutzschicht(en) sollte maximal gleich dem Brechungsindex der letzten, äußeren Ummantelungsschicht sein, oder sie sollten geringer als der Brechungsindex der letzten, äußeren Ummantelungsschicht ausfallen.
Der Übersichtlichkeit halber werden nun die zwei Fälle noch einmal zusammengefasst, die voneinander unterscheiden werden müssen:

Im ersten Fall besitzt die letzte, äußere Ummantelungsschicht U_m einen Brechungsindex n_m, der größer ist als der Brechungsindex n_m-1 der vorangegangenen, innenliegenden Ummantelungsschicht U_m-1, welche von der Ummantelungsschicht U_m umfasst wird, d.h. welche auf der Innenseite der Ummantelungsschicht U_m liegt. In diesem Fall bilden sich die Strahlungsmoden in der letzten, äußeren Ummantelungsschicht U_m aus, die die von der erfindungsgemäßen Faseroptik geführte und transportierte Lichtenergie seitlich oder lateral von der Außenseite der erfindungsgemäßen Faseroptik in die Umgebung abstrahlt. Die letzte, äußere Ummantelungsschicht U_m kann daher auch als Abstrahlungsschicht bezeichnet werden, während jede zweite Ummantelungsschicht U_i mit einem kleineren Brechungsindex n_i als die Brechungsindizes n_i-1 und n_i+1 der umgebenden Ummantelungsschichten U_i-1 und U_i+1 man als Kopplungsschichten bezeichnen kann.

Im zweiten Fall besitzt die letzte, äußere Ummantelungsschicht U_m einen Brechungsindex n_m, der niedriger ist als der Brechungsindex n_m-1 der vorangegangenen, innenliegenden Ummahtelungsschicht U_m-1, welche von der Ummantelungsschicht U_m umfasst wird, d.h. welche auf der Innenseite der Ummantelungsschicht U_m liegt. In diesem Fall bilden sich die Strahlungsmoden in der vorletzten, Ummantelungsschicht U_m-1 aus, die die von der erfindungsgemäßen Faseroptik geführte und transportierte Lichtenergie seitlich oder lateral von der vorletzten Urnmantelungsschicht U_m-1 durch die letzte, äußere Ummantelungsschicht U_m der erfindungsgemäßen Faseroptik in die Umgebung abstrahlt. Die vorletzte Ummantelungsschicht U_m-1 kann daher auch als Abstrahlungsschicht bezeichnet werden, während jede zweite Ummantelungsschicht U_i (bis auf die letzte, äußere Ummantelungsschicht U_m) mit einem kleineren Brechungsindex n_i als die Brechungsindizes n_i-1 und n_i+1 der sie umgebenden Ummantelungsschichten U_i-1 und U_i+1 man als Kopplungsschichten bezeichnen kann.
Für die winkelabhängige oder raumwinkelaufgelöste Abstrahlungscharakteristik und anderen physikalisch-optischen und technischen Parameter gelten die analogen Zusammenhänge und Abhängigkeiten wie für die planaren Viel- oder Multischichtlichtwellenleiter in integriert-optischer Form [1].
Allerdings im Gegensatz zu den planaren Vielschichtenlichtwellenleitern in integriert-optischer Form liegt bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Faseroptik eine Zylindergeometrie vor, so dass zu erwarten ist, dass die Abstrahlungscharakteristik eine zylindersymmetrische Form besitzt. Um diese mathematisch zu beschreiben, bietet sich hier aufgrund der vorherrschenden Zylindergeometrie die Bessel-Differentialgleichung sowie die Besselfunktion an.
Im Prinzip stellt dies das faseroptische Analogon zu den Viel- oder Multischichtlichtwellenleiter in integriert-optischer Form wie im Stand der Technik beschrieben dar.
Spezielle Ausführungsbeispiele:
In der 2 wird ein spezielles Ausführungsbeispiel einer solchen erfindungsgemäßen optischen Faser gezeigt:

Der Kernbereich K der erfindungsgemäßen Faseroptik kann sowohl monomodig als auch multimodig ausgelegt sein, d.h. er kann einen Durchmesser von 5 µm bis 250 µm oder sogar noch höher besitzen. Der Brechungsindex des Kernbereichs K kann beispielsweise bei 1,5 liegen. Der den Kernbereich K.umschließende Mantelbereich oder Mantelschicht M besitzt einen Brechungsindex n₂, der geringer ist als der Brechungsindex n₁ des Kernbereichs K: n₂ < n₁. Allerdings sollte die Brechungsindexdifferenzn₁ - n₂zwischen dem Brechungsindex n₁ des Kernbereichs K und dem Brechungsindex n₂ des Mantelbereichs M sowie die Dicke der Mantelschicht M nicht zu groß sein, damit sich über das evaneszente Feld eine starke Kopplung zwischen dem Lichtfeld im Kernbereich K und dem Lichtfeld des die Mantelschicht M umgebenden Ummantelungsschicht U₁ ausbilden kann. Beispielsweise sollte die Brechungsindexdifferenz n₁ - n₂ nicht größer als 0,01 sein, und die Dicke der Mantelschicht M sollte auch nicht größer als 30 µm betragen. Die Ummantelungsschicht U₁ umhüllt wiederum die Mantelschicht M und besitzt den Brechungsindex n₃ = n₁ > n₂, d.h. der Brechungsindex n₃ der Ummantelungsschicht U₁ ist gleich dem Brechungsindex n₁ des Kernbereichs K und somit höher als der Brechungsindex n₂ der Mantelschicht M. Somit ist der Brechungsindexdifferenzbetrag |n₂ = n₃| = |n₂-n₁| wiederum geringer als 0,01, damit sich über das evaneszente Feld eine starke Kopplung zwischen dem Lichtfeld im Kernbereich K und dem Lichtfeld innerhalb der die Mantelschicht M umgebenden Ummantelungsschicht U₁ ausbilden kann. Die Dicke der Ummantelungsschicht U₁ kann dagegen in gewissem Rahmen beliebig groß sein, zumindest größer als 30 µm.

Die erste Ummantelungsschicht U₁ wird wiederum von einer zweiten Ummantelungsschicht U₂ umhüllt oder ummantelt, wobei die zweite Ummantelungsschicht U₂ einen Brechungsindex n₄ = n₂ < n₁ = n₃ besitzt, d.h. der Brechungsindex der zweiten Ummantelungsschicht U₂ ist geringer als der des Kernbereichs oder der der ersten Ummantelungsschicht U₁.
Die zweite Ummantelungsschicht U₂ wird wiederum von einer dritten Ummantelungsschicht U₃ umhüllt oder ummantelt, wobei die dritte Ummantelungsschicht U₃ einen Brechungsindex n₅ = n₃ = n₁ > n₂ = n₄ besitzt, d.h. der Brechungsindex der dritten Ummantelungsschicht U₃ ist größer als der des Mantelbereichs M oder der zweiten Ummantelungsschicht U₂.
Dies kann im Prinzip unendlich weiter fortgesetzt werden.
In diesem speziellen Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Bereiche wie Kernbereich und Schichten wie Mantelschicht oder Mantelbereich und Ummantelungsschicht als Stufenfaser ausgebildet worden, d.h. der Brechungsindexübergang zwischen den einzelnen Bereichen und/oder Schichten erfolgt sprunghaft, jedoch bleibt der Brechungsindex innerhalb eines Bereiches oder einer Schicht konstant. Die einzelnen Schichten oder Bereiche der erfindungsgemäßen Faseroptik in Form eines optischen, konzentrisch angeordneten Schichtsystems können aber auch als Gradientenfaser ausgebildet sein, d.h. innerhalb einer Schicht oder eines Bereichs kann der Brechungsindex in gewissen Grenzen frei variieren, jedoch darf dieser den Brechungsindex der benachbarten oder umgebenden Bereiche oder Schichten je nach Lage nicht über- oder unterschreiten. Auf diese Weise können sich innerhalb eines Bereichs oder einer Schicht der erfindungsgemäßen Faseroptik auch Unterbereiche oder Unterschichten ausbilden, sozusagen eine untergeordnete erfindungsgemäße Faseroptik innerhalb eines Bereichs oder Schicht einer übergeordneten erfindungsgemäßen Faseroptik. Die Übergänge des Brechungsindex zwischen den einzelnen Bereichen oder Schichten können auch stetig verlaufen.
Auch ist des denkbar, dass die Bereiche und/oder Schichten der erfindungsgemäßen Faseroptik teilweise oder vollständig als photonische Kristalle ausgebildet werden. Ebenfalls sind alle Mischformen zwischen Stufenfaser, Gradientenindexfaser und photonischem Kristall der erfindungsgemäßen Faseroptik denkbar; beispielsweise kann der Kernbereich der erfindungsgemäßen Faseroptik als photonischer Kristall, insbesondere als Bragg-Gitter, ausgebildet sein, wobei der dazugehörige Mantelbereich als Gradientenindexfaser ausgestaltet ist, d.h. es liegt innerhalb des Mantelbereichs ein Brechungsindexgradient ungleich Null vor, und wobei der dazugehörige erste Ummantelungsbereich als Stufenindexfaser realisiert worden ist, d.h. innerhalb des ersten Ummantelungsbereichs ist der Brechungsindex konstant usw.. Auf diese Weise fungiert der Kernbereich beispielsweise als Filter oder kann sonstwie das geführte Licht bezüglich der Polarisation o.a. manipulieren oder dessen Wellenfront formen. Der Cladding-Bereich ist verantwortlich für die Totalreflexion und somit für die Lichtführung, während der Coating-Bereich die laterale Abstrahlung der Lichtenergie seitlich zur Längsachse der erfindungsgemäßen Lichtfaser bewirkt.
Ein weiteres, besonderes Ausführungsbeispiel stellt die Anwendung der erfindungsgemäßen Faseroptik auf den Gegenstand gemäß US 4 210 389 A , dort insbesondere 1, Bezugszeichen 4, Spalte 2, letzter Absatz, dar: dabei wird die erfindungsgemäße Faseroptik als Pumpfaser anstelle der Lichtquelle 4 im Festkörperlaser A eingesetzt. Da die erfindungsgemäße Faseroptik die Lichtenergie auch lateral abstrahlt, kann sie die röhrenförmige Lichtquelle 4 ersetzen. Die abgestrahlte Lichtenergie der erfindungsgemäßen Faseroptik wird dann durch den wannen- oder stabförmigen Reflektor 2 zum laseraktiven Stab 6 hinreflektiert, um das darin enthaltende laseraktive Medium optisch zu pumpen.
Figurenliste

1: Vielschicht- oder Multischichtlichtwellenleiter ausgebildet in integriert-optischer Form (Stand der Technik)
2: Vielschicht- oder Multischichtlichtwellenleiter ausgebildet in faseroptischer Form (erfindungsgemäße Faseroptik)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7317857 B2 [0007]
US 4210389 A [0008, 0037]

Claims

Faseroptik mit einem zentralen Kernbereich K mit einem Brechungsindex n₁ und einer den Kernbereich K umgebenden Mantelschicht M mit einem Brechungsindex n₂ und einer die Mantelschicht M umgebenden ersten Ummantelungsschicht U₁ mit einem Brechungsindex n₃ und optional mit mindestens einer weiteren, die erste Ummantelungsschicht U₁ umgebenden zweiten Ummantelungsschicht U₂ mit einem Brechungsindex n₄, so dass sämtliche Schichten M, U₁, U₂ usf. den Kernbereich K konzentrisch umgeben und somit ein konzentrisches, lichtleitendes Schichtsystem bilden, wobei gilt, dass die Brechungsindizes n₁, n₂, n₃, n₄ usf. hinsichtlich ihrer relativen Größe zueinander sich immer abwechseln und somit eine alternierende Abfolge von sich abwechselnd größeren und kleineren Brechungsindizes gemäß der folgenden Ungleichung bilden : n₁ > n₂ < n₃ > n₄ usf., jedoch die Brechungsindexdifferenzen Δn der Brechungsindizes zwischen zwei aufeinander folgenden Schichten sowie die Dicken jeder zweiten Schicht M, U₂, usf. mit kleinerem Brechungsindex n₂, n₄, usf. nicht allzu groß gewählt werden dürfen, so dass bei Lichteinkopplung in den Kernbereich K der Faseroptik sich zwischen den Lichtfeldern in den einzelnen Bereichen und Schichten K, U₁, usf. mit größerem Brechungsindex n₁, n₃, usf. über das evaneszente Feld eine starke Kopplung ausbilden kann, damit sich in der letzten Ummantelungsschicht mit einem höheren Brechungsindex n als die der umgebenden Ummantelungsschichten (in der Regel handelt es sich dabei entweder um die vorletzte oder die letzte, äußere Ummantelungsschicht) Strahlungsmoden ausbilden können, und wobei dieses konzentrische, lichtleitende Schichtsystem optional durch mindestens eine weitere Schutzschicht S ummantelt wird, dessen Brechungsindex n_s an die Brechungsindizes der anderen Schichten des konzentrisch ausgebildeten Schichtsystems so angepasst worden ist, dass die Abstrahlverluste minimiert werden; insbesondere ist der Brechungsindex n_s der Schutzschicht S ungefähr gleich dem Brechungsindex n_m der außen liegenden, letzten Ummantelungsschicht U_m, und wobei der Kernbereich K sowie sämtliche Schichten M, U₁, U₂, sowie die Schutzschicht S zumindest teiltransparent, insbesondere vollstransparent, sind.
Verwendung einer Faseroptik nach Anspruch 1 für Zwecke der Spektroskopie, des Pumpen von laseraktiven Medien, zur gezielten Abstrahlung oder Empfang von elektromagnetischer Energie mit einer gewünschten Strahlungscharakteristik ähnlich einer Antenne oder zur Beleuchtung oder anderen dekorativen-ästhetischen Zwecken.