DE102021207793A1

DE102021207793A1 - Faser-Strecker, Phasen-Einstelleinrichtung und optische Anordnung

Info

Publication number: DE102021207793A1
Application number: DE102021207793.5A
Authority: DE
Inventors: Aleksander Budnicki; Florian Jansen; Maike Prossotowicz
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2021-07-21
Filing date: 2021-07-21
Publication date: 2023-01-26

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Faser-Stecker (1), umfassend: einen Grundkörper (2), eine optische Faser (3), die einen Faserabschnitt (3a) aufweist, der um den Grundkörper (2) gewickelt ist, sowie mindestens einen Aktuator (4, 4a,b), der ausgebildet ist, den Grundkörper (2) in Abhängigkeit von mindestens einem Steuersignal (5, 5a,b) zu deformieren. Bei dem Faser-Strecker (1) ist die optische Faser als Hohlkernfaser (3) ausgebildet. Die Erfindung betrifft auch eine Phasen-Einstelleinrichtung (7), die einen solchen Faser-Strecker (7) sowie eine Steuereinrichtung (6) zur Erzeugung des mindestens einen Steuersignals (5, 5a,b) zur Ansteuerung des mindestens einen Aktuators (4, 4a,b) aufweist, sowie eine optische Anordnung, insbesondere ein Interferometer, umfassend: mindestens eine solche Phasen-Einstelleinrichtung (7), sowie mindestens eine Laserquelle zur Erzeugung mindestens eines Laserstrahls, der die Hohlkernfaser (3) der mindestens einen Phasen-Einstelleinrichtung (7) durchläuft.

Description

Die Erfindung betrifft einen Faser-Strecker, umfassend: einen Grundkörper, eine optische Faser, die einen Faserabschnitt aufweist, der um den Grundkörper gewickelt ist, sowie mindestens einen Aktuator, der ausgebildet ist, den Grundkörper in Abhängigkeit von mindestens einem Steuersignal zu deformieren. Die Erfindung betrifft auch eine Phasen-Einstelleinrichtung, die einen solchen Faser-Strecker sowie eine Steuereinrichtung zur Erzeugung des mindestens einen Steuersignals zur Ansteuerung des mindestens einen Aktuators aufweist. Die Erfindung betrifft auch eine optische Anordnung, insbesondere ein Interferometer, das mindestens eine solche Phasen-Einstelleinrichtung sowie mindestens eine Laserquelle aufweist, die mindestens einen Laserstrahl erzeugt, der die Hohlkernfaser der mindestens einen Phasen-Einstelleinrichtung durchläuft.
Bei einem Faser-Strecker wird eine optische Faser, genauer gesagt ein Faserabschnitt, um einen Grundkörper gewickelt und ein Aktuator wirkt auf den Grundkörper ein, um diesen zu deformieren. Bei der Deformation des Grundkörpers durch den Aktuator verändert sich typischerweise der Umfang des Grundkörpers zumindest in dem Bereich, in dem die optische Faser um den Grundkörper gewickelt ist. Auf diese Weise wird die optische Faser in dem Faserabschnitt, der um den Grundkörper gewickelt ist, in seiner Länge verändert (typischerweise gedehnt). Die Längenänderung liegt in der Regel in der Größenordnung der verwendeten zentralen Wellenlänge (typischerweise Mikrometer) und ermöglicht es, gezielt die optische Laufzeit und damit die Phase eines durch die optische Faser propagierenden Laserstrahls einzustellen.
In der US 7,382,962 B1 ist eine Faser-Strecker-Vorrichtung beschrieben, die einen oder mehr lineare Aktuatoren aufweist, um Faserschleifen zu strecken. Der Aktuator reagiert auf ein Steuersignal, das eine Formänderung des Aktuators entlang einer geraden Linie hervorruft. In einem Beispiel weist die Faser-Strecker-Vorrichtung einen Rahmen auf, der mindestens eine expandierbare Aussparung aufweist, die mit dem Aktuator derart gekoppelt ist, dass die Formveränderung des Aktuators die Breite der expandierbaren Aussparung verändert. Auf diese Weise wird die Formänderung des Aktuators in eine Veränderung des Umfangs der Außenseite des Faser-Strecker-Rahmens umgesetzt, der mit einer Faserschleife umwickelt ist.
In der CN10156259 A ist eine phasensteuerbare Multifrequenz-Faser-Interferenzstreifen-Projektionsvorrichtung beschrieben, die einen Faser-Strecker aufweist. Der Faser-Strecker wird mit Hilfe eines piezoelektrischen keramischen PZT(Blei-Zirkonat-Titanat) Aktuators angesteuert, um eine Phasendifferenz zwischen zwei Ausgangsarmen eines Faserkopplers einzustellen.
Die bekannten Faser-Strecker benötigen für das Einstellen der Phase hohe Spannungen, die an den Aktuator angelegt werden, um eine ausreichende Längenänderung zu erzeugen. Die bekannten Faser-Strecker sind zudem vergleichsweise langsam und erzeugen aufgrund der Faserlänge von beispielsweise mehr als 3 Metern nichtlineare Effekte, die in der Regel unerwünscht sind. Herkömmliche Faser-Strecker können zudem in der Regel nicht für Hochleistungs-Anwendungen verwendet werden.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Faser-Strecker bereitzustellen, der mindestens eines der weiter oben beschriebenen Probleme herkömmlicher Faser-Strecker überwindet, sowie eine Phasen-Einstelleinrichtung und eine Vorrichtung mit einem solchen Faser-Strecker bereitzustellen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Faser-Strecker der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die optische Faser, die den Faserabschnitt aufweist, der um den Grundkörper gewickelt ist, als Hohlkernfaser ausgebildet ist.
Aus dem Stand der Technik bekannte Faser-Strecker verwenden Standardfasern, z.B. polarisationserhaltende Fasern vom PANDA-Typ, beispielsweise vom Typ PM980 der Fa. Corning. Derartige Fasern weisen einen massiven und keinen hohlen Kern auf und können in der Regel nicht bei hohen Leistungen eingesetzt werden. Zudem führen diese Standardfasern bei den für einen ausreichenden Phasenhub notwendigen Faserlängen von typischerweise mehr als ca. 3 Metern zu nichtlinearen Effekten, die bei vielen Anwendungen unerwünscht sind.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, bei dem Faser-Strecker an Stelle einer Standardfaser eine Hohlkernfaser zu verwenden. Eine Hohlkernfaser führt typischerweise zu keinen bzw. nur zu sehr geringen nichtlinearen Effekten, da die Laser-Mode im Wesentlichen im Hohlkern der Faser propagiert. Aufgrund des Hohlkerns verringert sich jedoch die Auswirkung der Längenänderung auf die optische Weglänge, die der in der Hohlkernfaser propagierende Laserstrahl zurücklegt, da der Brechungsindex des Hohlkerns bei ca. n = 1,0 liegt, während der Brechungsindex eines massiven Kerns z.B. bei ca. n = 1,4 liegt. Die geringere Änderung der optischen Weglänge bei der Deformation kann dadurch kompensiert werden, dass eine längere Hohlkernfaser bzw. ein längerer Faserabschnitt verwendet wird, der um den Grundkörper gewickelt wird. Bei dem Material der Hohlkernfaser handelt es sich in der Regel um Quarzglas, grundsätzlich kann die Hohlkernfaser aber auch aus anderen Arten von Materialien gebildet werden.
Bei einer Ausführungsform ist die Hohlkernfaser ausgewählt aus der Gruppe umfassend: HC-PCF(Hollow Core Photonic Crystal Fiber)-Fasern, HC-PBGF (Hollow Core Photonic Bandgap Fiber)-Fasern und HC-ARF(Hollow Core Anti-Resonant Fiber)-Fasern (ggf. mit Tubes). Derartige Hohlkernfasern, insbesondere HC-PBGF-Fasern, eignen sich für hohe Leistungen und führen zu geringen nichtlinearen Effekten. HC-PCF-Fasern werden beispielsweise zur Puls-Kompression und zur Puls-Streckung in Chriped-Pulse-Amplification (CPA)-Systemen verwendet, vgl. beispielsweise die US 2005/0105865 A1 . Es versteht sich, dass als Hohlkernfasern auch Multikernfasern oder andere Typen von Hohlkernfasern verwendet werden können, beispielsweise Fasern mit negativer Krümmung („Negative curvature fibers“), z.B. vom Kagome-Typ.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Hohlkernfaser einen Mode-Field-Diameter von weniger als 60 µm, bevorzugt von weniger als 50 µm auf. Der Mode-Field-Diameter hängt von den Eigenschaften der Hohlkernfaser ab. Bei einer Hohlkernfaser vom Kagome-Typ (s.u.) gilt für den Mode-Field Diameter (MFD), dass dieser näherungsweise dem Durchmesser des (zentralen) Hohlkerns, in dem die Mode geführt wird, multipliziert mit π / 4 entspricht. Es ist günstig, wenn der Hohlkern-Durchmesser der Hohlkernfaser nicht zu groß ist, da ein zu großer Durchmesser des Hohlkerns dazu führt, dass die Hohlkernfaser gegenüber Druck von außen empfindlicher wird. Dies ist für die hier beschriebene Anwendung, bei der gezielt eine mechanische Spannung auf die Hohlkernfaser ausgeübt wird, ungünstig, da auch das Biegen der Faser z.B. um einen Aktuator einen mechanischen Druck auf die Hohlkernfaser verursachen kann. Zudem sind für einen kleinen Durchmesser des Hohlkerns der Hohlkernfaser und damit einhergehend einem kleinen Mode-Field-Diameter die Biegeverluste geringer, so dass ein kleinerer minimaler Biegeradius erreicht werden kann .
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Hohlkernfaser einen minimalen Biegeradius von weniger als 5 cm, bevorzugt von weniger als 3 cm, insbesondere von weniger als 2 cm auf. Der minimale Biegeradius gibt den Radius an, bei dem die optischen Eigenschaften der gebogenen Faser noch identisch zur ungebogenen Faser sind und bis zu 10% Verluste der in der Faser transportieren (Laser-)Leistung gegenüber der ungebogenen (losen) Faser auftreten. Bei Standardfasern (ohne Hohlkern) liegt der minimale Biegeradius typischerweise in der Größenordnung von ca. 5 cm oder ist ggf. geringfügig kleiner.
Bei der Verwendung einer optischen Faser in einem Faser-Strecker ist es notwendig, diese um den Grundkörper zu wickeln, der in der Regel einen vergleichsweise geringen Durchmesser in der Größenordnung von wenigen Zentimetern aufweist. Um die Faser um den Grundkörper zu wickeln, ist es erforderlich, dass sich die Faser auf kleine Durchmesser biegen lässt, ohne dass hierbei zu große optische Verluste auftreten. Der oben angegebene minimale Biegeradius kann beispielsweise bei einer HC-PCF-Faser vom Kagome-Typ erreicht werden. Ein geringer minimaler Biegeradius im Bereich von wenigen Millimetern z.B. auch bei einer Hohlkernfaser in Form einer HC-PBGF-Faser erreicht, wie sie unter dem Namen HC-1060-02 von der Fa. NKT Photonics GmbH angeboten wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Faserabschnitt eine Länge von mehr als 5 Metern, bevorzugt von mehr als 8 Metern, auf. Wie weiter oben beschrieben wurde, wird bei einer Hohlkernfaser typischerweise eine größere Länge des umwickelten Faserabschnitts benötigt, um die gewünschte phasenschiebende Wirkung zu erzielen. Aufgrund der Tatsache, dass bei der Führung eines Laserstrahls in einer Hohlkernfaser keine bzw. nur geringe nichtlineare Effekte auftreten, kann die Hohlkernfaser eine größere Länge aufweisen als dies bei herkömmlichen Fasern mit einem Faserkern der Fall ist, ohne dass die nichtlinearen Effekte zu groß werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine Aktuator als Piezo-Aktuator ausgebildet. Zwischen der Ausdehnung bzw. der Längenänderung der optischen Faser und der Spannung, die an den Piezo-Aktuator angelegt wird, besteht in der Regel ein linearer Zusammenhang, so dass mit Hilfe eines Steuersignals in Form eines Spannungs-Signals, das an den Piezo-Aktuator angelegt wird, auf einfache Weise eine gezielte Einstellung der Phasen-Verschiebung möglich ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform bildet der Aktuator den Grundkörper. In diesem Fall kann der Grundkörper beispielsweise als Piezo-Aktuator mit einem z.B. kreisförmigen Querschnitt ausgebildet sein. Der Aktuator kann aus einem einzigen Piezoelement bestehen oder aus mehreren Piezoelementen zusammengesetzt sein. Durch das Anlegen einer Spannung dehnt sich der im Wesentlichen zylindrische Aktuator gleichmäßig entlang seiner Mantelfläche und bringt hierbei eine mechanische Spannung auf den Faserabschnitt auf, mit dem der Grundkörper umwickelt ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform wirkt der mindestens eine Aktuator auf den Grundkörper ein und ist bevorzugt innerhalb des Grundkörpers angeordnet. Für die Einwirkung von (z.B. linearen) Aktuatoren, speziell von Piezo-Aktuatoren, auf einen Grundkörper besteht eine Vielzahl von Möglichkeiten. Beispielhaft sei diesbezüglich auf die eingangs zitierte US 7,382,962 B1 verwiesen, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Der mindestens eine Aktuator wirkt in diesem Fall in der Regel auf die Innenseite einer nicht zwingend vollständig umlaufenden Umfangsfläche des Grundkörpers ein. Insbesondere kann der Aktuator dazu dienen, zwei Teilbereiche des Grundkörpers, um welche die Hohlkernfaser gewickelt sind, in einer Richtung aufeinander zu bzw. voneinander weg zu verschieben.
Bei einer Weiterbildung weist der Faser-Strecker mindestens zwei Aktuatoren auf, die bevorzugt in unterschiedlichen Richtungen, insbesondere in zwei zueinander senkrechten Richtungen, auf den Grundkörper einwirken. Die beiden Aktuatoren, bei denen es sich in der Regel um lineare Aktuatoren handelt, können beispielsweise in Längsrichtung des Grundkörpers versetzt zueinander angeordnet sein. Ein jeweiliger Aktuator wirkt typischerweise an zwei einander diametral gegenüberliegenden Seiten auf die Umfangsfläche des Grundkörpers ein. Ein erster Aktuator und ein zweiter Aktuator können hierbei in zwei senkrecht verlaufenden Richtungen auf die Umfangsfläche des Grundkörpers einwirken, dies ist aber nicht zwingend erforderlich, da die Aktuatoren eine Dehnung bzw. eine Längenänderung des Faserabschnitts bewirken, die nicht von der Richtung der Einwirkung des jeweiligen Aktuators auf den Grundkörper abhängig ist.
Die beiden Aktuatoren können mit unterschiedlichen Steuersignalen beaufschlagt werden, beispielsweise um eine Phasen-Einstellung auf unterschiedlichen Zeitskalen oder zu unterschiedlichen Zwecken zu realisieren. So kann beispielsweise eine langsame Phasen-Einstellung mittels des ersten Aktuators und eine schnelle Phasen-Einstellung mit Hilfe des zweiten Aktuators erfolgen. Es ist auch möglich, dass der erste Aktuator einen Teil eines Regelkreises bildet, der eine aktive Phasenanpassung bewirkt, während zweite Aktuator zur freien Einstellung bzw. Vorgabe einer Phase bzw. eines Anteils einer Gesamt-Phase verwendet wird, die z.B. von einem Bediener vorgegeben werden kann, wie dies weiter unten näher beschrieben wird. Eine langsame Phasen-Einstellung kann beispielsweise auf einer Zeitskala im Bereich von Millisekunden bis Sekunden erfolgen, während eine schnelle Phasen-Einstellung auf einer Zeitskala im Bereich von Nanosekunden bis Mikrosekunden erfolgen kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst der Faser-Strecker einen weiteren Grundkörper, um den ein weiterer Faserabschnitt der Hohlkernfaser gewickelt ist, sowie mindestens einen weiteren Aktuator, der ausgebildet ist, den weiteren Grundkörper in Abhängigkeit von mindestens einem weiteren Steuersignal zu deformieren. Auch bei einem solchen Faser-Strecker können zwei oder ggf. mehr Phasen-Anteile eines durch die Hohlkernfaser propagierenden Laserstrahls unabhängig voneinander eingestellt werden, indem das Steuersignal und das weitere Steuersignal geeignet gewählt werden. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann eine solche Einstellung beispielsweise für den Fall sinnvoll sein, dass ein Anteil der Gesamt-Phase, die mit dem Faser-Strecker eingestellt wird, geregelt wird, während ein anderer Anteil der Gesamt-Phase von außen vorgegeben bzw. eingestellt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Phasen-Einstelleinrichtung, die einen Faser-Strecker aufweist, der wie weiter oben beschrieben ausgebildet ist, sowie eine Steuereinrichtung zur Erzeugung des mindestens einen Steuersignals zur Ansteuerung des mindestens einen Aktuators sowie bevorzugt zur Erzeugung des mindestens einen weiteren Steuersignals zur Ansteuerung des mindestens einen weiteren Aktuators.
Die Phasen-Einstelleinrichtung kann in unterschiedlichen Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Phasen-Einstelleinrichtung zur aktiven Stabilisierung, insbesondere zur aktiven interferometrischen Stabilisierung, in einem Regelkreis dienen. Der Regelkreis kann beispielsweise zur Phasenstabilisierung, z.B. im so genannten LOCSET(Locking of Optical Coherence via Single-detector Electronic-frequency Tagging)-Verfahren, oder zur Frequenzstabilisierung, z.B. zur Frequenzstabilisierung eines Lasers im so genannten Pound-Drever-Hall-Verfahren, dienen. Ein weiteres Anwendungsgebiet stellen interferometrische Sensoren dar, beispielsweise Autokorrelatoren, z.B. zur Pulsdauermessung mittels einer so genannten frequency-resolved optical gating (FROG)-Messung, ggf. unter Verwendung einer Frequenzkonversion (Second Harmonic Generation, Third Harmonic Generation, ...).
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine optische Anordnung, beispielsweise ein Interferometer bzw. einen interferometrischen Sensor, umfassend: mindestens eine Phasen-Einstelleinrichtung, die wie weiter oben beschrieben ausgebildet ist, sowie mindestens eine Laserquelle zur Erzeugung mindestens eines Laserstrahls, der die Hohlkernfaser der mindestens einen Phasen-Einstelleinrichtung durchläuft. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann der Faser-Strecker bzw. die Phasen-Einstelleinrichtung in einer Vielzahl von unterschiedlichen optischen Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in Spektrometern, in der Fasersensorik oder in Interferometern zur Einstellung einer Phasen-Differenz zwischen zwei Interferometer-Armen, z.B. in der optischen Kohärenztomographie oder bei interferometrischen Sensoren. Der Faser-Strecker kann zudem bei der kohärenten Überlagerung von Laserstrahlen (Coherent Beam Combining, CBC) eingesetzt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:

1a-d schematische Darstellungen einer Phasen-Einstelleinrichtung bzw. eines Faser-Streckers, der einen mit einer Hohlkernfaser umwickelten Grundkörper und einen bzw. zwei Piezo-Aktuatoren aufweist,
2 eine schematische Darstellung der Dehnung der Hohlkernfaser von 1b in Abhängigkeit von einer an den Piezo-Aktuator angelegten Spannung,
3 eine schematische Schnittdarstellung einer Hohlkernfaser für den Faser-Strecker von 1a-d,
4 eine Darstellung einer optischen Anordnung in Form eines interferometrischen Sensors, der eine Phasen-Einstelleinrichtung aufweist, sowie
5a,b schematische Darstellungen von Phasen-Einstelleinrichtungen zur unabhängigen Einstellung von zwei Anteilen einer Gesamt-Phasen-Verschiebung.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
1a-d zeigen einen Faser-Strecker 1, der einen zylindrischen Grundkörper 2 mit einer umlaufenden Mantelfläche 2a aufweist, um die ein Faserabschnitt 3a einer optischen Faser in Form einer Hohlkernfaser 3 gewickelt ist. An Stelle der in 1a-d dargestellten kreiszylindrischen Geometrie kann der Grundkörper 2 auch eine Geometrie aufweisen, die von einer (kreis-)zylindrischen Form abweicht.
Bei der in 1b gezeigten Schnittdarstellung bildet der gesamte Grundkörper 2 einen Piezo-Aktuator 4 . Der Piezo-Aktuator 4, der aus einem oder aus mehreren Piezo-Elementen zusammengesetzt sein kann, ist ausgebildet, in Abhängigkeit von einem Steuersignal 5, das von einer Steuereinrichtung 6 bereitgestellt wird (vgl. 1a), sich selbst und damit den Grundkörper 2 zu deformieren. Bei der Deformation nimmt ein Durchmesser D_G des Piezo-Aktuators 4 bzw. des Grundkörpers 2 im Wesentlichen gleichförmig in radialer Richtung zu oder ab. Durch die Deformation und die damit einhergehende Vergrößerung oder Verkleinerung des Durchmessers D_G wird eine mechanische Spannung auf den Faserabschnitt 3a der Hohlkernfaser 3 ausgeübt, mit welcher der Grundkörper 2 umwickelt ist. Hierdurch vergrößert oder verkleinert sich die Länge der Hohlkernfaser 3 und es kommt zu einer (vorzeichenbehafteten) optischen Weglängenänderung ΔOPD, die zu einer Phasen-Verschiebung Δφ eines in der Hohlkernfaser 3 geführten Laserstrahls 8 führt. Für die optische Weglängenänderung gilt: ΔOPD = n d, wobei n der Brechungsindex der Hohlkernfaser 3, genauer gesagt des Hohlkerns (Luft, d.h. n ca. 1,0) und d die Weglängenänderung bezeichnen. Der Faser-Strecker 1 bildet gemeinsam mit der Steuerungseinrichtung 6 eine Phasen-Einstelleinrichtung 7, die es ermöglicht, den Betrag (und auch das Vorzeichen) der Phasen-Verschiebung Δφ des in der Hohlkernfaser 3 geführten Laserstrahls 8 einzustellen.
2 zeigt beispielhaft die Weglängenänderung d der Hohlkernfaser 3 (in µm), die im vorliegenden Fall der optischen Weglängenänderung ΔOPD entspricht, in Abhängigkeit von einem Steuersignal 5 in Form einer Steuer-Spannung U (in V), die an den Piezo-Aktuator 4 angelegt wird. Die durchgezogene Linie stellt eine Näherungsgerade für die in 2 gezeigten Messpunkte dar, die an einer HC-PBF-Faser gemessen wurden, die gestrichelte Linie zeigt den theoretischen Zusammenhang zwischen dem Verschiebung d und der Steuer-Spannung U. Wie sich aus 2 ergibt, besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Weglängenänderung d und der Steuer-Spannung U (Proportionalitätskonstante bei der verwendeten Faserlänge ca. 0,101 µm /V), so dass die zur Weglängenänderung d proportionale Phasen-Verschiebung Δφ mit Hilfe der Phasen-Einstelleinrichtung 7 auf einfache Weise eingestellt werden kann. Die Proportionalitätskonstante des in 2 gezeigten linearen Zusammenhangs hängt von der Faserlänge ab und nimmt mit zunehmender Faserlänge zu.
1c zeigt eine Schnittdarstellung eines Grundkörpers 2 einen Faser-Streckers 1, in den ein linearer Piezo-Aktuator 4 integriert ist. Wie in 1c durch zwei Pfeile angedeutet ist, dehnt sich der Piezo-Aktuator 4 beim Anlegen eines Steuersignals 5 in Form einer Steuerspannung U entlang der positiven und negativen X-Richtung eines XY-Koordinatensystems aus. Der Piezo-Aktuator 4 drückt hierbei gegen zwei in X-Richtung diametral gegenüberliegende Seitenteile des Grundkörpers 2, die in 1c in Form von Kreissegmenten dargestellt sind und um die der Faserabschnitt 3a der Hohlkernfaser 3 gewickelt ist. Die beiden Seitenteile bilden an ihrer Außenseite die Umfangsfläche 2a des Grundkörpers 2 und werden durch die Wirkung des Piezo-Aktuators 4 in X-Richtung auseinandergedrückt, so dass die Form des Grundkörpers 2 sich verändert und dieser deformiert wird. Der in 1c gezeigte Aufbau des Faser-Streckers 1 hat gegenüber der in 1b gezeigten Variante den Vorteil, dass für die Ansteuerung des Piezo-Aktuators 4 typischerweise geringere Spannungen erforderlich sind. Der Grundkörper 2 besteht in diesem Fall nur aus den beiden Seitenteilen, die über den Piezo-Aktuator 4 sowie ggf. zusätzlich über eine Linearführung miteinander verbunden sind.
Bei dem in 1d dargestellten Beispiel weist der Grundkörper 2 zwei Piezo-Aktuatoren 4a, 4b auf, die sich in zwei zueinander senkrechten Richtungen X, Y ausdehnen und in den beiden unterschiedlichen Richtungen X, Y auf den Grundkörper 2 einwirken. Der erste Piezo-Aktuator 4a drückt hierbei wie der in 1c gezeigte Piezo-Aktuator 4 gegen zwei in X-Richtung diametral gegenüberliegende Seitenteile des Grundkörpers 2, die in 1d als Kreissegmente dargestellt sind. Der zweite Piezo-Aktuator 4b drückt hierbei gegen zwei sich in Y-Richtung diametral gegenüberliegende Seitenteile des Grundkörpers 2 an, die in 1d ebenfalls als Kreissegmente dargestellt sind. Die beiden Piezo-Aktuatoren 4a, 4b können unabhängig voneinander mit Hilfe eines ersten und eines zweiten Steuersignals 5a, 5b angesteuert werden, die von der in 1a dargestellten Steuereinrichtung 6 bereitgestellt werden. Auf diese Weise können zwei Anteile der Gesamt-Phasen-Verschiebung Δφ unabhängig voneinander eingestellt werden, wie weiter unten näher beschrieben wird. Der Grundkörper 2 setzt sich bei dem in 1d gezeigten Beispiel aus den vier Seitenteilen zusammen. Die beiden Piezo-Aktuatoren 4a, 4b sind in einem Hohlraum des Grundkörpers 2 angeordnet.
Der Grundkörper 2 weist einen vergleichsweise geringen Durchmesser in der Größenordnung von wenigen Zentimetern auf, um den Faser-Strecker 1 platzsparend aufbauen zu können. Um eine Hohlkernfaser 3 in dem Faser-Strecker 1 nutzen zu können, ist es erforderlich, dass der Faserabschnitt 3a um den Grundkörper 2 bzw. um dessen Seitenteile (s.o.) gewickelt werden kann, möglichst ohne dass hierbei die Hohlkernfaser 3 beschädigt wird oder die Spezifikation der Hohlkernfaser 3 negativ beeinflusst wird. Um dies zu ermöglichen, sollte ein minimaler Biegeradius R_MIN der Hohlkernfaser nicht unterschritten werden, der bei weniger als 5 cm, bevorzugt bei weniger als 3 cm, insbesondere bei weniger als 2 cm liegt. Der Biegeradius der Hohlkernfaser 21.1 sollte andererseits möglichst klein sein, damit der Faser-Strecker 6.1 kompakt realisiert werden kann. Der Durchmesser D_G des Grundkörpers 2 ist an den minimalen Biegeradius R_MIN angepasst, d.h. der halbe Durchmesser D_G / 2 des Grundkörpers 2 ist im gezeigten Beispiel so groß wie der minimale Biegeradius R_MIN der Hohlkernfaser 3. Der Radius bzw. der halbe Durchmesser D_G / 2 der Hohlkernfaser 3 sollte daher bei mindestens 1 cm, bei mindestens 2 cm bzw. bei mindestens 3 cm liegen, je nachdem, wie groß der minimale Biegeradius R_MIN der Hohlkernfaser 3 ist. Grundsätzlich ist es auch möglich, beim Umwickeln des Grundkörpers 2 den minimalen Biegeradius R_MIN der Hohlkernfaser 3 zu unterschreiten, in diesem Fall müssen aber größere optische Verluste in Kauf genommen werden.
Grundsätzlich können unterschiedliche Arten von Hohlkernfasern 3 in dem in 1a-d gezeigten Faser-Strecker 1 verwendet werden, sofern diese einen ausreichend kleinen minimalen Biegeradius R_MIN aufweisen. Beispielsweise kann es sich bei der Hohlkernfaser 3 um eine HC-PCF Faser, um eine HC-PBGF-Faser oder um eine HC-ARF-Faser handeln. 3 zeigt beispielhaft und stark schematisch eine HC-PCF-Faser vom Kagome-Typ. Der zentrale Hohlkern 9a der Hohlkernfaser 3 weist einen Mode-Field-Diameter Dc von ca. 60 µm auf, welcher ungefähr dem Durchmesser des in eine Kagome-Struktur 9b eingeschriebenen Kreises multipliziert mit π / 4 entspricht. Für die Verwendung in einem Faser-Strecker 1 haben sich Hohlkernfasern 3 mit einem Mode-Field-Diameter Dc von weniger als 50 µm als günstig erwiesen. Wie in 3 ebenfalls zu erkennen ist, ist die Kagome-Struktur 9b von einem Cladding 9c aus Quarzglas umgeben. Es versteht sich, dass das in 3 gezeigte Cladding 9c noch von weiteren, nicht bildlich dargestellten Claddings umgeben werden kann.
Da der Laserstrahl 8 bzw. die Lasermode in dem Hohlkern 9a der Hohlkernfaser 3 geführt wird, ist die Phasen-Verschiebung Δcp, die der Laserstrahl 8 beim Durchlaufen der Hohlkernfaser 3 erfährt, geringer als dies bei einer herkömmlichen optischen Faser mit einem massiven Kern der Fall ist. Um eine ausreichende Phasen-Verschiebung Δφ zu erzeugen, liegt die Länge des Faserabschnitts 3a, der um den Grundkörper 2 gewickelt wird, in Abhängigkeit von der Anwendung des Faser-Streckers 1 bzw. der Phasen-Einstelleinrichtung 7 in der Regel bei mehr als 5 Metern oder bei mehr als 8 Metern. Die in Zusammenhang mit 1a-d gezeigte Phasen-Einstelleinrichtung 7 bzw. der Faser-Strecker 1 kann in unterschiedlichen optischen Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Faser-Strecker 1 zur Phaseneinstellung in einem LOCSET-Aufbau verwendet werden, vgl. den Artikel „First experimental demonstration of self-synchronous phase locking of an optical array“, T.M. Shay et al., Opt. Expr. 14, 12015 (2006) oder zur Anpassung der Gruppenlaufzeit beim Coherent Beam Combining, vgl. den Artikel „Group delay locking in coherently combined broadband lasers“, S. B. Weiss et al., Opt. Lett. 37, 455 (2012).
4 zeigt beispielhaft eine optische Anordnung 10 in Form eines Interferometers, genauer gesagt eines interferometrischen Sensors bzw. Autokorrelators, der zur Messung von Ultrakurz-Laserpulsen mit Hilfe einer so genannten FROG-Messung dient, vgl. den Übersichtsartikel „Measuring ultrashort laser pulses in the timefrequency domain using frequency-resolved optical gating“, R. Trebino et al., Rev. Sci. Instrum. 68 (9), September 1997. Bei einer FROG-Messung wird ein von einer Laserquelle 11 erzeugter Ultrakurzpuls-Laserstrahl 8 an einem dichtoitischen Spiegel in zwei Anteile aufgeteilt. Einer der beiden Anteile wird mit Hilfe der weiter oben beschriebenen Phasen-Einstelleinrichtung 7 verzögert, während der andere Anteil ohne eine Verzögerung durch einen nichtlinearen optischen Kristall 12 propagiert, der eine Summenfrequenz erzeugt (Harmonic Gneration). Im gezeigten Beispiel erzeugt der erste nichtlineare optische Kristall 12 die 2. Harmonische. (Second Harmonic Generation, SHG). Der erste Anteil und der zweite Anteil werden überlagert. Die beiden überlagerten Anteile, die den nichtlinearen optischen Kristall 12 durchlaufen haben, werden in einem nicht bildlich dargestellten Spektrometer ausgewertet, um den Ultrakurzpuls zu analysieren, wie dies in dem weiter oben zitierten Artikel näher beschrieben ist, der durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Für eine FROG-Messung bestehen verschiedene Möglichkeiten. Neben der SHG können auch andere nichtlineare optische Effekte eingesetzt werden, beispielsweise die Erzeugung der 3. Harmonischen (THG). Mit Hilfe der Phasen-Einstelleinrichtung 7 kann bei dem in 4 gezeigten interferometrischen Sensor die Phasen-Verschiebung Δφ und somit die Verzögerung zwischen den beiden Anteilen des Ultrakurzpulses eingestellt werden, was für die Auswertung günstig bzw. erforderlich ist.
Es versteht sich, dass die in Zusammenhang mit 1a-d beschriebene Phasen-Einstelleinrichtung 7 auch in anderen optischen Anordnungen als der in 4 gezeigten optischen Anordnung 10 vorteilhaft eingesetzt werden kann, beispielsweise in anderen Interferometern oder zur kohärenten Überlagerung einer Mehrzahl von Laserstrahlen.
Wie nachfolgend anhand von 5a,b erläutert wird, kann es günstig sein, wenn die Phasen-Verschiebung Δφ des durch die Hohlkernfaser 3 propagierenden Laserstrahls 8 nicht durch einen einzigen Piezo-Aktuator 4 eingestellt wird, sondern wenn die Gesamt-Phasen-Verschiebung Δcp in z.B. zwei Anteile Δφ_a, Δφ_s aufgeteilt wird. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn der erste Anteil Δφ_a der Phasen-Verschiebung (nachfolgend: aktiver Anteil) langsam (z.B. mit Frequenzen von weniger als 1 kHz) eingestellt werden soll, während der zweite Anteil Δφ_s der Phasen-Verschiebung (nachfolgend: passiver Anteil) schnell (z.B. mit Frequenzen von mehr als 1 MHz) eingestellt werden soll. Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass der aktive Anteil Δφ_a der Phasen-Verschiebung Δφ eine vergleichsweise große Phasen-Verschiebung bewirken soll, währen der passive Anteil Δφ_s der Phasen-Verschiebung Δφ einen vergleichsweise kleinen, schnellen Phasenhub ermöglichen soll.
Um die beiden Anteile Δφ_a, Δφ_s der Gesamt-Phasen-Verschiebung Δφ (Δφ = Δφ_a + Δφ_s) unabhängig voneinander einstellen zu können, weist die in 5a gezeigten Phasen-Einstelleinrichtung 7 zusätzlich zu dem in 1a-d gezeigten Grundkörper 2 einen weiteren Grundkörper 2' auf, der mit einem weiteren Faserabschnitt 3a' der Hohlkernfaser 3 umwickelt ist, der von dem Faserabschnitt 3a beabstandet ist. In dem weiteren Grundkörper 2` ist ein weiterer Piezo-Aktuator 4' angeordnet, der mit einem weiteren Steuersignal 5' angesteuert wird. Für die Ansteuerung dient die in 1a gezeigte Steuereinrichtung 6, die in 5a zur Vereinfachung der Darstellung in zwei voneinander getrennten Teilen 6a, 6b dargestellt ist. Es versteht sich, dass die Dehnung in den jeweiligen Faserabschnitten 3a, 3a' mittels der Piezo-Aktuatoren 4, 4' nicht zwingend in derselben Richtung (X-Richtung) erfolgen muss, wie dies in 5a dargestellt ist, sondern in unterschiedliche Richtungen erfolgen kann.
Bei der in 5a gezeigten Phasen-Einstelleinrichtung 7 dient der erste Teil 6a der Steuerungseinrichtung 6 zur aktiven Phasenregelung. Zu diesem Zweck wird ein Feedback-Signal S einer Phasen-Detektionseinheit 20a der Steuerungseinrichtung 6 zugeführt, um ein Ist-Phase zu messen. In Abhängigkeit von der gemessenen Ist-Phase wird in dem ersten Teil 6a der Steuerungseinrichtung 6 die Phasen-Korrektur in Form des aktiven Anteils Δφ_a der Phasen-Verschiebung Δφ bestimmt und mit Hilfe eines ersten Spannungs-Generators 21a, der einen Phasen-Regler bildet, wird das Steuersignal 5 erzeugt, das dem Aktuator 4 zugeführt wird. Der Spannungs-Generator 21 a kann beispielsweise ausgebildet sein, eine Spannung in der Größenordnung zwischen ±100 V und ± 500 V mit einer Frequenz in der Größenordnung von ca. 1 kHz zu erzeugen. Die Phasen-Verschiebung, die von der Auslegung des Faser-Streckers 1 und insbesondere von der Länge des umwickelten Faserabschnitts 3a abhängig ist, liegt bei einem typischen Faser-Strecker 1 bei der oben angegebenen Größenordnung der Spannung in einem Wertebereich zwischen ca. ±10 λ (±20 π) bis ca. ±50 λ (±100 π), wobei λ die Wellenlänge des Laserstrahls 8 bezeichnet. Die Frequenz hängt vom Design des Aktuators 4 ab und auch größer als 1 kHz sein, beispielsweise ca. 10 kHz. Um eine Spannung in der oben angegebenen Größenordnung zu erzeugen, kann der Spannungs-Generator 21a einen Hochspannungs-Verstärker aufweisen oder dem Spannungs-Generator 21 a kann ein Hochspannungs-Verstärker nachgeschaltet sein.
Der zweite Teil 6b der Steuereinrichtung 6 dient der Einstellung eines in Abhängigkeit von der Anwendung, beispielsweise von einem Bediener, vorgegebenen statischen Anteils Δφ_s der Phasen-Verschiebung Δcp. Der zweite Teil 6b der Steuereinrichtung 6, bei der es sich um eine geeignet angepasst Hard- und/oder Software handelt, weist einen Phasen-Rechner 20b auf, der dazu dient, den für die jeweilige Anwendung benötigten statischen Anteil Δφ_s der Phasen-Verschiebung Δφ zu bestimmen. Ein zweiter Spannungs-Generator 21b dient zur Erzeugung des weiteren Steuersignals 5`, das zur Erzeugung des statischen Anteils Δφ_s der Phasen-Verschiebung Δcp auf den weiteren Aktuator 4' des weiteren Grundkörpers 2' einwirkt.
Der zweite Spannungs-Generator 21 b kann beispielsweise ausgebildet sein, eine Spannung in der Größenordnung von ±10 V (beispielsweise entsprechend einer Phasen-Verschiebung von ±π bzw. von ± λ /2) mit einer Frequenz in der Größenordnung von MHz zu erzeugen.. Bei dem statischen Anteil Δφ_s der Phasen-Verschiebung Δφ kann es sich beispielsweise um einen Phasen-Anteil handeln, der zur hochdynamischen Strahlformung und/oder Strahlablenkung in einer optischen Anordnung zur kohärenten Überlagerung von Laserstrahlen (Coherent Beam Combining) dient.
Bei der in 5a gezeigten Phasen-Einstelleinrichtung 7 werden die beiden Anteile Δφ_a, Δφ_s der Phasen-Verschiebung Δcp unabhängig voneinander eingestellt, indem auf zwei unterschiedliche, voneinander beabstandete Faserabschnitte 3, 3' der Hohlkernfaser 3 eingewirkt wird. Bei dem in 5b gezeigten Beispiel erfolgt die Einstellung der beiden Anteile Δφ_a, Δφ_s der Phasen-Verschiebung Δφ mit Hilfe des in 1d dargestellten Faser-Streckers, der die beiden unabhängig ansteuerbaren Piezo-Aktoren 4a, 4b aufweist, die auf ein- und denselben Faserabschnitt 3 der Hohlkernfaser 3 einwirken. Die in 5b dargestellte Phasen-Einstelleinrichtung 7 ermöglicht die Einstellung der Phasen-Verschiebung Δφ mit einer geringeren Länge der Hohlkernfaser 3 als dies bei der in 5a gezeigten Phasen-Einstelleinrichtung 7 der Fall ist. Dies ermöglicht eine kompakte Realisierung der Phasen-Einstelleinrichtung 7, bei der Faserlänge eingespart werden kann. Von diesem Unterschied abgesehen entspricht die in 5b dargestellte Phasen-Einstelleinrichtung 7 der in 5a dargestellten Phasen-Einstelleinrichtung.
Die Einstellung des aktiven Anteils Δφ_a der Phasen-Verschiebung Δφ kann beispielsweise in vorgegebenen Zeitintervallen in der Größenordnung von 1 ms erfolgen. In den Zeiträumen zwischen der Einstellung des aktiven Anteils Δφ_a der Phasen-Verschiebung Δφ kann die Einstellung des statischen Anteils Δφ_s der Phasen-Verschiebung Δφ erfolgen. Die Einstellung des aktiven Anteils Δφ_a der Phasen-Verschiebung Δφ und des statischen Anteils Δφ_s der Phasen-Verschiebung Δφ kann aber auch zum selben Zeitpunkt erfolgen, so dass die gesamte Phasen-Verschiebung Δφ die Summe aus dem aktiven Anteil Δφ_a und dem statischen Anteil Δφ_s der Phasen-Verschiebung Δcp bildet.
Es versteht sich, dass die in 5a,b gezeigten Phasen-Einstelleinrichtungen 7 nicht auf die Einstellung eines aktiven Anteils Δφ_a und eines statischen Anteils Δφ_s der Phasen-Verschiebung Δφ beschränkt sind: Es ist beispielsweise auch möglich, die Gesamt-Phasen-Verschiebung Δφ in der Hohlkernfaser 3 auf zwei oder ggf. mehr als zwei Phasen-Anteile aufzuteilen, um bei niedrigeren Spannungen des bzw. der Steuersignale 5 eine größere Ausdehnung der Hohlkernfaser 3 zu ermöglichen. Für den Fall, dass die Phasen einer Anzahl N von kohärenten Laserstrahlen 8 mit Hilfe einer Anzahl von N - 1 Phasen-Einstelleinrichtungen 7 eingestellt werden sollen, z.B. bei der kohärenten Überlagerung (CBC), kann der weiter oben beschriebene erste Anteil Δφ_a zur aktiven Stabilisierung der gewünschten Gruppen-Phasendifferenz bzw. der Gruppenlaufzeit verwendet werden, während der zweite Anteil Δφ_s für die Phasen-Anpassung verwendet wird, die typischerweise dynamischer erfolgen muss als die Anpassung der Gruppen-Phasendifferenz bzw. der Gruppenlaufzeit.
Es versteht sich, dass die in 1a-c gezeigten Faser-Strecker 1 auch in einem zweidimensionalen oder ggf. in einem dreidimensionalen Raster (Array) angeordnet werden können, um eine jeweilige Phasen-Verschiebung Δcp bei einer Mehrzahl von Hohlkernfasern 3 bzw. bei einer Mehrzahl von in diesen geführten Laserstrahlen 8 zu erzeugen. Ein solches Array kann beispielsweise bei einem interferometrischen Aufbau vorteilhaft eingesetzt werden, bei dem in den Interferometer-Armen mindestens ein Verstärker angeordnet ist, um eine jeweilige Phasen-Verschiebung Δφ einer Mehrzahl von kohärent zu überlagernden Teil-Strahlen einzustellen. Es versteht sich, dass mehrere Faser-Strecker 1 auch auf zwei oder mehr hintereinander angeordnete Hohlkernfasern 3 einwirken können, durch die ein- und derselbe Laserstrahl 8 propagiert, um dessen Phase einzustellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7382962 B1 [0003, 0017]
CN 10156259 A [0004]
US 20050105865 A1 [0010]

Claims

Faser-Strecker (1), umfassend: einen Grundkörper (2), eine optische Faser (3), die einen Faserabschnitt (3a) aufweist, der um den Grundkörper (2) gewickelt ist, sowie mindestens einen Aktuator (4, 4a,b), der ausgebildet ist, den Grundkörper (2) in Abhängigkeit von mindestens einem Steuersignal (5) zu deformieren, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser als Hohlkernfaser (3) ausgebildet ist.
Faser-Strecker nach Anspruch 1, bei dem die Hohlkernfaser (3) ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: HC-PCF Fasern, HC-PBGF-Fasern und HC-ARF-Fasern.
Faser-Strecker nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Hohlkernfaser (3) einen Mode-Field-Diameter (Dc) von weniger als 65 µm, bevorzugt von weniger als 50 µm aufweist.
Faser-Strecker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Hohlkernfaser (3) einen minimalen Biegeradius (R_MIN) von weniger als 5 cm, bevorzugt von weniger als 3 cm, insbesondere von weniger als 2 cm aufweist.
Faser-Strecker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Faserabschnitt (3a) eine Länge von mehr als 5 Metern, bevorzugt von mehr als 8 Metern, aufweist.
Faser-Strecker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der mindestens eine Aktuator als Piezo-Aktuator (4, 4a,b) ausgebildet ist.
Faser-Strecker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Aktuator (4) den Grundkörper bildet.
Faser-Strecker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der mindestens eine Aktuator (4, 4a,b) auf den Grundkörper (2) einwirkt und bevorzugt innerhalb des Grundkörpers (2) angeordnet ist.
Faser-Strecker nach Anspruch 8, der mindestens zwei Aktuatoren (4a, 4b) aufweist, die bevorzugt in unterschiedlichen Richtungen, insbesondere in zwei zueinander senkrechten Richtungen (X, Y), auf den Grundkörper (2) einwirken.
Faser-Strecker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: mindestens einen weiteren Grundkörper (2`), um den ein weiterer Faserabschnitt (3a`) der Hohlkernfaser (3) gewickelt ist, sowie mindestens einen weiteren Aktuator (4`), der ausgebildet ist, den weiteren Grundkörper (2`) in Abhängigkeit von mindestens einem weiteren Steuersignal (5`) zu deformieren.
Phasen-Einstelleinrichtung (7), umfassend: einen Faser-Strecker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, sowie eine Steuereinrichtung (6) zur Erzeugung des mindestens einen Steuersignals (5) zur Ansteuerung des mindestens einen Aktuators (4, 4a,b) sowie bevorzugt zur Erzeugung des mindestens einen weiteren Steuersignals (5`) zur Ansteuerung des mindestens einen weiteren Aktuators (4`).
Optische Anordnung (10), insbesondere Interferometer, umfassend: mindestens eine Phasen-Einstelleinrichtung (7) nach Anspruch 11, sowie mindestens eine Laserquelle (11) zur Erzeugung mindestens eines Laserstrahls (8), der die Hohlkernfaser (3) der mindestens einen Phasen-Einstelleinrichtung (7) durchläuft.