DE102023102052A1

DE102023102052A1 - Mehrkern-Lichtwellenleiter mit Polarisationserhaltung

Info

Publication number: DE102023102052A1
Application number: DE102023102052.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schreiber; Albrecht Steinkopff; Arno Klenke; Nicoletta Haarlammert; César Jáuregui Misas; Christopher Aleshire; Jens Limpert; Johannes Nold
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Priority date: 2023-01-27
Filing date: 2023-01-27
Publication date: 2024-08-01
Also published as: WO2024156787A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter mit einer Mehrzahl von beabstandet voneinander entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters verlaufenden, Licht führenden Kernbereichen (1), die sich, im Querschnitt des Lichtwellenleiters gesehen, alle innerhalb eines zusammenhängenden Signalbereiches (2) befinden, der seinerseits von einem Mantelbereich (3) vollständig umschlossen ist, wobei der Lichtwellenleiter Spannungselemente (6) enthält, die dazu ausgelegt sind, ein mechanisches Spannungsfeld in dem Lichtwellenleiter zu erzeugen. Es ist Aufgabe der Erfindung, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Mehrkern-Lichtwellenleiter mit polarisationserhaltenden Eigenschaften bereit zu stellen. Hierzu schlägt die Erfindung vor, dass sich sämtliche Spannungselemente (6) außerhalb des Signalbereiches (2) befinden. Außerdem betrifft die Erfindung ein Lasersystem, das einen solchen Lichtwellenleiter nutzt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter mit einer Mehrzahl von beabstandet voneinander entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters verlaufenden, Licht führenden Kernbereichen, die sich, im Querschnitt des Lichtwellenleiters gesehen, alle innerhalb eines zusammenhängenden Signalbereiches befinden, der seinerseits von einem Mantelbereich vollständig umschlossen ist, wobei der Lichtwellenleiter Spannungselemente enthält, die dazu ausgelegt sind, ein mechanisches Spannungsfeld in dem Lichtwellenleiter zu erzeugen.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Lasersystem, das einen solchen Lichtwellenleiter verwendet.
Lichtwellenleiter sind in verschiedenen Ausgestaltungen aus dem Stand der Technik bekannt. Lichtwellenleiter sind Leitungen zur Übertragung von Licht. Die bekanntesten Lichtwellenleiter sind dielektrische Wellenleiter, die aus konzentrischen Schichten aufgebaut sind. Im Zentrum des Querschnitts liegt ein lichtführender Kernbereich, der umschlossen ist von einem Mantelbereich, der einen gegenüber dem Kernbereich niedrigeren Brechungsindex aufweist. Bei kommerziellen Lichtwellenleitern sind außerdem den Mantelbereich umgebende Schutzschichten aus Kunststoff vorgesehen. Je nach Anwendungsfall hat der Kernbereich einen Durchmesser von einigen Mikrometern bis zu über einem Millimeter. Man unterscheidet Lichtwellenleiter unter anderem nach der Anzahl von ausbreitungsfähigen Moden der elektromagnetischen Strahlung des Lichts, die durch den Kerndurchmesser limitiert wird (Singlemode-/Multimodefasern).
Die Weiterentwicklung von Faserlasern in jüngster Zeit hat dazu geführt, dass Lichtwellenleiter als aktives Medium (mit laseraktivem Kernbereich) ein zuverlässiges Konzept für Hochleistungslaser liefern. Die Entwicklung von Niedrigenergielasern zu Hochleistungslasern für industrielle Anwendungen basiert auf der Fähigkeit von Lichtwellenleitern, hohe Leistung handhaben zu können. Das sehr gute Verhältnis von Oberfläche zu aktivem Volumen erlaubt es, Wärme effizient abzuführen. Dies ist eine hervorragende Voraussetzung für einen Hochleistungsbetrieb. Allerdings führt die Einschränkung des Lichtsignals auf den Kernbereich des Lichtwellenleiters zu hoher Lichtintensität und zu Wechselwirkungen zwischen dem Material des Lichtwellenleiters und dem Lichtsignal. Dabei entstehen insbesondere auch schwer zu kontrollierende nichtlineare Effekte. Damit wird die Signalqualität stark beeinträchtigt.
Lichtwellenleiter sollten demnach derart ausgelegt werden, dass nichtlineare Effekte und Wechselwirkungen mit dem Fasermaterial reduziert werden.
Aus der WO 2016/050898 A1 ist ein Lichtwellenleiter mit einer Mehrzahl von beabstandet voneinander entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters verlaufenden, Licht führenden Kernbereichen bekannt, die, im Querschnitt des Lichtwellenleiters gesehen, von einem gemeinsamen Mantelbereich umschlossen sind. Der vorbekannte Lichtwellenleiter kommt als optischer Verstärker in einem Lasersystem zum Einsatz, bei dem ein Laserstrahl einer Laserquelle mittels eines Aufteilungselements in mindestens zwei räumlich getrennte Teilstrahlen aufgeteilt wird. Die Teilstrahlen propagieren dann durch den Lichtwellenleiter, wobei die Kernbereiche jeweils einen Teilstrahl führen. Ein Kombinationselement ist vorgesehen, dass die Teilstrahlen nach der Propagation durch den Lichtwellenleiter kohärent zu einem Ausgangsstrahl überlagert. Die einzelnen Teilstrahlen werden in dem Lichtwellenleiter parallel verstärkt, wozu die Kernbereiche eine Dotierung mit Seltenerdionen aufweisen. Diese werden mittels in dem gemeinsamen Mantelbereich geführter Pumpstrahlung optisch gepumpt. Der vorbekannte Ansatz beruht darauf, nichtlineare Effekte und Wechselwirkungen mit dem Fasermaterial dadurch zu reduzieren, dass die Verstärkung in den einzelnen Teilstrahlen bei entsprechend reduzierter Intensität erfolgt. Die gewünschte Gesamtleistung wird erst durch die kohärente Überlagerung der Teilstrahlen im Ausgangsstahl erreicht.
Die kohärente Kombination der Teilstrahlen ist ein sehr effizienter Weg zur Skalierung der Ausgangsleistung von Faserlasersystemen, da sie es ermöglicht, die Einschränkungen von Einkanalsystemen zu überwinden. Die Integration der optischen Verstärker für die einzelnen Teilstrahlen in einem einzigen Lichtwellenleiter mit einer Mehrzahl von Kernbereichen (auch als Mehrkernfaser bezeichnet) ermöglicht die Realisierung einer sehr hohen Zahl von „Kanälen“, d.h. von den Teilstrahlen zugeordneten optischen Verstärkern. Der Grund dafür ist, dass die Komplexität, die Größe und die Kosten des Lasersystems nicht mit der Anzahl an Kanälen skaliert. Tatsächlich gibt es kaum einen relevanten Unterschied in Bezug auf Platzbedarf, Komplexität und Kosten zwischen einem Lasersystem mit einer Mehrkernfaaser mit einer Anordnung aus z.B. 2x2 Kernbereichen und einem System mit einer Anordnung aus 10x10 Kernbereichen. Diese Eigenschaft macht Mehrkernfasern sehr attraktiv für die Leistungsskalierung von Hochleistungs-Faserlasersystemen.
Die kohärente Kombination der Teilstrahlen in Lasersystemen der zuvor beschriebenen Art verlangt, dass diese einen wohldefinierten Polarisationszustand zueinander haben. Bei der Kombination von zwei Teilstrahlen kann es z.B. wünschenswert sein, dass diese entweder identische oder zueinander orthogonale lineare Polarisation haben. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, sinkt die Leistung im Ausgangsstrahl, d.h. die Effizienz der kohärenten Kombination. Im Zusammenhang mit einer Mehrkernfaser resultiert aus diesen Anforderungen die Verwendung von polarisationserhaltenden Strukturen. Eine Mehrkernfaser weist in der Regel ein inhomogenes Doppelbrechungsmuster über die Kernbereiche hinweg auf, was auf das durch die Anordnung der Kernbereiche induzierte intrinsische mechanische Spannungsfeld zurückzuführen ist. Dieses inhomogene Doppelbrechungsmuster kann bereits nach einigen zehn Zentimetern Propagationsstrecke die Kombinationsleistung signifikant beeinträchtigen. Um dies zu verhindern, sollte eine polarisationserhaltende Struktur so in den Lichtwellenleiter integriert werden, dass sie ein homogenes Doppelbrechungsprofil über die Kernbereiche hinweg gewährleistet.
Der Bedarf an polarisationserhaltenden (PM) Mehrkernfasern ist allerdings nicht auf die beschriebene kohärente Strahlkombination beschränkt, da auch andere Anwendungen, wie z.B. die Mehrstrahl-Frequenzkonvertierung, eine wohldefinierte Polarisation der Teilstrahlen erfordern. Auch bei der einfachen Propagation von Teilstrahlen durch ein beliebiges optisches System mit polarisationsempfindlichen Elementen (wie Isolatoren, Kompressoren usw.) ist der Einsatz von PM-Mehrkernfasern von Nutzen.
Aus der EP 3 163 339 A1 ist eine PM-Mehrkernfaser bekannt, die auf der Integration von Spannungselementen in den Zwischenräumen zwischen den Kernbereichen basiert, so dass die Spannungselemente auf einzelne Kernbereiche wirken und diese einem Doppelbrechung erzeugenden mechanischen Spannungsfeld aussetzen. Dies ist für Hochleistungs-Faserlasersysteme problematisch, da die Anordnung der Spannungselemente zu einem Verlust der Pumpabsorption führt. Außerdem sind bei dieser Anordnung die Spannungselemente deutlich größer als die Kerne. Auch dies führt zu einer Beeinträchtigung der Pumpabsorption und ist daher unerwünscht. Die Spannungselemente können z.B. aus einem Material bestehen, das hinsichtlich seines thermischen Ausdehnungskoeffizienten von dem die Spannungselemente umgebenden Material des Lichtwellenleiters abweicht. Beim Abkühlen des Lichtwellenleiters nach dem Ziehen entstehen dadurch die gewünschten mechanischen Spannungen.
Grundsätzlich kann eine Polarisationserhaltung auch durch im Querschnitt nicht kreisförmige Kerne erzielt werden (Form-Doppelbrechung). Aber auch dies ist bei Hochleistungs-Faserlasern aufgrund der Asymmetrie des emittierten Strahls nicht wünschenswert.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Mehrkern-Lichtwellenleiter mit polarisationserhaltenden Eigenschaften bereit zu stellen.
Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem Lichtwellenleiter der eingangs genannten Art dadurch, dass sich sämtliche Spannungselemente außerhalb des Signalbereiches befinden.
Wenn in dieser Beschreibung von der Anordnung und/oder der Form der verschiedenen Elemente des Lichtwellenleiters die Rede ist, bezieht sich dies stets, wenn nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, auf die Querschnittsansicht des Lichtwellenleiters.
Die Erfindung schlägt einen Ansatz vor, um eine polarisationserhaltende Mehrkernfaser, d.h. einen Lichtwellenleiter mit einer beliebigen Anzahl und Anordnung von Licht führenden Kernbereichen zu realisieren. Der wesentliche Unterschied gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass sich die Spannungselemente nicht zwischen den Kernbereichen befinden, sondern außerhalb des Signalbereichs, in dem sich die Kernbereiche befinden. Der Signalbereich ist derjenige zusammenhängende Bereich, in dem sich sämtliche Kernbereiche (und auch sämtliche gedachten Verbindungslinien zwischen benachbarten Kernbereichen) befinden. Mit anderen Worten: Die Spannungselemente wirken nicht auf einzelne Kernbereiche, sondern „global“ auf die Gesamtanordnung der Kernbereiche. Dies bietet eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung der Anordnung und Formgebung der Kernbereiche und minimiert Nachteile bei der Pumpabsorption.
Bei einer möglichen Ausgestaltung wird jeder Kernbereich des Lichtwellenleiters durch die Spannungselemente einer Doppelbrechung bewirkenden mechanischen Spannung ausgesetzt ist. Die Gesamtanordnung der Spannungselemente außerhalb des Signalbereichs wirkt, wie erwähnt, auf sämtliche Kernbereiche gleichzeitig.
Vorzugsweise ist die Anordnung der Spannungselemente nicht (bzgl. beliebiger Winkel) rotationssymmetrisch. Optional können die Spannungselemente eine bezüglich einer Symmetrieachse achsensymmetrische Anordnung aufweisen. Die Anordnung der Spannungselemente kann somit eine ausgezeichnete Achse des erzeugten mechanischen Spannungsfeldes definieren und erzeugt dadurch eine für sämtliche Kernbereiche definierte Doppelbrechung. So kann erreicht werden, dass die Hauptpolarisationsachsen in allen Kernbereichen im Wesentlichen in die gleiche Richtung ausgerichtet sind.
Bei einer möglichen Ausgestaltung befinden sich die Spannungselemente in dem Mantelbereich. Der Mantelbereich umschließt den Signalbereich. Dort können die Spannungselemente zweckmäßig angeordnet werden, um direkt auf die Gesamtheit der Kernbereiche zu wirken. Das Material der Spannungselemente kann einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen als das Material des Lichtwellenleiters im Mantelbereich. Auf diese Weise können die Spannungselemente eine zusätzliche Funktion bei der Führung von Pumplicht im Mantelbereich erfüllen. Dabei können die Spannungselemente mit Vorteil über den Querschnitt des Lichtwellenleiters so verteilt sein, dass sie den Signalbereich an allen Seiten umgeben. So kann eine gute Überlappung des in dem Mantelbereich geführten Pumplichts mit den Kernbereichen und damit eine hohe Pumpabsorption erreicht werden.
Bei einer alternativen Ausgestaltung befinden sich die Spannungselemente außerhalb des (Pumplicht führenden) Mantelbereichs, d.h. in weiteren, den Mantelbereich außen umgebenden Bereichen des Lichtwellenleiters. Dies hat die Vorteile, dass die Pumpabsorption durch die Spannungselemente überhaupt nicht beeinträchtigt wird und eine größere Auswahl an Materialien für die Spannungselemente in Frage kommt. Der Brechungsindex der Spannungselemente braucht nicht niedriger zu sein als der Brechungsindex des Materials (z.B. SiO₂) im Mantelbereich.
Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung ist der Signalbereich ein rechteckförmiger Bereich, dessen Flächenschwerpunkt mit der Längsmittelachse des Lichtwellenleiters zusammenfällt. Alternativ kann der Signalbereich ein kreisförmiger oder kreisringförmiger Bereich sein, dessen Flächenschwerpunkt wiederum mit der Längsmittelachse des Lichtwellenleiters zusammenfällt. Letztlich ist jede beliebige Formgebung des Signalbereichs und jede beliebige Anordnung der Kernbereiche darin denkbar. Beispielsweise können die Kernbereiche neben- und übereinander als zweidimensionales Array (auf den Kreuzungspunkten eines gedachten rechtwinkligen Gitters) angeordnet sein. Ebenso können die Kernbereiche auf einem Kreisumfang angeordnet sein. Auch eine ungeordnete Anordnung der Kernbereiche ist denkbar.
Optional können die Spannungselemente in Gruppen über den Querschnitt des Lichtwellenleiters verteilt angeordnet sein. Die Abstände zwischen den Spannungselementen einer Gruppe sind dabei kleiner als die Abstände zwischen den verschiedenen Gruppen zugeordneten Spannungselementen. Die Zusammenfassung mehrerer kleinerer Spannungselemente zu einer Gruppe hat dabei den Vorteil, dass dadurch die Wirkung eines einzelnen größeren Spannungselementes hinsichtlich des erzeugten mechanischen Spannungsfeldes erreicht werden kann. Beispielsweise können die Gruppen auf einander gegenüberliegenden Seiten des Signalbereiches angeordnet sein, die Verbindungslinie zwischen den Gruppen definiert dabei eine ausgezeichnete Achse des erzeugten mechanischen Spannungsfeldes und gibt entsprechend die Ausrichtung der optischen Anisotropie in den Kanalbereichen vor. Jede Gruppe kann auch durch eine entlang wenigstens einer geraden Linie oder entlang wenigstens eines Kreisbogensegments aufgereihte Anordnung aus Spannungselementen gebildet sein. All diese Ausgestaltungen haben herstellungstechnische Vorteile und sind gut geeignet, aufgrund der Asymmetrie der Anordnung ein geeignetes mechanisches Spannungsfeld und damit eine wohl definierte Doppelbrechung in den Kernbereichen zu erzielen.
Die Kernbereiche haben ebenso wie die Spannungselemente vorteilhaft einen kreisrunden Querschnitt. Der kreisrunde Querschnitt ermöglicht eine einfache Herstellung des Lichtwellenleiters. Bei den Kernbereichen resultiert entsprechend vorteilhaft ein kreisrundes (z.B. gaußsches) Strahlprofil des entlang der Kernbereiche propagierenden Lichts.
Bei einer möglichen Ausgestaltung unterscheiden sich zumindest zwei der Spannungselemente hinsichtlich der Querschnittsgröße voneinander. Es können also unterschiedlich große Spannungselemente zum Einsatz kommen, um das gewünschte mechanische Spannungsfeld zu erzeugen.
Durch geeignete Anordnung und/oder Größe der Spannungselemente kann gezielt ein mechanisches Spannungsfeld erzeugt werden, das dafür sorgt, dass sich das von den verschiedenen Kernbereichen geführte Licht hinsichtlich des Polarisationszustands unterscheidet. Auch kann gezielt ein Doppelbrechungsmuster für einen speziellen „exotischen“ Polarisationszustand (z.B. azimutale oder radiale Polarisation) erzeugt werden.
Der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter kann als optischer Verstärker oder auch als aktives Element in einem Laserresonator zum Einsatz kommen. Hierzu ist zweckmäßig mindestens einer der Kernbereiche, vorteilhaft sind alle Kernbereiche mit Seltenerdionen dotiert.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Lasersystem mit wenigstens einer Laserquelle, die einen Laserstrahl emittiert, einem Aufteilungselement, das den Laserstrahl in mindestens zwei räumlich getrennte Teilstrahlen aufteilt, wenigstens einem Lichtwellenleiter der zuvor beschriebenen Art, durch den die Teilstrahlen propagieren, wobei die Kernbereiche des Lichtwellenleiters jeweils einen der Teilstrahlen führen, und wenigstens einem Kombinationselement, das die Teilstrahlen nach der Propagation durch den Lichtwellenleiter kohärent überlagert. Mit dem polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter der Erfindung lässt sich vorteilhaft ein auf dem Prinzip der kohärenten Kombination von Teilstrahlen basierendes Hochleistungslasersystem realisieren, und zwar ohne die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile hinsichtlich der Pumpabsorption.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1: schematische Querschnittdarstellung einer ersten Variante eines Lichtwellenleiters gemäß der Erfindung;
2: schematische Querschnittdarstellung einer zweiten Variante eines Lichtwellenleiters gemäß der Erfindung;
3: schematische Querschnittdarstellung einer dritten Variante eines Lichtwellenleiters gemäß der Erfindung;
4: schematische Querschnittdarstellung einer vierten Variante eines Lichtwellenleiters gemäß der Erfindung;
5: schematische Querschnittdarstellung einer fünften Variante eines Lichtwellenleiters gemäß der Erfindung;
6: schematische Querschnittdarstellung einer sechsten Variante eines Lichtwellenleiters gemäß der Erfindung;
7: schematische Querschnittdarstellung einer siebten Variante eines Lichtwellenleiters gemäß der Erfindung;
8: schematische Querschnittdarstellung einer achten Variante eines Lichtwellenleiters gemäß der Erfindung;
9: schematische Querschnittdarstellung einer neunten Variante eines Lichtwellenleiters gemäß der Erfindung;
10: schematische Darstellung eines Lasersystems gemäß der Erfindung als Blockdiagramm.

Die Erfindung zielt vor allem auf Lichtwellenleiter, d.h. auf Mehrkernfasern für den Hochleistungslasersysteme ab. Die Querschnittsstruktur dieser Mehrkernfasern kann in verschiedene Bereiche unterteilt werden, wie die Figuren zeigen. Zunächst sind mehrere Kernbereiche 1 vorgesehen, in denen die Verstärkung und/oder Führung des Lichts stattfindet. Diese sind in einem Signalbereich 2 enthalten, der als derjenige Bereich definiert ist, der alle Kernbereiche sowie alle (gedachten) Linien (nicht dargestellt), die die Zentren unmittelbar benachbarter Kernbereiche verbinden, vollständig umschließt. In den Figuren ist der Signalbereich 2 durch eine Begrenzungslinie 5 von den anderen Bereichen abgegrenzt dargestellt. Die Begrenzungslinie 5 schneidet insbesondere auch keine der genannten (gedachten) Linien, die die Zentren unmittelbar benachbarter Kernbereiche miteinander verbinden. Man könnte auch sagen, dass die Begrenzungslinie 5 die kürzest mögliche Kurve ist, die sämtliche Kernbereiche 2 vollständig umgrenzt. Bei den Beispielen der 8 und 9 sind zwei Begrenzungslinien 5a, 5b vorhanden, eine innere Begrenzungslinie 5b und eine äußere Begrenzungslinie 5a. Innerhalb des Signalbereichs 2 können die Kernbereiche 1 beliebig angeordnet sein. Die Lichtführung kann mit beliebigen Mitteln (durch Stufenindex, Brechungsindexgradient, photonische Kristalle, Bandlücken, streifender Einfall usw.) erfolgen. Mit anderen Worten: Die Realisierung des Lichtwellenleiters gemäß der Erfindung ist unabhängig von der Gestaltung der Strukturen innerhalb des Signalbereichs 2. Der Signalbereich 2 und damit die Kernbereiche 1 befinden sich innerhalb eines Mantelbereichs 3. Bei einer aktiven Mehrkernfaser ist dies derjenige Bereich, in dem die Pumpstrahlung geführt wird. Schließlich kann der Mantelbereich 3 von einer oder mehreren äußeren Schichten 4 umgeben sein, die beispielsweise dazu dienen können, das Pumplicht innerhalb des Mantels 3 zu halten oder der Faser mechanische Stabilität zu verleihen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass sich das die Kernbereiche 1 umgebende Material der Mehrkernfaser innerhalb des Signalbereichs 2 nicht von dem Material im Mantelbereich 3 (außerhalb der Stresselemente 6) unterscheiden muss. Die Unterscheidung in Signalbereich 2 und Mantelbereich 3 dient der Erläuterung der Struktur, insbesondere im Hinblick auf die Anordnung der Spannungselemente 6 außerhalb des Signalbereichs 2, und nicht der Abgrenzung zwischen Bereichen der Mehrkernfaser mit unterschiedlichen Material- oder Struktureigenschaften. Im Sinne der Lichtführung können die Kernbereiche 1 in dasselbe Mantelmaterial (z.B. SiO₂) der Mehrkernfaser eingebettet sein, aus dem auch der Mantelbereich 3 besteht.
Um eine Doppelbrechung und damit ein polarisationserhaltendes Verhalten in der erfindungsgemäßen Mehrkernfaser zu erreichen, sind Spannungselemente 6 vorgesehen, die ein mechanisches Spannungsfeld über den Querschnitt der Mehrkernfaser erzeugen. Die Spannungselemente 6 befinden sich, wie in den Figuren zu sehen ist, niemals innerhalb des Signalbereichs 2, sondern außerhalb davon. Die Spannungselemente 6 liegen niemals auf einer der genannten (gedachten) Linien, die die Zentren der benachbarten Kernbereiche 1 miteinander verbinden. Somit wirken die Spannungselemente 6 nicht auf einzelne Kernbereiche 1, sondern auf den gesamten Signalbereich 2. Dies ermöglicht eine flexible Anordnung der Kernbereiche 1 innerhalb des Signalbereichs 2. Die Beeinträchtigung der Pumpabsorption im Signalbereich 2 ist entsprechend gering.
In der Variante der 1 sind die Spannungselemente 6 wie die Kernbereiche 1 angeordnet. Die Spannungselemente 6 haben die gleiche Größe und den gleichen Abstand voneinander wie die Kernbereiche 1. Mit anderen Worten: Die Spannungselemente 6 sind so angeordnet, dass sie die matrixförmige Anordnung der Kernbereiche 1 fortsetzen. Die Spannungselemente 6 sind im Mantelbereich 3 angeordnet.
In der zweiten Variante, die in 2 dargestellt ist, weisen die Spannungselemente 6 eine komplexere Anordnung auf, wobei die Hauptparameter der Anordnung der Kernbereiche 1 (d.h. Größe und Abstand) erhalten bleiben.
3 veranschaulicht, dass die Anordnung der Spannungselemente 6 nicht die Hauptparameter der Anordnung der Kernbereiche 1 beibehalten muss, sondern dass sie frei im Mantelbereich 3 verteilt sein können, solange sie sich außerhalb des Signalbereichs 2 befinden, d. h. nicht innerhalb des durch die Bereichsgrenze 5 umgrenzten Bereichs platziert sind.
4 zeigt, dass eine asymmetrische Anordnung der Spannungselemente 6, die den Signalbereich 2 an allen Seiten, d.h. vollständig umschließen, einen doppelten Nutzen haben kann, indem sie den Kernbereichen 1 Doppelbrechung verleiht und außerdem die Führung von Pumplicht im Mantelbereich 3 bewirkt oder zumindest unterstützt. Hierzu weisen die Spannungselemente 6 einen niedrigeren Brechungsindex auf als das Grundmaterial der Mehrkernfaser im Mantelbereich 3. In dieser Variante bildet die Anordnung der Spannungselemente 6 die Grenze zwischen dem Mantelbereich 3 und den äußeren Schichten 4. Bei dieser Variante entspricht die Anordnung der Spannungselemente 6 nicht der Anordnung der Kernbereiche 1, da eine dichtere Packung der Spannungselemente 6 erforderlich ist, um das Pumplicht mit möglichst geringen Verlusten zu führen.
Während in den 1 bis 4 die Spannungselemente 6 entlang gerader Linien, korrespondierend zur Anordnung der Kernbereiche 1, aufgereiht sind, ist in 5 eine völlig andere Anordnung vorgesehen. Dort sind die Spannungselemente 6 entlang zweier bezüglich des Zentrums der Mehrkernfaser einander gegenüberliegender Kreissegmente aufgereiht. Dadurch kann die Homogenität der Doppelbrechung im Signalbereich 2 verbessert werden.
Wie in 6 dargestellt, können die Spannungselemente 6 auch vollständig außerhalb des Mantelbereichs 3 angeordnet sein. Dabei können sie den Anordnungsparametern der Kernbereiche 1 folgen. Letzteres ist aber nicht unbedingt erforderlich.
Dank der additiven Eigenschaft der Spannungsfelder können die Spannungselemente 6 gruppiert angeordnet werden, um die durch ein einziges größeres Spannungselement 6 erzeugte mechanische Spannung nachzubilden, wie in 7 dargestellt.
Bei den Varianten der 1 bis 7 sind die Spannungselemente 6 asymmetrisch, d.h. nicht rotationssymmetrisch bezüglich des Zentrums des Querschnitts, d.h. der Mittelachse des Lichtwellenleiters angeordnet. Die Anordnung der Spannungselemente 6 definiert eine ausgezeichnete Achse des im Signalbereich 2 erzeugten Spannungsfeldes. So kann erreicht werden, dass die Hauptpolarisationsachsen in allen Kernbereichen 1 in die gleiche Richtung ausgerichtet sind, vorzugsweise mit einer maximalen Abweichung der Hauptachse von Kern zu Kern von ±10°, weiter bevorzugt ±5°.
In weiteren möglichen Varianten kann die Anordnung der Spannungselemente 6 so gewählt werden, dass sie ein Doppelbrechungsmuster für exotische Polarisationszustände liefern. In dem in 8 dargestellten Beispiel weist die Mehrkernfaser Doppelbrechung für radiale und azimutale Polarisation auf. Die Spannungselemente 6 müssen nicht gleich groß sein, wie in 9, wiederum für eine Mehrkernfaser mit Doppelbrechung für radiale/azimutale Polarisation dargestellt.
Es ist darauf hinzuweisen, dass sich die in den 1 bis 9 gezeigten und auch ansonsten in dieser Beschreibung erläuterten Querschnittstrukturen jeweils entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters bzw. der Mehrkernfaser im Wesentlichen unveränderlich fortsetzen.
Das in 10 dargestellte Lasersystem umfasst eine Laserquelle 10, die einen Laserstrahl E erzeugt. Dieser wird einem Aufteilungselement 11 zugeführt, das den Laserstrahl E in mehrere räumlich separate Teilstrahlen T aufteilt. Denkbar wäre es auch, dass die Laserquelle 10 bereits mehrere Laserstrahlen erzeugt. Diese Teilstrahlen T propagieren durch einen Lichtwellenleiter 12, der als Mehrkernfaser, wie in den 1 bis 9 dargestellt, ausgebildet ist. Jeder Kernbereich 1 des Lichtwellenleiters führt dabei jeweils einen Teilstrahl T. Das Licht P einer Pumplichtquelle 13 wird in den Mantelbereich 3 des Lichtwellenleiters 12 eingekoppelt, so dass es in den Kernbereichen 1 absorbiert werden kann. Dabei wird die Laserstrahlung in jedem Teilstrahl verstärkt T. Des Weiteren ist ein Kombinationselement 14 vorgesehen, das die verstärkten Teilstrahlen T in einem Ausgangsstrahl A kohärent oder inkohärent überlagert. Auf diese Weise kann mit dem erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter 12 ein Hochleistungslasersystem realisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016050898 A1 [0006]
EP 3163339 A1 [0010]

Claims

Lichtwellenleiter mit einer Mehrzahl von beabstandet voneinander entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters verlaufenden, Licht führenden Kernbereichen (1), die sich, im Querschnitt des Lichtwellenleiters gesehen, alle innerhalb eines zusammenhängenden Signalbereiches (2) befinden, der seinerseits von einem Mantelbereich (3) vollständig umschlossen ist, wobei der Lichtwellenleiter Spannungselemente (6) enthält, die dazu ausgelegt sind, ein mechanisches Spannungsfeld in dem Lichtwellenleiter zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass sich sämtliche Spannungselemente (6) außerhalb des Signalbereiches (2) befinden.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, wobei jeder Kernbereich (1) durch die Spannungselemente (6) einer Doppelbrechung bewirkenden mechanischen Spannung ausgesetzt ist.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spannungselemente (6), im Querschnitt des Lichtwellenleiters gesehen, eine nicht rotationssymmetrische Anordnung aufweisen.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich die Spannungselemente (6) in dem Mantelbereich (3) befinden.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 4, wobei das Material der Spannungselemente (6) einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als das Material des Lichtwellenleiters im Mantelbereich (3).
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich die Spannungselemente (6) außerhalb des Mantelbereichs (3) befinden.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Signalbereich (2), im Querschnitt des Lichtwellenleiters gesehen, ein rechteckförmiger Bereich ist, dessen Flächenschwerpunkt mit der Längsmittelachse des Lichtwellenleiters zusammenfällt.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Signalbereich (2), im Querschnitt des Lichtwellenleiters gesehen, ein kreisförmiger oder kreisringförmiger Bereich ist, dessen Flächenschwerpunkt mit der Längsmittelachse des Lichtwellenleiters zusammenfällt.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Spannungselemente (6) in Gruppen über den Querschnitt des Lichtwellenleiters verteilt angeordnet sind.
Lichtwellenleiter, nach Anspruch 9, wobei die Gruppen auf einander gegenüberliegenden Seiten des Signalbereiches (2) angeordnet sind.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 10, wobei jede Gruppe durch eine entlang wenigstens einer geraden Linie aufgereihte Anordnung aus Spannungselementen (6) gebildet ist.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 10, wobei jede Gruppe durch eine entlang wenigstens eines Kreisbogensegments aufgereihte Anordnung aus Spannungselementen (6) gebildet ist.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Spannungselemente (6) jeweils einen kreisrunden Querschnitt aufweisen.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Spannungselemente (6) über den Querschnitt des Lichtwellenleiters so verteilt sind, dass sie den Signalbereich (2) an allen Seiten umgeben.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei sich zumindest zwei der Spannungselemente (6) hinsichtlich der Querschnittsgröße voneinander unterscheiden.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei mindestens einer der Kernbereiche (1) mit Seltenerdionen dotiert ist.
Lasersystem mit - einer Laserquelle (10), die einen Laserstrahl (E) emittiert, - einem Aufteilungselement (11), das dazu ausgelegt ist, den Laserstrahl (E) in mindestens zwei räumlich getrennte Teilstrahlen (T) aufzuteilen, - wenigstens einem Lichtwellenleiter (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, durch den die Teilstrahlen (T) propagieren, wobei die Kernbereiche (1) des Lichtwellenleiters (12) jeweils zur Führung eines der Teilstrahlen (T) ausgelegt sind, und - wenigstens einem Kombinationselement (14), das dazu ausgelegt ist, die Teilstrahlen (T) nach der Propagation durch den Lichtwellenleiter (12) kohärent oder inkohärent zu überlagern.