DE112021000271T5

DE112021000271T5 - Faser-Divergenzbeschränkungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112021000271T5
Application number: DE112021000271.6T
Authority: DE
Inventors: Roger Farrow; Dahv A.V. Kliner; Tyson L. Lowder
Original assignee: NLight Inc
Current assignee: Nlight Inc Camas Us
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2022-09-15
Also published as: CN115023636A; US20230106619A1; WO2021150782A1

Abstract

Offenbart ist eine auf optischen Fasern basierende divergenzbeschränkende Vorrichtung zum Beschränken der Divergenz von einer ersten maximalen Divergenz eines Eingangslichts auf eine zweite maximale Divergenz eines Ausgangslichts, wobei die zweite maximale Divergenz geringer als die erste maximale Divergenz ist.

Description

Prioritätsanspruch
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität aus der US Provisional Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 62/964,461 mit dem Anmeldedatum 22. Januar 2020, welche hiermit in seiner Gesamtheit in die Offenbarung eingeschlossen ist.
Technisches Gebiet
Diese Offenbarung bezieht sich auf fasergekoppelte Laser.
Hintergrund-Information
Die Anwendung von Hochleistung-Faserlasern verlangt oft Beschränkungen in der maximalen Divergenz des Laserstrahls. Beispielsweise können stromabwärts von dem Laser angeordnete Optiken (beispielsweise in einem Bearbeitungskopf) Beschränkungen hinsichtlich der optischen Leistungen bei Divergenzwinkeln von größer als θ_max haben, was eine Divergenz von einem Halbwinkel bedeutet, oberhalb welchem die optischen Komponenten Leistungsbeschränkungen haben. Der Winkel θ ist als der Halbwinkel eines Kegels definiert, welcher einen Teil des divergierenden Strahls umschließt.
Zusammenfassung der Offenbarung
Offenbart ist eine auf optischen Fasern basierende divergenzbeschränkende Vorrichtung zum Beschränken der Divergenz einer ersten maximalen Divergenz eines Eingangslichts auf eine zweite maximale Divergenz eines Ausgangslichts, wobei die zweite maximale Divergenz geringer als die erste maximale Divergenz ist. In einigen Ausführungsbeispielen ist die auf optischen Fasern basierende divergenzbeschränkende Vorrichtung versehen mit einem Eingang, welcher zum Empfangen von Eingangslicht ausgebildet ist; einem Ausgang, welcher zum Liefern von Ausgangslichts ausgebildet ist; einem Kern, durch welchen ein erster Teil des Eingangslichts von dem Eingang zu dem Ausgang geführt wird, wobei der Kern eine solche numerische Apertur (NA) aufweist, dass diese den ersten Teil des Eingangslichts auf die zweite maximale Divergenz oder eine geringere als die zweite maximale Divergenz beschränkt; und einem Mantel, welcher wenigstens einen Teil des Kerns abdeckt und durch welchen ein zweiter Teil des Eingangslichts relativ zu dem ersten Teil derart divergiert, so dass dieser zweite Teil des Eingangslichts entlang des Kerns aus diesem entfernt wird, durch welchen sich das Ausgangslicht fortpflanzt.
Die Vorrichtung kann auch ein Gehäuse aufweisen, welches wenigstens einen Teil des Mantels umschließt, von welchem entferntes Licht emittiert wird und von einer Innenfläche des Gehäuses absorbiert wird.
Die Vorrichtung kann auch eine Mantellicht-Stripper-Faser (CLS) aufweisen, welche einen Kern und einen Mantel aufweist. Die CLS Faser kann einen CLS-Bereich entlang eines Längenabschnitts der CLS Faser aufweisen. Der CLS-Bereich kann einen beschichteten Abschnitt entlang des Mantels aufweisen, welcher eine Beschichtung aufweist, welche einen Brechungsindex aufweist, der größer oder gleich dem Brechungsindex des Mantels ist. Der CLS-Bereich kann einen aufgerauten Oberflächenabschnitt entlang des Mantels aufweisen. Der CLS-Bereich kann einen strukturierten Oberflächenabschnitt entlang des Mantels aufweisen. Der CLS-Bereich kann chemisch oder durch Laserlicht bearbeitet sein. Die Vorrichtung kann im CLS-Bereich eine Faserspule oder eine Faserverjüngung aufweisen.
Die Vorrichtung kann auch mit einer Faserverjüngung versehen sein, welche in dem Kern und dem Mantel ausgebildet ist.
Die Vorrichtung kann auch einen Mantel mit einer nicht-kreisrunde Querschnittsform aufweisen.
Die Vorrichtung kann auch mit einer optischen Zwischenfaser versehen sein, welche den Kern und den Mantel aufweist.
Die Vorrichtung kann auch mit einer optischen Zwischenfaser versehen sein, welche zwischen eine optische Eingangsfaser und eine optische Ausgangsfaser gespleißt ist. Weiter kann die Vorrichtung mit einem Eingangs-Pigtail versehen sein, welches die optische Eingangsfaser aufweist. Die Vorrichtung kann auch weiter mit einem Ausgangs-Pigtail versehen sein, welches die optische Ausgangsfaser aufweist.
Weitere Aspekte und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den Ausführungsbeispielen deutlich, welche Bezug auf die beigefügte Zeichnung nehmen.
Figurenliste
Die beigefügte Zeichnung, in welcher gleiche Bezugszeichen die entsprechenden gleichen Elemente bezeichnen, ist hierin eingeschlossen und stellt einen Teil der Beschreibung dar und, zusammen mit der Beschreibung, erläutern die Vorteile und Prinzipien der vorliegend offenbarten Technologie in der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

1 das Strahldivergenzprofil eines Lichtstrahls mit einer Divergenzweite von 100 mrad (1/e² halbe Breite, über sin θ = NA (numerische Apertur);
2 ein Diagramm mit normalisiertem Strahlungsintensitätsprofil;
3 ist eine Seitenansicht einer divergenzbeschränkenden Vorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels;
4 ein Diagramm, welches als ein Beispiel zeigt, wie sich der Prozentsatz des in dem Mantel befindlichen Lichts als eine Funktion der Pigtail-Länge vergrößert, welche Länge sich über einen CLS-Bereich hinaus erstreckt;
5 eine Seitenansicht einer divergenzbeschränkenden Vorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels;
6 eine Seitenansicht einer divergenzbeschränkenden Vorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels;
7 eine Seitenansicht einer divergenzbeschränkenden Vorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels;
8 eine Seitenansicht einer divergenzbeschränkenden Vorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels; und
9 eine Seitenansicht einer divergenzbeschränkenden Vorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.

Detaillierte Beschreibung
Wie hierin durch die Offenbarung und in den Ansprüchen verwendet, sollen die in der Einzahl verwendeten Begriffe „ein“, „eine“, und „der, die oder das“ auch die Mehrzahl umfassen, sofern der Zusammenhang nicht deutlich eine andere Interpretation verlangt. Außerdem soll der Begriff „schließt ein“ bedeuten „weist auf. Weiter soll der Begriff „gekoppelt“ nicht die Präsenz von zwischengeschalteten Elementen ausschließen, welche zwischen den gekoppelten Elementen vorhanden sind. Die Systeme, Vorrichtungen und Verfahren, wie sie hier beschrieben sind, sollen nicht in irgendeiner Weise beschränkend ausgelegt werden. Stattdessen ist die vorliegende Offenbarung auf alle neuen und erfinderischen Merkmale und Aspekte der verschiedenen, offenbarten Ausführungsbeispiele gerichtet, allein und in verschiedenen Kombinationen und Unterkombinationen miteinander.
Die offenbarten Systeme, Verfahren und Vorrichtungen sind nicht auf die speziellen Aspekte und Merkmale oder Kombinationen davon beschränkt, und die offenbarten Systeme, Verfahren und Vorrichtungen verlangen auch nicht, dass spezielle Vorteile vorhanden sind oder spezielle Probleme gelöst werden. Zu Grunde liegende Theorien für den Betrieb sollen mit der Erläuterung helfen, aber die offenbarten Systeme, Verfahren und Vorrichtungen sind nicht auf solche Theorien über den Betrieb beschränkt. Obgleich der Betrieb von einigen der offenbarten Verfahren in einer speziellen Abfolge der Verfahrensschritte zum Zwecke der Erleichterung der Präsentation offenbart sind, versteht sich, dass diese Art der Beschreibung auch eine Änderung der Reihenfolge umfasst, sofern gemäß der nachfolgenden speziellen Beschreibung keine bestimmte Abfolge verlangt wird. Beispielsweise können Verfahrensschritte, welche in einer Abfolge beschrieben sind, in einigen Fällen in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden oder gleichzeitig durchgeführt werden. Weiter zeigen der Einfachheit halber die angehängten Figuren nicht notwendigerweise die verschiedenen Arten, in welchen die offenbarten Systeme, Verfahren und Vorrichtungen in Verbindung mit anderen Systemen, Verfahren und Vorrichtungen verwendet werden können.
Zusätzlich verwendet die Beschreibung an manchen Stellen „produzieren“ und „bereitstellen“, um die offenbarten Verfahren zu beschreiben. Diese Begriffe sind starke Abstraktionen des tatsächlichen Betriebs, wie dieser ausgeführt wird. Der tatsächliche Betrieb, der zu diesen Begriffen korrespondiert, kann variieren und ist abhängig von bestimmten Ausführungen, wie diese von einem Fachmann leicht ausgeführt werden können. In manchen Beispielen sind Werte, Prozesse, oder Vorrichtungen als „geringste“, „am besten“, „minimal“, oder so ähnlich bezeichnet. Solche Beschreibungen sind beabsichtigt, eine Auswahl unter vielen verwendenden funktionalen Alternativen auszuwählen, und bedeuten nicht, dass eine solche Auswahl besser, kleiner oder in anderer Weise über einer anderen Auswahl bevorzugt vorgenommen werden muss. Beispiele sind beschrieben mit einer Referenz auf Richtungen, wie diese mit „über“, „unter“, „oberer‟, „unterer“, und so ähnlich beschrieben sind. Diese Begriffe werden für eine einfache Beschreibung verwendet, aber implizieren keine spezielle räumliche Orientierung. Der Einfachheit halber und für leichteres Verständnis sind einzelne Elemente in der Zeichnung beschriftet. Im Falle von mehreren identischen Elementen sind repräsentative Beispiele dieser Elemente beschriftet anstatt jedes einzelne dieser Mehrzahl von Elementen zu beschriften.
1 zeigt das Strahldivergenzprofil eines Lichtstrahls mit einer Divergenzweite von 100 mrad (1/e² halbe Breite, über sin θ = NA (numerische Apertur) darstellt. Für ein optisches System mit θ_max = 125 mrad sind die Randbereiche des Lichtstrahls in 2 schraffiert und dargestellt und gestrichelt markiert (Winkel > θ_max) und werden ausgeblendet (d.h. sind vom optischen System verloren und werden üblicherweise in Wärme umgewandelt). Das Maximum der ausgeblendeten Leistung wird von der Konstruktion des optischen Systems bestimmt, insbesondere durch dessen Fähigkeit, diese Leistung abzuleiten, ohne ein Überhitzten oder Verbrennen von Systemelementen zur Folge zu haben.
Wie in 2 dargestellt, liegen etwa 5% der Strahlleistung über 125 mrad. Wenn das Maximum der ausgeblendeten Leistung als Pmax bezeichnet wird, dann beträgt die maximale Laserleistung 20 x Pmax (aufgrund der 5%-igen Ausblendung). Wenn beispielsweise Pmax = 100 W beträgt, dann beträgt die maximale Laserleistung 2 kW. Eine geringere Divergenz des Laserstrahls hätte einen geringeren Prozentsatz von ausgeblendeter Leistung zur Folge und folglich eine höhere nutzbare Laserleistung für die Anwendung. Handelt es sich beispielsweise um eine Anwendung zum Schneiden, würde eine höhere Laserleistung eine höhere Schneidgeschwindigkeit erlauben, eine höhere maximale Schneiddicke erlauben, und/oder eine bessere Kantenqualität liefern.
Es ist daher wünschenswert, die Divergenz des Ausgangs-Laserstrahls zu beschränken, wobei die maximal zulässige Divergenz (und daher die maximal zulässige Leistung, welche über θ_max liegt) von der Anwendung und von dem optischen System abhängt. Herkömmliche Vorgehensweisen zum Beschränken der Divergenz von Hochleistung-Faserlasern beinhalten die Konstruktion und Herstellung von Lasern mit inhärenter geringer Divergenz und das Vorsehen einer Freiraum-Apertur, um Randbereiche des Laserstrahls mit hoher Divergenz von dem Ausgangsstrahl auszublenden. Das Beschränken der maximalen Divergenz durch Prozesssteuerung kann aufgrund von geringer Ausbeute teuer sein, speziell wenn ein geringes θ_max gewünscht ist. Es gibt viele Herstellungsschritte, welche eine hohe Divergenz zur Folge haben können, wie geringe Spleißqualität, thermische Linseneffekt und/oder Materialien geringer optischer Qualität. Das Vorsehen einer Freiraum-Apertur für Laserstrahlen im Kilowattbereich ist teuer, benötigt viel Bauraum, und hat eine hohe Versagensrate.
3 zeigt eine auf Fasern basierende, die Divergenz beschränkende Vorrichtung 300 zum Beschränken der Divergenz von einer ersten maximalen Divergenz des Eingangslichts 302 (welches am Eingang 304 empfangen wird) auf eine zweite maximale Divergenz des Ausgangslichts 306 (welches am Ausgang 308 ausgegeben wird). Die zweite maximale Divergenz des Ausgangslichts 306 ist geringer als die erste maximale Divergenz des Eingangslichts 302. Entsprechend kann die divergenzbeschränkende Vorrichtung 300 an das Lasersystem (nicht dargestellt) angekoppelt werden, um an einem Ausgang des Laserssystems ein Laserlicht höherer Leistung, für ein gegebenes Pmax system (d.h., Pmax, wie dieses durch das Lasersystem vorgegeben ist) auszugeben, als es anderenfalls für P_{max_input} möglich wäre (d.h., Pmax wie direkt vom Eingangsstrahl 302).
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die divergenzbeschränkende Vorrichtung 300 eine optische Eingangsfaser 310, eine optische Ausgangsfaser 312, und eine optische Zwischenfaser 314 auf, welche zwischen die optische Eingangsfaser 310 und die optische Ausgangsfaser 312 gespleißt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass die optische Eingangsfaser 310 als Eingang 304 agiert und das Eingangslicht von dem Laserssystem leitet, beispielsweise von einem einfasergekoppelten Lasermodul oder von einem Signalkombinierer, welcher die Ausgänge von mehreren Lasermodulen miteinander vereint, zu der optischen Zwischenfaser 314. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Eingang eine Freiraumoptik oder eine andere Form des Eingangs aufweisen. In ähnlicher Weise kann der Ausgang 308 Freiraumoptiken oder andere Formen des Eingangs aufweisen.
Dabei kann die optische Ausgangsfaser 312 eine ähnliche oder gleiche Querschnittsstruktur wie die optische Eingangsfaser 310 aufweisen oder wie die optische Zwischenfaser 314. In anderen Ausführungsbeispielen unterscheidet sich die Querschnittsstruktur der optischen Ausgangsfaser 312 von denen der optischen Eingangsfaser 310 und der optischen Zwischenfaser 314.
Ein Eingangsfaserkern 316 kann eine relativ hohe NA aufweisen (beispielsweise NA > 0,20), um Krümmungsverluste zu verringern und das Handhaben von Leistung zu verbessern. Andere NAs in abhängig von der Laserprozess-Anwendung sind möglich.
Ein Zwischenfaserkern 318 weißt eine NA auf, welche zum Beschränken der Divergenz des durch den Kern geleiteten Lichts 320 geeignet ist, welches sich durch den Zwischenfaserkern 318 fortpflanzt. Wenn beispielsweise ein θ_max = 125 mrad gewünscht ist, dann wird als eine NA des Zwischenfaserkerns 318 von etwa 0,125 gewählt (d.h. sin(125 mrad)). Für das durch den Kern geleitete Licht 320, welches sich durch den Zwischenfaserkern 318 fortpflanzt, werden Divergenz-Bauelemente einer NA gewählt, welche geringer als die NA des Zwischenfaserkern 318 haben, wodurch das Licht gut geleitet wird (d.h., Lichtstrahlen werden geleitet und treten nicht aus). Entsprechend einer bestimmten Anwendung kann der NA-Bereich von etwa 0,03 bis etwa 0,3 reichen. Am unteren Ende (beispielsweise 0,03) des Bereichs, weil die NA im Zusammenhang mit dem unterschiedlichen Brechungsindex zwischen dem Faserkern und dem Fasermantel steht, ist es schwierig, diesen Brechungsindex bei niedrigen numerischen Aperturen aufrechtzuerhalten. Am oberen Ende (beispielsweise 0,3) des Bereichs wird die NA für Kompatibilität mit der Systemoptik und mechanischen Systembaulelementen bestimmt.
Wenn das Eingangslicht 302 von dem Eingangsfaserkern 316 in den Zwischenfaserkern 318 eintritt, wird ein Teil des Eingangslichts 302 (im Folgenden als Mantellicht 322 bezeichnet), welches im Gegensatz zu dem gut in der optischen Zwischenfaser 314 geleiteten Lichts eine Divergenz oberhalb Wertes von θ_max aufweist, aus dem Zwischenfaserkern 318 aus und tritt in den Zwischenfasermantel 324 ein (welcher beispielsweise Quarzglas aufweist) und den Zwischenfaserkern 318 umschließt oder wenigstens teilweise bedeckt.
Mantellicht 322 wird entweder innerhalb des Zwischenfasermantels 324 geleitet oder kann von dem Zwischenfasermantel 324 herausgeleitet werden, wenn ein Teil oder die gesamte optische Zwischenfaser 314 als ein Mantellicht-Stripper (CLS) ausgebildet ist. 3 zeigt eine optische Zwischenfasern 314, welche als ein CLS ausgebildet ist, weil das Mantellicht 322 von dem Zwischenfaserkern 318 divergiert und daraufhin von dem Zwischenfasermantel 324 als Herausleitungslicht 326 emittiert wird (wie durch die dünnen, divergierenden Pfeile dargestellt). Folglich wird das von dem Kern geleitete Licht 320 von dem Zwischenfaserkern 318 in den Ausgangsfaserkern 328 geleitet, wobei die stark divergierenden Lichtteile des Eingangslichts 302 entfernt sind (d.h. herausgeleitet oder auf andere Weise von dem Ausgangsfaserkern 328 weggeleitet wird), um das Ausgangslichts 306 bereitzustellen.
Ein CLS kann in Lasersystemen angewendet werden, welche einen Signalkombinierer aufweisen, um den Ausgang von mehreren Lasermodulen miteinander zu kombinieren, in welchem Fall ein CLS hinter dem Strahlkombinierer vorgesehen sein kann, um nicht gewünschtes Mantellicht zu entfernen. Für solche Systeme kann die divergenzbeschränkende Vorrichtung 300 eine sogenannte NA-Clipping Fasers aufweisen (d.h. die optische Zwischenfasern 314 ist mit einer geeigneten Kern-NA gewählt) und eine Standard-CLS Faser in der Anordnung ersetzen. In anderen Ausführungsbeispielen ist es optional, eine CLS der optischen Zwischenfaser 314 wahlweise vorzusehen, wenn die Standard-CLS Faser stromabwärts in der Anordnung vorgesehen ist.
3 zeigt einen CLS-Bereich 330, welcher dem Längenbereich der optischen Zwischenfaser 314 entspricht, welche innerhalb des Gehäuses 332 angeordnet ist. Das Gehäuse 332 weist eine Innenoberfläche 334 auf, welche dem CLS-Bereich 330 zugewandt ist und dazu ausgebildet ist, das Herausleitungslicht 326 zu absorbieren (d.h., in Wärme umzuwandeln). In manchen Ausführungsbeispielen sind die optische Eingangsfaser 310, optische Ausgangsfaser 312, oder die optische Zwischenfaser 314 außerhalb des Gehäuses angeordnet (d.h., erstrecken sich über die Länge des Gehäuses 332 hinaus), entweder auf einer oder auf beiden Seiten des Gehäuses 332. Beispielsweise können die optische Eingangsfaser 310 und die optische Ausgangsfaser 312 jeweils ein Eingangsfaser-Pigtail und/oder ein Ausgangsfaser-Pigtail in der divergenzbeschränkenden Vorrichtung 300 aufweisen.
Die Konstruktion der optischen Zwischenfasern 314 kann so gewählt werden, dass sichergestellt wird, dass das Ausgangslichts 306, welches aus der optischen Ausgangsfaser austritt, den gewünschten P_max-Wert aufweist, welcher den Spezifikationen des optischen Systems entspricht. Die maximal herausgeleitete Leistung hängt von der Wahl der CLS-Konstruktion und Aspekten der Systemkonfiguration (Anforderungen an die Baugröße, Wärmeableitung und andere Aspekte) ab. Dabei ist die Menge des herausgeleiteten Lichts auch eine Funktion der Länge des CLS-Bereichs 330, da Licht entlang der optischen Zwischenfaser 314 herausgeleitet wird, das heißt aus dem Zwischenfaserkern 318 in Längsrichtung entsprechend einer Abklingungs-Exponentialfunktionen heraustritt.
Es gibt mehrere Verfahren, um einen oder alle Abschnitte der optischen Zwischenfaser 314 als ein CLS auszubilden. Beispielsweise kann der Zwischenfasermantel 324 auf seiner Außenoberfläche mit einem Material hoher Brechzahl beschichtet sein (d.h., mit einem Material wie beispielsweise von einem Polymer mit einer Brechzahl, welche gleich oder größer als die von Glas ist), so dass das Mantellicht 322 nicht innerhalb des Zwischenfasermantels 324 geleitet wird. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Zwischenfasermantel 324 aufgerauht sein (beispielsweise eine Zufalls-Oberflächentextur aufweisen) oder strukturiert sein (beispielsweise Kerben oder andere sich wiederholende oder diskrete Strukturen aufweisen), was durch chemische Behandlung oder Laserbehandlung erreicht werden kann. Andere Verfahren können verwendet werden, um die CLS entlang eines Teils oder entlang der gesamten Länge der optischen Zwischenfaser 314 herzustellen, und der offenbarte Gegenstand ist in dieser Hinsicht nicht beschränkt.
In einigen Ausführungsbeispielen (nicht dargestellt) kann der CLS-Bereich sich nur teilweise entlang der Länge der Faser erstrecken, so dass sich eines oder beide Enden der Faser als ein Pigtail weiter außerhalb des Gehäuses erstrecken oder auf andere Weise außerhalb der CLS-Bereichs erstrecken. Diese Faserverlängerungen (d.h. Faser-Pigtails) werden verwendet, um die Herstellung und Wartung zu erleichtern, wenn Licht von beispielsweise einer optischen Eingangsfaser 310 zu einer optischen Ausgangsfaser 312 geleitet wird. Obgleich nicht so in 3 dargestellt, kann sich die optische Zwischenfaser 314 auf beiden Seiten des CLS-Bereichs 330 erstrecken.
Mit Bezug auf Ausführungsbeispiele, welche die vorgenannten Pigtail(s) enthalten, zeigt 4 ein Diagramm 400, welches als ein Beispiel zeigt, wie sich der Prozentsatz des in dem Mantel befindlichen Lichts als eine Funktion der Pigtail-Länge vergrößert, welche Länge sich über einen CLS-Bereich hinaus erstreckt. Wie vorstehend im Zusammenhang mit der divergenzbeschränkenden Vorrichtung 300 (3) beschrieben wurde, wird ein Prozentsatz des Lichts, welches eine die NA überschreitende Divergenz aufweist, von dem Zwischenfaserkern 318 aus diesem herausgeleitet und tritt in den Zwischenfasermantel 324 ein, weil das Eingangslicht 302 von dem Eingangsfaserkern 316 mit einem bestimmten Prozentsatz an Leistung mit einer NA fortpflanzt, welche größer ist als die von dem Zwischenfaserkern 318 unterstützte NA ist. Nimmt man an, dass ein sich über den CLS-Bereich hinaus erstreckender Pigtail vorgesehen ist, pflanzt sich das in dem Zwischenfaserkern 318 verbleibende Licht entlang des Pigtails fort und füllt vollständig die von der Zwischenfaser 314 unterstützte NA aus. Aufgrund der vollständig ausgefüllten NA hat Licht, welches sich in dem Pigtail fortpflanzt, eine erhöhte Wahrscheinlichkeit von dem Zwischenfaserkern 318 in den Zwischenfasermantel 324 hinein aufgrund von makroskopischen und/oder mikroskopischen Störungen in die optische Zwischenfasern 314 verloren zu gehen.
Mantellicht, welches sich über einen CLS-Bereich hinaus erstreckt, kann für die stromabwärts befindlichen optischen Fasern ein Zuverlässigkeitsrisiko darstellen (weil das Licht mit dem Mantelpolymer-Puffer interagiert), und kann ungewünschte Anwendungsresultate über das Lasersystem hinaus zur Folge haben. Entsprechend zeigt 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer divergenzbeschränkenden Vorrichtung 500, welche zum Beschränken des Erzeugen von Mantellicht 502 über den CLS-Bereich 504 hinaus ausgebildet ist, indem sich durch den Kern fortpflanzendes Licht 506, welches in einem optischen Zwischenfaserkern 508 vorhanden ist, zu einem Ausgangsfaserkern 510 einer optischen Ausgangsfaser 512 geleitet wird, während das herausgeleitete Licht 514 entlang des CLS-Bereichs 504 herausgeleitet wird.
Die Art der Ankopplung mit dem CLS-Bereich 504 kann durch optisches Schmelzspleißen, durch Freiraumkoppeln, oder durch andere Kopplungsverfahren erfolgen. Oft ist es für die NA des Ausgangsfaserkerns 510 erwünscht, dass dessen NA grösser als die NA des Zwischenfaserkerns 508 ist, um ein komplettes Füllen der NA des Ausgangsfaserkerns 510 zu verhindern und um Mantellicht aufgrund von Störungen in der optischen Ausgangsfaser 512 zu verhindern, wie zuvor im Zusammenhang mit 4 beschrieben.
Es kann auch wünschenswert sein, eine optische Ausgangsfaser mit unterschiedlichen Dimensionen (Kern und/oder Mantel) im Vergleich zu den Dimensionen der optischen Zwischenfaser zu verwenden, um das Erzeugen von Mantellicht 516 zu minimieren (in 5 durch gestrichelten Pfeile dargestellt), welches aufgrund der Ankopplung der Fasern aneinander erzeugt wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist die NA für das Ausgangslichts aufgrund der NA des Zwischenfaserkerns beschränkt, und eine weiteres Erzeugen von Mantellicht über den CLS-Bereich hinaus wird so minimiert, wie es durch das Ankoppeln von Licht an eine Ausgangsfaser mit einem Kern höherer NA innerhalb des CLS-Bereichs erfolgt.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer divergenzbeschränkenden Vorrichtung 600, in welcher ein weiteres Erzeugen von Mantellicht über den CLS-Bereich 602 hinaus durch ein Aufwickeln der optischen Zwischenfaser 604 im gesamten oder in einem Teilbereich der CLS-Bereichs 602 beschränkt wird. Windungen der optischen Zwischenfasern 606 fungieren als ein zusätzlicher NA-Filter, welcher erlaubt, optische Modi nahe an dem NA-Limit der optischen Zwischenfaser 604 aus einem optischen Zwischenfaserkern 608 herauszukoppeln und in einen Zwischenfasermantel 610 einzuleiten. Der Durchmesser der Zwischenfaserwicklungen 608 ist so gewählt, dass die Modi mit höherem NA-Anteil aus den Zwischenfaserkern 606 herausgekoppelt werden, aber nicht in so engem Maße, dass ein übermäßiger Leistungsverlust erzeugt wird. Wenn diese optischen Modi sich in dem Zwischenfasermantel 610 fortpflanzen, können diese herausgeleitet werden (wie dargestellt) oder entsprechend eines Teils von einer stromabwärts befindlichen CLS gehandhabt werden. In Abhängigkeit von der Architektur des optischen Systems kann es von Vorteil sein, die optische Zwischenfaser 604 in einer einzigen Ebene zu wickeln oder es kann von Vorteil sein, diese in zwei zueinander senkrechten Ebenen zu wickeln, um Modi sowohl von gerader als auch ungerader Symmetrie mit höherem NA-Anteil aus dem Zwischenfaserkern 608 heraus und in den Zwischenfasermantel 610 hinein zu leiten.
6 zeigt auch, dass weitere modale Diskrimination durch eine Verdrehung 612 der optischen Zwischenfaser 604 zusätzlich zu dem spulenartigen Kringeln derselben erzeugt werden kann. Durch Verdrehen der optischen Zwischenfaser 604 erfahren die optischen Mantelmodi eine weitere Störung, welche eine Rückkopplung von dem Mantellicht zurück in den Zwischenfaserkern 608 verhindert, wenn die optischen Zwischenfaserwindungen 606 zurück in ihre entwundene Form oder in eine weniger Windungen aufweisende Form bewegt werden. Weiter kann die Verdrehung als eine Alternative zum Wickeln in zwei zueinander orthogonal Ebenen verwendet werden, indem Modi von gerader und ungerader Symmetrie miteinander vermischt werden. Faserverdrehungen 612 können als ein Teil des Faserverlegungsvorgangs oder als ein Teil des Faserherstellungsvorgangs selbst durch ein Verdrehen der vorgeformten Faser während des Faserziehvorgangs erzeugt werden.
Wie zuvor beschrieben kann sich ein Faser-Pigtail 614 der optischen Zwischenfaser 604 über den CLS -Bereich 602 ohne eine weitere Erzeugung von Mantellicht hinauserstrecken, was für den Herstellung- oder Wartungsprozess von Vorteil ist.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer divergenzbeschränkenden Vorrichtung 700, in welcher eine Erzeugung von Mantellicht über eine CLS-Bereich hinaus durch eine sich über den gesamten oder einen Teil des CLS-Bereichs 702 erstreckenden Abschnitt einer Zwischenfaserverengung 704 in der optischen Zwischenfaser 706 beschränkt wird.
Die Zwischenfaserverengung 704 kann durch verschiedene Verfahren hergestellt werden, wovon einige die folgenden beinhalten (aber nicht auf diese beschränkt sind), nämlich die Verwendung von einem Schmelzspleißer, einem CO₂ Laser, einer Flamme, oder von anderen Wärmequellen. Wo sich die optische Zwischenfaser 706 zu einem kleineren Durchmesser verengt, erhöht sich die Divergenz des Lichts in dem Zwischenfaserkern 708 derart, dass die optischen Modi, welche nahe dem NA-Limit der optischen Zwischenfaser 706 liegen, und aus dem optischen Zwischenfaserkern 708 heraus und in einen Zwischenfasermantel 710 hineingeleitet werden, welcher als zusätzlicher NA-Filter fungiert. Das Maß, um welches sich die optische Zwischenfaser 706 verjüngt (auch als Verjüngungsverhältnis bezeichnet) wird so gewählt, dass Modi mit höherem NA-Anteil aus dem Zwischenfaserkern 706 herausgeleitet werden, aber nicht in einem so hohen Maße, dass es zu einem übermäßigen Leistungsverlust kommt. Wenn sich diese optischen Modi in der optischen Zwischenfaser 710 fortpflanzen, können diese geeignet als ein Teil einer CLS wie zuvor beschrieben gehandhabt werden.
Eine Verjüngung 712 ist von einer Aufweitung 714 gefolgt, wobei diese Anordnung ermöglicht, dass das sich in dem Zwischenfaserkern 708 fortpflanzendes Licht zu einer Divergenz zurückzukehrt, welche nahe der NA der optischen Zwischenfaser 706 ist, aber nicht einen die NA ausfüllenden Zustand, was zum Erzeugen von weiterem Mantellicht an einer sich über den CLS-Bereich 702 hinaus erstreckenden Stelle führen könnte. Wie bei anderen Ausführungsbeispielen kann es praktisch sein, dass sich ein Faser-Pigtail 716 der optischen Zwischenfaser 706 über den CLS-Bereich 702 hinaus erstreckt.
Auch andere Techniken können angewendet werden, um die aus der optischen Zwischenfaser 706 herausgeleitete minimale NA, die Herausleitungsrate, oder die Effizienz zu verändern. Beispielsweise kann die stromaufwärts von und/oder innerhalb des CLS-Bereichs befindlicher Abschnitt gekrümmt sein oder sich verjüngen. Im Falle der Verjüngung kann die Faser, welche sich stromabwärts von der CLS befindet, in dem kleineren Durchmesser verbleiben oder kann aufgeweitet werden. Auch die Länge der CLS kann verändert werden.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer divergenzbeschränkenden Vorrichtung 800, in welcher eine Zwischenfaserverjüngung 802 einer optischen Zwischenfaser 800 vor einem CLS-Bereich 806 ausgebildet ist. Diese divergenzbeschränkende Vorrichtung 800 kann in Laserarchitekturen angewendet werden, in welchen ein gleichzeitiges Vorsehen eines CLS-Bereichs in einem zusätzlichen NA-Filterbereich schwierig oder wenig praktikabel ist. Beispielsweise, in einigen Lasersystemen, haben die verwendeten optischen Fasern mehrere Führungsbereiche, welche als Doppel- oder Dreifachmantelfasern bekannt sind. Diese Mehrfachmantelfasern ermöglichen es, dass sich außerhalb des Faserkerns befindliches Licht ebenfalls mit geringen Verlusten entlang der Länge der optischen Faser fortpflanzen kann. Sollte eine Faserverjüngung bei diesen Arten von Fasern verwendet werden, kann die NA überschreitendes Licht, welches aus dem Faserkern aufgrund der Verjüngung in den Kernbereich verloren geht, im Bereich der Aufweitung in den Kernbereich zurückgekoppelt werden, weil dieser Vorgang adiabatisch ist, sofern sich diese Aufweitung nicht in einem CLS-Bereich befindet.
Um diese Rückkopplung zu bewirken, weist die optische Zwischenfaser eine achteckigen Mantel 808 auf. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Mantelform, auch wenn nicht darauf beschränkt, sechseckig sein, D- förmig sein, oder jede andere mehreckige oder nicht kreisrunde Querschnittsform aufweisen. Während die NA überschreitendes Licht aus dem Faserkern in den Mantel hinein im Bereich der Verjüngung 810 verloren geht, stört die Störung des Lichts durch den achteckig geformten Mantel 808 die optischen Fasermantel-Modi derart, dass diese nicht in den Zwischenfaserkern 812 im Bereich der Aufweitung 814 zurückgekoppelt werden. Mantellicht 816 pflanzt sich weiter in dem achteckigen Mantel der optischen Zwischenfaser 804 fort, bis dieses in gewünschter Weise von dem sich stromabwärts von der Zwischenfaserverjüngung 802 befindlichen CLS-Bereich 806 gehandhabt wird. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann es praktikabel sein, dass sich ein Faser-Pigtail 818 über den CLS-Bereich 806 hinaus erstreckt.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer divergenzbeschränkenden Vorrichtung 900, in welcher eine Verjüngung der optischen Zwischenfaser 902 vor einem CLS-Bereich 904 vorgesehen ist, ähnlich zu der divergenzbeschränkenden Vorrichtung 800 (F IG. 8). Anders als der achteckige Mantel 808 ist der Zwischenfasermantel 906 jedoch kreisrund in seinem Querschnitt, was die Faserverarbeitung vereinfacht, sowie beispielsweise das Schmelzspleißen während der Herstellung des optischen Systems vereinfacht.
Um ein Zurückkoppeln des in einer Zwischenfaserverjüngung 908 erzeugten Mantellichts zu verhindern (wie zuvor in Bezug auf die Zwischenfaserverjüngung 802 gemäß 8 beschrieben), ist die optische Zwischenfaser 902 in sich verdreht, um optische Störungen in den optischen Mantel-Modi zur erzeugen und so den adiabatischen Prozess zu verhindern, welcher aus einem weiteren NA-Filtern in der optischen Zwischenfaser 902 resultiert. Mantellicht 910 kann sich dann weiter durch die optische Faser in den CLS-Bereich 904 hinein fortpflanzen, wie zuvor beschrieben. Die Faserverdrehung kann als ein Teil des Faserverlegungsvorgangs vorgenommen werden, oder kann als ein Teil des Faserherstellungsvorgangs selbst durch ein Verdrehen der vorgeformten Faser während des Faserziehvorgangs vorgenommen werden. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann es von Vorteil sein, wenn sich ein Faser-Pigtail der Zwischenfaser über den CLS-Bereich hinaus erstreckt.
Nach der Beschreibung und Veranschaulichung der allgemeinen und spezifischen Prinzipien von Beispielen der oben beschriebenen divergenzbeschränkenden Vorrichtung sollte es offensichtlich sein, dass die Beispiele in der Anordnung und im Detail modifiziert werden können, ohne von diesen Prinzipien abzuweichen. Beispielsweise bezieht sich die obige Beschreibung auf Faserlaser, aber diese Technologie kann auf alle fasergekoppelten Laser angewendet werden (beispielsweise auf diodengepumpte Festkörperlaser, Scheibenlaser, und Diodenlaser). Daher erkennt der Fachmann, dass viele Änderungen in den Details der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele vorgenommen werden können, ohne von den zu Grunde liegenden Prinzipien der Offenbarung abzuweichen. Der Umfang der Erfindung sollte daher von den nachfolgenden Ansprüchen und deren Äquivalenten bestimmt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/964461 [0001]

Claims

Eine auf optischen Fasern basierende divergenzbeschränkende Vorrichtung zum Beschränken der Divergenz von einer ersten maximalen Divergenz eines Eingangslichts zu einer zweiten maximalen Divergenz eines Ausgangslichts, wobei die zweite maximale Divergenz geringer als die erste maximale Divergenz ist, wobei die auf optischen Fasern basierende divergenzbeschränkende Vorrichtung versehen ist mit: einem Eingang, welcher zum Empfangen von Eingangslicht ausgebildet ist; einem Ausgang, welcher zum Liefern von Ausgangslichts ausgebildet ist; einem Kern, durch welchen ein erster Teil des Eingangslichts von dem Eingang zu dem Ausgang geführt wird, wobei der Kern eine solche numerische Apertur aufweist, dass diese den ersten Teil des Eingangslichts auf die zweite maximale Divergenz oder eine geringere als die zweite maximale Divergenz beschränkt; und einem Mantel, welcher wenigstens einen Teil des Kerns abdeckt und durch welchen ein zweiter Teil des Eingangslichts relativ zu dem ersten Teil derart divergiert, so dass dieser zweite Teil des Eingangslichts entlang des Kerns aus diesem entfernt wird, durch welchen sich das Ausgangslicht fortpflanzt.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter versehen mit einem Gehäuse, welches wenigstens einen Teil des Mantels umschließt, von welchem entferntes Licht emittiert wird und von einer Innenfläche des Gehäuses absorbiert wird.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Mantellicht-Stripper-Faser (CLS) einen Kern und einen Mantel aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die CLS Faser einen CLS-Bereich entlang eines Längenabschnitts der CLS Faser aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der CLS-Bereich einen beschichteten Abschnitt entlang des Mantels aufweist, welcher eine Beschichtung aufweist, welche einen Brechungsindex aufweist, der größer oder gleich dem Brechungsindex des Mantels ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der CLS-Bereich einen aufgeraut Oberflächenabschnitt entlang des Mantels aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der CLS-Bereich einen strukturierten Oberflächenabschnitt entlang des Mantels aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der CLS-Bereich chemisch oder durch Laserlicht bearbeitet wurde.
Die Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei im CLS-Bereich eine Faserspule vorgesehen ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 4, weiter versehen mit einer Faserverjüngung in dem CLS-Bereich.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter versehen mit einer Faserverjüngung, welche in dem Kern und dem Mantel ausgebildet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Mantel eine nicht-kreisrunde Querschnittsform aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Eingang eine optische Eingangsfaser aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Ausgang eine optische Ausgangsfaser aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter versehen mit einer optischen Zwischenfaser, welche den Kern und den Mantel aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die optische Zwischenfaser zwischen eine optische Eingangsfaser und eine optische Ausgangsfaser gespleißt ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 16, weiter versehen mit einem Eingangs-Pigtail, welches die optische Eingangsfaser aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 16, weiter versehen mit einem Ausgangs-Pigtail, welches die optische Ausgangsfaser aufweist.