DE19905491A1 - Laser fiber allowing efficient coupling of pump light into fiber with high mechanical strength - Google Patents

Laser fiber allowing efficient coupling of pump light into fiber with high mechanical strength

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Abstract

The laser fiber has a laser core (4) arranged centrally in the cross-section of a circular pump core (6) consisting of a first pump core part (6a) containing the laser core and at least one second pump core part (6b) with different refractive indices. The pump core parts are in contact at a plane boundary surface (8) running parallel to the central axis of the pump core and at a distance from the axis of 0.1-0.99 times the pump core radius. An Independent claim is also included for the production of a laser fiber.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laserfaser und ein Verfahren zu seiner Her­ stellung.The invention relates to a laser fiber and a method for its manufacture position.

Eine Laserfaser ist eine Lichtleitfaser, die aus einem laseraktiven Kern (Laserkern) aufgebaut ist, der von einem als optischer Wellenleiter ausgebildeten Mantel (Pumpkern) umgeben ist, in dem sich das zum optischen Pumpen des la­ seraktiven Kerns erforderliche Pumplicht ausbreitet und auf seine gesamte Länge in den laseraktiven Kern eingekoppelt wird. Bei einem um die Längs- oder Mit­ tenachse rotationssymmetrischen Aufbau der Laserfaser besteht nun das Pro­ blem, daß nur ein kleiner Teil des Pumplichtes den relativ dünnen Laserkern kreuzt und zur Anregung des im Laserkern enthaltenen laseraktiven Mediums ge­ nutzt wird.A laser fiber is an optical fiber that consists of a laser-active core (Laser core) is built up by one designed as an optical waveguide Jacket (pump core) is surrounded, in which the optical pumping of the la required pump light and spreads along its entire length is coupled into the laser-active core. With one around the longitudinal or with Pro axis now has a rotationally symmetrical structure of the laser fiber blem that only a small part of the pump light the relatively thin laser core crosses and to excite the laser-active medium contained in the laser core is used.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades einer solchen Laserfaser sind im Stand der Technik eine Vielzahl von konstruktiven Gestaltung der Laserfaser Gestaltun­ gen bekannt. So ist es beispielsweise bekannt, den laseraktiven Kern von einem rechteckigen Pumpkern zu umgeben. Ein auf diese Weise gestalteter Pumpkern läßt sich jedoch nur sehr schwer teilen oder brechen (cleaven) und kann auch nicht einfach in einen Stecker einpoliert werden. Darüber hinaus ist die Einkopp­ lung von Pumpstrahlung aus fasergekoppelten Laserdioden erschwert und die Kanten im Pumpkern führen zu Streuverlusten des Pumplichtes.To improve the efficiency of such a laser fiber are in the state technology a variety of constructive design of the laser fiber design gene known. For example, it is known to remove the laser-active core from one to surround rectangular pump core. A pump core designed in this way is very difficult to divide or break (cleave) and can not simply be polished into a plug. In addition, the Einkopp development of pump radiation from fiber-coupled laser diodes and the Edges in the pump core lead to scattering losses of the pump light.

Es sind auch Laserfasern mit einem Pumpkern bekannt, der im Querschnitt kreisförmig ist und in dem sich der Laserkern außerhalb der Mittenachse befindet. Die Herstellung solcher Laserfasern mit azentrischem Laserkern ist jedoch auf­ wendig. Außerdem neigt in diesem Fall der Laserkern dazu, elliptisch zu werden. Laser fibers with a pump core are also known which have a cross section is circular and in which the laser core is located outside the central axis. However, the production of such laser fibers with an eccentric laser core is on agile. In addition, the laser core tends to become elliptical in this case.  

Desweiteren erschwert der azentrische Laserkern die Benutzung von Faserstec­ kern.Furthermore, the acentric laser core complicates the use of Faserstec core.

Aus der DE 195 35 526 C1 oder der WO 97/12429 sind auch Laserfasern mit ei­ nem Pumpkern bekannt, der im Querschnitt eine D-Form aufweist. Auch hier füh­ ren jedoch die Kanten im Pumpkern zu Streuverlusten des Pumplichtes. Außer­ dem kann durch den D-förmigen Abschliff weniger Pumplicht in die Laserfaser eingekoppelt werden. Beim Herstellen einer solchen Laserfaser können außerdem Probleme mit den dem Pumpkern umgebenden Kunststoffcladding auftreten, das sich aufgrund der Oberflächenspannung an der abgeschliffenen Seite ansammelt. Dies kann zu einer Verringerung der Bruchfestigkeit dieser Laserfasern führen.From DE 195 35 526 C1 or WO 97/12429 there are also laser fibers with egg Known pump core, which has a D-shape in cross section. Here too However, the edges in the pump core lead to scattering losses of the pump light. Except due to the D-shaped cut, less pump light can enter the laser fiber be coupled. When manufacturing such a laser fiber can also Problems with the plastic cladding surrounding the pump core occur accumulates on the sanded side due to the surface tension. This can lead to a reduction in the breaking strength of these laser fibers.

Um das Pumplicht möglichst effizient in den Pumpkern einzukoppeln sind auch Laserfasern bekannt, deren Pumpkern eine parabolischen Verlauf des Bre­ chungsindex aufweist. Solche sogenannten Gradientenindexstrukturen sind je­ doch aufwendig in der Herstellung.In order to couple the pump light into the pump core as efficiently as possible Laser fibers are known whose pump core has a parabolic course of the Bre index. Such so-called gradient index structures are different but complex to manufacture.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde eine Laserfaser anzugeben, die bei hoher mechanischer Stabilität einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei der Ein­ kopplung von Pumplicht in den Laserkern hat. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Laserfaser anzu­ geben.The invention is based on the object of specifying a laser fiber which high mechanical stability, the highest possible efficiency during the coupling of pump light in the laser core. The invention is also the Task based on a method for producing such a laser fiber give.

Die genannte Aufgabe wird bezüglich der Faserlaser gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Laserfaser enthält gemäß der Erfindung einen Laserkern, der zentrisch in einem im Querschnitt kreisringförmi­ gen Pumpkern angeordnet ist, der aus einem ersten, den Laserkern enthaltenden Pumpkernteil und zumindest einem zweiten Pumpkernteil zusammengesetzt ist, die voneinander verschiedene Brechungsindizes haben und sich an einer ebenen Grenzfläche berühren, die parallel zur Mittenachse des Pumpkerns verläuft. The stated object is achieved with respect to the fiber laser according to the invention with the features of claim 1. The laser fiber contains according to the Invention a laser core which is centric in a circular ring in cross section gene arranged pump core, which consists of a first containing the laser core Pump core part and at least a second pump core part is composed, which have different refractive indices and are on a flat surface Touch the interface that runs parallel to the center axis of the pump core.  

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.Further advantageous embodiments of the invention are in the subclaims reproduced.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit ei­ nem Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruches 4. Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Laserfaser wird eine aus einem Kern und einem kreisring­ förmigen homogenen Mantel aufgebaute Preform abgeschliffen, so daß sich ein Mantelteil mit einer ebenen Fläche parallel zur Mittenachse des Mantels ergibt, auf die ein im Querschnitt kreisabschnittförmiges Preformteil aufgesetzt wird, wo­ bei sich das Mantelteil und das Preformteil zu einem im Querschnitt kreisringför­ migen, als Pumpkern vorgesehenen zusammengesetzten Mantel ergänzen.With regard to the method, the object is achieved according to the invention with egg Nem process with the features of claim 4. In the process to produce a laser fiber, one is made up of a core and an annulus shaped homogeneous jacket built preform sanded so that a Shell part with a flat surface parallel to the central axis of the shell, on which a preform part with a circular cross section is placed, where with itself the jacket part and the preform part to a circular in cross section the composite jacket provided as the pump core.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel der Zeichnung der verwiesen. Es zeigen:To further explain the invention, reference is made to the embodiment of Drawing of the referenced. Show it:

Fig. 1 eine Faserlaser gemäß der Erfindung in einem Querschnitt, Fig. 1 shows a fiber laser according to the invention in a cross section,

Fig. 2 einen Faserlaser mit einer Laserfaser gemäß der Erfindung in einem Längsschnitt, Fig. 2 shows a fiber laser with a laser fiber according to the invention in a longitudinal section;

Fig. 3a-d Preformen der Laserfaser gemäß der Erfindung während zeit­ lich aufeinanderfolgender Herstellungsschritte in einer sche­ matischen perspektiven Darstellung. Fig. 3a-d preforms of the laser fiber according to the invention during time Lich successive manufacturing steps in a specific matic perspective representation.

Gemäß Fig. 1 enthält eine Laserfaser 2 einen laseraktiven Kern oder Laserkern 4, der beispielsweise mit Elementen aus der Gruppe der seltenen Erden dotiert ist. Der Laserkern 4 ist zentrisch in einem ihn umgebenden kreisringförmigen Pump­ kern 6 angeordnet. Der Pumpkern 6 umfaßt ein erstes Pumpkernteil 6a und ein zweites Pumpkernteil 6b, die zusammengesetzt den im Querschnitt kreisringför­ migen Pumpkern 6 ergeben. Im ersten Pumpkernteil 6a ist der Laserkern 4 einge­ bettet. Erstes Pumpkernteil 6a und zweites Pumpkernteil 6b stoßen an einer Grenzfläche 8 aneinander, die eben ist und sich parallel zur senkrecht zur Zeiche­ nebene verlaufenden Mittenachse 10 erstreckt. Das zweite Pumpkernteil 6b wird im Querschnitt betrachtet durch einen Kreisabschnitt gebildet, dessen Höhe h zwischen 1% und 90% des Pumpkernradius r beträgt. Mit anderen Worten: Der Abstand a der Grenzfläche 8 wischen dem ersten Pumpkernteil 6a und dem zweiten Pumpkernteil 6b von der Mittenachse beträgt zwischen 10% und 99% des Pumpkernradius r.Referring to FIG. 1, a fiber laser 2 comprises a laser-active nucleus or laser core 4, which is doped, for example with elements from the group of rare earths. The laser core 4 is arranged centrally in an annular pump core 6 surrounding it. The pump core 6 comprises a first pump core part 6 a and a second pump core part 6 b, which, when assembled, produce the pump core 6 in the form of a circular ring. In the first pump core part 6 a, the laser core 4 is embedded. The first pump core part 6 a and the second pump core part 6 b abut one another at an interface 8 which is flat and extends parallel to the central axis 10 which runs perpendicular to the drawing. The second pump core part 6 b, viewed in cross section, is formed by a circular section, the height h of which is between 1% and 90% of the pump core radius r. In other words: the distance a between the interface 8 between the first pump core part 6 a and the second pump core part 6 b from the central axis is between 10% and 99% of the pump core radius r.

Der Pumpkern 6 ist außerdem zum Schutz vor mechanischer Zerstörung von ei­ nem Cladding 12, beispielsweise ein Kunststoffmantel, umgeben.The pump core 6 is also surrounded by egg nem cladding 12 , for example a plastic jacket, for protection against mechanical destruction.

Gemäß Fig. 2 umfaßt ein Faserlaser eine Pumplichtquelle 14, beispielsweise eine Laserdiode, und eine Koppeloptik 16 zum Einkoppeln des von der Pumplichtquel­ le 14 erzeugten Pumplichtes 17 in den Pumpkern 6 der Laserfaser 2. An der Stirnseite der Laserfaser 2 ist außerdem ein halbdurchlässiger Spiegel 18 ange­ ordnet.Referring to FIG. 2, a fiber laser comprising a pump light source 14, such as a laser diode and coupling optics 16 for coupling of the Pumplichtquel le 14 pump light 17 produced in the pump core 6 of the laser fiber 2. At the end of the laser fiber 2 , a semi-transparent mirror 18 is also arranged.

Im Pumpkern 6 der Laserfaser 2 breitet sich das Pumplicht aus, wobei es bei sei­ ner Ausbreitung den Laserkern 4 durchquert. Durch Absorption des Pumplichts 17 im Laserkern 4 wird dem Laserprozeß Energie zugeführt. An dem der Pumplicht­ quelle 14 gegenüberliegenden Ende 20 der Laserfaser 2 wird das im Laserkern 4 erzeugte Laserlicht 22 ausgekoppelt.In the pump core 6 of the laser fiber 2 , the pump light spreads, whereby it crosses the laser core 4 when it is spread. Energy is supplied to the laser process by absorption of the pump light 17 in the laser core 4 . At the pump light source 14 opposite end 20 of the laser fiber 2 , the laser light 22 generated in the laser core 4 is coupled out.

Gemäß Fig. 3a wird zunächst eine Preform 26 nach bekannten Verfahren, z. B. aus Quarzglas, beispielsweise mit dem MCVD-Verfahren hergestellt. Diese Pre­ form 26 besteht aus dem Kern 28 und einem im Querschnitt kreisringförmigen lichtleitenden Mantel 30. In einem nächsten Schritt wird dieser Mantel 30 dann seitlich geschliffen und planpoliert. Auf diese Weise entsteht ein in Fig. 3b darge­ stelltes Mantelteil 31 mit einer ebenen Fläche 32, die parallel zur Mittenachse 33 des Mantels 30 verläuft, so daß die Preform 26 den D-förmigen Querschnitt der aus Laserkern 4 und dem ersten Pumpkernteil 6a des Pumpkerns 6 gebildete La­ serfaserteils hat (Fig.1).According to FIG. 3a, a preform 26 is first produced using known methods, e.g. B. made of quartz glass, for example with the MCVD process. This pre-form 26 consists of the core 28 and a light-conducting jacket 30 which is circular in cross section. In a next step, this jacket 30 is then ground laterally and polished. In this way, a in Fig. 3b Darge provided jacket part 31 with a flat surface 32 which runs parallel to the central axis 33 of the jacket 30 , so that the preform 26 has the D-shaped cross section of the laser core 4 and the first pump core part 6 a Pump core 6 has formed laser fiber part ( Fig. 1).

Auf die planpolierte Fläche 32 des Mantelteils 31 wird gemäß Fig. 3c ein im Quer­ schnitt kreisabschnittförmiges lichtleitendes Preformteil 34 aufgesetzt, das einen niedrigen Brechungsindex als der Mantel 30 bzw. das Mantelteil 31 hat. Dieses Preformeil 34 besteht beispielsweise aus mit Fluor dotiertem Quarzglas und hat genau die Form des vorher von der Preform 26 beim Schleifen entfernten Materi- als, so daß der auf diese Weise gestaltete zusammengesetzte Mantel 36 erneut einen kreisringförmigen Querschnitt erhält. Die sich so ergebende zusammenge­ setzte Preform 38 wird anschließend mit konventionellen Verfahren zur Laserfaser verzogen, so daß sich aus dem zusammengesetzten Mantel 36 der Pumpkern 6 ergibt (Fig. 1). Anschließend wird die Laserfaser mit einem Kunststoffcladding um­ mantelt. FIG according to the plan polished surface 32 of the sheath part 31. 3 c a cross-sectionally circular-segment-shaped light-conducting Preformteil 34 is placed, which has a low refractive index than the cladding 30 and the casing part 31st This preform 34 consists, for example, of fluorine-doped quartz glass and has exactly the shape of the material previously removed from the preform 26 during grinding, so that the composite jacket 36 designed in this way again has an annular cross-section. The resulting composite Preform 38 is then warped using conventional methods for laser fiber, so that the composite core 36 of the pump core 6 results ( Fig. 1). The laser fiber is then covered with a plastic cladding.

Mit einem solchen Herstellungsverfahren ist es auch möglich, den Pumpkern aus mehr als zwei Teilen aufzubauen. Beispielsweise können auch mehrere ebene Grenzflächen symmetrisch oder unsymmetrisch um die Mittenachse verteilt ange­ ordnet sein, auf die dann ebenfalls jeweils eine Preform aufgesetzt wird, so daß sich der Mantel erneut eine kreisringförmige Gestalt annimmt. With such a manufacturing process, it is also possible to remove the pump core build up more than two parts. For example, multiple levels Boundaries are distributed symmetrically or asymmetrically around the central axis be on which a preform is then also placed, so that the coat takes on an annular shape again.  

BezugszeichenlisteReference list

22nd

Laserfaser
Laser fiber

44th

Laserkern
Laser core

66

Pumpkern
Pump core

66

a, a,

66

b erstes, zweites Pumpkernteil
b first, second pump core part

88th

Grenzfläche
Interface

1010th

Mittenachse
Center axis

1212th

Cladding
Cladding

1414

Pumplichtquelle
Pump light source

1616

Koppeloptik
Coupling optics

1717th

Pumplicht
Pump light

2020th

Ende
The End

2222

Laserlicht
Laser light

2626

Preform
Preform

2828

Kern
core

3030th

Mantel
coat

3131

Mantelteil
Jacket part

3232

Fläche
surface

3333

Mittenachse
Center axis

3434

Preformteil
Preform

3636

zusammengesetzter Mantel
composite coat

3838

zusammengesetzte Preform
composite preform

Claims (4)

1. Laserfaser (2) mit einem Laserkern (4), der zentrisch in einem im Querschnitt kreisringförmigen Pumpkern (6) angeordnet ist, der aus einem ersten, den La­ serkern (4) enthaltenden Pumpkernteil (6a) und zumindest einem zweiten Pumpkernteil (6b) zusammengesetzt ist, die voneinander verschiedene Bre­ chungsindizes haben und sich an einer ebenen Grenzfläche (8) berühren, die parallel zur Mittenachse (10) des Pumpkerns (6) verläuft.1. Laser fiber ( 2 ) with a laser core ( 4 ), which is arranged centrally in a pump core ( 6 ) with an annular cross section, which consists of a first pump core part ( 6 a) containing the laser core ( 4 ) and at least a second pump core part ( 6 b) is composed, which have different refractive indices and touch at a flat interface ( 8 ) which runs parallel to the central axis ( 10 ) of the pump core ( 6 ). 2. Laserfaser nach Anspruch 1, bei dem der Abstand (a) der Grenzfläche (8) von der Mittenachse (10) des Pumpkerns (6) zwischen dem 0,1- und dem 0,99-fachen des Radius (r) des Pumpkerns (6) beträgt.2. Laser fiber according to claim 1, wherein the distance (a) of the interface ( 8 ) from the central axis ( 10 ) of the pump core ( 6 ) between 0.1 and 0.99 times the radius (r) of the pump core ( 6 ) is. 3. Laserfaser nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Brechungsindex des den Laserkern (4) enthaltenden ersten Pumpkernteils (6a) größer ist als der Brechungsindex des zweiten Pumpkernteils (6b).3. Laser fiber according to claim 1 or claim 2, wherein the refractive index of the laser core ( 4 ) containing the first pump core part ( 6 a) is greater than the refractive index of the second pump core part ( 6 b). 4. Verfahren zur Herstellung einer Laserfaser (2) gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem eine aus einem Kern (28) und einem kreisringförmigen homogenen Mantel (30) aufgebaute Preform (26) abgeschliffen wird, so daß sich ein Mantelteil (31) mit einer ebenen Fläche (32) parallel zur Mittenachse (33) des Mantels (30) ergibt, auf die ein im Querschnitt kreisabschnittförmiges Preformteil (34) aufgesetzt wird, wobei sich das Mantelteil (31) und das Pre­ formteil (34) zu einem im Querschnitt kreisringförmigen als Pumpkern vorge­ sehenen zusammengesetzten Mantel (36) ergänzen.4. A method for producing a laser fiber ( 2 ) according to one of the preceding claims, in which a preform ( 26 ) constructed from a core ( 28 ) and an annular, homogeneous jacket ( 30 ) is ground so that a jacket part ( 31 ) is provided a flat surface ( 32 ) parallel to the central axis ( 33 ) of the jacket ( 30 ), on which a preform part ( 34 ) with a circular cross-section is placed, the jacket part ( 31 ) and the preform part ( 34 ) becoming a cross section Complement an annular composite jacket provided as a pump core ( 36 ).
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7161966B2 (en) 2003-01-24 2007-01-09 Trumpf, Inc. Side-pumped fiber laser
US7542488B2 (en) 2003-01-24 2009-06-02 Trumpf, Inc. Fiber laser

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