EP4291825A1 - Hohlkernfaser zur übertragung von laserlicht - Google Patents

Hohlkernfaser zur übertragung von laserlicht

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Publication number
EP4291825A1
EP4291825A1 EP22713527.4A EP22713527A EP4291825A1 EP 4291825 A1 EP4291825 A1 EP 4291825A1 EP 22713527 A EP22713527 A EP 22713527A EP 4291825 A1 EP4291825 A1 EP 4291825A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fiber
hollow
cladding
core
refractive index
Prior art date
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Pending
Application number
EP22713527.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Jung
Klaus Ludewigt
Björn Wedel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Original Assignee
Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rheinmetall Waffe Munition GmbH filed Critical Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Publication of EP4291825A1 publication Critical patent/EP4291825A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02319—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by core or core-cladding interface features
    • G02B6/02323—Core having lower refractive index than cladding, e.g. photonic band gap guiding
    • G02B6/02328—Hollow or gas filled core
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/023—Microstructured optical fibre having different index layers arranged around the core for guiding light by reflection, i.e. 1D crystal, e.g. omniguide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/032—Optical fibres with cladding with or without a coating with non solid core or cladding

Definitions

  • the present invention relates to a microstructured hollow core fiber set up for the transmission of laser light according to the preamble of claim 1.
  • a microstructured hollow core fiber has a microstructured hollow core extending along the hollow core fiber.
  • the hollow core has microstructures with at least a first refractive index n and is surrounded by an inner fiber cladding with a refractive index n_internal.
  • fiber claddings made of transparent material which are conductive for the laser light are meant in which the laser light can be guided by total internal reflections.
  • the glass used as the core of the fiber in well-known optical fibers solid core fibers
  • a gas or vacuum which gives the fiber a holey center.
  • the cladding has at least one fiber cladding concentrically surrounding the hollow core and a protective cladding (jacket or buffer) concentrically surrounding the fiber cladding.
  • a protective cladding jacket or buffer
  • the jacket material and/or also the fiber claddings and thus the hollow core fiber as a whole can be damaged by the power loss radiated transversely to the longitudinal extension of the hollow core fiber.
  • the object of the present invention is to specify a hollow-core fiber of the type mentioned at the outset, with which higher average laser light powers than before, such as occur, for example, with continuous wave laser light, can be transmitted.
  • the continuous wave powers that are involved here are in the kilowatt range.
  • the pulse peak powers reach into the gigawatt range.
  • the solution according to the invention differs from the prior art mentioned at the outset in particular in that the hollow-core fiber has at least one further Has fiber cladding, which is arranged cladding the innermost fiber cladding and has a further refractive index n_w, and that the refractive index n_inner of the innermost fiber cladding is greater than the further refractive index n_w.
  • the invention thus provides at least one additional fiber cladding that encases the inner fiber cladding, with this additional fiber cladding having a lower refractive index than the inner fiber cladding.
  • the radially inner first fiber cladding is therefore optically denser than the radially outer second fiber cladding. This promotes total internal reflection of light propagating in the radially inner first fiber cladding and incident on the interface between the radially inner first and radially outer second fiber cladding, which promotes low-loss wave guidance in the radially inner first fiber cladding and thus an undesired transition from im radially inner first fiber cladding propagating loss light reduced in the radially outer second fiber cladding.
  • the invention thus allows laser radiation of high average power to be transmitted through microstructured hollow-core fibers by means of the targeted guidance within the fiber cladding of the lost light that occurs when the beam is guided through hollow-core fibers.
  • the invention in particular prevents this radiation loss from escaping laterally from the microstructured fiber line in an uncontrolled manner and thereby damaging either the jacket or buffer or the environment.
  • the lost light can then be dissipated in a controlled manner and, if necessary, absorbed by the waveguide achieved with the invention when exiting the microstructured hollow-core fiber guide.
  • the present invention thus provides a hollow-core fiber that prevents the power loss from escaping, which could otherwise cause the hollow-core fiber or the surrounding protective sheath to be destroyed.
  • the invention thus enables laser light of high average power (cw laser light) to be transmitted through a hollow-core fiber.
  • the invention enables a targeted derivation and guidance of the lost light and thus a transmission of higher average laser powers than in the prior art, which consists of microstructured hollow-core fibers with only one fiber cladding and one protective cladding.
  • First the Invention enables the use of microstructured hollow-core fibers for the transmission of high cw laser powers.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that the hollow-core fiber has at least two additional fiber claddings, each of which has a refractive index, with at least one of the refractive indices of the at least two additional fiber claddings being smaller than the refractive index of the innermost fiber cladding.
  • the refractive index of one of two further fiber claddings, which encases the other of the two further fiber claddings is smaller than the refractive index of the encased further fiber cladding.
  • Preferred configurations are characterized in that at least two further fiber claddings are present, so that an innermost (first) fiber cladding is concentrically encased by a second fiber cladding (which can also be a protective cladding), and this by a third fiber cladding (which can also be a protective cladding can) is concentrically encased, and that the fiber claddings each have a fiber cladding-individual refractive index, the refractive index of a radially outer fiber cladding always being greater than the refractive index of a fiber cladding that extends further radially inwards.
  • a further preferred embodiment of the invention is characterized in that the material thicknesses Fiber claddings and the outer protective cladding are dimensioned in such a way that lost light coupled from the microstructured hollow core into the inner fiber cladding or the further fiber cladding experiences total internal reflections there.
  • Material thicknesses preferred for this purpose are between four times and six times, in particular five times, the laser light wavelength.
  • the microstructured hollow-core fiber has an input end, which is set up for coupling laser light into the microstructured hollow core, and has an output end, which is set up for coupling laser light out of the microstructured hollow core.
  • the hollow-core fiber is set up to conduct laser light (loss light) coupled from the microstructured hollow core into the inner fiber cladding or the further fiber cladding by waveguide to the output end of the microstructured hollow-core fiber and to let the laser light emerge from the fiber claddings there.
  • laser light loss light
  • a further preferred embodiment is characterized in that the hollow core fiber has at least one mode stripper which is arranged between the input end and the output end and which is set up to couple laser light from the microstructured hollow core into the fiber cladding and/or the protective cladding (Loss) to decouple transversely to the longitudinal extent of these fiber claddings from these fiber claddings.
  • the mode stripper which is arranged between the input end and the output end and which is set up to couple laser light from the microstructured hollow core into the fiber cladding and/or the protective cladding (Loss) to decouple transversely to the longitudinal extent of these fiber claddings from these fiber claddings.
  • the hollow-core fiber has several mode strippers, which are distributed over the length of the microstructured hollow-core fiber.
  • This refinement allows power loss to be dissipated in a controlled manner.
  • the power loss can thus be decoupled laterally from the hollow core fiber in a controlled manner without causing damage.
  • a transport of undesirably high power loss along the longitudinal extension can be avoided because the part that is coupled out laterally no longer has to be guided to the exit end of the hollow-core fiber.
  • a further embodiment is the additional or alternative use of a so-called “airclad” between the first and second fiber cladding or other optional claddings.
  • these air jackets Compared to configurations without such air jackets, these air jackets have the advantage of a higher numerical aperture.
  • FIG. 1 shows a cross section through a known hollow-core fiber
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of the hollow-core fiber from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a cross section of a hollow-core fiber according to the invention.
  • Figure 4 shows a longitudinal section of the hollow-core fiber from Figure 3.
  • Figure 1 shows a cross section of a known microstructured hollow core fiber 10.
  • the cutting plane is perpendicular to the longitudinal extension of the hollow-core fiber.
  • the cutting plane is one XY plane of a Cartesian coordinate system.
  • the longitudinal extent is aligned locally, ie in the section plane, parallel to the z-direction of the coordinate system.
  • FIG. 2 shows a microstructured hollow core fiber 10, as shown in FIG. 1, in a longitudinal section.
  • the longitudinal section is defined in that it follows the longitudinal extension of the hollow-core fiber 10 in such a way that the center of a hollow core 12 of the hollow-core fiber 10 always lies in the plane of the drawing.
  • the microstructured hollow-core fiber 10 has a microstructured hollow core 12 extending along the hollow-core fiber 10 .
  • the hollow core 12 has microstructures 14 with at least a first refractive index n and is surrounded by an inner fiber cladding 16 with a refractive index n_inside, so that the inner fiber cladding delimits the hollow core radially.
  • the inner fiber cladding is encased by an outer protective cladding 18, which has a protective cladding refractive index n_outside.
  • Figures 1 and 2 thus illustrate the overall structure of a hollow-core fiber 10, which is assumed to be known.
  • the first refractive index n is typically equal to the refractive index n inside the inner fiber cladding 16, while the Refractive index n_outside of the protective jacket 18 is typically greater than the refractive index n_inside.
  • lost light 22 When propagating single-mode laser light 20 with a high average power value, losses occur which are also referred to below as lost light 22 .
  • this lost light 22 escapes laterally in an uncontrolled manner from the hollow-core fiber 10 via the inner fiber cladding 16 and the outer protective cladding 18 and can in particular damage the outer protective cladding 18 and possibly also objects in the vicinity of the hollow-core fiber 10 and/or people in it hurt the environment.
  • FIG. 3 shows a cross section of an exemplary embodiment of a hollow core fiber 100 according to the invention for the transmission of laser light.
  • the sectional plane is, for example, an x-y plane of a Cartesian coordinate system.
  • FIG. 4 shows a microstructured hollow-core fiber 100, as shown in FIG. 3, in one
  • the longitudinal section is defined in that it follows the longitudinal extent of the hollow-core fiber 100 in such a way that the center of the hollow core of the hollow-core fiber always lies in the plane of the drawing.
  • the microstructured hollow-core fiber 100 has a microstructured hollow core 12 extending along the hollow-core fiber 100 .
  • the hollow core 12 has microstructures 14 with at least a first refractive index n and is of an innermost
  • the innermost fiber cladding 16 is encased by an outer protective cladding 18 which has a protective cladding refractive index n_outside.
  • the microstructured hollow core fiber 100 has an input end 24 which is set up for coupling laser light into the microstructured hollow core 12 and it has an output end 26 which is set up for coupling laser light 20 out of the microstructured hollow core 12 .
  • the input end 24 and the output end 26 each have an end surface 24.1, 26.1, which is aligned transversely to the longitudinal direction of the hollow-core fiber 100.
  • the hollow-core fiber 100 has at least one further cladding 28 which is arranged between the innermost fiber cladding 16 and the outer protective cladding 18 encasing the innermost fiber cladding 16 .
  • the shrouds referred to in this application are preferably concentric shrouds.
  • the microstructures 14 have a first refractive index n.
  • the innermost fiber cladding 16 has a refractive index n_inside and the outer protective cladding 18 has a protective cladding index of refraction n_outside.
  • the at least one further fiber cladding 28 provided in a preferred embodiment, which is arranged between the innermost fiber cladding 16 and the outer protective cladding 18 so as to encase the innermost fiber cladding 16, has a further refractive index n_w.
  • the further refractive index n_W is smaller than the refractive index n_internal, and the further refractive index n_w is larger than the refractive index n_external of the protective casing 18.
  • the inner fiber cladding 16 lying radially further inward relative to the further fiber cladding 28 and thus closer to the microstructures 14 and the hollow core 12 is optical denser than the further fiber cladding 28.
  • the greater optical density of the innermost fiber cladding 16 favors the occurrence of total internal reflections of lost light 22 propagating in the innermost fiber cladding 16 and incident on the interface to the further fiber cladding 28.
  • the further refractive index n_w is greater than the refractive index n_outside of the protective jacket 18.
  • the material thicknesses of the fiber claddings 16, 28 and the outer protective cladding 18 are dimensioned such that lost light 22 coupled from the microstructured hollow core 12 into the fiber claddings 16, 28 experiences total internal reflections there.
  • the hollow core fiber 100 is configured to be made of the microstructured hollow core 12 to guide laser light coupled into the fiber claddings 16, 28 by waveguide to the output end 26 of the microstructured hollow-core fiber 100 and to let the lost light 22 emerge from the fiber claddings 16, 28 there.
  • the lost light 22 propagating along the hollow-core fiber 100 in the fiber claddings 16, 28 can, alternatively or in addition to controlled decoupling at the output end 26 of the hollow-core fiber 100, also be decoupled from the fiber claddings 16, 18 in a controlled manner by mode strippers attached to the side of the hollow-core fiber 100.
  • mode strippers can be implemented, for example, as local projections or cuts in the fiber claddings 16, 28 carrying power loss 22.
  • Such projections or incisions have boundary surfaces which are oriented in such a way that lost light 22 incident there does not experience total internal reflection, but is instead radially deflected in a controlled manner and thus laterally decoupled from the hollow-core fiber 100 in a controlled manner.
  • One or more mode strippers can be arranged between the input end 24 and the output end 26 and in this way decouple lost light 22 coupled from the microstructured hollow core 12 into the fiber claddings 16, 28 and/or the protective cladding 18 transversely to the longitudinal extent of these claddings.
  • Another possible variant is the additional or alternative use of a so-called "Airclad" between the innermost fiber cladding 16 and the further fiber cladding 28 or further optional fiber claddings.
  • the exemplary embodiment of a waveguide illustrated in FIGS. 3 and 4 has two further fiber claddings 28 and 18 in addition to the radially innermost fiber cladding 16 .
  • the further fiber cladding 18 lying radially furthest to the outside is preferably a protective cladding and concentrically surrounds the other further fiber cladding 28 .
  • the additional fiber cladding 28 surrounds the innermost fiber cladding 16 concentrically.
  • At least one of the refractive indices of the at least two other fiber claddings 18, 28 is lower than the refractive index of the innermost fiber cladding 16.
  • the refractive index of one of the two further fiber claddings, which encases the other of the two further fiber claddings, is lower than the refractive index of the encased further fiber cladding, here the further fiber cladding 28.
  • the encasing further fiber cladding is here the fiber cladding 18.
  • this can be the protective cladding at the same time.
  • This protective cladding can be made of silicone and thus also guide the exiting laser light through total internal reflections in the first fiber cladding.
  • Such an embodiment is, for example, from the embodiment of Figures 3 and 4 by omitting the radially outermost fiber cladding 18 emerges.
  • the outermost fiber cladding does not necessarily also have to have a small refractive index, since the laser light is already guided through the middle fiber cladding in the innermost fiber cladding. It would also be sufficient if only one of the two other fiber claddings has a lower refractive index than the radially innermost fiber cladding in order to guide the laser light through total internal reflections within the arrangement.

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Abstract

Vorgestellt wird eine mikrostrukturierte Hohlkernfaser (100), die einen sich längs der Hohlkernfaser (100) erstreckenden mikrostrukturierten Hohlkern (12) aufweist, der Mikrostrukturen (14) mit mindestens einem ersten Brechungsindex n aufweist und der von einem inneren Fasermantel 816) mit einem Brechungsindex n -innen umgeben ist und einen äußeren Schutzmantel (18) aufweist, der einen Schutzmantelbrechungsindex n_außen aufweist und der den inneren Fasermantel (16) ummantelt. Die Hohlkernfaser zeichnet sich dadurch aus, dass die Hohlkernfaser mindestens einen weiteren Mantel (28) aufweist, der zwischen dem inneren Fasermantel (16) und dem äußeren Schutzmantel (18) den inneren Fasermantel (16) ummantelnd angeordnet ist und einen weiteren Brechungsindex n_w aufweist und dass der weitere Brechungsindex n w größer als der weitere Brechungsindex ist.

Description

Titel : Hohlkernfaser zur Übertragung von Laserlicht
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine zur Übertragung von Laserlicht eingerichtete mikrostrukturierte Hohlkernfaser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche mikrostrukturierte Hohlkernfaser weist einen sich längs der Hohlkernfaser erstreckenden mikrostrukturierten Hohlkern auf. Der Hohlkern weist Mikrostrukturen mit mindestens einem ersten Brechungsindex n auf und ist von einem inneren Fasermantel mit einem Brechungsindex n_innen umgeben.
Soweit in dieser Anmeldung von Fasermänteln die Rede ist, sind jeweils für das Laserlicht leitfähige Fasermäntel aus transparentem Material gemeint, in denen das Laserlicht durch interne Totalreflexionen geführt werden kann. Bei Hohlkernfasern wird das bei altbekannten Lichtleitfasern (Solid Core Fasern) als Kern der Faser verwendete Glas durch ein Gas oder Vakuum ersetzt, was der Faser ein löchriges Zentrum ("holey center") verleiht. Hohlkernfasern als solche sind zum Beispiel aus der Veröffentlichung
"https://www.photonics .com/Artid es/Hollow-
Core Fibers Outperform Silica glass/a6448?refer=picks#comme nts" bekannt.
Bekannt ist auch, single mode Laserstrahlung hoher Pulsspitzenleistung durch mikrostrukturierte Hohlkernfasern zu transmittieren. Für die Übertragung von single mode Laserstrahlung hoher mittlerer Leistung werden dagegen typischerweise solid core Faserstrukturen verwendet.
Bei der Übertragung von Laserleistung durch Hohlkernfasern treten üblicherweise höhere Verluste auf als bei einer Übertragung durch solid core Fasern. Diese Verluste liegen im Bereich von ca. 0,5 % pro Meter Faserlänge. Die dabei nicht transmittierte und als Verlustleistung verlorengehende Laserleistung wird durch das cladding, d.h. die Ummantelung des strahlführenden hohlen Kerns, quer zur Längserstreckung der Hohlkernfaser in die Umgebung abgestrahlt, was unerwünscht ist.
Die Ummantelung weist wenigstens einen den hohlen Kern konzentrisch umgebenden Fasermantel und einen den Fasermantel konzentrisch umgebenden Schutzmantel (Jacket, bzw. Buffer) auf. Bei hohen mittleren Laserleistungen (im Kilowattbereich) kann durch die quer zur Längserstreckung der Hohlkernfaser abgestrahlte Verlustleistung das Jacketmaterial und/oder auch die Fasermäntel und damit die Hohlkernfaser als Ganzes beschädigt werden.
Wenn single mode Laserstrahlung hoher mittlerer Leistung in einer solid core Faser geführt wird, sind die intrinsischen Verluste einerseits geringer als bei einer Übertragung in einer Hohlkernfaser. Andererseits erzeugen die hohen Feldstärken des Laserlichtes unerwünschte nichtlineare Effekte im Fasermaterial der solid core Faser. In Abhängigkeit von der Laserleistung ist so z.B. die Länge der Übertragungsstrecke begrenzt. Zu beobachten sind ein Verlust der Übertragungseigenschaften des Fasermaterials bis hin zur Zerstörung des Fasermaterials der Solid Core Faser.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Angabe einer Hohlkernfaser der eingangs genannten Art, mit der sich auch höhere mittlere Laserlichtleistungen als bisher, wie sie zum Beispiel bei continous wave Laserlicht auftreten, übertragbar sind. Die continous wave Leistungen, um die es hier geht, liegen im Kilowattbereich. Die Pulsspitzenleistungen reichen bis in den Gigawattbereich hinein.
Diese Aufgabe wird mit der Summe der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vom eingangs genannten Stand der Technik unterscheidet sich die erfindungsgemäße Lösung insbesondere dadurch, dass die Hohlkernfaser mindestens einen weiteren Fasermantel aufweist, der den innersten Fasermantel ummantelnd angeordnet ist und einen weiteren Brechungsindex n_w aufweist, und dass der Brechungsindex n_innen des innersten Fasermantels größer als der weitere Brechungsindex n_w ist.
Die Erfindung sieht damit mindestens einen weiteren Fasermantel vor, der den inneren Fasermantel ummantelt, wobei dieser weitere Fasermantel einen geringeren Brechungsindex aufweist als der innere Fasermantel.
Der radial innere erste Fasermantel ist daher optisch dichter als der radial äußere zweite Fasermantel. Dadurch wird eine interne Totalreflexion von im radial inneren ersten Fasermantel propagierendem Licht, das auf die Grenzfläche zwischen dem radial inneren ersten und dem radial äußeren zweiten Fasermantel einfällt, begünstigt, was eine verlustarme Wellenleitung im radial inneren ersten Fasermantel begünstigt und damit einen unerwünschten Übertritt von im radial inneren ersten Fasermantel propagierendem Verlustlicht in den radial äußeren zweiten Fasermantel verringert.
Damit wird innerhalb des radial inneren ersten Fasermantels eine verlustarme Wellenleitung für das von der Mikrostruktur der Hohlkernfaser nicht im Hohlkern transmittierte Verlustlicht ermöglicht. Als Folge wird eine unkontrollierte und unerwünschte Querabstrahlung verringert. Durch die Verringerung dieser quer zur Faserlängserstreckung abgestrahlten Verlustleistung werden Beschädigungen der Fasermäntel vermieden. Die Erfindung erlaubt damit eine Übertragung von Laserstrahlung hoher mittlerer Leistung durch mikrostrukturierte Hohlkernfasern mittels innerhalb der Fasermäntel gezielt erfolgender Führung des bei der Strahlführung durch Hohlkernfasern auftretenden Verlustlichtes .
Diese Verluststrahlung wird durch die Erfindung insbesondere daran gehindert, unkontrolliert seitlich aus der mikrostrukturierten Faserleitung auszutreten und dabei entweder Jacket bzw. Buffer oder die Umgebung beschädigen. Das Verlustlicht kann durch die mit der Erfindung erzielte Wellenleitung dann beim Austritt aus der mikrostrukturierten Hohlkernfaserleitung kontrolliert abgeleitet und ggfs, absorbiert werden.
Die vorliegende Erfindung stellt damit eine Hohlkernfaser bereit, die das Austreten der Verlustleistung verhindert, die sonst eine Zerstörung der Hohlkernfaser bzw. des umgebenden Schutzmantels bewirken könnte. Die Erfindung ermöglicht damit eine Übertragung von Laserlicht hoher mittlerer Leistung (cw-Laserlicht) durch eine Hohlkernfaser . Die Erfindung ermöglicht eine gezielte Ableitung und Führung des Verlustlichtes und damit eine Übertragung höherer mittlerer Laserleistungen als beim Stand der Technik, der aus mikrostrukturierten Hohlkernfasern mit nur einem Fasermantel und einem Schutzmantel besteht. Erst die Erfindung ermöglicht den Einsatz mikrostrukturierter Hohlkernfasern zur Übertragung hoher cw Laserleistungen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Hohlkernfaser wenigstens zwei weitere Fasermäntel aufweist, von denen jeder einen Brechungsindex aufweist, wobei wenigstens einer der Brechungsindices der wenigstens zwei weiteren Fasermäntel kleiner als der Brechungsindex des innersten Fasermantels ist.
Bevorzugt ist auch, dass der Brechungsindex eines von zwei weiteren Fasermänteln, der den anderen der zwei weiteren Fasermäntel ummantelt, kleiner ist als der Brechungsindex des ummantelten weiteren Fasermantels.
Bevorzugte Ausgestaltungen zeichnen sich dadurch aus, dass wenigstens zwei weitere Fasermäntel vorhanden sind, so dass ein innerster (erster) Fasermantel von einem zweiten Fasermantel (der auch ein Schutzmantel sein kann) konzentrisch ummantelt wird, dieser von einem dritten Fasermantel (der auch ein Schutzmantel sein kann) konzentrisch ummantelt wird, und dass die Fasermäntel jeweils einen Fasermäntel-individuellen Brechungsindex aufweisen, wobei der Brechungsindex eines radial äußeren Fasermantels immer größer als der Brechungsindex eines sich radial einwärts weiter inneren erstreckenden Fasermantels ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass Materialstärken der Fasermäntel und des äußeren Schutzmantels so dimensioniert sind, dass aus dem mikrostrukturierten Hohlkern in den inneren Fasermantel oder den weiteren Fasermantel eingekoppeltes Verlustlicht dort interne Totalreflexionen erfährt. Für diesen Zweck bevorzugte Materialstärken liegen zwischen dem vierfachen und dem sechsfachen, insbesondere bei dem fünffachen der Laserlichtwellenlänge.
Bevorzugt ist auch, dass die mikrostrukturierte Hohlkernfaser ein Eingangsende aufweist, das zum Einkoppeln von Laserlicht in den mikrostrukturierten Hohlkern eingerichtet ist, und ein Ausgangsende aufweist, das zum Auskoppeln von Laserlicht aus dem mikrostrukturierten Hohlkern eingerichtet ist.
Weiter ist bevorzugt, dass die Hohlkernfaser dazu eingerichtet ist, aus dem mikrostrukturierten Hohlkern in den inneren Fasermantel oder den weiteren Fasermantel eingekoppeltes Laserlicht (Verlustlicht) durch Wellenleitung bis an das Ausgangsende der mikrostrukturierten Hohlkernfaser zu leiten und das Laserlicht dort aus den Fasermänteln austreten zu lassen.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Hohlkernfaser wenigstens einen mode stripper aufweist, der zwischen dem Eingangsende und dem Ausgangsende angeordnet ist und der dazu eingerichtet ist, aus dem mikrostrukturierten Hohlkern in die Fasermäntel und/oder den Schutzmantel eingekoppeltes Laserlicht (Verlustlicht) quer zur Längserstreckung dieser Fasermäntel aus diesen Fasermänteln auszukoppeln.
Bevorzugt ist auch, dass die Hohlkernfaser mehrere mode stripper aufweist, die über die Länge der mikrostrukturierten Hohlkernfaser verteilt angeordnet sind.
Diese Ausgestaltung erlaubt eine kontrollierte Ableitung von Verlustleistung. Die Verlustleistung kann damit kontrolliert seitlich aus der Hohlkernfaser ausgekoppelt werden, ohne dabei Schäden zu verursachen. Ein Transport unerwünscht hoher Verlustleistung entlang der Längserstreckung kann dadurch vermieden werden, da der seitlich ausgekoppelte Anteil nicht mehr bis zum Austrittsende der Hohlkernfaser geführt werden muss.
Eine weitere Ausgestaltung ist der zusätzliche oder alternative Einsatz eines sogenannten „Airclad" zwischen dem ersten und zweiten Fasermantel bzw. weiteren optionalen Mänteln .
Mit diesen Luftmänteln ergibt sich im Vergleich zu Ausgestaltungen ohne solche Luftmäntel der Vorteil einer höheren numerischen Apertur.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren jeweils gleiche Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
Figur 1 einen Querschnitt durch eine bekannte Hohlkernfaser;
Figur 2 einen Längsschnitt der Hohlkernfaser aus der Figur 1;
Figur 3 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Hohlkernfaser; und
Figur 4 einen Längsschnitt der Hohlkernfaser aus der Figur 3.
Im Einzelnen zeigt die Figur 1 einen Querschnitt einer als bekannt vorausgesetzten mikrostrukturierten Hohlkernfaser 10.
Die Schnittebene liegt rechtwinklig zur Längserstreckung der Hohlkernfaser. Die Schnittebene ist zum Beispiel eine x-y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems. Die Längserstreckung ist in diesem Fall lokal, d.h. in der Schnittebene, parallel zu der z-Richtung des Koordinatensystems ausgerichtet.
Figur 2 zeigt eine mikrostrukturierte Hohlkernfaser 10, wie sie in der Figur 1 abgebildet ist, in einem Längsschnitt. Der Längsschnitt ist dadurch definiert, dass er der Längserstreckung der Hohlkernfaser 10 so folgt, dass das Zentrum eines hohlen Kerns 12 der Hohlkernfaser 10 immer in der Zeichnungsebene liegt.
Die mikrostrukturierte Hohlkernfaser 10 weist einen sich längs der Hohlkernfaser 10 erstreckenden mikrostrukturierten Hohlkern 12 auf. Der Hohlkern 12 weist Mikrostrukturen 14 mit mindestens einem ersten Brechungsindex n auf und ist von einem inneren Fasermantel 16 mit einem Brechungsindex n_innen umgeben, so dass der innere Fasermantel den Hohlkern radial begrenzt. Der innere Fasermantel wird von einem äußeren Schutzmantel 18 ummantelt, der einen Schutzmantelbrechungsindex n_außen aufweist .
Die Figuren 1 und 2 verdeutlichen damit insgesamt den Aufbau einer als bekannt vorausgesetzten Hohlkernfaser 10.
Bei der bekannten Hohlkernfaser 10 ist der erste Brechungsindex n typischerweise gleich dem Brechungsindex n innen des inneren Fasermantels 16, während der Brechungsindex n_außen des Schutzmantels 18 typischerweise größer als der Brechungsindex n_innen ist.
Beim Propagieren von single mode Laserlicht 20 mit hohem Leistungsmittelwert treten Verluste auf, die im Folgenden auch als Verlustlicht 22 bezeichnet werden. Dieses Verlustlicht 22 tritt beim Stand der Technik über den inneren Fasermantel 16 und den äußeren Schutzmantel 18 seitlich unkontrolliert aus der Hohlkernfaser 10 und kann dabei insbesondere den äußeren Schutzmantel 18 und ggf. auch Objekte in der Umgebung der Hohlkernfaser 10 beschädigen und/oder Personen in dieser Umgebung verletzen.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hohlkernfaser 100 zur Übertragung von Laserlicht. Die Schnittebene ist auch hier zum Beispiel eine x-y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems.
Figur 4 zeigt eine mikrostrukturierte Hohlkernfaser 100, wie sie in der Figur 3 abgebildet ist, in einem
Längsschnitt. Der Längsschnitt ist dadurch definiert, dass er der Längserstreckung der Hohlkernfaser 100 so folgt, dass das Zentrum des hohlen Kerns der Hohlkernfaser immer in der Zeichnungsebene liegt.
Die Längserstreckung ist in diesem Fall lokal, d.h. in der Schnittebene, parallel zu der z-Richtung des Koordinatensystems ausgerichtet. Die mikrostrukturierte Hohlkernfaser 100 weist einen sich längs der Hohlkernfaser 100 erstreckenden mikrostrukturierten Hohlkern 12 auf. Der Hohlkern 12 weist Mikrostrukturen 14 mit mindestens einem ersten Brechungsindex n auf und ist von einem innersten
Fasermantel mit einem Brechungsindex n_innen umgeben, so dass der innerste Fasermantel 16 den Hohlkern 12 radial begrenzt. Der innerste Fasermantel 16 wird von einem äußeren Schutzmantel 18 ummantelt, der einen Schutzmantelbrechungsindex n_außen aufweist.
Die mikrostrukturierte Hohlkernfaser 100 weist ein Eingangsende 24 auf, das zum Einkoppeln von Laserlicht in den mikrostrukturierten Hohlkern 12 eingerichtet ist, und sie weist ein Ausgangsende 26 auf, das zum Auskoppeln von Laserlicht 20 aus dem mikrostrukturierten Hohlkern 12 eingerichtet ist. Das Eingangsende 24 und das Ausgangsende 26 weist dazu jeweils eine Endfläche 24.1, 26.1 auf, die quer zur Längsrichtung der Hohlkernfaser 100 ausgerichtet ist. In dem hohlen Kern 12 propagierendes single mode
Laserlicht 20 trifft dann so steil auf die zur Auskopplung dienende Endfläche 26.1 auf, dass es dort keine interne Totalreflexion erfährt und stattdessen transmittiert wird. Analog dazu erfolgt die Einkopplung zum Beispiel über die zur Einkopplung dienende Endfläche 24.1. Zur Einkopplung und Auskopplung dienende Endflächen können auch an seitlichen Vorsprüngen oder seitlichen Einschnitten der Hohlkernfaser 100 angeordnet sein. Die Figuren 3 und 4 verdeutlichen damit insgesamt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hohlkernfaser 100.
Die Hohlkernfaser 100 weist zusätzlich zu dem innersten Fasermantel 16 und dem äußeren Schutzmantel 18 mindestens einen weiteren Mantel 28 auf, der zwischen dem innersten Fasermantel 16 und dem äußeren Schutzmantel 18 den innersten Fasermantel 16 ummantelnd angeordnet ist. Die in dieser Anmeldung genannten Ummantelungen sind bevorzugt konzentrische Ummantelungen.
Bei der erfindungsgemäßen Hohlkernfaser 100 weisen die Mikrostrukturen 14 einen ersten Brechungsindex n auf. Der innerste Fasermantel 16 weist einen Brechungsindex n_innen auf, und der äußere Schutzmantel 18 weist einen Schutzmantelbrechungsindex n_außen auf.
Der bei einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehene mindestens eine weitere Fasermantel 28, der zwischen dem innersten Fasermantel 16 und dem äußeren Schutzmantel 18 den innersten Fasermantel 16 ummantelnd angeordnet ist, weist einen weiteren Brechungsindex n_w auf. Der weitere Brechungsindex n_W ist kleiner als der Brechungsindex n_innen, und der weitere Brechungsindex n_w ist größer als der Brechungsindex n_außen des Schutzmantels 18.
Damit ist der relativ zum weiteren Fasermantel 28 radial weiter innen und damit näher an den Mikrostrukturen 14 und dem Hohlkern 12 liegende innere Fasermantel 16 optisch dichter als der weitere Fasermantel 28. Die größere optische Dichte des innersten Fasermantels 16 begünstigt das Auftreten interner Totalreflexionen von Verlustlicht 22, das im innersten Fasermantel 16 propagiert und auf die Grenzfläche zum weiteren Fasermantel 28 einfällt. Außerdem ist der weitere Brechungsindex n_w größer als der Brechungsindex n_außen des Schutzmantels 18.
Die im Vergleich zur optischen Dichte des äußeren Schutzmantels 18 größere optische Dichte des weiteren Fasermantels 28 begünstigt das Auftreten interner Totalreflexionen von Verlustlicht 22, das im weiteren Fasermantel 28 propagiert und auf die Grenzfläche zum äußeren Schutzmantel einfällt.
Die Materialstärken der Fasermäntel 16, 28 und des äußeren Schutzmantels 18 sind so dimensioniert, dass aus dem mikrostrukturierten Hohlkern 12 in die Fasermäntel 16, 28 eingekoppeltes Verlustlicht 22 dort interne Totalreflexionen erfährt.
Daraus ergibt sich der Effekt, dass eine kontrollierte Ableitung von Verlustlicht 22 durch längs des innersten Fasermantels 16 und des weiteren Fasermantels 28 erfolgende Wellenleitung begünstigt wird. Diese erwünschte Begünstigung tritt erwünschtermaßen zu Lasten einer unkontrollierten radialen Abstrahlung von aus dem Hohlkern 12 in den innersten Fasermantel 16 übergetretenem Verlustlicht 22 auf. Auf diese Weise ist die Hohlkernfaser 100 dazu eingerichtet, aus dem mikrostrukturierten Hohlkern 12 in die Fasermäntel 16, 28 eingekoppeltes Laserlicht durch Wellenleitung bis an das Ausgangsende 26 der mikrostrukturierten Hohlkernfaser 100 zu leiten und das Verlustlicht 22 dort aus den Fasermänteln 16, 28 austreten zu lassen.
Das längs der Hohlkernfaser 100 in den Fasermänteln 16, 28 propagierende Verlustlicht 22 kann alternativ oder ergänzend zu einer kontrollierten Auskopplung an dem Ausgangsende 26 der Hohlkernfaser 100 auch durch seitlich an der Hohlkernfaser 100 angebrachte mode stripper kontrolliert aus den Fasermänteln 16, 18 ausgekoppelt werden. Solche mode stripper können zum Beispiel als lokale Vorsprünge oder Einschnitte in den Verlustleistung 22 führenden Fasermänteln 16, 28 verwirklicht sein. Solche Vorsprünge oder Einschnitte weisen Grenzflächen auf, die so orientiert sind, dass dort auftreffendes Verlustlicht 22 keine interne Totalreflexion erfährt, sondern kontrolliert radial umgelenkt und damit kontrolliert seitlich aus der Hohlkernfaser 100 ausgekoppelt wird.
Ein oder mehrere mode stripper können zwischen dem Eingangsende 24 und dem Ausgangsende 26 angeordnet sein und auf diese Weise aus dem mikrostrukturierten Hohlkern 12 in die Fasermäntel 16, 28 und/oder den Schutzmantel 18 eingekoppeltes Verlustlicht 22 quer zur Längserstreckung dieser Mäntel aus diesen Mänteln auskoppeln.
Eine weitere mögliche Ausführungsvariante ist der zusätzliche oder alternative Einsatz eines sogenannten „Airclad" zwischen dem innersten Fasermantel 16 und dem weiteren Fasermantel 28 bzw. weiteren optionalen Fasermänteln .
Das in den Figuren 3 und 4 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Hohlleiters weist zusätzlich zu dem radial innersten Fasermantel 16 zwei weitere Fasermäntel 28 und 18 auf. Der radial am weitesten außen liegende weitere Fasermantel 18 ist bevorzugt ein Schutzmantel und umgibt den anderen weiteren Fasermantel 28 konzentrisch. Der weitere Fasermantel 28 umgibt den innersten Fasermantels 16 konzentrisch .
Wenigstens einer der Brechungsindices der wenigstens zwei weiteren Fasermäntel 18, 28 ist kleiner als der Brechungsindex des innersten Fasermantels 16.
Der Brechungsindex eines von den zwei weiteren Fasermänteln, der den anderen der zwei weiteren Fasermäntel ummantelt, ist kleiner als der Brechungsindex des ummantelten weiteren Fasermantels, hier des weiteren Fasermantels 28. Der ummantelnde weitere Fasermantel ist hier der Fasermantel 18.
In einer Ausgestaltung mit nur einem weiteren Fasermantel kann dieser gleichzeitig der Schutzmantel sein. So kann dieser Schutzmantel in Silikon ausgeführt sein und damit auch das austretende Laserlicht durch interne Totalreflexionen im ersten Fasermantel führen. Ein solches Ausführungsbeispiel geht zum Beispiel aus dem Ausführungsbeispiel der Figuren 3 und 4 durch Weglassen des sich radial am weitesten außen erstreckenden Fasermantels 18 hervor.
Wenn von drei konzentrisch angeordneten Fasermänteln 16, 28, 18 der sich radial zwischen dem innersten und dem äußersten Fasermantel erstreckende mittlere Fasermantel einen kleineren Brechungsindex aufweist als der innerste Fasermantel, muss der sich am weitesten außen erstreckende Fasermantel nicht notwendigerweise auch einen kleinen Berechnungsindex aufweisen, da das Laserlicht schon durch den mittleren Fasermantel im innersten Fasermantel geführt wird. Es würde auch ausreichen, wenn nur einer der beiden weiteren Fasermäntel einen kleineren Brechungsindex aufweist als der radial innerste Fasermantel, um das Laserlicht durch interne Totalreflexionen innerhalb der Anordnung zu führen.

Claims

Patentansprüche
1. Zur Übertragung von Laserlicht (20) eingerichtete Hohlkernfaser (100), die einen sich in Faserrichtung erstreckenden mikrostrukturierten Hohlkern (12) aufweist, der Mikrostrukturen (14) mit mindestens einem ersten Brechungsindex n aufweist und der von einem inneren Fasermantel (16) mit einem Brechungsindex n_innen umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkernfaser (100) mindestens einen weiteren Fasermantel (28) aufweist, der den inneren Fasermantel (16) ummantelnd angeordnet ist und einen weiteren Brechungsindex n_w aufweist, und dass der Brechungsindex n_innen des inneren Fasermantels (16) größer als der weitere Brechungsindex n_w ist.
2. Hohlkernfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens zwei weitere Fasermäntel aufweist, von denen jeder einen Brechungsindex aufweist, wobei wenigstens einer der Brechungsindices der wenigstens zwei weiteren Fasermäntel kleiner als der Brechungsindex des innersten Fasermantels (16) ist.
3. Hohlkernfaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex eines von zwei weiteren Fasermänteln, der den anderen der zwei weiteren Fasermäntel ummantelt, kleiner ist als der Brechungsindex des ummantelten weiteren Fasermantels.
4. Hohlkernfaser (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens zwei weitere Fasermäntel aufweist, wobei ein innerster, erster Fasermantel von einem zweiten Fasermantel konzentrisch ummantelt wird, dieser von einem dritten Fasermantel konzentrisch ummantelt wird, und dass die Fasermäntel jeweils einen Fasermäntel-individuellen Brechungsindex aufweisen, wobei der Brechungsindex eines radial äußeren Fasermantels immer größer als der Brechungsindex eines sich radial einwärts weiter innen erstreckenden Fasermantels ist, so dass der Brechungsindex der Anordnung der Fasermäntel von innen nach außen abnimmt.
5. Hohlkernfaser (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstärken des inneren Fasermantels (16) und des weiteren Fasermantels (28) so dimensioniert sind, dass aus dem mikrostrukturierten Hohlkern (12) in den inneren Fasermantel (16) und/oder den weiteren Fasermantel (28) eingekoppeltes Verlustlicht (22) dort interne Totalreflexionen erfährt.
6. Hohlkernfaser (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrostrukturierte Hohlkernfaser (100) ein Eingangsende (24) aufweist, das zum Einkoppeln von Laserlicht (20) in den mikrostrukturierten Hohlkern (12) eingerichtet ist und ein Ausgangsende (26) aufweist, das zum Auskoppeln von Laserlicht (20) aus dem mikrostrukturierten Hohlkern (12) eingerichtet ist.
7. Hohlkernfaser (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu eingerichtet ist, aus dem mikrostrukturierten Hohlkern (12) in den inneren Fasermantel (16) eingekoppeltes Verlustlicht (22) durch Wellenleitung bis an das Ausgangsende (26) der mikrostrukturierten Hohlkernfaser (12) zu leiten und das Verlustlicht (22) dort aus dem inneren Fasermantel (16) austreten zu lassen.
8. Hohlkernfaser (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen mode stripper aufweist, der zwischen dem Eingangsende (24) und dem Ausgangsende (26) angeordnet ist und der dazu eingerichtet ist, aus dem mikrostrukturierten Hohlkern (12) in den inneren Fasermantel (16) oder den weiteren Fasermantel (28) und/oder den Schutzmantel (18) eingekoppeltes Verlustlicht (22) quer zur Längserstreckung der mikrostrukturierten Hohlkernfaser (100) aus dieser auszukoppeln.
9. Hohlkernfaser (100) nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere mode stripper aufweist, die über die Länge der mikrostrukturierten Hohlkernfaser (100) verteilt angeordnet sind.
10. Hohlkernfaser (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftmantelschicht zwischen dem inneren Fasermantel (16) und dem weiteren Fasermantel (28) angeordnet ist.
11. Hohlkernfaser (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem radial äußersten Fasermantel und dem Schutzmantel (18) eine Luftmantelschicht angeordnet ist.
12. Hohlkernfaser (100) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brechungsindex der Mikrostrukturen (14) gleich dem Brechungsindex n_innen des inneren Fasermantels (16) ist.
13. Hohlkernfaser (100) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Fasermantel (28) den inneren Fasermantel (16) konzentrisch umgibt.
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