EP4433852A1 - Modenfeldadapter - Google Patents

Modenfeldadapter

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Publication number
EP4433852A1
EP4433852A1 EP22817651.7A EP22817651A EP4433852A1 EP 4433852 A1 EP4433852 A1 EP 4433852A1 EP 22817651 A EP22817651 A EP 22817651A EP 4433852 A1 EP4433852 A1 EP 4433852A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fiber
mode field
adapter
field adapter
mode
Prior art date
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Pending
Application number
EP22817651.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sören Kumkar
Aleksander BUDNICKI
Florian Jansen
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.)
Trumpf Laser GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser 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 Trumpf Laser GmbH filed Critical Trumpf Laser GmbH
Publication of EP4433852A1 publication Critical patent/EP4433852A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • G02B6/024—Optical fibres with cladding with or without a coating with polarisation maintaining properties
    • 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
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/14—Mode converters
    • 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
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06754—Fibre amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light

Definitions

  • the present invention relates to a mode field adapter for adapting a mode field of an input fiber to the mode field of an output fiber, in particular for use in high-power fiber laser systems.
  • a mode field adapter is used to connect an input fiber with a small mode field to an output fiber with a large mode field.
  • a mode field adapter e.g preamplified. This ensures laser light with high beam quality and a correspondingly preferably dominant fundamental mode, which is converted into an area with a large mode field via the mode field adapter.
  • the provision of a larger mode field in the output fiber enables an increased maximum output power of the laser through external optical amplifiers due to the associated greater maximum tolerable power of the laser light.
  • a mode field adapter is known from US 2011/0249321 A1, which connects a seed fiber or input fiber to an amplifier fiber or output fiber, the output fiber having a larger core diameter than the input fiber.
  • the mode field adapter has a first fiber with an inner region with a homogeneous refractive index distribution, the inner region with a homogeneous refractive index distribution being larger than the core diameter of the Seed laser or input fiber.
  • the mode field adapter has a second fiber which is arranged downstream of the first fiber and has an inner region with a radially gradually decreasing refractive index (graded index (GRIN)). The length of the GRIN fiber/GRIN lens is adjusted to focus the laser light from the input fiber into the core area of the output fiber.
  • GRIN graded index
  • the smaller core of the input fiber corresponds to a small mode field diameter, with the larger second core of the output fiber corresponding to a large mode field diameter.
  • the fiber with homogeneous refractive index in the inner region which represents the first part of the mode field adapter, thus expands the mode field of the light originating from the narrow input fiber core, which is collimated in the post-second part, the graded index fiber, into the larger fiber core of the output fiber, whereby the mode field is adjusted.
  • the two-part structure of the mode field adapter of this type requires a relatively high and complex manufacturing outlay, since the connection of the input fiber, the mode field adapter and the output fiber requires splicing at three positions and a total of four cleavages. In addition to the increased production costs, multiple splicing processes also require increased power losses at the spliced points.
  • the very short mode field adapter components must be manufactured very precisely in order to ensure suitable collimation of the laser light in the subsequent output fiber with a larger mode volume. This is of great relevance in particular for maintaining a high beam quality.
  • this design In order to ensure polarization-preserving guidance of the laser light through the mode field adapter, this design also requires a very short mode field adapter (between 0.5 mm and 1 mm), which limits the design of the component.
  • a mode field adapter for adapting a mode field of an input fiber to the mode field of an output fiber is proposed, comprising a mode field adapter fiber.
  • the mode field adapter fiber has a mode field adjustment section for adjusting the mode field diameter of the mode field of the input fiber to the mode field of the output fiber, the mode field adapter fiber having a length of between 5 mm and 150 mm and the mode field adjustment section having a length of between 5 mm and 50 mm, preferably a length of between 15 mm and 50 mm , wherein the mode field adapter fiber transfers polarized light from the input fiber into the output fiber in a polarization-preserving manner.
  • the embodiments of the input and output fibers can be of different fiber types.
  • the present invention includes, but is not limited to: step-index fibers, gradient-index fibers, and microstructured fibers in the form of hollow-core fibers or photonic crystal fibers (PCF).
  • PCFs photonic crystal fibers
  • photonic bandgap fibers and double-clad active core PCFs should be mentioned, the latter being particularly relevant for fiber laser applications.
  • Stepped-index fibers comprise a fiber cladding and a light-guiding core and are characterized in particular by a stepwise changing refractive index, the refractive index of the core being greater than the refractive index of the fiber cladding, which ensures its light-guiding property.
  • double clad step-index fibers can be used comprising two coaxially arranged fiber claddings, with the refractive index of the outer cladding being less than the refractive index of the inner cladding and the refractive index of the inner cladding being less than that of the fiber core.
  • the refractive index of the outer cladding being less than the refractive index of the inner cladding
  • the refractive index of the inner cladding being less than that of the fiber core.
  • a light-guiding property of the fiber core and a further light-guiding property of the inner cladding are ensured.
  • Single as well as double clad step index fibers can also be equipped with an active doped core, whereby the doping can be carried out with rare earth metals, for example.
  • Doped active cores are particularly important for fiber laser systems.
  • the light-conducting property of the inner cladding is preferably used for the optical amplification of laser light guided in an active, doped core.
  • graded-index fibers there is no well-defined light-guiding core; instead, the light is guided via a refractive index that decreases gradually and radially outwards.
  • these fiber types allow a reduced modal dispersion of the guided light.
  • a fiber is microstructured, with the microstructuring corresponding to a periodic arrangement of holes along the fiber axis.
  • the solid core of the fiber may be unstructured while the surrounding fiber material is structured with holes in the form of a triangular or honeycomb lattice.
  • the light-guiding property is achieved through an effectively higher refractive index in the unstructured core compared to the structured cladding.
  • a photonic crystal fiber can be designed as a photonic band gap fiber.
  • an air-filled hollow core can be formed, which is surrounded by a periodically structured jacket, which is structured, for example, as a triangular lattice or honeycomb lattice with air-filled holes.
  • a periodically structured jacket which is structured, for example, as a triangular lattice or honeycomb lattice with air-filled holes.
  • Such a periodic structure of the refractive index in the cladding affects the propagation of light by diffraction and interference, and can allow exclusive propagation of light within a narrow wavelength range in the hollow core while propagation of light beyond this range is suppressed.
  • Fiber designs with a hollow, air-filled core are also referred to as hollow-core fibers.
  • photonic band gap fibers do not guide the light by means of differences in refractive index between the core and cladding, but via the periodic arrangement of the hole structure in the cladding, which leads to a photonic band gap and allows or suppresses the propagation of certain wavelengths.
  • photonic crystal fibers can also be designed with an active, doped core instead of with an undoped, solid fiber core or an air-filled hollow core, it being possible for the active core to be doped with various rare earth metals. This variant is particularly relevant for fiber laser systems.
  • photonic crystal fibers or photonic band gap fibers can also be designed as double-clad fibers.
  • the second cladding can be designed as an air-clad, which is realized, for example, by means of concentrically arranged, air-filled holes around the fiber core.
  • the air jacket causes a light-guiding property in the inner cladding, which is particularly important for optical amplification in fiber laser systems.
  • the exemplary air cladding just described is not limited to photonic crystal fibers but can be used in any type of fiber.
  • the mode field adaptation of the mode field adapter according to the invention is not limited to step-index fibers, the mode field is primarily used within the scope of the invention to characterize the fibers.
  • the mode field of any type of glass fiber can be generally expressed by an effective mode field area A eff , which corresponds to a measure of the cross-sectional area effectively covered by the spatial intensity distribution of the light modes present in the fiber.
  • a general expression, independent of the fiber type, for the effective mode area A eff of a fiber with a longitudinal direction along the z-axis and transversal axes x and y can be calculated as follows:
  • fibers are divided into single-mode fibers and multi-mode fibers. While single-mode fibers are designed in such a way that they can only carry the fundamental mode with an approximately Gaussian radial intensity profile for a specified light wavelength, the propagation of several modes is permitted in multimode fibers. With the exception of photonic crystal fibers, the number of permitted modes is essentially determined by the effective mode field area A eff of the guided light of a specific wavelength and the numerical aperture of the fiber. However, the special design of photonic crystal fibers enables nominally the same effective mode field area and numerical aperture, a significantly reduced number of permitted modes compared to more conventional fiber types such as step-index fibers or gradient-index fibers.
  • single-mode fibers are to be preferred, since the light propagation of these modes at the fiber output is only diffraction-limited. Furthermore, the use of single-mode fibers with a large effective mode field area, such as by means of photonic crystal fibers, is of particular advantage, since it enables a simultaneous realization of high output beam quality and a large mode field. Since a large mode field permits high optical power, powerful laser light with high brilliance can be achieved, for example, in fiber laser systems.
  • the mode field radius w can also be determined with the help of the geometric core radius a of the fiber in question. According to Marcuse's equation: w 1.619 2.879
  • the V number corresponds to a dimensionless parameter that can be viewed as a kind of normalized optical frequency.
  • the geometric fiber core radius a weighted with the numerical aperture NA is normalized to the laser frequency used, which is proportional to the reciprocal wavelength ⁇ .
  • the 7 number is a criterion for distinguishing between single-mode fibers and multimode fibers with respect to step-index fibers.
  • a fiber can only have one mode (the Fundamental mode) transport per polarization direction.
  • Multimode fibers are correspondingly characterized by larger V numbers.
  • the main difference between the input and output fiber is characterized in that the mode field of the input fiber differs from the mode field of the output fiber.
  • the modal field of the input fiber may be smaller than the modal field of the output fiber.
  • the input fiber mode field may also be larger than the output fiber mode field.
  • the function of the mode field adapter is not limited to the adjustment of mode fields for single mode fibers or multimode fibers, an adjustment can be made correspondingly for both fiber types.
  • the input fiber can be a single mode fiber and the output fiber a multimode fiber or vice versa.
  • the classification of a fiber as singlemode fiber or multimode fiber can be done using the V number.
  • the fiber is classified as a singlemode fiber if V ⁇ 2.405, and as a multimode fiber if V > 2.405.
  • the proposed mode field adapter which is intended for the connection between the input and output fibers described above, is in particular designed as a glass fiber itself and comprises a core and a cladding, the cladding having a lower refractive index than the light-guiding core.
  • the mode field adapter fiber of this type has a length of between 5 mm and 150 mm, as well as a mode field adaptation section, which in particular has a length of between 5 mm and 150 mm, preferably a length of between 15 mm and 50 mm.
  • the core diameter within a mode field adaptation section is designed to be expanding along its longitudinal direction and accordingly includes an end with a non-expanded core and an end with a maximally expanded core.
  • the cladding diameter can correspond to the gradual expansion of the core, in a preferred one
  • the jacket diameter is constant and is at least 130 ⁇ m and less than 900 ⁇ m, for example 400 ⁇ m in a preferred embodiment.
  • the expanding core diameter of the mode field adapter corresponds to an increasing mode field, but there is no generally applicable relationship between the geometric core diameter and the mode field due to the different manufacturing processes of the mode field adapter.
  • the mode field can be characterized by the effective mode field area A eff .
  • An adjustment of the mode fields on the input and output side of the mode field adapter therefore generally takes place via an adjustment of the mode fields and not necessarily via an adjustment of the geometric core diameter. The latter only makes sense for step-index fibers, where a clear separation between core and cladding can be specified via the stepwise changing refractive index.
  • that end of the mode field adapter which has the unexpanded core diameter has a comparatively small mode field and is matched to the mode field of the input fiber, while that end with the maximum expanded core diameter has a larger mode field and is matched to the mode field of the output fiber.
  • the mode field of the input fiber can also be larger than the mode field of the output fiber.
  • the mode field adapter can be used in reverse and thus convert a large mode field of the input fiber into a smaller mode field of the output fiber.
  • the core of the mode field adapter which gradually expands in diameter, can be realized by various processes.
  • a common method of manufacturing the mode field adapter fiber is to “taper” a fiber, whereby a fiber is locally heated and thereby stretched at its ends, making it thinner and longer at the heated point.
  • a corresponding cleaving at the thinned point and at an unchanged, thicker point creates the mode field adapter. With this method, the expansion of the light-guiding core and the cladding correspond.
  • a further option for producing the mode field adapter that is preferred here consists in thermally expanding the core (TEC) of the mode field adapter fiber.
  • TEC thermally expanding the core
  • a fiber with a small mode field is exposed to a heating profile that varies along the longitudinal axis.
  • the glass components that define the radial profile of the fiber core diffuse and the mode field of the fundamental mode increases.
  • the boundary between the core and the cladding is no longer well-defined due to the process.
  • no well-defined value of the geometric core diameter can be given in the expanded region of the core.
  • the calculation/measurement of the mode field is used to define the light-carrying part of the fiber.
  • the core of a thermally expanded mode field adapter fiber has, for example, a gradual expansion of the geometric core diameter from 10 ⁇ m to a mode field diameter of 30 ⁇ m.
  • a mode field diameter only makes sense for radially symmetrical mode profiles of the light in the fiber, since a circular definition of the mode field area is only permissible in this case. The latter is typically only reliably given in single-mode fibers. In order to adequately adapt the mode field to a subsequent single-mode output fiber, this should also be designed with a mode field diameter of 30 ⁇ m.
  • the unexpanded end and the maximally expanded end of the mode field adapter fiber are first polished and optionally cleaved.
  • the goal of polishing and/or cleaving is to produce a flat end of the fiber that is as perfect as possible.
  • the two ends of the mode field adapter fiber are spliced to the input fiber and output fiber, respectively, with the corresponding mode fields of the fiber cores being connected to one another.
  • the light-guiding cores of the glass fibers to be spliced are precisely aligned with one another and then connected to one another using various methods. For example, the connection can take place via a fusion splice, in which the ends are fused together with an electric arc.
  • Such a monolithic construction i.e. the mode field matching of the input and output fibers is done by means of a mode field adapter which is made exclusively of fiber components
  • a mode field adapter which is made exclusively of fiber components
  • the Input fiber which can carry a fundamental mode with a small mode field, can be adjusted with the input-side mode field of the mode field adapter fiber in such a way that (e.g. by means of an input-side splice of the input fiber to the mode field adapter fiber) optical coupling of the mode fields with a loss of ⁇ 3 dB, preferably ⁇ 1 dB is possible.
  • the mode field adapter fiber with an enlarged mode field should be matched to the likewise larger mode field of the output fiber in such a way that a loss of ⁇ 3 dB, preferably ⁇ 2 dB, is possible.
  • the input and output fibers are made polarization maintaining (PM).
  • Polarization-preserving means that light of a certain polarization state radiated into a fiber maintains this polarization state over a certain distance along the fiber.
  • An opposite deterioration of the polarization state is induced by the fact that there are increasingly orthogonal polarization states of the light (compared to the polarization state of the incident light).
  • a quantitative variable for describing the state of polarization can be specified via the polarization ratio, which can be formed from the desired polarization component of the incident light and the proportion of the state of polarization orthogonal thereto.
  • a change in the state of polarization can correspondingly be specified by the percentage of the incident polarization of light that is converted into the polarization orthogonal thereto when passing through the mode field adapter fiber.
  • a fiber is not polarization-maintaining even over very short distances, because despite the circular symmetry of a fiber, the smallest impurities, asymmetries or stress-generating bending cause a weak and random, parasitic birefringent property of the fiber, which, however, is already due to the typically very small microscopic light wavelengths over short but macroscopic distances has a significant influence on the polarization through the birefringence-induced coupling between the polarization states.
  • a strong but well-defined birefringence is intentionally created in the fiber, allowing two well-defined states of polarization to propagate with unique and distinct phase velocities.
  • the beat length can then be defined, which is given by the distance along the fiber over which one of the polarization states experiences a delay of one wavelength compared to the orthogonal polarization state.
  • the intrinsic parasitic coupling between the orthogonal polarization states provides a finite amplitude in polarization state 2 with definite phase.
  • the same random coupling again provides a finite amplitude in polarization state 2, but with a 180° phase shift compared to the coupling at point 0, thereby canceling the wave components in polarization state 2.
  • the beat length from the externally induced birefringence should be significantly smaller than the length scale over which the parasitic birefringent coupling varies due to intrinsic effects such as bending and impurities. Accordingly, the incident polarization is maintained over a distance corresponding to a plurality of the beat length.
  • a fiber fabricated according to this principle can be created, for example, by non-circular symmetries of the fiber cladding and/or the core, or by opposing axially extending rods within the fiber cladding which are configured in such a way that they can induce stress-induced birefringence.
  • the proposed mode field adapter is polarization-maintaining, although the fiber material of the mode field adapter has no polarization-maintaining structures.
  • This feature is made possible by (1) the non-PM fiber piece representing the mode field adapter being sufficiently short, (2) the PM input fiber and the PM output fiber being aligned with each other according to their polarization axis before splicing, and (3) the entire Area of the transition in the mode field adapter fiber is held sufficiently stress-free in order to avoid deterioration of the degree of polarization due to stress-induced birefringence. Under these conditions, a test signal can then be coupled into the input fiber and the power and the polarization ratio at the output fiber can be optimized or maximized by aligning the fibers to one another.
  • the methods mentioned above for producing the mode field adaptation section are much easier to implement with non-polarization-maintaining fibers, especially when there are large differences between the diameters of the input and output fibers.
  • the presently proposed mode field adapter fiber which describes polarization-maintaining light guidance without explicitly polarization-maintaining structures, therefore ensures a greatly simplified production of a polarization-maintaining mode field adapter.
  • the mode field adapter fiber does not have any explicitly formed polarization-maintaining structures, such as, for example, stress rods or other birefringent structures that are intended to lead to polarization-maintaining propagation of the waves.
  • Asymmetric fiber or cladding constructions which can lead to polarization preservation, are also not intended for the mode field adapter fiber.
  • the mode field adapter fiber is held unbent by a holder, preferably straight, particularly preferably with a radius of curvature of more than 10 m. This ensures that randomly distributed or inhomogeneous stress-induced birefringence is avoided or reduced and the polarization in the mode field adapter is largely retained over its length.
  • Said holder comprises a tube, preferably a glass tube, which fixes the input fiber and the output fiber in the tube by means of an adhesive dot. Accordingly, the mode field adapter fiber is held indirectly in the tube, with the two adhesive spots closing the tube.
  • the present invention is not limited to a tube-shaped mount for the mode field adapter; on the contrary, any other suitable geometry for mounting can also be used within the scope of the invention.
  • the indirect attachment of the mode field adapter fiber is attached in a small quartz glass tube. It is attached using two adhesive dots, the adhesive dots being designed in such a way that they seal the tube.
  • the sealing adhesive dots primarily prevent/reduce the penetration of particles, but presumably also the penetration of water vapour. Storage that is as stress-free as possible is particularly preferred in order to avoid stress-induced birefringence. Accordingly, a preferably soft adhesive should be used for attachment.
  • the change in the state of polarization i.e. the percentage of the incident polarization of light that is converted into the orthogonal polarization when passing through the mode field adapter fiber by means of the aforementioned stress-free mount, is less than 25% (-6 dB), preferably smaller than 1% (-20dB).
  • the fiber connection between the input fiber, the mode field adapter fiber and the output fiber can be used as a laser amplification system.
  • the input and/or output fiber can be designed with a doped fiber core, which acts as an active laser medium.
  • the endowment can with suitable atoms such as erbium, ytterbium, thulium or neodymium, the present invention not being limited to the doping atoms mentioned.
  • the doping of the core forms the active medium for the stimulated emission and amplification of incident laser light for the fibers of the fiber laser.
  • mode field adapters with a large mode field on the output side is of particular relevance in fiber laser amplifier systems, which have high requirements for high output power and high beam quality at the same time. This is due to the fact that fibers with a small mode field but high light output have very high optical intensities, which lead to undesirable nonlinear light-matter interactions. Among other things, the latter result in frequency conversions and thus influence the quality of the laser light. Such non-linear effects can be suppressed by providing large mode fields, since the optical intensity can be kept comparatively low in them.
  • the input fiber can be in the form of a preamplifier fiber and/or the output fiber can be in the form of a main amplifier fiber.
  • the fibers are designed with an active medium in the core, which means that the laser light output can be increased using external pump light.
  • Designing the input fiber as a preamplifier fiber means in particular that the power of the laser light is limited by the smaller mode field.
  • the comparatively large mode field of the output fiber designed as a main amplifier fiber provides a large possible output power.
  • pump light can be coupled into the core of the input fiber and/or output fiber to amplify the laser light.
  • the pump light can be coupled into the inner cladding of the input fiber and/or output fiber to amplify the laser light.
  • the embodiment just mentioned, based on double-clad amplifier fibers, is particularly preferred for laser amplification, since the coupling of pump light into the inner cladding enables a higher pump power compared to coupling into the core of a single-clad amplifier fiber and at the same time high beam quality in the comparatively narrow core guided laser light ensures.
  • the input fiber is manufactured as a preamplifier fiber with small core diameters, preferably in the order of ⁇ 10 ⁇ m.
  • high power can be enabled at the end of the amplifier chain by using the output fiber as the main amplifier fiber with larger core diameters, preferably in the order of >20 ⁇ m.
  • laser radiation for example laser pulses
  • This laser light is coupled into the core of the input fiber with a small mode field and, if necessary, pre-amplified.
  • the mode field adapter where the injected laser light with a small mode field from the input fiber is adapted to the enlarged mode field of the output fiber.
  • the output fiber is used as an amplifier fiber by coupling laser radiation from a pump source into the cladding of the output fiber via a pump signal combiner.
  • the injected pump light amplifies the laser radiation in the output fiber.
  • Amplified laser radiation exits the output fiber of the laser system.
  • the seed source is designed, for example, as a diode with a fiber amplifier, fiber oscillator and optionally with a preamplifier. Alternative provision of laser light for coupling into the input fiber are not ruled out.
  • the pump source can be embodied, for example, as one or more fiber-coupled laser diodes, which are typically coupled to multimode fiber(s), the latter being referred to as pump fibers.
  • the pump signal combiner provides a device for coupling the pump light originating from an external pump source into the lateral surface of the output fiber designed as the main amplifier fiber, with the pump light being guided in the associated pump fibers.
  • several pump fibers from the pump source can be connected to the main amplifier fiber for this purpose.
  • the latter is typically done in such a way, but is not limited to, that the pump fibers are arranged around the output fiber, and the entire bundle (usually surrounded by a glass tube) is tapered in such a way that its dimensions correspond to those of the active fiber. Accordingly, the pump fibers and the active output fiber are fused in such a way that a stable and one-piece fiber construct is created.
  • external pump light can also be coupled in as part of the pump-signal combiner by means of free-beam optics.
  • pump light is pumped from a pump source into the lateral surface of the output fiber in the opposite direction to the incident laser light via the pump-signal combiner, whereby non-absorbed pump light reaches the lateral surface of the mode field adapter.
  • Pump light that is not absorbed can be decoupled from the system in an optionally provided modestripper on the mode field adapter. At high pump powers, this prevents the fiber components/amplifier fibers that are arranged in front of the mode field adapter from being destroyed and the pumped light from being coupled into the seed source undesirably.
  • the mode stripper section has a roughened outer surface on the fiber cladding, which can be produced, for example, by HF etching of the fiber cladding.
  • the fiber cladding of the mode stripper section can be coated with a layer that has a higher refractive index than the fiber cladding, as a result of which non-absorbed pump light is absorbed in the cladding or is coupled out laterally.
  • the mode stripper section extends over the mode field adjustment section.
  • the cladding has a relatively large cladding diameter of at least 130 ⁇ m, in particular a diameter of 400 ⁇ m, for example. This enables a homogeneous introduction of heat along the fiber, as a result of which any stress fields in the core that lead to a coupling of power into higher core modes through stress birefringence can be reduced/avoided.
  • non-absorbed pump light from the output Z-amplifier fiber can be guided to a large extent, preferably completely, in the cladding of the mode field adapter. The non-absorbed pump light guided in the cladding can be coupled out in the mode stripper, which prevents the fiber from being destroyed by non-absorbed pump radiation at the mode field adapter.
  • the relatively large cladding diameter of the mode field adapter results in a high inherent rigidity of the fiber, which simplifies the entire manufacturing process.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the longitudinal section of a mode field adapter fiber and a cross section of an input fiber and an output fiber;
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a longitudinal section of the mode field adapter fiber in connection with the input and output fibers with polarization-maintaining structures
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the holder for fixing the input and output fibers and the mode field adapter
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the structure of the fiber laser system including the mode field adapter.
  • FIG. 1 schematically shows a mode field adapter 1 in a longitudinal section.
  • the mode field adapter 1 has an input side 10 and an output side 12 .
  • the input side 10 of the mode field adapter 1 is designed to couple an input fiber 2, shown here very schematically in a cross section.
  • the coupling between the input side 10 of the mode field adapter 1 and the end face 20 of the input fiber 2 can be achieved, for example, via a splicing process.
  • the output side 12 of the mode field adapter 1 is designed to couple an output fiber 3, which is also shown here very schematically in a cross section.
  • the coupling between the output side 12 of the mode field adapter 1 and the end face 30 of the output fiber 3 can also be achieved, for example, via a splicing process.
  • the mode field adapter 1 is shown in a longitudinal section, whereas the input fiber 2 and the output fiber 3 are each shown in a cross section.
  • the fiber designs of the input and output fibers can be of different types, which can lead to very different properties of the associated mode field of the fibers and, in particular, does not allow a simple relationship between the geometric core diameter and the mode field, especially since some fiber types do not have a well-defined core diameter.
  • the mode fields of the outlined fibers are to be characterized in the figures via the mode field diameter. In particular, this requires single-mode fibers, since only then is a radially symmetrical profile given by the Gaussian fundamental mode.
  • the invention is not restricted to the use of single-mode fibers, since mode field adaptation can also take place via the effective mode field area.
  • the fibers are shown with a simple design of the fiber cladding, although the more complicated designs described above, such as double cladding, are not excluded.
  • the input fiber 2 has a light-guiding fiber core 22 which is characterized by a first mode field diameter d1.
  • a fiber cladding 24 is formed around the fiber core 22 .
  • the output fiber 3 also has a fiber core 32 which has a second mode field diameter d2.
  • a fiber cladding 34 is also formed around the fiber core 32 .
  • the fiber core 22 of the input fiber 2 has a significantly smaller first mode field diameter d1 than the fiber core 32 of the output fiber 3, which has a second mode field diameter d2.
  • the mode field of the input fiber 2 can be matched or adapted to the mode field of the output fiber 3 by means of the mode field adapter 1, as a result of which optical losses during the transition are significantly reduced.
  • the mode field adapter 1 has a mode field adapter fiber 14 which has an input side 10 and an output side 12 accordingly.
  • the mode field adapter fiber 14 has a fiber core 140, which has a mode field diameter d1 a on the input side 10, which corresponds to the mode field diameter d1 of the input fiber 2, and on the output side 12 has a mode field diameter d2a which corresponds to the mode field diameter d2 of the output fiber 3.
  • the mode field of the input fiber 2 can be coupled into the mode field adapter 1 and in particular its fiber core 140.
  • the mode field from the fiber core 140 of the mode field adapter 1 can be coupled into the fiber core 32 of the output fiber 3 on the output side 12 of the mode field adapter 1 .
  • the fiber core 140 of the mode field adapter 1 expands accordingly from the input side 10 to the output side 12 .
  • the actual adaptation of the mode field diameter of the fiber core 140 of the mode field adapter 1 does not take place over the entire length L of the mode field adapter fiber 14 in the exemplary embodiment here.
  • the length L of the mode field adapter fiber 14 is defined as the length between the input side 10 and the output side 12 of the mode field adapter fiber 14.
  • the fiber core 140 of the mode field adapter fiber 14 extends from the input side 10 initially with an unchanged first mode field diameter d1a, which corresponds to the mode field diameter d1 of the fiber core 22 of the input fiber 2.
  • This first section 142 of the fiber core 140 of the mode field adapter fiber 14, which is provided with an unchanged mode field diameter, has the length designated as L1 in FIG.
  • a further area of the mode field adapter fiber 14 is formed with a fiber core 140 which has a fixed mode field diameter, namely the mode field diameter d2a.
  • This third section 144 with a fixed mode field diameter d2a of the fiber core 140 of the mode field adapter fiber 14 extends from the output side 12 in the direction of the input side 10.
  • This third section 144 has the length designated L3 in FIG.
  • a mode field adaptation section 146 is provided, in which the fiber core 140 of the mode field adapter fiber 14 expands. namely from the first mode field diameter d1a in the first section 142, to the second mode field diameter d2a, which is then reached in the third section 144.
  • the mode field adjustment section 146 has a length L2.
  • the mode field adapter proposed here is not limited to the three-part structure (142, 144 and 146) just described.
  • the mode field adaptation section 146 can also extend over the entire length L of the mode field adapter 1, as a result of which there would be no areas with a constant mode field diameter.
  • the mode field adapter fiber 14 of the mode field adapter 1 has a length L between 5 mm and 150 mm, with the mode field adaptation section 146 having a length L2 which is between 5 mm and 150 mm and preferably has a length between 15 mm and 50 mm.
  • the mode field adapter 1 can be designed to maintain polarization in this way.
  • the mode field adapter 1 or in particular the mode field adapter fiber 14 itself cannot have any explicit polarization-maintaining structures.
  • the mode field adapter fiber 14 does not have any explicitly formed polarization-maintaining structures, such as, for example, stress rods or other birefringent structures that are intended to lead to polarization-maintaining propagation of the waves.
  • polarization-maintaining structures such as, for example, stress rods or other birefringent structures that are intended to lead to polarization-maintaining propagation of the waves.
  • Asymmetric fiber or cladding constructions which can lead to polarization preservation, are also not intended for the mode field adapter fiber.
  • the input fiber 2 and/or the output fiber 3 can be provided with such polarization-maintaining structures as are known, for example, in the area of the so-called PM fiber types, for example by bracing the different axes in a PM fiber.
  • PM fiber types can also be formed, for example, by attaching two longitudinally aligned boron-doped glass rods positioned on opposite sides of the fiber core. Typical embodiments are cylindrical or "bow-tie"-shaped glass rods. It is also possible to use elliptical core fibers or other asymmetrical configurations of the fiber or the fiber core, which can correspondingly have a polarization-maintaining effect for the input fiber 2 and/or the output fiber 3 .
  • Such asymmetric configurations can also be implemented for the fiber cladding, and also result in a polarization-maintaining fiber.
  • asymmetric arrangements of the microstructured hole structure can be used in order to achieve a polarization-maintaining effect.
  • Such polarization-maintaining structures are explicitly not provided in the mode field adapter fiber 14 . Instead, only one mode field adapter fiber 14 is provided here, which has a thermally expanded core, for example.
  • the cladding diameter d3 of the mode field adapter fiber 14 is preferably constant over the entire area of the mode field adapter fiber 14, ie over its entire length L. In other words, the diameter and in particular the cladding diameter d3 of the mode field adapter fiber 14 does not change. It is only the fiber core 140 that in the mode field adaptation section 146 has a corresponding increase from the mode field diameter d1a to the mode field diameter d2a.
  • the cladding diameter d3 of the mode field adapter fiber 14 can, for example, be greater than 130 ⁇ m—preferably less than 900 ⁇ m. In this way, the heat can be introduced homogeneously during the manufacturing process and stress fields in the fiber core 140 can be reduced or avoided.
  • non-absorbed pump light can be guided out of the amplifier in the cladding and coupled out on the cladding surface by an optional mode stripper (described below), whereby destruction by non-absorbed radiation on the mode field adapter fiber 14 can be avoided .
  • the mode field adapter 1 is shown in a state connected to the input fiber 2 and the output fiber 3, with the end face 20 of the input fiber 2 having been correspondingly connected on the input side 10 of the mode field adapter fiber 14 by means of a splicing process in such a way that the fiber core 22 the input fiber 2 is aligned with the fiber core 140 of the mode field adapter fiber 14 so that the modes from the input fiber 2 can be coupled into the mode field adapter fiber 14 accordingly.
  • the output fiber 3 is spliced to the output side 12 of the mode field adapter fiber 14 with its end face 30 such that the modes propagating in the mode field adapter fiber 14 and in particular in its fiber core 140 are coupled directly into the fiber core 32 of the output fiber 3.
  • the fundamental mode should preferably be coupled in to ensure high beam quality. However, this does not exclude the use of the mode field adapter 1 together with multimode fibers with multimode light wave propagation.
  • connection of the input fiber 2 to the mode field adapter fiber 14 or the connection of the output fiber 3 to the mode field adapter fiber 14 can be achieved using a known splicing process or using a cleaving and splicing process in such a way that coupling from the input fiber 2 into the mode field adapter 1 is as low-loss as possible and as loss-free decoupling from the mode field adapter 1 to the output fiber 3 is made possible.
  • the mode field adapter fiber 14 on the input side with a core 140 that has a fundamental mode with a mode field diameter in area 142 d1a can lead, is adjusted in such a way that (e.g. by means of a splice from input fiber 2 to the end face 10 of the mode field adapter fiber 14) optical coupling of the mode field diameters d1 and d1a with a loss of ⁇ 3 dB, preferably ⁇ 1 dB, is possible.
  • the mode field adapter fiber 14 should have a fiber core 140 with a fundamental mode with a mode field diameter d2a, so that an optical coupling of d2a and the mode field diameter d2 of the fundamental mode of the core 32 of the output fiber 3 is possible with a loss of ⁇ 3 dB, preferably ⁇ 2 dB.
  • the input fiber 2 has polarization-maintaining structures 26, shown very schematically here, which are provided, for example, in the form of two glass rods running in the longitudinal direction of the input fiber 2 and doped with boron.
  • the output fiber 3 also has polarization-maintaining structures, shown schematically, which can be provided, for example, in the form of glass rods 36 doped with boron that also run in the longitudinal direction of the output fiber 3 .
  • the mode field adapter fiber 14 can also have at least one mode stripper section 148, which is designed in such a way that pumped light can be coupled out of the cladding.
  • the mode stripper section 148 is accordingly designed in such a way that pumped light can be coupled out and unabsorbed pumped light, which could possibly lead to the destruction of the mode field adapter fiber 14 or other components, can be coupled out.
  • the mode stripper section 148 can be formed, for example, as a layer with a higher refractive index than the cladding layer or can be a roughened cladding surface in order to correspondingly achieve the property of a mode stripper.
  • the mode stripper section 148 extends along the mode field adjustment section 146, so that pump light that is not absorbed can be coupled out accordingly.
  • the mode field adapter 1 is shown schematically in FIG. 3, which includes the mode field adapter fiber 14 to which both the input fiber 2 and the output fiber 3 are spliced—for example in the form described for FIGS.
  • the mode field adapter fiber 14 is held in a holder 4 which can be in the form of a tube 40, for example. Both the mode field adapter fiber 14 and the respective ends of the input fiber 2 and the output fiber 3 are held in the tube 40 . This can be achieved, for example, via corresponding drops of adhesive 42 with which the end of the input fiber 2 and the start of the output fiber 3 are glued to the tube 40 of the mount 4 . The bonding can be done, for example, on a polymer coating, which is typically arranged around the glass fibers. In the exemplary embodiment shown, the mode field adapter fiber 14 is not glued directly to the tube 40 .
  • the holder 4 for holding the mode field adapter fiber 14 is designed in such a way that the mode field adapter fiber 14 is held in the holder 4 without being bent. In particular, it is kept straight and particularly preferably with a radius of curvature of more than 10 m.
  • the mode field adapter fiber 14 is preferably held in the holder 4 without tension.
  • the mode field adapter fiber 14 can still maintain the polarization even without the explicit provision of polarization-maintaining structures.
  • the tube 40 can be a glass tube, for example.
  • the tube in the case of a TEC process used to expand the core of the mode field adapter fiber, the tube can experience the same thermal expansion as the mode field adapter fiber itself.
  • the change in the state of polarization i.e. the percentage of the incident polarization of light that is converted into the orthogonal polarization when passing through the mode field adapter fiber, is less than 25% (-6dB), preferably less than 1% (-20dB).
  • a laser system 5 in which the mode field adapter 1 is used is shown schematically in FIG.
  • a seed source 50 is provided here, which is designed, for example, in the form of a diode with a fiber amplifier, a fiber oscillator and, if necessary, a preamplifier.
  • Laser radiation for example in the form of pulsed laser radiation, is emitted by the seed source 50 generated.
  • a fiber with a small mode field diameter is used in the seed source 50, for example.
  • the laser pulses generated by seed source 50 are subsequently amplified in an optical amplifier 52 , amplifier 52 being in the form of a doped amplifier fiber with a larger mode field diameter than the mode field diameter of seed source 50 . Accordingly, laser pulses are provided from the seed source 50 via an input fiber 2, which has a first mode field diameter d1 of the fiber core 22, and are adapted to a larger mode field diameter d2 of an output fiber 3 by means of the mode field adapter 1 described above and then fed to the optical amplifier 52.
  • the amplifier 52 is pumped from the end by means of a pump signal combiner 54 .
  • a pump source 56 is also provided for this purpose. In this case, non-absorbed pump light can be coupled out in a mode stripper section of the mode field adapter 1
  • the laser radiation amplified via the amplifier 52 or the laser pulses of the seed source 50, which are amplified via the amplifier 52, can be coupled out as a free beam 58.
  • the laser radiation can also be coupled out by means of an output fiber 58a.
  • the polarization of the laser pulses of the seed source 50 is maintained by the appropriately designed mode field adapter 1 and can then be maintained in the amplifier 52, so that the polarization is maintained accordingly at the output fiber 58.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Modenfeldadapter (1) zur Anpassung eines Modenfelds einer Eingangsfaser (2) an das Modenfeld einer Ausgangsfaser (3), umfassend eine Modenfeldadapterfaser (14), wobei die Modenfeldadapterfaser (14) einen Modenfeldanpassungsabschnitt (146) zur Anpassung des Modenfelddurchmessers des Modenfelds der Eingangsfaser an das Modenfeld der Ausgangsfaser aufweist, wobei die Modenfeldadapterfaser (14) eine Länge (L) zwischen 5mm und 150mm aufweist und der Modenfeldanpassungsabschnitt (146) eine Länge (L2) zwischen 5mm und 50mm, bevorzugt eine Länge zwischen 15mm und 50mm, aufweist.

Description

Modenfeldadapter
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Modenfeldadapter zur Anpassung eines Modenfelds einer Eingangsfaser an das Modenfeld einer Ausgangsfaser, insbesondere zur Anwendung in Hochleistungs-Faserlaser-Systemen.
Stand der Technik
Für die Implementierung von Faserlasern mit hoher Strahlqualität (d.h. beispielsweise mit einer Beugungsmaßzahl nahe 1) sind Laser-aktive Lichtwellenleiter-Fasern mit kleinem Modenfeld vorteilhaft, während hohe Ausgangsleistungen optische Verstärker mit einem großen Modenfeld erfordern. Um nun eine Eingangsfaser mit einem kleinen Modenfeld mit einer Ausgangsfaser mit einem großen Modenfeld verbinden zu können, wird ein Modenfeldadapter verwendet. In einer typischen praktischen Anwendung eines Modenfeldadapters beispielsweise für Faserlaser-Systeme wird in das kleine Modenfeld des aktiven (dotierten) Kerns der Eingangsfaser zuerst eine vergleichsweise schwache Laserleistung eingespeist (z.B. durch eine externe Laserquelle) und gegebenenfalls durch ein weiteres in der Faser geführtes externes optisches Pumpsignal vorverstärkt. Dies stellt Laserlicht mit hoher Strahlqualität und einer dementsprechend vorzugsweise dominanten Fundamentalmode sicher, welches über den Modenfeldadapter in einen Bereich großen Modenfelds übergeführt wird. Die Bereitstellung eines größeren Modenfelds in der Ausgangsfaser ermöglicht aufgrund der damit verbundenen größeren maximal tolerierbaren Leistung des Laserlichts eine erhöhte maximale Ausgangsleistung des Lasers durch externe optische Verstärker.
Es ist aus US 2011/0249321 A1 ein Modenfeldadapter bekannt, welcher eine Seedfaser bzw. Eingangsfaser mit einer Verstärkerfaser bzw. Ausgangsfaser verbindet, wobei die Ausgangsfaser einen größeren Kerndurchmesser als die Eingangsfaser aufweist. Der Modenfeldadapter weist eine erste Faser mit einem inneren Bereich mit homogener Brechungsindexverteilung auf, wobei der innere Bereich homogener Brechungsindexverteilung größer ist als der Kerndurchmesser der Seedlaser bzw. Eingangsfaser. Weiter weist der Modenfeldadapter eine der ersten Faser nachgeordnete zweite Faser mit einem inneren Bereich mit einem radial graduell abnehmenden Brechungsindex (Graded-index (GRIN)), auf. Die Länge der GRIN-Faser/GRIN-Linse ist so angepasst, dass das Laserlicht von der Eingangsfaser in den Kernbereich der Ausgangsfaser fokussiert wird. Der kleinere Kern der Eingangsfaser entspricht dabei einem kleinen Modenfelddurchmesser, wobei der größere zweite Kern der Ausgangsfaser einem großen Modenfelddurchmesser entspricht. Die Faser mit homogenem Brechungsindex im inneren Bereich, die den ersten Teil des Modenfeldadapters darstellt, erweitert somit das Modenfeld des aus dem schmalen Eingangsfaserkern stammenden Lichts, welches in dem nachgestellten zweiten Teil, der Gradientenindex-Faser, in den größeren Faserkern der Ausgangsfaser kollimiert wird, wodurch das Modenfeld angepasst wird.
Der so geartete zweiteilige Aufbau des Modenfeldadapters erfordert einen relativ hohen und komplexen Herstellungsaufwand, da für die Verbindung der Eingangsfaser, des Modenfeldadapters und der Ausgangsfaser an drei Positionen gespleißt sowie insgesamt viermal gecleavt werden muss. Multiple Spleiß-Prozesse fordern neben dem erhöhten Herstellungsaufwand auch erhöhte Leistungsverluste an den gespleißten Stellen.
Weiterhin müssen die sehr kurzen Modenfeldadapter Bestandteile sehr genau gefertigt werden, um eine geeignete Kollimation des Laserlichts in die nachfolgende Ausgangsfaser mit größerem Modenvolumen zu gewährleisten. Dies ist insbesondere für den Erhalt einer hohen Strahlqualität von großer Relevanz.
Um eine polarisationserhaltende Führung des Laserlichts durch den Modenfeldadapter zu gewährleisten, ist bei dieser Bauform zudem eine sehr kurze Ausführung des Modenfeldadapters (zwischen 0,5 mm und 1 mm) notwendig, was die Ausführungsform des Bauteils limitiert.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Modenfeldadapter zur Anpassung eines Modenfelds einer Eingangsfaser an das Modenfeld einer Ausgangsfaser bereitzustellen, insbesondere bezogen auf eine erleichterte Herstellung mit zugleich polarisationserhaltender Lichtführung im Übergangsbereich.
Die Aufgabe wird durch einen Modenfeldadapter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. Entsprechend wird ein Modenfeldadapter zur Anpassung eines Modenfelds einer Eingangsfaser an das Modenfeld einer Ausgangsfaser vorgeschlagen, umfassend eine Modenfeldadapterfaser. Erfindungsgemäß weist die Modenfeldadapterfaser einen Modenfeldanpassungsabschnitt zur Anpassung des Modenfelddurchmessers des Modenfelds der Eingangsfaser an das Modenfeld der Ausgangsfaser auf, wobei die Modenfeldadapterfaser eine Länge zwischen 5mm und 150mm aufweist und der Modenfeldanpassungsabschnitt eine Länge zwischen 5mm und 50mm, bevorzugt eine Länge zwischen 15mm und 50mm, aufweist, wobei die Modenfeldadapterfaser polarisiertes Licht aus der Eingangsfaser polarisationserhaltend in die Ausgangsfaser überführt.
Die Ausführungsformen der Eingangs- und Ausgangsfasern können von unterschiedlichem Fasertyp sein. Die vorliegende Erfindung umfasst, ist aber nicht begrenzt in: Stufenindexfasern, Gradientenindexfasern, sowie mikrostrukturierte Fasern in Form von Hohlkernfasern oder photonischen Kristallfasern (PCF, aus engl. „photonic crystal fiber“). Bezüglich PCFs sind insbesondere photonische Bandlückenfasern und doppelt ummantelte PCFs mit aktivem Kern zu nennen, wobei letztere für Faserlaseranwendungen besonders relevant sind.
Insbesondere ist es möglich, eine Eingangsfaser eines bestimmten Typs mit einer Ausgangsfaser eines anderen Typs über den hier beschriebenen Modenfeldadapter zu verbinden.
Die verschiedenen Fasertypen, die in beispielhaften Ausführungsformen der Eingangs- und Ausgangsfaser verwendet werden können, werden im Folgenden kurz beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht begrenzt in den explizit vorgestellten Fasertypen.
Stufenindexfasern umfassen einen Fasermantel und einen lichtführenden Kern und sind insbesondere durch einen sich stufenförmig ändernden Brechungsindex gekennzeichnet, wobei der Brechungsindex des Kerns größer als der Brechungsindex des Fasermantels ist, wodurch dessen lichtführende Eigenschaft gewährleistet ist.
Alternativ können doppelt ummantelte Stufen indexfasern verwendet werden, umfassend zwei koaxial angeordneten Fasermäntel, wobei der Brechungsindex des äußeren Mantels kleiner als der Brechungsindex des inneren Mantels ist, und der Brechungsindex des inneren Mantels kleiner als der des Faserkerns ist. Entsprechend wird eine lichtführende Eigenschaft des Faserkerns sowie eine weitere lichtführende Eigenschaft des inneren Mantels gewährleistet.
Einfach als auch doppelt ummantelte Stufen index-Fasern können auch mit einem aktiven dotierten Kern ausgestattet sein, wobei die Dotierung beispielsweise mit seltenen Erdmetallen durchgeführt werden kann. Aktive Kerne mit Dotierung sind insbesondere für Faserlasersysteme von Bedeutung. Besonders bei der doppelt ummantelten Faser Bauform wird die lichtführende Eigenschaft des inneren Mantels vorzugweise zur optischen Verstärkung von in einem aktiven, dotierten Kern geführten Laserlicht verwendet.
Bei Gradientenindex-Fasern ist kein wohldefinierter lichtführender Kern definiert, sondern die Lichtführung wird über einen graduell und radial nach außen abnehmenden Brechungsindex erreicht. Diese Fasertypen ermöglichen insbesondere eine reduzierte modale Dispersion des geführten Lichts.
Bei photonischen Kristallfasern wird eine Faser mikrostrukturiert, wobei die Mikrostrukturierung einer periodischen Anordnung von Löchern entlang der Faserachse entspricht. Beispielsweise kann der solide Kern der Faser unstrukturiert sein, während das umgebende Fasermaterial mit Löchern in Form eines Dreiecksgitters oder Honigwabengitters strukturiert ist. Die lichtführende Eigenschaft wird durch einen effektiv höheren Brechungsindex im unstrukturierten Kern gegenüber dem strukturierten Mantel erreicht.
Alternativ kann eine photonische Kristallfaser als photonische Bandlückenfaser ausgeführt sein. Hier kann beispielsweise ein luftgefüllter Hohlkern ausgebildet sein, der von einem periodisch strukturierten Mantel umschlossen ist, welcher beispielweise als Dreiecksgitter oder Honigwabengitter mit luftgefüllten Löchern strukturiert ist. Die so geartete periodische Struktur des Brechungsindex im Mantel beeinflusst die Ausbreitung des Lichts durch Beugung und Interferenz und kann eine exklusive Ausbreitung von Licht innerhalb eines schmalen Wellenlängenbereichs im Hohlkern ermöglichen, während die Ausbreitung von Licht jenseits dieses Bereichs unterdrückt ist. Faser-Bauformen mit hohlem, luftgefüllten Kern werden auch als Hohlkernfasern bezeichnet. Im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Fasertypen führen photonische Bandlückenfasern das Licht nicht mittels Brechungsindex Unterschieden zwischen Kern und Mantel, sondern über die periodische Anordnung der Lochstruktur im Mantel, die zu einer photonischen Bandlücke führt und die Ausbreitung bestimmter Wellenlängen zulässt beziehungsweise unterdrückt.
Photonische Kristallfasern können in einer weiteren Alternative statt mit einem undotierten soliden Faserkern beziehungsweise einem luftgefüllten Hohlkern auch mit einem aktiven dotierten Kern ausgeführt sein, wobei der aktive Kern mit verschiedenen seltenen Erdmetallen dotiert sein kann. Diese Variante ist insbesondere für Faserlasersysteme von besonderer Relevanz.
Weiterhin können photonische Kristallfasern beziehungsweise photonische Bandlückenfasern auch als doppelt ummantelte Fasern ausgeführt sein. Insbesondere kann die zweite Ummantelung als Luftmantel (engl. „air-clad“) ausgeführt sein, welcher beispielsweise mittels konzentrisch angeordneten, luftgefüllten Löchern um den Faserkern verwirklicht ist. Der Luftmantel bewirkt eine lichtführende Eigenschaft im inneren Mantel, welches insbesondere für optische Verstärkung in Faserlasersystemen von Bedeutung ist.
Der eben beschriebene beispielhafte Luftmantel ist nicht begrenzt auf photonische Kristallfasern, sondern kann in beliebigen Fasertypen eingesetzt werden.
Ausgehend von fasergeführtem Licht bestimmter Wellenlänge, gibt es mit Ausnahme von Stufenindexfasern keinen einfachen Zusammenhang zwischen dem geometrischen Kerndurchmesser bzw. der Querschnittsfläche des Kerns einer Faser und seinem zugehörigen Modenfeld. Dies ist insbesondere für diejenigen Fasertypen ersichtlich, welche keinen wohldefinierten Kerndurchmesser aufweisen (wie beispielsweise Gradientenindex-Fasern). Da die Modenfeldanpassung des erfindungsgemäßen Modenfeldadapters nicht auf Stufenindexfasern beschränkt ist, wird im Rahmen der Erfindung zur Charakterisierung der Fasern vorwiegend das Modenfeld benutzt.
Das Modenfeld eines beliebigen Glasfasertyps kann im Allgemeinen durch eine effektive Modenfeldfläche Aeff ausgedrückt werden, welche einem Maß für die effektiv abgedeckte Querschnittsfläche der in der Faser vorhandenen räumlichen Intensitätsverteilung der Lichtmoden entspricht. Ein vom Fasertyp unabhängiger allgemeingültiger Ausdruck für die effektive Modenfläche Aeff einer Faser mit Längsrichtung entlang der z-Achse und dazu transversalen Achsen x und y, kann wie folgt errechnet werden:
> ( (x,y) dx dy)2 ^eff - 77 7 ’
J (/(x,y)) dx dy wobei /( ,y) die räumliche Intensitätsverteilung der Lichtmoden ist und die Integration sich über die Querschnittsfläche der kompletten Faser, auch jenseits des lichtführenden Kerns, erstreckt. Die Intensitätsverteilung der Lichtmoden kann entweder durch Messung oder durch numerische Simulation des Modenprofils bestimmt werden. Die Begriffe Modenfeld und effektive Modenfeldfläche sollen im Folgenden synonym verwendet werden.
Weiterhin unterscheidet man Fasern in Einzelmodenfasern und Multimodenfasern. Während Einzelmodenfasern derart konzipiert sind, dass sie für eine festgelegte Lichtwellenlänge nur die Fundamentalmode mit einem näherungsweise gaußförmigen radialen Intensitätsprofil führen können, ist in Multimodenfasern die Ausbreitung von mehreren Moden erlaubt. Mit Ausnahme von photonischen Kristallfasern ist die Anzahl der erlaubten Moden im Wesentlichen durch die effektive Modenfeldfläche Aeff des geführten Lichts bestimmter Wellenlänge sowie der numerischen Apertur der Faser bestimmt. Das spezielle Design von photonischen Kristallfasern ermöglicht aber bei nominell gleicher effektiver Modenfeldfläche und numerischer Apertur eine signifikant reduzierte Anzahl an erlaubten Moden gegenüber konventionelleren Fasertypen wie Stufen index-Fasern oder Gradientenindex-Fasern.
Um hohe Strahlqualität mit Beugungsmaßzahl nahe 1 zu verwirklichen sind Einzelmodenfasern zu bevorzugen, da die Lichtausbreitung dieser Moden am Faserausgang lediglich beugungsbegrenzt ist. Weiterhin ist die Verwendung von Einzelmodenfasern mit großer effektiver Modenfeldfläche, wie zum Beispiel mittels photonischen Kristallfasern, von besonderem Vorteil, da sie eine gleichzeitige Verwirklichung von hoher Ausgangstrahlqualität und großem Modenfeld ermöglichen. Da ein großes Modenfeld hohe optische Leistungen zulässt, kann beispielsweise in Faserlasersystemen leistungsstarkes Laserlicht mit zugleich hoher Brillianz erreicht werden.
Im Falle einer Einzelmodenfaser mit gaußförmigem, radialem Intensitätsprofil kann die effektive Modenfeldfläche über den Modenfeldradius w charakterisiert werden, wobei Aeff = n w2 gilt. In diesem Fall kann das Modenfeld auch über den Modenfelddurchmesser d = 2w ausgedrückt werden.
Im besonderen Fall von Stufenindex-Fasern kann unter Zuhilfenahme des geometrischen Kernradius a der betreffenden Faser auch der Modenfeldradius w bestimmt werden. Nach Marcuse’s Gleichung gilt: w 1.619 2,879
0,65 + a 3
72 + 6
Hier bezeichnet V die sogenannte 7-Zahl, gegeben durch wobei A die Wellenlänge des verwendeten Laserlichts ist und NA = Jncore 2 - ncladding 2 die numerische Apertur der Faser ist. Letztere ist durch den Brechungsindex ncore des Kerns und den Brechungsindex ncladding des angrenzenden Fasermantels der Stufenindex-Faser bestimmt. Die V- Zahl entspricht einem dimensionslosen Parameter, der als eine Art von normalisierter optischer Frequenz gesehen werden kann. Anders ausgedrückt wird für die Berechnung der 7-Zahl der mit der numerischen Apertur NA gewichtete geometrische Faserkernradius a auf die verwendete Laserfrequenz, welche proportional zur reziproken Wellenlänge Ä ist, normalisiert. Die 7-Zahl ist insbesondere ein Abgrenzungskriterium zwischen Einzelmodenfasern und Multimodenfasern bezüglich Stufenindex-Fasern. Insbesondere für V < 2.405 kann eine Faser lediglich eine Mode (die Fundamentalmode) pro Polarisationsrichtung transportieren. Multimodenfasern sind entsprechend durch größere V-Zahlen charakterisiert.
Der Hauptunterschied zwischen der Eingangs- und Ausgangsfaser ist insbesondere dadurch charakterisiert, dass sich das Modenfeld der Eingangsfaservon dem Modenfeld der Ausgangsfaser unterscheidet.
In einer Ausführungsform kann beispielsweise das Modenfeld der Eingangsfaser kleiner sein als das Modenfeld der Ausgangsfaser.
In einerweiteren Ausführungsform kann das Modenfeld der Eingangsfaser auch größer sein als das Modenfeld der Ausgangsfaser.
Die Funktion des Modenfeldadapters ist nicht beschränkt auf die Anpassung von Modenfeldern für Einzelmodenfasern oder Multimodenfasern, eine Anpassung kann entsprechend für beide Fasertypen erfolgen. Insbesondere kann die Eingangsfaser eine Einzelmodenfaser sein und die Ausgangsfaser eine Multimodenfaser oder umgekehrt.
Im besonderen Fall von Stufenindex-Fasern kann die Klassifizierung einer Faser als Einzelmodenfaser oder Multimodenfaser mit Hilfe der V-Zahl erfolgen. Für eine festgelegte Wellenlänge und einer ebenfalls festgelegten numerischen Apertur des lichtführenden Kerns ist die Faser als Einzelmodenfaser klassifiziert wenn V < 2,405, und als Multimodenfaser wenn V > 2,405.
Für kompliziertere/andere Fasertypen, gibt es kein allgemeingültiges Kriterium für die Einordnung der Fasern als Einzelmodenfasern oder Multimodenfasern. Numerische Simulationen des Modenprofils der betreffenden Fasern sind dann üblicherweise nötig.
Der vorgeschlagene Modenfeldadapter, der zur Verbindung zwischen der oben beschriebenen Eingangs- und Ausgangsfaser bestimmt ist, ist insbesondere selbst als Glasfaser ausgeführt und umfasst einen Kern und einen Mantel, wobei der Mantel einen niedrigeren Brechungsindex ais der lichtführende Kern aufweist. Die so geartete Modenfeldadapterfaser weist eine Länge zwischen 5 mm und 150 mm auf, sowie einen Modenfeldanpassungsabschnitt, welcher insbesondere eine Länge zwischen 5mm und 150mm, bevorzugt eine Länge zwischen 15mm und 50mm, aufweist.
Insbesondere ist der Kerndurchmesser innerhalb eines Modenfeldanpassungsabschnitts entlang seiner Längsrichtung expandierend ausgeführt und umfasst demnach ein Ende mit nichtexpandiertem Kern sowie ein Ende mit maximal expandiertem Kern. Im Allgemeinen kann der Manteldurchmesser mit der graduellen Expansion des Kerns korrespondieren, in einer bevorzugten Ausführungsform ist der Manteldurchmesser jedoch konstant und beträgt mindestens 130 pm und weniger als 900 pm, in einer bevorzugten Ausführungsform beispielsweise 400 pm.
Der expandierende Kerndurchmesser des Modenfeldadapters korrespondiert mit einem zunehmenden Modenfeld, eine allgemeingültige Relation zwischen dem geometrischen Kerndurchmesser und dem Modenfeld ist aber aufgrund unterschiedlicher Herstellungsprozesse des Modenfeldadapters nicht gegeben. Entsprechend der zuvor eingeführten Definition kann das Modenfeld jedoch durch die effektive Modenfeldfläche Aeff charakterisiert werden. Eine Anpassung der Modenfelder an der Eingangs- und Ausgangsseite des Modenfeldadapters erfolgt daher im Allgemeinen über eine Anpassung der Modenfelder und nicht zwingend über eine Anpassung der geometrischen Kerndurchmesser. Letzteres ist lediglich für Stufenindex-Fasern sinnvoll, bei der eine klare Trennung zwischen Kern und Mantel über den sich stufenförmig ändernden Brechungsindex angegeben werden kann.
Demgemäß hat jenes Ende des Modenfeldadapters, welches den nicht-expandierten Kerndurchmesser aufweist, ein vergleichsweise kleines Modenfeld und wird dem Modenfeld der Eingangsfaser angepasst, während jenes Ende mit dem maximal expandierten Kerndurchmesser ein größeres Modenfeld aufweist und dem Modenfeld der Ausgangsfaser angepasst wird.
Entsprechend einer oben beschriebenen Alternative kann das Modenfeld der Eingangsfaser auch größer sein als das Modenfeld der Ausgangsfaser. Hier kann der Modenfeldadapter umgekehrt eingesetzt werden und somit ein großes Modenfeld der Eingangsfaser in ein kleineres Modenfeld der Ausgangsfaser überführen.
Der im Durchmesser graduell expandierende Kern des Modenfeldadapters kann durch verschiedene Prozesse verwirklicht werden. Eine übliche Methode zur Herstellung der Modenfeldadapterfaser ist das „Tapern“ einer Faser, wobei eine Faser lokal erhitzt und dabei an ihren Enden auseinandergezogen wird, wodurch sie an der erhitzen Stelle dünner und länger wird. Ein entsprechendes Cleaven an der verdünnten Stelle und an einer unveränderten, dickeren Stelle erzeugt den Modenfeldadapter. Bei dieser Methode korrespondieren die Expansion des lichtführenden Kerns und des Mantels.
Eine weitere hier bevorzugte Möglichkeit zur Herstellung des Modenfeldadapters besteht in der thermischen Expansion des Kerns (TEC von engl. „thermally expanded core“) der Modenfeldadapterfaser. Hierbei wird eine Faser mit kleinem Modenfeld einem entlang der Längsachse variierendem Heizprofil ausgesetzt. Dadurch findet eine Diffusion der das radiale Profil des Faserkerns definierenden Glasbestandeile statt und das Modenfeld der Grundmode vergrößert sich. Hierbei ist anzumerken, dass bei der TEC-Methode die Grenze des Kerns zum Mantel prozessbedingt nicht mehr wohldefiniert ist. Entsprechend kann im expandierten Bereich des Kerns kein wohldefinierter Wert des geometrischen Kerndurchmessers angegeben werden. In diesem Fall greift man wiederum auf die Berechnung/Messung des Modenfelds zurück, um den lichtführenden Teil der Faser zu definieren.
Entsprechend weist in einem Ausführungsbeispiel der Kern einer thermisch expandierten Modenfeldadapterfaser beispielsweise eine graduelle Expansion des geometrischen Kerndurchmessers von 10 pm auf einen Modenfelddurchmesser von 30 pm auf. Hier ist darauf hinzuweisen, dass entsprechend der eingeführten Definition des Modenfelds über die effektive Modenfeldfläche die Angabe eines Modenfelddurchmessers nur für radialsymmetrische Modenprofile des Lichts in der Faser sinnvoll ist, da nur in diesem Fall eine kreisförmige Definition der Modenfeldfläche zulässig ist. Letzteres ist typischerweise nur in Einzelmodenfasern zuverlässig gegeben. Zur adäquaten Anpassung des Modenfelds an eine darauffolgende Einzelmoden- Ausgangsfaser sollte diese dementsprechend ebenfalls mit einem Modenfelddurchmesser von 30 pm ausgeführt sein.
Für die Verbindung der Modenfeldadapterfaser mit der Eingangs- und Ausgangsfaser wird zuerst jeweils am nicht expandierten Ende als auch am maximal expandierten Ende der Modenfeldadapterfaser poliert und gegebenenfalls gecleavt. Das Ziel des Polierens und/oder Cleavens ist ein möglichst perfektes flaches Ende der Faser zu erzeugen. Nach dem Polieren und/oder Cleaven werden die beiden Enden der Modenfeldadapterfaser an die Eingangsfaser beziehungsweise Ausgangsfaser gespleißt, wobei die korrespondierenden Modenfelder der Faserkerne miteinander verbunden werden. Beim Spleißen der Fasern werden die lichtführenden Kerne der zu spleißenden Glasfasern punktgenau aufeinander justiert, und nachfolgend über verschiedene Methoden miteinander verbunden. Beispielsweise kann die Verbindung über einen Fusionsspleiß stattfinden, bei dem die Enden mit einem Lichtbogen miteinander verschmolzen werden.
Eine derartige monolithische Bauweise (d.h. die Modenfeldanpassung der Eingangs- und Ausgangsfaser geschieht mittels eines Modenfeldadapters, der ausschließlich mit Faserbestandteilen gefertigt ist) ermöglicht eine kompakte, robuste und kosteneffiziente Ausführung der Vorrichtung.
Als quantitatives Kriterium für eine ordnungsgemäße Funktionsweise des Modenfeldadapters können maximal tolerierbare Leistungsverluste an den Verbindungsstellen, also dem Übergang zwischen Eingangsfaser und Modenfeldadapterfaser, sowie zwischen Modenfeldadapterfaser und Ausgangsfaser, für den Fall von Einzelmodenfasern definiert werden. Entsprechend soll die Eingangsfaser, die eine Fundamentalmode mit einem kleinen Modenfeld führen kann, mit dem eingangsseitigen Modenfeld der Modenfeldadapterfaser so angepasst werden, dass (z.B. mittels eines eingangsseitigen Spleiß der Eingangsfaser an die Modenfeldadapterfaser) eine optische Kopplung der Modenfelder mit einem Verlust von <3 dB, bevorzugt <1 dB möglich ist. Ausgangsseitig soll die Modenfeldadapterfaser mit vergrößertem Modenfeld auf das ebenfalls größere Modenfeld der Ausgangsfaser so angepasst werden, dass ein Verlust <3 dB, bevorzugt <2 dB möglich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Eingangs- und Ausgangsfaser polarisationserhaltend (PM, von engl. „polarisation maintaining“) gefertigt. Polarisationserhaltend bedeutet, dass in einer Faser eingestrahltes Licht eines bestimmten Polarisationszustandes diesen Polarisationszustand über eine bestimmte Strecke entlang der Faser beibehält. Eine dazu gegensätzliche Verschlechterung des Polarisationszustandes wird dadurch induziert, dass zunehmend orthogonale Polarisationszustände des Lichts (verglichen mit dem Polarisationszustand des eingestrahlten Lichts) vorhanden sind. Eine quantitative Größe zur Beschreibung des Polarisationszustandes kann über das Polarisationsverhältnis angegeben werden, welches aus der gewünschten Polarisationskomponente des eingestrahlten Lichts und dem dazu orthogonalen Anteil des Polarisationszustandes gebildet werden kann. Eine Änderung des Polarisationszustandes kann entsprechend durch den prozentualen Anteil der eingestrahlten Polarisation von Licht angegeben werden, die beim Durchgang durch die Modenfeldadapterfaser in die dazu orthogonale Polarisation konvertiert wird.
Ohne besondere Fertigung ist eine Faser bereits über sehr kurze Distanzen nicht polarisationserhaltend, da trotz der zirkularen Symmetrie einer Faser kleinste Verunreinigungen, Asymmetrien oder spannungserzeugende Verbiegungen eine schwache und zufällige, parasitäre doppelbrechende Eigenschaft der Faser herbeiführen, welche aufgrund der typischerweise sehr kleinen mikroskopischen Lichtwellenlängen jedoch bereits über kurze, allerdings makroskopische Distanzen einen signifikanten Einfluss auf die Polarisation durch die doppelbrechungsinduzierte Kopplung zwischen den Polarisationszuständen hat. Um polarisationserhaltende Fasern zu fertigen, wird daher beispielsweise absichtlich eine starke, aber wohldefinierte Doppelbrechung in der Faser erzeugt, wodurch zwei wohldefinierte Polarisationszustände mit eindeutigen und verschiedenen Phasengeschwindigkeiten propagieren können.
Für eine vorgegebene Wellenlänge kann dann die Schwebungslänge (engl. „Beat-Length“) definiert werden, die durch diejenige Distanz entlang der Faser gegeben ist, über welche hinweg einer der Polarisationszustände eine Verzögerung von einer Wellenlänge gegenüber dem dazu orthogonalen Polarisationszustand erfährt. Betrachtet man einen Polarisationszustand 1 (mit dazu orthogonalem Polarisationszustand 2) an einem Punkt 0 entlang der Faser, sorgt die intrinsische, parasitäre Kopplung zwischen den orthogonalen Polarisationszuständen für eine endliche Amplitude in Polarisationszustand 2 mit bestimmter Phase. Nach der Propagation der Lichtwelle über eine halbe Schwebungslänge sorgt dieselbe zufällige Kopplung wiederum für eine endliche Amplitude in Polarisationszustand 2, jedoch mit einem 180° Phasenschub verglichen mit der Kopplung am Punkt 0, wodurch eine Aufhebung der in Polarisationszustand 2 befindlichen Wellenanteile stattfindet. In anderen Worten sollte für eine polarisationserhaltende Faser die Schwebungslänge aus der extern induzierten Doppelbrechung deutlich kleiner sein als diejenige Längenskala, auf welcher die parasitäre doppelbrechende Kopplung durch intrinsische Effekte wie Verbiegung und Verunreinigungen variiert. Dementsprechend wird die eingestrahlte Polarisation über eine Distanz, die einer Vielzahl der Schwebungslänge entspricht, erhalten.
Eine nach diesem Prinzip gefertigte Faser kann beispielsweise durch nicht-zirkulare Symmetrien des Fasermantels und/oder des Kerns erzeugt werden, oder durch gegenüberliegende axial verlaufende Stäbe innerhalb des Fasermantels, welche derart konfiguriert sind, dass sie eine spannungsinduzierte Doppelbrechung herbeiführen können.
Der vorgeschlagene Modenfeldadapter ist trotz der sehr langen Ausführung der Modenfeldadapterfaser polarisationserhaltend, obwohl das Fasermaterial des Modenfeldadapters keine polarisationserhaltenden Strukturen aufweist. Dieses Merkmal wird ermöglicht, indem (1) das nicht-PM Faserstück, welches den Modenfeldadapter repräsentiert, dennoch hinreichend kurz ist, (2) die PM Eingangsfaser und die PM Ausgangsfaser vor dem Spleißen entsprechend ihrer Polarisationsachse zueinander ausgerichtet werden und (3) der gesamte Bereich des Übergangs in der Modenfeldadapterfaser hinreichend spannungsfrei gehaltert wird, um eine Verschlechterung des Polarisationsgrades durch spannungsinduzierte Doppelbrechung zu vermeiden. Unter diesen Voraussetzungen kann anschließend ein Testsignal in die Eingangsfaser eingekoppelt werden und so durch Ausrichtung der Fasern zueinander die Leistung und das Polarisationsverhältnis an der Ausgangsfaser optimiert beziehungsweise maximiert werden.
Die oben genannten Verfahren zur Herstellung des Modenfeldanpassungsabschnitts sind mit nicht polarisationserhaltenden Fasern deutlich einfacher umzusetzen, insbesondere bei großen Unterschieden zwischen den Durchmessern der Ein- und Ausgangsfasern. Der vorliegend vorgeschlagene Modenfeldadapterfaser, welche eine polarisationserhaltende Lichtführung ohne explizit polarisationserhaltende Strukturen beschreibt, gewährleistet daher eine stark vereinfachte Herstellung eines polarisationserhaltenden Modenfeldadapters. Insbesondere weist die Modenfeldadapterfaser keine explizit ausgebildeten polarisationserhaltenden Strukturen auf, so wie beispielsweise Spannungsstäbe oder andere doppelbrechende Strukturen, die zu einer polarisationserhaltenden Propagation der Wellen führen sollen. Auch asymmetrische faser- oder Mantelkonstruktionen, die zu einer Polarisationserhaltung führen können, sind für die Modenfeldadapterfaser nicht vorgesehen.
Die Modenfeldadapterfaser wird durch eine Halterung ungebogen, bevorzugt gerade, besonders bevorzugt mit einem Krümmungsradius von mehr als 10 m gehaltert. Somit wird sichergestellt, dass zufällig verteilte beziehungsweise inhomogene spannungsinduzierte Doppelbrechung vermieden beziehungsweise reduziert wird und die Polarisation im Modenfeldadapter über seine Länge weitestgehend erhalten bleibt.
Besagte Halterung umfasst einen Tubus, bevorzugt einen Glastubus, welcher die Eingangsfaser und die Ausgangsfaser jeweils mittels eines Klebepunkts in dem Tubus fixiert. Entsprechend wird der Modenfeldadapterfaser mittelbar in dem Tubus gehaltert, wobei die zwei Klebepunkte den Tubus verschließen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine Tubus-förmige Halterung des Modenfeldadapters beschränkt, vielmehr ist auch jede andere geeignete Geometrie zur Halterung im Rahmen der Erfindung anwendbar.
In einer Weiterbildung wird die mittelbare Befestigung der Modenfeldadapterfaser in einem Quarzglas-Röhrchen befestigt. Die Befestigung erfolgt über zwei Klebepunkte, wobei die Klebepunkte derart gestaltet sind, dass sie das Röhrchen abdichtend verschließen. Die abdichtenden Klebepunkte verhindern/verringern primär das Eindringen von Partikeln, mutmaßlich aber auch das Eindringen von Wasserdampf. Besonders bevorzugt ist hierbei eine möglichst spannungsfreie Lagerung zur Vermeidung der spannungsinduzierten Doppelbrechung. Dementsprechend sollte ein bevorzugt weicher Kleber zur Befestigung verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Änderung des Polarisationszustands, also der prozentuale Anteil der eingestrahlten Polarisation von Licht, der beim Durchgang durch die Modenfeldadapterfaser in die dazu orthogonale Polarisation konvertiert wird mittels der zuvor genannten spannungsfreien Halterung kleiner als 25% (-6dB), bevorzugt kleiner als 1% (-20dB).
In einer besonders bevorzugten Anwendung kann die Faserverbindung zwischen der Eingangsfaser, der Modenfeldadapterfaser und der Ausgangsfaser als Laser-Verstärkungs-System verwendet werden. Hierfür kann die Eingangs- und/oder Ausgangsfaser mit einem dotierten Faserkern ausgeführt sein, welches als aktives Laser Medium fungiert. Die Dotierung kann mit geeigneten Atomen wie beispielsweise Erbium, Ytterbium, Thulium oder Neodym erfolgen, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf die genannten Dotieratome begrenzt ist. Die Dotierung des Kerns bildet für die Fasern des Faserlasers das aktive Medium für die stimulierte Emission und Verstärkung von eingestrahltem Laserlicht.
In Faser-Laser Verstärker-Systemen, welche hohe Anforderungen an große Ausgangsleistungen mit zugleich hoher Strahlqualität haben, ist die Verwendung von Modenfeldadaptern mit ausgangsseitig großem Modenfeld von besonderer Relevanz. Dies liegt darin begründet, dass Fasern mit kleinem Modenfeld aber hohen Lichtleistungen sehr große optische Intensitäten aufweisen, welche zu unerwünschten nichtlinearen Licht-Materie Wechselwirkungen führen. Letztere haben unter anderem Frequenzkonversionen zur Folge und beeinflussen damit die Qualität des Laserlichts. Solche nichtlinearen Effekte können durch die Bereitstellung großer Modenfelder unterdrückt werden, da darin die optische Intensität vergleichsweise gering gehalten werden kann.
In einer Ausführungsform kann die Eingangsfaser als Vorverstärkerfaser und/oder die Ausgangsfaser ais Hauptverstärkerfaser ausgebildet sein. Das bedeutet insbesondere, dass die Fasern mit einem aktiven Medium im Kern ausgeführt sind, wodurch mittels externem Pumplicht die Laserlichtleistung verstärkt werden kann. Die Ausführung der Eingangsfaser als Vorverstärkerfaser bedeutet insbesondere, dass die Leistung des Laserlichts durch das kleinere Modenfeld begrenzt ist. Hingegen stellt das vergleichsweise große Modenfeld der Ausgangsfaser ausgeführt als Hauptverstärkerfaser eine große mögliche Ausgangsleistung bereit.
Im Falle einer einfach ummantelten Eingangs- und/oder Ausgangsfaser gemäß zuvor genannter Ausführungsformen, kann Pumplicht zur Verstärkung des Laserlichts in den Kern der Eingangsfaser und/oder Ausgangsfaser eingekoppelt werden.
Im Falle einer doppelt ummantelten Eingangs- und/oder Ausgangsfaser, gemäß zuvor genannter Ausführungsformen, kann das Pumplicht zur Verstärkung des Laserlichts in den inneren Mantel der Eingangsfaser und/oder Ausgangsfaser eingekoppelt werden.
Die eben genannte Ausführungsform basierend auf doppelt ummantelten Verstärkerfasern ist für die Laserverstärkung besonders bevorzugt, da die Einkopplung von Pumplicht in den inneren Mantel eine höhere Pumpleistung im Vergleich zur Einkopplung in den Kern einer einfach ummantelten Verstärkerfaser ermöglicht und eine zugleich hohe Strahlqualität des im vergleichsweise schmalen Kern geführten Laserlichts sicherstellt. In einer typischen Ausführungsform mittels Stufen index-Fasern wird die Eingangsfaser als Vorverstärkerfaser mit kleinen Kerndurchmessern gefertigt, bevorzugt in der Größenordnung < 10 |im. Eine hohe Leistung kann hingegen am Ende der Verstärkerkette ermöglicht werden, indem die Ausgangsfaser als Hauptverstärkerfaser mit größeren Kerndurchmessern verwendet wird, bevorzugt in der Größenordnung > 20 |im.
Zur vollständigen Implementierung des Lasersystems wird zuerst in einer Seed-Quelle Laserstrahlung, beispielsweise Laserpulse, erzeugt. Dieses Laserlicht wird in den Kern der Eingangsfaser mit kleinem Modenfeld eingekoppelt und gegebenenfalls vorverstärkt. Nachfolgend befindet sich der Modenfeldadapter, bei dem das eingekoppelte Laserlicht mit kleinem Modenfeld aus der Eingangsfaser auf das vergrößerte Modenfeld der Ausgangsfaser angepasst wird. Die Ausgangsfaser wird als Verstärkerfaser verwendet, indem in die Ummantelung der Ausgangsfaser über einen Pump-Signal-Combiner Laserstrahlung aus einer Pumpquelle eingekoppelt wird. Das eingekoppelte Pumplicht verstärkt die Laserstrahlung in der Ausgangsfaser. Verstärkte Laserstrahlung tritt aus der Ausgangsfaser des Lasersystems.
Die Seed-Quelle wird beispielsweise als eine Diode mit Faserverstärker, Faseroszillator und gegebenenfalls mit Vorverstärker ausgebildet. Alternative Bereitstellung von Laserlicht zur Einkopplung in die Eingangsfaser sind dabei nicht ausgeschlossen.
Die Pump-Quelle kann beispielsweise als eine oder mehrere fasergekoppelte Laser Dioden ausgeführt sein, welche typischerweise an Multimodenfaser(n) gekoppelt ist, wobei Letztere als Pumpfasern bezeichnet werden.
Der Pump-Signal-Combiner stellt eine Vorrichtung zur Einkopplung des aus einer externen Pumpquelle stammenden Pumplichts in die Mantelfläche der als Hauptverstärkerfaser ausgeführten Ausgangsfaser bereit, wobei das Pumplicht in den zugehörigen Pumpfasern geführt wird. Beispielsweise können hierfür mehrere Pumpfasern aus der Pumpquelle mit der Hauptverstärkerfaser verbunden werden. Letzteres geschieht typischerweise derart, ist allerdings nicht begrenzt darin, dass die Pumpfasern um die Ausgangsfaser angeordnet sind, und das gesamte Bündel (in der Regel von einem Glasrohr umgeben) so getapered wird, dass seine Abmessungen denen der aktiven Faser entsprechen. Entsprechend werden die Pumpfasern und die aktive Ausgangsfaser derart verschmolzen, dass ein stabiles und einteiliges Faserkonstrukt entsteht.
In einer alternativen Form kann die Einkopplung von externem Pumplicht im Rahmen des Pump- Signal-Combiners auch mittels einer Freistrahloptik erfolgen. In einer Ausführungsform des Lasersystems wird beispielsweise über den Pump-Signal-Combiner Pumplicht aus einer Pumpguelle in die Mantelfläche der Ausgangsfaser in die entgegengesetzte Richtung zum eingestrahlten Laserlicht gepumpt, wodurch nicht-absorbiertes Pumplicht in die Mantelfläche des Modenfeldadapters gelangt.
Nicht absorbiertes Pumplicht kann in einem optional vorgesehenen Modestripper am Modenfeldadapter aus dem System ausgekoppelt werden. Dies verhindert bei hohen Pumpleistungen eine Zerstörung der Faserkomponenten/Verstärkerfasern, die vor dem Modenfeldadapter angeordnet sind, sowie eine unerwünschte Einkopplung des Pumplichts in die Seed-Quelle.
Der Mode-Stripper Abschnitt weist in einer Ausführungsform eine aufgeraute Außenfläche am Fasermantel auf, die beispielsweise durch eine HF-Ätzung des Fasermantels erzeugt werden kann.
In einerweiteren Ausführungsform des Mode-Strippers kann der Fasermantel des Mode-Stripper Abschnitts mit einer Schicht belegt sein, die einen höheren Brechungsindex als der Fasermantel aufweist, wodurch nicht-absorbiertes Pumplicht in dem Mantel absorbiert beziehungsweise seitlich ausgekoppelt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Mode-Stripper Abschnitt über den Modenfeldanpassungsabschnitt.
In einer zuvor genannten Ausführungsform der Modenfeldadapterfaser, bei der der expandierende Kern durch ein TEC-Verfahren hergestellt ist, weist der Mantel einen relativ großen Manteldurchmesser von mindestens 130 pm, insbesondere einen Durchmesser von beispielsweise 400 pm auf. Dadurch wird eine homogene Einbringung von Wärme entlang der Faser ermöglicht, wodurch etwaige Spannungsfelder im Kern, die zu einer Kopplung von Leistung in höhere Kern- Moden durch Spannungsdoppelbrechung führen, vermindert/vermieden werden können. Außerdem kann nicht absorbiertes Pumplicht aus der Ausgangs-ZVerstärkerfaser zu großem Teil, bevorzugt vollständig im Mantel des Modenfeldadapters geführt werden. Das im Mantel geführte nichtabsorbierte Pumplicht kann im Modestripper ausgekoppelt werden., wodurch eine Zerstörung der Faser durch nicht absorbierte Pumpstrahlung am Modenfeldadapter vermieden wird.
Nicht zuletzt ist durch den relativ großen Manteldurchmesser des Modenfeldadapters eine damit verbundene hohe Eigensteifigkeit der Faser verbunden, welche den kompletten Herstellungsprozess erleichtert.
Kurze Beschreibung der Figuren Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung des Längsschnitts einer Modenfeldadapterfaser und eines Querschnitts einer Eingangsfaser und einer Ausgangsfaser;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts der Modenfeldadapterfaser in Verbindung mit der Eingangs- und Ausgangsfaser mit polarisationserhaltenden Strukturen;
Figur 3 eine schematische Darstellung der Halterung zur Fixierung der Eingangs- und Ausgangsfaser sowie des Modenfeldadapters; und
Figur 4 eine schematische Darstellung des Aufbaus des Faserlasersystems inklusive dem Modenfeldadapter.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
Figur 1 zeigt schematisch einen Modenfeldadapter 1 in einem Längsschnitt. Der Modenfeldadapter 1 weist eine Eingangsseite 10 und eine Ausgangsseite 12 auf. Die Eingangsseite 10 des Modenfeldadapters 1 ist dazu ausgebildet, eine hier in einem Querschnitt sehr schematisch dargestellte Eingangsfaser 2 anzukoppeln. Die Ankopplung zwischen der Eingangsseite 10 des Modenfeldadapters 1 und der Stirnseite 20 der Eingangsfaser 2 kann beispielsweise über einen Spleißprozess erreicht werden.
Die Ausgangsseite 12 des Modenfeldadapters 1 dazu ausgebildet, eine hier ebenfalls in einem Querschnitt sehr schematisch dargestellte Ausgangsfaser 3 anzukoppeln. Die Ankopplung zwischen der Ausgangsseite 12 des Modenfeldadapters 1 und der Stirnseite 30 der Ausgangsfaser 3 kann beispielsweise ebenfalls über einen Spleißprozess erreicht werden.
In der Figur 1 ist der Modenfeldadapter 1 in einem Längsschnitt gezeigt, wohingegen die Eingangsfaser 2 und die Ausgangsfaser 3 jeweils in einem Querschnitt gezeigt werden. Wie bereits herausgestellt, können die Faser-Bauformen der Eingangs- und Ausgangsfaser unterschiedlichen Typs sein, was zu sehr unterschiedlichen Eigenschaften des zugehörigen Modenfelds der Fasern führen kann und insbesondere keine einfache Relation zwischen geometrischem Kerndurchmesser und Modenfeld zulässt, zumal einige Fasertypen keine wohldefinierten Kerndurchmesser aufweisen. Zum Zwecke einer verständlichen Beschreibung sollen die Modenfelder der skizzierten Fasern in den Figuren über den Modenfelddurchmesser charakterisiert werden. Dies setzt insbesondere Einzelmodenfasern voraus, da nur dann ein radialsymmetrisches Profil durch die gaußförmige Fundamentalmode gegeben ist. Wie bereits in der Beschreibung erwähnt, ist die Erfindung allerdings nicht in der Verwendung von Einzelmodenfasern beschränkt, da eine Modenfeldanpassung auch über die effektive Modenfeldfläche erfolgen kann. Weiterhin werden die Fasern mit einer einfachen Ausführung des Fasermantels gezeigt, wobei eingangs beschriebene kompliziertere Bauformen wie beispielsweise doppelte Ummantelungen nicht ausgeschlossen sind.
Die Eingangsfaser 2 weist, wie an der schematisch dargestellten Stirnseite 20 zu erkennen, einen lichtführenden Faserkern 22 auf, der durch einen ersten Modenfelddurchmesser d1 charakterisiert ist. Um den Faserkern 22 herum ist ein Fasermantel 24 ausgebildet.
Die Ausgangsfaser 3 weist ebenfalls einen Faserkern 32 auf, welcher einen zweiten Modenfelddurchmesser d2 aufweist. Um den Faserkern 32 herum ist ebenfalls ein Fasermantel 34 ausgebildet.
Der Faserkern 22 der Eingangsfaser 2 weist einen deutlich geringeren ersten Modenfelddurchmesser d1 auf als der Faserkern 32 der Ausgangsfaser 3, der einen zweiten Modenfelddurchmesser d2 aufweist.
Da die beiden Modenfelder des Faserkerns 22 der Eingangsfaser 2 und des Faserkerns 32 der Ausgangsfaser 3 unterschiedliche Durchmesser aufweisen, ist eine direkte Verbindung der Eingangsfaser 2 mit der Ausgangsfaser 3 nur mit sehr hohen optischen Verlusten möglich, da der abrupte Übergang zu Reflexionen an der Schnittstelle führt.
Mittels des Modenfeldadapters 1 kann entsprechend das Modenfeld der Eingangsfaser 2 an das Modenfeld der Ausgangsfaser 3 angeglichen beziehungsweise angepasst werden, wodurch optische Verluste beim Übergang signifikant reduziert werden.
Hierzu weist der Modenfeldadapter 1 eine Modenfeldadapterfaser 14 auf, welche entsprechend eine Eingangsseite 10 und eine Ausgangsseite 12 aufweist. Die Modenfeldadapterfaser 14 weist einen Faserkern 140 auf, der an der Eingangsseite 10 einen Modenfelddurchmesser d1 a aufweist, der dem Modenfelddurchmesser d1 der Eingangsfaser 2 entspricht, und an der Ausgangsseite 12 einen Modenfelddurchmesser d2a aufweist, der dem Modenfelddurchmesser d2 der Ausgangsfaser 3 entspricht.
Entsprechend kann durch das Anbinden der Eingangsfaser 2 mit ihrer Stirnseite 20 an die Eingangsseite 10 des Modenfeldadapters 1 das Modenfeld der Eingangsfaser 2 in den Modenfeldadapter 1 und insbesondere seinen Faserkern 140 eingekoppelt werden. An der Ausgangsseite 12 des Modenfeldadapters 1 kann das Modenfeld aus dem Faserkern 140 des Modenfeldadapters 1 in den Faserkern 32 der Ausgangsfaser 3 eingekoppelt werden.
Der Faserkern 140 des Modenfeldadapters 1 expandiert entsprechend von der Eingangsseite 10 zur Ausgangsseite 12 hin. Wie schematisch in der Figur 1 gezeigt, findet in der hier beispielhaften Ausführungsform die eigentliche Anpassung des Modenfelddurchmessers des Faserkerns 140 des Modenfeldadapters 1 nicht über die gesamte Länge L der Modenfeldadapterfaser 14 hinweg statt. Die Länge L der Modenfeldadapterfaser 14 ist definiert als die Länge zwischen der Eingangsseite 10 und der Ausgangsseite 12 der Modenfeldadapterfaser 14.
Vielmehr erstreckt sich der Faserkern 140 der Modenfeldadapterfaser 14 von der Eingangsseite 10 aus zunächst mit unverändertem ersten Modenfelddurchmesser d1 a, der dem Modenfelddurchmesser d1 des Faserkerns 22 der Eingangsfaser 2 entspricht. Dieser mit einem unveränderten Modenfelddurchmesser versehene erste Abschnitt 142 des Faserkerns 140 der Modenfeldadapterfaser 14 weist in Figur 1 die als L1 bezeichnete Länge auf.
Weiterhin ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein weiterer Bereich der Modenfeldadapterfaser 14 mit einem Faserkern 140 ausgebildet, der einen festen Modenfelddurchmesser aufweist, nämlich den Modenfelddurchmesser d2a. Dieser dritte Abschnitt 144 mit einem festen Modenfelddurchmesser d2a des Faserkerns 140 der Modenfeldadapterfaser 14 erstreckt sich von der Ausgangsseite 12 in Richtung der Eingangsseite 10. Dieser dritte Abschnitt 144 weist in Figur 1 die als L3 bezeichnete Länge auf.
Zwischen den beiden Bereichen, in welchen der Faserkern 140 der Modenfeldadapterfaser 14 des Modenfeldadapters 1 jeweils mit einem festen Modenfelddurchmesser verläuft, nämlich im ersten Abschnitt 142 und im dritten Abschnitt 144, ist ein Modenfeldanpassungsabschnitt 146 vorgesehen, in welchem der Faserkern 140 der Modenfeldadapterfaser 14 expandiert, nämlich von dem ersten Modenfelddurchmesser d1 a ersten Abschnitt 142, auf den zweiten Modenfelddurchmesser d2a, der dann im dritten Abschnitt 144 erreicht wird. Der Modenfeldanpassungsabschnitt 146 weist eine Länge L2 auf. Der hier vorgeschlagene Modenfeldadapter ist nicht beschränkt in dem eben beschriebenen dreiteiligen Aufbau (142, 144 und 146). Insbesondere kann sich der Modenfeldanpassungsabschnitt 146 auch über die Gesamtlänge L des Modenfeldadapters 1 erstrecken, wodurch keine Bereiche mit konstantem Modenfelddurchmesser vorhanden wären.
Die Modenfeldadapterfaser 14 des Modenfeldadapters 1 weist eine Länge L zwischen 5mm und 150mm auf, wobei der Modenfeldanpassungsabschnitt 146 eine Länge L2 aufweist, die zwischen 5 mm und 150 mm liegt und bevorzugt eine Länge zwischen 15 mm und 50 mm aufweist.
Auf diese Weise kann eine Anpassung des Modenfeldes der Eingangsfaser 2 an das Modenfeld der Ausgangsfaser 3 erreicht werden und gleichzeitig kann auf diese Weise der Modenfeldadapter 1 polarisationserhaltend ausgebildet werden. Dabei kann der Modenfeldadapter 1 beziehungsweise insbesondere die Modenfeldadapterfaser 14 selbst keine explizit polarisationserhaltenden Strukturen aufweisen.
Insbesondere weist die Modenfeldadapterfaser 14 keine explizit ausgebildeten polarisationserhaltenden Strukturen auf, so wie beispielsweise Spannungsstäbe oder andere doppelbrechende Strukturen, die zu einer polarisationserhaltenden Propagation der Wellen führen sollen. Auch asymmetrische Faser- oder Mantelkonstruktionen, die zu einer Polarisationserhaltung führen können, sind für die Modenfeldadapterfaser nicht vorgesehen.
Die Eingangsfaser 2 und/oder die Ausgangsfaser 3 können jedoch mit solchen polarisationserhaltenden Strukturen versehen sein, so wie sie beispielsweise im Bereich der sogenannten PM Fasertypen bekannt sind, beispielsweise durch das Verspannen der unterschiedlichen Achsen in einer PM Faser. PM Fasertypen können auch beispielsweise durch das Anbringen von zwei in Längsrichtung ausgerichteten, mit Bor dotierten Glasstäben, die auf gegenüberliegenden Seiten des Faserkerns positioniert werden, ausgebildet werden. Typische Ausführungsformen sind zylinderförmige oder „Bow-Tie“-förmige Glasstäbe. Es können auch elliptische Kernfasern verwendet werden oder andere asymmetrische Ausbildungen der Faser beziehungsweise des Faserkerns, die entsprechend für die Eingangsfaser 2 und/oder die Ausgangsfaser 3 polarisationserhaltend wirken können. Solche asymmetrischen Ausbildungen können auch für den Fasermantel implementiert sein, und führen ebenfalls zu einer polarisationserhaltenden Faser. Für den Fall von photonischen Kristallfasern können insbesondere asymmetrische Anordnungen der mikrostrukturierten Lochstruktur angewendet werden, um polarisationserhaltende Wirkung zu erzielen. Solche polarisationserhaltenden Strukturen sind explizit in der Modenfeldadapterfaser 14 nicht vorgesehen. Vielmehr ist hier lediglich eine Modenfeldadapterfaser 14 vorgesehen, die beispielsweise einen thermisch expandierten Kern aufweist.
Bevorzugt ist der Manteldurchmesser d3 der Modenfeldadapterfaser 14 kontinuierlich über den gesamten Bereich der Modenfeldadapterfaser 14 hinweg, also über dessen gesamte Länge L, konstant. Mit anderen Worten ändert sich der Durchmesser und insbesondere der Manteldurchmesser d3 der Modenfeldadapterfaser 14 nicht. Es ist lediglich der Faserkern 140, der in dem Modenfeldanpassungsabschnitt 146 eine entsprechende Vergrößerung von dem Modenfelddurchmesser d1 a zu dem Modenfelddurchmesser d2a aufweist.
Der Manteldurchmesser d3 der Modenfeldadapterfaser 14 kann beispielsweise größer als 130 pm sein - bevorzugt kleiner als 900 pm. Auf diese Weise kann die Wärme beim Herstellungsprozess homogen eingebracht werden und Spannungsfelder im Faserkern 140 können gemindert oder vermieden werden.
Weiterhin kann bei einem konstanten Manteldurchmesser d3 der Modenfeldadapterfaser 14 nicht absorbiertes Pumplicht aus dem Verstärker im Mantel geführt werden und durch einen optionalen Modestripper (weiter unten beschrieben) an der Mantelfläche ausgekoppelt werden, wodurch eine Zerstörung durch nicht absorbierte Strahlung an der Modenfeldadapterfaser 14 vermieden werden kann.
In der Figur 2 ist der Modenfeldadapter 1 in einem mit der Eingangsfaser 2 und der Ausgangsfaser 3 verbundenen Zustand gezeigt, wobei an der Eingangsseite 10 der Modenfeldadapterfaser 14 entsprechend die Stirnseite 20 der Eingangsfaser 2 mittels eines Spleißprozesses verbunden worden ist, derart, dass der Faserkern 22 der Eingangsfaser 2 mit dem Faserkern 140 der Modenfeldadapterfaser 14 ausgerichtet ist, sodass entsprechend ein Einkoppeln der Moden aus der Eingangsfaser 2 in die Modenfeldadapterfaser 14 ermöglicht wird.
Gleichermaßen wird an der Ausgangsseite 12 der Modenfeldadapterfaser 14 die Ausgangsfaser 3 mit deren Stirnseite 30 so angespleißt, dass die in der Modenfeldadapterfaser 14 und insbesondere in deren Faserkern 140 propagierenden Moden direkt in den Faserkern 32 der Ausgangsfaser 3 eingekoppelt werden. Im Falle von den hier vornehmlich diskutierten Einzelmodenfasern, sollte hier bevorzugt lediglich die Fundamentalmode eingekoppelt werden, um eine hohe Strahlqualität sicherzustellen. Dies schließt jedoch die Verwendung des Modenfeldadapters 1 zusammen mit Multimodenfasern mit multimodaler Lichtwellenpropagation nicht aus. Die Verbindung der Eingangsfaser 2 mit der Modenfeldadapterfaser 14 beziehungsweise die Verbindung der Ausgangsfaser 3 mit der Modenfeldadapterfaser 14 kann über einen bekannten Spleißprozess beziehungsweise über einen Cleaving und Spleißprozess so erreicht werden, dass ein möglichst verlustarmes Einkoppeln aus der Eingangsfaser 2 in den Modenfeldadapter 1 und ein möglichst verlustfreies Auskoppeln vom Modenfeldadapter 1 auf die Ausgangsfaser 3 ermöglicht wird.
Für den speziellen Fall von eingangs- und ausgangsseitigen Einzelmodenfasern ist es bevorzugt, dass die Eingangsfaser 2 mit Faserkern 22, die eine Fundamentalmode mit einem Modenfelddurchmesser d1 führen kann, mit der Modenfeldadapterfaser 14 eingangsseitig mit einem Kern 140, der im Bereich 142 eine Fundamentalmode mit Modenfelddurchmesser d1 a führen kann, so angepasst wird, dass (z.B. mittels eines Spleiß von Eingangsfaser 2 an die Stirnseite 10 der Modenfeldadapterfaser 14) eine optische Kopplung der Modenfelddurchmesser d1 und d1 a mit einem Verlust von <3 dB, bevorzugt <1 dB möglich ist. Ausgangsseitig soll die Modenfeldadapterfaser 14 einen Faserkern 140 mit einer Fundamentalmode mit Modenfelddurchmesser d2a aufweisen, sodass eine optische Kopplung von d2a und dem Modenfelddurchmesser d2 der Fundamentalmode des Kerns 32 der Ausgangsfaser 3 mit einem Verlust <3 dB, bevorzugt <2 dB möglich ist.
Die Eingangsfaser 2 weist hier sehr schematisch dargestellte polarisationserhaltende Strukturen 26 auf, die beispielsweise in Form von zwei in Längsrichtung der Eingangsfaser 2 verlaufenden und mit Bor dotierten Glasstäben vorgesehen sind.
Auch die Ausgangsfaser 3 weist schematisch dargestellte polarisationserhaltende Strukturen auf, die beispielsweise in Form ebenfalls von in Längsrichtung der Ausgangsfaser 3 verlaufenden, mit Bor dotierten Glasstäben 36 vorgesehen sein können.
Die Modenfeldadapterfaser 14 kann weiterhin mindestens einen Modestripper Abschnitt 148 aufweisen, welcher so ausgestaltet ist, dass Pumplicht aus dem Mantel ausgekoppelt werden kann. Der Modestripper Abschnitt 148 ist entsprechend so ausgebildet, dass Pumplicht ausgekoppelt werden kann und nicht absorbiertes Pumplicht, das möglicherweise zu einer Zerstörung der Modenfeldadapterfaser 14 oder anderen Komponenten führen könnten, ausgekoppelt werden können.
Der Modestripper Abschnitt 148 kann beispielsweise als eine Schicht mit einem höheren Brechungsindex als die Mantelschicht ausgebildet sein oder kann eine aufgeraute Mantelfläche sein, um entsprechend die Eigenschaft eines Mode-strippers zu erreichen. In einer bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich der Mode-Stripper Abschnitt 148 entlang des Modenfeldanpassungsabschnitts 146, sodass nicht absorbiertes Pumplicht entsprechend ausgekoppelt werden kann.
In der Figur 3 ist schematisch der Modenfeldadapter 1 gezeigt, der die Modenfeldadapterfaser 14 umfasst, an die sowohl die Eingangsfaser 2 als auch die Ausgangsfaser 3 angespleißt sind - beispielsweise in der zu den Figuren 1 und 2 beschriebenen Form.
Die Modenfeldadapterfaser 14 ist in einer Halterung 4 gehalten, die beispielsweise in Form eines Tubus 40 ausgebildet sein kann. In dem Tubus 40 sind sowohl die Modenfeldadapterfaser 14 als auch die jeweiligen Enden der Eingangsfaser 2 sowie der Ausgangsfaser 3 gehalten. Dies kann beispielsweise über entsprechende Klebstofftropfen 42 erreicht werden, mit welchen das Ende der Eingangsfaser 2 sowie der Anfang der Ausgangsfaser 3 mit dem Tubus 40 der Halterung 4 verklebt sind. Die Klebung kann beispielsweise auf einer Polymerbeschichtung, welche typischerweise um die Glasfasern angeordnet ist, erfolgen. Die Modenfeldadapterfaser 14 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nicht direkt mit dem Tubus 40 verklebt.
Die Halterung 4 zum Halten der Modenfeldadapterfaser 14 ist so ausgebildet, dass die Modenfeldadapterfaser 14 in der Halterung 4 ungebogen gehalten wird. Insbesondere wird sie gerade gehalten und besonders bevorzugt mit einem Krümmungsradius von mehr als 10 m gehaltert. Bevorzugt wird die Modenfeldadapterfaser 14 in der Halterung 4 spannungsfrei gehaltert.
Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Modenfeldadapterfaser 14 auch ohne das explizite Vorsehen von polarisationserhaltenden Strukturen dennoch die Polarisation aufrechterhalten kann.
Der Tubus 40 kann beispielsweise ein Glastubus sein. Insbesondere kann der Tubus im Falle eines TEC Prozesses, der zur Expansion des Kerns der Modenfeldadapterfaser verwendet wird, die gleiche Wärmeausdehnung erfahren wie die Modenfeldadapterfaser selbst.
Die Änderung des Polarisationszustands, also der prozentuale Anteil der eingestrahlten Polarisation von Licht, die beim Durchgang durch die Modefeldadapterfaser in die dazu orthogonale Polarisation konvertiert wird, ist kleiner als 25% (-6dB), bevorzugt kleiner als 1% (-20dB).
In Figur 4 ist schematisch ein Lasersystem 5 gezeigt, in dem der Modenfeldadapter 1 zum Einsatz kommt. Hier ist eine Seed-Quelle 50 vorgesehen, die beispielsweise in Form einer Diode mit einem Faserverstärker, einem Faseroszillator und gegebenenfalls einem Vorverstärker ausgebildet ist.
Durch die Seed-Quelle 50 wird Laserstrahlung beispielsweise in Form von gepulster Laserstrahlung erzeugt. Dabei wird in der Seed-Quelle 50 beispielsweise eine Faser mit einem kleinen Modenfelddurchmesser verwendet.
Die von der Seed-Quelle 50 erzeugten Laserpulse sollen nachfolgend in einem optischen Verstärker 52 verstärkt werden, wobei der Verstärker 52 in Form einer dotierten Verstärkerfaser mit einem größeren Modenfelddurchmesser als dem Modenfelddurchmesser der Seed-Quelle 50 ausgebildet ist. Entsprechend werden aus der Seed-Quelle 50 über eine Eingangsfaser 2, die einen ersten Modenfelddurchmesser d1 des Faserkerns 22 aufweist, Laserpulse bereitgestellt und mittels des oben beschriebenen Modenfeldadapters 1 auf einen größeren Modenfelddurchmesser d2 einer Ausgangsfaser 3 angepasst und dann dem optischen Verstärker 52 zugeführt.
Mittels eines Pump-Signal-Combiners 54 wird der Verstärker 52 vom Ende her gepumpt. Hierzu ist weiterhin eine Pumpquelle 56 vorgesehen. Dabei kann nicht absorbiertes Pumplicht in einem Modestripper Abschnitt des Modenfeldadapters 1 ausgekoppelt werden
Die über den Verstärker 52 verstärkte Laserstrahlung beziehungsweise die Laserpulse der Seed- Quelle 50, die über den Verstärker 52 verstärkt werden, können als Freistrahl 58 ausgekoppelt werden. Alternativ kann die Auskopplung der Laserstrahlung auch mittels einer Ausgangsfaser 58a ausgestaltet sein.
Die Polarisation der Laserpulse der Seed-Quelle 50 wird durch den entsprechend ausgebildeten Modenfeldadapter 1 erhalten und kann dann im Verstärker 52 aufrechterhalten bleiben, sodass an der Ausgangsfaser 58 entsprechend die Polarisation weiterhin erhalten bleibt.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
1 Modenfeldadapter
10 Eingangsseite
12 Ausgangsseite
14 Modenfeldadapterfaser
140 Faserkern
142 erster Abschnitt
144 dritter Abschnitt
148 Modestripper Abschnitt
2 Eingangsfaser
20 Stirnseite
22 Faserkern
24 Fasermantel
26 polarisationserhaltende Struktur
3 Ausgangsfaser
30 Stirnseite
32 Faserkern
34 Fasermantel
36 polarisationserhaltende Struktur
4 Halterung
40 Tubus
42 Klebstoff/Dichtmasse
5 Lasersystem
50 Seed-Quelle
52 optischer Verstärker
54 Pump/Signal Combiner
56 Pumpquelle
58 Ausgangsfaser d1 erster Modenfelddurchmesser d2 zweiter Modenfelddurchmesser d1 a erster Modenfelddurchmesser der Modenfeldadapterfaser d2a zweiter Modenfelddurchmesser der Modenfeldadapterfaser d3 Manteldurchmesser L Länge der Modenfeldadapterfaser
L1 Länge des ersten Abschnitts 142
L2 Länge des Modenfeldanpassungsabschnitts 146
L3 Länge des dritten Abschnitts 144

Claims

26 Ansprüche
1 . Modenfeldadapter (1) zur Anpassung eines Modenfelds einer Eingangsfaser (2) an das Modenfeld einer Ausgangsfaser (3), umfassend eine Modenfeldadapterfaser (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Modenfeldadapterfaser (14) einen Modenfeldanpassungsabschnitt (146) zur Anpassung des Modenfelddurchmessers des Modenfelds der Eingangsfaser an das Modenfeld der Ausgangsfaser aufweist, wobei die Modenfeldadapterfaser (14) eine Länge (L) zwischen 5mm und 150mm aufweist und der Modenfeldanpassungsabschnitt (146) eine Länge (L2) zwischen 5mm und 150mm, bevorzugt eine Länge zwischen 15mm und 50mm, aufweist, wobei die Modenfeldadapterfaser (14) polarisiertes Licht aus der Eingangsfaser (2) polarisationserhaltend in die Ausgangsfaser (3) überführt.
2. Modenfeldadapter (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Modenfeldadapterfaser (14) keine polarisationserhaltenden Strukturen aufweist und insbesondere weist die Modenfeldadapterfaser (14) keine Spannungsstäbe oder andere doppelbrechende Strukturen oder keine asymmetrischen Faser- oder Mantelkonstruktionen auf.
3. Modenfeldadapter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halterung (4) zum Haltern der Modenfeldadapterfaser (14) vorgesehen ist und die Modenfeldadapterfaser (14) in der Halterung (4) spannungsfrei gehaltert ist.
4. Modenfeldadapter (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halterung (4) zum Haltern der Modenfeldadapterfaser (14) vorgesehen ist und die Modenfeldadapterfaser (14) in der Halterung (4) ungebogen, bevorzugt gerade, besonders bevorzugt mit einem Krümmungsradius von mehr als 10 m, gehaltert ist.
5. Modenfeldadapter nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (4) einen Tubus (40) umfasst, wobei der Tubus (4) bevorzugt ein Glastubus ist.
6. Modenfeldadapter (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsfaser (2) und die Ausgangsfaser (3) jeweils mittels eines Klebepunkts (42) in dem Tubus (40) gehaltert sind, wodurch die Modenfeldadapterfaser (14) mittelbar in dem Tubus (40) gehaltert wird, wobei die zwei Klebepunkte (42) den Tubus (40) verschließen. Modenfeldadapter (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Polarisationszustands des Laserlichts beim Durchgang durch die Modenfeldadapterfaser (14) kleinerals 25 % (-6 dB), bevorzugt kleiner als 1 % (-20 dB) ist.. Modenfeldadapter (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modenfeldadapterfaser (14) an der Eingangsseite (2) poliert und/oder gecleavt ist und die Eingangsfaser (2) an die Eingangsseite (10) angespleißt ist und/oder die Modenfeldadapterfaser (14) an der Ausgangsseite (12) poliert und/oder gecleavt ist und die Ausgangsfaser (3) an die Ausgangsseite (12) angespleißt ist. Modenfeldadapter (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modenfeldadapterfaser (14) einen Faserkern (140) aufweist, wobei der Modenfelddurchmesser (d1 a) des Faserkerns (140) im Modenfeldanpassungsabschnitt (146) an der Eingangsseite (10) dem Modenfelddurchmesser (d1) des Faserkerns (22) der Eingangsfaser (2) entspricht und an der Ausgangsseite (12) des Modenfeldanpassungsabschnitts (146) einen Modenfelddurchmesser (d2a) aufweist, der dem Modenfelddurchmesser (d2) des Faserkerns (32) der Ausgangsfaser (3) entspricht. Modenfeldadapter (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Modenfeldadapterfaserkern (140) ein thermisch expandierter Kern ist. Modenfeldadapter (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modenfeldadapterfaser (14) einen Fasermantel aufweist, wobei der Durchmesser (d3) des Fasermantels über die Länge (L) der Modenfeldadapterfaser (14) hinweg konstant ist, wobei bevorzugt der Durchmesser des Fasermantels größer als 130 pm ist. Modenfeldadapter (1) nach einem der vorherigen Abschnitte, dadurch gekennzeichnet, dass die Modenfeldadapterfaser (14) mindestens einen Mode-Stripper-Abschnitt (148) aufweist, der dazu eingerichtet ist Pumplicht aus dem Modenfeldadapterfasermantel auszukoppeln. Modenfeldadapter (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Mode- Stripper-Abschnitt (148) durch eine Schicht auf dem Modenfeldadapterfasermantel realisiert ist, die einen größeren Brechungsindex als der Modenfeldadapterfasermantel aufweist, und/oder dass der Mode-Stripper Abschnitt durch eine aufgeraute Modenfeldadapterfasermantelfläche realisiert wird. Lasersystem (5) umfassend einen Seed-Laser (50), einen Modenfeldadapter (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, einen Verstärker (52) mit Verstärkerfaser, einen Pump-Signal- Combiner (54) und einen Pumplaser (56), wobei der Seed-Laser (50) dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung mit einem Modenfeld in einer Eingangsfaser (2) zu erzeugen, wobei der Modenfeldadapter (1) dazu eingerichtet ist, das
Modenfeld der Eingangsfaser (2) auf das Modenfeld einer Ausgangsfaser (3) anzupassen, wobei die Ausgangsfaser (3) die Verstärkerfaser des Verstärkers (52) ist, wobei der Verstärker (52) dazu eingerichtet ist, die Laserstrahlung zu verstärken, wobei der Pumpcombiner (54) dazu eingerichtet ist, den Verstärker (52) mit der Laserstrahlung des Pumplasers (56) zu pumpen, wobei das Lasersystem polarisationserhaltend ist.
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