EP4655626A1 - Mehrkern-lichtwellenleiter mit polarisationserhaltung - Google Patents

Mehrkern-lichtwellenleiter mit polarisationserhaltung

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EP4655626A1
EP4655626A1 EP24702884.8A EP24702884A EP4655626A1 EP 4655626 A1 EP4655626 A1 EP 4655626A1 EP 24702884 A EP24702884 A EP 24702884A EP 4655626 A1 EP4655626 A1 EP 4655626A1
Authority
EP
European Patent Office
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optical waveguide
elements
core
region
cross
Prior art date
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Pending
Application number
EP24702884.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Schreiber
Albrecht Steinkopff
Arno Klenke
Nicoletta Haarlammert
César JÁUREGUI MISAS
Christopher ALESHIRE
Jens Limpert
Johannes Nold
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.)
Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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 Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU, GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Publication of EP4655626A1 publication Critical patent/EP4655626A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02319—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by core or core-cladding interface features
    • G02B6/02338—Structured core, e.g. core contains more than one material, non-constant refractive index distribution in core, asymmetric or non-circular elements in core unit, multiple cores, insertions between core and clad
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    • G02B6/02342—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by cladding features, i.e. light confining region
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    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • 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
    • H01S3/06708—Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering
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    • H01S3/06708—Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering
    • H01S3/06729—Peculiar transverse fibre profile
    • H01S3/06737—Fibre having multiple non-coaxial cores, e.g. multiple active cores or separate cores for pump and gain

Definitions

  • the invention relates to an optical waveguide with a plurality of light-guiding core regions which run at a distance from one another along the longitudinal extension of the optical waveguide and which, viewed in the cross section of the optical waveguide, are all located within a contiguous signal region which in turn is completely enclosed by a cladding region, wherein the optical waveguide contains stress elements which are designed to generate a mechanical stress field in the optical waveguide, wherein each core region is exposed to a mechanical stress which causes birefringence and thus polarization-maintaining behavior by the stress elements, wherein the core regions are each assigned a main polarization axis.
  • the invention relates to a laser system using such an optical waveguide.
  • Optical fibers are known in various designs from the state of the art.
  • Optical fibers are cables for transmitting light.
  • the best known optical fibers are dielectric waveguides that are made up of concentric layers. In the center of the cross-section is a light-guiding core area that is surrounded by a cladding area that has a lower refractive index than the core area.
  • protective layers made of plastic are also provided that surround the cladding area.
  • the core area has a diameter of a few micrometers to over a Millimeter.
  • Optical fibers are differentiated according to the number of propagable modes of the electromagnetic radiation of light, which is limited by the core diameter (single-mode-multimode fibers).
  • optical fibers as an active medium (with a laser-active core region) as a reliable concept for high-power lasers.
  • the development of low-energy lasers into high-power lasers for industrial applications is based on the ability of optical fibers to handle high power.
  • the very good surface-to-active-volume ratio allows heat to be efficiently dissipated. This is an excellent prerequisite for high-power operation.
  • restricting the light signal to the core region of the optical fiber leads to high light intensity and interactions between the material of the optical fiber and the light signal. This also creates nonlinear effects that are difficult to control. This severely impairs the signal quality.
  • Optical fibers should therefore be designed in such a way that nonlinear effects and interactions with the fiber material are reduced.
  • WO 2016/050898 A1 discloses an optical waveguide with a plurality of light-guiding core regions that run at a distance from one another along the longitudinal extension of the optical waveguide and are enclosed by a common cladding region when viewed in the cross section of the optical waveguide.
  • the previously known optical waveguide is used as an optical amplifier in a laser system in which a laser beam from a laser source is split into at least two spatially separated partial beams by means of a splitting element. The partial beams then propagate through the optical waveguide, with the core regions each guiding a partial beam.
  • a combination element is provided so that the partial beams are coherently superimposed to form an output beam after propagation through the optical waveguide.
  • the individual partial beams are amplified in parallel in the optical waveguide, for which purpose the core regions are doped with rare earth ions. These are optically pumped by means of pump radiation guided in the common cladding region.
  • the previously known approach is based on nonlinear effects and To reduce interactions with the fiber material by amplifying the individual beams at a correspondingly reduced intensity.
  • the desired overall performance is only achieved by the coherent superposition of the beams in the initial steel.
  • the coherent combination of the sub-beams is a very efficient way to scale the output power of fiber laser systems, as it allows to overcome the limitations of single-channel systems.
  • the integration of the optical amplifiers for the individual sub-beams in a single optical fiber with a plurality of core regions allows the realization of a very high number of "channels", i.e. of optical amplifiers assigned to the sub-beams.
  • the reason for this is that the complexity, size and cost of the laser system does not scale with the number of channels.
  • the coherent combination of the partial beams in laser systems of the type described above requires that they have a well-defined polarization state with respect to one another.
  • these requirements result in the use of polarization-maintaining structures.
  • a multi-core fiber usually has an inhomogeneous birefringence pattern across the core regions, which is due to the intrinsic mechanical stress field induced by the arrangement of the core regions.
  • a polarization-maintaining structure should be integrated into the optical fiber in such a way that that it ensures a homogeneous birefringence profile across the core areas.
  • PM multicore fibers are not limited to the coherent beam combination described, since other applications, such as multibeam frequency conversion, also require a well-defined polarization of the partial beams.
  • the use of PM multicore fibers is also useful for the simple propagation of partial beams through any optical system with polarization-sensitive elements (such as isolators, compressors, etc.).
  • EP 3 163 339 A1 discloses a PM multi-core fiber based on the integration of stress elements in the spaces between the core regions, so that the stress elements act on individual core regions and subject them to a mechanical stress field that generates birefringence. This is problematic for high-performance fiber laser systems because the arrangement of the stress elements leads to a loss of pump absorption. In addition, in this arrangement the stress elements are significantly larger than the cores. This also leads to an impairment of the pump absorption and is therefore undesirable.
  • the stress elements can, for example, consist of a material that differs in terms of its thermal expansion coefficient from the material of the optical waveguide surrounding the stress elements. When the optical waveguide cools down after drawing, the desired mechanical stresses are created.
  • polarization maintenance can also be achieved by using cores that are not circular in cross-section (shape birefringence). However, this is also undesirable for high-power fiber lasers due to the asymmetry of the emitted beam.
  • WO 2014/132793 A1 describes a multi-core fiber with a cladding and a plurality of light-guiding core elements provided within the cladding.
  • Each core element has an inner cladding layer that surrounds the actual core.
  • An outer cladding layer is provided that inner cladding layer and has an average refractive index that is lower than that of the cladding and the inner cladding layer.
  • a plurality of stress elements are provided within the cladding. The stress elements are arranged so that in the light propagating through the core elements, the effective refractive index for polarized waves of the same LP mode is reduced.
  • the invention achieves this object on the basis of an optical waveguide of the type specified at the outset in that all voltage elements are located outside the signal area, wherein the mechanical voltage field generated by the arrangement of the voltage elements causes the main polarization axes to point in the same direction in all core areas.
  • the invention proposes an approach to realize a polarization-maintaining multi-core fiber, i.e. an optical waveguide with any number and arrangement of light-guiding core regions.
  • An essential aspect is that the voltage elements are not located between the core regions, but outside the common signal region in which the core regions are located.
  • the signal region is the connected region in which all core regions (and also all imaginary connecting lines between neighboring core regions) are located.
  • the voltage elements do not act on individual core regions, but "globally" on the overall arrangement of the core regions. This offers a high degree of flexibility in the design of the arrangement and shape of the core regions and minimizes disadvantages in pump absorption.
  • Each core area of the optical waveguide is subjected to a mechanical stress that causes birefringence by the stress elements.
  • each core area or the light guide of each core area, exhibits polarization-maintaining behavior.
  • Each core area is assigned a main polarization axis.
  • the arrangement of the stress elements is not rotationally symmetrical. This means that the arrangement of the stress elements cannot be mapped onto itself for arbitrary rotations around the axis of the optical waveguide. The arrangement is therefore not cylindrically symmetrical.
  • the stress elements can have axial symmetry when viewed in the cross-section of the optical waveguide. It is important that the distribution of the stress elements across the cross-section of the optical waveguide creates optical anisotropy.
  • the stress field should have a single, distinct direction (at least) in the entire signal range, i.e. a main direction of the effective stress, in such a way that the main polarization axes of all core areas point in the same direction.
  • the uneven arrangement of the voltage elements defines the directional distribution of the voltage in the voltage field across the cross-section of the optical fiber, particularly in the signal area.
  • the voltage elements are arranged in such a way that the direction of the maximum voltage (main direction of the voltage field) and thus the direction of the main polarization axis is (essentially) the same for all core areas.
  • the voltage elements can optionally be arranged in groups distributed over the cross-section of the optical waveguide.
  • the distances between the voltage elements in a group are smaller than the distances between the voltage elements assigned to different groups.
  • Combining several smaller voltage elements into a group has the advantage that the effect of a single larger Tension element with respect to the mechanical tension field generated.
  • the groups can be arranged on two opposite sides of the signal area, the connecting line between the groups defines a distinct axis of the mechanical tension field generated and accordingly specifies the orientation of the optical anisotropy in the channel areas.
  • Each group can also be formed by an arrangement of tension elements lined up along at least one straight line or along at least one circular arc segment. All of these designs have manufacturing advantages and are well suited to achieving a suitable mechanical tension field and thus a well-defined birefringence in the core areas by arranging the groups.
  • the voltage elements are located in the cladding region.
  • the cladding region encloses the signal region.
  • the voltage elements can be conveniently arranged there in order to act directly on the entirety of the core regions.
  • the material of the voltage elements can have a lower refractive index than the material of the optical waveguide in the cladding region. In this way, the voltage elements can fulfill an additional function in guiding pump light in the cladding region.
  • the voltage elements can advantageously be distributed over the cross-section of the optical waveguide so that they surround the signal region on all sides. In this way, a good overlap of the pump light guided in the cladding region with the core regions and thus a high pump absorption can be achieved.
  • the stress elements are located outside the cladding region (which carries pump light), ie in other regions of the optical waveguide that surround the cladding region. This has the advantages that the pump absorption is not affected at all by the stress elements and a larger selection of materials can be used for the stress elements.
  • the refractive index of the stress elements does not need to be lower than the refractive index of the material (eg SiO2) in the cladding region.
  • the signal area is a rectangular area whose centroid coincides with the longitudinal center axis of the optical fiber.
  • the signal area can be a circular or annular area whose centroid coincides with the longitudinal center axis of the optical fiber.
  • any shape of the signal area and any arrangement of the core areas within it is conceivable.
  • the core areas can be arranged next to and on top of each other as a two-dimensional array (at the intersection points of an imaginary rectangular grid).
  • the core areas can also be arranged on a circle circumference. A random arrangement of the core areas is also conceivable.
  • the core areas like the voltage elements, advantageously have a circular cross-section.
  • the circular cross-section enables the optical waveguide to be manufactured easily. In the core areas, this advantageously results in a circular (e.g. Gaussian) beam profile of the light propagating along the core areas.
  • At least two of the stress elements differ from each other in terms of cross-sectional size. Stress elements of different sizes can therefore be used to generate the desired mechanical stress field.
  • a mechanical stress field can be specifically generated, through which a birefringence pattern for a specific “exotic” polarization state (e.g. azimuthal or radial polarization) of the guided light can be achieved.
  • a specific “exotic” polarization state e.g. azimuthal or radial polarization
  • the optical waveguide according to the invention can be used as an optical amplifier or as an active element in a laser resonator.
  • at least one of the core regions is expediently doped with rare earth ions, and advantageously all core regions are doped.
  • the invention also relates to a laser system comprising at least one laser source emitting a laser beam, a splitting element which Laser beam is split into at least two spatially separated partial beams, at least one optical waveguide of the type described above through which the partial beams propagate, the core regions of the optical waveguide each guiding one of the partial beams, and at least one combination element which coherently superimposes the partial beams after propagation through the optical waveguide.
  • the polarization-maintaining optical waveguide of the invention can advantageously be used to realize a high-performance laser system based on the principle of coherent combination of partial beams, without the disadvantages known from the prior art with regard to pump absorption.
  • Fig. 1 schematic cross-sectional representation of a first variant of an optical waveguide according to the invention
  • Fig. 2 schematic cross-sectional representation of a second variant of an optical waveguide according to the invention
  • Fig. 3 schematic cross-sectional representation of a third variant of an optical waveguide according to the invention.
  • Fig. 4 schematic cross-sectional view of a fourth variant of an optical waveguide according to the invention.
  • Fig. 5 schematic cross-sectional view of a fifth variant of an optical waveguide according to the invention.
  • Fig. 6 schematic cross-sectional representation of a sixth variant of an optical waveguide according to the invention
  • Fig. 7 schematic cross-sectional view of a seventh variant of an optical waveguide according to the invention
  • Fig. 8 schematic representation of a laser system according to the invention as a block diagram.
  • the invention is primarily aimed at optical waveguides, i.e. multi-core fibers for high-power laser systems.
  • the cross-sectional structure of these multi-core fibers can be divided into different regions, as the figures show.
  • core regions 1 are provided in which the amplification and/or guidance of the light takes place.
  • signal region 2 is defined as the region that completely encloses all core regions and all (imaginary) lines (not shown) that connect the centers of immediately adjacent core regions.
  • the signal region 2 is shown separated from the other regions by a boundary line 5.
  • the boundary line 5 does not intersect any of the (imaginary) lines mentioned that connect the centers of immediately adjacent core regions.
  • the boundary line 5 is the shortest possible curve that completely encloses all core regions 2.
  • the core regions 1 can be arranged as desired within the signal region 2.
  • the light can be guided by any means (through step index, refractive index gradient, photonic crystals, band gaps, grazing incidence, etc.).
  • the realization of the optical waveguide according to the invention is independent of the design of the structures within the signal region 2.
  • the signal region 2 and thus the core regions 1 are located within a cladding region 3. In an active multi-core fiber, this is the region in which the pump radiation is guided.
  • the cladding region 3 can be surrounded by one or more outer layers 4, which can serve, for example, to keep the pump light within the cladding 3 or to give the fiber mechanical stability.
  • the material surrounding the core areas 1 of the multi-core fiber within the signal area 2 does not have to differ from the material in the cladding area 3 (outside the stress elements 6).
  • the distinction between signal area 2 and cladding area 3 serves to explain the structure, in particular with regard to the arrangement of the voltage elements 6 outside the signal area 2, and not to demarcate between areas of the multi-core fiber with different material or structural properties.
  • the core areas 1 can be embedded in the same cladding material (eg SiO2) of the multi-core fiber from which the cladding area 3 is also made.
  • stress elements 6 are provided which generate a mechanical stress field across the cross-section of the multi-core fiber.
  • the stress elements 6 are never located within the signal region 2, but rather outside it.
  • the stress elements 6 are never located on one of the (imaginary) lines mentioned that connect the centers of the neighboring core regions 1 with one another.
  • the stress elements 6 therefore do not act on individual core regions 1, but on the entire signal region 2. This enables a flexible arrangement of the core regions 1 within the signal region 2.
  • the impairment of the pump absorption in the signal region 2 is correspondingly low.
  • the tension elements 6 are arranged like the core regions 1.
  • the tension elements 6 have the same size and the same distance from each other as the core regions 1.
  • the tension elements 6 are arranged in such a way that they continue the matrix-like arrangement of the core regions 1.
  • the tension elements 6 are arranged in the jacket region 3.
  • the tension elements 6 have a more complex arrangement, while the main parameters of the arrangement of the core regions 1 (i.e. size and spacing) are retained.
  • Fig. 3 illustrates that the arrangement of the tension elements 6 does not have to maintain the main parameters of the arrangement of the core regions 1, but that they can be freely distributed in the jacket area 3 as long as they are located outside the signal area 2, ie are not placed within the area delimited by the area boundary 5.
  • Fig. 4 shows that an asymmetrical arrangement of the tension elements 6, which completely surrounds the signal region 2 on all sides, can have a double benefit by giving the core regions 1 birefringence and also causing or at least supporting the guidance of pump light in the cladding region 3.
  • the tension elements 6 have a lower refractive index than the base material of the multi-core fiber in the cladding region 3.
  • the arrangement of the voltage elements 6 does not correspond to the arrangement of the core regions 1, since a denser packing of the voltage elements 6 is required in order to guide the pump light with the lowest possible losses.
  • Figs. 1 to 4 While in Figs. 1 to 4 the tension elements 6 are lined up along straight lines corresponding to the arrangement of the core regions 1, a completely different arrangement is provided in Fig. 5. There the tension elements 6 are lined up along two circular segments opposite each other with respect to the center of the multi-core fiber. This can improve the homogeneity of the birefringence in the signal region 2.
  • the stress elements 6 can also be arranged completely outside the sheath region 3. In this case, they can follow the arrangement parameters of the core regions 1. The latter, however, is not absolutely necessary.
  • the stress elements 6 can be arranged in groups to simulate the mechanical stress generated by a single larger stress element 6, as shown in Fig.
  • the voltage elements 6 are not arranged rotationally symmetrically with respect to the center of the cross section, ie the central axis of the optical waveguide.
  • the arrangement of the voltage elements 6 defines a distinct axis of the voltage field generated in the signal region 2. In this way, it can be achieved that the main polarization axes in all core regions 1 are aligned in the same direction, ie with a maximum deviation of the main polarization axis from core to core of ⁇ 10°, more preferably ⁇ 5°.
  • Fig. 1 to 7 the arrangement of the voltage elements 6, seen in the cross section shown in each case, is axially symmetrical with respect to at least one axis.
  • Fig. 1 to 7 there are two mutually perpendicular (here horizontal and vertical) axes of symmetry, each of which runs through the center of the cross section (where the center axis of the optical waveguide is located).
  • the voltage elements are further away from this axis of symmetry in the direction perpendicular to one axis of symmetry (in Fig. 1 to 6 in the horizontal direction, in Fig. 7 in the vertical direction) than in the direction perpendicular to it (in Fig. 1 to 6 in the vertical direction, in Fig. 7 in the horizontal direction).
  • a preferred direction of the maximum voltage i.e. an optical anisotropy in the entire signal area 2 is defined, which results in the desired identical alignment of the main polarization axis for all core areas 1.
  • the laser system shown in Fig. 8 comprises a laser source 10 which generates a laser beam E. This is fed to a splitting element 11 which splits the laser beam E into several spatially separate partial beams T. It would also be conceivable for the laser source 10 to already generate several laser beams. These partial beams T propagate through an optical waveguide 12 which is designed as a multi-core fiber, as shown in Figs. 1 to 7. Each core region 1 of the optical waveguide carries one partial beam T.
  • the Light P from a pump light source 13 is coupled into the cladding region 3 of the optical waveguide 12 so that it can be absorbed in the core regions 1.
  • the laser radiation is amplified T in each partial beam.
  • a combination element 14 is provided which superimposes the amplified partial beams T in an output beam A coherently or incoherently.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter mit einer Mehrzahl von beabstandet voneinander entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters verlaufenden, Licht führenden Kernbereichen (1), die sich, im Querschnitt des Lichtwellenleiters gesehen, alle innerhalb eines zusammenhängenden Signalbereiches (2) befinden, der seinerseits von einem Mantelbereich (3) vollständig umschlossen ist, wobei der Lichtwellenleiter Spannungselemente (6) enthält, die dazu ausgelegt sind, ein mechanisches Spannungsfeld in dem Lichtwellenleiter zu erzeugen, wobei jeder Kernbereich (1) durch die Spannungselemente (6) einer Doppelbrechung und damit polarisationserhaltendes Verhalten bewirkenden mechanischen Spannung ausgesetzt ist, wobei den Kernbereichen (1) jeweils eine Hauptpolarisationsachse zugeordnet ist, und wobei sich sämtliche Spannungselemente (6) außerhalb des Signalbereiches (2) befinden. Es ist Aufgabe der Erfindung, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Mehrkern-Lichtwellenleiter mit polarisationserhaltenden Eigenschaften bereit zu stellen. Hierzu schlägt die Erfindung vor, dass die Spannungselemente (6) in Gruppen aus jeweils zwei oder mehr Spannungselementen (6) über den Querschnitt des Lichtwellenleiters verteilt angeordnet sind, wobei die Spannungselemente (6), im Querschnitt des Lichtwellenleiters gesehen, eine asymmetrische, nämlich nicht rotationssymmetrische Anordnung aufweisen, die bewirkt, dass die Hauptpolarisationsachsen in allen Kernbereichen (1) in die gleiche Richtung weisen. Außerdem betrifft die Erfindung ein Lasersystem, das einen solchen Lichtwellenleiter nutzt.

Description

Mehrkern-Lichtwellenleiter mit Polarisationserhaltuna
Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter mit einer Mehrzahl von beabstandet voneinander entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters verlaufenden, Licht führenden Kernbereichen, die sich, im Querschnitt des Lichtwellenleiters gesehen, alle innerhalb eines zusammenhängenden Signalbereiches befinden, der seinerseits von einem Mantelbereich vollständig umschlossen ist, wobei der Lichtwellenleiter Spannungselemente enthält, die dazu ausgelegt sind, ein mechanisches Spannungsfeld in dem Lichtwellenleiter zu erzeugen, wobei jeder Kernbereich durch die Spannungselemente einer Doppelbrechung und damit polarisationserhaltendes Verhalten bewirkenden mechanischen Spannung ausgesetzt ist, wobei den Kernbereichen jeweils eine Hauptpolarisationsachse zugeordnet ist.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Lasersystem, das einen solchen Lichtwellenleiter verwendet.
Lichtwellenleiter sind in verschiedenen Ausgestaltungen aus dem Stand der Technik bekannt. Lichtwellenleiter sind Leitungen zur Übertragung von Licht. Die bekanntesten Lichtwellenleiter sind dielektrische Wellenleiter, die aus konzentrischen Schichten aufgebaut sind. Im Zentrum des Querschnitts liegt ein lichtführender Kernbereich, der umschlossen ist von einem Mantelbereich, der einen gegenüber dem Kernbereich niedrigeren Brechungsindex aufweist. Bei kommerziellen Lichtwellenleitern sind außerdem den Mantelbereich umgebende Schutzschichten aus Kunststoff vorgesehen. Je nach Anwendungsfall hat der Kernbereich einen Durchmesser von einigen Mikrometern bis zu über einem Millimeter. Man unterscheidet Lichtwellenleiter unter anderem nach der Anzahl von ausbreitungsfähigen Moden der elektromagnetischen Strahlung des Lichts, die durch den Kerndurchmesser limitiert wird (Singlemode-ZMultimodefasern).
Die Weiterentwicklung von Faserlasern in jüngster Zeit hat dazu geführt, dass Lichtwellenleiter als aktives Medium (mit laseraktivem Kernbereich) ein zuverlässiges Konzept für Hochleistungslaser liefern. Die Entwicklung von Niedrigenergielasern zu Hochleistungslasern für industrielle Anwendungen basiert auf der Fähigkeit von Lichtwellenleitern, hohe Leistung handhaben zu können. Das sehr gute Verhältnis von Oberfläche zu aktivem Volumen erlaubt es, Wärme effizient abzuführen. Dies ist eine hervorragende Voraussetzung für einen Hochleistungsbetrieb. Allerdings führt die Einschränkung des Lichtsignals auf den Kernbereich des Lichtwellenleiters zu hoher Lichtintensität und zu Wechselwirkungen zwischen dem Material des Lichtwellenleiters und dem Lichtsignal. Dabei entstehen insbesondere auch schwer zu kontrollierende nichtlineare Effekte. Damit wird die Signalqualität stark beeinträchtigt.
Lichtwellenleiter sollten demnach derart ausgelegt werden, dass nichtlineare Effekte und Wechselwirkungen mit dem Fasermaterial reduziert werden.
Aus der WO 2016/050898 A1 ist ein Lichtwellenleiter mit einer Mehrzahl von beabstandet voneinander entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters verlaufenden, Licht führenden Kernbereichen bekannt, die, im Querschnitt des Lichtwellenleiters gesehen, von einem gemeinsamen Mantelbereich umschlossen sind. Der vorbekannte Lichtwellenleiter kommt als optischer Verstärker in einem Lasersystem zum Einsatz, bei dem ein Laserstrahl einer Laserquelle mittels eines Aufteilungselements in mindestens zwei räumlich getrennte Teilstrahlen aufgeteilt wird. Die Teilstrahlen propagieren dann durch den Lichtwellenleiter, wobei die Kernbereiche jeweils einen Teilstrahl führen. Ein Kombinationselement ist vorgesehen, dass die Teilstrahlen nach der Propagation durch den Lichtwellenleiter kohärent zu einem Ausgangsstrahl überlagert. Die einzelnen Teilstrahlen werden in dem Lichtwellenleiter parallel verstärkt, wozu die Kernbereiche eine Dotierung mit Seltenerdionen aufweisen. Diese werden mittels in dem gemeinsamen Mantelbereich geführter Pumpstrahlung optisch gepumpt. Der vorbekannte Ansatz beruht darauf, nichtlineare Effekte und Wechselwirkungen mit dem Fasermaterial dadurch zu reduzieren, dass die Verstärkung in den einzelnen Teilstrahlen bei entsprechend reduzierter Intensität erfolgt. Die gewünschte Gesamtleistung wird erst durch die kohärente Überlagerung der Teilstrahlen im Ausgangsstahl erreicht.
Die kohärente Kombination der Teilstrahlen ist ein sehr effizienter Weg zur Skalierung der Ausgangsleistung von Faserlasersystemen, da sie es ermöglicht, die Einschränkungen von Einkanalsystemen zu überwinden. Die Integration der optischen Verstärker für die einzelnen Teilstrahlen in einem einzigen Lichtwellenleiter mit einer Mehrzahl von Kernbereichen (auch als Mehrkernfaser bezeichnet) ermöglicht die Realisierung einer sehr hohen Zahl von „Kanälen“, d.h. von den Teilstrahlen zugeordneten optischen Verstärkern. Der Grund dafür ist, dass die Komplexität, die Größe und die Kosten des Lasersystems nicht mit der Anzahl an Kanälen skaliert. Tatsächlich gibt es kaum einen relevanten Unterschied in Bezug auf Platzbedarf, Komplexität und Kosten zwischen einem Lasersystem mit einer Mehrkernfaaser mit einer Anordnung aus z.B. 2x2 Kernbereichen und einem System mit einer Anordnung aus 10x10 Kernbereichen. Diese Eigenschaft macht Mehrkernfasern sehr attraktiv für die Leistungsskalierung von Hochleistungs-Faserlasersystemen.
Die kohärente Kombination der Teilstrahlen in Lasersystemen der zuvor beschriebenen Art verlangt, dass diese einen wohldefinierten Polarisationszustand zueinander haben. Bei der Kombination von zwei Teilstrahlen kann es z.B. wünschenswert sein, dass diese entweder identische oder zueinander orthogonale lineare Polarisation haben. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, sinkt die Leistung im Ausgangsstrahl, d.h. die Effizienz der kohärenten Kombination. Im Zusammenhang mit einer Mehrkernfaser resultiert aus diesen Anforderungen die Verwendung von polarisationserhaltenden Strukturen. Eine Mehrkernfaser weist in der Regel ein inhomogenes Doppelbrechungsmuster über die Kernbereiche hinweg auf, was auf das durch die Anordnung der Kernbereiche induzierte intrinsische mechanische Spannungsfeld zurückzuführen ist. Dieses inhomogene Doppelbrechungsmuster kann bereits nach einigen zehn Zentimetern Propagationsstrecke die Kombinationsleistung signifikant beeinträchtigen. Um dies zu verhindern, sollte eine polarisationserhaltende Struktur so in den Lichtwellenleiter integriert werden, dass sie ein homogenes Doppelbrechungsprofil über die Kernbereiche hinweg gewährleistet.
Der Bedarf an polarisationserhaltenden (PM) Mehrkernfasern ist allerdings nicht auf die beschriebene kohärente Strahlkombination beschränkt, da auch andere Anwendungen, wie z.B. die Mehrstrahl-Frequenzkonvertierung, eine wohldefinierte Polarisation der Teilstrahlen erfordern. Auch bei der einfachen Propagation von Teilstrahlen durch ein beliebiges optisches System mit polarisationsempfindlichen Elementen (wie Isolatoren, Kompressoren usw.) ist der Einsatz von PM-Mehrkernfasern von Nutzen.
Aus der EP 3 163 339 A1 ist eine PM-Mehrkernfaser bekannt, die auf der Integration von Spannungselementen in den Zwischenräumen zwischen den Kernbereichen basiert, so dass die Spannungselemente auf einzelne Kernbereiche wirken und diese einem Doppelbrechung erzeugenden mechanischen Spannungsfeld aussetzen. Dies ist für Hochleistungs- Faserlasersysteme problematisch, da die Anordnung der Spannungselemente zu einem Verlust der Pumpabsorption führt. Außerdem sind bei dieser Anordnung die Spannungselemente deutlich größer als die Kerne. Auch dies führt zu einer Beeinträchtigung der Pumpabsorption und ist daher unerwünscht. Die Spannungselemente können z.B. aus einem Material bestehen, das hinsichtlich seines thermischen Ausdehnungskoeffizienten von dem die Spannungselemente umgebenden Material des Lichtwellenleiters abweicht. Beim Abkühlen des Lichtwellenleiters nach dem Ziehen entstehen dadurch die gewünschten mechanischen Spannungen.
Grundsätzlich kann eine Polarisationserhaltung auch durch im Querschnitt nicht kreisförmige Kerne erzielt werden (Form-Doppelbrechung). Aber auch dies ist bei Hochleistungs-Faserlasern aufgrund der Asymmetrie des emittierten Strahls nicht wünschenswert.
WO 2014/132793 A1 beschreibt eine Mehrkern-Faser mit einem Mantel und einer Vielzahl von lichtführenden Kernelementen, die innerhalb des Mantels vorgesehen sind. Jedes Kernelement weist eine innere Mantelschicht auf, die den eigentlichen Kern umgibt. Eine äußere Mantelschicht ist vorgesehen, die die innere Mantelschicht umgibt und einen mittleren Brechungsindex aufweist, der niedriger ist als der des Mantels und der inneren Mantelschicht. Eine Vielzahl von Spannungselementen ist innerhalb des Mantels vorgesehen. Die Spannungselemente sind so angeordnet, dass in dem durch die Kernelemente propagierenden Licht der effektive Brechungsindex für polarisierte Wellen derselben LP-Mode reduziert wird.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Mehrkern-Lichtwellenleiter mit polarisationserhaltenden Eigenschaften bereit zu stellen.
Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem Lichtwellenleiter der eingangs angegebenen Art dadurch, dass sich sämtliche Spannungselemente außerhalb des Signalbereiches befinden, wobei das durch die Anordnung der Spannungselemente erzeugte mechanische Spannungsfeld bewirkt, dass die Hauptpolarisationsachsen in allen Kernbereichen in die gleiche Richtung weisen.
Wenn in dieser Beschreibung von der Anordnung und/oder der Form der verschiedenen Elemente des Lichtwellenleiters die Rede ist, bezieht sich dies stets, wenn nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, auf die Querschnittsansicht des Lichtwellenleiters.
Die Erfindung schlägt einen Ansatz vor, um eine polarisationserhaltende Mehrkernfaser, d.h. einen Lichtwellenleiter mit einer beliebigen Anzahl und Anordnung von Licht führenden Kernbereichen zu realisieren. Ein wesentlicher Aspekt besteht darin, dass sich die Spannungselemente nicht zwischen den Kernbereichen befinden, sondern außerhalb des gemeinsamen Signalbereichs, in dem sich die Kernbereiche befinden. Der Signalbereich ist derjenige zusammenhängende Bereich, in dem sich sämtliche Kernbereiche (und auch sämtliche gedachten Verbindungslinien zwischen benachbarten Kernbereichen) befinden. Mit anderen Worten: Die Spannungselemente wirken nicht auf einzelne Kernbereiche, sondern „global“ auf die Gesamtanordnung der Kernbereiche. Dies bietet eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung der Anordnung und Formgebung der Kernbereiche und minimiert Nachteile bei der Pumpabsorption. Jeder Kernbereich des Lichtwellenleiters wird durch die Spannungselemente einer Doppelbrechung bewirkenden mechanischen Spannung ausgesetzt ist. Die Gesamtanordnung der Spannungselemente außerhalb des Signalbereichs wirkt, wie erwähnt, auf sämtliche Kernbereiche gleichzeitig. Durch die Doppelbrechung weist jeder Kernbereich, bzw. die Lichtführung jedes Kernbereichs, polarisationserhaltendes Verhalten auf. Den Kernbereichen ist jeweils eine Hauptpolarisationsachse zugeordnet.
Die Anordnung der Spannungselemente ist insbesondere nicht rotationssymmetrisch. Das bedeutet, dass die Anordnung der Spannungselemente nicht für beliebige Drehungen um die Achse des Lichtwellenleiters auf sich selbst abgebildet werden kann. Die Anordnung ist also insbesondere nicht zylindersymmetrisch. Optional können die Spannungselemente, im Querschnitt des Lichtwellenleiters gesehen, eine Achsensymmetrie aufweisen. Es kommt darauf an, dass durch die Verteilung der Spannungselemente über den Querschnitt des Lichtwellenleiters eine optische Anisotropie erzeugt wird. Das Spannungsfeld soll (zumindest) im gesamten Signalbereich eine einzige ausgezeichnete Richtung, d.h. eine Hauptrichtung der wirksamen Spannung, aufweisen, und zwar so, dass die Hauptpolarisationsachsen aller Kernbereiche in die gleiche Richtung weisen.
Anders ausgedrückt: Die ungleichmäßige Anordnung der Spannungselemente definiert die Richtungsverteilung der Spannung in dem Spannungsfeld über den Querschnitt des Lichtwellenleiters, insbesondere im Signalbereich. Dabei werden die Spannungselemente so angeordnet, dass die Richtung der maximalen Spannung (Hauptrichtung des Spannungsfeldes) und damit die Richtung der Hauptpolarisationsachse für sämtliche Kernbereiche (im Wesentlichen) gleich ist.
Die Spannungselemente sind optional in Gruppen über den Querschnitt des Lichtwellenleiters verteilt angeordnet sein. Die Abstände zwischen den Spannungselementen einer Gruppe sind dabei kleiner als die Abstände zwischen den verschiedenen Gruppen zugeordneten Spannungselementen. Die Zusammenfassung mehrerer kleinerer Spannungselemente zu einer Gruppe hat dabei den Vorteil, dass dadurch die Wirkung eines einzelnen größeren Spannungselementes hinsichtlich des erzeugten mechanischen Spannungsfeldes erreicht werden kann. Beispielsweise können die Gruppen auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Signalbereiches angeordnet sein, die Verbindungslinie zwischen den Gruppen definiert dabei eine ausgezeichnete Achse des erzeugten mechanischen Spannungsfeldes und gibt entsprechend die Ausrichtung der optischen Anisotropie in den Kanalbereichen vor. Jede Gruppe kann auch durch eine entlang wenigstens einer geraden Linie oder entlang wenigstens eines Kreisbogensegments aufgereihte Anordnung aus Spannungselementen gebildet sein. All diese Ausgestaltungen haben herstellungstechnische Vorteile und sind gut geeignet, durch Anordnung der Gruppen ein geeignetes mechanisches Spannungsfeld und damit eine wohl definierte Doppelbrechung in den Kernbereichen zu erzielen.
Bei einer möglichen Ausgestaltung befinden sich die Spannungselemente in dem Mantelbereich. Der Mantelbereich umschließt den Signalbereich. Dort können die Spannungselemente zweckmäßig angeordnet werden, um direkt auf die Gesamtheit der Kernbereiche zu wirken. Das Material der Spannungselemente kann einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen als das Material des Lichtwellenleiters im Mantelbereich. Auf diese Weise können die Spannungselemente eine zusätzliche Funktion bei der Führung von Pumplicht im Mantelbereich erfüllen. Dabei können die Spannungselemente mit Vorteil über den Querschnitt des Lichtwellenleiters so verteilt sein, dass sie den Signalbereich an allen Seiten umgeben. So kann eine gute Überlappung des in dem Mantelbereich geführten Pumplichts mit den Kernbereichen und damit eine hohe Pumpabsorption erreicht werden.
Bei einer alternativen Ausgestaltung befinden sich die Spannungselemente außerhalb des (Pumplicht führenden) Mantelbereichs, d.h. in weiteren, den Mantelbereich außen umgebenden Bereichen des Lichtwellenleiters. Dies hat die Vorteile, dass die Pumpabsorption durch die Spannungselemente überhaupt nicht beeinträchtigt wird und eine größere Auswahl an Materialien für die Spannungselemente in Frage kommt. Der Brechungsindex der Spannungselemente braucht nicht niedriger zu sein als der Brechungsindex des Materials (z.B. SiÜ2) im Mantelbereich. Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung ist der Signalbereich ein rechteckförmiger Bereich, dessen Flächenschwerpunkt mit der Längsmittelachse des Lichtwellenleiters zusammenfällt. Alternativ kann der Signalbereich ein kreisförmiger oder kreisringförmiger Bereich sein, dessen Flächenschwerpunkt wiederum mit der Längsmittelachse des Lichtwellenleiters zusammenfällt. Letztlich ist jede beliebige Formgebung des Signalbereichs und jede beliebige Anordnung der Kernbereiche darin denkbar. Beispielsweise können die Kernbereiche neben- und übereinander als zweidimensionales Array (auf den Kreuzungspunkten eines gedachten rechtwinkligen Gitters) angeordnet sein. Ebenso können die Kernbereiche auf einem Kreisumfang angeordnet sein. Auch eine ungeordnete Anordnung der Kernbereiche ist denkbar.
Die Kernbereiche haben ebenso wie die Spannungselemente vorteilhaft einen kreisrunden Querschnitt. Der kreisrunde Querschnitt ermöglicht eine einfache Herstellung des Lichtwellenleiters. Bei den Kernbereichen resultiert entsprechend vorteilhaft ein kreisrundes (z.B. gaußsches) Strahlprofil des entlang der Kernbereiche propagierenden Lichts.
Bei einer möglichen Ausgestaltung unterscheiden sich zumindest zwei der Spannungselemente hinsichtlich der Querschnittsgröße voneinander. Es können also unterschiedlich große Spannungselemente zum Einsatz kommen, um das gewünschte mechanische Spannungsfeld zu erzeugen.
Durch geeignete Anordnung und/oder Größe der Spannungselemente kann gezielt ein mechanisches Spannungsfeld erzeugt werden, durch das gezielt ein Doppelbrechungsmuster für einen speziellen „exotischen“ Polarisationszustand (z.B. azimutale oder radiale Polarisation) des geführten Lichts erreicht wird.
Der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter kann als optischer Verstärker oder auch als aktives Element in einem Laserresonator zum Einsatz kommen. Hierzu ist zweckmäßig mindestens einer der Kernbereiche, vorteilhaft sind alle Kernbereiche mit Seltenerdionen dotiert.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Lasersystem mit wenigstens einer Laserquelle, die einen Laserstrahl emittiert, einem Aufteilungselement, das den Laserstrahl in mindestens zwei räumlich getrennte Teilstrahlen aufteilt, wenigstens einem Lichtwellenleiter der zuvor beschriebenen Art, durch den die Teilstrahlen propagieren, wobei die Kernbereiche des Lichtwellenleiters jeweils einen der Teilstrahlen führen, und wenigstens einem Kombinationselement, das die Teilstrahlen nach der Propagation durch den Lichtwellenleiter kohärent überlagert. Mit dem polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter der Erfindung lässt sich vorteilhaft ein auf dem Prinzip der kohärenten Kombination von Teilstrahlen basierendes Hochleistungslasersystem realisieren, und zwar ohne die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile hinsichtlich der Pumpabsorption.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 : schematische Querschnittdarstellung einer ersten Variante eines Lichtwellenleiters gemäß der Erfindung;
Fig. 2: schematische Querschnittdarstellung einer zweiten Variante eines Lichtwellenleiters gemäß der Erfindung;
Fig. 3: schematische Querschnittdarstellung einer dritten Variante eines Lichtwellenleiters gemäß der Erfindung;
Fig. 4: schematische Querschnittdarstellung einer vierten Variante eines Lichtwellenleiters gemäß der Erfindung;
Fig. 5: schematische Querschnittdarstellung einer fünften Variante eines Lichtwellenleiters gemäß der Erfindung;
Fig. 6: schematische Querschnittdarstellung einer sechsten Variante eines Lichtwellenleiters gemäß der Erfindung; Fig. 7: schematische Querschnittdarstellung einer siebten Variante eines Lichtwellenleiters gemäß der Erfindung;
Fig. 8: schematische Darstellung eines Lasersystems gemäß der Erfindung als Blockdiagramm.
Die Erfindung zielt vor allem auf Lichtwellenleiter, d.h. auf Mehrkernfasern für den Hochleistungslasersysteme ab. Die Querschnittsstruktur dieser Mehrkernfasern kann in verschiedene Bereiche unterteilt werden, wie die Figuren zeigen. Zunächst sind mehrere Kernbereiche 1 vorgesehen, in denen die Verstärkung und/oder Führung des Lichts stattfindet. Diese sind in einem Signalbereich 2 enthalten, der als derjenige Bereich definiert ist, der alle Kernbereiche sowie alle (gedachten) Linien (nicht dargestellt), die die Zentren unmittelbar benachbarter Kernbereiche verbinden, vollständig umschließt. In den Figuren ist der Signalbereich 2 durch eine Begrenzungslinie 5 von den anderen Bereichen abgegrenzt dargestellt. Die Begrenzungslinie 5 schneidet insbesondere auch keine der genannten (gedachten) Linien, die die Zentren unmittelbar benachbarter Kernbereiche miteinander verbinden. Man könnte auch sagen, dass die Begrenzungslinie 5 die kürzest mögliche Kurve ist, die sämtliche Kernbereiche 2 vollständig umgrenzt. Innerhalb des Signalbereichs 2 können die Kernbereiche 1 beliebig angeordnet sein. Die Lichtführung kann mit beliebigen Mitteln (durch Stufenindex, Brechungsindexgradient, photonische Kristalle, Bandlücken, streifender Einfall usw.) erfolgen. Mit anderen Worten: Die Realisierung des Lichtwellenleiters gemäß der Erfindung ist unabhängig von der Gestaltung der Strukturen innerhalb des Signalbereichs 2. Der Signalbereich 2 und damit die Kernbereiche 1 befinden sich innerhalb eines Mantelbereichs 3. Bei einer aktiven Mehrkernfaser ist dies derjenige Bereich, in dem die Pumpstrahlung geführt wird. Schließlich kann der Mantelbereich 3 von einer oder mehreren äußeren Schichten 4 umgeben sein, die beispielsweise dazu dienen können, das Pumplicht innerhalb des Mantels 3 zu halten oder der Faser mechanische Stabilität zu verleihen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass sich das die Kernbereiche 1 umgebende Material der Mehrkernfaser innerhalb des Signalbereichs 2 nicht von dem Material im Mantelbereich 3 (außerhalb der Stresselemente 6) unterscheiden muss. Die Unterscheidung in Signalbereich 2 und Mantelbereich 3 dient der Erläuterung der Struktur, insbesondere im Hinblick auf die Anordnung der Spannungselemente 6 außerhalb des Signalbereichs 2, und nicht der Abgrenzung zwischen Bereichen der Mehrkernfaser mit unterschiedlichen Material- oder Struktureigenschaften. Im Sinne der Lichtführung können die Kernbereiche 1 in dasselbe Mantelmaterial (z.B. SiÜ2) der Mehrkernfaser eingebettet sein, aus dem auch der Mantelbereich 3 besteht.
Um eine Doppelbrechung und damit ein polarisationserhaltendes Verhalten in der erfindungsgemäßen Mehrkernfaser zu erreichen, sind Spannungselemente 6 vorgesehen, die ein mechanisches Spannungsfeld über den Querschnitt der Mehrkernfaser erzeugen. Die Spannungselemente 6 befinden sich, wie in den Figuren zu sehen ist, niemals innerhalb des Signalbereichs 2, sondern außerhalb davon. Die Spannungselemente 6 liegen niemals auf einer der genannten (gedachten) Linien, die die Zentren der benachbarten Kernbereiche 1 miteinander verbinden. Somit wirken die Spannungselemente 6 nicht auf einzelne Kernbereiche 1 , sondern auf den gesamten Signalbereich 2. Dies ermöglicht eine flexible Anordnung der Kernbereiche 1 innerhalb des Signalbereichs 2. Die Beeinträchtigung der Pumpabsorption im Signalbereich 2 ist entsprechend gering.
In der Variante der Fig.1 sind die Spannungselemente 6 wie die Kernbereiche 1 angeordnet. Die Spannungselemente 6 haben die gleiche Größe und den gleichen Abstand voneinander wie die Kernbereiche 1. Mit anderen Worten: Die Spannungselemente 6 sind so angeordnet, dass sie die matrixförmige Anordnung der Kernbereiche 1 fortsetzen. Die Spannungselemente 6 sind im Mantelbereich 3 angeordnet.
In der zweiten Variante, die in Fig. 2 dargestellt ist, weisen die Spannungselemente 6 eine komplexere Anordnung auf, wobei die Hauptparameter der Anordnung der Kernbereiche 1 (d.h. Größe und Abstand) erhalten bleiben.
Fig. 3 veranschaulicht, dass die Anordnung der Spannungselemente 6 nicht die Hauptparameter der Anordnung der Kernbereiche 1 beibehalten muss, sondern dass sie frei im Mantelbereich 3 verteilt sein können, solange sie sich außerhalb des Signalbereichs 2 befinden, d. h. nicht innerhalb des durch die Bereichsgrenze 5 umgrenzten Bereichs platziert sind.
Fig. 4 zeigt, dass eine asymmetrische Anordnung der Spannungselemente 6, die den Signalbereich 2 an allen Seiten, d.h. vollständig umschließen, einen doppelten Nutzen haben kann, indem sie den Kernbereichen 1 Doppelbrechung verleiht und außerdem die Führung von Pumplicht im Mantelbereich 3 bewirkt oder zumindest unterstützt. Hierzu weisen die Spannungselemente 6 einen niedrigeren Brechungsindex auf als das Grundmaterial der Mehrkernfaser im Mantelbereich 3. In dieser Variante bildet die Anordnung der Spannungselemente
6 die Grenze zwischen dem Mantelbereich 3 und den äußeren Schichten 4. Bei dieser Variante entspricht die Anordnung der Spannungselemente 6 nicht der Anordnung der Kernbereiche 1 , da eine dichtere Packung der Spannungselemente 6 erforderlich ist, um das Pumplicht mit möglichst geringen Verlusten zu führen.
Während in den Fig. 1 bis 4 die Spannungselemente 6 entlang gerader Linien, korrespondierend zur Anordnung der Kernbereiche 1 , aufgereiht sind, ist in Fig. 5 eine völlig andere Anordnung vorgesehen. Dort sind die Spannungselemente 6 entlang zweier bezüglich des Zentrums der Mehrkernfaser einander gegenüberliegender Kreissegmente aufgereiht. Dadurch kann die Homogenität der Doppelbrechung im Signalbereich 2 verbessert werden.
Wie in Fig. 6 dargestellt, können die Spannungselemente 6 auch vollständig außerhalb des Mantelbereichs 3 angeordnet sein. Dabei können sie den Anordnungsparametern der Kernbereiche 1 folgen. Letzteres ist aber nicht unbedingt erforderlich.
Unter Ausnutzung der additiven Eigenschaft der Spannungsfelder können die Spannungselemente 6 gruppiert angeordnet, um die durch ein einziges größeres Spannungselement 6 erzeugte mechanische Spannung nachzubilden, wie in Fig.
7 dargestellt. Bei den Varianten der Fig. 1 bis 7 sind die Spannungselemente 6 nicht rotationssymmetrisch bezüglich des Zentrums des Querschnitts, d.h. der Mittelachse des Lichtwellenleiters angeordnet. Die Anordnung der Spannungselemente 6 definiert eine ausgezeichnete Achse des im Signalbereich 2 erzeugten Spannungsfeldes. So kann erreicht werden, dass die Hauptpolarisationsachsen in allen Kernbereichen 1 in die gleiche Richtung ausgerichtet sind, d.h. mit einer maximalen Abweichung der Hauptpolarisationsachse von Kern zu Kern von ±10°, weiter bevorzugt ±5°.
In den Fig. 1 bis 7 ist die Anordnung der Spannungselemente 6, in dem jeweils dargestellten Querschnitt gesehen, achsensymmetrisch in Bezug auf zumindest eine Achse. In den Fig. 1 bis 7 sind es zwei zueinander senkrechte (hier horizontale und vertikale) Symmetrieachsen, die jeweils durch das Zentrum des Querschnitts (wo sich die Mittelachse des Lichtwellenleiters befindet) verlaufen. Wie zu erkennen ist, sind die Spannungselemente in Richtung senkrecht zu der einen Symmetrieachse (in den Fig. 1 bis 6 in horizontaler, in Fig. 7 in vertikaler Richtung) weiter von dieser Symmetrieachse beabstandet als in der dazu wiederum senkrechten Richtung (in den Fig. 1 bis 6 in vertikaler, in Fig. 7 in horizontaler Richtung). Es wird jeweils eine Vorzugsrichtung der maximalen Spannung, d.h. eine optische Anisotropie im gesamten Signalbereich 2 definiert, wodurch sich die gewünschte gleiche Ausrichtung der Hauptpolarisationsachse für alle Kernbereiche 1 ergibt.
Es ist darauf hinzuweisen, dass sich die in den Fig. 1 bis 7 gezeigten und auch ansonsten in dieser Beschreibung erläuterten Querschnittstrukturen jeweils entlang der Längserstreckung des Lichtwellenleiters bzw. der Mehrkernfaser im Wesentlichen unveränderlich fortsetzen.
Das in Fig. 8 dargestellte Lasersystem umfasst eine Laserquelle 10, die einen Laserstrahl E erzeugt. Dieser wird einem Aufteilungselement 11 zugeführt, das den Laserstrahl E in mehrere räumlich separate Teilstrahlen T aufteilt. Denkbar wäre es auch, dass die Laserquelle 10 bereits mehrere Laserstrahlen erzeugt. Diese Teilstrahlen T propagieren durch einen Lichtwellenleiter 12, der als Mehrkernfaser, wie in den Fig. 1 bis 7 dargestellt, ausgebildet ist. Jeder Kernbereich 1 des Lichtwellenleiters führt dabei jeweils einen Teilstrahl T. Das Licht P einer Pumplichtquelle 13 wird in den Mantelbereich 3 des Lichtwellenleiters 12 eingekoppelt, so dass es in den Kernbereichen 1 absorbiert werden kann. Dabei wird die Laserstrahlung in jedem Teilstrahl verstärkt T. Des Weiteren ist ein Kombinationselement 14 vorgesehen, das die verstärkten Teilstrahlen T in einem Ausgangsstrahl A kohärent oder inkohärent überlagert.
Auf diese Weise kann mit dem erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter 12 ein Hochleistungslasersystem realisiert werden.

Claims

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