WO2012139598A1 - Erzeugung azimutal oder radial polarisierter strahlung in optischen wellenleitern - Google Patents

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azimuthally
grating
optical waveguide
radially polarized
modes
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PCT/EP2011/001881
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Andreas TÜNNERMANN
Christoph Jocher
César JAUREGUI MISAS
Jens Limpert
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Friedrich-Schiller-Universität Jena
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Publication date
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    • G02B6/105—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type having optical polarisation effects
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S3/08018—Mode suppression
    • H01S3/0804—Transverse or lateral modes

Definitions

  • the invention relates to a device for producing azimuthally or radially polarized radiation by means of an optical waveguide, wherein the optical waveguide has a structure which is suitable for guiding azimuthal or radially polarized modes.
  • Devices which emit radially or azimuthally polarized radiation are of great interest for a variety of applications in the field of science, medical technology, military technology or civil engineering, for example for material processing, microscopy or so-called optical tweezers. These applications require light sources with azimuthally or radially polarized radiation, in particular simple, stable, high-performance and cost-effective sources with high polarization purity.
  • Optical waveguides in particular glass fibers, which have a structure which is suitable for guiding different azimuthally or radially polarized modes already exist in the prior art. So far, however, it has not succeeded satisfactorily to produce these modes stable and with little effort within the waveguide.
  • CONFIRMATION COPY Possess property of azimuthal and radial polarization.
  • the problem is that modes with approximately the same effective refractive index combine with each other, so that from the azimuthally or radially polarized modes, a predominantly linearly polarized beam is formed.
  • the TE 0 i and TM 0 i modes combine with HE21 modes to form a beam with linear polarization. Waveguide structures that allow such combinations are referred to as "weakly-leading".
  • a radially polarized mode can be deliberately excited by coupling a fundamental mode into the fiber with an offset (see T. Grosjean, D. Courjon and M. Spajer "An all-fiber device for generating and other polarized light beams ", Optics Communications, vol. 203, pp. 1-5, 2002).
  • a special fiber design for example according to US 2009/0202191 A1
  • a radially or azimuthally polarized mode can be generated.
  • the fiber design allows the conversion of an existing linearly polarized beam.
  • power can be coupled within the fiber from the fundamental mode into a respective radially or azimuthally polarized mode.
  • the azimuthal or radially polarized modes in the optical waveguide have different effective refractive indices and within the optical waveguide a narrow-band grating, in particular a fiber Bragg grating is arranged, which is formed so that spectral distance between two azimuthally or radially polarized resonant modes is equal to or greater than their spectral bandwidth.
  • the device according to the invention uses the principle of so-called "strong guidance" within the waveguide, where the azimuthally and radially polarized modes have different effective refractive indices and can thus be spectrally separated by a grating.
  • the grating sets the difference in the effective refractive index into a difference
  • the wavelength difference between the modes is very small, and in addition to the different effective refractive indices, it is necessary for the grating to be sufficiently spectrally narrow band to satisfactorily separate the azimuthally or radially polarized modes
  • the spectral distance between two resonant modes should be at least as large as their bandwidth or larger.
  • the wavelength difference ⁇ which is generated by a fiber Bragg grating with a grating period ⁇ , leaves calculate for two different effective refractive indices n e ffi and n e ff2 from the Bragg condition:
  • the grating Since the wavelength difference ⁇ is very small, the grating must be sufficiently spectrally narrow band to allow sufficient polarization purity guarantee. If the grating is too broadband, the reflected modes overlap and the polarization purity decreases.
  • an embodiment of the invention provides that the grating is an inhomogeneous fiber Bragg grating, which is designed so that it converts a mode of the waveguide, in particular the fundamental mode, in at least one azimuthally or radially polarized mode. Due to an inhomogeneous lattice constant of the fiber Bragg grating, a mode conversion can take place within the waveguide.
  • a mode of a certain order is converted by the fiber Bragg grating in a mode of another order. For example, this makes it possible to convert the fundamental mode into a TEoi, a TM 0 1 and a HE 2 i mode.
  • the optical waveguide with the grating arranged therein may be arranged outside or inside a laser oscillator.
  • the radiation of the light source is coupled via optical elements in the strong leading waveguide structure.
  • the grating reflects the light according to the wavelength either as azimuthally or radially polarized mode.
  • the azimuthally or radially polarized radiation can be separated from the remaining radiation of the light source.
  • the device according to the invention thus serves as an externally arranged polarization filter.
  • the optical waveguide be doped with a laser-active material.
  • the laser-active material is excited by the radiation of the light source.
  • the two reflective elements of the oscillator are, on the one hand, the grating arranged inside the optical waveguide and, on the other hand, an optical element with wavelength-dependent reflection behavior, in particular an optical grating or a wavelength filter.
  • the oscillator only supports one specific wavelength. If this wavelength is matched to the reflection properties of the arranged within the optical waveguide grating occurs within the optical waveguide and thus also within the oscillator, only an azimuthally or radially polarized mode.
  • the invention further provides that the reflection properties of the grating can be influenced thermally or mechanically.
  • the reflection behavior of the grid is influenced so that it is possible to switch between azimuthally and radially polarized modes. This results in a significant advantage over the prior art, in which can not be changed between azimuthal or radial polarization without much effort. Furthermore, it is possible to resort to commercially available components.
  • the optical grating integrated into the waveguide can be both a reflection grating and a transmission grating.
  • the device according to the invention can optionally - depending on the arrangement of the optical structure - perform a mode separation in transmission or reflection.
  • a long-period grating (LPG) is recommended as the transmission grating, which couples the unwanted modes into the fiber cladding so that only the azimuthally or radially polarized mode is guided in the core.
  • the invention further relates to a method for producing azimuthally or radially polarized radiation by means of an optical waveguide, wherein the optical waveguide azimuthally or radially polarized modes leads.
  • the azimuthally or radially polarized modes in the optical waveguide have different effective refractive indices, the modes being filtered by means of a grating disposed within the optical waveguide such that their spectra do not overlap or overlap only slightly.
  • Fig. 1 an apparatus according to the invention for
  • FIG. 2 Generation of azimuthally or radially polarized radiation;
  • Fig. 2 four different modes in strongly leading (left) and weakly leading (right) waveguides;
  • Fig. 3 Spectral overlap on a mode of broadband fiber Bragg gratings reflected modes
  • Fig. 4 spectral separation on a narrowband fiber Bragg grating of reflected modes
  • Fig. 5 Mode conversion on an inhomogeneous
  • 6 shows a device according to the invention arranged outside an oscillator
  • 7 shows a device according to the invention arranged within an oscillator.
  • the device according to the invention shown in FIG. 1 consists of an optical waveguide 1, a fiber Bragg grating 2, a light source 3 and a coupling-in optical system 4.
  • the structure of the optical waveguide 1 must be designed to cancel the degeneracy of the modes, ie, to be "highly conductive.” This gives the azimuthal or radially polarized modes different effective indices of refraction the difference between the effective refractive indices of the modes is converted into a difference of the reflection wavelength 2. Since the wavelength difference between the modes is relatively small, the fiber Bragg grating 2 must have a sufficiently narrow band, in order to achieve a high polarization purity of the modes, is the fiber Bragg grating 2 closed broadband, the reflected modes overlap and the polarization purity decreases.
  • FIG. 2 shows a radially polarized TM 0 i mode 5, two HE 2 i modes 6 and an azimuthally polarized TE 0 i mode 7 in the strongly leading (left) and degenerate (right) states within a rotationally symmetrical waveguide 1.
  • FIG. 3 shows the case in which the fiber Bragg grating 2 is designed in such a broadband manner in relation to the wavelengths of the resonant modes 5, 6, 7 that the reflected modes 5, 6, 7 overlap.
  • the effective refractive index of the modes 5, 6, 7 is shown, in the illustration on the right, the reflection spectrum of the fiber Bragg grating 2, belonging to the modes 5, 6, 7.
  • FIG. 4 shows the result of the solution according to the invention, in which the modes 5, 6, 7 are reflected on a spectrally narrow-band fiber Bragg grating 2, so that an overlapping of the reflected modes 5, 6, 7 does not take place.
  • the strongly leading, rotationally symmetric waveguide 1 with the narrow-band fiber Bragg grating 2 acts as a mode filter, which specifically spectrally separates the TM01 mode 5, the HE 2 i modes 6 and the TE 0 i mode 7.
  • the device according to the invention is used to convert an existing mode 8 of the waveguide into an azimuthally or radially polarized mode 9, 11.
  • an inhomogeneous fiber Bragg grating 2 is used, through which in the waveguide 1, which in each case have the same wavelength spacing between the fundamental mode 8 and the azimuthally or radially polarized modes 5, 7 propagating in the waveguide, so-called mode conversion takes place.
  • a mode 8 of one order is converted by the inhomogeneous fiber Bragg grating 2 into another mode 9, 10, 11.
  • the fundamental mode 8 of the rotationally symmetric waveguide is converted into the TM 0 i mode 9, the HE 2 i mode 10 and the TE 0 i mode 11.
  • the spectrum shows conversion peaks
  • the described mode filter can be arranged outside or inside an oscillator:
  • FIG. 6 An arrangement outside an oscillator is shown for example in FIG. 6.
  • a narrow-band light source 3 is coupled into the strongly guiding waveguide 1 via a collimating lens, a deflecting mirror, a beam splitter 12 and a coupling optics 4.
  • the fiber Bragg grating 2 either the azimuthally or radially polarized mode 5, 7 is reflected according to the wavelength.
  • the beam splitter 12 separates the azimuthally or radially polarized beam from that of the light source 3, so that the waveguide 1 with the integrated fiber Bragg grating 2 acts as an externally arranged mode filter.
  • FIG. 7 An arrangement of the mode filter within an oscillator is shown in FIG. 7.
  • the strongly guiding waveguide 1 is here doped with a laser-active material which is excited by the radiation of the light source 3.
  • the radiation is coupled into the waveguide 1 via a coupling-in optical system 4.
  • the oscillator is formed on the one hand by the fiber Bragg grating 2 and on the other hand by an external grating 13. Depending on the angle of the external grating 13, the oscillator only supports a certain wavelength. If this wavelength is tuned to a resonance wavelength of the fiber Bragg grating 3, only the azimuthally or radially polarized mode will oscillate.
  • the reflection properties of the fiber Bragg grating 3 can be changed. This makes it possible - without changing the structure - to change between azimuthal and radially polarized modes. Another possibility is the change in the wavelength.
  • the external influences are kept constant on the grid and changed over the wavelength of the light source 3 between azimuthal and radially polarized mode.
  • the transmission grating 2 may be a long-period grating (LPG), which only allows the propagation of an azimuthally or radially polarized mode in the core.
  • LPG long-period grating

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung azimutal oder radial polarisierter Strahlung mittels eines optischen Wellenleiters (1), wobei der optische Wellenleiter (1) eine Struktur aufweist, welche geeignet ist, azimutal oder radial polarisierte Moden (5, 7) zu führen. Die Erfindung schlägt vor, dass die azimutal oder radial polarisierten Moden (5, 7) in dem optischen Wellenleiter (1) unterschiedliche effektive Brechungsindizes aufweisen und innerhalb des optischen Wellenleiters (1) ein schmalbandiges Gitter (2), insbesondere ein Faser-Bragg-Gitter, angeordnet ist, welches so ausgebildet ist, dass der spektrale Abstand zwischen zwei azimutal oder radial polarisierten resonanten Moden (5, 7) gleich oder größer ist als die zugehörige spektrale Bandbreite.

Description

Erzeugung azimutal oder radial polarisierter Strahlung in optischen Wellenleitern Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung azimutal oder radial polarisierter Strahlung mittels eines optischen Wellenleiters, wobei der optische Wellenleiter eine Struktur aufweist, welche geeignet ist, azimutal oder radial polarisierte Moden zu führen.
Vorrichtungen, welche radial oder azimutal polarisierte Strahlung emittieren, sind von großem Interesse für eine Vielzahl von Anwendungen im Bereich der Wissenschaft, der Medizintechnik, der Militärtechnik oder des zivilen Ingenieurwesens, beispielsweise für die Materialbearbeitung, die Mikroskopie oder auch für sog. optische Pinzetten. Im Rahmen dieser Anwendungen werden Lichtquellen mit azimutal oder radial polarisierter Strahlung gefordert, insbesondere einfache, stabile, leistungsstarke und kostengünstige Quellen mit hoher Polarisationsreinheit.
Im Stand der Technik existieren bereits optische Wellenleiter, insbesondere Glasfasern, welche eine Struktur aufweisen, die geeignet ist, verschiedene azimutal oder radial polarisierte Moden zu führen. Bisher ist es jedoch nicht zufriedenstellend gelungen, diese Moden stabil und mit geringem Aufwand innerhalb des Wellenleiters zu erzeugen.
Erst wenn die Wellenleiterstruktur höhere Moden zulässt, können innerhalb des optischen Wellenleiters radial oder azimutal polarisierte Moden propagieren. Hierbei sind insbesondere bei rotationssymmetrischen Wellenleiterstrukturen die beiden TE01 und TM0i Moden hervorzuheben, die unter anderem die
BESTÄTIGUNGSKOPIE Eigenschaft der azimutalen und radialen Polarisation besitzen. Problematisch ist dabei, dass Moden mit näherungsweise gleichem effektiven Brechungsindex untereinander kombinieren, so dass aus den azimutal oder radial polarisierten Moden ein überwiegend linear polarisierter Strahl entsteht. In diesem Fall spricht man von einer Entartung der Moden. So kombinieren beispielsweise in bestimmten Strukturen die TE0i und TM0i Moden mit HE21 Moden zu einem Strahl mit linearer Polarisierung. Wellenleiterstrukturen, welche solche Kombinationen zulassen, werden als„schwach führend" bezeichnet.
Zur Lösung dieser Problematik existieren im Stand der Technik verschiedene Ansätze. Beispielsweise kann bei schwach führenden Multi-Mode-Fasern gezielt eine radial polarisierte Mode angeregt werden, indem eine Grundmode mit einem Versatz in die Faser eingekoppelt wird (siehe T. Grosjean, D. Courjon and M. Spajer "An all-fiber device for generating radially and other polarized light beams", Optics Communications, vol. 203, pp. 1-5, 2002). Auch durch ein spezielles Faserdesign, beispielsweise gemäß US 2009/0202191 A1 , kann eine radial oder azimutal polarisierte Mode erzeugt werden. Dabei ermöglicht das Faserdesign die Konversion eines bereits vorhandenen linear polarisierten Strahles. In Kombination mit Micro-Bending und einem Polarisationsfilter lässt sich innerhalb der Faser Leistung von der Grundmode in jeweils eine radial oder azimutal polarisierte Mode koppeln.
Bei den im Stand der Technik bekannten Lösungen ergibt sich das Problem, dass nicht auf Standardkomponenten zurückgegriffen werden kann. Hierdurch sind diese teuer und experimentell komplex. Zwingend ist dabei stets die Verwendung speziell hergestellter optischer Elemente, die jeweils entweder zu radialer oder azimutaler Polarisation führen. Der notwendige hohe Justageaufwand zeigt dabei direkten Einfluss auf die Polarisationsreinheit der Strahlung. Häufig ist daher eine nur geringe Polarisationsreinheit zu beobachten. Des Weiteren ergibt sich bei schwach führenden Wellenleitern zusätzlich das Problem, dass die azimutal oder radial polarisierten Moden mit anderen Moden kombinieren und somit die Polarisationsreinheit des azimutal oder radial polarisierten Strahls reduziert wird. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine einfache, stabile und kostengünstige Strahlungsquelle zu schaffen, welche azimutal oder radial polarisierte Strahlung erzeugt. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, bei welcher auf einfache Art und Weise zwischen azimutaler und radialer Polarisation innerhalb des Wellenleiters gewechselt werden kann.
Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung dadurch, dass die azimutal oder radial polarisierten Moden in dem optischen Wellenleiter unterschiedliche effektive Brechungsindizes aufweisen und innerhalb des optischen Wellenleiters ein schmalbandiges Gitter, insbesondere ein Faser-Bragg-Gitter, angeordnet ist, welches so ausgebildet ist, dass der spektrale Abstand zwischen zwei azimutal oder radial polarisierten resonanten Moden gleich oder größer ist als deren spektrale Bandbreite.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt das Prinzip der sogenannten„starken Führung" innerhalb des Wellenleiters. Hierbei weisen die azimutal und radial polarisierte Mode unterschiedliche effektive Brechungsindizes auf und können somit durch ein Gitter spektral separiert werden. Das Gitter setzt die Differenz im effektiven Brechungsindex dabei in eine Differenz in der Reflexionswellenlänge um. Allerdings ist die Wellenlängendifferenz zwischen den Moden in der Praxis sehr gering. Neben den unterschiedlichen effektiven Brechungsindizes ist es daher erforderlich, dass das Gitter hinreichend spektral schmalbandig ist, um die azimutal oder radial polarisierten Moden zufriedenstellend voneinander separieren zu können. Für eine optimale Trennung sollte der spektrale Abstand zwischen zwei resonanten Moden mindestens so groß sein wie ihre Bandbreite oder auch größer. Die Wellenlängendifferenz Δλ, welche durch ein Faser-Bragg-Gitter mit einer Gitterperiode Λ erzeugt wird, lässt sich für zwei unterschiedliche effektive Brechungsindizes neffi und neff2 aus der Bragg-Bedingung berechnen:
Δλ - 2 (neffi - neff2) Λ.
Da die Wellenlängendifferenz Δλ sehr gering ist, muss das Gitter hinreichend spektral schmalbandig sein, um eine ausreichende Polarisationsreinheit zu gewährleisten. Ist das Gitter zu breitbandig, überlappen sich die reflektierten Moden und die Polarisationsreinheit sinkt.
Weiterhin sieht eine Ausführungsvariante der Erfindung vor, dass das Gitter ein inhomogenes Faser-Bragg-Gitter ist, welches so ausgebildet ist, dass es eine Mode des Wellenleiters, insbesondere die Grundmode, in mindestens eine azimutal oder radial polarisierte Mode konvertiert. Durch eine inhomogene Gitterkonstante des Faser-Bragg-Gitters kann innerhalb des Wellenleiters eine Modenkonversion stattfinden. Hierbei wird eine Mode einer bestimmten Ordnung durch das Faser-Bragg-Gitter in eine Mode einer anderen Ordnung konvertiert. Beispielsweise ist es dadurch möglich, die Grundmode in eine TEoi, eine TM01 und eine HE2i Mode zu konvertieren.
Gemäß der Erfindung kann der optische Wellenleiter mit dem darin angeordneten Gitter außerhalb oder innerhalb eines Laseroszillators angeordnet sein. Bei einer Anordnung des Wellenleiters außerhalb des Oszillators wird die Strahlung der Lichtquelle über optische Elemente in die stark führende Wellenleiterstruktur eingekoppelt. Das Gitter reflektiert das Licht entsprechend der Wellenlänge entweder als azimutal oder radial polarisierte Mode. Durch einen zwischen Lichtquelle und optischem Wellenleiter angeordneten Auskoppler, insbesondere Strahlteiler oder Zirkulator, kann die azimutal oder radial polarisierte Strahlung von der übrigen Strahlung der Lichtquelle getrennt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient somit als extern angeordneter Polarisationsfilter.
Im Falle eines innerhalb des Oszillators angeordneten optischen Wellenleiters empfiehlt es sich, dass der optische Wellenleiter mit einem laseraktiven Material dotiert ist. Das laseraktive Material wird über die Strahlung der Lichtquelle angeregt. Die beiden reflektiven Elemente des Oszillators sind einerseits das innerhalb des optischen Wellenleiters angeordnete Gitter und andererseits ein optisches Element mit wellenlängenabhängigen Reflexionsverhalten, insbesondere ein optisches Gitter oder ein Wellenlängenfilter. Abhängig vom Winkel des externen Gitters unterstützt der Oszillator nur eine bestimmte Wellenlänge. Sofern diese Wellenlänge auf die Reflexionseigenschaften des innerhalb des optischen Wellenleiters angeordneten Gitters abgestimmt ist, tritt innerhalb des optischen Wellenleiters und somit auch innerhalb des Oszillators nur eine azimutal oder radial polarisierte Mode auf.
Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass die Reflexionseigenschaften des Gitters thermisch oder mechanisch beeinflussbar sind. Durch gezieltes Aufwärmen oder Abkühlen des Gitters oder auch durch Aufbringen einer mechanischen Kraft wird das Reflexionsverhalten des Gitters so beeinflusst, dass zwischen azimutal und radial polarisierten Moden gewechselt werden kann. Hierdurch ergibt sich ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, bei welchem nicht ohne größeren Aufwand zwischen azimutaler oder radialer Polarisation gewechselt werden kann. Des weiteren kann auf kommerziell erhältliche Komponenten zurückgegriffen werden.
Im Sinne der Erfindung kann das in den Wellenleiter integrierte optische Gitter sowohl ein Reflexionsgitter als auch ein Transmissionsgitter sein. Dadurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung wahlweise - je nach der Anordnung des optischen Aufbaus - eine Modenseparation in Transmission oder Reflexion ausführen. Als Transmissionsgitter empfiehlt sich ein langperiodisches Gitter (LPG), das die unerwünschten Moden in den Fasermantel koppelt, so dass nur noch die azimutal oder radial polarisierte Mode im Kern geführt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung azimutal oder radial polarisierter Strahlung mittels eines optischen Wellenleiters, wobei der optische Wellenleiter azimutal oder radial polarisierte Moden führt. Gemäß der Erfindung weisen die azimutal oder radial polarisierten Moden in dem optischen Wellenleiter unterschiedliche effektive Brechungsindizes auf, wobei die Moden mittels eines innerhalb des optischen Wellenleiters angeordneten Gitters so gefiltert werden, dass sich ihre Spektren nicht oder nur geringfügig überlappen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 : eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Erzeugung azimutal oder radial polarisierter Strahlung; Fig. 2: vier verschiedene Moden in stark führenden (links) und schwach führenden (rechts) Wellenleitern;
Fig. 3: Spektrale Überlappung an einem zu breitbandigen Faser-Bragg-Gitter reflektierter Moden;
Fig. 4: Spektrale Separierung an einem schmalbandigen Faser-Bragg-Gitter reflektierter Moden; Fig. 5: Modenkonversion an einem inhomogenen
Faser-Bragg-Gitter;
Fig. 6: eine außerhalb eines Oszillators angeordnete erfindungsgemäße Vorrichtung; Fig. 7: eine innerhalb eines Oszillators angeordnete erfindungsgemäße Vorrichtung.
Die in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem optischen Wellenleiter 1 , einem Faser-Bragg-Gitter 2, einer Lichtquelle 3 und einer Einkoppeloptik 4.
Gemäß der Erfindung muss die Struktur des optischen Wellenleiters 1 so ausgebildet sein, dass sie die Entartung der Moden aufhebt, d.h.„stark führend" ist. Hierdurch erhalten die azimutal oder radial polarisierten Moden unterschiedliche effektive Brechungsindizes. Die innerhalb des optischen Wellenleiters 1 geführten Moden werden an dem Faser-Bragg-Gitter 2 reflektiert, wobei die Differenz zwischen den effektiven Brechungsindizes der Moden in eine Differenz der Reflexionswellenlänge umgesetzt wird. Da die Wellenlängendifferenz zwischen den Moden relativ gering ist, muss das Faser- Bragg-Gitter 2 hinreichend schmalbandig ausgebildet sein, um eine hohe Polarisationsreinheit der Moden zu erreichen. Ist das Faser-Bragg-Gitter 2 zu breitbandig, überlappen sich die reflektierten Moden und die Polarisationsreinheit sinkt.
Figur 2 zeigt eine radial polarisierte TM0i Mode 5, zwei HE2i Moden 6 und eine azimutal polarisierte TE0i Mode 7 im stark führenden (links) und im entarteten (rechts) Zustand innerhalb eines rotationssymmetrischen Wellenleiters 1.
In Figur 3 ist der Fall dargestellt, dass das Faser-Bragg-Gitter 2 in Relation zu den Wellenlängen der resonanten Moden 5, 6, 7 so breitbandig ausgebildet ist, dass sich die reflektierten Moden 5, 6, 7 überlappen. In der Darstellung links ist dabei der effektive Brechungsindex der Moden 5, 6, 7 dargestellt, in der Darstellung rechts das Reflexionsspektrum des Faser-Bragg-Gitters 2, zugehörig zu den Moden 5, 6, 7.
Figur 4 zeigt das Resultat der erfindungsgemäßen Lösung, bei welcher die Moden 5, 6, 7 an einem spektral schmalbandigen Faser-Bragg-Gitter 2 reflektiert werden, so dass eine Überlappung der reflektieren Moden 5, 6, 7 nicht stattfindet. Dadurch wirkt der stark führende, rotationssymmetrische Wellenleiter 1 mit dem schmalbandigen Faser-Bragg-Gitter 2 als Modenfilter, welcher gezielt die TM01 Mode 5, die HE2i Moden 6 und die TE0i Mode 7 spektral separiert.
Gemäß Figur 5 wird die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt, um eine vorhandene Mode 8 des Wellenleiters in eine azimutal oder radial polarisierte Mode 9, 11 zu konvertieren. Dazu wird ein inhomogenes Faser-Bragg-Gitter 2 verwendet, durch das im Wellenleiter 1 die, die jeweils denselben Wellenlängenabstand zwischen der Grundmode 8 und den im Wellenleiter propagierenden azimutal oder radial polarisierten Moden 5, 7 aufweisen, sogenannte Modenkonversion stattfindet. Hierbei wird eine Mode 8 einer Ordnung durch das inhomogene Faser-Bragg-Gitter 2 in eine Mode anderer Ordnung 9, 10, 11 konvertiert. Im vorliegenden Fall wird die Grundmode 8 des rotationssymmetrischen Wellenleiters in die TM0i Mode 9, die HE2i Mode 10 und die TE0i Mode 11 konvertiert. Dabei sind im Spektrum Konversionspeaks zu sehen Der beschriebene Modenfilter kann außerhalb oder innerhalb eines Oszillators angeordnet werden:
Eine Anordnung außerhalb eines Oszillators zeigt beispielsweise Figur 6. Hier wird eine schmalbandige Lichtquelle 3 über eine Kollimationslinse, einen Umlenkspiegel, einen Strahlteiler 12 und eine Einkoppeloptik 4 in den stark führenden Wellenleiter 1 eingekoppelt. Durch das Faser-Bragg-Gitter 2 wird entsprechend der Wellenlänge entweder die azimutal oder radial polarisierte Mode 5, 7 reflektiert. Der Strahlteiler 12 trennt dabei den azimutal oder radial polarisierten Strahl von dem der Lichtquelle 3, so dass der Wellenleiter 1 mit dem integrierten Faser-Bragg-Gitter 2 als extern angeordneter Modenfilter wirkt. Wird eine breitbandige Lichtquelle 3 verwendet, muss in Strahlrichtung nach dem Strahlteiler 12 noch eine spektrale Separation durch einen Kantenfilter oder ein Etalon erfolgen, um einen rein radial oder azimutal polarisierten Strahl zu erhalten. Eine Anordnung des Modenfilters innerhalb eines Oszillators zeigt Figur 7. Der stark führende Wellenleiter 1 ist hier mit einem laseraktiven Material dotiert, welches von der Strahlung der Lichtquelle 3 angeregt wird. Die Strahlung wird über eine Einkoppeloptik 4 in den Wellenleiter 1 eingekoppelt. Der Oszillator ist einerseits durch das Faser-Bragg-Gitter 2 und anderseits durch ein externes Gitter 13 gebildet. Abhängig vom Winkel des externen Gitters 13 unterstützt der Oszillator nur eine bestimmte Wellenlänge. Sofern diese Wellenlänge auf eine Resonanzwellenlänge des Faser-Bragg-Gitters 3 abgestimmt ist, wird nur die azimutal oder radial polarisierte Mode oszillieren.
Durch thermisches Erhitzen oder mechanischen Krafteinfluss können zudem die Reflexionseigenschaften des Faser-Bragg-Gitters 3 geändert werden. Hierdurch ist es möglich - ohne Änderung des Aufbaus - zwischen azimutal und radial polarisierten Moden zu wechseln. Eine andere Möglichkeit stellt die Veränderung der Wellenlänge dar. Hierbei werden die äußeren Einflüsse auf das Gitter konstant gehalten und über die Wellenlänge der Lichtquelle 3 zwischen azimutal und radial polarisierter Mode gewechselt. Obwohl in den Ausführungsbeispielen vorrangig das Reflexionsspektrum eines Faser-Bragg-Gitters 2 genutzt wurde, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung ebenfalls eine Modenseparation in Transmission durchführen. Dabei kann insbesondere das Transmissionsgitter 2 ein langperiodisches Gitter (LPG) sein, das nur die Propagation einer azimutal oder radial polarisierten Mode im Kern zulässt.
- Patentansprüche -

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung azimutal oder radial polarisierter Strahlung mittels eines optischen Wellenleiters (1 ), wobei der optische Wellenleiter (1 ) eine Struktur aufweist, welche geeignet ist, azimutal oder radial polarisierte Moden (5, 7) zu führen
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die azimutal oder radial polarisierten Moden (5, 7) in dem optischen Wellenleiter (1 ) unterschiedliche effektive Brechungsindizes aufweisen, und innerhalb des optischen Wellenleiters (1 ) ein schmalbandiges Gitter (2), insbesondere ein Bragg-Gitter, angeordnet ist, welches so ausgebildet ist, dass der spektrale Abstand zwischen zwei azimutal oder radial polarisierten resonanten Moden (5, 7) gleich oder größer ist als deren spektrale Bandbreite.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (2) ein inhomogenes Gitter ist, insbesondere ein inhomogenes Faser- Bragg-Gitter, welches so ausgebildet ist, dass es eine Mode des Wellenleiters (1 ), insbesondere die Grundmode (8), in mindestens eine azimutal oder radial polarisierte Mode (9, 11 ) konvertiert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Wellenleiter (1 ) mit dem darin angeordneten Gitter (2) außerhalb eines Oszillators angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Wellenleiter (1 ) mit dem darin angeordneten Gitter (2) innerhalb eines Oszillators angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Wellenleiter (1 ) mit einem laseraktiven Material dotiert ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionseigenschaften des Gitters (2) thermisch oder mechanisch beeinflussbar sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwischen der Erzeugung von azimutal und radial polarisierter Strahlung umschaltbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (2) ein Reflexionsgitter ist, insbesondere ein
Faser-Bragg-Gitter.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (2) ein Transmissionsgitter ist, insbesondere ein langperiodisches Gitter.
10. Verfahren zur Erzeugung azimutal oder radial polarisierter
Strahlung mittels eines optischen Wellenleiters (1 ), wobei der optische Wellenleiter (1 ) azimutal oder radial polarisierte Moden (5, 7) führt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die azimutal oder radial polarisierten Moden (5, 7) in dem optischen Wellenleiter (1 ) unterschiedliche effektive Brechungsindizes aufweisen und mittels eines innerhalb des optischen Wellenleiters (1 ) angeordneten Gitters (2) so gefiltert werden, dass sich ihre Spektren nicht oder nur geringfügig überlappen.
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