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Dokumentenidentifikation DE102005062749B3 12.04.2007
Titel Optische Faser für polarisiert emittierende Faserlaser und -verstärker sowie ein Verfahren zu deren Herstellung
Anmelder Institut für Physikalische Hochtechnologie e.V., 07745 Jena, DE
Erfinder Müller, Hans-Rainer, Dr., 07751 Jena, DE;
Unger, Sonja, Dr., 07745 Jena, DE;
Mörl, Klaus, 07749 Jena, DE;
Schuster, Kay, Dr., 07743 Jena, DE
Vertreter Patent- und Rechtsanwaltskanzlei Bock Bieber Donath Partnerschaftsgesellschaft, 07745 Jena
DE-Anmeldedatum 23.12.2005
DE-Aktenzeichen 102005062749
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse C03C 13/04(2006.01)A, F, I, 20051223, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C03B 37/023(2006.01)A, L, I, 20051223, B, H, DE   G02B 6/02(2006.01)A, L, I, 20051223, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine optische Faser für polarisiert emittierende Faserlaser und -verstärker gemäß der Gattung der Patentansprüche sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Die Aufgabe der Erfindung, eine optische Faser für polarisiert emittierende Faserlaser und -verstärker sowie ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, die die zuvor stehenden Nachteile des Standes der Technik vermeiden, wird dadurch gelöst, dass die optische Faser für polarisiert emittierende Faserlaser und -verstärker aus einem Kern und einem Mantel besteht, wobei der Kern anisotrop verteilte Laserionen aufweist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine optische Faser für polarisiert emittierende Faserlaser und -verstärker gemäß der Gattung der Patentansprüche sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Derzeit sind zwei verschiedene Laserfasertypen bekannt, bei denen die Laserionen im Kern der Faser isotrop verteilt sind und bei denen die für die Auszeichnung einer Polarisationsrichtung erforderliche Anisotropie durch Zusatzstrukturen im Fasermantel oder durch geometrische (nicht-kreissymmetrische) Struktur des Kerns erreicht wird.

Diese zwei Laserfasertypen entsprechen den auch bei passiven Fasern verwendeten Prinzipien/Strukturen für polarisationsstabile Lichtausbreitung und zum anderen die aktiven Laserfasern.

Bei den passiven Fasern (Einmodenfasern) breitet sich normalerweise nur eine Schwingungsform, eine sog. Mode, mit einer Geschwindigkeit aus. Dadurch arbeiten solche Fasern bei der Signalübertragung fast verzerrungsfrei, weil die Signale (Pulse) mit einheitlicher Geschwindigkeit laufen.

Die Mode hat eine genau definierte Licht-(Intensitäts-)Verteilung, die von der Geometrie und Zusammensetzung der Faser abhängt. Allerdings kann die Mode in zwei zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen schwingen.

Weil für sehr viele Anwendungen die Ausbreitung nur einer dieser Polarisationsrichtungen erforderlich ist, muss man spezielle Fasern benutzen, die bei Einkopplung der gewünschten Polarisationsrichtung diese auch bei Ausbreitung über große Entfernungen stabil beibehalten. In runden Fasern ist das nicht möglich, weil für beide Polarisationsrichtungen (Polarisationsmoden) gleiche Ausbreitungsbedingungen gelten und die beiden Moden auf Grund von Störungen, wie bspw. Krümmung der Faser oder geometrische Unvollkommenheiten, Energie austauschen (ineinander "überkoppeln") können, so dass nach der Übertragung in der Regel ein Gemisch der beiden Polarisationen vorhanden ist, was viele Anwendungen unmöglich macht.

Die genannten speziellen Fasern müssen von der Zylindersymmetrie abweichende Eigenschaften aufweisen, um für die beiden Polarisationsmoden unterschiedliche Ausbreitungsbedingungen (man bezeichnet das auch als Doppelbrechung und entsprechend solche Fasern als doppelbrechende Fasern) zu schaffen und die "Polarisationserhaltung" einer Mode zu garantieren. Das geschieht gemäß dem Stand der Technik entweder dadurch, dass man

  • • erstens dem Faserquerschnitt, zumindest dem des Kerns, eine von der Kreissymmetrie abweichende Form geben kann, bspw. eine elliptische,
  • • zweitens, dass man in dem lichtführenden Gebiet starke mechanische Spannungen erzeugen kann (bspw. durch Einfügen von Materialien mit unterschiedlichen thermischen und mechanischen Eigenschaften),
  • • drittens die Verluste der beiden Moden durch Geometrie und/oder Zusammensetzung unterschiedlich gestaltet (die verlustreichere Mode wird dann nicht oder nur eine kurze Strecke geleitet).

Vielfach werden diese verschiedenen Effekte auch in Kombination genutzt.

Es gibt zahlreiche Strukturvarianten solcher polarisationserhaltender Fasern, jedoch haben alle den Nachteil, dass sie viel aufwendiger in der Herstellung sind als normale Fasern, sich schlecht mit normalen Fasern verbinden ("spleißen") lassen, keine runden Intensitätsverteilungen haben und damit beim Verbinden mit normalen runden Fasern zu großen Verlusten führen und durch die Erzeugung von hohen inneren Spannungen nachteilige Eigenschaften, wie bspw. das Zerbersten bei der Präparation der Vorformen, aufweisen.

Bei den aktiven Laserfasern erfolgt eine Dotierung des Kerns der Lichtleitfasern mit laseraktiven Ionen, bspw. Ytterbium (Yb).

Dadurch können Lichtleitfasern auch als Laser arbeiten, d.h. durch geeignete Anregung der Ionen kann im Kern Laserlicht erzeugt werden.

Eine typische Anregungsart ist das Einkoppeln von Diodenstrahlung in den Mantel der Faser, der durch einen niedrigbrechenden Außenmantel ebenfalls lichtleitend ist (Doppelkern- oder Doppelmantel-Prinzip, engl. "double clad").

Besonders wertvoll sind solche Faserlaser, weil man mit ihnen im Einmodenbetrieb sehr fein fokussierbare Laserstrahlung erzeugen kann (bis hinab zur Dimension der Wellenlänge, das heißt für Yb um 1 &mgr;m) und damit sehr hoch aufgelöste Bearbeitungen oder Markierungen ausführen kann.

Der Nachteil dieser aktiven Faserlaser ist, dass viele Applikationen nur mit polarisationsstabiler Strahlung möglich sind, wie bspw. das Umwandeln der Wellenlänge des Laserlichtes durch nichtlineare Effekte oder das Schalten und Modulieren von Licht.

Daher verwendet man bisher auch bei den laseraktiven Fasern die gleichen Konstruktionsprinzipien, wie bei den passiven Fasern, um polarisationsstabilen Betrieb zu erreichen.

Da die Dotierung des Faserkernes mit Yb und anderen Laserionen einen komplexen Prozess erfordert und durch schlechte Verträglichkeit der Laserionen mit der Glasmatrix zahlreichen Einschränkungen unterliegt, sind aber die Nachteile dieser Strukturen noch viel gravierender als die zuvor stehend genannten bei den passiven Laserfasern.

Bei den in den letzten Jahren aufgekommenen mikrostrukturierten Fasern und den sog. photonischen Kristallfasern sind daher sehr komplizierte Strukturen entwickelt worden, um diese Nachteile zu beseitigen und die alle nach den genannten Prinzipien der Geometrieanisotropie, der Spannungserzeugung oder der unterschiedlichen Dämpfung der beiden Polarisationsmoden arbeiten. Die Herstellung dieser Strukturen erfordert jedoch einen enormen Aufwand.

Gemäß dem Stand der Technik wird dabei die Polarisationserhaltung in allen Fällen durch anisotrope, nicht-verstärkende Strukturen außerhalb des Kerns oder durch die form des Kerns erzeugt.

Eine stabile Polarisation in aktiven Fasern, also Laser- und Verstärkerfasern, wird gemäß dem Stand der Technik entweder durch zusätzliche polarisierende Elemente im optischen Aufbau eingestellt oder durch die konventionellen zusätzlichen Strukturelemente im Fasercladding, wie sie auch für die Polarisationsstabilisierung von passiven (also nur lichtleitenden, nicht verstärkenden) Fasern eingesetzt werden, erreicht.

So offenbart die Schrift US 6,282,016 B1 eine Vorrichtung, bei der mehrere Elemente benötigt werden, um einen polarisierten verstärkten Ausgangsstrahl zu erzeugen. Die Vielzahl der erforderlichen Elemente verkompliziert und verteuert somit auch den Aufbau.

Ein Beispiel für die Anwendung von anisotropen Strukturen im Cladding für aktive Fasern ist aus der Schrift WO 2005/059612 A1 bekannt. Aus dieser Schrift wird deutlich, wie schwierig es ist, die Doppelbrechung erzeugenden zusätzlichen Elemente in der Faserstruktur unterzubringen, da auch Platz für andere Strukturen benötigt wird, die für die Funktion der Faser benötigt werden. Der Nachteil der in dieser Schrift offenbarten verschiedenen Strukturelemente in einer solchen Faser besteht darin, dass sich diese untereinander beeinflussen und dadurch ihre Wirksamkeit einschränken.

Die Schrift US 5,566,196 A offenbart optische Fasern mit mehreren nichtkonzentrischen Kernbereichen, die derartig eng benachbart sein können, dass eine gegenseitige Beeinflussung möglich ist, so dass praktisch ein zusammenhängender Kern entsteht.

Die Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine optische Faser für polarisiert emittierende Faserlaser und -verstärker sowie ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, der die zuvor stehenden Nachteile des Standes der Technik vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch eine optische Faser für polarisiert emittierende Faserlaser und -verstärker gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den nachgeordneten Ansprüchen angegeben.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass der erfindungsgemäße Faserlasertyp im Kern anisotrop verteilt Laserionen aufweist (s.g. zweiachsige Symmetrie), so dass die Zusatzstruktur im Mantel gemäß dem Stand der Technik nicht mehr erforderlich ist. Dabei kann auch der Kern anisotrop deformiert sein, was jedoch nicht zwingend der Fall sein muss.

Durch diese erfinderische Lösung werden neue Strukturen ermöglicht, die nicht nur eine beliebige Polarisation aufweisen, sondern eine direkt vorgebbare Polarisation besitzen.

Bei den bisher bekannten, zuvor stehend beschriebenen Prinzipien der Polarisationserhaltung für Laserfasern gemäß dem Stand der Technik hat man sich ausschließlich darauf konzentriert, dass es bei der Nutzung der passiven Fasern darum geht, die Polarisation einer von außen eingekoppelten Strahlung zu erhalten, während es bei der Nutzung der aktiven, also Laser- oder Verstärkerfasern darum geht, eine Strahlung erst in der Faser zu erzeugen oder zumindest vermittels dieser zu verstärken.

Gemäß der Erfindung ist es vorteilhaft, diesen Erzeugungs- oder Verstärkungsprozess so zu gestalten, dass eine gewünschte Polarisation von vornherein bei der Generation des Lichtes bevorzugt wird.

Dies wird durch die Erfindung realisiert, indem die verstärkenden Ionen im Kern (d.h. im gesamten, das Laserlicht führenden Bereich) räumlich so unterschiedlich verteilt sind, dass sie die beiden Polarisationsmoden unterschiedlich verstärken.

Da die Verstärkung für einen Ort im Kern proportional zu dem Produkt aus der Lichtintensität und der Zahl der Laserionen an dieser Stelle ist, muss dabei, um günstige Strukturen zu erreichen, die Intensitätsverteilung der beiden Polarisationsmoden betrachtet werden. Wie aus den Maxwell-Gleichungen hervorgeht, haben runde Einmoden-Lichtwellenleiter eine Verteilung in Form einer zweidimensionalen Gausskurve (Glockenkurve) mit dem Maximum auf der Faserachse. Genauere Berechnungen, die gemäß dem Stand der Technik erfolgen, unter der Berücksichtigung der Polarisationseigenschaften zeigen jedoch, dass diese Gaussverteilungen eine leichte, ellipsenähnliche Verzerrung aufweisen, die für die beiden Polarisationsrichtungen um 90° verdreht ist (diese also orthogonal zueinander sind).

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1a: eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Faser für polarisiert emittierende Faserlaser und -verstärker in Querschnitt,

1b: eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Faser für polarisiert emittierende Faserlaser und -verstärker in Querschnitt,

1c: eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Faser für polarisiert emittierende Faserlaser und -verstärker in Querschnitt,

2a: eine schematische Darstellung der Intensitätsverteilung der beiden Polarisationsmoden zu 1a bis c in einer Draufsicht mit einer Kennzeichnung einer bevorzugten Dotierungsverteilung der Laserionen (grau dargestellt),

2b: die zu 1a bis c und 2a zugehörige Intensitätsverteilung,

3a: Querschnitt durch eine Anordnung von primären Preformen in einem Hohlzylinder,

3b: Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Preform entstanden aus der Anordung gemäß 3a,

4: eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Faser für polarisiert emittierende Faserlaser und -verstärker in Querschnitt und

5: eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Faser für polarisiert emittierende Faserlaser und -verstärker in Querschnitt.

Die erfindungsgemäße optische Faser ist gemäß der Erfindung so dotiert, dass sich die Laserionen, wie in 1a bis c dargestellt, nur in dem grau markierten Gebiet befinden. In der 2a ist die zu den 1a bis c gehörige Form der Intensitätsverteilung der beiden Polarisationsmoden schematisch in einer Draufsicht dargestellt, wobei das Gebiet bevorzugter Dotierung mit aktiven Ionen dunkel gekennzeichnet ist und in 2b ist die räumliche Verteilung dieser beiden Intensitäten in Abhängigkeit vom Kernradius dargestellt, wobei aus dieser Darstellung hervor geht, dass die als x-Pol. bezeichnete Mode eine viel größere Verstärkung erfährt als die y-Pol.-Mode. Die x-Pol.-Mode weist nämlich im dotierten Gebiet eine viel höhere Intensität als die y-Mode auf.

Dadurch wird eine bevorzugte Verstärkung der x-Pol.-Mode erreicht, die im Laserprozess zur alleinigen Ausbreitung dieser Mode führt, da bekanntermaßen kleine Verstärkungsunterschiede zur völligen Unterdrückung der zweiten Mode ausreichen.

Aufgrund dieser erfinderischen Lösung ist es möglich, einen polarisationsstabilen Betrieb der Laserfaser zu erreichen, ohne die zuvor stehend beschrieben polarisationserhaltenden Strukturen gemäß dem Stand der Technik zu verwenden.

Eine solche erfindungsgemäße Laserfaser hat den Vorteil, dass sie nicht nur polarisationsstabil arbeitet, sie ermöglicht auch den „single polarization"-Betrieb, weil sie eine der beiden Polarisationen bevorzugt.

Vorteilhafter Weise kann der erfindungsgemäßen Verstärkungsprozess noch verbessert werden, indem entweder die Fläche vergrößert wird, in der der deutliche Intensitätsunterschied auftritt oder man erhöht in diesem Gebiet die mittlere Intensität unter Beibehaltung des Unterschiedes zur Faserumgebung.

Dadurch wird erreicht, dass der Kern nicht rund, sondern etwas elliptisch ausführt ist, so dass sich der räumliche Unterschied zwischen den Intensitätsverteilungen vergrößert. Dabei ist jedoch zu prüfen, ob die stärkere Abweichung von der runden Verteilung für die konkrete Anwendung akzeptabel ist. Die Intensität kann in diesem Gebiet dadurch erhöht werden, in die Brechzahl des Kerns in diesem Gebiet relativ zum zentralen Teil des Kerns erhöht wird (bspw. annähernd ringförmig).

Diese weitgehend runde Form der Intensitätsverteilung bleibt erhalten, wenn die Brechzahlen in den verschiedenen Gebieten des Kerns gleich sind, also im Beispiel der 1a in den weißen und schwarzen Teilen. Dies wird dadurch erreicht, dass man die erhöhte Zahl der Laserionen (bspw. Yb) im schwarzen Gebiet durch eine erhöhte Zahl anderer nicht-aktiver Ionen (bspw. Ge) im hellen Gebiet kompensiert.

Darüber hinaus kann vorteilhafter Weise die bevorzugte Emission einer Polarisation noch dadurch verbessern werden, dass man die Dotierungen in den unterschiedlichen Zonen so wählt, dass zwar die Brechzahlwerte gleich sind, dass aber die Materialien stark unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten haben. Dadurch entstehen beim Abkühlen der Fasern mechanische Spannungen in analoger Weise wie bei PANDA-Fasern. Im Gegensatz zu diesem Stand der Technik befinden sich jedoch die spannungserzeugenden Elemente nicht im Mantel der Faser, sondern im erfindungsgemäßen Kern der Faser.

Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen optischen Faser für polarisiert emittierende Faserlaser und -verstärker beschrieben, ohne die Herstellung der Faser auf dieses Verfahren zu beschränken.

Als ein Beispiel eines solchen Verfahrens wird hier die Zusammensetzung des Kerns mit anisotroper Verstärkung aus runden Einzelelementen (primären Preformen) näher dargelegt. Das Produkt dieses beispielhaften Verfahrens ist eine erfindungsgemäße optische Faser (Lichtleiter-Struktur), die

  • • eine anisotrope Verstärkung für die zwei Polarisationsrichtungen aufweist;
  • • die im Kern mit laseraktiven Yb-Ionen dotiert ist;
  • • einen Kern aus sechs + ein Einzelelementen in hexagonaler Anordnung besitzt;
  • • die bei der Arbeitswellenlänge dieses Laserions bei ≈1.08 &mgr;m Wellenlänge nur die Ausbreitung der Grundmode gestattet („singlemode-Verhalten" im üblichen Sprachgebrauch, umfasst aber die beiden Polarisationsmoden)

Das beispielhafte Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen optischen Faser für polarisiert emittierende Faserlaser und -verstärker umfasst folgende sechs Schritte:

Im ersten Schritt werden zwei primäre Preform-Typen für Fasern in konventioneller Weise hergestellt, bspw. mit der Gasphasen-Innenrohrbeschichtung in Quarzrohren (engl. "modified chemical vapor deposition", MCVD). Der Kern der einen primären Preform wird mit den Laserionen und ggf. mit erforderlichen weiteren Substanzen ("Kodotanden") dotiert. Der Kern der zweiten primären Preform wird mit indexerhöhenden Substanzen, jedoch ohne Laserionen, dotiert. Um zunächst eine annähernd kreissymmetrische Verteilung der Intensität zu erhalten, müssen die Brechzahlen der beiden Kerne gleich sein.

Dazu kann für den ersten Kern Yb2O3 und Al2O3 verwendet werden und für den zweiten Kern GeO2. Diese Substanzen werden der Grundsubstanz des Kerns, dem SiO2 (Quarzglas) zugefügt. Dazu ist bekannt, dass innerhalb üblicher Fehlergrenzen mit den genannten Dotierungsmaterialien folgende Brechzahlerhöhungen erreicht werden können:

1 Mol.-% Yb2O3 0,00670

1 Mol.-% Al2O3 0,00213

1 Mol.-% GeO2 0,00135.

Im konkreten Beispiel erfolgt die Dotierung des einen Kerns mit 0,5 Mol.-% Yb2O3 plus 2,65 Mol.-% Al2O3 und des anderen Kerns mit 6,6 Mol.-% GeO2. Dadurch wird eine Brechzahlerhöhung von ≈ 0.009 im zu bildenden Kern der erfindungsgemäßen optischen Faser bewirkt.

In dem zweiten Verfahrenschritt wird in den primären Preformen ein vorgebbares Verhältnis von Kern- und Außenradius eingestellt, um einen gewünschten mittleren Brechungsindex zu erreichen. Um die zuvor stehenden Werte zu realisieren, wird im konkreten Beispiel ein Außenradius der gleich dem 2-fachen des Kernradius ist, gewählt. Das richtige Verhältnis der Radien kann man bspw. durch chemisches Abätzen des Außenmantels oder auch durch mechanisches Abschleifen erreichen.

In dem dritten Verfahrenschritt werden die primären Preformen durch Verziehen in einer Faserziehanlage oder durch Verjüngen in einer Glasmacherdrehbank auf eine solche Dimension gebracht, dass sich die gewünschte Anzahl und die gewünschte Verteilung der beiden primären Preform-Typen in Form der entstandenen dünneren Stäbe (der verjüngten Preformen) in ein passend dazu gewähltes Quarzrohr stecken lässt. Das Quarzrohr wird nach Fertigstellung der optischen Faser den Außenmantel dieser Faser oder zumindest einen Teil davon bilden.

Der vierte, entscheidende Verfahrensschritt realisiert die erfindunsgemäße Struktur der Faser. Zunächst werden die verzogenen Stäbe (die primären Preformen) auf die gewünschte Länge, bspw. die Länge des Quarzrohres geschnitten oder gebrochen. Danach werden die Stäbe so im Rohr angeordnet, dass eine anisotrope Verteilung der mit Yb/Al-Oxid und der mit Ge-Oxid dotierten Stäbe entsteht, so dass die Überdeckung der x-polarisierten Mode mit den Yb-dotierten Stäben verschieden ist von der Überlappung der y-polarisierten Mode mit den Yb-dotierten Stäben und damit die Verstärkung bei den beiden Moden unterschiedlich ist. In 3 ist dies beispielhaft durch die Auswahl von nur zwei äußeren Yb-dotierten primären Preformen (in der Fig. schwarz dargestellt) und fünf Ge-dotierten primären Preformen (in der 3 grau dargestellt) gezeigt, ohne die Erfindung auf diese Auswahl zu beschränken. Vielmehr sind verschiedene andere Anordnungen möglich, die je nach Zahl der eingesetzten Einzelstäbe und nach der gewünschten Größe des Verstärkungsunterschiedes der beiden Moden wählbar sind.

Der fünfte Verfahrensschritt besteht in dem Kollabieren des Quarzrohres und der eingesetzten Stäbe (primären Preformen) zu einer Preform, d.h. das Rohr wird gemäß dem Stand der Technik in einer geeigneten Anordnung so stark erhitzt, dass es sich unter der Wirkung der Oberflächenspannung zu einem massiven Rohr zusammenzieht. Erforderlichen Falles kann im Rohr auch ein Unterdruck erzeugt werden, damit die Zwischenräume zwischen den einzelnen Stäben verschwinden.

Dabei verringert sich die Querschnittsfläche des Rohrinnenraums entsprechend dem Luftanteil zwischen den Stäben, im Falle der in 3a dargestellten sieben primären Preformen um ca. 22%. Diese Verringerung ist bei der Dimensionierung der primären Preformen zu berücksichtigen.

Die so gebildete Preform (3b) ist nach dem Kollabieren einstückig, wobei je nach verwendeten Material der eingesetzten Stäbe (primären Preformen) und dem Mantelrohr eine Materialgrenze ausgebildet ist oder, im dem Fall, dass der Außenmantel der eingesetzten Stäbe (primären Preformen) aus dem gleichen Material (aus der gleichen Quarzglassorte) bestehen, keine Materialgrenze ausgebildet ist.

Nach dem Kollabieren wird der lichtleitende Kern der zukünftigen optischen Faser durch die Teile mit den höheren Brechzahlen gebildet, nämlich die Kerne der primären Preformen. Um ein gewünschtes Verhältnis zwischen Kern- und Außendurchmesser herzustellen, muss ggf. das um die Stäbe kollabierte Quarzrohr gemäß dem Stand der Technik mit einem weiteren Quarzrohr passender Dimension ummantelt werden.

Die vermittels dieser fünf Verfahrensschritte hergestellte Preform hat damit die benötigte Struktur, die im vergrößerten Maßstab der Struktur der optischen Faser gleich ist.

Im sechsten und letzten Verfahrensschritt wird die Preform in einer Faserziehanlage in üblicher Weise zur optischen Faser verzogen. Mit Hilfe der Ziehparameter wie Ziehgeschwindigkeit und Prefom-Nachführungsgeschwindigkeit kann man dabei, gemäß dem Stand der Technik, den gewünschten Faserdurchmesser einstellen.

Wesentlich für das Erreichen der zuvor stehenden Parameter ist allerdings, dass die Kerndimension richtig eingestellt wird. Der Kerndurchmesser, definiert durch die Position der ehemaligen primären Preformen innerhalb der Preform, muss in dem konkreten Beispiel 10&mgr;m betragen. Dadurch ist bei der gewünschten Arbeitswellenlänge von 1.08 &mgr;m die erfindungsgemäße optische Faser als Einmodenfaser einsetzbar, wobei die eine Polarisationsrichtung besser verstärkt wird als die andere.

In 4 ist eine weitere erfindungsgemäße optische Faser in Querschnitt gezeigt, die ebenfalls aus Einzelelementen (primären Preformen) ausgebildet ist, in diesem Fall aus 11 mit Yb-dotierten Kernen (schwarz) die zu der erfindungsgemäßen anisotropen Anordnung der Yb-Gebiete führen, die gegenüber der 3b einen wesentlich größeren Flächenanteil (und damit eine größere Gesamtverstärkung) aufweisen.

Alternativ zu dem voran stehend beschriebenen Verfahren kann die erfindungsgemäße optische Faser dadurch realisiert werden dass bei der Preformherstellung durch Innenrohrbeschichtung nach der Beschichtung mit Yb-dotiertem Material (schwarz) ein anisotroper Ätzprozess zwischengeschaltet wird, nach dem mit der Ge-Beschichtung fortgefahren wird und im Anschluss daran um 90° versetzt nochmals geätzet wird. Die resultierende Struktur (5) weist nach dem Kollabieren eine anisotrope Verteilung der Yb-Ionen gemäß der Erfindung auf.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen optischen Faser für polarisiert emittierende Faserlaser und -verstärker gegenüber dem Stand der Technik besteht in der Verlagerung der anisotropen Strukturen in den Kern was neben der Polarisationserhaltung zu einem anisotropen Verstärkungseffekt führt, wodurch die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

1
Yb-, Nd-, Er-, Tm- oder Ho-dotiert
2
Ge-, Al- oder P-dotiert


Anspruch[de]
Optische Faser für polarisiert emittierende Faserlaser und -verstärker bestehend aus einem Kern und einem Mantel, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern anisotrop verteilte Laserionen aufweist. Optische Faser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern anisotrop deformiert ist. Optische Faser gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern elliptisch ist. Optische Faser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserionen im Sinne zweiseitiger Symetrie gleichmäßig verteilt sind. Optische Faser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserionen im Sinne zweiseitiger Symetrie ungleichmäßig verteilt sind. Optische Faser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern nicht aktive Ionen aufweist. Optische Faser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserionen Yb-Ionen sind. Optische Faser gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht aktiven Ionen Ge-Ionen sind. Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser nach einem oder mehreren der voran stehenden Ansprüche, umfassend folgende Schritte:

a) Herstellung zweier primärer Preformtypen, wobei der eine primäre Preformtyp mit Laserionen und der zweite primäre Preformtyp mit indexerhöhenden Substanzen dotiert wird,

b) Bearbeitung der einzelnen primären Preformen auf ein vorgebbares Verhältnis von Außendurchmesser und Kerndurchmesser,

c) Verziehen der einzelnen primären Preformen,

d) anschließendes Einschieben der verzogenen primären Preformen in ein Mantelrohr, wobei eine vorgebbare Verteilung der primären Preformen des ersten und zweiten Typs erfolgt,

e) anschließendes Kollabieren des Mantelrohres zu einer Preform und

f) abschließendes Ziehen der Preform zu einer optischen Faser.






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