Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine zur Übertragung von Laserlicht eingerichtete mikrostrukturierte Hohlkernfaser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche mikrostrukturierte Hohlkernfaser weist einen sich längs der Hohlkernfaser erstreckenden mikrostrukturierten Hohlkern auf. Der Hohlkern weist Mikrostrukturen mit mindestens einem ersten Brechungsindex n auf und ist von einem inneren Fasermantel mit einem Brechungsindex n_innen umgeben.

Soweit in dieser Anmeldung von Fasermänteln die Rede ist, sind jeweils für das Laserlicht leitfähige Fasermäntel aus transparentem Material gemeint, in denen das Laserlicht durch interne Totalreflexionen geführt werden kann. Bei Hohlkernfasern wird das bei altbekannten Lichtleitfasern (Solid Core Fasern) als Kern der Faser verwendete Glas durch ein Gas oder Vakuum ersetzt, was der Faser ein löchriges Zentrum ("holey center") verleiht. Hohlkernfasern als solche sind zum Beispiel aus der Veröffentlichung

"https://www.photonics .com/Artid es/Hollow-

Core Fibers Outperform Silica glass/a6448?refer=picks#comme nts" bekannt.

Bekannt ist auch, single mode Laserstrahlung hoher Pulsspitzenleistung durch mikrostrukturierte Hohlkernfasern zu transmittieren. Für die Übertragung von single mode Laserstrahlung hoher mittlerer Leistung werden dagegen typischerweise solid core Faserstrukturen verwendet.

Bei der Übertragung von Laserleistung durch Hohlkernfasern treten üblicherweise höhere Verluste auf als bei einer Übertragung durch solid core Fasern. Diese Verluste liegen im Bereich von ca. 0,5 % pro Meter Faserlänge. Die dabei nicht transmittierte und als Verlustleistung verlorengehende Laserleistung wird durch das cladding, d.h. die Ummantelung des strahlführenden hohlen Kerns, quer zur Längserstreckung der Hohlkernfaser in die Umgebung abgestrahlt, was unerwünscht ist.

Die Ummantelung weist wenigstens einen den hohlen Kern konzentrisch umgebenden Fasermantel und einen den Fasermantel konzentrisch umgebenden Schutzmantel (Jacket, bzw. Buffer) auf. Bei hohen mittleren Laserleistungen (im Kilowattbereich) kann durch die quer zur Längserstreckung der Hohlkernfaser abgestrahlte Verlustleistung das Jacketmaterial und/oder auch die Fasermäntel und damit die Hohlkernfaser als Ganzes beschädigt werden.

Wenn single mode Laserstrahlung hoher mittlerer Leistung in einer solid core Faser geführt wird, sind die intrinsischen Verluste einerseits geringer als bei einer Übertragung in einer Hohlkernfaser. Andererseits erzeugen die hohen Feldstärken des Laserlichtes unerwünschte nichtlineare Effekte im Fasermaterial der solid core Faser. In Abhängigkeit von der Laserleistung ist so z.B. die Länge der Übertragungsstrecke begrenzt. Zu beobachten sind ein Verlust der Übertragungseigenschaften des Fasermaterials bis hin zur Zerstörung des Fasermaterials der Solid Core Faser.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Angabe einer Hohlkernfaser der eingangs genannten Art, mit der sich auch höhere mittlere Laserlichtleistungen als bisher, wie sie zum Beispiel bei continous wave Laserlicht auftreten, übertragbar sind. Die continous wave Leistungen, um die es hier geht, liegen im Kilowattbereich. Die Pulsspitzenleistungen reichen bis in den Gigawattbereich hinein.

Diese Aufgabe wird mit der Summe der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vom eingangs genannten Stand der Technik unterscheidet sich die erfindungsgemäße Lösung insbesondere dadurch, dass die Hohlkernfaser mindestens einen weiteren Fasermantel aufweist, der den innersten Fasermantel ummantelnd angeordnet ist und einen weiteren Brechungsindex n_w aufweist, und dass der Brechungsindex n_innen des innersten Fasermantels größer als der weitere Brechungsindex n_w ist.

Die Erfindung sieht damit mindestens einen weiteren Fasermantel vor, der den inneren Fasermantel ummantelt, wobei dieser weitere Fasermantel einen geringeren Brechungsindex aufweist als der innere Fasermantel.

Der radial innere erste Fasermantel ist daher optisch dichter als der radial äußere zweite Fasermantel. Dadurch wird eine interne Totalreflexion von im radial inneren ersten Fasermantel propagierendem Licht, das auf die Grenzfläche zwischen dem radial inneren ersten und dem radial äußeren zweiten Fasermantel einfällt, begünstigt, was eine verlustarme Wellenleitung im radial inneren ersten Fasermantel begünstigt und damit einen unerwünschten Übertritt von im radial inneren ersten Fasermantel propagierendem Verlustlicht in den radial äußeren zweiten Fasermantel verringert.

Damit wird innerhalb des radial inneren ersten Fasermantels eine verlustarme Wellenleitung für das von der Mikrostruktur der Hohlkernfaser nicht im Hohlkern transmittierte Verlustlicht ermöglicht. Als Folge wird eine unkontrollierte und unerwünschte Querabstrahlung verringert. Durch die Verringerung dieser quer zur Faserlängserstreckung abgestrahlten Verlustleistung werden Beschädigungen der Fasermäntel vermieden. Die Erfindung erlaubt damit eine Übertragung von Laserstrahlung hoher mittlerer Leistung durch mikrostrukturierte Hohlkernfasern mittels innerhalb der Fasermäntel gezielt erfolgender Führung des bei der Strahlführung durch Hohlkernfasern auftretenden Verlustlichtes .

Diese Verluststrahlung wird durch die Erfindung insbesondere daran gehindert, unkontrolliert seitlich aus der mikrostrukturierten Faserleitung auszutreten und dabei entweder Jacket bzw. Buffer oder die Umgebung beschädigen. Das Verlustlicht kann durch die mit der Erfindung erzielte Wellenleitung dann beim Austritt aus der mikrostrukturierten Hohlkernfaserleitung kontrolliert abgeleitet und ggfs, absorbiert werden.

Die vorliegende Erfindung stellt damit eine Hohlkernfaser bereit, die das Austreten der Verlustleistung verhindert, die sonst eine Zerstörung der Hohlkernfaser bzw. des umgebenden Schutzmantels bewirken könnte. Die Erfindung ermöglicht damit eine Übertragung von Laserlicht hoher mittlerer Leistung (cw-Laserlicht) durch eine Hohlkernfaser . Die Erfindung ermöglicht eine gezielte Ableitung und Führung des Verlustlichtes und damit eine Übertragung höherer mittlerer Laserleistungen als beim Stand der Technik, der aus mikrostrukturierten Hohlkernfasern mit nur einem Fasermantel und einem Schutzmantel besteht. Erst die Erfindung ermöglicht den Einsatz mikrostrukturierter Hohlkernfasern zur Übertragung hoher cw Laserleistungen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Hohlkernfaser wenigstens zwei weitere Fasermäntel aufweist, von denen jeder einen Brechungsindex aufweist, wobei wenigstens einer der Brechungsindices der wenigstens zwei weiteren Fasermäntel kleiner als der Brechungsindex des innersten Fasermantels ist.

Bevorzugt ist auch, dass der Brechungsindex eines von zwei weiteren Fasermänteln, der den anderen der zwei weiteren Fasermäntel ummantelt, kleiner ist als der Brechungsindex des ummantelten weiteren Fasermantels.

Bevorzugte Ausgestaltungen zeichnen sich dadurch aus, dass wenigstens zwei weitere Fasermäntel vorhanden sind, so dass ein innerster (erster) Fasermantel von einem zweiten Fasermantel (der auch ein Schutzmantel sein kann) konzentrisch ummantelt wird, dieser von einem dritten Fasermantel (der auch ein Schutzmantel sein kann) konzentrisch ummantelt wird, und dass die Fasermäntel jeweils einen Fasermäntel-individuellen Brechungsindex aufweisen, wobei der Brechungsindex eines radial äußeren Fasermantels immer größer als der Brechungsindex eines sich radial einwärts weiter inneren erstreckenden Fasermantels ist.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass Materialstärken der Fasermäntel und des äußeren Schutzmantels so dimensioniert sind, dass aus dem mikrostrukturierten Hohlkern in den inneren Fasermantel oder den weiteren Fasermantel eingekoppeltes Verlustlicht dort interne Totalreflexionen erfährt. Für diesen Zweck bevorzugte Materialstärken liegen zwischen dem vierfachen und dem sechsfachen, insbesondere bei dem fünffachen der Laserlichtwellenlänge.

Bevorzugt ist auch, dass die mikrostrukturierte Hohlkernfaser ein Eingangsende aufweist, das zum Einkoppeln von Laserlicht in den mikrostrukturierten Hohlkern eingerichtet ist, und ein Ausgangsende aufweist, das zum Auskoppeln von Laserlicht aus dem mikrostrukturierten Hohlkern eingerichtet ist.

Weiter ist bevorzugt, dass die Hohlkernfaser dazu eingerichtet ist, aus dem mikrostrukturierten Hohlkern in den inneren Fasermantel oder den weiteren Fasermantel eingekoppeltes Laserlicht (Verlustlicht) durch Wellenleitung bis an das Ausgangsende der mikrostrukturierten Hohlkernfaser zu leiten und das Laserlicht dort aus den Fasermänteln austreten zu lassen.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Hohlkernfaser wenigstens einen mode stripper aufweist, der zwischen dem Eingangsende und dem Ausgangsende angeordnet ist und der dazu eingerichtet ist, aus dem mikrostrukturierten Hohlkern in die Fasermäntel und/oder den Schutzmantel eingekoppeltes Laserlicht (Verlustlicht) quer zur Längserstreckung dieser Fasermäntel aus diesen Fasermänteln auszukoppeln.

Bevorzugt ist auch, dass die Hohlkernfaser mehrere mode stripper aufweist, die über die Länge der mikrostrukturierten Hohlkernfaser verteilt angeordnet sind.

Diese Ausgestaltung erlaubt eine kontrollierte Ableitung von Verlustleistung. Die Verlustleistung kann damit kontrolliert seitlich aus der Hohlkernfaser ausgekoppelt werden, ohne dabei Schäden zu verursachen. Ein Transport unerwünscht hoher Verlustleistung entlang der Längserstreckung kann dadurch vermieden werden, da der seitlich ausgekoppelte Anteil nicht mehr bis zum Austrittsende der Hohlkernfaser geführt werden muss.

Eine weitere Ausgestaltung ist der zusätzliche oder alternative Einsatz eines sogenannten „Airclad" zwischen dem ersten und zweiten Fasermantel bzw. weiteren optionalen Mänteln .

Mit diesen Luftmänteln ergibt sich im Vergleich zu Ausgestaltungen ohne solche Luftmäntel der Vorteil einer höheren numerischen Apertur.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren jeweils gleiche Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:

Figur 1 einen Querschnitt durch eine bekannte Hohlkernfaser;

Figur 2 einen Längsschnitt der Hohlkernfaser aus der Figur 1;

Figur 3 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Hohlkernfaser; und

Figur 4 einen Längsschnitt der Hohlkernfaser aus der Figur 3.

Im Einzelnen zeigt die Figur 1 einen Querschnitt einer als bekannt vorausgesetzten mikrostrukturierten Hohlkernfaser 10.

Die Schnittebene liegt rechtwinklig zur Längserstreckung der Hohlkernfaser. Die Schnittebene ist zum Beispiel eine x-y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems. Die Längserstreckung ist in diesem Fall lokal, d.h. in der Schnittebene, parallel zu der z-Richtung des Koordinatensystems ausgerichtet.

Figur 2 zeigt eine mikrostrukturierte Hohlkernfaser 10, wie sie in der Figur 1 abgebildet ist, in einem Längsschnitt. Der Längsschnitt ist dadurch definiert, dass er der Längserstreckung der Hohlkernfaser 10 so folgt, dass das Zentrum eines hohlen Kerns 12 der Hohlkernfaser 10 immer in der Zeichnungsebene liegt.

Die mikrostrukturierte Hohlkernfaser 10 weist einen sich längs der Hohlkernfaser 10 erstreckenden mikrostrukturierten Hohlkern 12 auf. Der Hohlkern 12 weist Mikrostrukturen 14 mit mindestens einem ersten Brechungsindex n auf und ist von einem inneren Fasermantel 16 mit einem Brechungsindex n_innen umgeben, so dass der innere Fasermantel den Hohlkern radial begrenzt. Der innere Fasermantel wird von einem äußeren Schutzmantel 18 ummantelt, der einen Schutzmantelbrechungsindex n_außen aufweist .

Die Figuren 1 und 2 verdeutlichen damit insgesamt den Aufbau einer als bekannt vorausgesetzten Hohlkernfaser 10.

Bei der bekannten Hohlkernfaser 10 ist der erste Brechungsindex n typischerweise gleich dem Brechungsindex n innen des inneren Fasermantels 16, während der Brechungsindex n_außen des Schutzmantels 18 typischerweise größer als der Brechungsindex n_innen ist.

Beim Propagieren von single mode Laserlicht 20 mit hohem Leistungsmittelwert treten Verluste auf, die im Folgenden auch als Verlustlicht 22 bezeichnet werden. Dieses Verlustlicht 22 tritt beim Stand der Technik über den inneren Fasermantel 16 und den äußeren Schutzmantel 18 seitlich unkontrolliert aus der Hohlkernfaser 10 und kann dabei insbesondere den äußeren Schutzmantel 18 und ggf. auch Objekte in der Umgebung der Hohlkernfaser 10 beschädigen und/oder Personen in dieser Umgebung verletzen.

Figur 3 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hohlkernfaser 100 zur Übertragung von Laserlicht. Die Schnittebene ist auch hier zum Beispiel eine x-y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems.

Figur 4 zeigt eine mikrostrukturierte Hohlkernfaser 100, wie sie in der Figur 3 abgebildet ist, in einem

Längsschnitt. Der Längsschnitt ist dadurch definiert, dass er der Längserstreckung der Hohlkernfaser 100 so folgt, dass das Zentrum des hohlen Kerns der Hohlkernfaser immer in der Zeichnungsebene liegt.

Die Längserstreckung ist in diesem Fall lokal, d.h. in der Schnittebene, parallel zu der z-Richtung des Koordinatensystems ausgerichtet. Die mikrostrukturierte Hohlkernfaser 100 weist einen sich längs der Hohlkernfaser 100 erstreckenden mikrostrukturierten Hohlkern 12 auf. Der Hohlkern 12 weist Mikrostrukturen 14 mit mindestens einem ersten Brechungsindex n auf und ist von einem innersten

Fasermantel mit einem Brechungsindex n_innen umgeben, so dass der innerste Fasermantel 16 den Hohlkern 12 radial begrenzt. Der innerste Fasermantel 16 wird von einem äußeren Schutzmantel 18 ummantelt, der einen Schutzmantelbrechungsindex n_außen aufweist.

Die mikrostrukturierte Hohlkernfaser 100 weist ein Eingangsende 24 auf, das zum Einkoppeln von Laserlicht in den mikrostrukturierten Hohlkern 12 eingerichtet ist, und sie weist ein Ausgangsende 26 auf, das zum Auskoppeln von Laserlicht 20 aus dem mikrostrukturierten Hohlkern 12 eingerichtet ist. Das Eingangsende 24 und das Ausgangsende 26 weist dazu jeweils eine Endfläche 24.1, 26.1 auf, die quer zur Längsrichtung der Hohlkernfaser 100 ausgerichtet ist. In dem hohlen Kern 12 propagierendes single mode

Laserlicht 20 trifft dann so steil auf die zur Auskopplung dienende Endfläche 26.1 auf, dass es dort keine interne Totalreflexion erfährt und stattdessen transmittiert wird. Analog dazu erfolgt die Einkopplung zum Beispiel über die zur Einkopplung dienende Endfläche 24.1. Zur Einkopplung und Auskopplung dienende Endflächen können auch an seitlichen Vorsprüngen oder seitlichen Einschnitten der Hohlkernfaser 100 angeordnet sein. Die Figuren 3 und 4 verdeutlichen damit insgesamt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hohlkernfaser 100.

Die Hohlkernfaser 100 weist zusätzlich zu dem innersten Fasermantel 16 und dem äußeren Schutzmantel 18 mindestens einen weiteren Mantel 28 auf, der zwischen dem innersten Fasermantel 16 und dem äußeren Schutzmantel 18 den innersten Fasermantel 16 ummantelnd angeordnet ist. Die in dieser Anmeldung genannten Ummantelungen sind bevorzugt konzentrische Ummantelungen.

Bei der erfindungsgemäßen Hohlkernfaser 100 weisen die Mikrostrukturen 14 einen ersten Brechungsindex n auf. Der innerste Fasermantel 16 weist einen Brechungsindex n_innen auf, und der äußere Schutzmantel 18 weist einen Schutzmantelbrechungsindex n_außen auf.

Der bei einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehene mindestens eine weitere Fasermantel 28, der zwischen dem innersten Fasermantel 16 und dem äußeren Schutzmantel 18 den innersten Fasermantel 16 ummantelnd angeordnet ist, weist einen weiteren Brechungsindex n_w auf. Der weitere Brechungsindex n_W ist kleiner als der Brechungsindex n_innen, und der weitere Brechungsindex n_w ist größer als der Brechungsindex n_außen des Schutzmantels 18.

Damit ist der relativ zum weiteren Fasermantel 28 radial weiter innen und damit näher an den Mikrostrukturen 14 und dem Hohlkern 12 liegende innere Fasermantel 16 optisch dichter als der weitere Fasermantel 28. Die größere optische Dichte des innersten Fasermantels 16 begünstigt das Auftreten interner Totalreflexionen von Verlustlicht 22, das im innersten Fasermantel 16 propagiert und auf die Grenzfläche zum weiteren Fasermantel 28 einfällt. Außerdem ist der weitere Brechungsindex n_w größer als der Brechungsindex n_außen des Schutzmantels 18.

Die im Vergleich zur optischen Dichte des äußeren Schutzmantels 18 größere optische Dichte des weiteren Fasermantels 28 begünstigt das Auftreten interner Totalreflexionen von Verlustlicht 22, das im weiteren Fasermantel 28 propagiert und auf die Grenzfläche zum äußeren Schutzmantel einfällt.

Die Materialstärken der Fasermäntel 16, 28 und des äußeren Schutzmantels 18 sind so dimensioniert, dass aus dem mikrostrukturierten Hohlkern 12 in die Fasermäntel 16, 28 eingekoppeltes Verlustlicht 22 dort interne Totalreflexionen erfährt.

Daraus ergibt sich der Effekt, dass eine kontrollierte Ableitung von Verlustlicht 22 durch längs des innersten Fasermantels 16 und des weiteren Fasermantels 28 erfolgende Wellenleitung begünstigt wird. Diese erwünschte Begünstigung tritt erwünschtermaßen zu Lasten einer unkontrollierten radialen Abstrahlung von aus dem Hohlkern 12 in den innersten Fasermantel 16 übergetretenem Verlustlicht 22 auf. Auf diese Weise ist die Hohlkernfaser 100 dazu eingerichtet, aus dem mikrostrukturierten Hohlkern 12 in die Fasermäntel 16, 28 eingekoppeltes Laserlicht durch Wellenleitung bis an das Ausgangsende 26 der mikrostrukturierten Hohlkernfaser 100 zu leiten und das Verlustlicht 22 dort aus den Fasermänteln 16, 28 austreten zu lassen.

Das längs der Hohlkernfaser 100 in den Fasermänteln 16, 28 propagierende Verlustlicht 22 kann alternativ oder ergänzend zu einer kontrollierten Auskopplung an dem Ausgangsende 26 der Hohlkernfaser 100 auch durch seitlich an der Hohlkernfaser 100 angebrachte mode stripper kontrolliert aus den Fasermänteln 16, 18 ausgekoppelt werden. Solche mode stripper können zum Beispiel als lokale Vorsprünge oder Einschnitte in den Verlustleistung 22 führenden Fasermänteln 16, 28 verwirklicht sein. Solche Vorsprünge oder Einschnitte weisen Grenzflächen auf, die so orientiert sind, dass dort auftreffendes Verlustlicht 22 keine interne Totalreflexion erfährt, sondern kontrolliert radial umgelenkt und damit kontrolliert seitlich aus der Hohlkernfaser 100 ausgekoppelt wird.

Ein oder mehrere mode stripper können zwischen dem Eingangsende 24 und dem Ausgangsende 26 angeordnet sein und auf diese Weise aus dem mikrostrukturierten Hohlkern 12 in die Fasermäntel 16, 28 und/oder den Schutzmantel 18 eingekoppeltes Verlustlicht 22 quer zur Längserstreckung dieser Mäntel aus diesen Mänteln auskoppeln.

Eine weitere mögliche Ausführungsvariante ist der zusätzliche oder alternative Einsatz eines sogenannten „Airclad" zwischen dem innersten Fasermantel 16 und dem weiteren Fasermantel 28 bzw. weiteren optionalen Fasermänteln .

Das in den Figuren 3 und 4 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Hohlleiters weist zusätzlich zu dem radial innersten Fasermantel 16 zwei weitere Fasermäntel 28 und 18 auf. Der radial am weitesten außen liegende weitere Fasermantel 18 ist bevorzugt ein Schutzmantel und umgibt den anderen weiteren Fasermantel 28 konzentrisch. Der weitere Fasermantel 28 umgibt den innersten Fasermantels 16 konzentrisch .

Wenigstens einer der Brechungsindices der wenigstens zwei weiteren Fasermäntel 18, 28 ist kleiner als der Brechungsindex des innersten Fasermantels 16.

Der Brechungsindex eines von den zwei weiteren Fasermänteln, der den anderen der zwei weiteren Fasermäntel ummantelt, ist kleiner als der Brechungsindex des ummantelten weiteren Fasermantels, hier des weiteren Fasermantels 28. Der ummantelnde weitere Fasermantel ist hier der Fasermantel 18.

In einer Ausgestaltung mit nur einem weiteren Fasermantel kann dieser gleichzeitig der Schutzmantel sein. So kann dieser Schutzmantel in Silikon ausgeführt sein und damit auch das austretende Laserlicht durch interne Totalreflexionen im ersten Fasermantel führen. Ein solches Ausführungsbeispiel geht zum Beispiel aus dem Ausführungsbeispiel der Figuren 3 und 4 durch Weglassen des sich radial am weitesten außen erstreckenden Fasermantels 18 hervor.

Wenn von drei konzentrisch angeordneten Fasermänteln 16, 28, 18 der sich radial zwischen dem innersten und dem äußersten Fasermantel erstreckende mittlere Fasermantel einen kleineren Brechungsindex aufweist als der innerste Fasermantel, muss der sich am weitesten außen erstreckende Fasermantel nicht notwendigerweise auch einen kleinen Berechnungsindex aufweisen, da das Laserlicht schon durch den mittleren Fasermantel im innersten Fasermantel geführt wird. Es würde auch ausreichen, wenn nur einer der beiden weiteren Fasermäntel einen kleineren Brechungsindex aufweist als der radial innerste Fasermantel, um das Laserlicht durch interne Totalreflexionen innerhalb der Anordnung zu führen.