CN114072710B - 光波导 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光波导，该光波导包括两根或更多根导光芯(1a‑1e)并且包括围绕芯(1a‑1e)的第一包层(2)，导光芯(1a‑1e)以彼此平行且彼此相距一定距离的方式沿着所述光波导的纵向范围从光波导的一端连续地延伸至另一端。本发明解决的问题是提供一种与现有技术相比降低***复杂性的用于高功率操作的多芯光波导。根据本发明，借助于芯(1a‑1e)来解决这个问题，芯(1a‑1e)相对于彼此布置并且彼此间隔开，使得在光波导中以工作波长传播的光的传播模式彼此耦合，其中，选择光波导的长度，使得在光波导的一端处耦合进入芯(1a‑1e)中的仅单根芯中的光输入在传播穿过光波导的过程中初始地扩散到其他芯(1a‑1e)，并且，在穿过光波导之后，光以在光波导中传播的总光功率的至少60％、优选地至少75％的光功率在另一端从单根芯(1a)再次离开该光波导。此外，本发明涉及一种包括这种光波导(如光学放大器)的激光***，并且涉及一种用于在光波导中引导光的方法。

Description

光波导
技术领域
本发明涉及一种光波导，该光波导具有两根或更多根导光芯，并且具有包围这些芯的第一包层，这些导光芯彼此平行并且彼此间隔开地沿着该光波导的纵向延伸从该光波导的一端到另一端连续地延伸。本发明还涉及一种激光***，该激光***具有激光源和与该激光源耦接的光学放大器。该方法进一步涉及用于在光波导中引导光的方法。
背景技术
在不同的实施例中，从现有技术中已知(经常由石英玻璃或塑料制成的光纤的形式的)光波导。光波导是用于传输光的线路。已知的光波导是由同心层组成的电介质波导。中心是导光芯，该导光芯由折射率比芯低的包层包围。在商业光波导中，还提供了由围绕包层的塑料制成的保护层。根据应用，芯具有几微米至超过一毫米的直径。光波导尤其根据能够传播的光的电磁辐射的模式的数量来区分，这受到芯直径(单模/多模光纤)的限制。
光纤激光器的最近发展已经导致光波导作为高功率激光器中的活性介质提供了可靠的概念。低能激光器发展成用于工业应用的高功率激光器是基于光波导处理高功率的能力。表面积与有效体积的非常好的比率允许热量被有效地消散。这是高功率操作的优越基础。然而，光波导中的条件导致各种问题。例如，将光信号限制在光波导的芯导致高光强度以及光波导的材料与光信号之间的相互作用。这还尤其引起难以控制的非线性效应。因此，信号质量严重受损。
光波导应因此被设计成使得非线性效应和与光纤材料的相互作用减少。减少非线性效应的最简单且最有效的方式是通过增加芯的直径。一方面，这降低了芯中的光的强度，另一方面，例如在双包层光波导中，可以增加泵浦光的吸收。由于泵浦光的吸收增强，可以使光波导更短，从而可以进一步减少非线性效应。
然而，已经示出，用于优化光波导以进行高功率操作的这些措施不能防止在高功率下的模式不稳定性的发生。此时，一旦超过某个功率阈值，光波导或由光波导制成的光纤激光器的输出信号就变得不稳定。能量从基本模式转移到高阶模式。在光波导中传播的辐射的光束分布(该光束分布起初例如是稳定高斯的)开始改变，并且由于基本模式与一个或更多个高阶模式的瞬时可变叠加，光束分布随时间波动。这些波动的时间响应可以是确定性的，或者取决于传播辐射的功率，也可以是随机的或无序的。已知，模式不稳定性是基于光波导内部由于模式干涉而产生的空间温度变化。这导致光波导的材料中的辐射的空间和时间可变的吸收。由于热光学效应，这对光引导具有直接影响。由于模式干涉而获得的光波导的空间温度分布导致折射率分布的晶格结构，其促进传播辐射的各种模式之间的能量转移。
为了克服现有限制并且(例如，在用于材料处理的激光***中)增加可以实现的光功率，从现有技术中已知的是(参见例如：DE 10 2014 001 252 A1)使用空间分开的光学放大器、光谱拓宽元件或者甚至仅传输通道，其中，通过分束器将输入光束分成多个子光束。子光束在多个空间分开的、独立光学元件/通道中被放大、光谱拓宽或传输，并最终再次组合成输出光束。在此必须在组合具有相同光谱的信号与组合具有不同光谱的信号之间进行区分。在光谱相同组合的情况下，相同光谱分量在不同通道中传播；在分束器处仅发生功率的分离。然而，在光谱组合的情况下，存在输入信号的附加光谱分离。两种方法的组合是可能的。
在上述辐射分离和重新组合的方法中，独立通道可由多芯光纤的各根芯形成，每根芯引导子光束，在多芯光纤中，芯被共同包层(泵浦光可以耦合进入该包层中以用于光学放大)围绕。已知的是，在这种类型的多芯光纤中，超出其模式不稳定性和非线性效应发生的阈值近似地与芯的数量成比例。辐射在各个芯上的分离以及辐射在其已经穿过多芯光纤之后的重新组合在此借助于合适的光学组件(分束器)在多芯光纤外部发生。
在子光束的重新组合中，各个光束的时间相位位置具有根本的重要性并且必须在子波长范围内一致。偏差导致组合效率的降低。为了实现这一点，需要相位位置的积极稳定。为此目的，分配给各个通道的相位匹配元件通常在光束方向上设置多芯光纤的上游或下游，其影响相关子光束中的辐射的相位。这些允许消除各个信道中发生的不同相移，以便允许子光束在输出光束中的同相叠加。为此，使用控制回路，其中子光束中的辐射的相位是操纵变量。通过合适的装置检测的输出光束的特性(例如，平均功率、脉冲峰值功率)是受控变量。以这种方式，可以自动消除各个信道中的相移。
在多芯波导中进行光束分离和重新组合的先前已知的方法是非常复杂的并且因此在实践中是昂贵的。其原因是具有外部光学组件的***的复杂性；外部光学组件为与光纤分开布置的组件以及用于必要相位匹配控制***和稳定化的必要传感器、控制器和调整元件；与光纤分开布置的组件用于在各个芯上分离辐射且在辐射已穿过多芯光纤之后重新组合辐射。
发明内容
在此背景下，本发明的目的是提供一种用于高功率操作的多芯光波导，该多芯光波导与现有技术相比具有降低的***复杂度。
这个目的通过本发明实现，从上述类型的光波导开始，其中，芯相对于彼此布置并且彼此间隔开，使得在该光波导中以工作波长传播的光的传播模式彼此耦合；该光波导的长度被选择为使得在光波导的一端处耦合进入这些芯中的单根芯中的光在传播通过光波导时首先扩散到其他芯，并且，在穿过该光波导之后，光以在该光波导中传播的总光功率的至少60％、优选地至少75％的光功率在另一端从单根芯再次离开该光波导。
本发明偏离所引用的现有技术，其中，多芯光纤的仔细相互屏蔽的芯引导子光束。在设计用于高功率应用的本发明的光波导中，芯布置并且间隔开，使得它们彼此相互作用，即，使得它们耦合。光波导的芯之间的定向的耦合允许最初仅耦合进入这些芯中的单根芯中的光扩散到其他芯。这对应于常规***中的光束分离。然后，光返回到单根芯，例如，返回到光耦合进入其中的原始芯。这对应于在常规***中的重新组合。因此，在光波导的一端，光被耦合进入一根芯中，然后由于传播模式的相互耦合而在特定传播路径上扩散到其他芯中，以在另一条传播路径之后返回到单根芯，例如，原始芯。以此方式，当光沿着所述光波导扩散时，该光在光波导的横截面上生成的强度图案周期性地改变，并且根据该传播路径，该强度图案首先涉及一根芯，然后涉及多根芯，然后再次涉及一根芯。该循环可以沿着光波导重复多次。本发明的主要特征在于光在光波导的输入处被耦合进入单根芯中，并且大部分光功率(至少60％)在输出处再次从单根芯离开光波导。
光在芯(特别是原始芯)中的特定传播路径之后的自动重新组合的原因是塔尔博特效应(Talbot effect)。该效应确保连续穿过整个光导的芯布置在光波导的输入端处的周期结构，以那里获得的光强度分布被成像在沿光波导以特定周期间隔定位的光波导的横截面平面中。此图像沿着光波导的周期性取决于芯彼此远离的距离(即，输入侧结构的周期长度)和芯的折射率。因此，光波导的长度可以根据芯的布置和间距以及折射率条件以定向的方式选择，使得在光波导的输出处，光再次(几乎)完全耦合回到单根芯中，优选地，回到光在光波导的输入处起初耦合进入的相同芯中。
根据本发明，通过传播模式的耦合而将光辐射分离成子光束自动地发生，如重新组合一样。因此，与现有技术相反，对于光束分离和光束组合，不需要分开的组件。还可以分配具有用于稳定重新组合的相位设置的控制***。因此，与现有技术相比，采用根据本发明的光波导的激光***显著地减少复杂性并且较不易出错。
同时，当使用根据本发明的光波导时，整个光功率被分布在多根芯上，从而避免了非线性效应，并且由于热负荷被分布在多根芯上，超过其发生模不稳定性的功率阈值被提高。因此，光波导非常合适于高功率应用，例如，在激光辅助材料加工中的高功率应用。根据本发明的光波导表现得像具有较大芯直径的单根芯光波导，并且可以在应用中如此处理。例如，利用五根芯可以实现对应的单根芯光波导的芯直径的两倍至三倍的有效芯直径。
塔尔博特效应的周期性取决于光的波长。为此，就光波导的长度以及芯的布置和折射率分布而言，光波导应当被设计用于特定工作波长。在本发明的含义内，“工作波长”是指平均波长值而不是单个波长值。围绕该值，根据本发明的光波导的原理以对于大多数应用而言适当的光谱带宽工作。对于宽波长光谱，满足大于60％或甚至大于75％的功率从一根芯离开光波导的要求。
根据本发明的光波导方便地在形成第一包层的区域中比在形成芯的区域中具有更低的折射率。这对应于光波导的常规设计。折射率的差异确保光在各根芯区域中被引导。在此已经证明有利的是芯具有彼此(略微)不同的折射率。特别有利的实施例是：其中，负责将光耦合进和耦合出的中心芯具有与围绕该中心芯的其他芯不同的折射率，由于耦合，光扩散到其他芯中。
原理上，根据本发明的光波导可以形成为阶跃折射率光纤。然而，不同实现方式(例如，作为光子晶体光纤)也是可能的。
在优选实施例中，形成芯的区域中的折射率(即，如在光波导的横截面中看到的折射率分布)沿着光波导的纵向延伸变化，具体地随着传播距离的作用，优选地对于每根芯具有不同的分布。例如，光耦合进入光波导中的一根芯的折射率最初可以随着增加的传播距离(连续地)升高(或降低)，而其他芯中的折射率保持恒定。这使得在耦合进入一根芯中的光扩散到其他芯之后，芯的相互耦合可以中止在长的传播距离上，使得光不能在光波导的道路上再次回到一根芯中。一根芯仅在波导的端部再次获得其原始折射率值，使得光被耦合回到该芯中，并最终从该芯再次离开光波导。
为了将根据本发明的光波导用作光学放大器，例如，用在MOPA激光***(“主振荡功率放大器”)中，在优选的实施例中，光波导可具有包围第一包层的第二包层，如在光波导的横截面中所看到的，光波导在形成第二包层的区域中比在第一包层的区域中具有更低的折射率。在该实施例中，泵浦光源可以与光波导的所有芯共享的第一包层光学耦合。然后在第一包层中引导泵浦光。光波导中的光学放大可以例如通过芯区域中的非线性效应(例如，受激拉曼散射(stimulated Raman scattering))或通过受激发射发生，为此目的，芯方便地掺杂有稀土离子。由激光光源发射的辐射在根据本发明的光波导的一端处耦合进入一根芯中，穿过光学泵浦光波导，强度分布以周期性变化的方式分布在其他芯上，如上所述，使得所有芯参与激光辐射的引导和放大，即，换言之，在放大操作期间，将激光辐射分布在所有芯上。在光波导的另一端，利用塔尔博特效应，放大的辐射再次以在光波导中生成的总功率的至少60％被耦合出一根芯。
在优选实施例中，该光波导的至少一根芯掺杂有稀土离子。在可能的实施例中，所有的芯都被掺杂。然而，特别优选的是其中至少一根芯不掺杂有稀土离子的实施例，即是无源(passive)的。优选地，除了光耦合进入其中并且光再次从其离开光波导的芯之外的所有芯都掺杂有稀土离子。因此，放大仅在其他芯中发生，光在耦合进入一根芯之后扩散到其他芯中。例如，在光波导的横截面看时，在中心布置并且由其他(有源(active))芯围绕的无源芯仅仅用于将光耦合进和耦合出，并且不参与放大。
然而，根据本发明的光波导不仅适合作为光学放大器，而且在没有光学泵浦的情况下，适合作为简单的传输光纤或作为光谱加宽光纤，其中在芯中的非线性效应(例如，自相位调制)在一定程度上被允许并且甚至是所希望的。
在进一步优选实施例中，提供了中心芯，该中心芯如在该光波导的横截面中所看到的被居中地布置，该中心芯方便地用于将光耦合进和耦合出。中心芯由至少四根另外的芯以十字形布置围绕。因此，获得在横截面上周期性的芯的布置，这对于利用塔尔博特效应是有利的。如果中心芯被以一个或更多个同心圆形布置的其他芯围绕，则获得替代的周期性布置。
芯具有相同或不同的直径和/或折射率分布的实施例是可能的。
具有圆形横截面的实施例对于生产该光波导是有利的，例如，作为光纤。原理上，除了芯的布置和间隔之外，光纤可关于工作波长而像常规多芯光纤那样设计。
本发明还提供一种用于在光波导中引导光的方法，该光波导具有两根或更多根导光芯，以及包围这些芯的第一包层，该两根或更多根导光芯彼此平行并且彼此间隔开地沿着该光波导的纵向延伸来延伸。根据本发明，光在光波导的一端处被耦合进入这些芯中的仅一根芯中，芯相对于彼此布置并且彼此间隔开，使得在该光波导中以工作波长传播的光的传播模式彼此耦合，并且光从该一根芯扩散到其他芯中，该光波导的长度被选择为使得利用塔尔博特效应，在光穿过该光波导之后，该光以在光波导中传播的总光功率的至少60％，优选至少75％的光功率在另一端从仅一根芯再次离开该光波导。
附图说明
下面将参考附图更详细地解释本发明的示例性实施例，这些附图示出了以下各项：
图1：a)具有十字形布置的五根芯的根据本发明的光波导的横截面；
b)在光波导中传播的光的功率分布根据传播距离的变化；
图2：具有不同芯布置的光波导的各种实施例的截面图；
图3：具有根据本发明的光波导作为光学放大器的MOPA激光***的示意图。
具体实施方式
图1a以横截面图示示出了根据本发明的光波导。光波导具有五根导光芯1a、1b、1c、1d、1e和第一包层2，每根导光芯1a、1b、1c、1d、1e彼此平行且彼此间隔开地沿着光波导的纵向延伸(即，垂直于附图的平面)从光波导的一端连续地延伸到另一端；第一包层2共同包围芯1a-1e。芯1b-1e以十字形围绕中心芯1a布置。光波导在形成第一包层2的区域中比在形成芯1a-1e的区域中具有更低的折射率。此外，设置第二包层3，第二包层3包围充当泵浦包层的第一包层2，光波导在形成第二包层的区域3中比在第一包层2的区域中具有更低的折射率。被配置为光纤的光波导的基质材料可以是例如石英玻璃。
根据本发明，工作波长的光耦合进入相同配置的芯1a-1e的仅一根中，并且具体地耦合进入中心芯1a中。根据芯1a-1e的(根据尺寸、间距和导向特性的)配置以及光波导的长度，最初耦合进入芯1a中的光的传播模式在中心芯1a与围绕芯1b-1e之间来回耦合一次或更多次，使得光波导中的光在分开的通道1a-1e中被引导为长距离上的子光束。通过选择光波导的适当长度来实现在光波导的端部处的一根芯1a中的子光束的期望的重新组合。在基于塔尔博特效应的周期性传播间隔之后满足该条件。
在图1b中示出了这种周期性行为。这五个图用图1a的布置的五根芯的参考符号1a-1e标记，并且示出了在对应芯1a-1e中传播的光的光功率P根据传播距离D的变化。在示例性实施例中，光波导充当光学放大器，使得最大功率在传播距离D上增加。功率P仅在光耦合进入的芯1a中以非零值开始(从图中的左侧)。然后，强度P在五根芯1a-1e内的振荡根据传播距离变化，并且具体地在芯1b-1e中具有与芯1a相反的相位，这表明光在传播期间在通道1a-1e之间来回转移，即，分离并重新组合多次。光波导的长度被选择为使得光功率P在光波导的输出处在芯1a中处于其最大值并且在其他芯1b-1e中处于其最小值(在图中的右侧)。因此，光以功率的大部分(大于75％)从中心芯1a离开光波导。
图2示出了根据本发明的光波导中的芯的各种可能的布置。在图2a中，芯1的数量大于图1中的芯的数量。然而，保持了十字形状。在图2b中，芯1具有不同的直径。在图2c中，再次选择根据图2a的十字形状，芯1具有对称布置的不同直径。在图2d中，中心芯1a被环形形状的其他芯围绕，并且在图2e中被具有不同半径的两个同心环围绕。
在图3中，以剖面侧视图示意性地示出了集成到激光***中的光波导。来自激光光源4(例如，常规的脉冲光纤激光器)的辐射耦合进入中心芯1a中。光波导的包层2耦合至泵浦光源5(例如，常规的二极管激光器)。芯1a-1e掺杂有稀土离子。其中泵浦光被耦合进入芯(1a-1e)中的至少一些芯中的芯泵浦操作也是可能的。如图3中通过沿着光波导的纵向延伸的不同阴影所示，在光波导中，来自附图中左侧的功率在中心芯1a与其他芯1b-1e之间分布。选择光波导的长度L，使得从光波导的中间到右边的输出端，利用塔尔博特效应，光功率耦合回到中心芯1a中，在中心芯1a中，放大的光离开光波导。因此，在光通过光波导的传播期间，所有的光功率分布在芯1a-1e上，从而避免非线性效应，并且由于热负荷分布在所有芯1a-1e上，因此避免了模式不稳定性。光波导因此适合于高功率和超高功率应用。根据本发明的光波导可以像具有较大芯直径的单芯光波导一样使用。不需要用于分离和组合光束的复杂光学布置，或用于稳定子光束的相位的控制布置。

Claims (10)

1.一种光波导，所述光波导具有两根或更多根导光芯(1a-1e)以及包围所述芯(1a-1e)的第一包层(2)，所述两根或更多根导光芯(1a-1e)彼此平行并且彼此间隔开地沿着所述光波导的纵向延伸连续地延伸，其特征在于，
所述芯(1a-1e)相对于彼此布置并且彼此间隔开，使得在所述光波导中以工作波长传播的光的传播模式彼此耦合，所述光波导的长度被选择为使得在所述光波导的一端处耦合进入所述芯(1a-1e)中的单根芯中的所述光在传播穿过所述光波导的过程中首先扩散到其他芯(1b-1e)上，并且，在穿过所述光波导之后，光以在所述光波导中传播的总光功率的至少60％在另一端处从单根芯(1a)再次离开所述光波导；
所述芯(1a-1e)中的单根芯不掺杂有稀土离子，所述芯(1a-1e)中的其他芯掺杂有稀土离子；
当光在所述芯(1a-1e)之间来回耦合时，不掺杂稀土离子的单根芯和掺杂稀土离子的其他芯的光功率在传播距离上振荡；所述光波导的长度使得不掺杂稀土离子的单根芯中的光强度在所述光波导的输出处是最大值，光以功率的大部分从不掺杂稀土离子的单根芯中离开所述光波导。
2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光波导在形成所述第一包层(2)的区域中比在形成所述芯(1a-1e)的区域中具有更低的折射率。
3.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于，形成所述光波导的所述芯(1a-1e)的区域具有彼此不同的折射率。
4.根据权利要求1到3中的一项所述的光波导，其特征在于，在形成所述芯中的至少一个的区域内，折射率根据所述传播距离沿着所述光波导的纵向延伸变化。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的光波导，其特征在于，在所述光波导的横截面中，第二包层(3)包围所述第一包层(2)，其中，所述光波导在形成所述第二包层的区域中比在所述第一包层(2)的区域中具有更低的折射率。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的光波导，其特征在于，在所述光波导的横截面中，在中心布置单根芯(1a)，所述单根芯(1a)由十字形设置的至少四根其他芯(1b-1e)围绕。
7.根据权利要求1至6中的一项所述的光波导，其特征在于，在所述光波导的横截面中，在中心布置单根芯(1a)，所述单根芯(1a)由相对于所述单根芯(1a)同心的环形布置的其他芯(1b-1e)围绕。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的光波导，其特征在于，所述芯(1a-1e)具有相同或不同的直径和/或相同或不同的折射率分布。
9.一种激光***，所述激光***具有激光源(4)以及与所述激光源耦合的光学放大器，其特征在于，所述光学放大器由根据权利要求1至8中的一项所述的光波导形成，其中，所述光波导与泵浦光源(5)光学耦合。
10.一种用于在光波导中引导光的方法，所述光波导具有两根或更多根导光芯(1a-1e)，所述两根或更多根导光芯(1a-1e)彼此平行且彼此间隔开地沿着所述光波导的纵向延伸，从所述光波导的一端到另一端连续地延伸，并且所述光波导具有包围所述芯(1a-1e)的第一包层(2)，其特征在于，
所述光在所述光波导的一端处被耦合进入单根芯(1a)中，所述芯(1a-1e)相对于彼此布置并且彼此间隔开，使得在所述光波导中以工作波长传播的光的传播模式彼此耦合，并且光最初从单根芯(1a)扩散到其他芯(1b-1e)中，所述光波导的长度被选择为使得利用塔尔博特效应，在所述光穿过所述光波导之后，所述光以在所述光波导中传播的总光功率的至少60％在另一端从单根芯(1a)再次离开所述光波导；
所述单根芯(1a)不掺杂有稀土离子，所述其他芯(1b-1e)掺杂有稀土离子；
当光在所述芯(1a-1e)之间来回耦合时，不掺杂稀土离子的单根芯(1a)和掺杂稀土离子的其他芯(1b-1e)的光功率在传播距离上振荡；所述光波导的长度使得不掺杂稀土离子的单根芯(1a)中的光强度在所述光波导的输出处是最大值，光以功率的大部分从不掺杂稀土离子的单根芯(1a)中离开所述光波导。
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