將泵浦光耦合到纖維中的設(shè)備及制造這種設(shè)備的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種將栗浦光從側(cè)向耦合到纖維中的設(shè)備。該設(shè)備具有纖維和至少一 個光耦合裝置，該纖維在縱向上延伸并且具有待栗出的、光學(xué)活性的介質(zhì)，該纖維具有大約 以縱向延伸的側(cè)壁，該光耦合裝置至少區(qū)段性地以平行于纖維、沿著側(cè)壁的方式而延伸。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常通過使栗浦光經(jīng)光學(xué)活性的纖維的棱邊而射入到纖維內(nèi)來使纖維激光器或 者光纖放大器光學(xué)地栗送。為此必須將栗浦光這樣對準(zhǔn)或聚焦到纖維的棱邊上，即，使栗浦 光進(jìn)入到纖維的栗芯內(nèi)（內(nèi)皮)并且在纖維的由栗芯（內(nèi)皮)包圍的光學(xué)活性的信號核心內(nèi) 產(chǎn)生布居數(shù)反轉(zhuǎn)(Besetzungsinversion)。然而由于栗芯較小的橫截面積，栗浦光通過纖維 的棱邊的耦合是困難的，該耦合需要對栗浦光束的精確調(diào)整。此外，這會導(dǎo)致在耦合區(qū)域內(nèi) 過高的場強(qiáng)度，這個場強(qiáng)度會損害纖維。此外，因?yàn)槔跗止獗仨氝m合地重疊，由此不同的準(zhǔn) 備可能是必要的，例如不同光束偏振或者不同波長的重疊，由此使得通過纖維的棱邊的耦 合變得困難。此外通過經(jīng)由棱邊的耦合而在纖維中產(chǎn)生了非常不均勻的栗浦光分布。
[0003] 光學(xué)纖維通常具有圓形橫截面。然而也存在具有至少一個平面的側(cè)壁的纖維或者 具有"平面部分(Flat)"的纖維，例如具有八角形橫截面的或類似的橫截面的纖維。在本發(fā) 明的意義上纖維包括具有不同橫截面形狀的纖維。
[0004] 由于所述這些問題而已經(jīng)建議，使栗浦光從側(cè)面耦合到纖維內(nèi)。在專利文件DE 10 2011 103 286中描述了將栗浦光橫向耦合到纖維內(nèi)，其中栗浦光束通過在橢圓形栗室內(nèi)的 重新聚焦而垂直地射到纖維上。這是針對于閃光燈栗出的固體激光的現(xiàn)有技術(shù)。然而，就此 耦合效率通常卻并不令人滿意。
[0005] 根據(jù)專利文件US 6,477,295,通過使栗浦光首先射入到包圍住脫去皮的纖維的玻 璃管，由此橫向耦合到纖維內(nèi)，其中該玻璃管的折射指數(shù)與纖維護(hù)套的折射指數(shù)匹配(參見 圖8和圖10)。由于玻璃管的較大表面而避免了在栗浦光通過纖維棱邊耦合的情況下可能發(fā) 生的玻璃-空氣界面處的高場強(qiáng)，并且提高了栗浦裝置的損壞閾值。另一方面，這種類型的 耦合導(dǎo)致了在光學(xué)纖維的栗芯內(nèi)不均勻的栗浦光分布。這對于在纖維的彎曲處的耦合而言 也一樣(參見圖6)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于所描述的問題，本發(fā)明的目的在于，提高栗浦光橫向耦合入光學(xué)活性的纖維 的情況下的耦合效率并且避免栗浦光損失。
[0007]該目的通過對于已知的栗浦模式的擴(kuò)展而實(shí)現(xiàn)，該擴(kuò)展的主要特征在于，光耦合 裝置為光波導(dǎo)，該光波導(dǎo)這樣光學(xué)耦合到纖維，即，在光波導(dǎo)中傳導(dǎo)的栗浦光特別能夠借助 于模式串?dāng)_和/或通過消逝場的重疊而通過側(cè)壁耦合到纖維中。
[0008]這引起了經(jīng)所及的活化部分區(qū)段的長度而對于光學(xué)活性的介質(zhì)或者對于激光活 性的物質(zhì)的均勻活化，并且促成了所射入栗浦光的較高的效率。
[0009] 換言之，沿著纖維側(cè)壁并且平行于該側(cè)壁延伸的光耦合裝置與纖維一樣自身為波 導(dǎo)，該波導(dǎo)設(shè)置用于在纖維的縱向上的光模式的傳播。纖維與光耦合裝置之間的過渡根據(jù) 本發(fā)明而這樣設(shè)計(jì)，即，使得在光耦合裝置內(nèi)傳導(dǎo)的栗浦光通過模式的串?dāng)_或者通過消逝 場的重疊而進(jìn)入到纖維內(nèi)并且引起了纖維的信號芯內(nèi)的布居數(shù)反轉(zhuǎn)。以這種方式，從光導(dǎo) 管內(nèi)傳導(dǎo)的模式上抽走光子并用于纖維芯內(nèi)的光學(xué)活性的介質(zhì)的激發(fā)。
[0010] 本發(fā)明基于的認(rèn)識在于，通過使光親合裝置自身為波導(dǎo)，在該波導(dǎo)內(nèi)栗浦光由于 全反射而能夠?qū)嶋H上并無損失地傳導(dǎo)到分界面，同時通過纖維在光耦合裝置上光學(xué)耦合的 側(cè)壁而實(shí)現(xiàn)栗浦光有效率地耦合，由此避免了栗浦光的損失。另外，光耦合裝置能夠這樣設(shè) 置，即，使該光耦合裝置能夠有效地從栗浦激光或其他光源接收栗浦光束，其中栗浦光束隨 后能夠?qū)嶋H上并無損失地耦合到纖維中。
[0011]由于波導(dǎo)到纖維側(cè)壁的光學(xué)耦合，能夠這樣改變由波導(dǎo)支持的模結(jié)構(gòu)或者模結(jié)構(gòu) 這樣具有在纖維方向上推移的橫截面內(nèi)的強(qiáng)度變化（11^6118；^36七8口1'0；^1)，8卩，使得波導(dǎo) 的泄漏模式和/或照射模式特別有效地耦合到纖維中。替代性地或額外地能夠這樣設(shè)計(jì)波 導(dǎo)并且將其耦合到纖維的側(cè)壁上，即，使得在纖維以及波導(dǎo)中同時傳播的超模式的傳導(dǎo)成 為可能。在這些超模式以縱向傳播期間通過在信號芯內(nèi)產(chǎn)生布居數(shù)反轉(zhuǎn)從這些超模式上抽 取光子并且將這些光子引入到信號芯的激光模式中。
[0012] 波導(dǎo)在側(cè)壁上的"光耦合"并不意味著必須將波導(dǎo)實(shí)體地貼靠在纖維的側(cè)壁上。而 是，在有(較?。╅g隔空間的情況下也能夠例如通過消逝場實(shí)現(xiàn)栗浦光的耦合。然而優(yōu)選地， 波導(dǎo)的側(cè)壁與外部分界面至少區(qū)段性地直接接觸。波導(dǎo)能夠在其設(shè)計(jì)、其尺寸、材料特性、 表面結(jié)構(gòu)等方面這樣匹配于纖維，即，使得實(shí)現(xiàn)特別有效地從波導(dǎo)中傳播的模式串?dāng)_到纖 維中。
[0013] 波導(dǎo)優(yōu)選地經(jīng)過較長的路徑區(qū)段在纖維旁側(cè)以縱向延伸，其中路徑區(qū)段在其尺寸 方面能這樣匹配，即，使得實(shí)際上在波導(dǎo)內(nèi)傳播的全部的栗浦光在纖維的信號芯內(nèi)轉(zhuǎn)換為 激光。光導(dǎo)體在縱向上的尺寸優(yōu)選地大于纖維的直徑的5倍，特別優(yōu)選大于纖維直徑的10 倍，特別優(yōu)選大于纖維直徑的20或者更多倍。
[0014] 在一種特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，光波導(dǎo)是具有至少一個平面的外部分界面的波 導(dǎo)，例如脊峰波導(dǎo)或者具有平面部分的光纖。光波導(dǎo)也能夠替代性地是具有圓形橫截面或 橢圓形橫截面的光學(xué)纖維。在波導(dǎo)平面的外部分界面的情況下能夠特別有效地通過這個平 面的表面將栗浦光源的栗浦光耦合到波導(dǎo)中并且通過面向纖維的側(cè)壁的其他外部分界面 進(jìn)一步將該栗浦光耦合到纖維中。這個其他外部分界面也能夠是平面的，從而提高到纖維 中的耦合效率。
[0015] 脊峰波導(dǎo)能夠低成本地制造并且由于其中形成的模結(jié)構(gòu)而特別適合作為耦合到 纖維中的耦合裝置，特別是耦合到具有至少一個平面?zhèn)缺诘睦w維，例如具有平面部分的纖 維。
[0016] 優(yōu)選地，波導(dǎo)的直徑基本與纖維的直徑相應(yīng)。特別優(yōu)選地，纖維的直徑與波導(dǎo)的直 徑大于200μπι并且小于ΙΟΟΟμπι，特別是大于300μπι并且小于500μπι，例如約400μπι。纖維的信號 芯能夠具有IOym至100μπι之間的、特別是約50μπι的直徑。替代性地，纖維能夠是具有特別大 的芯直徑的纖維，例如具有大于1 〇〇μπι并小于300μπι的、特別是約150μπι的芯直徑的纖維。也 能夠考慮具有特別小的芯直徑的(例如<1〇μπι的芯直徑的)單模式纖維。
[0017] 纖維的側(cè)壁能夠貼靠在光波導(dǎo)的外部分界面。這引起了特別明顯的模式串?dāng)_ (Mode Crosstalk)。替代性地或額外地，纖維的側(cè)壁與光波導(dǎo)面向該側(cè)壁的外部分界面之 間的間隔也能夠利用優(yōu)選折射指數(shù)匹配的、透光的介質(zhì)來填充，例如SmartGel?(或者利 用其他透光的、含聚合物的介質(zhì)來填充）。由此能夠進(jìn)一步改善到纖維中的耦合效率。
[0018] 在一種特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，纖維的側(cè)壁接觸波導(dǎo)的外部分界面，其中在側(cè)壁 與外部分界面之間，利用折射指數(shù)匹配的介質(zhì)來填充由于纖維的外部彎曲而留有的間隔空 間。該介質(zhì)能夠以凝膠狀的形式引入到間隔空間中并且隨后硬化。當(dāng)該介質(zhì)具有與纖維護(hù) 套和/或與波導(dǎo)大致相同的折射指數(shù)時，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)與纖維之間的模式的較好串?dāng)_。
[0019] 通過光學(xué)纖維的側(cè)壁來進(jìn)行栗浦光耦合，該側(cè)壁能夠是平面的。換言之，該光學(xué)纖 維具有至少一個平面部分。
[0020] 當(dāng)光波導(dǎo)面向纖維的側(cè)壁的外部分界面是結(jié)構(gòu)化的，能夠進(jìn)一步改善耦合到纖維 中的耦合效率。特別是能夠?qū)⒎日{(diào)制寫入到波導(dǎo)的外部分界面中，該分界面根據(jù)"blazed gratings"（閃耀光柵)的種類能夠具有波狀的、齒狀的和/或鋸齒狀的橫截面輪廓。該調(diào)制 能夠在光波導(dǎo)的制造過程中通過激光消融而寫入到光波導(dǎo)的壁部中或者在光波導(dǎo)的制造 過程中在溶膠凝膠法(Sol-Gel-Prozesse)中通過有針對性的模壓而引入。調(diào)制的周期性能 夠根據(jù)栗浦光的波長來調(diào)整。
[0021] 此外，纖維和/或光波導(dǎo)能夠具有折射指數(shù)調(diào)制，通過該調(diào)制提高了到纖維中的耦 合效率（由Volume Bragg Gratings(體積式布拉格光概)或Tilted Fiber Bragg Gratings (傾斜布拉格光纖光柵)生成）。折射指數(shù)的調(diào)制能夠以專業(yè)人員已知的種類和方法借助于 UV光束來寫入。
[0022]鑒于高的栗浦光束密度方面對于避免形成所謂的熱點(diǎn)(Hot-Spots)而言已證實(shí)為 有意義的是，在纖維彼