Integrierte Mantelmodenabstreifer als Konfektionierungsoption zur Verbesserung der Strahlqualität und Genauigkeit Ihrer optischen Messungen

Eine Verringerung der unerwünschten Störsignale im Cladding resultiert in weniger Ausfallzeiten und einer deutlichen Verbesserung der Messgenauigkeit in der optischen Messtechnik. In den u.g. Anwendungsbeispielen für Faser- und Diodenlaser, Combiner und Spleißverbindungen, in der Materialbearbeitung, 3D-Druck und Spektroskopie, stellen wir Ihnen kurz die resultierenden Vorteile von integrierten Mantelmodenabstreifern vor.

Bei der Einkopplung von Licht in optische Fasern treten oft unerwünschte Störsignale im Cladding auf, die durch Hitzeeffekte oft die optischen Kabel beschädigen oder die Messung durch zusätzliches Rauschen verfälschen können. Zum Beispiel die Überstrahlung des Faserkerns bei Lampensystemen und insbesondere bei Diodenlasern oder eine starke Biegung der Faser führen dazu, dass Licht außerhalb des lichtführenden Kerns propagieren kann. Dies ist besonders relevant für den Einsatz von Hochleistungs-Diodenlasern, da deren Leistungen mittels unerwünschter Mantelmoden zu Beschädigungen des optischen Systems führen können. Beispielhafte Applikationen sind hierfür Combiner für Pumplaser, LIDAR-Systeme und Pumplaser, Spleißverbindungen, Lasermaterialbearbeitung und Spektroskopie, die wir Ihnen genauer vorstellen wollen.

Diese Problematik tritt vor allem bei Faserstrecken <100m auf, da hier die Möglichkeiten des Auskoppelns der Mantelmoden sehr begrenzt sind. Der Einsatz von integrierten Mantelmodenabstreifern ist hier sehr erfolgreich. Im Resultat ergibt sich eine deutliche Verbesserung der Strahlqualität und des Strahldurchmessers auf der Faseraustrittsseite (siehe Abb. 1). Im Resultat bedeutet das geringere Temperaturen für das optische Kabel, damit einhergehend weniger Zerstörung, sowie ein deutlich geringeres Rauschen bei optischen Messaufbauten.

Abb.1: Linke Seite: Glasfaser ohne Mantelmodenabstreifer, es wird Lichtleistung im Mantel transportiert; rechte Seite: mit Mantelmodenabstreifer, es wird Lichtleistung ausschließlich im Kern transportiert

Anwendung bei Faserlasern

Typische, am Markt erhältliche, Faserlaser bedienen sich des Prinzips des optischen Pumpens einer aktiven, dotierten Faserstrecke. Schematisch ist ein solches Lasersystem in Abbildung 2 dargestellt.

Aufgrund der benötigten hohen Pumpenergie ist es technisch schwer zu erreichen, dass die Lichtleistung hinter dem Laser-Resonator im Kern geführt wird. Daraus resultiert eine Gefährdung der nachfolgenden Stahlformungsoptiken und es ergibt sich eine Verschlechterung der Strahlqualität.

Nach der Integration unseres Mantelmodenabstreifers verbessern sich die Temperaturverhältnisse für die Glasfasern und weitere Komponenten deutlich. Die faseroptische Strahlführung weist im Betrieb eine nachweislich geringere Temperatur (< 40°C statt vorher >100°C) auf und hat somit eine deutlich höhere Lebenserwartung. Dies gewährleistet eine hohe Lebensdauer der verwendeten optischen Komponenten wie auch eine konstant gute Strahlqualität.

Abb.2: Laserstrahlführung der Dioden in der Pumpfaser

Anwendung an Combinern von Pumplasern

Bei hohen Laserleistungen zum Pumpen einer aktiven Faser, verlangt das Setup des Pumplasers u.U., dass eine Kombination von mehreren Laserdioden die nötige Leistung bereitstellen kann. Aufgrund der unterschiedlichen Geometrie des Laserstrahls aus einer Kantenemitter-Laserdiode zur Glasfaser kann es zu einem Überstrahlen des Faserkerns und im Resultat zu einer starken thermischen Belastung des Faser-Combiners kommen. Unter Verwendung von Mantelmodenabstreifern reduziert sich die thermische Belastung drastisch, was wiederum ein Abbrennen von Kleber und Faserbeschichtung des Combiners verhindert. Damit können Sie ihr empfindliches Pumplaser-System mit Combinern vor unnötigen Beschädigungen schützen und die Langzeitstabilität entsprechend erhöhen. Das hat wiederum sehr positive Auswirkungen auf Ihre TCO-Betrachtung (Total Cost of Ownership) des Systems.

Anwendung bei Spleißverbindungen

Technisch bieten Fusionsspleißgeräte heutzutage eine große Flexibilität bei der Verschmelzung von Glasfasern verschiedener Durchmesser und numerischer Aperturen. An den entstehenden Übergängen kann, aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser und numerischen Aperturen, Licht in den Mantel (Cladding) des Lichtwellenleiters eingekoppelt werden. Dieser Mantelmoden-Effekt führt dazu, dass an den Spleißstellen sehr viel Wärme entsteht und der Lichtwellenleiter gegebenenfalls zerstört wird. Dies stellte unseren Kunden bei der Verwendung von Hochleistungslasern vor erhebliche Probleme. In der Applikation stellte sich heraus, dass die Lebensdauer der Glasfasern durch die Hitzeeffekte an den Spleißverbindungen nicht zufriedenstellend war. Die Fasern brannten nach kurzer Verwendung ab.

Durch den Einsatz eines Mantelmodenabstreifers an den Spleißverbindungen  kann die überschüssige Leistung aus dem Fasermantel (Cladding) abgeführt werden. Dabei können, zum Beispiel in Multi-Hundert-Watt Faserlaser-Anwendungen, problemlos Mantelmoden von bis zu mehreren zehn Watt gefahrlos aus dem Cladding abgeführt werden. Das umschließende Gehäuse des Mantelmodenabstreifers verhindert dabei effizient ein Austreten von Laserstrahlung und dient als Wärmesenke um die überschüssige Energie abzuführen. Das gibt Ihnen die Freiheit, durch eigene Auswahl der Positionierung des Mantelmodenabstreifers, Ihr optisches Gesamtsystem hinsichtlich thermischer Belastungen zu optimieren. Zum Beispiel, indem Sie dafür den geeignetsten Bereich Ihres Aufbaus bestimmen und auswählen.

Abb.3: Spleißen von 2 Fasern mit unterschiedlichem Durchmesser und Numerischer Apertur, Pfeile deuten potentielle Mantelmoden an

Anwendung in der Laser-Materialbearbeitung

Zunehmend haben wir im Bereich der Laser-Materialbearbeitung Rückmeldungen von Kunden, die berichten, dass während der Materialbearbeitung unvermittelt Fasern abbrennen. Nach Untersuchung dieser Phänomene konnten wir feststellen, dass reflektierende Oberflächen des zu bearbeitenden Materials, wie z.B. Reflexionen an metallischen und Pulveroberflächen der herzustellenden Bauteilen, die Ursache der Problematik sind.

Die hohe Laserleistung im Bearbeitungsprozess wird nur anteilig absorbiert. Es kommt zu unkontrollierten Rückreflexen in die Faser.

Der Einsatz eines Mantelmodenabstreifers konnte in der Kundenapplikation dafür Sorge tragen, dass die in die Faser rückgekoppelte Laserleistung kontrolliert abgeführt wird. Auch unter Dauerbeanspruchung des Lasersystems konnten wir keine relevante Erwärmung in der Faser mehr feststellen.

Anwendung in der Spektroskopie

In Spektroskopie-Anwendungen entstehen häufig Probleme aufgrund einer sehr geringen zur Verfügung stehenden Lichtleistung. Das Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-to-noise-ratio)  fällt entsprechend sehr klein aus und erschwert somit die saubere Auswertung der Messergebnisse. Im Resultat können Mantelmoden zu unerwünschten Überlagerungen führen, welche die Signalqualität nachteilig beeinflussen.

Der Einsatz eines Mantelmodenabstreifers kann hier eine signifikante Verbesserung herbeiführen. Exemplarisch wurde in Abbildung 4 eine wellenlängenabhängige Dämpfung in einem Lichtwellenleiter der Messung der Dämpfung unter Verwendung eines integrierten Mantelmodenabstreifers gegenübergestellt. Auch bei geringeren Leistungen in Projekten der optischen Messtechnik erhöht sich die Genauigkeit der Messung, da im optischen Kabel nur das für die Messung relevante und erwünschte Signal fortgeführt wird.

Abb.4: Spektrale Dämpfung AS300/330IRPIT Messlänge: 268m

Integriertes Mantelmoden-Produktportfolio

Die integrierten Mantelmodenabstreifer sind als Konfektionierungsoption für unsere Laserkabel und Faserbündel-Konfektionen verfügbar, insbesondere als:

Wir können Ihnen die integrierten Mantelmodenabstreifer für alle unsere Fasertypen, Coatings, mit und ohne Buffer in allen gängigen Materialien (inkl. PI und Hochtemperatur-Jackets), sowie alle gängigen Steckerformaten anbieten. Unsere integrierten Mantelmodenabstreifer sind auch ohne Zusatzstoffe wie Klebstoff oder Säure verfügbar, um den höchsten Ansprüchen (z.B. kein Ausgasen, Biokompatibilität, etc.) zu genügen und weisen eine exzellente Langzeitstabilität auf.

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