具有非均匀配置的光纤-光纤棒多模放大器的超大功率单模光纤激光器系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及一种设置有单片光纤-棒光纤放大器的超大功率光纤激光器系统，在自由空间上直接向激光头传送实质上基模的信号光。
【背景技术】
[0002]过去几十年，来自掺杂稀土元素的光纤源的输出功率显著增加，通过使用双包层光纤导致大量光纤激光器在输出功率、光束质量、整体效率和波长适应性方面具有优秀的性能。然而，对现代大功率光纤激光器系统的功率缩放(power scaling)还远不能满足日益增加的工业需求。
[0003]如本领域技术人员所理解的，构成大功率单模或低模(“SM/LM”)光纤放大器的前提非常简单:最大程度地放大SM/LM有源光纤的芯径，并且最小化导引光的MM有源纤芯的长度。容易理解的是较大芯径和较短长度的原因是出于对高峰值功率、高平均功率等级、以及实质上衍射极限的激光输出的需要。
[0004]然而，增加波导的芯径导致增加导出的高阶模的数量，这样降低了光束质量。可以通过大幅减小纤芯的数值孔径(“NA”)来消除对光束质量的影响，然而这样做将严重限制可以耦合进入纤芯的栗浦光的量。因此，现有技术中用于实现大功率的唯一可行办法是包层栗浦。使用包层栗浦需要增加有源光纤的有效长度，这是由于对耦合进入包层的栗浦光的吸收效率大约比对耦合进入纤芯的栗浦光的吸收效率低8倍。因此，发生NLE的阈值径向地降低。研究了用于改善能够发射SM/LM输出的大功率激光器系统的可缩放性的大量技术，下文将进行简要描述。
[0005]明显影响可缩放性的一个重要发展包括光纤激光领域技术人员公知的双包层光纤。例如，美国专利5，818，630及其扩展的专利族公开了一种包括双包层MM有源光纤放大器的大功率光纤激光器系统。通过将模式匹配元件(所谓的模式转换器，光学领域的技术人员公知为扩束器)布置在SM无源和MM有源光纤之间，来实现良好质量的输出光束。将转换器配置为将SM扩展为有源光纤的基模大小，其中如本领域技术人员公知，将有源光纤的基模近似描述为高斯形状。
[0006]这种设计不能毫无代价地实现。明显地，它体积较大并且并非坚固耐用，因此它的使用被限制在相对无应力的环境中，其中在现场中不易于产生和维护这样的环境。如果将锥状光纤用作模式匹配元件，则将它与相应的SM和MM光纤的端部熔接。在这种配置下，功率在光纤之间接合部处损耗，明显增加了衍射受限光射线的失真。此外，由于双包层配置，栗浦技术包括将栗浦光耦合进入内包层，这样增加放大器的长度并提升NLE的阈值。
[0007]目前，光纤激光产业转向晶体光纤棒，晶体光纤棒通常用于放大器链的输出级以解决光纤放大器的可缩放性。基于空气孔包层技术(clad technology)，晶体光纤棒包括具有掺杂纤芯、较大直径的栗浦纤芯或内包层及外包层的双包层结构。
[0008]棒状光纤的SM掺杂纤芯具有非常小的NA，并由熔融的硅石/石英制成，通常具有低掺杂浓度。低数值孔径将可以耦合进入纤芯的大功率栗浦光的量限制为用于实现kW-MW范围内(根据激光器系统操作在CW模式下或是脉冲模式下)的超大功率所需的量。因此，仅可以将充分量的栗浦光耦合进入栗浦纤芯或内包层。因此，为了完全利用包层耦合的栗浦光，光纤棒应具有在几十(通常超过50)厘米到几米之间改变的长度。因此即使最短的可用光纤棒仍受到NLE存在的不利影响。当然，NLE严重限制了激光的功率可缩放性。
[0009]光纤棒中的低浓度离子(诸如，镱(“Yb”))通常为7xxppm。由于这种低掺杂浓度，对栗浦光的吸收也是较低的。为了获得kW-MW的功率，应该发射非常大功率的栗浦光。为了提供对栗浦光的充分吸收，应增加光纤棒的总长度。如上所述，增加总长度降低NLE的阈值，进而限制放大器的功率可缩放性。
[0010]光纤棒的开放端结构是另一关注领域。通常，仅可以通过微光学器件实现将输入信号发射通过空气孔。当然，微光学器件使整个系统配置变得复杂，并且更加麻烦和昂贵。孔中存在空气降低了热传导特性。具体地，空气孔减慢了对热量耗散，因此可能损坏棒本身，并引起环境危险。
[0011]美国专利7，813，603(“603”)公开了使用晶体光纤棒和基于所述棒的放大光纤器件。“603”教导的结构包括放大介质;至少一个栗浦光传输光纤；以及反射元件，沿与信号光传播方向相反的方向将栗浦光导入放大介质。将放大介质配置为多包层光子晶体光纤棒，其中内包层被称作多模栗浦芯，接收沿与信号传播方向相反方向的反射栗浦光。如上所述，由于SM掺杂纤芯较小，基本沿着光纤长度方向发生对反射栗浦光的吸收，以免在较低功率等级下发生NLE。所公开的结构以不超过150W的输出功率工作，以免防止损坏掺杂纤芯。
[0012]综上所述，对大功率光纤系统的设计由于以下因素而面临困难:普通光纤和光纤棒中的非线性效应;基模功率向高阶模的损耗(“Η0Μ”)；栗浦亮度；以及产生过多的热量。尽管每一因素单独地限制功率缩放性能，然而它们还是彼此相关联的。
[0013]因此，需要一种大功率SM光纤激光器系统，基本克服已知系统的上述不足。
[0014]还需要一种紧凑的、便携式的SM超大功率光纤激光器系统，能够输出kW级平均功率和MW级峰值功率。
【发明内容】
[0015]所公开的大功率SM激光器系统配置有:增量器级，包括无约束的单片光纤-棒光纤增量器，通过连续光纤输入区域、变换区域、光纤棒输出区域限定实施例增量器。单片MM波导具有:连续MM纤芯以及至少一个包层，所述包层与所述纤芯共同延伸并包围所述纤芯。延伸通过波导的输入光纤区域的纤芯的输入区域较小，并被配置为支持从种子源接收到的SM
信号光。
[0016]假定纤芯是瓶颈形横截面，则在沿着波导长度的某个地方，纤芯扩展，这样定义了进入输出放大区域的变换区域。输出区域的均匀直径比输入纤芯部的均匀直径更大。虽然有可能支持多个高阶模(“Η0Μ”)，但是相较于对Η0Μ的放大，明显放大的是单基模(single，fundamental mode)，因此减小了噪声。所以，放大器发射基本为单基模的光。增量器没有接合部，因此没有接合部损耗，也没有在基模和Η0Μ之间进行耦合的可能。
[0017]增量器可以无约束地延伸在自由空间，向工作区域传送信号光，而不使用传统SM无源传输光纤。增量器增大的芯径允许在较短的纤芯中吸收较多的栗浦光功率。具体地，将至少一个MM栗浦光光纤设置为靠近增量器的输出端。所公开配置的栗浦机制允许沿与信号传播方向相反的方向将栗浦光耦合进入增量器的纤芯，如本领域技术人员所公知地，这样增强对栗浦光的吸收。
[0018]通过与对应增量器的输出端间隔开的反射元件和传输光纤，提供对栗浦光的反向传播耦合。配置数值孔径(“NA”)小于增量器的数值孔径的栗浦光传输光纤以及期望曲率的反射元件有助于将被反射的栗浦光耦合到增量器的输出纤芯端。
[0019]输出区域的较大芯径和栗浦机制是允许增量器相对较短的重要参数。选择长度以便主要沿着增量器的棒-光纤区域的输出纤芯区域提供对耦合栗浦光的吸收。虽然栗浦光的功率较大，减小的长度使NLE的发生几率最小化。
[0020]反射元件配置有与增量器的光轴相对准的开口。选择开口的尺寸以便防止有用的栗浦光损耗，并使沿传播方向穿过所述开口的已放大信号光没有损耗。
[0021]已放大信号光的大功率密度对于光纤表面是有害的。为了降低功率密度，所公开的系统配置有通常由石英制成的无纤芯端接模块。该模块位于相应增量器以及栗浦光传输光纤的端部和反射元件之间。该模块的上游面被熔接到相应增量器和栗浦光纤的光纤端部。
[0022]通过设置包围棒状光纤部、端接模块和反射元件的衬套包封，进一步改善所公开的增量器的紧凑性。将所述衬套耦接到密封的光学部件以便限定出公知为激光头的端部封装。
【附图说明】
[0023]根据结合附图所述的以下具