用于提供光辐射的设备的制作方法

专利名称：用于提供光辐射的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于提供光辐射的设备。该设备可以形成用于材 料加工的i殳备的基础。
背景技术：
脉冲光纤激光器越来越多地被采用作为许多工业应用(例如，显
微机械加工、钻孔和打标(marking))中所选择的激光器。在受峰 值功率驱动的应用(例如，打标)中，为了实现较快的字符打标及产
量的增加，以高重复频率保持高峰值功率(超过2.5kW至5kW)是
必要的。
传统的单级调Q激光器在存储能量方面非常有效。然而，它们 由可变平均功率来表征，并且实际的峰值功率随重复频率的增加而下 降。在大多数情况下，峰值功率可以下降到加工(例如，打标)阈值 以下，对速度和产量造成不利影响。另一方面，主振功率放大器 (MOPA )结构可以对脉冲激光器的脉冲特性和功率性能提供更多的 可控性，并将打标单元的操作空间延伸到较高的重复频率从而提供增 加的打标速度。需要以超过200 kHz的重复频率将峰值功率保持在5 kW以上的水平的脉冲激光器。平均功率应当超过10W,脉冲能量在 0.1 mJ至0.5 mJ的范围中或更高，脉冲持续时间在IO ns与200 ns 之间变化，而脉冲功率应当以10 kHz至大于200 kHz的范围中的重 复频率在约5 kW或10 kW的水平保持大致恒定。附加要求是良好的 光束质量(例如，可以由低模或单模光纤激光器来提供的光束质量)。
在这些强度和峰值功率水平，需要特别关注脉沖系统，以避免发 生光学非线性以及光学损伤。另外，在所得到的高增益、高反转操作 条件下，有源光纤不应当遭受光暗化效应，因为这将导致脉冲系统效
6率降低且寿命缩短。
已经提出了许多不同的脉沖光纤激光器结构，以单独的方式使用
它们或者将其作为主振功率放大器(MOPA)结构的一部分来使用。 特别是，调Q光纤激光器由于其可以以相对简单且稳定的结构来产生 高峰值功率和几mJ的脉冲能量而特别引人注目。要以多种多样的方 式在工业应用中使用以增加应用空间的独立的调Q激光器的主要缺 点之一在于，所有感兴趣的参数(例如，脉冲重复频率(PRR)、能 量、峰值功率和脉冲宽度)是相互关联的而不能单独地控制。具体地 说，峰值功率随脉沖重复频率的增加而减小。
通过使用多级放大MOPA结构，可以解决许多这些性能问题， 并且可以在高PRR状况下延伸所需的高峰值功率性能。
在这种情况下，脉冲种子可以是低功率调Q激光器或直接调制 的半导体激光器。后者可以直接受到控制并在定义脉冲形状和PRR 时提供多得多的自由度，并且，其提供了随意改变它们以更好地满足 应用需要的可能性。另外，其基于针对电信产业而发展了多年的充分 发展且极可靠的半导体技术。通过控制沿放大链的增益分布来精确地 定义放大的脉冲序列的不同的参数。
在朝向放大器的输出端的脉沖到达之前，光纤放大器中的局部反 转显著增加。在使用倾向于该性能劣化效应的光纤的情况下，在定义 光暗化速率时反转分布的知识是非常重要的。在脉冲传播时，它耗尽 反转并增大其强度。放大处理还导致严重的脉冲整形和前端锐化。这 在定义脉冲宽度和峰值功率时极其重要，并且作为结果，限定了诸如 受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)的各种非线性的发 生。在特定能级以上，所有的脉沖显著地整形(锐化)并减小了它们 的脉冲宽度。这是由于脉冲获取了足以使放大器开始饱和的能量的事 实。已知在这种情况下主要通过脉沖的前沿来提取能量，导致了脉冲 整形和畸变。峰值功率随脉冲能量而非线性地增加，并且不可避免地 超过取决于光纤设计和脉冲形状的SRS阈值(通常为5 kW至10 kW 左右)。限制脉冲光纤激光器的输出功率的另一重要效应是巨脉冲的形 成。这可以灾难性地损坏系统中的光学元件。该效应被认为高度地取 决于激光器的峰值功率和光镨性质，并被认为由受激布里渊散射
(SBS)引起。当达到非线性阈值时，向前行进的脉冲被反射。观察 到巨脉冲，并且这些可以灾难性地损坏脉冲激光器系统中的放大器
(及其他器件)。不幸的是，该效应本质上是随机的，并且本身完全 不可预知。种子激光器(例如，激光二极管)的瞬时光讲性质的使线 宽变窄的单个变化可以导致SBS事件，并触发巨脉冲形成以及随后的 灾难性损坏。已在将激光器安装在工业加工装备中之后的数月中观察 到这种损坏。
光纤激光器通常由激光二极管来泵浦。从激光器向这些激光二极 管传播的非期望的光辐射可以损坏这些二极管。该效应在脉冲激光器
中尤其严重，这是因为激光二极管是被峰值功率(而不是脉冲的能量) 损坏。脉沖激光器的峰值功率比连续波激光器高得多。因此，在脉沖 激光器中将泵浦与激光器隔离开的要求比在连续波激光器中更迫切。
与掺Yb3+光纤激光器和放大器的长期行为有关的一个非常重要 的问题是光暗化效应。该效应表现为光纤背景损耗随时间而逐渐增 加，这降低了光学系统的输出功率和总效率。认为这与预先存在的光 纤色心的光学活化有关，其吸收带主要在UV光谱区。然而，吸收带 的高端延伸到近IR中，对光学性能造成不利影响。光暗化导致逐渐 劣化，并且未知其导致灾难性的突然的光纤故障。光暗化速率和最终 水平取决于有源光纤反转程度，作为结果，不同的放大系统将表现出 不同的劣化。
光纤的许多应用需要生成和发送以下光学信号在该光学信号的 强度下，光纤的透明度随时间而降低。该效应已知为光暗化，是光诱 发的玻璃的吸收的改变。认为吸收的增加是由于在光谱的UV和可见 部分很强地吸收光的色心的形成或活化。
在语域中，光暗化表现为在约800 nm的波长以下的急剧的损耗 增加。该强吸收带的高端延伸到1微米至1.5微米区域中，并对泵浦波长和信号波长的损耗都造成不利影响。这对于在该波长区域中操作 的光纤激光器和放大器的性能和总效率具有严重的限制作用。
在时域中，光暗化表现为激光器或放大器输出功率逐渐伪指数地 下降到渐近值。最终功率下降和有关的时间尺度似乎取决于光纤激光 器或放大器操作条件，最显著的是泵浦能级和平均反转能级，以及操 作温度。输出功率下降可以通过提供附加泵浦源和/或增加驱动泵浦电 流来补偿。两种措施都是非常不理想，这是因为前者导致单元成本增 加，而后者导致泵浦单元老化加速以及灾难性故障的可能性增加。
光纤激光器和放大器通常包括可以经由多光子作用而导致光暗
化的稀土掺杂剂。至少在掺杂有Tm"、 Yb3+、 Ce3+、 Pr"和Eu"的二 氧化硅玻璃中看到该效应。
当在工业材料加工中使用光纤时，光暗化是成问题的。光暗化可 以使光纤中用于将激光辐射从激光器(例如，倍频棒状激光器、三倍 频棒状激光器、盘形激光器、以及光纤激光器)传送到工件的传输劣 化。它还会严重地限制光纤激光器中可以生成的或者光放大器可以放 大的光功率的量。
用于减小玻璃中的光暗化的传统方法是使用氢氧基(OH)含量 高的二氧化硅(所谓的"湿二氧化硅，，)。其可以装载氘并由紫外(UV ) 光来照射。然而，这些方法并非很好地适合于光纤激光器，这是因为 OH将增加光纤的背景损耗。
需要在宽的重复频率范围上保持其峰值功率并且其中非线性效 应受到控制的脉冲激光器。
需要抗泵浦损坏的光纤激光器。
需要抗来自巨脉冲形成的灾难性损坏的光纤激光器。 需要抗光暗化的光纤。相关地需要抗光暗化的光纤激光器和放大
器。光暗化是指任何光诱发的玻璃中的传输的减小，无论是暂时性的
还是永久性的
发明内容
根据本发明的非限制性的实施方式，提供了 一种用于提供光辐射
的设备，该设备包括种子激光器，其用于提供播种辐射；至少一个 放大器，其用于对所述播种辐射进行放大；以及反射器，其中，所述 种子激光器是法布里珀罗半导体激光器，所述种子激光器经由所述反 射器而连接到所述放大器，所述反射器被布置成将由所述种子激光器 所发出的所述播种辐射中的某一比率的播种辐射反射回到所述种子 激光器中，并且，所述放大器包括光纤，该光纤包括折射率为nl的 芯和折射率为n2的基座(pedestal),并且其中，所述光纤包括包围 所述基座的由折射率为n3的玻璃制成的第一包层，其中，nl大于n2， n2大于n3。
令人惊讶的是，发现使用这种反射器有效地去除了被认为是作为 受激布里渊散射的结果而发生的巨脉冲的出现。
加入基座是有利的，这是因为其减小了信号功率对第一包层的交 叉耦合。已发现这显著地减小了包层泵浦光纤激光器和放大器中的泵 浦二极管故障。
本发明的优点在于光纤能够以高强度传输光辐射。如果芯的数值 孔径低，则光纤可以被构造成所谓的大模面积光纤，其与高强度相结 合，使得光纤激光器和放大器的输出功率和/或产品寿命增加。光纤激 光器和放大器的设计中的进一步的优点在于需要较少的泵浦二极管， 这是由于光纤在产品寿命上保持传输质量。
所述反射器可以是色散反射器。
所述种子激光器可以由有效光渡越时间来表征。所述反射器可以 由带宽和该带宽上的往返反射时间延迟变化来表征。所述往返反射时 间延迟变化可以大于所述有效光渡越时间。
由所述种子激光器发出的所述播种辐射的被反射回到所述种子 激光器中的所述比率可以小于20%。该比率可以在1%与10%之间。
所述反射器可以位于与所述种子激光器小于5 m的距离。该距离 可以小于2m。该距离可以在0.5 m与1.5 m之间。
所述反射器可以位于与所述种子激光器相距5 mm与50cm之间
10的距离处。
从所述设备发出的峰值功率可以超过l kW。
所述芯可以包括二氧化硅、浓度在0.1摩尔百分比至4摩尔百分 比的范围中的氧化铝、浓度在2摩尔百分比至20摩尔百分比的范围 中的磷酸盐，并且所述基座可以包括二氧化硅、磷酸盐和氧化锗。
所述光纤可以掺杂有布置在所述芯和所述基座中的至少一个中 的至少一种稀土掺杂剂。所述稀土掺杂剂可以是浓度在2000 ppm至 60000 ppm的范围中的镱。镱的所述浓度可以在约15000 ppm至50000 ppm之间。镱的所述浓度可以在约20000 ppm至45000 ppm之间。
所述芯可以包含浓度在约12摩尔百分比至17摩尔百分比之间的 磷酸盐。磷酸盐在所述芯中的所述浓度可以约为15摩尔百分比。
所述芯可以包含浓度在约0.20摩尔百分比至l摩尔百分比之间 的氧化铝。氧化铝的所述浓度可以在约0.3摩尔百分比至0,8摩尔百 分比之间。
所述光纤可以是信号波长处的多模波导。所述光纤可以被构造成 在相当的长度上无显著畸变地传播单模光。
所述光纤可以是单模波导。所述光纤可以包括至少一个用于在所 述芯中引起双折射的应力产生区。
所述光纤可以包括数值孔径小于0.15的波导。
所述光纤可以是包括数值孔径小于0.15的波导的抗光暗化光纤。 所述芯可以包括二氧化硅、浓度在约0.3摩尔百分比与0.8摩尔百分 比之间的氧化铝、浓度大致为15摩尔百分比的磷酸盐、以及浓度大 致在20000 ppm至45000 ppm的范围中的镱。所述基座可以包括二氧 化硅、磷酸盐及氧化锗。
所述波导可以是信号波长处的多模波导，并且其中，所述波导被 构造成在相当的长度上无显著畸变地传播单模光。所述波导可以是单 模波导。
所述反射器可以是光纤布拉格光栅。所述光纤布拉格光栅可以是 啁啾的。所述带宽可以大于1 nm。
往返反射时间延迟变化可以在约50 ps与1000 ps之间。所述往 返反射时间延迟变化可以在100 ps与600 ps之间。
所述有效光渡越时间可以在10 ps与50 ps之间。所述有效光渡 越时间可以在25 ps与40 ps之间。
所述设备可以包括激光输送光纤以及加工头，所述设备是用于加 工材料的激光器的形式。
所述设备可以包括被构造成对所述种子激光器和所述放大器进
率的范围上对所述材料s进行加工的控制器。 < 、 、
所述设备可以包括控制器，其中，所述光辐射由具有脉冲宽度的 脉冲来表征，并且所述控制器随所述脉冲重复频率的改变而改变所述 脉沖宽度。
本发明可以包括一种用于提供光辐射的设备，该设备包括种子激 光器、至少一个放大器、以及反射器，其中，所述种子激光器经由所
述反射器而连接到所述放大器，所述放大器包括具有基座的光纤；所 述种子激光器包括由有效光渡越时间所表征的激光二极管；所述反射 器被布置成将由所述种子激光器发出的播种辐射中的某一比率的播 种辐射反射回到所述种子激光器中；所述反射器由带宽和该带宽上的 往返反射时间延迟变化来表征；并且所述往返反射时间延迟变化比所 述有效光渡越时间大。
本发明可以包括打标方法，该方法包括在提供光辐射的打标激光 器内提供反射器的步骤，该打标激光器包括种子激光器、至少一个放 大器、以及反射器，其中，所述种子激光器经由所述反射器而连接到 所述放大器，所述放大器包括包层泵浦的光纤，所述种子激光器包括 由有效光渡越时间所表征的激光二极管，所述反射器被布置成将所述 种子激光器所发出的播种辐射中的某一比率的播种辐射反射回到所 述种子激光器中，所述反射器由带宽和该带宽上的往返时间延迟变化 来表征，并且所述往返时间延迟变化比所述有效光渡越时间大。选择所述基座中磷酸盐和氧化锗的浓度以实现期望的数值孔径。 加入氧化锗的优点在于增加基座的假想温度，因此在光纤制造过程中 有助于保持环形以及芯与基座的同心从而有助于芯与第一包层的同 心。芯的同心在低损耗熔接的生产中很重要。
优选的是，所述芯中铥掺杂剂大致为零。优选的是，也应当避免 其他微量稀土掺杂剂。去除铥掺杂剂在设计光纤激光器和放大器中很 重要，这是由于已发现含有铥掺杂剂的光纤特别易受光暗化的影响。 因此，使用铥的量极低的稀土掺杂剂是重要的。铥的浓度应当小于约
10ppm,并且优选地小于lppm。
所述光纤可以包括至少一个用于在所述芯中产生双折射的应力 产生区。
所述抗光暗化光纤可以包括数值孔径小于0,15的波导，其中， 该波导包括折射率为nl的芯和折射率为n2的基座，并且其中，所述 光纤包括包围所述基座的折射率为n3的第一包层，其中，nl大于n2， n2大于n3。所述芯包括二氧化硅、浓度在约0.3摩尔百分比至0.8摩 尔百分比之间的氧化铝、浓度大致为15摩尔百分比的磷酸盐、以及 浓度大致在20000 ppm至45000 ppm的范围中的镱。所述基座可以包 括二氧化硅、磷酸盐和氧化锗。优选的是，所述芯基本上不包括铥掺 杂剂。
所述光纤可以用在按照包括至少一个泵浦能量源的包层泵浦放 大光学装置的形式的设备中。这是特别有利的，因为从数值孔径低的 芯中散射或泄露的信号光优选地被所述基座捕捉和引导，因此不被送 回到泵浦中。因此，该设备去除了包层泵浦激光器的主要故障机制之 一，即，由不期望的信号光所导致的泵浦二极管的灾难性故障。
所述光纤可以用在按照包括至少一个泵浦能量源的放大器、激光 器、主振功率放大器、调Q激光器或超快激光器的形式的设备中。
本发明可以是以下设备的形式该设备是用于材料加工的激光器 的形式，其包括至少一个泵浦能量源、光纤、激光输送光纤以及加工 头。
13本发明可以是一种打标方法，该方法包括在打标激光器内提供反 射器的步骤。
本发明可以是一种使用根据前述权利要求中的任一项所述的设 备来加工的材料。所述材料可以是半导体封装(塑料或陶资)、移动
电话上的小键盘、IPOD、计算机、组件、包装、或者商业或工业产
口O o
本发明的另一方面是用表面发射发光二极管(SLED)来替代所 述种子激光器和所述反射器。SLED可以被放大，使得其使用也显著 地降低SBS的发生。所述设备优选地包括如上所述的光纤。


下面将参照附图仅通过示例的方式来描述本发明的实施方式，在 附图中
图1示出了根据本发明的设备； 图2示出了光纤的折射率分布；
图4示出了包层泵浦放大光学装置；
图5示出了用于材料加工的激光器的形式的设备；
图6示出了四个连续波激光器中的光暗化效应；
图7示出了掺氧化铝的二氧化硅中的光暗化效应；
图8至图10示出了三个不同的光纤中的加速老化测试的结果；
图11示出了发出12 W平均功率且具有脉冲能量为0.6 mJ、脉
冲宽度为35 ns的20 kHz的脉冲的主振功率放大器MOPA中的光暗
化效应的去除；
图12示出了在IO kHz处受到调制的光纤激光器中的光暗化效应 的去除；
图13示出了优选实施方式的折射率分布； 图14示出了具有椭圆形基座的光纤；
图15和图16示出了 200 W连续波光纤激光器中的输出功率的图17示出了主振功率放大器(MPOA);
图18示出了其中种子是表面发射发光二极管(SLED )的MOPA;
图19示出了包括反射器的MOPA;
图20示出了正常操作中的脉冲形状；
图21示出了包含附加尖峰的脉冲形状；
图22示出了巨脉冲的示例；
图23示出了来自激光二极管的典型的谱；
图24示出了在适当位置有反射器的激光二极管的语；
图25示出了用作反射器的光纤布拉格光栅的设计；
图26示出了测得的光纤布拉格光栅的反射率；
图27示出了不同的重复频率的输出脉冲；
图28示出了种子激光器所发出的相对应的脉冲；
图29和图30示出了图27和图28中分别示出的脉冲的交叠；
图31示出了峰值功率和脉冲能量随重复频率的变化；
图32示出了当泵浦功率增加时来自MOPA的输出功率； 图33示出了图32中所示的脉沖的光谱；
图34至图37示出了改变脉沖重复频率和脉沖宽度对输出脉冲的 形状的影响；以及
图38示出了包括反射器和基座的设备。
具体实施例方式
参照图38，提供了用于提供光辐射381的设备380,该设备包括 用于提供播种辐射387的种子激光器382、至少一个用于对播种辐射 387进行放大的放大器383、以及反射器384，其中，种子激光器382 是法布里珀罗半导体激光器，种子激光器382经由反射器384而连接 到放大器383,放大器383包括光纤1，光纤1包括由玻璃制成的基 座4(如参照图l所示的)。反射器384被布置成将由种子激光器382 发出的播种辐射387的某一比率的播种辐射388反射回到种子激光器
15382中。
基座4保护设备380免于被从光纤1泄露的光辐射381损坏。 反射器384保护设备380免于损坏。反射器384被认为阻止种子
激光器382发出单纵模(或少量纵模)的播种辐射387，由此抑制受
激布里渊散射的发生。
优选的是，反射器384是色散反射器。
优选的是，种子激光器382由有效光渡越时间386来表征，反射 器384由带宽3810和带宽3810上的往返反射时间延迟变化389来表 征，并且往返反射时间延迟变化389比有效光渡越时间386大。
比率388可以小于20%。该比率优选地为1%至10%反射器384位于距种子激光器382距离3811处。1 m的距离与 光纤中约IO ns的往返延迟相对应。取决于材料成分，受激布里渊散 射在光纤中的建立时间约为20ns至40ns。重要的是，反射器384放 置为使得反馈有时间影响来自种子激光器382的发射。距离3811应 当小于5m。距离3811理想地应当小于2 m。该距离优选地在0.5m 与1.5m之间。另选的是，反射器384可以与种子激光器382封装在 一起，距离3811可以在5mm与50em之间。
本发明对于被构造为峰值功率在打开的最初200 ns内可能大于1 kW的脉冲光纤激光器的设备380最为有用。可以对以上距离3811 进行选择来确保在设备380发出高于1 kW的功率的同时出现来自反 射器384的反馈。
有效光渡越时间386是指光沿正向传播通过种子激光器382所花
费的时间。
图1示出了包含波导2的光纤1。波导2包括折射率为nl的芯3 和折射率为n2的基座4，以及由玻璃制成且折射率为n3的第一包层 5。优选的是，nl>n2>n3。光纤1优选地包覆有折射率小于n3的涂层。 于是，可以通过将泵浦辐射耦合到至少第一包层5中来对光纤1进行 包层泵浦。涂层优选地是聚合物。已发现当在放大器内使用如图1所 示的基座光纤时，包层泵浦光纤激光器对于损坏泵浦二极管的光辐射有较小的抵抗力。优选的是，光纤l是侧面泵浦的。
光纤1优选地是抗光暗化光纤。"抗"是指在操作过程中光纤1
的衰减的增加应当不大于10%。优选的是，衰减的增加在2000小时 中应当不大于5%。优选的是，该增加在2000小时中应当小于1%。 下面详细描述光暗化的测量数据。
光纤1的数值孔径优选地小于0.15。
下文中，频繁提及诸如二氧化硅、磷酸盐、氧化铝和氧化锗的材 料。二氧化硅是指纯二氧化硅、掺杂的二氧化硅、以及重掺杂的二氧 化硅玻璃，该玻璃有时候称为硅酸盐玻璃或硅玻璃。磷酸盐是指磷的 氧化物(例如，五氧化二磷(P2Os))。氧化铝是指铝(aluminum) 的氧化物(在欧洲称作"aluminium")(例如，A1203 )。氧化锗是指 锗的氧化物，具体是指Ge02。镱是指将镱作为氧化物加入到玻璃中， 并且以ppm为单位的浓度是镱的离子的浓度，具体是指Yb3+。相似 的是，提及的其他稀土金属(例如，铥、铒等)是指作为氧化物加入 到玻璃中的稀土金属，并且以ppm为单位的浓度是指稀土金属的离 子的浓度。
图2示出了光纤1的折射率分布20。芯3、基座4及第一包层5 的折射率分别为nl、 n2和n3。优选的是，nl大于n2且n2大于n3。
优选实施方式的芯3包括氧化铝的浓度在约0.3摩尔百分比与 0.8摩尔百分比之间、且磷酸盐的浓度大致为15摩尔百分比的二氧化 硅玻璃。优选的是，基本上不存在铥掺杂剂。优选的是，基座4包括 二氧化硅、磷酸盐和氧化锗。第一包层5可以是纯二氧化硅、掺氟二 氧化硅、或在光纤的制造中使用的其他包层材料(包括聚合物)。在 第一包层5是玻璃的情况下，光纤l优选地包覆有折射率可以低于第 一包层5的折射率的聚合物，以在放大器和激光器中引导泵浦光。对 于作为光纤激光器和放大器中的增益介质的应用，芯3和基座4中的 至少一个掺杂有稀土掺杂剂。该稀土掺杂剂可以是浓度优选地大致在 20000 ppm至45000 ppm的范围中的镱。
使用抗光暗化光纤的优点在于，光纤1能够在高泵浦和反转条件以及高强度下传输光辐射。低数值孔径意味着光纤1可以被构造成所 谓的大模面积光纤，其与高泵浦和反转条件相结合时，使得光纤激光
器和放大器的输出功率和/或产品寿命增加。美国专利第6614975号中 描述了大模面积光纤的设计。光纤激光器和放大器的设计中的另一优 点在于，由于光纤在产品寿命上保持其传输质量，因此需要较少的泵 浦二极管。
尽管以上附图呈现了优选的实施方式，但是芯3可以包括氧化铝 的浓度在0.1摩尔百分比至4摩尔百分比的范围中、且磷酸盐的浓度 在2摩尔百分比至20摩尔百分比的范围中的二氧化硅。掺氧化铝的 芯与掺锗-磷的基座相结合使得可以以与现有技术相比有所增加的可 重复性来制造低数值孔径光纤。可以容易地实现低至0.06至0.1、或 者优选地约0.08的数值孔径。
基座4可以包括二氧化硅、磷酸盐和氧化锗。对磷酸盐和氧化锗 的浓度进行选择以实现期望的数值孔径。加入氧化锗的优点是增加了 基座4的假想温度，因此在光纤制造过程中有助于保持环形以及芯3 与基座4的同心从而有助于芯3与第一包层5的同心。芯的同心在低 损耗熔接的生产中很重要。
优选的是，在芯3中基本上不存在铥掺杂剂。去除铥掺杂剂的重 要性在光纤激光器和放大器的设计中很显著，这是由于已发现包含铥 掺杂剂的光纤特别易受光暗化的影响。因此，使用铥的量极低的稀土 掺杂剂是重要的。铥的浓度应当小于约10ppm，优选地小于lppm。
光纤1可以掺杂有布置在芯3和基座4中的至少一个中的至少一 种稀土掺杂剂。该稀土掺杂剂可以是浓度在2000 ppm至60000 ppm 的范围中的镱。镱的浓度可以在约15000 ppm至50000 ppm之间。镱 的浓度优选地在约20000 ppm至45000 ppm之间。
芯3中的磷酸盐的浓度可以在约12摩尔百分比至17摩尔百分比 之间。芯3中的磷酸盐的浓度优选地约为15摩尔百分比。
氧化铝的浓度可以在约0.20摩尔百分比至1摩尔百分比之间。 氧化铝的浓度优选地在约0.3摩尔百分比至0.8摩尔百分比之间。
18光纤1可以使用化学汽相淀积和溶液掺杂来制造。美国专利第
4787927、 4815079、 4826288、 5047076和5151117号中描述了该技术。 波导2可以是信号波长处的多模波导。波导2可以被构造成在充 分长的长度上无显著畸变和/或模式耦合地传播单模光。这种设计对于 高功率光纤激光器和放大器的设计，特别是对于光镨学、工业材料加 工、激光手术和宇航应用中的应用来说是重要的。美国专利第 5818630、 6496301、 6614975和6954575号中描述了芯设计的示例、 传播单模光的技术、以及使用弯曲损耗来(至少部分地)去除非期望 的更高阶模。
波导2可以是单模波导。
图3示出了包括用于在芯3中引起双折射的应力产生区31的光 纤30。芯3可以是圆形或椭圆形的。另选的或附加的是，可以通过使 基座4和芯3中的至少一个成为椭圓形来引起双折射。图14示出了 具有用于引起双折射的椭圆形的基座4的光纤140。光纤140还包括 被设计成粘性比基座4的粘性高的内包层141。例如，这可以通过使 基座4中包括硼掺杂剂以降低其折射率来实现。美国专利第4274854 和4426129号中描述了用于制造这种双折射光纤的才支术。应当注意， 在这种光纤中，降低或去除基座中氧化锗的掺杂剂浓度以使得基座可 以重新成形为椭圆形护套可能是有利的。另选的或附加的是，光纤1 中可以包括掺杂有硼的氧化物的附加包层(未示出)以形成椭圓形的 护套，如以上专利号所教示的。光纤30和140也可以是单偏振光纤， 其可以是美国专利第6496301号以及共同未决且共同拥有的美国专利 申请第10/528895号中描述的单模或多模。
图4示出了以包括泵浦44和光纤41的包层泵浦放大光学装置 40的形式的设备。光纤41可以是光纤1、 30或140。包层泵浦光学 装置40利用在公共涂层46内包括光纤41和泵浦光纤43的复合光纤 42。美国专利第6826335号中描述了复合光纤42。其他包层泵浦光纤 和布置也是可行的，例如，美国专利第4815079、 5854865、 5864644 和6731837号中所描述的那些。本发明因为从低数值孔径的芯3散射或泄露的信号光优选地被基座4捕捉和引导因此不送回到泵浦44中 而特别有利。因此，该设备去除了包层泵浦激光器的主要故障机制之 一，即，由非期望的信号光所导致的泵浦二极管的灾难性的故障。包 层泵浦光学装置40可以是包括至少一个泵浦能量源的放大器、激光 器、主振功率放大器、调Q激光器或超快激光器。超快激光器是指例 如包括以锁模激光器和/或主振功率放大器的形式的激光器的、发射的 脉沖的脉冲宽度小于1 ns并且更优选地小于10 ps的激光器。美国专 利第6885683、 6275512、 5627848、 5696782号中公开了超快激光器 的i殳计和应用。
图5示出了以用于材料加工的激光器50的形式的设备。激光器 50包括放大光学装置40、激光输送光纤51及加工头52。加工头52 可以是扫描仪、检流计或聚焦透镜。激光器50对于金属、塑料和其 他材料的打标、微坪接、印刷、微机械加工、以及切割特别有用。
图6示出了分别包括掺杂有镱、氧化铝、氧化锗及硼的氧化物的 芯3的四个连续波光纤激光器中的光暗化效应。该图示出了四个不同 的光纤激光器的输出功率61相对于时间66的测量。这些光纤激光器 中的每一个的芯3掺杂有标准市售的镱掺杂剂源。线62示出了来自 掺杂有铥含量高的标准市售镱掺杂剂的光纤激光器的测量。观察到输 出功率61的快速下降。线63示出了在30。C进行的来自输出洲W的 连续波输出功率的光纤激光器的测量。光纤芯l掺杂有标准市售的镱。 再次，可以观察到输出功率61的快速下降。线64示出了在70。C进 行的来自输出110 W的连续波输出功率的光纤激光器的测量。最后， 线65示出了在30。C进行的来自输出60 W的连续波输出功率的光纤 激光器的测量。镱掺杂剂是高纯度的，规定的杂质水平小于108分之 一。镱掺杂剂是高纯度的，规定的杂质水平小于1(^分之一(lppm)。 将线63与65进行比较，当在相同的输出功率水平和温度水平下测量 时，高纯度的镱的使用减小了光暗化效应。将线64与65进行比较， 将温度从30。C增加到70。C导致光暗化的增大。显然，通过利用铥和 其他杂质水平很低的Yb掺杂剂实现了对光暗化的抵抗力的显著增加。认为剩余的光暗化效应归因于其他折射率控制芯共同掺杂剂，即， 氧化铝、氧化锗、及硼的氧化物。
Kitabayashi等人在他们的题为"Population inversion factor dependence of photodarkening of Yb-doped fibers and its suppression by highly aluminum doping"(发表在Proceedings of Optical Fiber Communications 2006 Conference上)的文章中公开了以下内容通 过加入氧化铝掺杂，掺Yd光纤中的光暗化可以减小，但不能完全去 除。这里通过引用来并入该文章。
令人惊奇的是，本发明人已发现通过从光纤1的芯3中去除氧 化锗并通过包括磷酸盐掺杂剂可以实现进一步的改善。图7示出了通 过在已掺杂有氧化铝的芯1中包括磷酸盐掺杂剂而获得的改善。芯1 不包含氧化锗和硼掺杂剂。芯l掺杂有高纯度的镱的氧化物(总杂质 含量规定为好于lppm),以将归因于铥及其他稀土的污染物保持到 最小。曲线67示出了氧化铝掺杂剂的结果，曲线68示出了氧化铝和 磷酸盐掺杂剂的结果。显示出根据K"abayashi等人的结果，氧化 铝依靠其自身不能完全抑制光暗化效应。然而，已发现，除氧化铝之 外还包括磷酸盐共同掺杂剂会导致急剧的改善并显著减小掺镱光纤 中的光暗化效应。重要的是，在芯中使用氧化铝掺杂剂还使得能够以 比单独利用磷酸盐掺杂剂时高的重复性来制造数值孔径低的波导。
光纤的光暗化也可以通过对经受加速老化测试的光纤的吸收(在 感兴趣的l微米的区域左右)的增加进行监视来表征。通过对掺镱的 芯进行泵浦以实现最大可能的反转来加速老化。通过利用约400 mW 的976 nm处的泵浦光对约0.1 m至1 m长的光纤进行芯泵浦并将白 光从鴒丝耦合到芯中，获得了参照图8至图10所示的测量结果。然 后，通过截断测量来测量光i昝吸收。该测量方法遵循L. L. Koponen 等人在文章"Photodarkening in ytterbium-doped silica fibers" (Proceedings of SP1E Volume 5990 )中所发表的方法，这里通过引 用并入该文章。在加速老化之前和之后进行损耗81相对于波长83的 测量。图8示出了芯中掺杂有高纯度的Yb、氧化锗和硼的光纤激光
21器中的加速老化之前对损耗81的测量结果84和之后对损耗81的测 量结果85。图9示出了使用市售的抗光暗化掺Yb光纤的同样的测量 的结果。图10示出了针对包含图1中所示的光纤1的光纤激光器的 同样的测量的结果。在图8至图10的各图中，从约850 nm至1050 nm 的镱吸收峰是明显的。由于该原因，衰减曲线84和85由曲线86和 87来外推(在图8和图9中)，而在图10中由曲线101来外推(这 是由于在曲线84与85之间不存在可辨认的差别)。在图8中，损耗 81随波长83的减小而增大，光暗化^艮明显。在图8和图9中利用阴 影区域示出了感兴趣的区88,该区示出了损耗81在1000 nm与1100 nm之间的增加。与图9相对应的光纤清楚地表现出损耗的增加比图8 所对应的光纤小得多。然而，如从图10显而易见的，根据由突出的 区域102所显示的，在该波段不存在明显的光暗化。因此，根据本发 明的该方面的光纤设计去除了光暗化。
图ll和图12示出了来自利用图1的光纤的光纤激光器的相对于 时间111的输出功率110，该光纤具有与图10的加速老化测试中所使 用的掺杂剂相似的掺杂剂。各图中上面的测量线是输出功率110，而 下面的线是进行测量的环境温度112。用于获得图11中所示的结果的 光纤激光器是主振功率放大器MOPA (未示出)，其发出脉冲能量为 0.6 mJ且脉冲宽度为35 ns的12 W的平均功率的20 kHz的脉冲。用 于获得图12中所示的结果的光纤激光器是通过以70。/。的占空因子、 以10 kHz重复地打开和关闭用作泵浦源的激光二极管而受到10 kHz 的调制的连续波激光器。在高峰值功率脉冲MOPA和连续波激光器 的二至三个月的连续操作中，在图11或图12中，均未能观察到输出 功率110随时间111的下降。
图13示出了本发明优选实施方式的折射率分布130。分布130 与图2的理想分布的不同之处在于，其在芯3中包含在塌陷中由于掺 杂剂(具体地说是磷酸盐)的蒸发而导致的中心凹陷130。芯3与基 座4之间的折射率差131由n,-n2给出，其约为0.0032。这与约0.096 的数值孔径相对应。相似的是，基座4与第一包层5之间的折射率差
22132约为0,0097，其与约0.17的数值孔径相对应。芯3掺杂有掺杂剂 浓度约为0.70摩尔百分比的氧化铝、掺杂剂浓度约为15摩尔百分比 的磷酸盐、以及掺杂剂浓度约为25000 ppm的镱。镱掺杂剂由杂质含 量小于1 ppm的镱的氧化物来提供，因此芯3中基本上不包括铥掺杂 剂。基座4掺杂有足以提供约为0.0032的期望的芯3到基座4的折射 率131的水平的磷酸盐和氧化锗。应当注意，因为基座4中的磷酸盐 在由于淀积芯3的预成型的塌陷的过程中不会蒸发，所以可以高精度 地制造出基座折射率差132。相似的是，因为与磷酸盐有所不同，氧 化铝掺杂剂在预成型的塌陷的过程中相对地免于蒸发，因此也可以高 精度地制造出芯折射率差131。因此，优选实施方式提供了对光暗化 问题的解决方案，使得可以以高精度进行制造，并且在制造过程中掺 杂剂未从芯3中显著地蒸发。可以将镱掺杂剂的25000 ppm的浓度改 变成在约20000 ppm与40000 ppm内。较高的值4吏得光纤激光器或放 大器内的泵浦吸收可以增加。这具有减小所使用的有源光纤的所需的 长度的附加优点。可以通过在制造过程中过解(oversleaving )执行、 或者通过产业中所知的其他技术来改变芯3的直径133，以生产出直 径在5 pm至50 pm的范围中或更高(例如，用于功率非常高的激光 器和放大器时的100jLim)的芯。芯3可以是单模或多模，可以通过调 节芯3和/或基座4的掺杂剂浓度来改变折射率差131,使得等同的数 值孔径在约0.06至0,15的范围中，优选地在0.08至0.15的范围中。 基座4的直径134可以在芯4的直径133的约1.5至5倍的范围中， 优选地在芯4的直径133的1.5至4倍的范围中，更优选地在芯4的 直径133的约2.0与4倍之间。图13中所示的设计可以用作这里描述 的光纤l、 30、 41或140的芯3和基座4的设计的基础。
已发现，在MOPA脉冲激光器的最末放大级中使用具有中心凹 陷(如图13所示)的有源光纤在包括跟随有低功率前置放大器级的 半导体种子激光器的MOPA结构中非常有利。
因为相对于平顶折射率情况下的模式而言，由中心凹陷的存在而 导致的非高斯模式分布与光纤尾纤的匹配较差，所以这是不期望的。认为信号接头损耗的增加会导致放大器效率(定义为放大器中所使用 的泵浦功率与输出信号功率之间的比率)的降低。相反的是，通过在 有源光纤芯中引入凹陷来获得放大器效率的增加。由于需要较少的泵 浦二极管来达到期望的激光器输出功率，因此高效率提供了显著的优点。
在不同的有源光纤的特性中使用300 mW的输入信号功率。这对 于所考虑的具有来自半导体种子激光器的5 mW至10 mW的平均输 出功率以及前置放大器级中的约25 dB的放大的MOPA结构而言是 典型的。
当在有源光纤中激励多个横模时，测得的具有平顶折射率分布的 光纤的效率为50%至55% (多模效率)，而当仅激励较低阶模时， 效率低至25%至35% (简称为单模效率)。由于目的是较好的输出 光束质量，因此后者在光纤激光器中更合适。
作为替代，具有中心凹陷的光纤显示出65%至70%的多模效率 及高至50%至55。/。的单模效率。这些结果是针对在芯的中心呈现出 不同的凹陷(凹陷折射率改变的范围从-0.003至-O.OlO)的多种光纤 而获得的。
这可以通过考虑不同的设计的不同的能量提取效率来解释，该效 率定义为从激光器介质中提取的能量与介质中可得的最大能量的比 率。可以通过增加激活介质的输入饱和度，即，通过使用较大的信号 输入功率或增加光纤模式与激活介质的交叠，来增加能量提取效率。 可以从半导体种子+1前置放大级获得的相对低的功率意味着必需以 好的交叠为目标。
在平顶光纤中，较低阶模式集中在芯的中心的周围，阻止了存储 在芯边缘附近的大量Yb离子中的能量的有效使用。实际上，由于Yb 离子的高摩尔反射率，假定Yb掺杂剂分布大致上跟随芯的折射率分 布是合理的。
相反的是，在具有中心凹陷的光纤中，较低阶模的分布与Yb分 布相匹配。输入信号有效地使用掺杂剂的所有部分，得到较好的平均饱和水平和较好的提取效率。当在折射率中引入小至-0.003的凹陷时， 理论上发现以下显著的优点当凹陷进一步增加时，变化可忽略。
另外的好处是放松了光纤加工中的制造容差(这是由于凹陷与预 成型塌陷处理中的难以控制的掺杂剂蒸发有关)，并且中心凹陷降低 了给定的输出能量处的基级的峰值功率，这会降低非线性效应。
放大器中脉冲整形的增加可能导致缺点。较好的提取效率导致放 大器中的脉冲变形更差，并且对于相同的总脉冲能量，脉沖前沿处的 峰值功率增加。这对于非线性效应和脉冲形状控制都是有害的。利用 小的凹陷(折射率改变约为0.003 )来获得效率与整形之间的最佳平 衡，而以更严格的制造要求为代价。
图15示出了针对200 W的连续波激光器的相对于时间111的输 出功率110。 200 W的激光器包括其输出由200 W的光纤放大器来放 大的20W的光纤激光器。该200 W的光纤放大器使用折射率分布与 图13中所示的折射率分布相似的光纤。芯3掺杂有氧化铝、磷酸盐 和镱。在70小时中，输出功率110减小约2 W (0.7% )。这样小的 减小可能是由除光暗化之外的其他原因导致的。相比而言，图16示 出了具有凹陷的内包层的更传统的阶跃折射率光纤用于200 W的光 放大器中的等同的结果。芯掺杂有氧化铝、硼和镱。在35小时中， 观察到输出功率110降低约25 W (10%)。清楚地表明了通过在芯 中使用氧化铝和磷酸盐掺杂剂所获得的改善。
已经呈现了对在mW功率水平至几百瓦特处发生的光暗化进行 展示的实验结果。关键起作用的是掺杂剂成分，并且光纤中的反转的 量应当尽可能地减小。可以通过减小贯穿光放大系统的各级处的小的 信号增益来实现反转的减小。光暗化看起来对大于10dB的光增益是 成问题的，对大于20dB的光增益尤其成问题。
认为这里描述的解决方案适用于从瓦特的几分之一到几千瓦特 的功率水平，适用于连续波激光器及脉沖宽度从几十飞秒至几百毫秒
的脉沖激光器，适用于单模输出和多模输出，并适用于随机偏振输出 和偏振输出。尽管所描述的工作集中在镱掺杂上，但是本发明人认为
25受激拉曼散射的光纤激光器和放大器，以及包 含钕、镱、铒、钕、镨、铥、钐、钬和镝、共同掺杂有镱的铒、或共 同掺杂有镱的钕的光纤激光器和放大器。这些解决方案对于在小于约
1350 nm的波长操作的光纤激光器和放大器很重要，对于在小于1100 nm的波长操作的光纤激光器和放大器尤其重要。这些结果也适用于 光束输送光纤(例如，图5中的光纤51)的设计，特别是当来自光纤 激光器的输出的波长小于800 nm时。这可以通过倍频或三倍频来实 现，例如，使用非线性晶体、波导、或光纤、或诸如啁啾周期柱状铌 酸锂的材料。这些解决方案可以与用于减小光暗化的传统方法(例如， 使用氢氧基(OH)含量高的二氧化硅(所谓的"湿二氧化硅，，))相 结合地使用。其可以装载氘并由紫外(UV)光来照射。
图17示出了用于提供光辐射1713的设备171，其包括光源172、 至少一个放大器173、以及控制器174。光源172发出光脉沖175，方文 大器173对光脉冲175进行放大以产生输出脉冲1719。输出脉沖1719 由脉冲重复频率176、脉冲持续时间177、峰值功率179、平均功率 178、及脉冲能量1710来表征。在图17中，脉沖能量1710示出为脉 冲1719下面的阴影面积。设备171在放大器173与可选的将光辐射 1713导向材料1714的加工头1712之间具有可选的光纤光缆1711。 控制器174对光源172—和放大器173中的至少一个进行控制，以使得 设备171可以加工材料1714。在图17中，将加工描述为打标1715。 光源172可以包括图38的种子激光器382。光源172可以包括图38 的反射器384。放大器173可以包括图38的放大器383。
加工还可以包括打标、印刷、切割、钻孔、焊接、微焊接、钎焊、 退火、以及其他材料加工应用。加工还可以包括诸如组织(例如，皮 肤)治疗、牙科及外科手术的生物处理。
流计。另选的或附加的是，加工头1712可以包括至少一个用于对光 辐射1713进行准直和/或聚焦的透镜。优选的是，处理头1712可以包 括利用源自材料1714的回反射来防止放大器173的扰动的高功率光
26隔离器。
使用设备171来加工的材料1714可以是诸如半导体封装(塑料 或陶瓷)、移动电话上的小键盘、IPOD、计算机、组件、包装、或 者商业或工业产品的物品。
美国专利第6433306号中描述了可以在图17的设备中使用的前 置放大器、功率放大器、及光学装置，只是没有反射器196，这里通 过引用将其并入于此。根据该专利的描述，随着设备171的峰值功率 179的增加，非线性效应开始出现。所提出的用于避免受激布里渊散 射的解决方案是使用激光二极管作为光源2,该激光二极管具有多个 波长，以使得通过所存在的纵模的数量来增加SBS阈值，从而使得放 大级相对地免于SBS。本发明人已发现，该方法通常适合于小于约1 kW至5 kW的峰值功率179。然而，如下面看到的，基于该解决方案 的MOPA倾向于随机地产生可以损坏激光器的脉沖。认为该效应归 因于SBS。诸如增加光纤的模面积的解决方案增加SBS阈值，但是已 萍皮证实难以可靠地将其增加到约5 kW以上。美国专利第6433306号 未公开或提出使用反射器196来增加SBS阚值或避免随机地产生脉 冲。
作为由SBS所造成的问题的示例，在发出12 kW的峰值功率的 设备中使用具有多于50个模的激光二极管。当以20kHz调制延长的 时间段(例如，l小时至几个月)时，在输出处观察到导致放大器173 的波导的内部损坏的瞬时脉冲。认为该效应的发生归因于半导体激光 器内的导致临时线宽变窄并且作为结果而触发SBS的随机效应。然 而，尽管看起来非常有可能，却未能证实该效应是由SBS造成的。然 而，已发现瞬时脉冲损坏非常难于量化以及将其从这些装置中去除， 特别是当其极少发生时。
令人惊奇的是，本发明人设法使用图18的设备180来解决该问 题。半导体激光器由超辐射发光二极管(SLED) 181、隔离器186和 前置放大器182来替代。前置放大器182由泵浦189来泵浦。前置放 大器182的输出经由光隔离器186而耦合到放大器183,然后经由另一光隔离器186而耦合到功率放大器1810。放大器183和功率放大器
1810分别由泵浦184和1811来泵浦。泵浦189、 184和1811优选地
是半导体激光器。
用SLED 181来替代半导体激光器是反直观的方法。这是因为 SLED 181的功率比半导体激光器小得多。结果是，前置放大器182 未饱和，并且在脉冲1719之间产生使放大器183和功率放大器1810 的增益饱和的ASE。如果泵浦189—直打开，则产生ASE。这是因为 其对前置放大器182进行泵浦，产生反转并接着产生ASE。可以通过 对泵浦189进行调制使得其在脉冲之间被关闭并在来自SLED 181的 脉冲到达之前被打开来减小ASE的影响。精确的定时取决于前置放 大器182的设计，并且具体地取决于可从泵浦189获得的功率，泵浦 功率越高，使泵浦189打开所需的时间越少。另选的或附加的是，可 以在前置放大器182与功率放大器1810之间插入光开关1812。优选 的是，在前置放大器182与放大器183之间插入光开关1812。另选的 或附加的是，可以使用滤波器(未示出)来对ASE进行滤波，但是 不认为这与调制泵浦或使用光开关1812—样有效。光开关.812可以 是声电调制器、波导开关、克尔盒或普克耳斯盒。
SLED 181和泵浦189、 184和1811受到控制器25的控制，如果 安装了光开关1812则控制器25还控制光开关1812。这些装置将同步 地受到控制并减小非线性效应和损坏影响。
前置放大器182、放大器183和功率放大器1810可以是芯泵浦 的或包层泵浦的。优选的是，前置放大器182是芯泵浦前置放大器。 这是因为芯泵浦前置放大器是更短的更有效的装置。优选的是，放大 器183和功率放大器1810是包层泵浦的。这种布置提供了可以以低 成本生产的有效的装置。
前置放大器182、放大器183及功率放大器1810内所包含的光 纤分别可以为实芯光纤或所谓的多孔光纤。它们优选地掺杂有诸如 镱、铒、钕、钬、铥或镨的稀土掺杂剂。优选的是，光纤抗光暗化。 参照图1至图16描述了这种光纤。
28优选的是，SLED 181的带宽大于10 nm，优选地在20 nm与40 nm之间，或更大。带宽越大，SBS阈值越高，本发明的设备越可靠。
其他宽带源可以用作图17中的光源172以替代SLED 181 ，例如， 其他形式的LED (例如，边发射LED),超辐射发光光纤源(例如， 经光栅滤波的ASE源)。
本发明人已发现，可以通过使用图19中所示的设备来防止SBS 事件。种子激光器192优选地是种子激光器382。反射器196优选地 是反射器384。放大器193优选地是放大器383。在实验中，设备190 包括消偏振器191、隔离器186、由泵浦199来泵浦的前置放大器192、 以及由泵浦194来泵浦的功率放大器193。控制器174控制光源172、 以及泵浦199和194。
种子激光器192是在约1060 nm的中心波长处发出约50至100 个纵模的单横模法布里珀罗半导体激光器。反射器196是带宽约为2 nm且啁啾的光纤布拉格光栅。其反射率约为4%。消偏振器191包括 彼此成45度接合的两个长度的偏振保持光纤。消偏振器191的使用 在许多材料加工应用(不是全部)中是优选的，以减小由偏振波动引 起的加工条件的变化。因此，重要的是，种子激光器192的光带宽足 以使得其发射能够被消偏振。隔离器186是被选择用于防止放大的自 发发射被重定向而回到种子激光器192中的商用现货隔离器。前置放 大器192和功率放大器193是掺镱包层泵浦光纤放大器。泵浦194、 199包括许多结合在一起的单发射器半导体激光二极管。设置抽头耦 合器197以监视来自功率放大器193的向后行进的光辐射。为了诊断 的目的而包括抽头耦合器197和回反射检测器198，它们不必形成成 品i殳备的一部分。
在正常操作中，种子激光器192发出脉冲，以1 kHz与500 kHz 之间的频率提供10 ns至250 ns的脉冲175。在25 kHz,来自种子激 光器的峰值功率约为300 mW,来自前置放大器192的峰值功率约为 100 W,来自功率放大器193的峰值功率约为10 kW至15 kW。
在不使用反射器196的情况下，发现设备190会遭受灾难性故障。故障机制由功率放大器193内的短长度(长至100 mm)的掺镱光纤 的破坏来表征。该短长度的光纤变成白粉。另一故障机制是功率放大 器的一端处的熔接失败。这些和其他故障不仅在制造和测试过程中可 能发生，而且在经充分测试的产品中在几个月的操作之后也可能发 生。
图20示出了正常操作中向前行进的脉冲1719的光功率201 (在 功率放大器193的输出处测量)和由回反射检测器198测量的输出功 率202。由于输出功率201比光功率202的功率高得多，因此按不同 的尺度绘制光功率201和202。输出功率202包括第一反射203和第 二反射204。第一反射203源自抽头197与功率放大器193之间的接 头(未示出)。第二反射204源自来自光纤光缆1711的输出的反射。 图20中所示的脉沖形状是从设备190出现的大量脉沖的代表。
图21示出了后向行进的脉冲的两个示例211、 212。脉冲211和 212如前地包括光功率203和204,但是还包含附加的尖峰213和214。 这些附加的尖峰213和214不频繁地出现，其出现和量级都是随机的。 可以通过改变种子激光器192的操作条件(例如，温度、驱动电流和 脉沖形状)来改变出现的频率。在25 kHz的脉沖重复频率，以一周 末约 一次测量直到五分钟时间段上30000次测量之间的频率观察到附 加的尖峰。另外，可以通过使用不同的或同一制造商所提供的不同的 种子激光器192来改变发生率。尽管在向后行进的方向上观察到附加 的尖峰213、 214，但是在向前行进的脉冲形状201中没能明显地观察 到。认为尖峰213和214是受激布里渊散射(SBS)的表象。
图22示出了在正向中发生的叠加在外观正常的脉冲201上的巨 脉沖221的示例。由回反射检测器198测量的有关的脉沖222的形状 复杂，并且量级比图20中所示的脉沖202高若干级。实际上，在该 尺度上看不到光功率203和204。 ！^冲222具有尖峰223、后沿224 和凹陷225。通过建立设备190来获得这些数椐，使得在约100Hz处 出现向后的尖峰213和214。在该重复频率，观察到巨脉冲221和相 关联的脉冲222约每五分钟出现1次。换言之，巨脉沖221出现的频213和214小得多，并随机出现。
认为凹陷225是SBS的又一表象。向后行进的脉冲222的能量 足以经由SBS而泵浦向前行进的脉冲。这导致向前行进的方向上的巨 脉沖221，其因此从向后行进的脉冲222中提取能量，从而导致凹陷 225。所有以上脉冲又被功率放大器193中的有源增益介质放大。
参照图22，所示出的巨脉冲221的振幅226约是脉冲201的振 幅227的两倍(在没有叠加巨脉冲221的情况下)。振幅226随机地 改变，可以是脉冲201的振幅227的若干倍。认为巨脉冲221的振幅 可以足以超过功率放大器193内的光纤的光损坏阈值，并且其可能与 由SBS传播所关联的声波所引起的附加能量一起导致上述随机的和 不可预测的灾难性故障。然而，该解释仅是理论性的，要描述可能的 故障机制的企图并不旨在限制本发明的范围。
图23示出了来自种子激光器192的典型的谱230。中心波长231 约为1062 nm，其总带宽232约为6 nm。谱230包括相隔约0.045 nm 的约150根激光线233 (未全部示出)。谱230包括被观察到随脉冲 1719的演变而变化的三族激光线233 (即，234、 235、 236 )。具体 地说，第一族234在脉沖持续时间177 (在该过程中脉沖1719啁嗽) 的第一阶段是占优势的，其后，中心族235变得更占优势。
图25示出了用作图19的设备中的反射器196的光纤布拉格光栅 250 (未示出)的设计。图25示出了作为波长253的函数而绘制的反 射率251 (左轴)和群时延252 (右轴)。群时延252从零偏移开。 由于群时延252取决于测量的位置，因此该偏移是任意的。在反射率 251曲线和群时延252曲线上都有噪声，这本质上是数学上的问题， 是因为计算涉及非常小的数量的缘故。光栅250以约4nm的带宽255 啁嗽。中心波长254 ^f皮设计成1061 nm，大致对准图23的中心族235 内。图26示出了测得的光栅250的反射率261。中心波长262约为 1060.7 nm，带宽263约为2 nm。带宽263小于设计带宽255，这是 因为光栅250的制造中的失调现象。光纤光栅制造领域中的技术人员 已知这些现象。美国专利第6445852及6072926号中描述了i殳计和制
31造这种光栅的技术，通过引用将这些专利并入于此。
这里应当注意，加入光栅250的目的不是使来自激光二极管2 的发射稳定化。经常将窄带光栅(带宽小于约0.5nm，并且通常小于 约0.1 nm)安装到激光二极管封装中，以锁定发射波长，防止模分配 噪声，减小边模的振幅(所谓的边模抑制)，并且/或者使线宽变窄。 所有这些目的趋向于得到更稳定的发射，其(被认为)将促进SBS并 增大巨脉冲的出现频率，因此将不能避免设备190的灾难性故障。
图24示出了利用适当位置处的光栅250而测得的激光二极管2 的i脊240。中心波长241约为1061 nm。镨240的带宽242小于谱230 的带宽232。带宽242约为2nm，由来自光栅250的光反馈确定。根 据美国专利第6433306号的教示，这样使带宽变窄有望降低SBS性能。 令人惊奇的是，光栅250的使用不仅去除了向后行进的随机脉冲213 和214，而且去除了相关联的且更随机的向前行进的巨脉冲221。已 发现设备190无故障。利用其他激光二极管以及利用和不利用消偏振 器的其他实验已确认了在设备190中包括反射器196的有益效果。光 栅250显示出为在单横模中有至少10%的光辐射且峰值功率在1 kW 至40 kW的范围中的脉冲激光器提供可靠的操作。认为可以实现高至 100kW或以上的较高的峰值功率，而不存在SBS引起的问题。
认为光栅250使种子激光器192 (在该情况下是激光二极管)不 稳定。即，各激光线233被展宽、啁啾或调制，使得避免在功率放大 器193中产生SBS的条件。其他用于避免SBS产生的方法是将反射 器196实现为宽带反射器，例如，可以经由光纤耦合器而耦合进来的 部分反射镜或表面，或者带宽大于0.5nm的光栅，优选地大于lnm， 更优选地大于2nm。光栅250优选地是啁啾的，但不必是啁啾的。啁 啾光栅250将提供取决于波长的有效外部腔长，其被认为进一步促进 种子激光器192的语展宽。啁啾光栅250优选地内接在偏振保持光纤 中，该偏振保持光纤的偏振轴对准种子激光器192的偏振保持尾纤的 偏振轴或与其成一角度。光栅250可以同样地内接在非偏振保持光纤 中。并且，种子激光器192的尾纤不必是偏振保持光纤。反射器196
32可以位于将激光辐射反射到种子激光器192的前面或背面(未示出) 中的位置。反射器196还可以包括电介质涂层。反射器196的反射率 可以在约0.1%与10%之间。获得了反射率高至34%的没有脉冲213、 214的结果；然而，在这些水平观察到脉冲畸变。优选的是，反射率 约为2%至6%。准确的数量将取决于所使用的特定的激光二极管， 并通过实验而得到。认为反射器196的反射率应当高于种子激光器192 的前面中所使用的反射率。还认为种子激光器192的带宽优选地与反 射器196的带宽可比或更小。在上述实验中不是这种情况，因此需要 针对种子激光器192的不同批次而建立种子激光器192的操作条件 (温度和驱动电流)。另选的或附加的是，可以增加光栅反射器196 的带宽，以包括种子激光器192的整个带宽以及发射波长的制造容差。 还应当注意，抽头197的设置使得能够实现这种装置，这是因为完全 没有反向行进的脉冲是可靠的操作的可靠的指示。
光栅250位于距种子激光器192在40 cm与1 m之间。未观察到 性能的差别。因此，认为准确的位置并不关键，只要距离不太大而导 致利用反射反馈来使种子激光器192稳定化的时间不足即可。
种子激光器192以及泵浦199和194受到控制器25的控制。下 面将描述关于使用控制器来控制光脉冲1719的脉冲形状的其他信息， 以及设备在材料加工中的应用和使用。
前置放大器192和功率放大器193可以是芯泵浦或包层泵浦的。 前置放大器192可以是芯泵浦前置放大器。芯泵浦前置放大器是比包 层泵浦前置放大器短的装置，并且更有效。另选的是，前置放大器192 可以是包层泵浦前置放大器。为了降低成本，这是优选的。优选的是， 功率放大器193是包层泵浦的。这种布置提供了可以以低成本来生产 的有效的装置。美国专利第6826335号中描述了包层泵浦放大器的设 计和结构，这里通过引用将其并入于此。
前置放大器192和功率放大器192内包含的光纤分别可以是实芯 光纤或所谓的多孔光纤。它们优选地掺杂有诸如镱、铒、钕、钬、铥 或镨的稀土掺杂剂。优选的是，光纤是抗光暗化的。共同未决的专利申请代理人巻号SO01-P20中描述了这种光纤，这里通过引用将其并 入于此。
图19可以用于替代图19的光源172和放大器173。如下面详述 的，控制器174控制种子激光器192以及对前置放大器192和放大器 193进行泵浦的泵浦194，使得平均功率178和峰值功率179在脉冲 重复频率176的范围上保持在足以加工材料1714的水平。
图27示出了分别针对115 kHz、 46 kHz、 30 kHz和24 kHz的乐jc 沖重复频率的相对于时间275的输出脉冲271、 272、 273和274。由 种子激光器192发出的相对应的光脉沖175在图28中分别示出为脉 沖281、 282、 283和284。输出脉冲271至274以及光脉沖281至284 分别在其中各个脉冲相交叠的图29和图30中再现。图31示出了峰 值功率179和脉沖能量1710随脉冲重复频率176的变化。对于24 kHz 与115 kHz之间的脉冲重复频率176，峰值功率179保持在5 kW以 上，脉冲能量1710保持在0.1 mJ以上。而且，由于平均功率178是 脉沖重复频率176与脉沖能量1710的乘积，因此对于24 kHz与115 kHz之间的脉冲重复频率176，平均功率178可以看起来大于约10 W。 图27至图31中所示的结果是非常显著的，这是因为已证实可以仅利 用两级方丈大而以大于100 kHz的脉冲重复频率实现脉冲能量为0.1 mJ 的5 kW的峰值功率。与具有可比的平均输出功率178的其他光纤光 学脉冲激光系统相比，MOPA 190在增加加工速度中非常有用。
图32示出了在来自泵浦194的功率增加的情况下来自MOPA 190的输出功率320。在约10ns的脉冲宽度(在峰值功率的一半处测 量)的情况下，获得了 35 kW的峰值功率。图33示出了相对于波长 332绘制的脉冲的光谱331。来自种子激光器192的脉冲的信号波长 333约为1062 nm。在比信号波长333长的波长处存在功率的相当大 的比率，该功率由于诸如受激拉曼散射的非线性过程而波长偏移。参 照回图32，使用对大于1070 nm的波长进行衰减的光滤波器来测量输 出功率321。从图32和图33看到，大于约8 kW的输出功率波长偏 移。因此，可以将8 kW的输出功率定义为非线性阈值322d吏用MOPA
34190来加工材料可能需要在图17的加工头1712内使用宽带光学器件。 "宽带光学器件，，是指可以对带宽大于约100 nm的信号波长进行传输 和聚焦的光学器件。然而，在该模式操作的MOPA190对于需要峰值 功率179大于约8 kW的材料加工;f艮有用。控制器174可以用于通过减小泵浦194和199所发出的功率或者 通过控制输出脉冲1719的形状来减小输出脉冲1719中波长转换的比 率。可以将波长转换的比率减小到少于50%，优选的是小于10%。 优选的是，如同参照图27至图31所表明的，在脉冲重复频率176的 宽范围上基本上没有波长转换的输出脉冲1719。控制器174的控制函 数或者可以通过开环控制来实现(例如，通过实验和特性来实现)， 或者是闭环控制，在该闭环控制中，从MOPA190内的一点(例如， 在放大器193的输入或输出或其他地方)取得功率的测量结果(平均 功率或峰值功率或波长偏移功率)，将其与期望值相比较，并且测量 结果与期望值之间的差异用于对控制器174所提供的控制函数进行修 正。图34至图37示出了改变脉冲重复频率(prf) 176和脉冲宽度 177对MOPA l卯中的输出脉冲1719的形状的效果。全部四个图绘 制在同一尺度上，输出功率以任意单位绘制。控制器174控制泵浦194 和199，使得平均功率178保持在12 W。控制器174还将脉沖重复频 率176设定成其期望值。然后，控制器174改变脉冲宽度177 (即， 各脉冲1719的总脉冲宽度)以将峰值功率179设定在期望值。图34示出了以25 kHz的脉冲重复频率176、 0.6 mJ的脉冲能量 1710、以及12 W的平均功率测量的相对于时间275的输出功率340。 脉冲宽度343 (即，控制器174控制的总脉宽)约为200 ns。输出功 率340具有峰值功率341以及约35 ns的半峰全宽脉冲宽度342。图35示出了分别针对两个不同的脉沖宽度355和356而测量的 相对于时间275的输出功率350和351。脉沖重复频率176为50 kHz， 脉冲能量1710为0.24 mJ，平均功率178为12 W。输出功率350的 半峰全宽脉沖宽度354约为35 ns。峰值功率352、353随脉冲宽度355、356的增加而减小。图36示出了分别针对三个不同的脉沖宽度367、368和369而测 量的相对于时间275的输出功率360、 361和362。脉冲重复频率176 为100 kHz，脉冲能量1710为0.12 mJ,平均功率178为12 W。输出 功率360的半峰全宽脉冲宽度126约为35 ns。峰值功率363、 364和 365随脉沖宽度367、 368和369的增加而减小。图37示出了分别针对两个不同的脉沖宽度375和376而测量的 相对于时间275的输出功率370和371。^咏冲重复频率176为200 kHz， 脉沖能量1710为0.06 mJ，平均功率178为12 W。输出功率370的 半峰全宽脉冲宽度374约为20 ns。峰值功率372和373随脉沖宽度 375和376的增加而减小。通过改变图19的设备中的种子激光脉冲175的形状，将峰值功 率179在从1 Hz至200 kHz的脉冲重复频率176的范围上保持在5 kW 水平以上，同时提供超过O.l mJ的脉冲能量1710。将峰值功率179 在从1 Hz至500 kHz的脉冲重复频率176的范围上保持在3 kW以上， 同时提供超过0.04 mJ的脉冲能量1710。值得注意的是，这些结果是 在没有任何SBS的迹象且仅利用两个放大级的情况下获得的。通过控制图19的设备中的种子激光脉冲175的形状、增加放大 器192、 193的增益、并控制它们的相对增益，进一步表明了 20 W至 25 W之间的平均功率178、在0.8 mJ至l mJ的范围中的脉冲能量 1710、在15 ns至20 ns的范围中的半峰全宽脉冲宽度374、在18 kW 至26 kW的范围中的峰值功率179、在1 Hz至25 kHz的脉冲重复频 率176。值得注意的是，这些结果也是在没有任何SBS的迹象且仅利 用两个放大级的情况下获得的。本发明还可以是包括一个或更多个上述激光器和控制器的材料 加工机的形式(例如，用于切割、焊接、钻孔、打标或加工材料的材 料力口工机)。应当理解，参照附图，仅通过示例的方式给出了上述本发明的实 施方式，可以提供变型例和附加组件以增强性能。本发明扩展至具有上述特征中的一个或其任意组合。3权利要求
1、一种用于提供光辐射的设备，该设备包括种子激光器，其用于提供播种辐射；至少一个放大器，其用于对所述播种辐射进行放大；以及反射器，其中，所述种子激光器是法布里珀罗半导体激光器，所述种子激光器经由所述反射器而连接到所述放大器，所述反射器被布置成将由所述种子激光器所发出的所述播种辐射中的某一比率的播种辐射反射回到所述种子激光器中，并且，所述放大器包括光纤，该光纤包括折射率为n1的芯和折射率为n2的基座，并且其中，所述光纤包括包围所述基座的由折射率为n3的玻璃制成的第一包层，其中，n1大于n2，n2大于n3。
2、 根据权利要求1所述的设备，其中，所述反射器是色散反射器。
3、 根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述种子激光器由 有效光渡越时间来表征，所述反射器由带宽和该带宽上的往返反射时 间延迟变化来表征，并且所述往返反射时间延迟变化大于所述有效光 渡越时间。
4、 根据权利要求3所述的设备，其中，所述带宽大于lnm。
5、 根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述比率 小于20%。
6、 根据权利要求5所述的设备，其中，所述比率在1%与10%之间。
7、 根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述反射 器位于距所述种子激光器小于5 m的距离处。
8、 根据权利要求7所述的设备，其中，所述距离小于2m。
9、 根据权利要求8所述的设备，其中，所述距离在0.5 m与1.5m之间。
10、 根据权利要求8所述的设备，其中，所述反射器位于与所述 种子激光器相距5 mm与50 cm之间的距离处。
11、 根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，从所述设 备发出的峰值功率超过l kW。
12、 根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中， 所述芯包括二氧化硅、浓度在0.1摩尔百分比至4摩尔百分比的范围中的氧化铝、浓度在2摩尔百分比至20摩尔百分比的范围中的 磷酸盐，并且所述基座包括二氧化硅、磷酸盐和氧化锗。
13、 根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述光纤 掺杂有布置在所述芯和所述基座中的至少一个中的至少一种稀土掺 杂剂。
14、 根据权利要求13所述的设备，其中，所述稀土掺杂剂是浓 度在2000 ppm至60000 ppm的范围中的镱。
15 、根据权利要求14所述的设备，其中，镱的所迷浓度在约15000 ppm至50000 ppm之间。
16、 根据权利要求15所述的设备，其中，镱的所述浓度在约20000 ppm至45000 ppm之间。
17、 根据权利要求13所述的设备，其中，所述芯包含在所述芯中的浓度在约12摩尔百分比至n摩尔百分比之间的磷酸盐。
18、 根据权利要求17所述的设备，其中，磷酸盐在所述芯中的 所述浓度约为15摩尔百分比。
19、 根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述芯包 含浓度在约0.20摩尔百分比至1摩尔百分比之间的氧化铝。
20、 根据权利要求19所述的设备，其中，氧化铝的所述浓度在 约0.3摩尔百分比至0.8摩尔百分比之间。
21、 根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述光纤 是信号波长处的多模波导。
22、 根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述光纤 被构造成在相当的长度上无显著畸变地传播单模光。
23、 根据权利要求1至20中的任一项所述的设备，其中，所述光纤是单模波导。
24、 根据前迷权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述光纤 包括至少一个用于在所述芯中引起双折射的应力产生区。
25、 根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述光纤 包括数值孔径小于0.15的波导。
26、 根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述光纤 是包括数值孔径小于0.15的波导的抗光暗化光纤，其中，所述芯包括二氧化硅、浓度在约0.3摩尔百分比与0.8摩尔百分 比之间的氧化铝、浓度约为15摩尔百分比的磷酸盐、以及浓度大致 在20000 ppm至45000 ppm的范围中的镱，所述基座包括二氧化硅、磷酸盐及氧化锗。
27、 根据权利要求26所述的设备，其中，所述波导是信号波长 处的多模波导，并且其中，所述波导被构造成在相当的长度上无显著 畸变地传播单模光。
28、 根据权利要求26所述的设备，其中，所述波导是单模波导。
29、 根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述反射 器是光纤布拉格光栅。
30、 根据权利要求29所述的设备，其中，所述光纤布拉格光栅 是啁啾的。
31、 根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，往返反射 时间延迟变化在约50 ps与1000 ps之间。
32、 根据权利要求31所述的设备，其中，所述往返反射时间延 迟变化在100 ps与600 ps之间。
33、 根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述有效 光渡越时间在10ps与50 ps之间。
34、 根据权利要求33所述的设备，其中，所述有效光渡越时间在25ps与40 ps之间。
35、 根据前迷权利要求中的任一项所述的设备，该设备包括激光 输送光纤以及加工头，该设备是用于加工材料的激光器的形式。
36、 根据权利要求35所述的设备，该设备包括被构造成对所述 种子激光器和所述放大器进行控制以使得所述光辐射的平均功率和 峰值功率足以在脉冲重复频率的范围上对所述材料进行加工的控制 器。
37、 根据权利要求35或36所述的设备，该设备包括控制器，其 中，所述光辐射由具有脉冲宽度的脉冲来表征，并且所述控制器随所 述脉冲重复频率的改变而改变所述脉冲宽度。
38、 一种使用根据前述权利要求中的任一项所述的设备来加工的材料。
39、 根据权利要求38所述的材料，该材料是半导体封装(塑料 或陶瓷)、移动电话上的小键盘、IPOD、计算机、组件、包装、或 者商业或工业产品的形式。
全文摘要
一种用于提供光辐射(381)的设备(380)，该设备包括种子激光器(382)，其用于提供播种辐射(387)；至少一个放大器(383)，其用于对所述播种辐射(387)进行放大；以及反射器(384)，其中，所述种子激光器(382)是法布里珀罗半导体激光器，所述种子激光器(382)经由所述反射器(384)而连接到所述放大器(383)，所述反射器(384)被布置成将由所述种子激光器(382)所发出的所述播种辐射(387)的某一比率的播种辐射(388)反射回到所述种子激光器(382)中，并且所述放大器(383)包括光纤(1)，该光纤(1)包括折射率为n1的芯(3)和折射率为n2的基座(4)，并且其中，所述光纤(1)包括包围所述基座(4)的由折射率为n3的玻璃制成的第一包层(5)，其中，n1大于n2，且n2大于n3。
文档编号H01S3/16GK101517848SQ200780017178
公开日2009年8月26日 申请日期2007年5月10日 优先权日2006年5月11日
发明者A·M·吉洛利, A·派柏, D·N·佩恩, F·吉林盖利, J·K·撒胡, L·M·B·赫基, M·K·德金, M·N·泽尔维斯, S·R·诺曼 申请人:Spi激光器英国有限公司