专利名称：单模高功率光纤激光器系统的制作方法
技术领域：
本公开内容涉及一种单模高功率光纤激光器系统，其配置有能够以实质基模引导 光的多模光纤。P,知抟术光纤激光器系统的许多应用需要高功率、高质量光束。利用SM有源光纤的光纤激 光器在功率上因出现光学非线性而有所限制。一个共同解决方案是使用MM有源光纤，MM有 源光纤能够支持一些高阶模(H0M)，但被配置用于防止这些H0M的激发和放大。然而，带有这类MM光纤的单模高功率(SMHP)光纤激光器系统的功率定标也在某 种程度上由于存在非线性而有所限制，所述非线性包含但不限于受激拉曼散射(SRS)。导致 相对较高光学非线性阈值的可能最有效的实用方法之一是，通过增加纤芯的直径，减小数 值孔径并且减小非线性相互作用的有效长度而减小MM光纤纤芯内部的功率密度。不幸的 是，出于以下原因这种几何结构不大容易实现。首先，纤芯直径的增加导致可被轻易激发的 H0M的数量增加，这不利地影响输出光束的质量。其次，制造具有真正极低An的高质量光 纤具有高度挑战性。第三，这类光纤对弯曲负载敏感。因此，需要一种具备至少一个实质上没有与已知现有技术系统相关的问题的有源 MM光纤的SMHP系统。另外需要一种具备具有纤芯折射率的MM有源光纤的SMHP系统，所述纤芯折射率 与已知SMHP系统的纤芯折射率比较，具有所激发基模的增大的有效区和较高的非线性阈值。另外需要一种具有有源多模MM光纤的SMHP系统,所述有源多模MM光纤配置成具 有掺杂物分布，所述掺杂物分布能够实质上仅仅放大基模同时最小化将所述基模耦合到周 边和中央对称高阶模的可能性。
发明内容
所有上文详细说明的需要以及其他需要都通过包含MM有源光纤的SMHP光纤激光 器系统得以满足，所述MM有源光纤被配置为实质上仅仅支持基模，具有在有源与无源熔接 光纤之间提供模式匹配的几何结构，并在高功率下以高非线性阈值操作。根据一个方面，所公开的SMHP光纤激光器系统被配置为具有直接接合到MM有源 光纤的输入SM无源光纤，使得以具有高斯场分布的单模福射自输入光纤的光发射到MM光 纤中，而无实质耦合损耗。在特定结构实施例中，MM有源光纤具有瓶颈形状的截面，所述截面由相对较窄的输入端区域、逐渐扩展的截头圆锥形变换器区域及相对较宽的均匀尺寸的 放大区域界定。MM纤芯的输入端区域被配置为与无源SM光纤纤芯的输出端实质上相同。因此，所 发射的SM在MM光纤的端区域中实质上仅仅激发具有与所发射SM的模场直径(MFD)实质 上匹配的模场直径的基模。变换器区域和放大区域被结构化用于维持所激发基模的传播， 同时最小化基模与高阶模(H0M)的耦合。根据本公开内容的另一方面，MM有源光纤具有阶跃折射率分布，所述阶跃折射率 分布具备延伸到中央纤芯区中且被配置用于可控制地将所激发基模的高斯场分布变换为 该模式的环分布的下凹。与高斯分布相比，环分布实质上具有较大有效区。基模的较大有 效区最小化某些H0M的放大，其继而在很大程度上保持基模中总体光能量/功率的大部分。 基模中的功率损耗越小，高功率SM器激光系统越高效。所述下凹沿着MM光纤的放大纤芯区域具有相对较大几何尺寸，即使没有下凹，与 MM纤芯的输入端区域相比，所述放大纤芯区域也具有相对较低的功率密度。密度愈低，非线 性的阈值愈高，光纤激光器的功率处理能力越好。由于场强度I随着模式区域A1的增加趋 向於更低，所以下凹的形成允许甚至更高的阈值。根据另一方面，通过沿着丽光纤纤芯的输入和输出端区域两者具体构造下凹而 进一步最小化MM光纤的输出端区域与输出SM无源光纤之间所界定的接合区域中的耦合损 耗。由于输入和输出SM无源光纤每个都被配置用于支持具有高斯场分布的SM辐射的传播， 因此，如果保持不变，那么环状分布会与高斯分布不匹配。实际上，这种不匹配会导致输出 接合处的功率损耗以及输入接合处的H0M的激发。为了避免因强度场差异而引起的功率损 耗，将MM光纤构造为具有双瓶颈形状，即其具有构造为与MM光纤的输入端和变换器纤芯区 域实质上相同的另外的逐渐变窄的输出变换器和输出端区域。然而，沿着两个端区域的下 凹很小以致于未扰乱高斯模式。所以，下凹沿着输入区域较小，沿着输入变换器区域逐渐扩 展，到沿着放大区域时扩展到最大均匀尺寸，仅沿着输出变换器区域逐渐变窄到沿着输I P/A，其中P是功率出端区域的较小尺寸。沿着输入和输出变换区域逐渐修改下凹的几何形状实质上 防止沿着这些区域的H0M激发的可能性。根据另一方面，所公开的MM有源光纤具有一阶跃折射率分布结构，所述阶跃折射 率分布结构被配置为具有掺杂物环分布以提供对基模的实质增益，但最小化诸如LP02的 中心对称模式的放大。掺杂物环分布被配置用于显著放大基模和尤其放大基模的环场分布 的峰，同时最小化H0M的放大。
参考下列说明、随附权利要求以及附图会更好地了解本发明的这些以及其他特 征、方面以及优点。图1是具有有源MM光纤的单模高功率光纤激光器系统的一个实施例的示意图，所 述有源MM光纤被配置为具有瓶颈形状的截面并且根据端泵浦技术泵浦。 图2示出图1的丽光纤的折射率分布。 图3示出沿着所公开的MM光纤的端区域的中心对称模式和基模的折射率分布以及强度场分布。图4示出沿着MM光纤的中央区域的中心对称模式和基模的折射率分布以及强度 场分布。图5示出所公开的MM光纤的阶跃折射率，所公开的MM光纤具有具备环状掺杂物 分布的纤芯。图6是图1的系统中所利用的泵浦的前视图。图7示出利用端泵浦配置的所公开系统的另一实施例。图8示出利用侧泵浦布置的所公开系统的另一实施例。图9示出配置有侧泵浦布置的所公开系统的另一实施例。
具体实施例方式现在详细参考SM高功率光纤激光器系统的公开实施例。在可能的情况下，相同或 类似的参考数字用于附图及说明书中来指代相同或相似的部件。附图为简化形式而非具有 精确尺寸。图1图解说明单模高功率(SMHP)光纤激光器系统10，其包含放大器12和泵浦单 元18等等，泵浦单元18根据端泵浦技术将泵浦光发射到放大器12的输出端20。SMHP光 纤激光器系统10操作使得当通过无源光纤24将SM辐射耦合到放大器12的输入端22时， 在放大器的输入处实质上仅仅激发基模。放大器12被配置为具有MM纤芯14，其掺杂有一种或多种稀土离子；以及一个或 更多个覆层16 (仅仅显示一个覆层)，其与丽纤芯共同延伸并包围丽纤芯。丽纤芯14和 覆层16具有各自的瓶颈形状截面，每个都包含均匀尺寸的窄输入端区域26、均匀尺寸的放 大区域28 (其比输入区域宽)，以及截头圆锥形输入变换器区域30 (其桥接端纤芯区域和放 大纤芯区域)。由于输入无源光纤24和放大器12的MM有源光纤各自的输出纤芯区域和输入纤 芯区域的几何形状，实质上在MM纤芯14的输入端区域22处仅仅激发基模。具体而言，配置 各光纤的熔接输出纤芯区域和输入纤芯区域，使得发射自无源光纤24的纤芯的输入SM辐 射的模场直径(MFD)实质上匹配丽纤芯14的输入端区域26所支持的基模的MFD。此外， 各自配置无源光纤24和放大器12的熔接纤芯端，使得输入SM和所激发的基模具有各自的 高斯场分布。无源和有源光纤各自的实质匹配的MFD和形状的组合允许将SM辐射实质上无损 耗地耦合到MM纤芯14中。此外，所发射和激发的模式的实质均匀性最小化MM纤芯14的 输入处的H0M激发的可能性。SMHP系统10被设计用于在能够达到几十千瓦的宽功率范围内操作。因此，沿着放 大器12传播的光的功率密度也高。如激光器领域的普通技术人员所知，高功率密度趋向于 降低非线性的阈值，从而不利地影响光纤激光器系统的特性。为减小光功率密度，MM纤芯 14的放大纤芯区域32的直径比输入端纤芯区域26的直径大。因此，放大区域32的扩大纤 芯允许有更好的功率处理特性。然而，增大的纤芯直径通常与增加的很不期望的H0M激发 可能性相关。因此，需要增加基模UV的MFD，这将最小化H0M激发的可能性。如图2所示，图2结合图1论述并阐释本公开内容的所有实施例，通过在纤芯14的折射率分布中提供中央下凹38来实现MFD的增大。构造下凹38以将输入纤芯区域26处 激发的基模的高斯场分布变换成环状分布，环状分布沿放大区域32覆盖比高斯场分布(如 果未经变换)更大的纤芯面积。然而，由于H0M激发的可能性，将场分布瞬间变换为环分布 可能成问题。因此，下凹38沿着放大器12具有可变配置，如下文即将进行的说明。图3(其在图1的背景下论述，且也适用于下文所公开的所有实施例)图解说明纤 芯14的沿着输入端区域26具有均匀尺寸的下凹38的所公开的阶跃折射率，配置下凹38 以使所激发基模UV的高斯模式达到最小失真。下凹38沿着端区域26的宽度优选在介于 约IX和约5入之间的范围内变化，其中\是给定波长，在该给定波长处，有源纤芯14能 够实质上仅仅支持基模。所公开的放大器12的配置被视为具有实质理想的配置。然而，甚 至这类配置也可能允许某些激发H0M，诸如中心高阶模LPQ2。随着基模沿着输入变换器区域30继续传播，由于下凹38的逐渐扩大，高斯场分布 逐渐变换成环场分布。下凹越大，基模越呈环状，如下文所论述。图4涉及本公开内容的所有实施例并图解说明与基模进入MM有源纤芯14的中央 区域32时出现的基模的连贯环分布相关的下凹38的最大尺寸。基模UV的环分布分别包 含两个能量峰40和42，以及桥接峰区域的位于中央的谷33。因此，环分布展开，从而比高 斯分布占据更大的纤芯14区。可以通过可控制地掺杂纤芯14的中央区域(优选使用氟化 物离子掺杂)来实现下凹38。或者，可以使用硼离子。另一可能性是，以不同于纤芯14的 周边区域中的磷酸盐浓度来可控制地掺杂中央纤芯区域。可易于观察到沿着放大区域32 存在下凹38会最小化中央折射率区域中的的峰强度。此外，基模UV的边侧提取泵浦 功率的很大一部分，使得中央HOM LP02的边侧几乎无增益。参考图5，图5结合图3和图4论述并且适用于图1和图7至图9，当下凹38和完 全掺杂的MM纤芯14的组合可以引起所需结果，即基模UV的实质未失真传播和放大时，放 大器12可以具有能够达成相同结果的不同配置。举例而言，MM纤芯14可具有环状掺杂物 分布45，其未覆盖整个纤芯区。特定而言，增益区域或掺杂物分布45包围折射率的中央区 域并在距离其周边一定距离处终止。配置增益区域以分别包含基模的环场分布的两个功率 峰区域40和42 (图4)。因此，功率峰40、42的放大给基模提供显著增益，同时中央H0M(诸 如LPJ不经历增益或经历不显著增益。参考图6，其结合图1论述，泵浦单元18包含具备丽纤芯48的无源中央光纤46 以及多个周边馈送光纤50，每个周边馈送光纤50承载来自光源的光。周边光纤50和中央 光纤46各自可操作地彼此连接并且形成一个组合器。机械处理组合器的输出端36以将中 央光纤46的丽纤芯48的端成形为与放大器12的输出端20处的丽有源纤芯14的输出 端实质上相同。此外，在处理泵浦的端36后，周边光纤50形成主体，所述主体的外径实质 上匹配放大器输出端20处覆层16的外径。有源MM光纤和中央无源光纤各自的纤芯14和 48之间的实质匹配使具有环场分布的基模实质上无损耗地耦合到中央光纤48中，而无明 显的H0M激发。回到图1，无源中央MM光纤46也具备配置为和图4所示的下凹38实质上相同的 下凹。因此，中央无源光纤46的MM纤芯48继续支持具有环场分布的基模。然而，出于实 际目的，需要具有实质上为具有高斯场分布的基模的输出辐射。因此，中央光纤46的下游 端熔接到无源丽传递光纤52，如同各光纤12和46，无源丽传递光纤52具有丽纤芯，所述MM纤芯具有配置用于将环场分布变换为高斯分布的下凹。具体而言，传递光纤纤芯的下 凹到输出54逐渐变窄，从而将环分布逐渐成形为高斯分布。光纤52的覆层53具有输入端 以及截头圆锥形输出端，所述输入端之外径大于光纤46的外径。覆层53接收沿着输出光 纤46的覆层传播的光，并且因此防止光破坏沿着系统10的最敏感的伸展部分(stretch) 的环境。传递光纤52的截头圆锥形端允许所接收的覆层支持光在其可能与系统10的输出 处的纤芯支持光混在一起之前在所需点从光纤52耦合出去。传递光纤52的输出端54可 操作地连接到石英光束扩展器56，石英光束扩展器56被配置用于在一定程度上降低纤芯 支持光的密度并且最小化高功率SM输出光束所造成的环境危害。具体而言，扩展器56具 有多边形截面或任何其他截面，其中输出区域的截面宜大于扩展器的输入端的截面。图7图解说明本公开内容的端泵浦配置的修改。和图I所示放大器12相比，放大 器56具有双瓶颈截面。因此，除了分别包含输入端区域26、变换器区域30及放大区域32 之外，丽纤芯58还具有输出变换器区域60和输出端区域62，输出变换器区域60和输出端 区域62被配置为与相应的输入端区域26以及输入变换器区域30实质上相同。双瓶颈形状的放大器56的几何形状实现本公开内容的目标，即输入SM辐射的实 质无损耗耦合、最小HOM激发或无HOM激发以及相对较高的非线性阈值。如参考图I所进 行的详细论述，通过使端输入区域26的几何形状与熔接到其的SM无源光纤24的输出区域 的几何形状匹配来实现实质上无损耗的的光耦合以及最小HOM激发。此外，放大器56的纤 芯58包含形成在纤芯58的折射率中并且根据图2和图4各自所示的形状和尺寸配置的下 凹。具体地，沿着输入端区域26延伸的下凹足够小以不扰乱所激发基模的高斯场分布。所 述下凹进一步沿着输入变换器区域30扩展并且沿着放大区域32具有其最大尺寸，以逐渐 将高斯场分布变换到环场分布，环场分布提供比高斯分布更大的基模有效区。添加输出转变区域60和输出端区域62分别提供下凹沿着输出变换器区域的逐渐 减小的尺寸，这将环场分布逐渐变换到高斯场分布。纤芯58的输出端区域62被配置为具 有小下凹，其不影响稱合到组合器的中央光纤46的MM纤芯中的基模的高斯分布。根据关 于图I所公开的结构配置组合器。MM有源光纤、中央光纤、和馈送光纤(图I和图7的SMHP光纤激光器系统的组件) 优选(但不是必需)全部具有阶跃折射率分布。输入SM光纤24优选配置有W分布。根据侧泵浦技术配置所公开的SMHP光纤激光器系统的另一些实施例。类似于上 文公开的配置，基于侧泵浦技术的公开的SMHP光纤激光器系统允许光的实质上无损耗耦 合，实质上仅仅支持基模并且具有高非线性阈值，如下文所公开。图8图解说明SMHP光纤激光器系统64，其包含支持SM辐射的波导以及根据侧泵 浦技术将泵浦光发射到波导中的泵浦单元66。所述波导包含与图I的放大器12类似地配 置的放大器68。具体地，放大器68包含能够实质上仅仅支持基模的MM纤芯70，以及一个 或更多个覆层。纤芯70因此具有均匀尺寸的输入端区域72，输入端区域72被配置用于接 收来自SM无源输入光纤78的SM辐射，使得实质上仅仅激发具有高斯场分布的基模。到达 截头圆锥形输入变换器区域74时，基模沿其传播而不耦合到HOM并且进一步沿着均匀尺寸 的放大区域79被支持并被放大。为升高非线性的阈值，MM纤芯76具有根据图3沿着输入 端区域72配置并根据图4沿着放大区域78配置的下凹。因此，随着具有高斯场分布的基 模沿着输入变换区域74传播，其形状从高斯场分布变换到环场分布。
为防止放大器68的输出处的f禹合损耗，信号输出MM无源光纤80具有带有输入端 的纤芯82,输入端被配置为在几何形状上和光学上(MFD)匹配MM纤芯76的输出端,使得纤 芯82实质上仅仅支持所耦合的基模。由于根据图4与在掺杂MM纤芯76的放大区域78中 提供的下凹类似地配置的信号光纤80中的下凹，基模的环状也保持不受扰乱。MM光纤68 和80各自的外径同样彼此实质匹配。无源传递光纤84也具备丽纤芯86,丽纤芯86被定 尺寸用于接收并实质上仅仅支持基模。由于参考图1所说明的原因，传递光纤84的覆层88 的外径优选大于信号光纤80的外径。丽纤芯86的输出端向内渐缩使得折射率的下凹将基 模的环场分布最终并逐渐重新成形为高斯场分布。传递光纤88的渐缩形(tapered)输出 端可操作地连接到放置在连接器92内的石英块90。泵浦单元66被配置有多个光源，诸如激光二极管，或优选多个组合在一起成为组 合器94的SM光纤激光器，组合器94具有丽泵浦光发射光纤96。发射光纤96在沿着丽 纤芯76的放大区域79延伸时逐渐收缩2，并且优选(但不是必需)熔接到放大器或有源光 纤68。光纤96和68之间的熔接区域与发射光纤96的整个渐缩形区域实质上一致。选择 渐缩形区域的长度和几何形状用于提供沿着放大器64的纤芯76的放大区域的泵浦光的最 大吸收，所述放大区域掺杂有2所公开的发射光纤的详情详细说明于本申请的受让人共同拥有的美国专利 5，999，673中，且以引用的方式全部并入本文。稀土离子或过渡金属离子。MM有源光纤68和信号光纤80各自的熔接端以及配置 为MM无源光纤的组合器94通过耦合器95耦合在一起，耦合器95由折射率比耦合器光纤 覆层内所围封的材料低的材料制成。耦合器95因此被配置用于防止覆层支持的模式耦合 出去而进入环境中。SMHP光纤激光器系统64可取决于SM泵浦光纤激光93的配置以及有源丽光纤 10的有源介质而在多个波长下操作。例如，如果SM泵浦激光器每个具有掺杂有Er离子的 拉曼(Raman)配置纤芯76,那么系统64的输出光束可在高于约1530nm的波长下福射。在 另一实例中，SM泵浦激光器92可被配置为在介于约1530nm和1540nm之间的波长下发射 泵浦光到SMHP系统64的Er掺杂光纤68中的Yb/Er激光器，SMHP系统64在约1560nm至 1600nm的波长下输出SM辐射。更进一步而言，Yb/Er共同掺杂的SM泵浦激光器92每个可 在介于约1550nm至1600nm之间的波长下辐射光，而纤芯76掺杂有Tm，从而以在约1750nm 至2100 y m之间的范围内的波长下输出输出SM辐射光束。在高功率系统64的另一可行修 改例中，每个SM泵浦激光器92被配置为在920nm至945nm范围内发射泵浦光至Yb掺杂光 纤68中的Nd掺杂光纤，Yb掺杂光纤68在约974nm至约1 y m的波长下产生实质SM输出光 束。最终，Yb掺杂SM泵浦光纤激光器92可以在约lOOOnm至1030nm的波长下产生泵浦输 出，泵浦输出被发射到掺杂有Yb离子的丽有源光纤68中，且因此，在范围在约1050nm至 约1080nm内的波长下输出放大SM辐射。3图9图解说明公开的SMHP光纤激光器系统100的另一修改例，其具有与泵浦单元 98组合的侧泵浦布置，泵浦单元98被配置为与上文刚论述的泵浦单元66实质相同。另一 方面，SMHP系统100的波导具有放大器102，放大器102与图7的放大器56类似地配置，并 且因此具有双瓶颈截面和参考图2到图4所公开的折射率下凹。优选3参阅与本申请共同拥有且以引用的方式全部并入本文的美国专利。
(但不是必需)掺杂放大器102的纤芯以便具有參考图5详细论述的环掺杂物分
而o配置信号无源SM光纤104以具有与放大器102的相应纤芯和覆层类似地定尺寸 的纤芯和覆层。因此，发射自放大器102的输出端(其熔接至信号光纤105的相对端)具有 高斯分布的31辐射被耦合到信号311无源光纤104中，而无明显损耗和实质1101激发。优 选配置有1折射率分布的匪传递无源光纤106被熔接到信号光纤107的输出端，而无明显 损耗和1101激发，这是因为这些光纤的熔接端的几何形状实质相同。为在一定程度上减小 高功率密度，传递光纤106的纤芯和覆层两者都可以具有各自的瓶颈形状截面108。所公开的高功率311光纤激光器系统可并入脉冲和〔1配置中。因此，可以升高其 他非线性影响的阈值，诸如自相位调制、四波混合以及甚至连同窄线的385 —起的脉冲光 纤激光器系统的SBS和宽线CW系统的四波混合。上文公开的所有有源光纤或放大器的匪纤芯12的主材料可以包含硅石，但纤芯 的主材料优选包含磷酸盐。后者是有利的，这是因为磷酸盐中掺杂物的浓度实质上比硅石 中掺杂物的浓度高，而不成群，成群会引起波导的劣化。通常，当离子诸如％浓度达到约 1000ppm到2000ppm时，观察到Si中产生群。相比之下，磷酸盐主材料允许稀土离子浓度可 达约5000ppm以及更高。如上所述，掺杂离子可以选自稀土金属和过渡金属。本领域普通技术人员应了解可对本公开的激光器功率系统做出各种修改和变动。 因此，希望本公开内容涵盖本公开内容的修改和变动，只要所述修改和变动是在随附权利 要求和其等同物的范围内。
权利要求
1.一种单模高功率(SMHP)光纤激光器系统，包括 多模(MM)有源光纤，具有带有瓶颈形状截面的纤芯，所述纤芯配置为在所需波长下实质上仅仅支持基模，并随着所述基模沿着所述纤芯传播将所述基模的高斯场分布成形为环场分布；以及 泵浦单元，可操作用于产生泵浦光束，所述泵浦光束耦合至所述MM有源光纤，所述MM有源光纤实质上以放大的基模输出辐射。
2.根据权利要求I所述的SMHP光纤激光器系统，其中所述有源MM光纤还包括至少一个包围所述纤芯并与所述纤芯共同延伸的覆层，所述纤芯包括 均匀尺寸的输入端区域，所述输入端区域引导具有高斯场分布的所述基模； 均匀尺寸的放大区域，所述放大区域的直径大于所述输入区域的直径并且可操作用于放大具有环场分布的所述基模；以及 截头圆锥形输入变换区域，所述截头圆锥形输入变换区域桥接相应输入区域和放大区域的相对端并且配置用于将所述基模的所述高斯场分布逐渐变换成所述基模的环场分布； 所述MM有源光纤的纤芯配置成具有阶跃折射率分布，所述阶跃折射率分布具有在所述MM光纤的相对端之间延伸的中央下凹。
3.根据权利要求2所述的SMHP光纤激光器系统，其中所述泵浦单元配置有 中央信号中央无源光纤，所述中央信号中央无源光纤直接熔接到所述MM有源光纤的输出端并具有与所述有源光纤的所述放大区域的纤芯模式匹配的MM纤芯，以便实质上无损耗地从所述有源光纤接收具有所述环场分布的所述基模，并在实质上没有耦合到高阶模(HOM)的情况下引导所述基模； 多个周边光纤，围绕所述中央信号MM光纤并且彼此可操作地连接以将所述泵浦光束发射到所述MM有源光纤的所述输出端区域的所述覆层中。
4.根据权利要求3所述的SMHP光纤激光器系统，其中所述MM中央信号光纤的纤芯配置为具有阶跃折射率分布，所述阶跃折射率分布具备中央下凹，所述中央下凹配置成在所述MM光纤之间的接合处与所述MM有源光纤的放大区域的下凹类似并与之对齐，以便支持具有所述环场分布的所述基模的传播。
5.根据权利要求4所述的SMHP光纤激光器系统，还包括无源MM传递光纤，所述无源MM传递光纤熔接到所述泵浦单元的所述中央信号MM光纤，并具有配置为与所述MM中央信号光纤的纤芯实质上相同的纤芯，所述中央光纤的外径大于所述传递光纤的外径。
6.根据权利要求5所述的SMHP光纤激光器，其中所述传递光纤具有渐缩形输出端，所述传递光纤的所述纤芯配置为具有阶跃折射率分布，所述阶跃折射率分布具有沿所述传递光纤的所述输出端变窄的下凹，以便将所述基模的所述环场分布重新成形为所述基模的所述高斯场分布。
7.根据权利要求6所述的SMHP光纤激光器系统，还包括石英光束扩展器，所述石英光束扩展器配置用于扩展接收自所述传递光纤且具有所述高斯场分布的所述基模。
8.根据权利要求I所述的SMHP光纤激光器系统，其中所述MM有源光纤的所述纤芯具有具备增益介质的阶跃折射率分布，在所述纤芯的整个区域或所述纤芯的位于所述纤芯的中央区域和周边区域之间的环形区域掺杂所述增益介质，所述增益介质配置用于实质上仅仅放大所述基模。
9.根据权利要求2所述的SMHP光纤激光器系统，还包括SM无源输入光纤，所述SM无源输入光纤将SM输入辐射发射到所述MM有源光纤的输入端中，所述纤芯沿着所述MM有源光纤的所述输入区域延伸，且所述SM输入光纤的纤芯配置为使得相应单模和基模的模场直径实质上彼此匹配。
10.根据权利要求2所述的SMHP光纤激光器系统，其中所述MM有源光纤的所述纤芯还配置有 截头圆锥形输出变换区域，所述截头圆锥形输出变换区域从所述放大区域开始变窄； 输出端区域，所述输出端区域配置成与端输入区域实质上相同并且从所述输出变换区域开始延伸； 沿所述输出变换区域延伸的下凹，所述下凹配置成使所述基模的所述环场分布逐渐变换为所述基模的沿接合到所述泵浦单元的所述输出端区域进一步传播的所述高斯分布。
11.根据权利要求10所述的SMHP光纤激光器系统，其中所述泵浦单元配置有 熔接到所述MM有源光纤的MM中央信号无源光纤，所述中央光纤具有配置成与所述MM有源光纤的输出端纤芯区域模式匹配的纤芯，以便无损耗地接收并引导具有所述高斯分布的所述基丰吴; 多个周边光纤，围绕所述中央信号无源光纤并将所述泵浦光束传递到所述MM有源光纤的覆层中，所述覆层包围所述MM有源光纤的所述纤芯的所述输出端区域。
12.根据权利要求11所述的SMHP光纤激光器系统，其中沿着所述输入端区域和输出端区域延伸的所述中央下凹相对小，以实质上防止高斯场分布失真，延伸穿过所述放大区域的所述下凹大于沿着端区域的下凹并且配置成支持所述基模的环场分布。
13.根据权利要求2所述的SMHP光纤激光器系统，其中所述泵浦单元配置有 所述泵浦光束的光源；以及 馈送MM光纤，接收所述泵浦光束，并且具有沿着所述MM有源光纤的伸展部分延伸并可操作地连接到该伸展部分的部分，所述伸展部分实质上沿所述纤芯的放大区域延伸。
14.根据权利要求13所述的SMHP光纤激光器系统，还包括信号MM无源光纤，所述信号MM无源光纤的一端熔接到所述MM有源光纤的输出端区域，并且配置有尺寸与所述MM有源光纤的输出端纤芯区域实质上相同的纤芯，以提供所述基模到所述信号光纤的所述纤芯的实质上无损耗耦合。
15.根据权利要求14所述的SMHP光纤激光器系统，还包括MM传递光纤，所述MM传递光纤熔接到所述中央信号光纤的另一端，使得所述基模实质上无损耗地耦合到所述传递光纤的纤芯中而不会耦合到HOM，相应的熔接的有源光纤、信号光纤和传递光纤的纤芯每个都具有具备所述中央下凹的阶跃折射率分布。
16.根据权利要求13所述的SMHP光纤激光器系统,其中所述传递光纤的所述纤芯具有输出截头圆锥形变换区域，所述输出截头圆锥形变换区域变窄到均匀尺寸的输出区域，所述下凹配置有 相对小的宽度，选择所述相对小的宽度用于沿着相应的有源光纤和传递光纤的相对输入端区域和输出端区域保持所述基模的所述高斯场分布； 相对大的宽度，选择所述相对大的宽度用于在相应的有源光纤和传递光纤的变换输入区域和变换输出区域之间保持所述基模的所述环分布；以及 逐渐扩大和变窄的宽度，选择所述逐渐扩大和变窄的宽度用于沿着所述有源光纤和传递光纤的相应变换输入区域和变换输出区域，分别将所述基模的所述高斯分布成形为所述基模的环分布和将所述基模的环分布成形为所述基模的高斯分布。
17.根据权利要求16所述的SMHP光纤激光器系统,还包括石英光束扩展块。
18.根据权利要求10所述的SMHP光纤激光器系统，其中所述泵浦单元配置有 所述泵浦光束的光源；以及 馈送MM无源光纤，所述馈送MM无源光纤接收所述泵浦光束并且具有沿着所述纤芯的所述放大区域延伸并可操作地连接到所述MM有源光纤的渐缩形部分。
19.根据权利要求19所述的SMHP光纤激光器系统,还包括 SM信号光纤，熔接到所述MM有源光纤的输出端纤芯区域并配置为实质上与所述MM有源光纤的输出端纤芯区域相同，使得具有所述高斯场分布的所述基模耦合到所述信号光纤中，而实质上无损耗和HOM激发；以及 MM无源传递光纤，具有熔接到所述SM信号光纤的输出端的输入端，所述输入端被配置为实质上与所述SM信号光纤的输出端相同，使得具有所述高斯分布的所述基模耦合到所述传递光纤的纤芯的输入区域中，而实质上无损耗和HOM激发。
20.根据权利要求19所述的SMHP光纤激光器系统，其中所述MM无源传递光纤的所述纤芯具有从所述纤芯的所述输入区域扩展的截头圆锥形区域，以及大于所述丽无源光纤的所述输入区域的中央区域。
全文摘要
一种高功率单模光纤激光器系统具有有源光纤，有源光纤包含共同延伸的多模纤芯(MM)和包围MM纤芯的覆层。根据本公开的一方面，MM纤芯掺杂有一种或多种选自稀土金属和过渡金属的离子并具有瓶颈截面。瓶颈截面包含较小且均匀尺寸的输入端区域、截头圆锥形区域和较大且均匀尺寸的放大区域。MM纤芯的阶跃折射率配置成具有中央下凹，中央下凹沿所述输入区域成形并定尺寸，以免扰乱基模的高斯场分布，逐渐地将高斯场分布变换为基模的环分布并且沿着放大区域支持后者。根据另一方面，纤芯还具备具有输出变换区域，其中逐渐使环形场分布成形为高斯场分布的下凹被输出端区域进一步无失真地支持。根据第一方面和第二方面配置的结构使用多种端和侧泵浦布置。
文档编号H01S3/067GK102668273SQ201080044065
公开日2012年9月12日 申请日期2010年12月2日 优先权日2009年12月3日
发明者尼古拉·S·普拉托诺夫, 瓦伦丁·P·盖庞特瑟夫, 瓦伦丁·弗明, 迈克尔·弗亚特金 申请人:Ipg光子公司