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激光器系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及一种分别可操作用于发射数十kW量级的平均功率输出和数十mW量级 的峰值功率输出的大功率光纤激光器系统，该输出基本为基模。具体地，本公开涉及一种紧 凑型单模（"SM"）大功率光纤激光器系统，配置有多个未约束且间隔开的放大器以及栗浦 光输出光纤，所有的栗浦光输出光纤被直接耦接到远程激光头，其中远程激光头沿着反向 传播方向将栗浦光重新导入放大器的输出端。
【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引起大量光纤激光 器在输出功率、光束质量、整体效率、紧凑型和波长范围方面具有优秀的性能。通常由于如 下所述的若干因素，使得对输出功率的追求成为可能：对大模式直径双包层（"LMADC"）光 纤的研究、半导体二极管栗浦源的功率和亮度的增加。
[0003] 对有源DC光纤的研究与增加的纤芯尺寸相关联，增加纤芯尺寸降低了由于较大 模场面积而引起非线性效应（"NLE"）的发生几率，改善了纤芯与包层面积比并增强了栗浦 吸收率。然而，基本仅支持SM的大直径纤芯还对阶跃折射率型光纤强加重要限制。如光纤 激光器领域技术人员所公知，SM光纤特征在于具有归一化频率参数V=Rco , 大约等于2. 402,其中Rco是纤芯半径，An是ncore2_nclad2。因此，为了防止在DC光纤中 产生高阶模，应大幅减小光纤的NA，这样导致纤芯的传导性减弱，进而导致光纤对弯曲损耗 过度敏感。
[0004] 对现代激光二极管栗浦源的研究还可能有助于增加连续功率和亮度，尤其当将二 极管栗浦源结合LMDC光纤使用时。然而，由于许多因素（包括光纤放大器的公知几何形 状，其中光纤放大器的公知几何形状限制光纤器件的可缩放性，如下所述），栗浦功率的等 级并非无限制的。
[0005] 考虑到包括栗浦/DC配置的光纤系统，栗浦吸收率取决于放大光纤的纤芯/包层 直径比。由于对高阶模（"H0M"）的激发和放大，无法将纤芯尺寸放大为大于特定值，其中 如果激发高阶模，则高阶模立即将输出光的质量降低到可接受等级以下。受限的纤芯尺寸 还抑制包层的尺寸，这是由于否则将无法接受地缩小纤芯/包层直径比，进而将降低栗浦 光的亮度和吸收率。因此，对包层和纤芯直径的限制影响栗浦光的量，转而限制光纤放大器 的功率。
[0006]目前，光纤激光产业已转向通常在放大器链的输出级使用的晶体光纤棒，来解决 光纤放大器的可缩放性。基于空气孔包层技术，晶体光纤棒包括双包层结构，其中内包层限 定直径增加的栗浦纤芯。
[0007] 光纤棒的掺杂纤芯具有非常小的NA，并由通常具有低掺杂浓度的熔融硅石/石英 制成。上述特性可以不利地影响基于光纤棒的激光器系统的可缩放性，如下所述。
[0008] 低数值孔径（通常不超过约0. 0. 2)根据激光系统操作在CW模式还是脉冲模式 下，限制为了实现kW-MW范围的超大功率所需的可以耦合到纤芯的大功率栗浦光的数量。 因此，可以仅将足够量的栗浦光耦合到栗浦纤芯/内包层中。光纤激光领域的技术人员应 认识到，包层耦合的栗浦光的吸收率大约比纤芯耦合的栗浦光的吸收率低8倍。因此，为了 完全利用包层耦合的栗浦光，光纤棒的长度应在几十（通常超过50)厘米到几米之间改变。 因此，即使是最短的可用光纤棒仍由于存在NLE而受到不利影响。当然，后者严重限制了激 光功率的可缩放性。
[0009] 低浓度的离子（诸如镱（"Yb"））通常大约为700ppm。在这种低掺杂浓度下，栗 浦光的吸收率也是较低的。例如，在一些应用中，需要使用920nm下的Nd掺杂光纤激光栗 浦源。然而，较小浓度的Yb掺杂物在920nm下的吸收率相对较低。为了提供足够的吸收， 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，转而，限制放大器功率的 可缩放性。
[0010] 光纤棒的开放端结构同样存在问题。通常，可以仅通过微光学器件实现将输入信 号发射穿过空气隙。当然，微光学器件使整个激光器的配置变得复杂，使其变得麻烦和昂 贵。在间隙或孔中存在空气降低了热传导特性。具体地，空气孔减慢了冷却，转而可能损坏 棒本身并引起环境变得危险。
[0011] 已知的大功率光纤激光系统还没有实现紧凑性，由于这些系统通常用于有线的空 间，紧凑性是非常需要的。除了非常长的光纤波导之外，原则上，公知的系统包括较长的传 输无源光纤，将放大后的信号光导向需要激光处理的工作件或表面。由于局部需要，实际上 不限制传输线缆的长度，传输线缆的长度可以到达几十米且更长。除了紧凑性之外，使用无 源光纤传输线缆还影响功率损耗。应直接地或间接地将传输线缆熔接到放大器光纤的输 出，这样可能导致信号光的接头功率损耗。在竞争性极高的大功率光纤激光系统的世界中， 即使较低的功率损耗仍是不希望的。
[0012] 因此，需要一种放大光纤，配置为沿着相对较短的光纤长度大于约90%地吸收几 个kW多模（"MM"）栗浦光并发射基本为基模的多kW输出。
[0013] 还需要一种上述的放大光纤，配置为其NA明显大于常规LMADC光纤的NA。
[0014] 还需要具有直接向激光头传输已放大的栗浦光的上述放大器光纤的超大功率光 纤激光系统。
[0015] 还需要一种超大功率光纤激光系统，配置具有发射栗浦光的多kW栗浦系统，其中 所述栗浦光被可控地耦接到放大光纤的内包层的所需区域。
【发明内容】
[0016] 根据本公开，所公开的大功率光纤激光器系统可操作用于发射基本为基模的多 kW(例如约20和更高kW)的信号光。所述系统配置有固定控制台，包括一个或多个阁柜，每 个阁柜包括栗浦源、可选的初级放大级联器件（cascade)、电子器件、冷却系统和发射大功 率SM输出的所有其它器件。便携式激光头设置有导光光学器件并与控制台相隔。光纤放 大器或增量器穿过的传输线缆延伸在控制台和激光头之间。多个栗浦光传输光纤延伸在自 由空间上，并直接沿反向传播方向向配置有体光学器件的激光头传输栗浦光，体光学器件 配置为将栗浦光重新导引增量器的输出端，其中所述增量器还被直接耦接到激光头。
[0017] 增量器的几何形状包括未约束的双包层（"DC"）放大MM光纤，配置有光纤部和光 纤棒部，光纤部和光纤棒部共同限定瓶颈形的横截面。因此，光纤部的几何形状包括均匀尺 寸的小径输入端纤芯区域，尺寸设计为支持从上游SM无源光纤接收的SM。光纤棒部配置有 沿光纤棒部扩展的并具有均匀尺寸输出端的纤芯区域，能够支持多个高阶模（"HOM"。）由 于模式变换锥形部位于输入和输出纤芯部之间，这种配置用于增加在放大光纤中激励的SM 的MFD，而不显著放大HOM、提升栗浦功率和减小光纤长度来提高非线性效应的阈值。
[0018] 根据所公开的栗浦方案的一个实施例，包层接收耦合到光纤棒的输出端内的栗浦 光。包层可以设置有特殊掺杂的环形区域，将包层分为内部子包层和外部子包层，从而通过 增加纤芯/包层比来最大化对栗浦光的吸收。由于将环形区域设计为将栗浦光限制在内部 子包层中，增加纤芯/包层比变得有可能。
[0019] 本公开的另一方面包括将大功率的MM栗浦光栗浦到光纤棒的大径纤芯。栗浦光 特征在于其NA小于内部子包层的NA，更优选地，小于纤芯部的NA，其中纤芯部的NA基本等