高功率单模纤维源的制作方法
【专利摘要】一种光学设备，包括：一个或多个泵浦源，被安置以提供激光泵浦光；以及增益纤维，被光学耦合到所述一个或多个泵浦源，所述增益纤维包括活性掺杂的芯、内包层和外包层、以及聚合物包层，所述活性掺杂的芯被安置以产生输出光束，所述内包层和外包层包围掺杂的芯且被安置以传播泵浦光，所述聚合物包层包围所述外包层且被安置以导引泵浦光的选择部分耦合到所述增益纤维的内包层和外包层内。泵浦纤维源的方法，包括：从一个或多个泵浦源生成泵浦光；将所述泵浦光耦合到所述纤维源的一个增益纤维的一个玻璃内包层和一个玻璃外包层内使得泵浦光的一部分通过包围玻璃外包层的一个聚合物包层被导引；以及从所述增益纤维生成单模输出光束。
【专利说明】
高功率单模纤维源
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求享有2015年1月26日提交的美国临时专利申请No.62/108,015的权益， 该美国临时专利申请W整体引用的方式纳入本文。
技术领域
[0003] 本公开内容设及高功率单模纤维激光和放大器。
【背景技术】
[0004] 高平均功率纤维源的功率缩放趋向于受发射到纤维源的增益纤维内的累浦功率 W及该纤维内的非线性光学过程的开始的限制。解决运些限制常常需要平衡相互矛盾的设 计目标，运导致的折衷会消极地影响关于总输出功率、光束质量、功率转换效率(wall-plug efficiency)、可靠性、成本、复杂度和/或可制造性方面的系统性能。随着输出光束功率接 近大约IkW或更大，对于能够产生多种应用高度期望的单模输出光束的源，功率缩放问题往 往尤其严重。
【发明内容】
[0005] 根据一方面，一种光学设备，包括:一个或多个累浦源，其被安置W提供激光累浦 光；W及增益纤维，其被光学地禪合到所述一个或多个累浦源，所述增益纤维包括活性渗杂 的忍(actively doped core)、内包层和外包层、W及聚合物包层，所述渗杂的忍被安置W 产生输出光束，所述内包层和外包层包围所述渗杂的忍且被安置W传播累浦光，所述聚合 物包层包围所述外包层且被安置W导引累浦光中的选择部分被禪合到所述增益纤维的所 述内包层和所述外包层内。
[0006] 根据另一方面，一种累浦高功率纤维源的方法，包括:从一个或多个累浦源W累浦 波长生成累浦光;将所述累浦光禪合到所述纤维源的一个增益纤维的一个玻璃内包层和一 个玻璃外包层内使得所述累浦光的一部分通过包围所述玻璃外包层的一个聚合物包层被 导引；W及从所述增益纤维生成单模输出光束。
[0007] 从下面参考附图进行的详细描述中，所公开技术的前述和其他的目的、特征和优 点将变得更加明了。
【附图说明】
[000引图IA是一个代表性增益纤维的横截面视图。
[0009] 图IB是图IA的代表性增益纤维的侧截面视图。
[0010] 图IC是图IA-图IB的纤维横截面的折射率分布图。
[0011] 图2-图5示出纤维源的代表性实施方案的示意图。
[0012] 图6是一种累浦增益纤维的代表性方法的流程图。
【具体实施方式】
[OOU]如在本申请和权利要求书中使用的，单数形式的"一个(a)"、"一个(an)" W及"所 述(the)"包含复数形式，除非上下文另有明确指示。此外，术语"包會'意指"包括"。另外，术 语"禪合"不排除在禪合项之间存在中间元件。
[0014] 本文描述的系统、设备和方法不应被理解为W任何方式进行限制。而是，本公开内 容指向多个公开的实施方案(单独地W及彼此间W多种组合和子组合的方式）的所有新颖 的且非显而易见的特征和方面。所公开的系统、方法和设备既不限制于任何具体的方面或 特征或其组合，也不需要呈现任何一个或多个具体的优势或解决任何一个或多个具体的问 题。任何操作理论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法和设备不限于运样的操作理 论。
[0015] 尽管为了方便呈现而对一些公开的方法的操作W特定的顺次次序进行了描述，但 是应理解，运种描述方式包含了重新排列，除非下面陈述的具体的语言需要特定的次序。例 如，在一些情况下，顺次描述的操作可W被重新排列或被同时地执行。此外，为了简单起见， 附图可能未示出公开的系统、方法和设备可W与其他系统、方法和设备结合使用的多种方 式。此外，本说明书有时使用术语比如"产生"和"提供"来描述公开的方法。运些术语是对执 行的实际操作的高水平抽象。对应于运些术语的实际操作将依赖于具体的实施方式而改 变，且可容易被本领域的普通技术人员识别。
[0016] 在一些实施例中，值、程序或设备被称作"最低"、"最好"、"最小"或诸如此类。将理 解，运样的描述旨在表明可W在许多使用的功能替代方案间进行选择，且运样的选择不必 更好、更小或W其他方式优于其他选择。参考一些被表示为、更小或W其above)"、"在…W 下(below)"、"上(upper)"、"下（lower)"和诸如此类的方向描述实施例。运些术语是出于方 便描述而使用的，而且不暗示任何特定的空间定向。
[0017] 如在本文中使用的，光学福射指波长在大约IOOnm到10皿之间、且典型地在大约 500皿到2WI1之间的电磁福射。基于可获得的激光二极管源和光学纤维的实施例通常与在大 约SOOnm到1700nm之间的波长相关联。在一些实施例中，传播的光学福射被称为具有可W取 决于光束波长和用于光束成形的光学系统的直径、光束横截面面积W及光束散度的一个或 多个光束。为了方便起见，光学福射在一些实施例中被称为光，且不必是可见波长的光。
[0018] 参考光学纤维描述代表性实施方案，但是可W使用具有正方形横截面、矩形横截 面、多边形横截面、卵形横截面、楠圆形横截面或其他横截面的其他类型的光学波导。光学 纤维典型地由渗杂的(或未渗杂的）W提供预定折射率或折射率差的二氧化娃(玻璃)形成。 在一些实施例中，取决于感兴趣的波长，纤维或其他波导由其他材料诸如氣错酸盐、氣侣酸 盐、氣化物或憐酸盐玻璃、硫族化物玻璃、或者结晶材料诸如蓝宝石制成。二氧化娃和氣化 物玻璃的折射率典型地是大约1.5,但是其他材料诸如硫族化物的折射率可W是3或更大。 在再一些实施例中，光学纤维可W部分由塑料形成。在典型的实施例中，渗杂的波导忍诸如 纤维忍响应于累浦提供光学增益，且忍和包层是近似同轴的。在其他实施例中，忍和包层中 的一个或多个是偏屯、的，且在一些实施例中，忍和包层定向和/或位移沿着波导长度变化。
[0019] 如在本文使用的，数值孔径(NA)指传播的光学福射大体上被限制的光学波导所限 定的相对于传播轴线的最大入射角度。在光学纤维中，纤维忍和纤维包层可W具有相关联 的NA,典型地分别由忍和包层之间的折射率差限定或者由相邻的包层之间的折射率差限 定。当W运样的NA传播的光学福射被大致良好地限制时，相关联的电磁场诸如渐逝场典型 地延伸到相邻的包层内。在一些实施例中，忍NA与忍/内包层折射率差相关联，且包层NA与 内包层/外包层折射率差相关联。对于具有忍折射率neore和包层折射率nelad的光学纤维，纤
维忍NA是 具有一个内忍和一个与该内忍相邻的外忍的光学纤 维，包层N 其中runner是内包层的折射率且nouter是外包层的折 射率。上文所讨论的光束还可W被称为具有与光束角半径相关联的光束NA。虽然下文描述 了多忍阶跃折射率纤维，但是也可W使用梯度折射率设计。
[0020] 在本文公开的实施例中，波导忍诸如光学纤维忍渗杂有稀±元素(诸如NcUYb、化、 Er)或其他活性渗杂剂或其组合。运样的活性渗杂的忍可W响应于光学累浦或其他累浦提 供光学增益。如下文所公开的，具有运样的活性渗杂剂的波导可W被用来形成光学放大器， 或如果被设置有合适的光学反馈(诸如，反射层、镜、布拉格光栅或其他反馈机构），运样的 波导可W生成激光发射。光学累浦福射可W被安排W在波导内相对于发射的激光束或放大 的光束的传播方向同向传播和/或反向传播。
[0021] 在此使用术语亮度指的是每立体角度(solid angle)每单位面积的光束功率。在 一些实施例中，光束功率被设置有产生W下光束的一个或多个激光二极管，所述光束的立 体角度与光束波长和光束面积成比例。光束面积和光束立体角度的选择可W产生将选择的 累浦光束功率禪合到双包层光学纤维、=包层光学纤维或其他多包层光学纤维的一个或多 个忍或包层内的累浦光束。
[0022] 图IA-图IB和图IC分别是一个代表性=包层光学增益纤维100的横截面图解和相 关联的折射率分布图。光学增益纤维100包括渗杂有活性离子一-诸如镜、巧、其他稀±元 素、或适合于光学增益的其他元素一一的忍102。玻璃内包层104包围忍102且具有适当地低 于忍102的折射率W便导引在忍102中生成的激光W通过全内反射沿着忍轴线传播。玻璃外 包层106包围玻璃内包层104且具有适当地低于内包层104的折射率，从而限制具有特定NA 的用代表性射线108示出的激光累浦光在玻璃内包层104内传播，包括通过忍102。低折射率 聚合物包层110包围玻璃外包层106且具有适当地低于外包层106的折射率W便还导引具有 比在玻璃包层104内导引的累浦光更大的NA的激光累浦光。用代表性射线112示出的运样的 累浦光因此被导引W在外玻璃包层106和内玻璃包层104内传播，包括通过忍102。穿过忍 102的导引累浦光在活性渗杂剂中产生激发态W提供光学增益。运样的增益可W导致总体 在忍102内传播的输出光束。套管114或其他材料可W被安置W包围聚合物包层IlOW保护 纤维100免受损害。
[0023] 增益纤维100的多种参数被选择使得在与内包层104相关联的玻璃导引区域和与 外包层106相关联的聚合物导引区域之间分配禪合到增益纤维100内的累浦光。W此方式， 在没有困难的制造公差、没有对增益纤维弯曲半径的精确控制或调节、或没有其他麻烦的 包装约束条件的情况下，与增益纤维100相关联的代表性输出光束功率可W被缩放到IkW或 更大同时维持系统可靠性、可制造性W及单模操作。增益纤维，诸如增益纤维100使得能够 使用简单的累浦源将单模纤维源的功率缩放到IkW或更大。因此，可W获得运样的较高功率 单模纤维源，其具有典型地与较低功率单模纤维源和较低功率多模纤维源相关联的一定水 平的可靠性、可制造性、稳定性和实用性。虽然在图IA-图IB中描绘了大致圆形的包层横截 面和大致六边形的包层横截面，但是将理解不同的包层可W使用其他横截面，包括正方形、 八边形、楠圆形、卵形等，包括用于不同包层的不同形状。还应理解，虽然描绘了一律平的和 尖锐的阶跃折射率分布图，但是可W提供其他折射率变化，包括在包层边界处的变化或在 包层内的变化。此外，其他元件或区域可W被布置在纤维100内，诸如，应力棒或其他偏振保 持元件W及一个或多个附加的渗杂剂。包层横截面还可W是非对称的。例如，内包层104或 外包层1〇6(或二者)可W偏离忍102的中屯、。
[0024] 在代表性实施例中，忍102渗杂有镜W获得大约IOSOnm的激光输出，且具有大约13 WIl的直径W获得稳健的单模光束质量。相关联的光束的对应的光束参数乘积通常小于 0.4mm-mrad，对应于大约1.2M 2或更好的M2。使用约2kW的累浦功率可W获得大约1.5kW的单 模输出光束功率。可W选择最高达800W的累浦功率W通过低折射率聚合物包层110被导引 W在外包层106内传播，但是此量根据其他纤维属性(诸如，纤维长度、忍尺寸、包层直径）W 及其他因素(诸如，工厂清洁度、制造过程成熟度和控制、工具作业W及装备质量、操作员技 术水平等）的选择可W更大或更小。在一些实施例中，通过低折射率聚合物包层110导引 5%、20%、40%或更多的累浦光。在一些实施例中，省略聚合物包层且外包层/空气界面限 定外包层NA。
[0025] 虽然增益纤维100的忍102通常可W被选择成单模，但是在一些实施例中可W使用 多模忍或少模忍。在运样的忍中，忍直径和相关联的NA可W被选择成使得在具有典型的纤 维公差和包装W及对应的卷绕尺寸的情况下通过用于基模的优先增益或较高阶模的损耗 (或二者）的方式提供单模操作。换言之，在实现单模性能中不太关注为了优化弯曲半径而 对纤维规格的仔细控制或对包装的仔细限制，导致较少的设计约束或妥协。
[0026] 内包层104的直径和外包层106的直径W及在内包层104和外包层106之间分配的 累浦光的量可W取决于禪合到增益纤维100的累浦光的亮度。例如，对于给定的包层直径， 较亮的累浦将使总累浦功率中的较大部分被禪合到较低NA玻璃内包层104内。在增益纤维 100的代表性实施例中，忍102是NA小于大约0.08的活性渗杂的二氧化娃，且玻璃内包层104 是NA为大约0.23的二氧化娃，且由于可W是氣化丙締酸醋的低折射率聚合物110的存在，玻 璃外包层106是NA为大约0.46的捕获光的氣娃酸盐玻璃。多种包层直径的选择可W是多维 优化且取决于系统细节，包括系统的期望的输出功率、可用累浦亮度、忍设计、制造能力等。 在代表性实施例中，内包层直径可W在200WH-250皿的范围内，且外包层直径可W在220皿-300皿的范围内选择。
[0027] 然而，通过利用本文描述的累浦功率的选择性分配，可W提供足够小的玻璃外包 层直径，运导致本来小的忍中的足够的累浦吸收使得在不利的非线性过程开始之前在生成 可W超过IkW的输出功率中可W使用适当短的纤维长度。换言之，纤维长度参数常常由在忍 中累浦光的吸收确定，在忍中累浦光的吸收最典型地由忍横截面面积和包层横截面面积之 比确定。可W通过W损耗单模输出为代价增加忍直径或通过增加纤维长度但是W生成非线 性过程为代价来获得增加的累浦吸收。对于累浦化增益纤维，一个常规的方法是使用具有 较低量子数亏损的累浦光，即具有较接近输出波长的波长，诸如980nm的累浦光。然而，由于 根据在此的实施方案的多个方面通过聚合物包层110仅导引一小部分累浦功率，因此可W 在不依靠较不可靠的或更昂贵的累浦技术的情况下使用高亮度、高可靠性的915nm累浦源 来生成IkW或更大功率的单模输出光束。非线性过程典型地包括受激拉曼散射(SRS)、受激 布里渊散射(SBS)、自相位调制（SPM) W及四波混频(FWM)。在一些实施例中，增益纤维的长 度可W被选择成足够短，运是由于累浦功率的如下分配:与光学非线性的生成相关联的带 外功率是输出光束的功率的20%或更少。在附加的实施例中，与光学非线性的生成相关联 的带外功率是输出光束的功率的5%或更少，1%或更少，或大体上是零。
[0028] 根据本文的实施例，与通过玻璃外包层106导引大体上所有累浦光的情况相比，对 于给定的忍设计，作为结果的每单位长度的累浦吸收显著较高，且对应的增益纤维长度可 W显著较短。因此，忍102的直径可W被选择成使得维持高功率输出光束的单模操作。因此， 可W获得玻璃包层纤维的功率处理益处而没有与其相关联的常规的单模功率缩放限制。考 虑到用现代累浦源可获得的亮度，可获得大于IkW的纤维源输出功率同时即使当在诸如 900皿-940nm、910皿-930皿或915nm实际波长下累浦时为稳健的单模操作维持足够小的忍 直径。在代表性增益纤维中，纤维振荡器长度可W在10m-30m的范围内。当与累浦组合器一 起使用时，典型的累浦源产生具有适合于将功率禪合在纤维忍中W及在内包层和外包层中 的NA的累浦光束。
[0029] 参考图2,代表性纤维激光系统200包括通过累浦递送纤维206禪合到累浦组合器 204的多个累浦源202。累浦源202每个均可W提供相同的累浦输出功率和亮度或它们可W 是不同的。累浦组合器204可操作W将来自累浦源202的入射累浦光组合在一个具有所选择 的NA分布的组合累浦输出中。组合的累浦输出被光学地禪合到单模增益纤维208。增益纤维 208被布置在纤维布拉格光栅210、212之间，每个布拉格光栅均具有被选择成在与增益纤维 忍中的活性元素相关联的激光波长下提供激光操作的反射性。例如，光栅210在激光波长下 可W具有高反射率，诸如，90%、95%、99%或更高。光栅212可作为用于增益纤维208的输出 禪合器操作且可W具有与期望的激光输出功率相关联的反射率。递送纤维214被禪合到增 益纤维208且可W被用来将高功率单模输出光束216递送到目标。增益纤维208的参数被选 择成使得禪合到增益纤维208的累浦功率被分配为通过外包层被导引和通过包围该外包层 的低折射率包层(诸如，聚合物包层)被导引。
[0030] 如在图3中示出的，纤维激光系统300包括具有通过累浦组合器306禪合到纤维振 荡器增益纤维304的具有选择的NA的多个累浦源302。增益纤维304的输出可W接着通过随 后的纤维放大器增益纤维308被放大使得纤维激光系统300W主振荡器功率放大器配置操 作。递送纤维310被禪合到纤维放大器增益纤维308W便接收放大的单模输出光束312用于 随后递送到目标或用于随后应用在更大的激光系统中，诸如，变得被组合在单模纤维组合 器中。纤维振荡器增益纤维304和纤维放大器增益纤维308包括包围相应的渗杂忍的玻璃内 包层和玻璃外包层使得累浦光被分配W实现高功率单模输出。
[0031] 参考图4,纤维激光系统400包括多个累浦源402,所述多个累浦源被禪合到累浦组 合器404 W将来自所述多个累浦源的累浦光禪合到纤维振荡器增益纤维406的输入端420 内。一个或多个附加累浦源408在纤维布拉格光栅416、418之间禪合到增益纤维406内，例 如，通过接头或累浦组合器。一个或多个附加累浦源410通过增益纤维406的输出端422禪合 到增益纤维406内。递送纤维412提供高功率单模输出光束414W用于随后的激光束应用。增 益纤维406的参数被选择且累浦功率NA被选择成使得对于禪合到增益纤维208内的累浦功 率该累浦功率的一部分通过一个外包层被导引且另一部分通过包围该外包层的较低折射 率包层被导引。
[0032] 参考图5,纤维激光系统500包括多个累浦源502,所述多个累浦源通过光学器件 504自由空间地禪合到增益纤维506内。递送纤维508被禪合到增益纤维506且被安置W递送 高功率单模输出光束510W用于随后的应用。增益纤维506W及禪合在其中的累浦光NA的参 数被选择成使得累浦功率的一部分通过一个外包层被导引且另一部分通过包围该外包层 的较低折射率包层被导引。
[0033] 图6是示出提供高功率激光束的代表性方法600的一个实施例的流程图。在602处， 从一个或多个累浦源W累浦波长生成累浦光。可W选择相对大的量子数亏损的累浦波长， 诸如，短于大约930nm的累浦波长W用于增益到IOSOnmW上。在604处，累浦光被禪合到增益 纤维的玻璃内包层和玻璃外包层使得该累浦功率的相当大一部分在包围渗杂忍的内包层 周围安置的外包层中传播。典型地，包围外玻璃包层的低折射率聚合物包层至少部分地限 定外包层NA。在606处，从增益纤维生成高功率单模激光输出光束。W此方式产生的单模输 出光束可W具有IkW或更大的功率并且没有常规方法的缺点。
[0034] 鉴于所公开的技术的原理可W应用到许多可能的实施方案，应认识到例示的实施 方案仅是代表性的实施例且不应被认为限制本公开内容的范围。在运些部分中具体提到的 替代方案仅仅是示例性的且不构成在此所描述的实施方案的所有可能替代方案。例如，在 此所描述的系统的多种部件可W在功能和用途上组合。因此，我们要求享有在所附权利要 求的范围和精神内的所有权利。
【主权项】
1. 一种光学设备，包括： 一个或多个栗浦源，其被安置以提供激光栗浦光；以及 增益纤维，其被光学地耦合到所述一个或多个栗浦源，所述增益纤维包括活性掺杂的 芯、内包层和外包层、以及聚合物包层，所述掺杂的芯被安置以产生输出光束，所述内包层 和外包层包围所述掺杂的芯且被安置以传播栗浦光，所述聚合物包层包围所述外包层且被 安置以导引栗浦光的选择部分被耦合到所述增益纤维的所述内包层和所述外包层内。2. 根据权利要求1所述的设备，其中耦合到所述增益纤维内的栗浦光具有的NA大于所 述内包层的NA。3. 根据权利要求1所述的设备，其中所述栗浦光具有的波长在910nm到920nm之间。4. 根据权利要求1所述的设备，其中所述芯是少模芯。5. 根据权利要求1所述的设备，其中所述一个或多个栗浦源被安置以将至少50W或更多 的栗浦光耦合到所述增益纤维内以通过所述聚合物包层被导引。6. 根据权利要求1所述的设备，进一步包括一个栗浦组合器，所述栗浦组合器被安置以 接收来自所述一个或多个栗浦源的栗浦光并且将所述栗浦光组合到一个栗浦组合器纤维 输出中，该栗浦组合器纤维输出被耦合到所述增益纤维。7. 根据权利要求1所述的设备，其中所述一个或多个栗浦源被安置以将800W或更少的 栗浦光耦合到所述增益纤维内以通过所述聚合物包层被导引。8. 根据权利要求1所述的设备，其中内玻璃包层的NA在0.20和0.26之间。9. 根据权利要求1所述的设备，其中外玻璃包层的NA在0.40和0.52之间。10. 根据权利要求1所述的设备，其中所述输出光束具有的波长在l〇〇〇nm到1200nm之间 且所述栗浦光具有的波长短于930nm。11. 根据权利要求1所述的设备，其中所述增益纤维的长度是基于所述栗浦光到玻璃内 包层和玻璃外包层内的耦合而选择的，以允许所述输出光束的功率是lkW或更大且是单模 的，其中所生成的带外光学非线性功率是所述输出光束的功率的20%或更少。12. 根据权利要求11所述的设备，其中所述带外光学非线性功率是所述输出光束的功 率的5 %或更少。13. 根据权利要求1所述的设备，其中耦合到所述增益纤维内的栗浦光的40%或更少通 过所述聚合物包层被导引。14. 根据权利要求1所述的设备，其中所述增益纤维是纤维振荡器。15. 根据权利要求1所述的设备，其中所述增益纤维是主振荡器纤维放大器。16. 根据权利要求1所述的设备，其中所述输出光束功率是1.5kW或更大。17. -种栗浦高功率纤维源的方法，包括： 从一个或多个栗浦源以栗浦波长生成栗浦光； 将所述栗浦光耦合到纤维源的一个增益纤维的一个玻璃内包层和一个玻璃外包层内， 使得所述栗浦光的一部分通过包围所述玻璃外包层的一个聚合物包层被导引；以及 从所述增益纤维生成单模输出光束。18. 根据权利要求17所述的方法，其中所述栗浦光的10%或更多通过所述聚合物包层 被导引。19. 根据权利要求17所述的方法，其中所述栗浦光具有的波长在910nm到920nm之间。20. 根据权利要求17所述的方法，其中所述增益纤维的长度是基于所述栗浦光到所述 玻璃内包层和所述玻璃外包层内的耦合而选择的，以允许所述输出光束的功率是lkW或更 大且是单模的，其中所生成的带外光学非线性功率是所述输出光束的功率的20%或更少。21. 根据权利要求20所述的方法，其中所述带外光学非线性功率是所述输出光束的功 率的5 %或更少。22. 根据权利要求17所述的方法，其中所述聚合物包层导引50W或更多的栗浦光。
【文档编号】H01S3/067GK105826798SQ201610051671
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年1月26日
【发明人】D·A·V·克莱纳, R·L·法罗
【申请人】恩耐公司