具有分布式模式吸收器的大功率光纤激光器系统的制作方法

具有分布式模式吸收器的大功率光纤激光器系统的制作方法
【专利摘要】包层吸收器单元被设置在大功率光纤激光器系统的无源光纤上，并且操作为俘获和去除沿光纤的波导包层传播的模式。模式吸收器配置有这样的优选长度，使得可以以局部化方式，在整个长度上基本上均匀地去除所述包层光。以均匀方式去除包层光的吸收器包括注入了漫射体的基质材料。
【专利说明】具有分布式模式吸收器的大功率光纤激光器系统

【技术领域】
[0001] 本公开涉及大功率光纤激光器系统。具体地，本公开涉及配置有包层模式吸收器 的光纤，所述包层模式吸收器操作为去耦合在包层中导引的不期望的光。

【背景技术】
[0002] 大功率光纤激光器系统（"HPFLS"）典型地配置有一个或多个放大级联装置，每一 个放大级联装置包括通过多模（MM)泵浦光侧面或端面泵浦的有源光纤。多模（MM)泵浦光 并非总是被完全吸收，并且在聚合物保护外壳下面沿光纤的内包层继续传播，所述聚合物 保护外侧具有比石英的折射率小的折射率。随着当前泵浦源的功率增加，在包层中导引的 这种残余泵浦光大到kW级别并不是罕见的。光纤会经历弯曲和其他机械应力，这会导致将 不期望的kW包层光导向易被损坏的外壳的微畸变。
[0003] 可能损坏保护外壳的不期望的包层光的另一个来源包括光纤之间的熔接区域。熔 接的光纤并非总是尺寸均匀的和/或并非完美熔接在一起的，这会产生在熔接区域中激励 MM光的有利条件。这种不期望的光也沿包层传导，并且叠加至未被吸收的泵浦光的已有的 大功率上。同样，从激光处理表面背向反射的大功率光可被耦合到包层中，并且因此对可以 将保护外壳加热到临界温度的大功率做出贡献。
[0004] 另外，在大功率SM光纤激光器系统中，在包层中导引的MM福射可能损坏光纤的末 端区域。最后，大功率SM激光器系统中的单模传输光纤的输出端处的MM光的存在会影响 SM信号光的质量。基于前述内容，MM包层光是非常不理想的，并且应该被去除。
[0005] 参考图1，典型地，大功率光纤激光器系统配置有无源光纤10,其位于放大增益模 块下游，并且将放大的信号光传输至将要由信号光进行处理的表面。光纤10包括导引信号 光的纤芯12、支持不期望的MM包层光的波导包层14、以及防止MM光逃出包层14的聚合物 保护外壳16。可选地，传输光纤10还具有折射率小于包层14的折射率的外包层。如上所 述，沿波导包层14导引的MM光是非常不理想的并且是危险的，因此应该将其从波导包层14 中去耦合。
[0006] 配置用于去除包层光并且将光能转换为热能的装置被称为包层模式吸收器或剥 离器（"CMA"或"CMS"）。典型地，CMS是沿一个或多个无源光纤的长度设置的，所述无源 光纤例如是剥离保护外壳18并且配置有折射率大于石英（即波导包层14)的折射率的传 输光纤。
[0007] 已知的CMS的一些结构限制包括低的热传导率，其导致了大功率包层光的局部去 除。已知的硅树脂吸收器通常允许将具有在约100至约400W范围内变化的功率的包层光 去耦合，认为所述功率不会特别损坏硅树脂和/或其他光学部件。然而，这种功率范围容限 对于现代的几 kW的大功率光纤系统而言是不够的，在所述大功率光纤系统中去除高于约 400W的功率可能将CMS加热到可能容易损坏CMS和其他光学部件的温度。
[0008] 同样，MM光包括高数值孔径（"NA"）光和低NA光。高NA光以相对较大的角度传 播，并且可能容易被吸收。然而，以最高至约45°的角度传播的低NA光很少被吸收，并且因 此在几乎没被吸收的情况下继续传播。到达系统输出时，没被吸收的MM光显著恶化了输出 信号光的质量。
[0009] 因此，需要一种大功率CMS，其结合大功率光纤激光器系统一起使用，并且配置为 从波导包层最大程度地去耦合MM包层光。
[0010] 还需要一种CMS，其配置为沿其整个长度提供对包层光的基本上均匀分布的吸收。
[0011] 还需要一种具有耐高温结构的大功率CMS。


【发明内容】

[0012] 通过所公开的包层模式剥离器（"CMS"）来满足这些和其他需求。CMS配置有这 样的优选长度，使得在去除的包层光的最大耗散光功率下到达的温度不会超过所需的安全 级别。
[0013] 根据本公开的一个方面，基于硅树脂的CMS配置有这样的长度，使得实现了从波 导包层去除丽光是沿CMS的长度基本上均匀分布的。实现所公开的CMS的优化结构包括 用氧化铝（A1 203)颗粒注入基于硅树脂的基质材料。
[0014] 该基质材料配置有比内包层折射率低的折射率，因此将MM光约束在波导包层。然 而，颗粒被分布在基质材料的体积中，使得周期性地接触导引的MM光，并且逐渐地散射该 MM光。散射的MM光沿各种方向传播，所述方向包括基质材料内的方向。因此，每当包层光 接触颗粒时，散射的MM光的一部分保留在基质材料中。然而，在基质材料中保留的这一部 分光的最大耗散光功率使得基质材料被加热到的温度总是小于已知会损坏基质材料的预 定阈值温度。选择需要的颗粒浓度，以便提供具有优选长度的CMS，MM光去除在CM的所述 优选长度上的分布是基本上均匀的，同时在不超过阈值的温度下加热CMS。
[0015] 根据本公开的另一个方面，CMS至少部分地沿光纤的锥形过渡区域设置。颗粒浓 度和过渡区域的锥角被选择为，使得沿着优化尺寸的CMS从波导包层基本上完全且均匀地 去除高数值孔径（"NA"）模式和低NA模式两者。沿着CMS的优选长度的散射光的最大耗 散光功率以低于阈值温度的温度加热基质材料。

【专利附图】

【附图说明】
[0016] 参考以下附图，所公开的CMS的以上和其他特征将变得更加清楚明白，其中： [0017] 图1是配置有CMS的现有技术光纤结构的截面图；
[0018] 图2是配置有所公开的包层模式吸收器（"CMS"）的大功率光纤激光器系统 ("HPFLS"）的简图；
[0019] 图3是所公开的CMS的截面图；
[0020] 图4是根据本公开一个方面公开的光纤的简图；
[0021] 图5是图4的配置有图3所公开的CMS的光纤的简图；
[0022] 图6是配置有包括所公开的CMS的吸收器的组合的光纤的简图。

【具体实施方式】
[0023] 现在将详细参考所公开的模式包层吸收器以及合并了所述吸收器的大功率光纤 激光器系统。在可能的情况下，在附图和描述中使用相同或类似的附图标记来标识相同或 类似的部件或步骤。附图只是简化形式而不是按精确比例绘制的。只是为了方便和清楚的 目的，方向性术语可以相对于附图页的平面来使用，并且不应该解释为限制范围。除非另有 明示，说明书和权利要求中的用语和措词赋予光纤激光器领域的普通技术人员普通和惯常 的含义。所公开的光纤系统可被配置为SM系统或者MM系统，并且按照脉冲化和/或连续 波方式操作。
[0024] 图2说明了大功率光纤激光器系统100的示意图，例如，所述大功率光纤激光器 系统被配置为具有主振荡器125、放大器150和至少一个泵浦175的主振荡器功率放大器 ("ΜΟΡΑ"）结构。泵浦175发射泵浦光，所述泵浦光沿与正向传播信号光的方向相对的方 向奉禹合到放大器150中，所述正向传播信号光例如可以是在高功率级别下在放大器150的 下游按照单模（"SM"）或多模（"多模"）辐射的。当然，系统100可以包括具有任意数目 的振荡器和/或放大器的各种结构，所述数目可以在单个器件和多个光纤器件之间变化。
[0025] 如所示的，典型的增益模块（无论是放大器150还是振荡器125)配置有掺杂有稀 土离子的有源光纤13、以及熔接至有源光纤13的相应末端的两个无源光纤。例如，放大器 150放大信号光，该信号光沿系统100经由传输无源光纤18朝着待激光处理的表面导引。 包层模式剥离器（"CMS")20可以设置在系统100的任意方便的部分。例如，包层模式剥离 器可以沿传输光纤18设置。作为光纤18的替代或补充，CMS20可以沿耦合在系统100的 增益模块之间的无源光纤21设置，并且将来自泵浦175的未吸收泵浦光"清除"出光纤21 的波导包层。
[0026] 图3说明了配置有其外围具有CMS20的伸展段的无源光纤21的横截面。光纤21 包括同心配置的纤芯23、内波导包层25和保护外壳。如激光领域的普通技术人员已知的， 去除外壳的一部分以便为CMS20提供空间。可选地，光纤21可以具有反射型包层，这里未 示出。
[0027] 根据本公开的一个方面，CMS20包括弹性基质材料31，所述弹性基质材料围绕包 层25并且具有比该包层的折射率低的折射率。然而，硅树脂基质材料31(例如硅凝胶）包 含多种添加剂33,例如分布在基质材料31的体积（包括包层25和基质材料31之间的界 面）中的氧化铝A1203颗粒/漫射体/添加剂。这些添加剂33不吸收光，而是对光进行散 射。散射典型地是全方向的，所述散射在光和颗粒33之间的接触点将一些光留在基质材料 31内。
[0028] 颗粒33的浓度和分布被选择为，沿吸收器20的长度提供从包层25基本上均匀去 除丽光。因此，长度被调节为使得发生丽光的基本上均匀的去除，去除丽光的最大耗散 光功率以小于预定热阈值的温度加热CMS，所述预定热阈值是已知的会损坏系统100的吸 收器和其他光学部件的热阈值。
[0029] 通常，如果颗粒被减小到小于MM光的波长的较小尺寸，则颗粒33的尺寸可以影响 CMS20的折射率。一旦CMS20的折射率发生改变，即增大至大于包层25的折射率，则MM包 层光的散射可以变成单向的。
[0030] 图4说明了与多包层模式的不同传播角度相关的本发明的另一个方面。如已知 的，沿光纤25的包层传播的MM光可以包括具有相对较大数值孔径（"NA"）的模式和具有 相对较小NA的模式。当光沿具有均匀横截面的光纤（例如区域34)传播时，反射角度α? 保持恒定。较大的ΝΑ模式可以容易地基本沿光路的初始伸展段接触光纤的外围并且被去 除。然而，低ΝΑ模式沿着区域34可能根本不接触外围。
[0031] 根据本公开的这一方面，光纤配置有锥形过渡区域32。如所示的，一旦光接触锥 形区域或过渡区域32的表面，只要光传播通过该过渡区域，光就按照逐渐增大的角度α弹 回。换言之，角度α 1〈α 2〈α 3〈α 4〈α 5,依此类推。
[0032] 除了参考图4之外，还参考图5,锥形区域32配置有锥角β，所述锥角被选择为提 供具有优选长度的CMS20,其中沿所述优选长度基本上均匀地去除不期望的ΜΜ光，其中去 除丽光的最大耗散功率低于CMS20的给定基质材料的热阈值。换言之，沿CMA的热负荷是 平滑的，尽管高ΝΑ光是沿光路的上游初始伸展段从光纤去除的，而低ΝΑ光在被沿光路的延 伸通过锥形区域32的下游伸展段去除之前，通过锥形恒定地转换为逐渐变大的ΝΑ。
[0033] 具体地参考图5,无源光纤21的优选结构之一包括相对的末端区域22和22'，每 一个末端区域均具有均匀的相对较小的直径。依赖于系统100的局部要求，末端区域可以 是均匀配置的，也可以不是均匀配置的。光纤21进一步配置有两个锥形区域或过渡区域32 和32'，以及直径大于末端区域的中心区域。通常，图5的光纤21的横截面指的是沿纵轴 Α-Α'得到的双瓶颈形状纵向横截面。
[0034] CMS20可以设置在末端区域22和中心区域34之间，并且可以终止于这些区域中。 例如，为了将涂层38边缘的烧熔最小化，例如沿中心区域34的约20cm并且还沿整个锥形 区域32剥离涂层38的一部分。随后这样设置的开口例如用化合物质量体进行填充，所述 化合物质量体包括高至约60 %百分比的添加剂33。随后，可以将CMA20放置在具有?50cm 的弯曲直径的增益模块外壳中。这样配置的CMS已经被测试出能够在大于120°C的温度下 安全地操作。CMS20的位置可以更改并且基本上仅包括过渡区域32。
[0035] 基于如述内容，耗散光功率的最大级别依赖于CMA的长度。娃树脂材料中的颗粒/ 漫射体浓度以及锥形区域的锥角被选择为，使得在最大耗散功率级别下以安全温度下加热 基质材料。改变两个参数（漫射体浓度和过渡区域的锥角）允许实现在最大可能功率级别 下将不期望的多个包层模式（包括高数值孔径和低数值孔径）基本上均匀地去除和随后发 射，
[0036] 参考图6,光纤21可以分别配置有两个或多个CMS20和46。如上所述，光纤21包 括纤芯52、至少一个或多个包层25和保护外壳30。CMS46可以是具有基本上局部发射的传 统硅树脂吸收器。为了保护吸收器46和其他光学部件，耗散功率不应该产生大于热阈值的 温度。因此，有可能配置具有所公开的吸收器20的光纤21，所述吸收器操作用于按照安全 且有效的方式去除MM包层的较大部分，因此只留下了整个MM光的一小部分，所述一小部分 MM光在CMS20的下游在期望的相对较低的温度下由吸收器46有效地去除。
[0037] 在不脱离本公开的精神和必要特征的情况下可以对所公开的结构进行多种变化。 因此，旨在将上述描述中包含的所有主题解释为仅是说明性的而不是限制性的，本公开的 范围由所附权利要求限定。
【权利要求】
1. 一种用于大功率光纤激光器系统的包层模式剥离器"CMS"单元，包括： 无源光纤，其配置有纤芯、围绕所述纤芯的至少一个波导包层和所述包层上涂覆的聚 合物外壳，所述聚合物外壳具有定义了终止于包层平面中的开口的不连续表面；以及 包层模式剥离器"CMS"，其填充所述开口以便覆盖所述包层的暴露部分，所述CMS配置 为沿CMS的整个长度从包层基本上均匀地去除MM光，去除MM光的最大耗散光功率在比将 损坏所述CMS的热阈值低的温度下加热CMS。
2. 根据权利要求1所述的CMS单元，其中所述CMS包括折射率小于包层折射率的基质 材料和在所述基质材料中注入的并散射入射到所述CMS上的MM光的多个漫射体，使得MM 的去除沿所述CMS的整个长度基本上均匀地分布。
3. 根据权利要求2所述的CMS单元，其中所述漫射体的注入浓度被选择为在整个长度 上提供所述CMS，所述长度的尺寸优选地被调节为在所述最大耗散功率下沿所述长度从包 层均匀去除丽光。
4. 根据权利要求1所述的CMS单元，其中所述基质材料包括硅树脂树脂，并且所述漫射 体包括氧化铝颗粒。
5. 根据权利要求2所述的CMS单元，其中所述无源光纤具有相邻的中心均匀尺寸区域 和锥形区域，所述锥形区域至少部分地与所述CMS共同延伸、并且具有选择为在整个长度 上提供所述CMS的锥角，所述整个长度的尺寸优选地被调节为使得在所述最大耗散功率下 MM光的去除沿所述长度基本上均匀地分布。
6. 根据权利要求5所述的CMS单元，其中所述无源光纤还具有第一和第二末端区域， 所述第一区域与一个锥形区域邻接，以及另一个锥形区域桥接所述第二末端区域和中心区 域，所述CMS在均匀尺寸的中心区域和第一末端区域之间延伸。
7. 根据权利要求6所述的CMS单元，其中所述第一和第二区域均具有比中心区域的横 截面小的横截面，所述第一和第二末端区域具有统一的配置或不同的配置，并且所述锥形 区域是均匀配置的或非均匀配置的。
8. 根据权利要求7所述的CMS单元，其中所述一个锥形区域比所述另一个锥形区域长。
9. 根据权利要求5所述的CMS单元，其中所述锥角被选择为使得所述CMS操作为去除 MM光的低数值孔径模式。
10. 根据权利要求1所述的CMS单元，还包括吸收器，所述吸收器位于所述CMS下游，并 且操作为局部地去除没有被所述CMS剥离的MM光的剩余部分。
11. 一种制造用于光纤激光器系统的包层模式吸收器单元的方法，所述光纤激光器系 统包括多个无源光纤，每一个无源光纤均配置有纤芯、围绕所述纤芯并且能够导引不期望 的多模"MM"光的至少一个包层和所述包层上的聚合物外壳，所述方法包括： 在所需位置处去除所述外壳的一部分，从而在所述外壳中形成开口以便暴露一定长度 的包层；以及 配置具有优选长度的包层模式剥离器"CMS"，使得当在所述开口内将所述CMS应用于 包层时，所述CMS操作为沿所述CMS的优选长度基本上均匀地去除MM，去除MM的最大耗散 光功率小于将损坏所述CMS的热阈值。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中对所述CMS的配置包括： 提供折射率比包层折射率小的基质材料； 将光散射漫射体注入所述基质材料；以及 选择所述漫射体的浓度以便提供具有所述优选长度的CMS，在所述优选长度上所述漫 射体以最大耗散光功率基本上均匀地散射MM光。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述基质材料包括硅树脂，并且所述散射漫射 体包括AL203颗粒。
14. 根据权利要求11所述的方法，其中提供无源光纤包括：拖拽所述纤芯和包层，使得 具有均匀配置的中心区域和至少一个锥形区域，所述锥形区域从所述中心区域的一端起按 照所需的锥角延伸，所述锥角被选择为提供具有所述优选长度的CMS。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述锥角被选择为将MM光的低数值孔径"LNA" 模式的角度增加到LNA模式被从包层去除的所需角度。
16. 根据权利要求14所述的方法，其中提供无源光纤包括：拖拽所述纤芯和包层，使得 具有隔开的第一和第二末端区域，其中所述第一末端区域与一个锥形区域邻接，以及另一 个锥形区域桥接所述第二末端区域和中心区域，所述末端区域均具有比所述中心区域的横 截面小的基本上均匀的横截面。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中去除在所述中心区域和所述第一末端区域之间 的保护外壳，使得所述CMS沿一个锥形区域在其整个长度上或者在整个长度的一部分上延 伸。
18. -种大功率光纤激光器系统，包括： 至少一个增益模块，其操作用于发射大功率辐射； 多个光学地耦合至所述增益模块的无源光纤，所述无源光纤均具有纤芯、围绕所述纤 芯并且配置为导引多模"MM"光的至少一个包层、以及所述包层上的外壳，所述无源光纤中 的至少一个的外壳的一部分被去除以便暴露所述包层； 包层模式剥离器"CMS"，其被应用于暴露的包层，并且配置为沿所述CMS的整个长度从 所述包层基本上均匀地去除MM光，去除MM光的最大耗散光功率在比将损坏所述CMS的热 阈值低的温度下加热所述CMS。
19. 根据权利要求20所述的大功率光纤激光器系统，还包括：附加的增益模块和至少 一个泵浦源，所述泵浦源配置为沿与信号光的传播方向相对的方向泵浦所述一个增益模 块，所述增益模块定义了 ΜΟΡΑ结构，其中所述一个增益模块配置为SM功率放大器，并且所 述附加增益模块包括SM主振荡器，配置有CMS的无源光纤是传输光纤或在一个增益模块和 附加增益模块之间的光纤。
20. 根据权利要求18所述的大功率系统，其中所述增益模块操作为发射脉冲式大功率 辐射或者连续大功率辐射，所述辐射按照单模或多模进行发射。
21. 根据权利要求18所述的大功率系统，其中所述CMS包括折射率小于包层折射率的 基质材料以及在所述基质材料中注入的用以散射入射到CMS上的MM光的多个漫射体，使得 MM的去除沿所述CMS的整个长度基本上均匀地分布。
22. 根据权利要求21所述的大功率系统，所述漫射体的注入浓度被选择为在整个长度 上提供所述CMS，所述长度的尺寸优选地被调节为在所述最大耗散功率下沿所述长度从包 层均匀去除丽光。
23. 根据权利要求21所述的大功率系统，其中所述基质材料包括硅树脂，并且所述漫 射体包括氧化铝颗粒。
24. 根据权利要求21所述的大功率系统，其中每个漫射体的尺寸均被调节为使得将MM 光基本上单向散射到所述基质材料中。
25. 根据权利要求19所述的大功率系统，其中所述无源光纤具有相邻的中心均匀尺寸 区域和锥形区域，所述锥形区域至少部分地与所述CMS共同延伸、并且具有选择为在整个 长度上提供所述CMS的锥角，所述整个长度的尺寸优选地被调节为使得在所述最大耗散功 率下MM光的去除沿所述长度基本上均匀地分布。
26. 根据权利要求25所述的大功率系统，其中所述无源光纤还包括第一和第二末端区 域，其中所述第一区域与一个锥形区域邻接，以及另一个锥形区域桥接所述第二末端区域 和中心区域，所述CMS在均匀尺寸的区域和第一末端区域之间延伸。
27. 根据权利要求26所述的大功率系统，其中所述第一和第二末端区域均具有比中心 区域的横截面小的横截面，所述第一和第二末端区域具有统一结构或不同的结构，并且所 述锥形区域是均匀配置的或非均匀配置的。
28. 根据权利要求26所述的大功率系统，其中所述一个锥形区域比所述另一个锥形区 域长。
29. 根据权利要求25所述的大功率系统，其中所述锥角被选择为使得所述CMS操作为 去除丽光的低数值孔径模式。
【文档编号】G02B6/02GK104094483SQ201280062664
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2012年12月19日 优先权日:2011年12月19日
【发明者】瓦伦丁·盖庞特瑟夫, 瓦伦丁·弗明, 米哈伊尔·阿布拉莫夫, 安东·费林 申请人:Ipg光子公司