专利名称：包括泵浦光导向光纤的光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及实现诸如高功率光纤激光器与放大器之类的光纤激光 器与放大器的侧面泵浦的方法及材料。
背景技术：
高功率光纤激光器由于其高效性、简易性及可靠性而已经变得越 来越受欢迎。另外，鉴于其简单的布置结构，因此非常容易耐用。
高功率应用通常使用双包层光纤。这种光纤包括通常掺杂了诸 如稀土离子或其他离子的激光材料的纤芯；包裹着该掺杂纤芯的内包 层，泵浦功率通过该掺杂纤芯进行传输并逐步在该掺杂纤芯中被吸收； 包裹着内包层的外包层，并形成用于泵浦信号的介质波导。内包层的 光学特性与通常用于固态激光器泵浦的高功率二极管激光器非常匹 配。因此，通过使用双包层光纤作为增益材料可以实现高效泵浦。
用于高功率光纤激光器应用的双包层光纤的问题之一是用于注 入光学泵浦功率的端面泵浦方法。端面泵浦为该激光器系统中的每根 光纤提供至多仅仅2个输入端，全部注入功率都通过其进入光纤。这 个物理限制约束了可被用于注入光功率的泵浦源的数量和类型。另外， 当双包层光纤用作功率放大器时，端面泵浦禁止将被放大的信号的简 单注入，并使得耦合光学器件变得笨重和昂贵。
用于商业光纤激光器与放大器的现代高功率泵浦技术通常基于由 二极管激光器执行的端面泵浦。用于光纤激光器应用的一般光纤为可
调输出在980纳米-1200纳米之间(由915纳米或980纳米二极管泵浦) 的掺杂镱离子Yl^+的二氧化硅光纤、用于1550纳米人眼安全(eye-safe)及通讯应用(由980纳米或1480纳米二极管泵浦)的掺杂铒离子Er^ 的二氧化硅光纤、也用于1550纳米应用的Yb3+: Er"二氧化硅光纤， 但是在高功率范围，广泛应用的掺铒光纤并不合适。主要用于2微米 遥感及医疗应用的其他光纤激光器为掺杂铥离子TmS+及共同掺杂钬离 子H^+和铥离子Tm"的二氧化硅光纤。
用于标记、钻孔及其他工业应用的最常用光纤是Yb"光纤，其特 性为高效和耐用。另外，可靠并有效的泵浦二极管可适用于这种镱离 子Y^+激发，同时其较宽的吸收带(25纳米)使得可以使用不需要专 门冷却的泵浦二极管。该光纤的高效率及较高的面积/体积比使可以通 过空气冷却，而不用像固态激光器中麻烦的液体冷却。
然而，如今使用高功率光纤激光器与放大器的主要限制之一是泵 浦耦合技术。参考图1，其示出了高功率光纤放大器中的现有技术的端 面耦合。高功率二极管10通过耦合光学器件12及端面光纤耦合部分 14将光功率泵浦至掺杂稀土的双包层光纤18(例如，掺镱YbS+光纤)。 诸如1.064微米的二极管之类的种光源(seeder) 16可以注入低功率信 号至耦合部分14。耦合部分14可为了抗反射泵浦波长而被包覆起来， 并且可以对信号波长有高反射率。该双包层光纤18可以连接至输出耦 合光学器件20。
然而，由于需要复杂的光学对准及严格的允许误差，端面泵浦技 术限制了耦合效率，降低了光纤激光器系统的坚固性，并且由于使用 昂贵的光学器件，增加了系统成本。当需要迸行高功率光纤放大时， 问题变得更加严重。复杂的光学对准及严格的允许误差连同光纤输入 端的高功率通量，使得此结构复杂、低效、昂贵并且对环境变化非常 敏感。
在现有技术中已经提出了对这些问题的解决方案。例如，Samartsev 等人的美国专利5,999,673描述了在一个多模光纤尾纤与双包层光纤之
5间的耦合，即这样一种光纤，该包层光纤包括直径在几微米的内纤芯
(单模或多模)、第一包层(多模)和第二包层。Samartsev等人试图 沿着非同轴的方向将多模光源功率传输至光纤。
Samartsev等人的耦合包括双包层光纤内包层与泵浦源之间的锥 形环状泵浦导向多模光纤。泵浦导向光纤是锥形的，然后被熔入双包 层光纤的内包层，其中，该熔融区域刚好充分包含了泵浦导向光纤的 全部锥形区域而无其他。然而，泵浦导向光纤的发散角as以及双包层 光纤的多模内包层的发散角af必须满足以下关系
af = k as
其中k是大于1的常数。
有趣的是使用k<=l的泵浦导向光纤，因为这些泵浦导向光纤比满 足1<>1条件的泵浦导向光纤能够传输更多的功率，正如Samartsev等人 的描述。满足k〈-l的泵浦导向光纤比k>l的泵浦导向光纤有更高的数 值孔径，因此，高功率、低亮度的泵浦二极管光可以有效地耦合至这 些光纤，反之，正如Samartsev等人的描述中，在满足k〉1的泵浦导 向光纤的情况下，耦合效率低。
Sintov在PCT申请案PCT/IL2004/000512中描述了一种使用两根 光纤的由两部分组成的附连部分的方法，其中一部分是直的，另一部 分为锥形的。该方法允许使用满足k>l的泵浦导向光纤，比起Samartsev 等人提出的，这种方法可以进而使更多泵浦功率被更高效地耦合。
在上述的两种附连方法及其他方法中，熔融技术使泵浦导向光纤 与双包层光纤内包层的附连过程变得复杂，使得泵浦导向光纤与双包 层光纤内包层的模图案(mode pattern)变形，这可能导致较低的耦合 效率。另外，由于需要高的温度水平，熔融附连技术使得双包层光纤 掺杂纤芯变形。较高的变形可能性在光纤激光器与放大器性能中均有 所牵连，比如保持光束质量以及维持放大信号的偏振态，尤其是涉及保偏纤芯时。
因此，较有利的是，在上述两种耦合方法或其他方法中，使用非 熔融技术以将泵浦导向光纤附连于双包层光纤。这些非熔融技术应该 保持熔融接合(splicing)的优点，例如在恶劣环境下的高功率传输能 力、强度以及耐久性。非熔融技术的一个例子就是通过使用光学粘合 剂作为泵浦导向光纤与双包层光纤内包层之间的光学中间材料，其与 组成所述两部分光纤的玻璃有相似的光学特性。
然而，通常使用的将泵浦导向光纤附连于双包层光纤内包层的紫 外线固化或基于环氧树脂的光学粘合剂的机械性能较差并且损伤阈值 低。因此，通过上述及其他泵浦耦合技术可传输的最大允许功率仅仅 在几瓦的范围之内。高于这个数值，光学粘合剂就会受到损伤，而且 会累及泵浦导向光纤与双包层光纤的内包层之间的耦合效率。
发明内容
本发明旨在为实现高功率光纤激光器与放大器的侧面泵浦而提供 一种简单、有效、坚固以及低成本的用于泵浦导向光纤及有源双包层
光纤之间的侧面耦合光学中间粘合材料。本发明可以包括泵浦导向光 纤，该泵浦导向光纤光学地侧面耦合至双包层光纤的内包层，并采用
泄漏导模(leaky guiding mold)，该泄漏导模通过中间材料从泵浦导向 光纤耦合至接收的有源双包层光纤。双包层光纤可用于形成光纤激光 器或光学放大器。如下文详细描述，溶胶-凝胶衍生的材料可以用作所 述两部分光纤之间的中间粘合剂。
在光纤激光器与放大器的高功率泵浦合成器中的溶胶-凝胶衍生 材料的使用可以降低侧面耦合器的损伤阈值，增大所述两部分光纤附 连的机械强度，并易于使高功率泵浦注入有源光纤，而不引起有源光 纤纤芯的任何变形。与诸如紫外固化粘合剂或基于环氧树脂的粘合剂 的其他光学粘合剂相比，溶胶-凝胶产物更加坚固，更便宜，更加有效，以及可以调节侧面耦合器到更高的功率。
本发明参考附图在此仅通过举例进行说明，其中
图1是高功率光纤放大器中的现有技术的端面耦合的简化框图2是根据现有技术使用溶胶-凝胶衍生材料作为中间材料的高功
率双包层光纤激光器或放大器的侧面耦合的简化框图3是根据本发明的实施例构造并实施的在图2的侧面耦合中使
用的锥形光纤的简化图示；
图4是根据本发明的实施例在图2中的侧面耦合中使用的六角形
双包层光纤的简化截面图5是根据本发明的实施例的在双包层光纤的所供应的内包层周
围的缠绕的预先锥形化的泵浦导向光纤纤芯的图示，目的是通过使用
溶胶-凝胶衍生材料作为中间材料而制造侧面耦合器。
具体实施例
现参考图2，其示出了根据现有技术发明(Shitov ， PCT/IL2004/000512)的实施例构造并实施的诸如高功率双包层激光器 或放大器之类的光纤激光器或光学放大器的侧面耦合。这里提到的所 有专利和文献的内容均以引用的方式并入本文中。
泵浦导向光纤30可以包含光纤包层31、光纤纤芯32以及附连部 分(attachment section) 33。正如图3所示，纤芯32通过沿着所需的 附连部分33剥离掉光纤包层31后被露出。附连部分33可以包含直芯 部分34以及锥形芯部分35。泵浦导向光纤30在其一端可光学连接于 泵浦源29，例如但不限于，半导体二极管激光器。泵浦导向光纤30在 其另一端通过附连部分50被附连在可能是双包层的接收(也可被称为 有源或放大)光纤40的内包层42上。附连部分50可由泵浦导向光纤 30的直芯部分34和锥形芯部分35、接收光纤40的内包层42以及中 间溶胶-凝胶材料51组成，从而实现良好的机械粘合以及泵浦导向光纤
830与接收光纤内包层42之间良好的光学接触。
正如图4所示，接收光纤40可包括但不限于保护外套41、外包层 44、内包层42以及掺杂纤芯43，其可以包含掺杂稀土纤芯，例如但不 限于，掺杂镱离子Yl^+的二氧化硅光纤、掺杂铒离子Ei^+的二氧化硅 光纤、共同掺杂镱离子Yl^+和铒离子Er"的二氧化硅光纤、掺杂铥离 子Ti^+的二氧化硅光纤及共同掺杂钬离子1103+和铥离子Tm"的二氧 化硅光纤。附加的包层45可以加在掺杂纤芯43及内包层42之间，从 而形成了多包层光纤。接收光纤40的内包层42可以是非对称的，其 可以帮助降低或消除螺旋模的演变，因为这些模与掺杂纤芯43不重叠。 内包层42可以是圆形或者非圆形对称的形状，例如但不限于，矩形、 D形、六角形(此例在图4中示出)或任何其他形状。
在本发明中，泵浦导向光纤30的直芯部分34和锥形芯部分35均 使用粘着的中间溶胶-凝胶衍生材料51来附连在双包层光纤40上，该 衍生材料51的折射率应当与两部分附连的光纤的折射率接近地相同。
另外，在本发明中，这里描述并在图2中所示的装置可以被折射 率低于1.4的低折射率光学材料包覆，以便形成粗糙的元件，并在恶劣 的环境条件下保持稳定。包封层材料的低折射率特性被用来保持如图2 所示的装置的导向性能。另外，当高功率将从泵浦导向光纤30传输至 双包层光纤的内包层42时，包封覆层形成了向周围环境的排热媒介。
在本发明中，相互作用部分50包括溶胶-凝胶衍生材料51。溶胶-凝胶是一种众所周知的用于在低温下(低于玻璃熔点)制备具有良好 光学性能玻璃的技术。溶胶-凝胶处理涉及金属醇盐的水解，之后跟随 着是一连串縮合及縮聚反应。同时经历水解及縮合的二氧化硅溶胶-凝 胶系统的基本反应为
"Si(OR)4+4"H20 <~~>"Si(OH)4+4"ROH [1]
"Si(OH)4,Si02+2wH20 [2]有关溶胶-凝胶处理的化学反应的更详细信息的可参考以下书籍 及文章
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溶胶-凝胶衍生材料的将来的分类包括结合了无机玻璃以及有机 聚合物或有机染料的优点的有机/无机混合材料。溶胶-凝胶有机/无机混 合材料的应用已经在大范围的研究著作及专利中有所报道，例如
*D.Avnir, D丄evy and R.Reisfeld, J.Phys.Chem.88, 5956 (1984).
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例如，用于实施图2所示的泵浦合成器或其他侧面耦合方法的一个实施例可包括溶胶-凝胶衍生中间材料51,该材料51可以是快速溶胶-凝胶产物。快速溶胶-凝胶是溶胶-凝胶玻璃制备的一个单个步骤方法。在这种情况下，可以在比较短的时间内从烷氧基硅烷和烷基烷氧基硅烷单体快速制备无裂纹、高度透明的玻璃。这些前体单体的变化在实现的所需的聚合物的特性方面具有灵活性。该方法在Haruvy等人的美国专利5， 357， 015 ( 1994)及文章A.Gutina， Y.Haruvy， I.Gilath,E.Axelrod， N.Kozlovich, and Y.Feldman, J.Phys.Chem.B ， 103(26),5454-5458(1999)中有详细描述。
实现图2所示的泵浦合成器或其他侧面耦合方法的另一个实施例可以包括溶胶-凝胶衍生中间材料51，该材料51可以是能制成薄膜的溶胶-凝胶衍生材料的其他组合。这些材料表现出使用在光纤和波导光学器件中的前景。制成溶胶-凝胶衍生中间材料51的其他溶胶-凝胶方法的例子在下列文章中有所陈述
*Y.Sorek, R.Reisfeld， I.Finkelstein and S.Ruschin， Appl.Phys丄ett.,66,10 ( 1995).
*R.Gvishi, G.RuIand, and P.N.Prasad, Optics Commun.， 126,66(1996).
*F.Del Monte, P.Cheben and C.P.Grover, J.D.Mackenzie, Jowwa/ o/So/-Ge/ 5Wewce rec/zwo/og乂 15， 73(1999),
以关于使用快速溶胶-凝胶衍生材料作为中间材料的本发明的一个实施例的测试为例，在预先锥形化的圆形泵浦导向硬包层光纤30(200微米，数值孔径NA-0.4倍纤芯)与双包层光纤(400微米，数值孔径NA-0.36倍六边形内包层)之间的耦合效率达到93%。附连部分33的整体长度为50毫米，其中，直芯部分34长度为42毫米，锥形部分长度为8毫米。
图5所示的是附连的另一种优选方法。在这种方法中，可以根据所需的直芯部分34和锥形部分35的长度预先锥形化泵浦导向光纤30，然后将预先锥形化的泵浦导向光纤30的附连部分33缠绕在接收光纤40的内包层42周围。在缠绕之前，两部分光纤可以均浸没于溶胶-凝胶衍生材料36中。通过缠绕光纤，在遍及附连部分33的两部分光纤之间形成光学接触点。通过在缠绕的光纤30及接收光纤40周围产生足够的热量，从而固化溶胶-凝胶衍生材料，并且在附连和固化期间同时轻微地拉两根光纤以在两者之间建立更好的接触，在固化的几小时后高功率泵浦耦合器就可以使用。
本领域的技术人员应意识到，本发明并不仅限于以上所特别说明和描述的内容。本发明的范围包括以上所描述的特征的组合和子组合以及其修改和变化，本领域的技术人员在阅读前面的描述后将会想到这些修改和变化，而且这些修改和变化并未在现有技术中。
1权利要求
1. 一种光学装置，包括泵浦导向光纤(30)，该泵浦导向光纤包括光纤包层(31)、纤芯(32)以及附连部分(33)，所述附连部分(33)包括直芯部分(34)和锥形芯部分(35)，所述泵浦导向光纤(30)在其一端被光学连接于泵浦源(29)，并且所述泵浦导向光纤(30)在其另一端通过一附连部分(50)被附连在接收光纤(40)的内包层(42)上，所述附连部分(50)包括所述泵浦导向光纤(30)的所述直芯部分(34)和所述锥形芯部分(35)，其特征在于所述泵浦导向光纤(30)的所述直芯部分(34)和所述锥形芯部分(35)均通过中间溶胶-凝胶材料(51)附连在所述接收光纤(40)上。
2. 根据权利要求1所述的光学装置，其中所述中间溶胶-凝胶材料 (51)在所述泵浦导向光纤(30)与所述接收光纤的内包层(42)之间 实现了良好的机械粘合以及良好的光学接触。
3. 根据权利要求l所述的光学装置，所述中间溶胶-凝胶材料(51) 的折射率与所述泵浦导向光纤(30)及所述接收光纤(40)的折射率接近地相同。
4. 根据权利要求l所述的光学装置，所述的光学装置被折射率低 于1.4的低折射率光学材料包覆。
5. 根据权利要求l所述的光学装置，其中所述中间溶胶材料(51) 包括快速溶胶-凝胶产物。
6. 根据权利要求1所述的光学装置，其中所述中间溶胶-凝胶材料 (51)包括能够被制成薄膜的溶胶-凝胶衍生的中间材料(51)。
7. 根据权利要求l所述的光学装置，其中一泄漏导模通过所述中 间溶胶-凝胶材料(51)将所述泵浦导向光纤(30)耦合至所述接收光纤(40)。
8. 根据权利要求l所述的光学装置，其中所述附连部分(33)被 缠绕在所述内包层(42)周围，并且在缠绕之前，所述泵浦导向光纤 (30)及所述接收光纤(40)被浸没在所述中间溶胶-凝胶材料(36)中。
全文摘要
一种包含泵浦导向光纤(30)的光学装置，该导向光纤包括光纤包层(31)、纤芯(32)、以及包括直芯部分(34)和锥形芯部分(35)的附连部分(33)；所述泵浦导向光纤(30)在其一端被光学连接于泵浦源(29)，并且所述泵浦导向光纤(30)在其另一端通过一附连部分(50)附连在接收光纤(40)的内包层(42)上；所述附连部分(50)包括所述泵浦导向光纤(30)的直芯部分(34)和锥形芯部分(35)，其特征在于所述泵浦导向光纤(30)的直芯部分(34)和锥形芯部分(35)均通过中间溶胶-凝胶材料(51)附连在所述接收光纤(40)上。
文档编号H01S3/067GK101485054SQ200780025412
公开日2009年7月15日 申请日期2007年7月2日 优先权日2006年7月5日
发明者亚伯拉罕·恩格兰德, 奥里·卡茨, 格利特·斯特鲁姆, 约阿夫·钦托夫, 雅各布·格利克, 雷兹·格维什 申请人:索雷克核研究中心