本实用新型涉及一种放大光学设备，且更具体地说，本实用新型涉及一种用于提供光学放大的放大光学设备。本实用新型与激光器和光学放大器具有相关性，且特别与高功率光纤激光器和光纤放大器具有相关性。
背景技术：
高功率光纤激光器在激光打标、切割、焊接钎焊和包层以及诸如增材制造等新应用中具有重要的工业应用。高功率光纤放大器可以被部署在高峰值功率脉冲系统中以及定向能系统(其中来自多个光纤放大器的输出光束被组合成单个光束)中。随着光纤激光器和光纤放大器的应用领域的扩展，从每一光纤(在光束组合前)发射的平均功率正从大约100W增加到1kW、2kW或更高。不幸的是，随着功率的增加，非线性效应开始变得越来越重要，并且最终限制了可从光纤发射的功率。这对于单模光纤或针对定向能应用开发的窄带(<20GHz) 放大器而言尤其重要。通过减小光纤激光器或光纤放大器内的放大光纤的长度可以降低这些非线性效应，该长度主要由耦合到放大光纤中的泵浦辐射的吸收长度决定。因此存在减小高功率光纤激光器和光纤放大器中放大光纤的吸收长度的需要。
光纤激光器和光纤放大器优于诸如镱铝石榴石(YAG)激光器和二氧化碳 (CO2)激光器等更传统的激光器和放大器的优点是电光转换效率(wall plug efficiency)。电光转换效率被定义为光纤激光器发射的输出功率与驱动该激光器及其辅助装备(诸如水冷却器或制冷器)所需的电功率之比。在工业和定向能应用中，高电光转换效率是有益的。通过减小放大光纤的吸收长度可以增大电光转换效率。因此存在减小高功率光纤激光器和光纤放大器中放大光纤的吸收长度的进一步需要。
包层泵浦在“High Power Fiber Lasers:A Review(高级功率光纤激光器：回顾)”IEEE量子电子学选题杂志、2014年9月/10月，Zervas和Codemard，文章编号0904123中被描述。在传统端面泵浦光纤激光器中，通过在放大光纤中引入方位角不对称性(诸如其内包层上的小面(facet))来减小放大光纤的吸收长度。这种特殊的几何形状改善了泵浦吸收，从而减小了放大光纤的吸收长度。通常使用具有多边形包层的光纤。然而，加工这种小面在光纤制造过程中引入了额外的步骤，这会增加泵浦光散射(从而增加损耗并降低电光转换效率)并且使光纤芯更难以与外包层的表面保持同心。因此存在减小放大光纤的吸收长度而不增加散射损耗或制造复杂度的需要。
PCT专利申请No.WO00/67350描述了包括至少两个光纤区段的光纤布置，每个光纤区段具有外部纵向延伸表面，并且外部纵向延伸表面彼此光学接触。如在对应的欧洲专利No.EP 1,873,874 B1中所描述的，该光纤布置可被用来制造用于提供光学放大的放大光学设备。光纤区段之一可以是泵浦光纤，而另一光纤区段可以是放大光纤。输入到泵浦光纤中的泵浦辐射沿着其长度跨耦合到放大光纤。公开了具有非圆形放大光纤或泵浦光纤的光纤布置，但不是为了改善泵浦吸收的目的。事实上，明确指出，该光纤布置消除了对改善的泵浦吸收的特殊几何形状的需要。
本实用新型的目的是提供一种减少上述问题的放大光学设备。
技术实现要素：
相应地，在本实用新型的一个非限制性实施例中，提供了一种用于提供光学放大的放大光学设备，所述放大光学设备包括用于提供泵浦辐射的至少一个泵、至少一个泵浦光纤和至少一个放大光纤，并且所述放大光学设备使得：
●所述泵浦光纤和所述放大光纤被涂覆有公共涂层且沿它们的长度的一部分光学接触，
●所述泵浦光纤在所述公共涂层的两个端部与所述放大光纤分离，
●所述泵浦光纤的分离的端部之一被连接到所述泵，
●所述泵浦光纤和所述放大光纤包括玻璃，
●所述放大光纤包括芯和包层，
●所述芯被掺杂有至少一种稀土掺杂物，
以及所述放大光学设备的特征在于：
●泵浦光纤包括如下形式的模式耦合装置：其折射率随沿至少一个恒定半径的圆的方位角而变化，所述变化具有振幅大于第一和第二方位角谐波的振幅的至少一个方位角谐波，并且由此将泵浦光纤的引导模式耦合到放大光纤的引导模式，放大光纤的引导模式与芯重叠并且可以被芯中的稀土掺杂物吸收。
上面提到的放大光纤的引导模式是指由包层抵靠涂层所引导的那些引导模式。这些模式用于泵浦芯中稀土掺杂物的泵浦辐射。
与不包括模式耦合装置的泵浦光纤相比，该模式耦合装置可以优选地增加了泵浦光纤的引导模式到与芯重叠的放大光纤的引导模式的耦合。模式耦合装置可以使得泵浦光纤的引导模式的至少75％耦合到与芯重叠的放大光纤的引导模式。模式耦合装置可以使得泵浦光纤的引导模式的至少90％耦合到与芯重叠的放大光纤的引导模式。
本实用新型的重要优点在于，通过增加泵浦光纤的引导模式同与芯重叠的放大光纤的引导模式之间的耦合，减小了放大光纤的吸收长度。具有相应的更低损耗的更短的放大光纤可被用于提供相同的光输出功率，但以更大的电光转换效率。也可以获得更高水平的泵浦吸收，从而在达到由非线性效应(诸如受激布里渊(Brillouin)散射和受激拉曼(Raman)散射)引起的功率限制之前能够获得更高的输出功率。另外，通过将模式耦合装置引入到泵浦光纤而不是放大光纤中，在放大光纤的制造中所需的机械处理更少，因此更容易确保芯同心度。需要芯同心度以便以低光学损耗来将光纤接合在一起。为了不降级电光转换效率，且为了避免接头处的热失控(其可能导致灾难性的损坏)，低损耗接头是重要的。
模式耦合装置可包括泵浦光纤的非圆形横截面。该非圆形可以包括在泵浦光纤的外表面上的至少一个小面。该小面可以是平的。该小面可以是凹的。可以采用其他形状的小面。
模式耦合装置可包括泵浦光纤中的至少一个掺杂玻璃区域。模式耦合装置可以包括至少三个掺杂玻璃区域。
模式耦合装置可包括在泵浦光纤中的至少一个纵向延伸的孔。模式耦合装置可以包括至少三个纵向延伸的孔。
折射率随方位角的变化也可以经由来自热应力或来自机械应力的施加的光弹性效应来实现。折射率的变化也可以通过将紫外光或来自超快飞秒激光器的光学辐射施加到泵浦光纤来实现。变化可沿泵浦光纤是均匀的，或者可沿泵浦光纤而变。
泵浦光纤可以具有m重方位角对称性，并且其中m至少为3。因子m 可以是4的倍数。因子m可以等于8。因子m可以是素数。
泵浦光纤可以使得该泵浦光纤是非圆形的并且不具有方位角对称性。
放大光学设备可以包括在恒定半径的不同圆处的多个泵浦耦合装置，并且其中恒定半径的每个圆具有振幅大于其他方位角谐波的方位角谐波，并且其中模式耦合装置的布置使得具有最大振幅的方位角谐波编号随半径增加。具有与恒定半径的圆中的至少一个相对应的最大振幅的方位角谐波可以是二次谐波。
放大光纤的包层可以是非圆形包层。
涂层可以是具有小于放大光纤的包层的折射率且小于泵浦光纤的玻璃的折射率的折射率的聚合物。
稀土掺杂物可以选自包括镱、铒、钕、镨、铥、钐、钬和镝的组，或者可以掺杂有过渡金属或半导体。
泵浦光纤可以具有跨其玻璃横截面基本均匀的折射率。
泵浦光纤可以具有第一直径，并且放大光纤可以具有小于第一直径的第二直径。
泵浦光纤和放大光纤可以包括一定长度的被配置有弯曲半径的复合光纤。该弯曲半径可以沿着该长度变化。弯曲半径沿着长度的变化可以改善泵浦光纤的引导模式与放大光纤的与芯重叠的引导模式之间的耦合，从而减小放大光纤的吸收长度。
放大光学设备可以进一步包括沿着放大光纤的长度耦合的至少一个光学元件，该光学元件选自包括偏振器、隔离器、循环器、光栅、光纤布拉格 (Bragg)光栅、长周期光栅、声光调制器、声光可调滤波器、滤光器、克尔 (Kerr)单元、普克尔斯(Pockels)单元、色散元件、非线性色散元件、光开关、调相器、铌酸锂调制器和光学晶体的组。
光栅可以选择包括增益平坦光栅、色散补偿光栅、增益平坦的色散补偿光栅和闪耀光栅的组。
放大光纤可以是具有圆对称的圆。放大光纤的芯和包层中的至少一者可以是渐缩的并且接合到第二光纤。这样的布置与具有非圆形放大光纤的现有技术包层泵浦光纤相比是有利的，因为渐缩的非圆形放大光纤通常增加泵浦辐射和信号辐射中的至少一者的光学衰减。本实用新型的放大光纤的圆对称性避免了这种损耗。
本实用新型还提供了一种光纤激光器，所述光纤激光器包括本实用新型的放大光学设备和用于促进光纤激光器内的光生成的光学反馈布置。
附图说明
现在仅通过示例并且参照附图描述本实用新型的各实施例，附图中：
图1示出了根据本实用新型的放大光学设备；
图2示出了诸如孔之类的具有不同折射率的纵向延伸区域的泵浦光纤；
图3示出了具有方位角不对称包层的泵浦光纤；
图4示出了具有多边形包层的放大光纤；
图5示出了激光器形式的放大光学设备；
图6示出了放大光纤的光学模式；
图7示出了放大光纤的另一光学模式；
图8示出了放大光纤的模式空间；
图9示出了泵浦光纤的模式空间和短暂耦合放大光纤的模式空间；
图10示出了具有四个掺杂区域的泵浦光纤；
图11示出了四侧泵浦光纤；
图12示出了图10和11的光纤中的折射率随方位角的变化以及最强的方位角谐波；
图13示出了不是根据本实用新型的椭圆泵浦光纤；
图14示出了光纤的模式空间映射；
图15示出了从区域IV到区域III的光学模式组的耦合；以及
图16示出了包括多个掺杂区域的非圆形泵浦光纤。
优选实施例
参考图1，示出了用于提供光学放大的放大光学设备10。放大光学设备10 包括用于提供泵浦辐射的至少一个泵11、至少一个泵浦光纤1和至少一个放大光纤2。放大光学设备10使得泵浦光纤1和放大光纤2被涂覆有公共涂层3，并且沿其长度4的一部分进行光学接触。泵浦光纤1在公共涂层3的两个端部 5、6处与放大光纤2分开。泵浦光纤1的分离的端部之一5被连接到泵11。泵浦光纤1和放大光纤2包括玻璃7。放大光纤2包括芯8和包层9。芯8被掺杂有至少一种稀土掺杂物12。放大光学设备10的特征在于：泵浦光纤1包括如下形式的模式耦合装置15：其折射率沿着恒定半径的至少一个圆119的随方位角而变化，该变化具有大于第一和第二方位角谐波的振幅的振幅的至少一个方位角谐波，并且由此将泵浦光纤1的引导模式耦合到放大光纤2的与芯8 重叠的引导模式并且可以被芯8中的稀土掺杂物12吸收。
上面提到的放大光纤2的引导模式是由包层9抵靠涂层3来引导的那些模式。这些模式用于泵浦芯8中稀土掺杂物12的泵浦辐射。
圆119处于泵浦光纤1的横截面中，并且以泵浦光纤1的质量中心为中心。参照图10至图12来描述进一步细节。
与不包括模式耦合装置15的泵浦光纤相比，模式耦合装置15可以优选地增加泵浦光纤1的引导模式与放大光纤2的与芯8重叠的引导模式的耦合。模式耦合装置15可以使得泵浦光纤1的引导模式的至少75％耦合到与芯8重叠的放大光纤2的引导模式。模式耦合装置15可以使得泵浦光纤1的引导模式的至少90％耦合到与芯8重叠的放大光纤2的引导模式。
泵浦光纤1、放大光纤2和公共涂层3优选通过将复合光纤17切割成所需长度，并且从复合光纤17的任一端剥离公共涂层3而从复合光纤17获得。在美国专利No.6,826,335中描述了制造具有圆形泵浦和放大光纤的这种复合光纤的技术，该专利由此并入本文。所述技术包括使用光纤拉丝塔(该光纤拉丝塔具有石墨炉)由与光纤拉丝邻接的硅棒拉制复合光纤，并在拉丝过程中用聚合物涂覆该复合光纤。光纤预制棒具有掺杂有稀土掺杂物12的芯8，并且当拉制时形成放大光纤2。当拉制时，该硅棒形成泵浦光纤1。
复合光纤17的特征在于泵浦吸收长度16，该泵浦吸收长度16是要被稀土掺杂物12吸收的泵浦辐射所需的长度。这通常被定义为要被吸收的耦合到复合光纤17中的泵浦辐射的1/e(约37％)所需的长度，其中“e”是近似等于 2.71828的欧拉数。
本实用新型的一个重要优点是，通过增加泵浦光纤1的引导模式与放大光纤2的与芯8重叠的引导模式之间的耦合，复合光纤17的泵浦吸收长度16被减小。因此，在保持相同或达到甚至更高水平的泵浦吸收的同时减小复合光纤 17的长度4是可能的。具有相应更低损耗的更短放大光纤2可被用于提供相同的光学输出功率，但以更高的电光转换效率。也可以实现更高水平的泵浦吸收，由此在达到由非线性效应(诸如受激布里渊散射和受激拉曼散射)引起的功率限制之前能够获得更高的输出功率。意料之外的是，此技术使得将吸收12dB 至15dB的泵浦辐射所需的复合光纤17的典型长度4能够被从约15m至20m 减小至10m或更少。本实用新型允许更高的光学功率和更大的电光转换效率，而不会出现诸如受激布里渊散射(SBS)或受激拉曼散射(SRS)之类的非线性。
此外，通过将模式耦合装置15引入到泵浦光纤1中而不是放大光纤2中，在放大光纤2的制造中所需的机械处理较少，并且因此更容易确保芯同心度。需要芯同心度以便以低光损耗将光纤接合在一起，特别是在其中可靠工艺的可重复性至关重要的制造环境中。低损耗的光学接头是重要的，以免使电光转换效率降级，并避免接头中的可能导致灾难性损坏的热失控。
放大光纤2优选是大模式面积光纤。这种光纤具有可作为单模光纤操作的多模芯8，从而减少了非线性效应并改善了光束质量。替代地或附加地，芯8 可以是分段芯，可以包括不同折射率的环，或者可以是微结构芯。已知这些设计增加了放大光纤2的基础模式的模式面积。
图1中所示的模式耦合装置15包括围绕泵浦光纤1的圆周的方位角变化。泵浦光纤1具有在其外表面19周围的八个小面18。小面18被示出为平坦的，但是它们可以是凸的或凹的。泵浦光纤1可以具有非圆形横截面和方位角无关的直径1001；这种形状被称为Reuleaux多边形，或恒定宽度的曲线，并且当 (特别是在光纤激光制造环境中)使用标准拼接装备拼接成圆形光纤时，可以在使拼接损耗最小化方面具有某些优点。可以使用二氧化碳激光器或工业研磨机将小面加工到二氧化硅玻璃棒上。替代地或附加地，小面可以在二氧化硅玻璃棒制造期间被直接结合到二氧化硅玻璃棒中。因此可以直接形成正方形、六边形、八边形或其他横截面形状的棒。
图2示出具有模式耦合装置15的复合光纤20，该模式耦合装置15包括提供折射率变化的构造(formation)21。构造21沿着泵浦光纤1的长度延伸。构造21可以包括纵向延伸的区域，该纵向延伸的区域可以是孔、空隙或掺杂玻璃的区域，诸如硼硅酸盐掺杂的应力棒。优选地，构造21的折射率小于周围玻璃7的折射率。复合光纤20也被示出为在其外表面19上具有任选的小面 18。
参考图1所示的泵浦光纤1具有8重方位角对称性。参考图2所示的泵浦光纤2具有也具有8重方位角对称性的外表面19。通常，方位角对称性是m 重方位角对称性，其中m至少为3。因子m可以是4的倍数。因子m可以等于8。优选地，因子m等于16。替代地，因子m可以是素数。
图3示出了包括不是圆形且不具有方位角对称性的泵浦光纤31的复合光纤30。
图4示出了包括具有非圆形包层9的放大光纤41的复合光纤40。这可以进一步增加模式耦合，但是具有更难以确保芯8与包层9同心的缺点。
参考图1至4，涂层3可以是具有小于放大光纤2的包层9的折射率且小于泵浦光纤1的玻璃7的折射率的折射率的聚合物或玻璃。优选地，聚合物是硅树脂。已知硅树脂具有优异的热属性，这是在高功率激光器和放大器中使用的重要属性。替代地，聚合物可以是丙烯酸酯，诸如紫外线或热固化的丙烯酸酯。
稀土掺杂物12可以选自包括镱、铒、钕、镨、铥、钐、钬和镝的组，或者可以掺杂有过渡金属或半导体。
泵浦光纤1可以具有跨其玻璃横截面基本均匀的折射率。
参考图1，泵浦光纤1被示出为具有第一直径1001，并且放大光纤2被示出为具有第二直径1002。优选地，第二直径1002小于第一直径1001。这是因为在复合光纤17中使用尽可能小的玻璃横截面积以维持从泵11发射的泵浦辐射的亮度是合乎需要的。如果亮度将作为使用更大的第二直径1002的结果而减小，则泵吸收长度16会增加。应该注意，泵浦光纤1的第一直径1001优选等于或略大于来自泵11或泵组合器(未示出)的光纤尾纤(未示出)的直径，泵组合器组合来自多个泵的泵浦辐射。
参考图1，放大光学设备10可以包括用于提供由复合光纤17放大的信号的籽激光器1010。然后，放大光学设备10是主振荡器功率放大器的形式。
图5示出了放大光学设备50，该放大光学设备50包括放大光学设备10 和沿着放大光纤2的长度耦合的光学元件51。光学元件51可以选自包括偏振器、隔离器、循环器、光栅、光纤布拉格光栅、长周期光栅、声光调制器、声光可调谐滤波器、滤光器、克尔单元、普克尔斯单元、色散元件、非线性色散元件、光学开关、调相器、铌酸锂调制器和光学晶体的组。
优选地，光学元件51是光纤布拉格光栅，其可以选自包括增益平坦光栅、色散补偿光栅、增益平坦的色散补偿光栅和闪耀光栅的组。
参照图5示出的放大光学设备50以光纤激光器的形式示出，所述光纤激光器包括参照图1至图4所描述的放大光学设备10以及用于促进光纤激光器内的光生成的光学反馈布置52和53。光学反馈布置52和53优选地包括光纤布拉格光栅。
泵11之一被示出为包括多个泵54，每个泵具有光纤尾纤55，并且其输出在(通常通过熔接)(未示出)耦合到泵浦光纤1的光纤组合器56中被组合。参考图1和5所示的泵54、11可以是单发射器形式的半导体激光二极管，或者包括许多单发射器、二极管条或二极管堆叠的模块。泵54、11也可以是光纤激光器。
放大光学设备50被示出为在放大光纤2和第二光纤58之间具有接头59。接头59优选是熔接接头。放大光纤2在接头59中可以是渐缩的。在泵浦光纤 1中而不是在放大光纤2中具有模式耦合装置15使得能够制造具有低光学损耗的接头。
激光器形式的放大光学设备50可被用作图1中的籽激光器1010。图1的装置还可包括接头59。
不希望限制本实用新型的范围，相信由于泵浦光纤1和放大光纤2的模式之间的增加的散射或耦合，产生了由本实用新型实现的增强模式耦合。仅以示例的方式给出的下面的讨论是基于具有约5微米的芯半径和由涂层(未示出) 围绕的约125微米的包层直径的典型的单模光学放大器光纤，该涂层具有比放大光纤的包层9的玻璃的折射率更低的折射率。将参照图6和7描述的光学模式是抵靠涂层3引导的包层9的引导模式。典型放大光纤中的包层的数值孔径通常大于0.2，并且可以大于0.4。
图6示出了放大光纤2以及由包层9引导的光学模式60。光学模式60包括多个波瓣61，所述波瓣解说了光学模式60的强度具有局部最大值的位置。存在在光纤2的方位角65周围的十六个波瓣61，以及沿其半径66的四个波瓣 61。按照常规惯例，光学模式60是LPp,q模式，其中2p是方位角65周围的波瓣61的数量，并且q是沿着半径66的波瓣61的数量。所示的模式60是LP8,4模式，因为存在在方位角65周围的16个波瓣61和沿着半径66的四个波瓣61 不存在在芯8内部具有局部最大值的波瓣61，且因此光学模式60不与芯8重叠。
图7示出了LP4,6模式的光学模式70。模式70具有在其方位角周围的八个波瓣61，以及沿其半径66的六个波瓣61。存在在芯8内部具有局部最大值的波瓣61，且因此光学模式70是与芯8重叠的模式。
术语“与芯重叠的模式”意味着该光学模式具有至少一个在芯8内部具有局部最大值的波瓣61，诸如图7中所示的模式70。
图8示出了被描绘为相对于方位角模式编号p的径向模式编号q的LPp,q光学模式。典型的泵浦光纤1具有比所示的多得多的光学模式。为了清楚起见，仅示出了具有较低阶模式编号的模式。LP8,4模式60和LP4,6模式70被突出显示。还示出了线83，该线83将位于区域I 81中并与芯8重叠的模式和位于区域II 82中并不与芯8重叠的模式分开。线83的确切位置将取决于芯8和包层 9的相对尺寸，以及芯8、包层9和涂层3的折射率。
图9描绘了彼此并排的泵浦光纤1的模式和放大光纤2的模式。泵浦光纤1不具有单独的玻璃芯。当泵浦光纤1和放大光纤2彼此并排放置时，具有类似的方位角对称性的光学模式将短暂地(evanescently)耦合在一起，并且这种耦合的强度在传播常数β(并且因此有效折射率)变得彼此相等时增加且可变得共振。其结果是，在泵浦光纤1的模式空间中将存在耦合到放大光纤2 的模式空间的区域I 81的区域III 91，并且因此耦合的功率将与芯8重叠并被吸收。然而，在泵浦光纤1的模式空间中还将存在耦合到放大光纤2的模式空间的区域II 82的区域IV 92，并且因此耦合的功率将不与芯8重叠且不被吸收。区域III 91被示出为与区域IV 92由线93分开。实际上，线83和93可以不是如图所示的直线，而是可以是弯曲的。泵耦合装置15的目的是将区域IV 92中的泵浦光纤1光学模式耦合到区域III 91中的光学模式，该区域III 91中的光学模式短暂地耦合到区域I 81中的放大光纤2的与芯8重叠并且将被稀土掺杂物12吸收的光学模式。模式耦合装置15因此增加了泵浦光纤1的模式和放大光纤2的被稀土掺杂物12吸收的模式之间的总体模式耦合，并因此减小了图1 所示的复合光纤17的吸收长度16。
图10示出了具有归一化外半径r＝1的泵浦光纤101以及在半径r<b 和r>a之间产生折射率变化的区域102。区域102可以是纵向延伸的孔。区域102可以是包含玻璃的掺杂区域，诸如被掺杂有诸如硼、锗、磷和铝的氧化物之类的掺杂物的石英玻璃。可以通过将掺杂的玻璃棒插入石英玻璃棒中的纵向延伸的孔中来制造这种掺杂区域，所述孔可以在玻璃棒的制造期间形成，或者后续例如通过超声波钻孔来钻出。泵浦光纤101和放大光纤2被图1的涂层 3包围，为了清楚起见其未被示出。
图11示出了具有正方形横截面的泵浦光纤111。泵浦光纤111和放大光纤2被可以是涂层3包围，该涂层可以是玻璃或者可以是聚合物。
在图10和图11中的每一者中，泵浦光纤101的折射率100和泵浦光纤 111(包括其涂层3)的折射率100具有方位角θ中的变化121，该方位角在恒定半径r的圆119中在半径a和b之间变化。在图12中由实线示出从泵浦光纤 101、111的质心105测量的沿着恒定半径r 119的圆的随着方位角θ的折射率变化121。折射率变化121类似于每转具有四个周期的方波。折射率变化121 n(r,θ)可以通过傅里叶级数来描述：
其中am(r)和bm(r)是作为半径的函数的n(r,θ)的第m个方位角谐波的振幅。这些由以下给出：
根据对称性，在m是奇数以及m＝2、6、10、14等的情形中，bm全部为 0，am系数也均为0。仅有的非零系数是m＝4、8、12、16等。图12示出了最大谐波120和第二大谐波122，在图10至图12所示的示例中最大谐波120和第二大谐波122分别是四次谐波a4和八次谐波a8。
只有满足特定对称性条件时，模式才会耦合。将泵浦光纤1近似为具有由聚合物包层围绕的半径r＝1的圆形玻璃芯的阶跃折射率圆形光纤的扰动，由各谐波项中的每一者引起的LPp1,q1模式和LPp2,q2模式之间的耦合强度C进而与下面的积分成比例(其中为简单起见，归一化已被省略)：
其中Jp1是阶p1的贝塞尔函数，Jp2是阶p2的贝塞尔函数，且U1和U2是与这些引导模式相对应的波动方程的特征值。根据对称性，仅当p1±p2＝m时，耦合强度为非零。因此，例如，LP8,4只能耦合到LP4,q2和LP12,q2模式，其中q1和 q2是整数。可针对由上述傅里叶级数的n0(r)项引起的引导模式的耦合导出类似的方程。
这些模式中的每种模式的径向模式编号q1和q2将对应于具有类似传播常数的模式。如前所述，如果无扰模式和受扰模式的传播常数受到相同的影响，则LP8,4模式将耦合到LP4,6模式和LP12,2模式。然而，扰动可能不同地影响具有不同径向模式编号的模式。传播常数的变化可使用扰动理论来估计。
再次参考图6和7，折射率变化121中的四次谐波m＝4将把图6所示的 LP8,4模式60耦合到图7所示的LP4,6模式70，因为方位角模式编号的差是4。这在图9中示出，其中LP8,4模式60被示出为耦合到LP4,6模式70。重要的是， LP4,6模式70位于区域III 91中，其对应于泵浦光纤1的短暂耦合到区域I 81 中的放大光纤2中的光学模式的光学模式。图9的区域I 81中的模式覆盖放大光纤1的芯8并且被稀土掺杂物12吸收。类似地，图10和图11的泵浦光纤 101和111的图12所示的次强方位角谐波122(傅立叶分量m＝8)将LP8,4模式耦合到LP0,8模式85，该LP0,8模式85也位于图9的区域III 91中。当短暂地跨耦合到图1的放大光纤2时，该模式85将与芯8重叠。
LP8,4模式60也将通过最强的m＝4次谐波120耦合到图9所示的LP12,2模式95。从图9可以看出，这种模式耦合是不合需的，因为它使该模式进一步远离区域III 91。比较图10和11中的模式耦合装置15，m＝4次谐波120在图 11中在较高半径处将比在图10中更强，因为模式耦合装置15位于泵浦光纤 111的外表面处。LP12,2-模95驻留在更靠近泵浦光纤111的外表面处。因此， LP12,2模式95和LP8,4模60之间的耦合在图11中将比在图10中更强。通过选择将模式耦合装置15放置在泵浦光纤1内的何处，优选地将光学模式耦合到所需区域III 91，并且由此优选地将由泵浦光纤引导1的光学模式形式的泵浦辐射耦合到放大光纤2的与芯8重叠的光学模式因此是可能的。
图13示出了由具有比泵浦光纤131和放大光纤2的折射率低的折射率的涂层3包围的椭圆形泵浦光纤131。分析折射率变化121n(r,θ)揭示最大谐波是对应于傅立叶项a2(r)的二次谐波。如图14中所示，LP8,4模式60耦合到LP6,5模式141，当被短暂跨耦合时，LP6,4模式141将不与放大光纤2的芯8重叠。因此，与图10和图11中所示的示例相比，在图13所示的示例中，花费相应地更多数量的模式耦合将不与芯8重叠的模式移位到与芯8重叠的模式。此外，耦合还可以发生在相反的方向上，从LP8,4模式60进入LP10,3模式142。当使用椭圆形泵浦光纤时，这两种效应解释了实验观察到的低耦合效率和更长的吸收长度16。椭圆形泵浦光纤131的模式与放大光纤2的与芯8重叠的模式存在不良耦合。
在具有相似传播常数β的光学模式之间，模式耦合将是最强的。在上面的讨论中，假定泵浦光纤1的模式类似于圆形阶跃折射率光纤中的模式。因此， LP8,4模式耦合到LP4,6模式，因为这些模式在圆形阶跃折射率光纤中具有彼此相似的传播常数。通过将折射率变化121n(r,θ)视为等效阶跃折射率光纤的扰动δn(r,θ)，可以去除此假定。使用弱引导近似，由扰动δn(r,θ)引起的传播常数β的变化由下式给出：
其中β0和ψ0是无扰(圆形阶跃折射率)光纤的光学模式的传播常数和场，β1是受扰光纤的光学模式的传播常数，并且在无扰光纤的横截面积A上执行积分。假定受扰和无扰光纤的光学模式的场是相同的。因此，场ψ0与扰动δn(r,θ)的重叠越强，由该扰动引起的传播常数β的减小就越大。如果扰动δn(r,θ)主要是负的，则该扰动将导致传播常数的减小。LP8,4模式将比LP4,6模式更强地与泵浦光纤1周围的涂层3重叠，因为LP8,4模式在光纤的外部附近具有更多的波瓣。因此LP8,4模式的传播常数的减小将大于LP4,6模式的传播常数的减小。这意味着光学模式将耦合到具有更高阶径向模式编号的光学模式，因为具有更大径向模式编号的光学模式具有更小的有效折射率。例如，与到参照附图6至8描述的LP4,6模式中相比，前面讨论的LP8,4模式将更强地耦合到LP4,7模式、LP4,8模式或者具有甚至更高阶径向模式编号的光学模式中。
图15示出了一组光学模式151，其具有与圆形阶跃折射率光纤中的一组光学模式152相似的传播常数。如果泵浦光纤1的外玻璃表面是八角形的，则光学模式151将比光学模式154更强地与较低折射率涂层3重叠。光学模式151 因此将耦合到该组光学模式153，在所示的例子中，该组光学模式153在区域 III 91中，并且将不那么强地耦合到在区域IV 92中的该组光学模式152。因此，当被跨耦合到放大光纤2时，光学模式153将与其芯8重叠。这应与具有比该组光学模式151更高径向模式编号的该组光学模式154进行比较。这些模式154 将不与较低折射率涂层3重叠那么多。因此，该耦合将是到区域III 91中的该组光学模式155，该组光学模式155将具有与无扰圆形阶跃折射率光纤基本上相同的传播常数。
已经获得了图1所示的各种放大光学设备10的结果，其中泵浦光纤1是具有八个、九个、十二个或十六个边的多边形。折射率变化121中的最大方位角谐波120因此分别是八、九、十二和十六。每个实验均揭示出比包括具有圆形或椭圆形横截面的泵浦光纤的现有技术光纤获得的更高的泵浦效率。效率典型地增加了20％。泵浦辐射被放大光纤2的芯8更快地吸收，从而使得放大光学设备10能够更短。此外，更短的设备使得能够在非线性光学效应开始之前获得更高的峰值功率。
通过比较可以用具有内部折射率变化的外部形状变化实现的模式耦合，显而易见，随着内部变化，尤其是当圆的谐波含量增加时，可以实现更高的模式与更大数量的引导模式的重叠。
作为例子，图16示出了包括具有不同折射率的区域161和162以及非圆形的外表面163的光纤160。区域161、162可以是掺杂区域、应力棒或微结构化区域，并且每个区域可以包含至少一个纵向延伸的孔。区域161、162可以是圆形或非圆形的。光纤160被示出为具有12个小面18的十二面，但是其他横截面形状也是可能的。区域161比区域162被定位成更靠近光纤160中心。二次方位角谐波(傅立叶系数等于2)是在截取区域162的圆164周围的折射率100的方位角变化的最大谐波。四次方位角谐波(傅立叶系数等于4)是在截取区域162的圆165周围的折射率100的方位角变化的最大谐波。十二次方位角谐波(傅立叶系数等于12)是在截取涂层3和小面18两者的圆166周围的折射率100的方位角变化的最大谐波。具有低方位角模式编号的光学模式倾向于使其大部分光功率更接近泵浦光纤1的中心。相反，具有更高方位角模式编号的光学模式倾向于使其大部分光功率更接近泵浦光纤1的外侧。因此，对于模式耦合装置15的最强谐波含量而言，在泵浦光纤1的外侧附近具有比更接近泵浦光纤1的中心更高阶的谐波是有利的。泵浦光纤1中最强的谐波含量是中心附近的阶二，随着半径的增加，增加到为阶四，且然后增加到阶十二。这种增加与在泵浦光纤1的引导模式中的光功率的相对布置一致，并且是优选的以便将区域IV 92中的更大比例的光学模式耦合到区III 91中的光学模式。光纤160可以用作图1中的泵浦光纤1。替代地或附加地，如果光纤160还包括芯8，则其可被用作图1中的放大光纤2。小面18和掺杂区域161和162的其他布置和组合也是可能的，并且可以调整小面18和区域161、162的数量、位置和取向以优化不同的设计。
已经分别参照图1、2、3和4描述了各种复合光纤17、20、30和40。这些复合光纤17、20、30、40可以各自在参照图1和5示出的实施例中以及在本实用新型的所有实施例中使用。优选地，复合光纤17、20、30和40被卷绕在放大光学设备10、50中，优选作为可以卷绕成圆的平面线圈，但是更优选地以赛道或哑铃方式来卷绕。这种布置协助将来自泵浦光纤1的泵浦辐射耦合到放大光纤2。
应当领会，以上参照附图描述的本实用新型的各实施例已经仅通过示例给出，且可以提供修改及附加组件来加强性能。附图中示出的个别组件不限于它们在附图中的用途，并且可以用在其他附图以及本实用新型的所有方面中。
本实用新型扩展至单独或以任意组合的以上提及的特征。