用于提供光学辐射的装置的制作方法

发明领域

本发明涉及用于提供光学辐射的装置。本发明特别适用于连续波和脉冲激光器(包括半导体二极管激光器和光纤激光器)，以及适用于利用此类激光器来进行打标、切割、雕绘和焊接。本发明还适用于用来处理高反射性材料(诸如铜和钻石)以及用于增材制造的激光器。

发明背景

诸如光纤激光器、盘式激光器等工业激光器在材料的打标、切割、雕绘、焊接、增材制造以及其他工业加工中有着重要的应用。激光器用于许多行业，包括消费电子、医疗设备、汽车和航空航天。激光可以是脉冲波或连续波。可达到的典型脉冲长度范围从几皮秒到纳秒、微秒和毫秒。脉冲重复率是电子控制的，并且可在较宽范围上变化。

随着功率电平和强度的增加，与非线性效应(例如，光谱噪声、时间噪声、散斑、光学辐射的非线性波长转换以及自q开关(selfq-switching))相关联的问题也随之增加。这些非线性效应在要求工艺可重复性的工业加工系统中是不合需的。例如，波长转换在光学聚焦系统中引起错误，并且可降低能够被传递到材料的光学功率，而自q开关可损坏激光系统中的光学放大器和光纤。

一种部分解决方案是在主振荡器功率放大器中使用超辐射发光二极管作为种子激光器，以增加光学辐射的带宽，并从而减少非线性效应的发生。这种方案允许提高功率电平。然而，随着功率电平进一步提高，功率放大器可能遭受非线性效应。此外，超辐射发光二极管可能开始发射相干激光辐射，也就是说，超辐射发光二极管可能开始激射(lase)。这进一步加剧了功率放大器中和光纤传输系统中的非线性效应，并且可能导致功率放大器和光纤传输系统的灾难性故障。

空间不稳定性是不合需的，因为它们影响光学辐射的光束指向稳定性，这在工业加工应用中是不利的。这对多模功率放大器和多模光束传输光纤来说特别成问题。由于上述非线性效应，随着功率电平增加，这个问题变得更加突出。此外，种子激光器的光谱和时间噪声可能加剧这些非线性效应。

存在对用于提供避免或减少上述问题的光学辐射的装置的需要。

本发明

根据本发明的一非限制性实施例，提供了用于提供光学辐射的装置，所述装置包括光学输入端、耦合器、第一半导体放大器、控制器、前置放大器、功率放大器和输出光纤，其中：

·所述光学输入端用于接收输入光学辐射；

·所述光学输入端串联连接到所述耦合器、所述第一半导体放大器、所述前置放大器、所述功率放大器以及所述输出光纤；

所述装置的特征在于：

·所述第一半导体放大器包括具有低反射刻面(facet)的波导；

·所述第一半导体放大器处于双通配置，使得所述低反射刻面经由所述耦合器连接到所述光学输入端和所述前置放大器两者；

·所述控制器被配置为使所述第一半导体放大器的所述波导在饱和状态下操作，由此使所述第一半导体放大器能够减少所述前置放大器、所述功率放大器和所述输出光纤中的非线性效应。

非线性效应的示例包括光谱噪声、时间噪声、斑点、光学辐射的非线性波长转换和自q开关。

第一半导体放大器可由在没有输入光学辐射的情况下的光学激射阈值限定。控制器可被配置为在输入光学辐射存在时，使得第一半导体放大器的波导发射具有比光学激射阈值更大的输出功率的输出信号。优选地，控制器可被配置为在输入光学辐射存在时，使得第一半导体放大器的波导发射具有比光学激射阈值大两倍的输出功率的输出信号。更优选地，控制器可被配置为在输入光学辐射存在时，使得第一半导体放大器的波导发射具有比光学激射阈值大三倍的输出功率的输出信号。

控制器和第一半导体放大器可以使得第一半导体放大器在没有输入光学辐射的情况下激射，且输入光学辐射的存在阻止第一半导体放大器激射。

第一半导体放大器在超过其光学激射阈值的功率电平上操作的能力允许显著增加脉冲和连续波激光系统的可实现输出功率，而不导致由非线性效应引起的限制，诸如举例而言受激布里渊散射、受激拉曼散射和四波混合。第一半导体放大器在饱和状态下操作时，可以改善输入光学辐射中存在的信噪比。此外，第一半导体放大器还复制输入光学辐射的光谱特性。减小进入到功率放大器中的光学辐射的噪声幅度减小非线性效应(诸如受激拉曼散射)的量。因此，它允许在非线性效应成为问题之前，将更大的信号输入到功率放大器中。因此，对于光纤激光系统来说，它的加入允许增加放大率，而不需要附加的光纤放大级。

出人意料的是，在通常会导致其不稳定或激射的强度水平上操作第一半导体放大器是可能的。这是通过从光源光学地注入光学辐射，然后光学辐射被第一半导体放大器以双通配置放大，并随后经由输出光纤输出来实现的。输入光学辐射的功率被选择为使得第一半导体放大器不激射。输入光学辐射的功率优选地大于使第一半导体放大器在光学激射阈值处激射的反射功率。

控制器可被配置为控制第一半导体放大器的光学增益，使得在没有输入光学辐射的情况下降低光学增益，由此防止第一半导体放大器激射。有利地，通过降低进入第一半导体放大器的驱动电流来降低光学增益可被用于防止在输入光学辐射不存在时激光系统的灾难性故障。

该装置可包括用于提供输入光学辐射的光源。该光源可被连接到该光学输入端。光源可被选择为使输入光学辐射的功率大于当输入光学辐射不存在时导致第一半导体放大器激射的从该装置的反射的功率。

一种特别有吸引力的布置是该光源为超辐射发光二极管。该光源担当种子激光器，其提供光学辐射的预定光谱含量，且第一半导体放大器提供放大。结果是一种可担当高功率工业脉冲激光器中的种子激光器的宽带光源，从而减少了非线性效应，并且由此可以用更少的放大级实现高得多的输出功率。这提供了输出功率、成本、功耗和简单性方面的优势。

波导可以是弯曲波导。这允许在该装置发射的光学辐射中获得更高的功率。

该装置可包括在耦合器和第一前置放大器之间的可饱和吸收器，以便减少光学辐射的脉冲之间的噪声。

该装置可包括第二半导体放大器，该第二半导体放大器被配置为在第一半导体放大器放大之前接收输入光学辐射。

该第二半导体放大器可以在其激射阈值之下以连续波操作来操作。这可以防止在输入光学辐射因任何原因被打断时功率放大器的灾难性故障。

输入光学辐射可包括具有脉冲重复频率的脉冲序列，且控制器可以使第一半导体放大器向下选择脉冲重复频率。

该装置可包括锁模激光器，以提供脉冲序列。

该装置可包括功分器，以将脉冲序列引导至多个放大器链。每个放大器链可包括第一半导体放大器。

输入光学辐射可由随机光纤激光器提供。随机光纤激光器可提供具有比传统光纤激光器更高信噪比的输出。当与通过在饱和状态下操作第一半导体放大器可获得的信噪比改善相结合时，这就造成了新一类的光纤激光器，此新一类的光纤激光器可在非线性效应(诸如受激拉曼散射)成为问题前实现更高的功率。

该装置可包括共振腔，共振腔包括非线性晶体，其中输出光纤被连接到共振腔的输入端，共振腔被连接到光学输入端，该装置是环形激光器的形式。共振腔通过高度依赖于输出辐射的瞬时光功率和瞬时波长的非线性光学效应操作。在饱和状态下操作第一半导体放大器减小输出辐射的光谱噪声、时间噪声和非线性波长转换，这因此带来共振腔的稳定得多的操作，且从而带来更低的噪声和更稳定的经频率转换的辐射。这样的配置也可帮助减少环形激光器在来自共振腔的反馈丢失的情况下，特别是在设置和对准该装置时的灾难性故障。这是因为第一半导体放大器可被配置为在没有由光源提供的光学辐射的情况下输出光学辐射。

输入光学辐射可由半导体二极管提供。半导体二极管可以是超辐射发光二极管。半导体二极管可包括弯曲波导。

该装置可包括位于光学输入端和耦合器之间的光学衰减器。光学衰减器优选为可变光学衰减器。控制器可调整光学衰减器以使第一半导体放大器在饱和状态下操作。

输出光纤可以是空芯光纤。输出光纤可以是偏振保持空芯光纤。

功率放大器可以是单模放大器。

功率放大器可以是多模放大器。该装置可包括位于前置放大器和功率放大器之间的光模混合器。包括光模混合器是有利的，因为它减少了功率放大器的空间和时间不稳定性，由此减少了材料加工应用中的指向不稳定性。

功率放大器可包括光纤放大器。替代地或附加地，功率放大器可包括自由空间固态放大器，诸如棒放大器(rodamplifier)或板放大器(slabamplifier)。

该装置可包括位于前置放大器和功率放大器之间的光学隔离器。

该装置可包括在光学输入端和第一半导体放大器之间的滤光器。

该装置可包括位于光学输入端和耦合器之间的光学隔离器。

该耦合器可以是光学循环器。

该装置可包括在耦合器和前置放大器之间的光学隔离器。

该装置可包括连接到波分复用器的可见光源。波分复用器可位于耦合器和功率放大器之间。可见光源可具有在500nm至670nm之间、且优选地在600nm至670nm之间的波长。提供可见光源在将该装置安装在其他装备中时是有用的，并且用于检测功率放大器和输出光纤中的故障。

该装置可包括在耦合器和前置放大器之间的去偏振器。

该装置可包括位于输出光纤的远端的输出光束光学器件。输出光束光学器件可包括隔离器、准直透镜系统、抗反射涂层、光学检测器和可见光辐射源中的至少一者。

本发明还提供了一种用于提供光学辐射的方法，所述方法包括：

·通过第一半导体放大器、前置放大器和功率放大器放大由光学输入端接收的输入光学辐射；以及

·经由输出光纤输出所述光学辐射；

所述方法的特征在于：

·所述第一半导体放大器包括具有低反射刻面的波导；

·所述第一半导体放大器处于双通配置，使得所述低反射刻面经由所述耦合器连接到所述光学输入端和所述前置放大器两者；

·所述控制器被配置为使所述波导在饱和状态下操作，由此允许减少所述光学辐射的光谱噪声、时间噪声、斑点和非线性波长转换中的至少一者。

.第一半导体放大器可由没有输入光学辐射的情况下的光学激射阈值限定，且该方法可包括提供输入光学辐射，以及使波导发射具有大于光学激射阈值的输出功率的输出信号的步骤。输出信号可以具有大于光学激射阈值的两倍的输出功率。输出信号可以具有大于光学激射阈值的三倍的输出功率。

该方法可包括通过提供输入光学辐射来防止第一半导体放大器激射的步骤。

该方法可以包括去除光学辐射并减小第一半导体放大器的光学增益，由此防止第一半导体放大器激射的步骤。

该方法可包括选择光源的步骤，该光源提供输入光学辐射以使输入光学辐射的功率大于当输入光学辐射不存在时导致第一半导体放大器激射的从该装置的反射的功率。

波导可以是弯曲波导。

本发明还提供用于根据本发明的方法提供光学辐射的装置。

本发明还提供了第一半导体放大器在饱和状态下的用于改善信噪比并由此减少光纤放大器中的非线性光学效应的用途。

本发明还提供第一半导体放大器用于执行本发明的方法的用途。

本发明的方法可包括利用本发明的装置的上述可任选方面所需的一个或多个步骤。

附图简述

现在仅通过示例并且参照附图描述本发明的各实施例，附图中：

图1示出了根据本发明的用于提供光学辐射的装置；

图2示出了第一半导体放大器的特征；

图3示出了在未加种(unseeded)时超辐射发光二极管的输出光谱；以及

图4示出了当由第二超辐射发光二极管作种时该超辐射发光二极管的输出光谱；

图5示出了当由分布式反馈半导体激光二极管作种时该超辐射发光二极管的输出光谱；

图6示出了包括第一和第二半导体放大器的装置；

图7示出了用于脉冲拾取来自锁模激光器的输出的第一半导体放大器；

图8至图11示出了具有和不具有脉冲拾取的光学脉冲序列；

图12示出了根据本发明的装置，其中光源的输出被分成各单独的放大器链，每个放大器链包括第一半导体光学放大器；

图13示出了用于改善随机光纤激光器的噪声特性的第一半导体放大器；

图14示出了使用第一半导体放大器获得的输出辐射的概率密度函数的改善；

图15示出了用于对光学辐射进行频率转换的环形激光器；以及

图16和17示出了偏振保持空芯光纤的截面。

本发明的优选实施例的详细描述

图1示出了用于提供光学辐射15的装置100，该装置包括光学输入端13、耦合器2、第一半导体放大器3、控制器4、前置放大器61、功率放大器62和输出光纤5，其中：

·光学输入端13用于接收输入光学辐射14；

·光学输入端13被串联连接到耦合器2、第一半导体放大器3、前置放大器61、功率放大器62以及输出光纤5；

该装置的特征在于：

·第一半导体放大器3包括具有低反射刻面8的波导6；

·第一半导体放大器3处于双通配置，使得低反射刻面8经由耦合器2连接到光学输入端13和前置放大器61两者；以及

·控制器4被配置为使第一半导体放大器3的波导6在饱和状态下操作，由此使第一半导体放大器3能够减少前置放大器61、功率放大器62和输出光纤5中的非线性效应。

非线性效应的示例包括光谱噪声、时间噪声、斑点、光学辐射的非线性波长转换和自q开关。

第一半导体放大器3可由在没有输入光学辐射14的情况下的光学激射阈值28(在图2中示出)限定。控制器4可被配置为在存在输入光学辐射14时使得第一半导体放大器3的波导6发射具有比光学激射阈值28更大的输出功率21的输出信号102。优选地，控制器4可被配置为在存在输入光学辐射14时使得第一半导体放大器3的波导6发射具有比光学激射阈值28大至少两倍的输出功率21的输出信号102。更优选地，控制器4可被配置为在存在输入光学辐射14时使得波导6发射具有比光学激射阈值28大至少三倍的输出功率21的输出信号102。

控制器4和第一半导体放大器3可以使得通过输入光学辐射14的存在防止第一半导体放大器3激射。

第一半导体放大器3在超过其光学激射阈值28的功率电平上操作的能力允许显著增加输出辐射15的可实现输出功率，而不导致由非线性效应引起的限制，诸如举例而言受激布里渊散射、受激拉曼散射和四波混合。第一半导体放大器3当在饱和状态下操作时可以减小输入光学辐射14中存在的小信号幅度噪声，由此改善信噪比。此外，第一半导体放大器3还复制输入光学辐射14的光谱特性。减小进入到前置放大器61并由此进入到功率放大器62中的光学辐射102的噪声幅度减小非线性效应(诸如受激拉曼散射)的量。因此，它允许在前置放大器61和功率放大器62中的非线性效应成为问题之前增加光学辐射102的幅度和功率。因此，对于光纤激光系统来说，它的加入允许增加放大率，而不需要附加的光纤放大级。

出人意料的是，在通常会导致其不稳定或激射的强度水平上操作第一半导体放大器3是可能的。这是出人意料的结果，它允许在非线性效应成为问题之前由该装置发射的光学辐射15的光学功率增加，并由此允许用更少的放大级实现高得多的输出功率。这提供了输出功率、成本、功耗和简单性方面的优点。

控制器4可被配置为控制第一半导体放大器3的光学增益24，使得在没有输入光学辐射14的情况下降低光学增益24，由此防止第一半导体放大器3激射。光学增益24通过减小驱动电流22而被降低。有利地，在没有输入光学辐射14的情况下降低光学增益24可被用于防止在输入光学辐射14不存在时激光系统的灾难性故障。

装置100可包括用于提供输入光学辐射14的光源1。光源1被示出为连接到光学输入端13。

从装置100反射回第一半导体放大器3的反射107可导致第一半导体放大器3激射，这可能导致自q开关和灾难性的损坏。图1示出了从隔离器11的反射107。也可能发生从耦合器2、前置放大器61和装置100内的其他组件的反射。可以通过使用光学隔离器、光学循环器、光学组件上的斜切(angledcleave)和抗反射涂层来减少反射。光源1可被选择为使得输入光学辐射14在存在时的功率大于输入光学辐射14不存在时的反射107的功率。优选地，输入光学辐射14在存在时具有进入第一半导体放大器3的功率，该功率大于在输入光学辐射14不存在时进入第一半导体放大器3的反射107的最大总功率。

该装置100可被提供有或没有光源1。

第一半导体放大器3优选为超辐射发光二极管。

波导6优选为弯曲波导半导体二极管。这允许在该装置100发射的光学辐射15中获得更高的功率。

图1示出了由光源1提供的输入光学辐射14。光源1可以是超辐射发光二极管，其可包括弯曲的波导半导体二极管。将光源1和第一半导体放大器3都配置为超辐射发光二极管允许第一半导体放大器3以大于参照图2所示的其光学激射阈值28的两倍，优选地大于其光学激射阈值28的三倍的输出功率操作。这在用于打标、切割和焊接的主振荡器功率放大器系统的设计中具有很大的优势，因为它允许在非线性效应成为问题之前实现更高的输出功率。

波导6优选地具有高反射刻面7，该高反射刻面可与波导6成为一体，或者可由外部反射器提供，该外部反射器可以是光纤末端上的镜子。

低反射刻面8可具有小于0.1％且优选地小于0.01％的反射率。为了防止第一半导体光学放大器3的伪激射，低反射性很重要。

光源1、耦合器2和第一半导体放大器3可使用光纤连接。光纤优选为偏振保持光纤。

当由光源1作种时，第一半导体放大器3是用于如图1所示的主振荡器功率放大器系统的理想种子。前置放大器61和功率放大器62优选为光纤放大器。光纤放大器优选地包括稀土掺杂的光纤。

前置放大器61可以是稀土掺杂光纤放大器，该放大器可以是芯泵浦和/或包层泵浦的。

功率放大器62可以是稀土掺杂光纤放大器，该放大器可以是芯泵浦和/或侧泵浦的。功率放大器62优选地是包层泵浦的。

功率放大器62可包括光纤放大器。替代地或附加地，功率放大器62可包括自由空间固态放大器，诸如棒放大器或板放大器，例如，来自德国黑措根拉特的amphosgmbh的amphos100。与稀土掺杂光纤放大器相比，自由空间固态放大器允许在非线性效应发生之前获得更高的峰值功率。

优选在前置放大器61和功率放大器62之间提供中间级光学隔离器63。中间级光学隔离器63可以包括滤光器，以滤除前置放大器61和功率放大器62之间的经放大的自发发射。

可以在前置放大器61和连接到可见光源65的功率放大器62之间提供耦合器64。可见光源65可以是激光二极管、超辐射发光二极管或发光二极管。可见光源65对于对准目的有用，例如，当设置激光打标、激光焊接或激光切割系统时。可见光源65优选具有在500nm至670nm之间、且更优选地在600nm至670nm之间的波长。耦合器64优选为波分复用器，在其输入端处连接至可见光源65和前置放大器61，并且在其输出端处连接至功率放大器62。如果存在中间级隔离器63，则其优选地位于前置放大器61和耦合器64之间。

功率放大器62可以是单模功率放大器或多模功率放大器。

多模功率放大器引起的问题是由光斑引起的光束不稳定性。功率放大器62内的引导光模没有被同等地启动，且这导致时间不稳定性，并可能导致功率放大器62的自q开关。通过选择光源1为具有大于1nm的光带宽16，配置第一半导体放大器3以放大输入辐射14，并在功率放大器62的输入端处提供光模混合器66，可解决此问题。光源1和第一半导体放大器3优选为超辐射发光二极管。光源1和第一半导体放大器3优选包括弯曲波导6。光模混合器66可以是长周期光栅、偏置接头、被配置为沿其长度具有可变弯曲半径的光纤或包括散射性的或沿其长度微弯曲的元件的光纤。包括光模混合器66是优选的，因为它减少了功率放大器中的空间和时间不稳定性，从而减少了诸如切割、焊接、打标和增材制造之类的材料加工应用中的指向不稳定性。

在前置放大器61的输入端处提供可选的去偏振器67。去偏振器67使从第一半导体放大器3发射的输出信号102去偏振。这在光纤激光系统中具有优势，因为：(i)它减少了诸如受激拉曼散射和受激布里渊散射之类的光学非线性，因此允许实现输出辐射15的高峰值和平均功率，(ii)它通过避免对前置放大器61和功率放大器62内的偏振保持光纤的需要而降低成本，以及(iii)它提供了光学辐射15的限定的偏振输出特性，这对于诸如打标、切割、焊接和钻孔之类的材料加工应用是重要的。去偏振器67可包括lyot去偏振器，该lyot去偏振器包括两个波片，它们的快速轴间隔45°，并且第二片比第一片厚两倍。波片可以是偏振保持光纤的长度。

如果不包括可选的去偏振器67，则前置放大器61和功率放大器62可包括偏振保持光纤。

在输出光纤5的输出端处示出了输出光束光学器件68。输出光束光学器件68可包括以下中的至少一者：隔离器；准直透镜系统；抗反射涂层；用于检测从工件发射的光学辐射的光学检测器，该检测器可被用于过程监视和/或向后反射检测；以及用于光学对准目的的可见光学辐射源。

图2示出了当图1的光源1和第一半导体放大器3都是超辐射发光二极管时，在耦合器2的输出端处测得的光学功率特征。耦合器2是如图1中所示的三端口光学循环器。超辐射发光二极管是由美国宾夕法尼亚州萨克森堡的ii-vi公司提供的弯曲波导半导体二极管，型号为lc96a1060cwg-20r。来自第一半导体放大器3的输出信号102的输出功率21随着驱动电流22的增大而增大。如图1中所示，驱动电流22可由用于第一半导体放大器3的驱动器12传递。还示出了处于图1的双通配置的第一半导体放大器3的光学增益24。被注入波导6的低反射率端8的光学功率为300μw。如图2中所示，从耦合器2以高达300mw的输出功率将光学辐射发射到前置放大器61中是可能的。这远远超过了在没有从光源1注入输入光学辐射14的情况下所能实现的效果。当作为独立设备操作时，第一半导体放大器3具有大约240ma的激射阈值23，其对应于大约100mw的光学激射阈值28。100mw的光学激射阈值28可能是由于(例如来自隔离器11、耦合器2或光纤之间的接头的)外部反射107引起的。

第一半导体放大器3以双通配置操作，这增加了由波导6提供的光学增益24的量。增加光学增益的量增加了其中第一半导体放大器3处于饱和状态的输入光学辐射14的功率范围。对于输入光学辐射14的固定功率，双通配置还增加了其中第一半导体放大器3处于饱和状态的驱动电流22的范围。当输入光学信号与更弱的输入光学信号相比将经历更小的光学增益时，可认为第一半导体放大器3处于饱和状态。参照图2，第一半导体放大器3在大于饱和光学增益25的光学增益24处处于饱和状态。当光学增益24相对于驱动电流22的增益斜率27已减小到光学增益24相对于驱动电流22的初始增益斜率26的50％时，可认为已发生了饱和光学增益25。初始增益斜率26是驱动电流22为零处。在饱和状态下操作第一半导体放大器3的重要性在于输出噪声被压缩。因此改善了信噪比。对于输入光学辐射14中给定相对幅度波动，与第一半导体放大器3在其线性体制下操作时相比，输出光学辐射15在第一半导体放大器3在饱和状态下操作时将具有更小的相对幅度波动。所有输入波动(信号或噪声)均与光学增益成比例地复制。

在参照图3和图4描述的实验中，第一半导体放大器3和光源1两者都是参照图2描述的超辐射发光二极管。图3示出了当光源1被关闭时，在耦合器2的输出处测量的第一半导体放大器3的光谱31。在输出光谱31中在大约100mw的功率电平(对应于图2中的光学激射阈值28)处观察到了伪激射信号32。伪激射操作可在前置放大器61和功率放大器62中引起受激布里渊散射，这可能引起自q开关导致装置100的永久损坏。

图4示出了当光源1被接通时，在耦合器2的输出处测量的第一半导体放大器3的光谱41。如图1中所示，提供了滤光器9以便限制光学带宽16。滤光器9是具有大约10nm的带宽16的薄膜滤光器。在300mw的输出功率处，在输出光谱41中未观察到伪激射信号。测量出输出光谱41的约10nm的通带42从其最大值43下降了20db。

图5示出了当光源1是分布式反馈激光二极管时获得的第一半导体放大器3的光谱51，该第一半导体放大器是参照图2描述的超辐射发光二极管。输出光谱51包括经放大信号52，该经放大信号52是由光源1输出的光谱的经放大版本。测得的线宽53与光源1的线宽相同。

参照图1、图2和图4，将光源1配置为超辐射发光二极管，并使用该超辐射发光二极管作为第一半导体放大器3的种子，从而允许第一半导体放大器3以大于其光学激射阈值28的两倍，并且优选地大于其光学激射阈值28的三倍的输出功率21操作。这是出人意料的结果，它使得能够增加光学辐射15的光学功率，而不需要附加的光纤放大级。在不旨在限制本发明的范围的情况下，相信这是因为第一半导体放大器3相对于输入光学辐射14在饱和状态下操作，且因此与当输入光学辐射14不存在时相比具有更低的小信号增益。因此，第一半导体放大器3的光学激射阈值28被增加，从而允许实现大于光学激射阈值28的输出功率21。

光源1可被选择为使输入光学辐射14的功率大于当输入光学辐射14不存在时导致第一半导体放大器3激射的从该装置100的反射107的功率。优选地，输入光学辐射14的功率比使第一半导体放大器3在光学激射阈值28处激射的反射(未示出)的功率大得多。

在饱和状态下操作第一半导体放大器3使得输入光学辐射14的幅度波动经历比大信号增益更低的光学增益。因此，来自第一半导体放大器3的输出信号102的幅度波动被压缩，即，与输入光学辐射14相比，它们具有与输出信号102的平均输出功率相比的更小相对幅度；改善了信噪比。输出信号102的幅度波动被前置放大器61和功率放大器62放大，该放大可能引起非线性效应，诸如受激拉曼散射、受激布里渊散射和四波混频，从而限制光学辐射15的可实现输出功率。非线性效应还可将光学辐射15的波长转换为在输出光学器件68的操作波长规格之外的波长。非线性效应还可将传播通过前置放大器61、功率放大器62和输出光纤5的光学辐射传输到不同光模中，降低输出功率、降低光束质量并引起光学辐射15中的空间不稳定性。这种空间不稳定性导致诸如打标、切割和焊接之类的工业材料加工应用中的指向错误。包括在饱和状态下操作的第一半导体放大器3不仅减小了输出信号102的相对幅度波动的幅度，而且避免了增加附加的光纤放大级。附加的光纤放大级将增加装置100中使用的光纤的总长度，将增加非线性效应，并因此限制了光学辐射15的可实现的最大输出功率。

参照图1至图5，波导6内的由自发发射产生的光在沿着波导6向高反射刻面7传播时将被放大。然后，该光将被反射且在其沿着波导6向低反射刻面8往回传播时被第二次放大。低反射刻面8优选具有小于0.1％并且优选小于0.01％的反射率，以便抑制后向反射并因此帮助防止激射。低反射刻面8可具有抗反射涂层。替代地或附加地，低反射刻面8可相对于波导6成角度，使得向波导6内的后向反射被减小。可使用至少1度的角度。

高反射刻面7可具有大于50％、优选地大于80％、并且更优选地大于90％的反射率。这可通过多层涂层或通过附接到波导6的反射器来实现。

第一半导体放大器3可由光学增益19限定，该光学增益由在20摄氏度下至少为10nm的增益带宽18来表征。增益带宽18优选为至少20nm。增益带宽18更优选地大于30nm。具有宽增益带宽18使得能够放大具有宽输入光谱的输入信号。它还减少了对温度控制(例如使用peltier冷却器)的需求。增益带宽18将具有与第一半导体放大器3的经放大的自发发射(ase)带宽基本相同的值。

被设计为具有单一横向模的半导体波导二极管在以高注入电流泵浦波导时倾向于支持更高阶的横模。这是由于由载流子的加热和注入引起的折射率变化。如参照图1所示，优选的是第一半导体放大器3具有去除这种高阶模的装置101。这种装置101由弯曲波导半导体二极管中的波导6的曲率提供。

第一半导体放大器3的上述期望特征可由如图1中所示的弯曲波导半导体二极管来提供。波导6中的曲率导致与低反射刻面8成非垂直的角度，由此减少了反射回波导6中的反射光的量。反射光的量可通过抗反射涂层被进一步减少。波导6的曲率增加了在较高注入电流下由于因载流子的加热和注入引起的折射率变化而存在的较高阶横向模的损耗。优选地，波导6被设计成最小化基础模的弯曲损耗。

参照图1，滤光器9具有由峰值波长104和光学带宽16表征的传输17。光学带宽16优选地小于第一半导体放大器3的增益带宽18。光学带宽16可以小于20nm，优选地小于15nm，且更优选地小于10nm。光学带宽16优选地大于1nm。

再次参照图1，控制器4优选地控制光源1和第一半导体放大器3彼此同步。优选地，控制器4在第一半导体放大器3之前打开光源1。控制器4还可连接到前置放大器61和功率放大器62中的至少一者。前置放大器61和功率放大器62中的至少一者可与第一半导体放大器3同步地被控制，并且可在控制器4接通第一半导体放大器3之前被接通。为了改善光学辐射15的开启特征，诸如输出脉冲的上升时间和脉冲到脉冲变化，这可能是有利的。可与关闭第一半导体放大器3同时或在关闭第一半导体放大器3之后关闭前置放大器61和功率放大器62中的至少一者。“关闭”是指要么完全关闭，要么降低前置放大器61和功率放大器62中的至少一者的增益，以使经放大的自发信号发射被减小。为了减少脉冲输出之间的经放大的自发发射，使经放大的自发信号发射被减小可能是有利的。

图1中所示的装置具有在光源1和第一半导体放大器3之间的滤光器9。滤光器9可以是标准具滤光器、布拉格光栅、薄膜滤光器或任何其他合适类型的滤光器。滤光器9可以是可调谐的。滤光器9可以是声光可调谐滤光器。滤光器9被选择成减小光源1的光学带宽，以便优化装置的性能。因此，例如，在脉冲光纤激光器中，滤光器9可具有10nm的带宽，以便减小受激布里渊散射和/或受激拉曼散射的可能性。

装置100包括光学隔离器10，以保护光源1免受反馈。

耦合器2可以是熔锥耦合器或功分器。优选地，耦合器2是光学循环器，以便减少光学损耗并提供附加的光学隔离。

装置100被示出为在耦合器2的输出端处具有光学隔离器11。有利地，光学隔离器11帮助防止后向反射光进入第一半导体放大器3。如果光学隔离器11被省略，则后向反射光可能导致第一半导体放大器3内的不稳定性，并且后向反射光可能导致第一半导体放大器3激射。

光源1可以是半导体二极管，诸如举例而言法布里·珀罗(fabryperot)激光器、分布式反馈半导体激光器、超辐射发光二极管或弯曲波导半导体二极管。

光源1可以是连续波激光器，诸如举例而言半导体激光器、盘式激光器或钇铝石榴石棒激光器。

光源1可以是光纤激光器、经放大的自发辐射源，其优选包括稀土掺杂光纤或随机光纤激光器。随机光纤激光器可包括半开腔，该半开腔包括100m或更多的无源光纤，该无源光纤被连接至在其输出端具有光学反射器的有源光纤。这种安排在2015年《量子电子的ieee选定主题期刊(ieeejournalofselectedtopicsinquantumelectronics)》第21卷(1)，第10-15页中进行了描述。

图1的装置100可能发生的问题是，在没有输入光学辐射14的情况下，第一半导体放大器3可能激射。这可能导致在前置放大器61、功率放大器62和光纤5中产生非线性效应，诸如受激布里渊散射。受激布里渊散射可能导致装置100的自q开关和/或灾难性故障。

图6示出了包括第二半导体放大器601的装置600。第二半导体放大器601优选以如图6中所示的双通配置操作。第二半导体放大器601可以是超辐射发光二极管，该超辐射发光二极管优选包括弯曲波导6。光源1经由耦合器2和第二半导体放大器601被耦合到第一半导体放大器3中。耦合器2被示为四端口循环器602。光源1可以是由用户提供的外部光源，该外部光源可不形成装置600的一部分。光源1可在第一半导体放大器3的增益带宽18内发射多于一个波长。

控制器4可使得当功率放大器62被接通时该控制器使第二光学放大器601通电。在不存在输入光学辐射14的情况下，来自第二半导体放大器601的输出功率603优选地小于参照图2所示的其光学激射阈值28。包括第二半导体放大器601使得输入光学辐射14能够由第一半导体放大器3和第二半导体放大器601两者放大。有利地，输入光学辐射14具有足够的光学功率，使得控制器4能够使第二半导体放大器601的波导6在饱和状态下操作，因此允许减少输入光学辐射14的光谱噪声和时间噪声中的至少一者。优选地，控制器4使得第二半导体光学放大器601在不存在输入光学辐射14的情况下发射光学辐射603，由此确保第一半导体放大器3不激射，并由此避免装置600的自q开关和/或灾难性故障。

光源1可以是如图7中所示的锁模激光器71。输入光学辐射14经由耦合器2被耦合到第一半导体放大器3中并被耦合到前置放大器61中。参照图8，锁模激光器71发射具有脉冲重复频率78的光学脉冲序列74。控制器4可通过以低于脉冲重复频率78的脉冲重复频率操作第一半导体放大器3来向下选择光学脉冲74，以提供图9和图10中所示的光学脉冲75。如图11中所示，控制器4还可控制第一半导体放大器3，使得它输出至少两个连续脉冲76的突发。已被门限移除的光学脉冲74由图9至11中的虚线示出。光学脉冲74的向下选择被称为脉冲拾取。

第一半导体放大器3应该以小于其损坏阈值的峰值功率电平操作。在光学脉冲74具有大于或接近第一半导体放大器3的损坏阈值的峰值功率77的情况下，可设置啁啾光栅73，以便在光学脉冲74进入第一半导体放大器之前在时间上拉伸光学脉冲74。啁啾光栅73可以是啁啾光纤布拉格光栅或外部体光学光栅。使用四端口循环器602将啁啾光栅73结合到图7中的装置600中。啁啾光栅73的提供被称为啁啾脉冲放大。可通过具有相反色散的色散元件(未示出)来重新压缩光学脉冲74。色散元件可以由光纤5、前置放大器61、功率放大器62提供或由诸如脉冲压缩器之类的外部设备提供。

在前置放大器61之前示出了可选的可饱和吸收器72，以滤除可能在光学脉冲75之间出现的光学噪声。可饱和吸收器72可以是半导体可饱和吸收器，诸如由德国耶拿的batopgmbh提供的sa-1064-14-500fs-fc/apc可饱和吸收器。替代地，可饱和吸收体72可包括量子阱微腔、石墨烯、碳纳米管，或者可以是掺杂有稀土或半导体的光纤。饱和吸收器72也可在图1和图6中所示的装置中使用。

第一半导体放大器3减小幅度噪声，诸如输出辐射15中的脉冲到脉冲幅度变化。这是通过在饱和状态下操作第一半导体放大器3来实现的，如参照图1和图2所述。应当注意，第一半导体放大器3可能不减小光学脉冲75之间的幅度噪声，因为第一半导体放大器3可能未处于饱和状态，并且还可能发射经放大的自发发射。将在饱和状态时的第一半导体放大器3的降噪特性与可饱和吸收器72的降噪特性相结合提供了优于现有技术的明显的降噪优势，特别是当光学辐射15由具有大于1kw的峰值功率，或具有大于1w、优选大于5w、更优选大于10w的平均功率的输出脉冲75限定时。

锁模激光器71可以是半导体锁模激光器或光纤锁模激光器。锁模激光器71可以是皮秒锁模激光器或飞秒锁模激光器。

与现有技术相比，将第一半导体放大器3用作脉冲拾取器提供了明显的优势。这些典型地使用电光调制器来对具有大于大约80mhz的脉冲重复频率78的锁模激光器的输出进行脉冲拾取，或者使用声光调制器用于对具有小于大约80mhz的脉冲重复频率78的锁模激光器的输出进行脉冲拾取。然而，电光调制器昂贵并且需要复杂的电子驱动器，而声光调制器在其高频操作方面受限且其电子驱动器消耗大量的电功率。另外，电光调制器和声光调制器都不提供光学增益，且也不提供可改善信号幅度噪声的饱和光学增益。第一半导体放大器3的带宽或操作速度通常比声光调制器的带宽大得多，并且通过适当的驱动电子器件和封装，可类似于电光调制器的带宽。

图12示出了来自光源122的输出被功分器121划分并且被多个独立的前置放大器61和功率放大器62放大。功分器121可包括至少一个光纤耦合器或平面波导。图12中所示的装置利用由第一半导体放大器3提供的光学增益，该光学增益至少部分补偿因引入功分器121而引起的损耗。该装置被示出为具有多个第一半导体放大器3，该第一半导体放大器可被独立地操作，或者从同一驱动器12驱动。替代地或附加地，可使用诸如图7中所示的布置在功分器121之前提供单个第一半导体放大器3。

光源122可以是参照图7描述的锁模激光器71。图12中所示的布置具有图7的布置的所有优点，但是更好地摊销了锁模激光器71的成本。参照图7描述的啁啾光栅73和四端口循环器602可在图12的装置中使用。这对于飞秒激光器和皮秒激光器特别有用。

光源122可以是窄线宽激光器，诸如举例而言参照图5描述的分布式反馈激光器。窄线宽激光器优选地具有大于受激布里渊散射的频移的线宽53，在波长为1微米处在石英光纤中其约为10ghz至17ghz。从多个放大器链123发射的光学辐射15可与透镜系统(未示出)组合在一起，该装置是相干组合激光器的形式。可使用第一半导体放大器3或附加的调制器或电光调制器(未示出)来提供放大器链123的相位控制，如参照美国专利no.8,520,306进一步描述的，通过援引将该专利纳入于此。

使用处于饱和状态的第一半导体放大器3允许平衡每个放大器链123的平均功率，而不引入附加的幅度噪声。另外，如果来自光源122的输出被中断，则第一半导体放大器3将发射自发发射，由此保护功率放大器62免受灾难性故障。

光源1可以是如图13中所示的随机光纤激光器80。随机光纤激光器80有时被称为随机分布反馈激光器。随机光纤激光器80包括反射器81、有源光纤82、无源光纤83和泵浦84。反射器81可以是光纤布拉格光栅或镜子。反射器81可具有大于4％、优选地大于10％、并且更优选地大于20％的反射率。有源光纤82优选地掺杂有稀土掺杂剂、铋或过渡金属。泵浦84优选为半导体激光二极管，其可由控制器4控制。有源光纤82可以是侧泵浦(如图所示)或端泵浦的。无源光纤83提供随机瑞利散射反馈，由此为包括反射器81、有源光纤82和无源光纤83的开放式激光腔定义输出耦合器。无源光纤83的长度大于20m，优选大于100m，且更优选地大于1km。可提供防止外部光学反馈的光学隔离器85，和用于调整输入光学辐射14的峰值波长104和带宽16的带通滤波器86。

图14示出当不包括第一半导体放大器3时输出辐射15的概率密度函数91，以及当第一半导体放大器3在饱和状态下操作时输出辐射15的概率密度函数92。相对于光学辐射15的归一化输出功率93(p/<p>)绘制了概率密度函数91、92，其中相对于光学辐射15的平均输出功率94<p>执行归一化。出人意料地，包括第一半导体放大器3极大地降低了输出光学辐射15具有超过平均输出功率94的两倍的功率的可能性。这是重要的，因为功率放大器62和输出光纤5中的非线性效应是强烈取决于瞬时输出功率95p的。非线性效应(诸如受激拉曼散射、受激布里渊散射和四波混频)限制了可实现的输出功率，并且可将光学辐射15的波长转换为在输出光学器件68的操作波长规格之外的波长。非线性效应还可能导致耦合到在输出光纤5中丢失的更高阶模，或使输出光学器件68的光束指向精度降级。在饱和状态下操作第一半导体放大器3(诸如参照图1、2、6、13和15所描述的)降低了光谱噪声、时间噪声和非线性波长转换，且因此非常有优势。

图13还示出了在第一半导体放大器3之前已经包括的光学衰减器613。光学衰减器613优选为可变光学衰减器。控制器4控制可变光学衰减器，以便第一半导体放大器3在饱和状态下操作，如参照图2所描述的。替代地或附加地，控制器4控制可变光学衰减器，以便第一半导体放大器3在其损坏阈值以下操作。还可提供图1的模混合器66。

图15示出了包括前置放大器61、功率放大器62和中间级光学隔离器63的环形激光器60。来自输出光纤5的光学辐射15经由透镜623被耦合到共振腔624中。透镜623优选为准直器。共振腔624包括镜子610和611以及非线性晶体628。由功率放大器62提供的光学辐射15在共振腔624中作为红外辐射612共振，并且由非线性晶体628频率转换以提供经频率转换的输出辐射629。如果前置放大器61和功率放大器62是掺镱光学放大器，则红外辐射612可具有大约1064nm的波长，而经频率转换的辐射629可具有大约532nm的波长，其为可见的绿光。例如，通过镱掺杂、铒掺杂、钕掺杂中的至少一者，或者在功率放大器62中使用其他稀土金属掺杂剂、半导体掺杂剂或铋掺杂剂，其他波长也是可能的。

共振腔624还以输入光学辐射14的形式提供光反馈，该光反馈经由滤光器9和透镜623被耦合回到功率放大器62。如果反馈由于任何原因被干扰，则前置放大器61和功率放大器62可能被剥夺信号，这可能导致灾难性故障。本发明通过提供第一半导体放大器3来解决该问题，该第一半导体放大器3在正常操作中将放大反馈，并且如果反馈丢失，则将光学辐射提供给前置放大器61以防止灾难性故障。这在将共振腔624和透镜623对准时特别有利，因为在该过程期间经常丢失反馈。

可包括光学隔离器11以防止到第一半导体放大器3中的后向反射。还示出了耦合器625、检测器626和检测电路627。检测电路627可包括电子延迟器和电子触发器。控制器4可利用来自检测电路627的输出来调制第一半导体放大器3，以便调制经频率转换的辐射629。有利地，可将调制调谐到共振腔624的共振频率或其谐波。

图15还示出了在第一半导体放大器3之前已经包括的光学衰减器613。光学衰减器613优选为可变光学衰减器。控制器4控制可变光学衰减器，以便第一半导体放大器3在饱和状态下操作，如参照图2所描述的。替代地或附加地，控制器4控制可变光学衰减器，以便第一半导体放大器3在其损坏阈值以下操作。

有利地，控制器4控制第一半导体放大器3，以便其在饱和状态下操作。第一半导体放大器3复制输入光学辐射14的光谱特性，且这帮助形成反馈，以便作为环形激光器操作该装置。如参照图13和图14所描述的，这将减小功率放大器62和输出光纤5中的非线性效应，该非线性效应强烈地依赖于瞬时光学功率。非线性效应(诸如受激拉曼散射、受激布里渊散射和四波混频)限制了可实现的输出功率，并且可将光学辐射15的波长转换为在共振腔624的操作波长规格之外的波长。

共振腔624通过高度依赖于输出辐射15的瞬时光功率和瞬时波长的非线性光学效应操作。如参照图2所述，在饱和状态下操作第一半导体放大器3减小输出辐射15的光谱噪声、时间噪声和非线性波长转换，这因此带来共振腔624的稳定得多的操作，且从而带来更低的噪声和更稳定的经频率转换的辐射629。因此在饱和状态下操作第一半导体放大器3是非常有利的。

控制器4可利用来自检测器626和检测电路627的输出，以检测输入光学辐射的不存在，以便控制器4可降低第一半导体放大器3的光学增益24以防止其激射。这对于防止前置放大器61和功率放大器62的灾难性损坏是有利的。检测器626和检测电路627也可在图1、6、7、12和13的装置中使用，以防止前置放大器61和功率放大器62的灾难性损坏。

参照图1、6、7、12、13和15，输出光纤5可以是单模或多模的。输出光纤5可以是实芯光纤、微结构光纤或空芯光纤。空芯光纤可以是kagome光纤、光子晶体光纤或抗共振光纤。输出光纤5可以是偏振保持光纤。

参照图1、6、7、12、13和15，功率放大器62可以是光纤放大器。替代地，功率放大器62可以是自由空间固态放大器，诸如棒放大器或板放大器，例如，来自德国黑措根拉特的amphosgmbh的amphos100。这允许在非线性效应开始之前实现与光纤放大器相比更高的峰值功率，并且可提供具有更好信噪比的激光系统。

图16和图17示出了抗共振光纤160和170，所述抗共振光纤包括毛细管161、以及围绕毛细管161的内表面162的多个抗共振管163。有利地，抗共振光纤160和170是具有被布置成在光纤的横截面中提供双重旋转对称组件的抗共振管163的偏振保持光纤。这可通过结合第一抗共振管164和第二抗共振管171来实现，其中第一抗共振管164具有与第二抗共振管163相比更大和/或不同的形状，如图16所示。替换地或附加地，第一抗共振管可以是如图7所示的嵌套管171。嵌套管171可由吸收或散射材料制成，以便产生沿光纤传播的光的一个偏振与另一偏振相比的损失。使用偏振保持光纤在材料加工应用(诸如打标、切割和焊接)中可以是有利的，因为材料加工性能常取决于入射光学辐射的偏振。将经偏振的光学辐射传送到工件并通过旋转光纤和/或偏振光学器件(诸如半波片)来调整偏振的能力是非常有利的。在参照图7和图12描述的飞秒激光器和皮秒激光器(其中穿过实芯光纤的传输具有挑战性)的情况下尤其如此。传送偏振光学辐射的能力在图15的装置中也是重要的，因为共振腔624中的频率转换过程高度依赖于输入到共振腔624的输出光学辐射15的偏振。

参照附图描述的本发明可以各种方式使用，包括增加从主振荡器功率放大器可获得的功率，改善高功率激光器的信噪比，防止功率放大器的光学损坏以及锁模激光器中的脉冲拾取，其可通过一种方法来实现，该方法包括在饱和状态下操作第一半导体放大器的步骤。

应当领会，以上参照附图描述的本发明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发明的所有方面中。本发明还扩展至以上单独或以任何组合方式提及和/或示出的个体组件。