多模法布里-珀罗光纤激光器的制造方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及一种光纤激光器，更具体地涉及一种多模光纤法布里-珀罗光纤激光器，具有限定在多模光纤光纤之间的谐振腔并且能够在窄的谱线内发射多模光。
【背景技术】
[0002]通常，光纤振荡器配置有提供基本上单横模产生的单模(“SM”)有源和无源光纤或者其他模式的光纤部件。激光领域的普通技术人员都熟知SM光纤振荡器提供的优势。然而，SM光纤激光器也面对一些挑战，下面详细讨论这些挑战的一部分。
[0003]如已知的，存在对于SM有源阶跃折射率光纤的几何形状强加的限制。因为实践中SM芯区在达到约30微米芯径时不能只支持SM，SM芯区不能无限地扩大。但是，对于产生大功率SM激光束而言，需要较大芯径。这种限制的主要原因包括各种非线性效应(“NLE”)，无论对于科学和制造团体关心的工作，非线性效应仍然是个问题。具体地，NLE对大功率光纤激光器和放大器造成损害。
[0004]如光纤激光器领域的普通技术人员所知的，NLE是限制光纤激光器的功率缩放的主要因素之一。不同的NLE具有以下共性:
[0005]A.NLE所处的脉冲光功率(称作“阈值功率”并且与可实现的最大脉冲功率相一致)与光纤芯区面积成正比，并且与光纤长度成反比。换句话说，光纤激光器中使用的小芯区长光纤偏好NLE;以及
[0006]B.NLE引起激光发射光谱和/或波长转换以及光学反馈不期望的谱展宽、功率不稳定性、以及随后对于光学部件的潜在损坏。具体地，响应于增加的功率密度而观察到的不期望展宽是四波混频(“FWM”)NLE的结果。此外，实践中对于光纤器件的操作有害的影响证实了拉曼NLE。
[0007]长周期光纤光栅(“LPFG”)的不期望构成也是不利的。在这种类型的结构中，与LPFG相互作用的信号光被耦合到包层模式中，在包层模式中信号光由于吸收和散射而迅速衰减。因此，信号可能会经历明显不期望的损耗，这与损耗多低无关。
[0008]如果增益介质包括低模有源光纤，由于高阶模式的激励导致能够观察到不稳定的激光器操作。典型地，SM激光器配置有低模有源光纤，该低模有源光纤的相对端部熔融至相应的SM无源光纤。如果相应的无源光纤和有源光纤的SM和基模的模场直径不匹配，则难以抑制高阶模式的激励。然而，实践中，这种低模有源光纤是配置为按照基本上单基模发射光束的所有大功率激光器/放大器设计的选择。因此，应该施加额外的制造工作以让相应的SM光纤和丽光纤的MFD基本上匹配。
[0009]对于具有低模有源光纤的SM激光器，输出光束具有接近特征为尖锐顶部的高斯强度轮廓。这种光束对于某些应用并非总是理想的。通常与该轮廓的平坦顶部相关联的均匀强度分布是有利的。在这种情况下，SM激光器应该附加地配置有光束整形光学器件，这增加了系统的总成本。
[0010]因此，存在对于具有成功满足上述挑战的结构的MM光纤振荡器的需要。
【发明内容】
[0011]这种需要是通过所公开的一种具有法布里-珀罗结构的振荡器来满足的。具体地，所公开的振荡器配置有多横模(“MM”)阶跃折射率有源光纤。该有源光纤的相对端部耦合至相应的MM无源光纤。在MM无源光纤的相应芯区中写入的两个MM光纤布拉格光栅之间限定了谐振腔。
[0012]所公开的振荡器结构的组件全部选择和设计用于最小化非线性效应的阈值，并且因此产生窄线发射。由所公开的振荡器参数的多种选择提供的灵活性允许将输出功率调节至所需级别，选择所需的波长，并且产生为多种特定应用而定制的期望窄波长线。
【附图说明】
[0013]利用以下附图的帮助，以上和其他公开的特征及优点将变得更加清楚明白，其中:
[0014]图1是公开的丽光纤振荡器的光学示意图；
[0015]图1A是根据本公开实施例之一配置的示范性多模有源光纤；
[0016]图2是公开的MM光纤振荡器的光学示意图，具有使用通过高反射FBG削弱的光的
目.ο
[0017]图3Α和3Β示出了在不同峰值功率级下操作的典型现有技术SM Yb_掺杂光纤激光器的典型光学输出发射谱。
[0018]图4示出了现有技术的典型SM光纤激光器中随着输出功率增加观察到的拉曼NLE的产生。
[0019]图5A和5B是图1的丽法布里-珀罗激光器在相应的不同输出功率下操作的典型光谱。
[0020]图6A和6B分别示出了在由图1的MM光纤激光器和现有技术的SM激光器输出的单个脉冲的功率稳定性。
[0021]图7A和7B示出了图1的相应MM光纤激光器和现有技术的SM光纤激光器振荡器的典型输出光束参数，所述现有技术的SM光纤激光器振荡器配置有100 μπι直径MM输出光纤。
【具体实施方式】
[0022]现在对本发明的实施例提供详细参考。在可能的情况下，相同或类似的数字在附图和描述中用于表示相同或类似的部件或步骤。附图是简化形式的并且没有精确按比例绘制。除非特别指出，倾向于向在说明书和权利要求中的词语和短语赋予对于光纤激光器领域的普通技术人员普通和习惯的意思。词语“耦合”和类似术语不必表示直接和紧接的连接，而是也包括通过自由空间或中间元件的机械光学连接。只是为了清楚的目的，在利用ΜΜ镱激光器的实验器件获得了所有下面讨论的计算机产生的曲线。然而，下面讨论的基本方法可以成功地应用于各种稀土离子。
[0023]图1示出了配置有增益介质的本发明的ΜΜ光纤激光器或振荡器10，所述增益介质包括掺杂有发光体的ΜΜ光纤12。如已知的，发光体包括从以下中选择的稀土元素的离子:镱(“Yb”)、铒(“Er”)、钕(“Nd”)、铥(“Tm”)、钬(“Ho”)、镨(“Pr”)、铈(“Ce”)、镱(Y3+)、钐(Sm3+)、铕(Eu3+)、钆(Gd3+)、铽(Tb3+)、镝(Dy3+)和镥(Lu3+)及其各种组合。
[0024]有源阶跃折射率光纤12配置有芯区，能够支持典型地与大于20的芯径相关联的多种横模。光纤激光器领域的普通技术人员已知的是，一旦阶跃折射率光纤的芯径超过30 μ m直径，则阶跃折射率光纤不能继续支持单模。有源光纤12的结构还可以具有按照本领域普通技术人员知晓的方式来包围芯区的一个或多个包层。
[0025]振荡器10还配置有两个丽无源光纤14，所述丽无源光纤14熔融至有源光纤12的相应相对端部。MM无源光纤各自均配置有与有源光纤12基本上匹配的芯径和数值孔径。栗浦20包括按照侧面栗浦方案设置并且具有发射峰值的一个或多个丽带尾纤(pigtailed)激光二极管，所述发射峰值与所选择的掺杂离子的吸收峰相对应。如图1所示组合并且可选地放置于外壳(未示出)中的无源光纤、有源光纤和栗浦光纤的组合构成了单个增益块。
[0026]激光器10具有法布里-珀罗结构，具有分别在间隔开的强和弱反射率MM光纤布拉格光栅(“FBG”)16和18之间限定的谐振腔。将FPG 16和18写入到相应的丽无源光纤14。尽管可以将FBG写入到有源光纤，但这在技术上是个挑战。
[0027]已经实现了单模(“SM”)大功率光纤激光器的几千瓦的实现方式，并且已经在市场上可用。当前连续波SM操作的现有示范状态是约10kW，并且已经预测了超过30kW的SM操作级。尽管光纤激光器在大功率下保持优秀光束质量的能力是无可置疑的，由于光纤激光器通常用于处理具有宽吸收波段的材料，不大关心激光线宽。
[0028]然而，一些应用要求选择性的谱线。例如，由于标准Yb SM光纤激光器的使用导致了不期望的粉尘产生，在存在惰性气体的情况下利用Yb光纤激光器对钛和钛合金进行激光处理需要将大功率1070nm SM光纤激光器的典型较宽的光谱线宽变窄。可以通过激光的宽发射光谱线宽和惰性气体的吸收中心之间的重叠得到粉尘形成的解释。因此，应该将激光的光谱线宽变窄以避免可以通过高成本单频SM光纤激光器实现的吸收峰。
[0029]如已知的，SM光纤激光器中线展宽的主要原因之一是存在随着功率增加而变得更加显著的非线性效应(“NLE”)，例如拉曼散射和四波混频。可以通过增加芯径和腔长度来降低NLE的阈值。因此，以大直径芯区和小腔长度为表征的MM光纤的特征在于相对较窄的光谱线宽。
[0030]本公开的有源MM光纤12完全满足针对相对较高NLE阈值的要求。在一个实施例中，MM有源光纤12的结构可以包括典型的圆柱形光纤。在其他实施例中，有源光纤可以配置为如图1A所示的双瓶颈形状，所述双瓶颈形状具有两个相对较小直径的输入和输出芯区11、中心相对较大直径的中央放大芯区13以及利用端部芯区的相应相对端部与中心区域的相对端部桥接的两个锥形区域15。放大区域增大的直径是进一步增大芯径、减小光纤长度并且最终提升NLE阈值和光谱线宽变窄的手段。图1A所示的MM有源光纤的包层可以配置有典型的圆柱形状截面，或者可以具有与芯区相同的双瓶颈形状。针对所公开激光器，满足许多工业要求(这些类型的材料激光器工艺)的光谱线宽可以从0.02nm至约10nm变化。可以通过对芯径、谐振腔的长度、MM布拉格光栅的结构、掺杂剂浓度的仔细选择来获得期望谱线。
[0031]除了图1之外还参考图2，强MM FBG16可能没有提供所有模式的期望反射，并且一部分光通过强MM FBG漏出。为了最小化、恢复或防止这种损耗，MM激光器10可以具有如下所公开的几种结构。
[0032]如图2所示，上游丽无源光纤14形成有回路，所述回路用于将漏出的光导引至沿着信号路径位于弱FBG 18之后的合束器24。合束器24配置为对输出光信号与通过漏出损耗的光进行组合，并且进一步沿着路径输出组合光。
[0033]图1示出了用于最小化光损耗的装置的两个替代实施例。例如，上游丽光纤14的自由插口可以配置有反射镜26，反射镜26能够反射通过强FBG 16漏出的所