具有非均勻配置的光纖-光纖棒多模放大器的超大功率單模光纖激光器系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及一種設置有單片光纖-棒光纖放大器的超大功率光纖激光器系統，在自由空間上直接向激光頭傳送實質上基模的信號光。
【背景技術】
[0002]過去幾十年，來自摻雜稀土元素的光纖源的輸出功率顯著增加，通過使用雙包層光纖導致大量光纖激光器在輸出功率、光束質量、整體效率和波長適應性方面具有優秀的性能。然而，對現代大功率光纖激光器系統的功率縮放(power scaling)還遠不能滿足日益增加的工業需求。
[0003]如本領域技術人員所理解的，構成大功率單模或低模(“SM/LM”)光纖放大器的前提非常簡單:最大程度地放大SM/LM有源光纖的芯徑，并且最小化導引光的MM有源纖芯的長度。容易理解的是較大芯徑和較短長度的原因是出于對高峰值功率、高平均功率等級、以及實質上衍射極限的激光輸出的需要。
[0004]然而，增加波導的芯徑導致增加導出的高階模的數量，這樣降低了光束質量。可以通過大幅減小纖芯的數值孔徑(“NA”)來消除對光束質量的影響，然而這樣做將嚴重限制可以耦合進入纖芯的栗浦光的量。因此，現有技術中用于實現大功率的唯一可行辦法是包層栗浦。使用包層栗浦需要增加有源光纖的有效長度，這是由于對耦合進入包層的栗浦光的吸收效率大約比對耦合進入纖芯的栗浦光的吸收效率低8倍。因此，發生NLE的閾值徑向地降低。研究了用于改善能夠發射SM/LM輸出的大功率激光器系統的可縮放性的大量技術，下文將進行簡要描述。
[0005]明顯影響可縮放性的一個重要發展包括光纖激光領域技術人員公知的雙包層光纖。例如，美國專利5，818，630及其擴展的專利族公開了一種包括雙包層MM有源光纖放大器的大功率光纖激光器系統。通過將模式匹配元件(所謂的模式轉換器，光學領域的技術人員公知為擴束器)布置在SM無源和MM有源光纖之間，來實現良好質量的輸出光束。將轉換器配置為將SM擴展為有源光纖的基模大小，其中如本領域技術人員公知，將有源光纖的基模近似描述為高斯形狀。
[0006]這種設計不能毫無代價地實現。明顯地，它體積較大并且并非堅固耐用，因此它的使用被限制在相對無應力的環境中，其中在現場中不易于產生和維護這樣的環境。如果將錐狀光纖用作模式匹配元件，則將它與相應的SM和MM光纖的端部熔接。在這種配置下，功率在光纖之間接合部處損耗，明顯增加了衍射受限光射線的失真。此外，由于雙包層配置，栗浦技術包括將栗浦光耦合進入內包層，這樣增加放大器的長度并提升NLE的閾值。
[0007]目前，光纖激光產業轉向晶體光纖棒，晶體光纖棒通常用于放大器鏈的輸出級以解決光纖放大器的可縮放性。基于空氣孔包層技術(clad technology)，晶體光纖棒包括具有摻雜纖芯、較大直徑的栗浦纖芯或內包層及外包層的雙包層結構。
[0008]棒狀光纖的SM摻雜纖芯具有非常小的NA，并由熔融的硅石/石英制成，通常具有低摻雜濃度。低數值孔徑將可以耦合進入纖芯的大功率栗浦光的量限制為用于實現kW-MW范圍內(根據激光器系統操作在CW模式下或是脈沖模式下)的超大功率所需的量。因此，僅可以將充分量的栗浦光耦合進入栗浦纖芯或內包層。因此，為了完全利用包層耦合的栗浦光，光纖棒應具有在幾十(通常超過50)厘米到幾米之間改變的長度。因此即使最短的可用光纖棒仍受到NLE存在的不利影響。當然，NLE嚴重限制了激光的功率可縮放性。
[0009]光纖棒中的低濃度離子(諸如，鐿(“Yb”))通常為7xxppm。由于這種低摻雜濃度，對栗浦光的吸收也是較低的。為了獲得kW-MW的功率，應該發射非常大功率的栗浦光。為了提供對栗浦光的充分吸收，應增加光纖棒的總長度。如上所述，增加總長度降低NLE的閾值，進而限制放大器的功率可縮放性。
[0010]光纖棒的開放端結構是另一關注領域。通常，僅可以通過微光學器件實現將輸入信號發射通過空氣孔。當然，微光學器件使整個系統配置變得復雜，并且更加麻煩和昂貴。孔中存在空氣降低了熱傳導特性。具體地，空氣孔減慢了對熱量耗散，因此可能損壞棒本身，并引起環境危險。
[0011]美國專利7，813，603(“603”)公開了使用晶體光纖棒和基于所述棒的放大光纖器件。“603”教導的結構包括放大介質;至少一個栗浦光傳輸光纖；以及反射元件，沿與信號光傳播方向相反的方向將栗浦光導入放大介質。將放大介質配置為多包層光子晶體光纖棒，其中內包層被稱作多模栗浦芯，接收沿與信號傳播方向相反方向的反射栗浦光。如上所述，由于SM摻雜纖芯較小，基本沿著光纖長度方向發生對反射栗浦光的吸收，以免在較低功率等級下發生NLE。所公開的結構以不超過150W的輸出功率工作，以免防止損壞摻雜纖芯。
[0012]綜上所述，對大功率光纖系統的設計由于以下因素而面臨困難:普通光纖和光纖棒中的非線性效應;基模功率向高階模的損耗(“Η0Μ”)；栗浦亮度；以及產生過多的熱量。盡管每一因素單獨地限制功率縮放性能，然而它們還是彼此相關聯的。
[0013]因此，需要一種大功率SM光纖激光器系統，基本克服已知系統的上述不足。
[0014]還需要一種緊湊的、便攜式的SM超大功率光纖激光器系統，能夠輸出kW級平均功率和MW級峰值功率。
【發明內容】
[0015]所公開的大功率SM激光器系統配置有:增量器級，包括無約束的單片光纖-棒光纖增量器，通過連續光纖輸入區域、變換區域、光纖棒輸出區域限定實施例增量器。單片MM波導具有:連續MM纖芯以及至少一個包層，所述包層與所述纖芯共同延伸并包圍所述纖芯。延伸通過波導的輸入光纖區域的纖芯的輸入區域較小，并被配置為支持從種子源接收到的SM
信號光。
[0016]假定纖芯是瓶頸形橫截面，則在沿著波導長度的某個地方，纖芯擴展，這樣定義了進入輸出放大區域的變換區域。輸出區域的均勻直徑比輸入纖芯部的均勻直徑更大。雖然有可能支持多個高階模(“Η0Μ”)，但是相較于對Η0Μ的放大，明顯放大的是單基模(single，fundamental mode)，因此減小了噪聲。所以，放大器發射基本為單基模的光。增量器沒有接合部，因此沒有接合部損耗，也沒有在基模和Η0Μ之間進行耦合的可能。
[0017]增量器可以無約束地延伸在自由空間，向工作區域傳送信號光，而不使用傳統SM無源傳輸光纖。增量器增大的芯徑允許在較短的纖芯中吸收較多的栗浦光功率。具體地，將至少一個MM栗浦光光纖設置為靠近增量器的輸出端。所公開配置的栗浦機制允許沿與信號傳播方向相反的方向將栗浦光耦合進入增量器的纖芯，如本領域技術人員所公知地，這樣增強對栗浦光的吸收。
[0018]通過與對應增量器的輸出端間隔開的反射元件和傳輸光纖，提供對栗浦光的反向傳播耦合。配置數值孔徑(“NA”)小于增量器的數值孔徑的栗浦光傳輸光纖以及期望曲率的反射元件有助于將被反射的栗浦光耦合到增量器的輸出纖芯端。
[0019]輸出區域的較大芯徑和栗浦機制是允許增量器相對較短的重要參數。選擇長度以便主要沿著增量器的棒-光纖區域的輸出纖芯區域提供對耦合栗浦光的吸收。雖然栗浦光的功率較大，減小的長度使NLE的發生幾率最小化。
[0020]反射元件配置有與增量器的光軸相對準的開口。選擇開口的尺寸以便防止有用的栗浦光損耗，并使沿傳播方向穿過所述開口的已放大信號光沒有損耗。
[0021]已放大信號光的大功率密度對于光纖表面是有害的。為了降低功率密度，所公開的系統配置有通常由石英制成的無纖芯端接模塊。該模塊位于相應增量器以及栗浦光傳輸光纖的端部和反射元件之間。該模塊的上游面被熔接到相應增量器和栗浦光纖的光纖端部。
[0022]通過設置包圍棒狀光纖部、端接模塊和反射元件的襯套包封，進一步改善所公開的增量器的緊湊性。將所述襯套耦接到密封的光學部件以便限定出公知為激光頭的端部封裝。
【附圖說明】
[0023]根據結合附圖所述的以下具