用于将受激拉曼散射（SRS）光导向出光纤的光纤装置

优先权声明

本申请要求于2018年12月28日提交的题为“用于将受激拉曼散射(SRS)光导向出光纤的光纤装置和方法”的美国临时专利申请第62/786,173号的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

背景

光纤激光器工业继续增加激光器性能度量，例如平均功率、脉冲能量和峰值功率。脉冲能量和峰值功率与光纤中能量的存储和提取相关联，同时减轻可能对输出脉冲的时间和光谱内容具有不利影响的非线性过程。受激拉曼散射(SRS)光是与光纤介质(例如玻璃)的振动相关联的一个这样的非线性过程的结果。 SRS通常是通过这些系统所包括的光纤的光纤激光器和/或光纤功率放大器信号光的不想要的副产品。

SRS光的产生可以降低预期信号输出波长中的功率。SRS的产生还可能使激光发射不稳定，导致不期望的输出功率波动。SRS的产生也可能对激光系统发射的空间分布有不利影响。也可以通过从激光系统内部或外部的物体(例如用于操纵激光器或放大器输出的光装置或被施加激光输出的工件)的反射，在激光器和放大器系统中再引入SRS。这种反射还会使激光发射不稳定。一旦产生，光纤系统的激光器和/或放大器可以将SRS光放大到对系统内部的部件(例如光纤激光器或光纤放大器)造成灾难性损坏的程度。SRS 光也可能对光纤系统外部的部件有害，因为可能没有为SRS光的波长指定外部组件。所递送的波长与所期望的波长之间的这种不匹配可导致工件性能不理想，或者可导致具有集成光纤系统的外部系统造成眼睛安全问题。同样地，可能期望抑制光纤系统内的SRS的生成，从光纤系统移除SRS光，和/或以其他方式减轻SRS的一个或多个不想要的影响。

附图说明

在附图中通过举例而非限制的方式示出了在此描述的材料。为了说明的简单和清楚，图中所示的元件不必按比例绘制。例如为了清楚起见，一些元件的尺寸可能相对于其他元件被夸大。此外，在认为适当的情况下，在图中重复参考标号以指示对应或类似元件。图中：

图1是示出根据一些实施例的用于选择性地将拉曼光谱耦合出光纤的方法的流程图；

图2是根据一些实施例的将拉曼光谱选择性地耦合出光纤的装置的示意图；

图3A和图3B是根据一些实施例的光纤的纵向和横向截面图；

图4A是根据一些实施例的包括长周期光纤光栅(LPFG)的光纤长度的纵向截面图；

图4B是穿过根据对称光栅实施例的图4A所示的LPFG的一部分的横向截面图；

图4C是穿过根据非对称光栅实施例的图4A中所示的LPFG的一部分的横向截面图；

图5是根据一些实施例的包括线性调频光纤布拉格光栅(CFBG)的光纤长度的纵向截面图；

图6是示出根据一些实施例的从具有线性调频光纤布拉格光栅(CFBG)的光纤系统中选择性地去除拉曼光谱的方法的流程图；

图7是根据一些CFBG实施例的将拉曼光谱选择性地耦合出光纤的装置的示意图；和

图8A和图8B是根据一些实施例的包括光振荡器、光功率放大器和LPFG或CFBG的光纤系统的示意图。

具体实施方式

参考附图描述一个或多个实施例。虽然详细示出和讨论了具体的构造和布置，但是应当理解，这仅仅是为了说明性目的。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本描述的精神和范围的情况下，其他配置和布置是可能的。对于相关领域的技术人员显而易见的是，本文所述的技术和/或布置可用于除本文详细描述的以外的各种其他系统和应用中。

在以下对附图的详细描述中参考了附图，附图形成了描述的一部分并且示出了示例性实施例。此外，应当理解，在不脱离所要求保护的主题的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构和/或逻辑改变。还应当注意的是，例如向上、向下、顶部、底部等的方向和参考仅仅是为了便于描述附图中的特征。因此，以下详细描述不应被理解为限制意义，并且所要求保护的主题的范围仅由所附权利要求及其等效替换来限定。

在下面的描述中，阐述了许多细节。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在一些实例中，以块图形式而非详细地示出了公知的方法和装置，以避免模糊本发明。在整个说明书中对“实施例”或“一个实施例”的引用意味着，在本发明的至少一个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构、功能或特性。因此，在本说明书各处出现的短语“在实施例中”或“在一个实施例中”不一定指的是本发明的同一实施例。此外，特定特、，结构、功能或特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中。例如第一实施例可以与第二实施例组合，其中与两个实施例相关联的特定特征、结构、功能或特性不相互排斥。

如在本发明的说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该”也旨在包括复数形式的情况，除非上下文另外明确指出。还应当理解，本文所用的术语“和/或”指代并涵盖一个或多个相关所列的项目的任何和所有可能的组合。

术语“耦合”和“连接”连同它们的变体在本文中可用于描述部件之间的功能或结构关系。应当理解，这些术语不旨在作为彼此的同义词。更确切地说，在特定实施例中，“连接”可用于指示两个或两个以上元件彼此直接物理、光或电接触。“耦合”可用于指示两个或两个以上元件彼此直接或间接(其间具有其他介入元件)物理或电接触，和/或指示所述两个或两个以上元件彼此协作或相互作用(例如以引起效应关系)。

如在此使用的，术语“在…之上”，“在…之下”，“在…之间”和“在…上”是指一个部件或材料相对于其他部件或材料的相对位置，其中这样的物理关系是值得注意的。

如贯穿本说明书和权利要求书所使用的，由术语“中的至少一个”或“中的一个或多个”结合的项目的列表可以意指所列出的项目的任何组合。例如短语“A、B或C中的至少一个”可以意指A；B；C；A和B；A 和C；B和C；或A、B和C。

术语“亮度”是在给定方向上行进的光的每单位面积的发光强度的光度量度。术语光系统的“数值孔径”或“NA”是表征该系统可以接受或发射光的角度范围的无量纲数字。术语“光强度”不是官方(SI)单位，而是用于表示在表面上或通过平面的每单位面积的入射功率。术语“功率密度”是指每单位面积的光功率，尽管这也称为“光强度”和“光通量”。术语“径向光束位置”是指在垂直于光纤轴的方向上相对于纤芯中心测量的光束在光纤中的位置。术语“辐射率”是由光源(例如激光器源)的单位面积在给定方向上每单位立体角发射的辐射。可以通过改变光束强度分布和/或光束发散剖面或分布来改变辐射度。术语“折射率分布”或“RIP”是指根据沿垂直于光纤轴的线(1D)或平面(2D)的位置的折射率。许多光纤是根据方位角对称或旋转对称的，在这种情况下，对于任何方位角来说，该一维的RIP都是相同的。术语“光功率”是每单位时间的能量，例如由激光束传递的能量。术语“导向光”描述被限制为在光波导内传播的光。术语“包层模”是由光纤的一个或多个纤芯内的波导支持的导向传播模。术语“包层模”是由光纤的一个或多个包层内的波导支持的导向传播模。术语“去导向的光”描述了不被限制在任何光波导内的光。术语“去导向”描述了将导向光转变为去导向光的行为。。

本文描述了适用于抑制光纤系统内的SRS生成、从光纤系统移除SRS光和/或减轻光纤系统内的SRS 的一个或多个不想要的影响中的一者或多者的光纤装置、系统和方法。

图1示出根据一些实施例的用于选择性地将拉曼光谱能量去导向出光纤的方法100。方法100与将拉曼光谱能量与信号光谱能量分离同时将拉曼光谱能量的重要部分限制在光纤的一些传播模内的方法相区别。方法100开始于块105，其中光在光纤的第一长度上传播，例如主要以纤芯传播模传播。在块105传播的光具有信号分量I

图2是根据一些长周期光纤光栅(LPFG)实施例的从光纤中选择性地去导向拉曼光谱能量的装置201 的示意图。例如装置201可操作来执行方法100。如图所示，装置201包括耦合以在第一光纤长度220和第二光纤长度230之间传播信号光的拉曼LPFG 225。在光纤长度220和230中的任一个内传播的光除了信号分量I

在所示的例子中，在光纤长度220内，信号分量I

拉曼LPFG 225将至少一些光从纤芯传播模去耦合并离开光纤，逃逸光纤长度230支持的所有传播模。拉曼LPFG 225具有波长依赖性，其被调谐为与拉曼光谱的相互作用大于与信号光谱的相互作用。由于波长选择性，拉曼LPFG 225在拉曼光谱内具有更高的耦合效率，在芯模中传播的耦合拉曼光谱能量比落在拉曼LPFG 225被调谐以相互作用的频带之外的信号光谱能量更有效。拉曼LPFG 225的结构有利地使得在芯模中传播的拉曼光谱能量不会强耦合到由光纤长度220和/或230支持的其他模。例如如果光纤长度 220和/或230包括适于支持多个芯模的多模光纤，则拉曼LPFG 225不会强耦合所述芯模之间的拉曼光谱，而会去耦合拉曼光谱能量。同样，如果光纤长度220和/或230包括适于支持传播模的包层，则拉曼LPFG 225不将拉曼光谱强耦合到包层模式中。因此，拉曼LPFG 225因此可被认为是“拉曼选择性的”或简单地“拉曼”光剥离剂。在一些实施例中，拉曼LPFG 225嵌入在与光纤长度230基本上相同的光纤长度内，下面将更详细描述。

在一些实施例中，光纤长度220和230每个都能够仅支持一个芯导模(即光纤长度220和230每个都可以包括单模或SM光纤)。在一些替换实施例中，光纤长度220和230每个都能够支持多于一个的芯模 (即，光纤长度220和230每个都可以包括多模或MM光纤)。在拉曼LPFG 225被调谐到拉曼光谱的情况下，信号分量I

在图2所示的实施例中，拉曼LPFG 225的对称程度使得，在光纤长度230的芯模(例如lm

图3A和3B分别是根据一些多包层光纤实施例的光纤230的纵向和横向截面图。尽管示出了双包层光纤实施例，但是光纤长度230可以具有已知适合于光纤的任何数量的包层(例如单包层或三包层等)。在图3A和3B所示的例子中，光纤长度230具有中心纤芯305和包围纤芯305的环形内包层310。环形外包层315包围内包层310。纤芯305和内包层310可以具有任何合适的组分(例如玻璃)。例如外包层315可以是聚合物或玻璃。尽管未示出，一个或多个保护(非光学)涂层可以进一步包围外包层315。对于单包层实施例，芯305可以简单地被保护(非光学)涂层包围，或者可以仅存在与自由空间的折射率对比度不足的外包层315，或者存在周围的保护包层以支持任何导向包层模式。

光纤长度230可以具有任何合适的折射率分布(RIP)。这里使用的“折射率分布”或“RIP”是指根据沿着与光纤轴(图3A中的z轴)垂直的线(例如图3B中的x轴或y轴)或平面(例如图3B中的x-y平面) 中的位置的折射率。在图3A所示的例子中，RIP是旋转对称的，在这种情况下，RIP对于任何方位角都是相同的。或者，例如对于双折射光纤结构，RIP可以根据方位角而变化。纤芯305、内包层310和外包层 315可以各自具有任何RIP，包括但不限于阶跃折射率和渐变折射率。“阶跃折射率型光纤”具有在纤芯305 内基本上平坦(折射率与位置无关)的RIP。内包层310还可以在D

根据一些实施例，芯305适于光的多模传播。具有足够的纤芯直径D

内包层310可以具有大于纤芯305的面积，并且还可以具有更高的NA。内包层310支持至少一个传播模，但可以支持大量这样的模。根据一些有利的实施例，拉曼LPFG 225不将拉曼分量I

进一步参考装置201(图2)，光纤长度220可以具有上述光纤长度230的任何特性。在一些实施例中，光纤长度220具有与光纤长度230基本相同的纤芯和包层架构。例如光纤长度220也可以包括双包层光纤。光纤长度220可以基本上与光纤长度230相同，例如具有相同的纤芯和包层架构、组成和尺寸(例如直径)。对于这样的实施例，光纤长度220还支持一个或多个纤芯导模和一个或多个包层导模。

拉曼LPFG 225可以具有多种架构，这些架构能够通过任何包层将目标光谱带宽(例如拉曼分量I

RI扰动405被示为具有周期Λ。光栅周期Λ可以随着拉曼光谱而变化，但是如上所述是至少大于中心拉曼波长的一半。在中心拉曼波长为1100nm或更大的一些示例中，光栅周期Λ为600nm或更大。在一些其他实施例中，光栅周期Λ是中心拉曼波长的两倍或更多倍，例如范围为100-1000μm。尽管在图4A 中示出了固定周期光纤光栅，但是非周期性(即线性调频)、变迹或超结构光栅实施例也可以是拉曼LPFG 225的适当实现方式。例如长周期光栅结构的线性调频实施例可以提供比它们的周期性结构更宽的光谱响应。长周期光栅结构的变迹实施例可以例如改善拉曼光谱与信号光谱的模式分离。超结构实施例可以包括各种长周期光栅结构(例如包括线性调频和变迹结构)。

与拉曼LPFG 225相关并表示选择性地导向拉曼分量I

在一些其他实施例中，使用线性调频光纤布拉格光栅(CFBG)来选择性地从光纤的芯模和/或包层模导向拉曼光谱能量。图5是根据一些实施例的包括拉曼CFBG 525的光纤长度的纵向截面图。拉曼CFBG 525 包括在光栅长度L上的至少纤芯305内的折射率(RI)扰动405。拉曼CFBG 525集成到双包层光纤中，但是类似的光栅结构也可以集成到能够支持一个或多个导向包层模的其他光纤结构中。对于上述LPFG实施例，RI扰动405具有高于标称纤芯折射率n

对于拉曼CFBG 525，RI扰动405具有随光栅长度L变化的周期。因此CFBG 525是纵向非对称的，具有最短光栅周期Λ

图6是示出用于从具有线性调频光纤布拉格光栅(CFBG)的光纤系统中选择性地去除拉曼光谱的方法600的流程图。对于光栅的一端具有足够短的周期使得拉曼分量I

图7是根据一些CFBG实施例的光纤装置701的示意图，该光纤装置701选择性地从光纤的纤芯传播模去导向拉曼光谱。在本例中，CFBG 525具有耦合到光纤长度220的红色端和耦合到光纤长度230的蓝色端。CFBG 525将反射在纤芯传播模(例如lm

上述光纤装置中的一个或多个可以结合到更大的光纤系统中，例如包括光纤振荡器或谐振腔和/或包括光纤功率放大器的系统。例如图8是包括光振荡器821和光功率放大器822的光纤激光器系统801的示意图。系统801还包括适于将拉曼光谱选择性地耦合出光纤230的任何和/或所有导模的拉曼光纤光栅825。在一些有利的实施例中，拉曼光纤光栅825被实现为CFBG 525，并且可以具有以上在CFBG 525的上下文中描述的任何属性。在其他有利的实施例中，拉曼光纤光栅825被实现为LPFG 225，并且可以具有以上在CFBG 525的情况中描述的任何属性。在拉曼光纤光栅825存在的情况下，激光系统801内的拉曼光谱可以预期具有较低的强度。

光纤振荡器821通过激发光的信号光谱来产生光激光束。振荡器821包括由强光纤光栅807和光纤到光纤耦合器(FFC)808限定的光学腔，在光栅807和FFC 808之间具有掺杂的光纤长度805。掺杂光纤长度805可以包括各种材料，例如SiO

光纤功率放大器822用于增加至少由振荡器821激发的信号光谱的辐射亮度。光纤放大器822被光耦合到泵浦光源816，泵浦光源816也可以是例如固态二极管激光器或灯。光纤功率放大器822包括掺杂光纤长度810，其可以具有上述用于掺杂光纤长度805的任何特性。例如在一些实施例中，掺杂光纤长度810 包括光学活性掺杂剂，例如稀土离子如Er

根据一些实施例，光纤光栅825位于光纤系统801的输出和振荡器821之间。例如系统输出可以耦合到进一步耦合到处理头的传送光纤。对于还包括光放大器(例如功率放大器822等)的一些实施例，拉曼光栅位于光纤系统输出和放大器之间(例如光栅825通过功率放大器822与振荡器821分离)。

对于光栅825包括CFBG(例如基本如上所述的CFBG 525)的实施例，光栅825可以被定向为具有接近光纤系统801的输出的蓝色端和接近光纤振荡器821(和/或接近光纤功率放大器822)的红色端。在该取向中，在光纤长度230中朝着光纤230的芯模中的光纤振荡器821传播的拉曼光(例如从工件回射到耦合到光纤系统801的处理头中的拉曼光)被光栅825反射回到芯模中的光纤系统输出。因此，CFBG将排除来自光纤振荡器821和/或光纤功率放大器822的回射拉曼光谱。在光纤230的芯模式中从光纤振荡器 821传播的拉曼光(例如由掺杂的光纤长度805和/或810内的信号光进行常规放大)将由光栅825来去导向。因此，更少的拉曼光将返回光纤振荡器821和/或光纤放大器822。这种通用系统架构可以扩展到任何数目的光振荡器。例如可以为每个光振荡器在光多路复用器/组合器的上游放置一个CFBG。此通用系统架构还可扩展用于任何数目的光放大器增益级。例如一个CFBG可以位于两个相邻的光纤放大器增益级之间。

对于光栅825包括LPFG(例如基本上如上文所描述的LPFG 225)的实施例，光栅825可大体上如图 8中所说明定位，或可替代地定位在振荡器821与放大器822之间。在系统801的操作期间，LPFG将导向以芯模或包层模传播到光纤系统或从光纤系统传播(例如回射)的拉曼光谱。

虽然已经参照各种实施方式描述了本文阐述的某些特征，但是该描述不旨在被解释为限制性的。因此，对于本发明所属领域的技术人员而言很清楚的是，对本文描述的实现方式的各种修改以及其他实现方式被认为落入本发明的精神和范围内。应当认识到，本发明不限于如此描述的实施例，而是可以在不脱离所附权利要求的范围的情况下进行修改和改变。上述实施例可以包括仅仅采用这些特征的子集、采用这些特征的不同顺序、采用这些特征的不同组合，和/或采用与明确列出的那些特征不同的附加特征。因此，本发明的范围应当参照所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等效物的全部范围来确定。