用于大功率激光器的有源波导

技术领域

本发明涉及基本上以基模输出信号光的kW功率光纤激光器和放大器。特别地，本公开涉及一种有源波导，其包括限定侧向泵浦配置的有源棒和泵浦棒，其中，所述棒中的至少一个棒包括嵌入二氧化硅包层中的并被配置为增加有源棒的中心掺杂的MM纤芯中的泵浦光吸收的一个或多个元素。所公开的激光源证明了将包层中的信号光降低至约2％并将未吸收的泵浦光降低至小于0.5％，这两者结合在一起使得在期望波长处的激光效率为至少86％且墙插效率高于50％。

背景技术

由于一方面能源成本增加并且另一方面由于能源效率法规，各种基于激光的系统的环境性能(包括能源效率因子)吸引了学术和工业研究与开发。考虑到基于工业激光的工具，除其他外，改善环境性能的方法包括以下三个主要类别：正确的过程和机械工具选择、优化的机械工具设计以及优化的过程控制。虽然第一类和最后一类主要由过程计划者或机械工具操作员控制，但是原始设备制造商对系统设计具有主要影响，在本发明的范围内，该系统是光纤激光源。

图1示出了配置有谐振腔的光纤激光器的典型示意图，该谐振腔被限定在高光纤布拉格光栅(FBG)5和低光纤布拉格光栅(FBG)6之间，所述高光纤布拉格光栅(FBG)5和低光纤布拉格光栅(FBG)6被写入相应的输入信号无源光纤3和输出信号无源光纤8中。显然，如果没有所示的FBG，图1将代表光纤放大器。以下描述的实质部分同样适用于振荡器和放大器两者。

图1的光纤激光器包括有源双包层信号或有源光纤2，该有源双包层信号光纤或有源光纤2具有掺杂有发光离子的MM纤芯，该发光离子提供对信号波长为λs的信号光的放大。所示原理图利用端面泵浦技术，其中，在将信号光和泵浦光(其中信号光和泵浦光的波长不同，λp≠λs)耦合到复用器1之后，它们分别被射入有源光纤2的掺杂纤芯和内包层中。解复用器9将经放大的信号光λs与未吸收的泵浦光λp抽离，然后经放大的信号光被耦合到信号输出无源光纤8中。通常，在泵浦光传输光纤4和7中引导的泵浦光被射入信号光纤2的包层的相对端中，从而使其在两个方向上传播。然而，并非所有射入的泵浦光都被吸收。

由于若干原因，未吸收的泵浦光使图1的光纤激光器的效率低于其理论阈值。例如，它影响信号光的产生并导致无法令人满意的增益。另一原因是，由于例如来自相应的有源光纤2的相对端与相邻光纤之间的接头的泵浦光的后向反射，损坏了复用器/解复用器。另外，沿相反方向传播的未吸收的泵浦光会损坏泵浦光源、FBG以及用于引导来自光纤激光源10的经放大的光信号的装置。以上只是未吸收的泵浦光的许多不良后果中的一部分。

图2示出了波长为λp的未被吸收的泵浦光的功率，其通过相应的复用器1和9传播到相应的泵浦光光纤4和7中，该功率是图1的光纤激光源10中总输入泵浦功率的函数。可以看出，未吸收的泵浦光的部分仍然较高，这在输入泵浦功率达到大功率水平时尤其麻烦。因此，应该改善图1的光纤激光源的环境性能。

泵浦光吸收可以通过以下表达式估算

其中

可以通过增加纤芯直径并同时减小数值孔径(NA)来实现泵浦吸收增强的另一种选择——缩放纤芯/包层面积。然而，如果纤芯被配置为支持多种模式，则由于多个高阶模(HOM)的激发，纤芯直径不能无限地增加。HOM的激发降低了输出信号光的质量，通常要求输出信号光处于基模，该基模的M

在图1的有源光纤2的内包层中的泵浦光以高度MM的机制传播。有效地，可以将这些模式分组为两类：“充分吸收”模式和“弱吸收”模式。第一类的模式具有轴向对称的场分布，该场分布在有源光纤2的掺杂纤芯处具有最大强度，并因此被充分吸收，从而对于增益具有高效贡献。另一类的模式与掺杂纤芯的重叠性很差，因此对泵浦吸收率没有明显贡献，但是这些螺旋模态承载着很大一部分的泵浦功率，这使得激光源的整体效率不如在这些模式被吸收时的效率高。

图3示出了具有纤芯10的DC光纤2的典型折射率阶跃曲线的截面，纤芯10具有最高折射率并掺杂有稀土元素，例如，镱(Yb)、铒(Er)、钕(Nd)、铥(Tm)、钬(Ho)和其他已知的发光体。DC光纤2还包括通过其端部接收泵浦光的内包层以及具有最低折射率以便在内包层中波导泵浦光的外部保护包层12。

通过光纤2的相对端射入棒11的内包层中的泵浦波长为λp的泵浦光包括子午线和偏斜射线。子午线(未示出)穿过纤芯10，并被有效吸收。然而，偏斜射线13沿着内包层以螺旋形轨迹传播，实际上不穿过纤芯10，因此没有有意义的吸收，这进一步导致了未被吸收的泵浦光部分。

已经进行了许多尝试来纠正偏斜或螺旋模态的问题并提高能量转换效率。参照图4A，示出了图1的DC光纤2，其中棒的内包层和外包层之间的界面径向不对称。该方法有助于散射一些偏斜射线13，使得它们穿过纤芯10并在芯部10中被吸收。图4B示出了不同的方法，其中，在有源棒11的包层中形成多个区域14。区域14具有与内包层11的反射系数不同的相应的反射系数，使得这些区域14通过纤芯10在径向方向上散射偏斜射线13，其中，至少一些偏斜射线13在纤芯10中被吸收。

分别在图4A和图4B中示出的两种解决方案都有点效果。然而，如端面泵浦技术所要求的那样，将要被拼接在一起的所有光纤沿相同的光轴对准是一项艰巨的任务，通常伴随着信号光的不可接受的损耗以及泵浦光的不可靠发射。可操作用于减少光损耗的结构需要精密且复杂的配置，这在经济上根本不合理，因此使得大功率光纤激光器和放大器的环境性能无法得到改善。

图5示出了用于增加泵浦吸收率的另一方法。所示的结构基于侧向泵浦技术，其中，有源光纤2和泵浦光传输光纤15沿其各自的外围光学(和机械)接触。包裹在棒11和棒15两者上的外包层12配置有最低折射率，从而阻止光从内包层中解耦。容易看出，图5的配置很少遇到基于图4A和图4B的端面泵浦技术的与光损耗和/或设备的结构复杂性相关联的问题。

然而，未被吸收的泵浦光的问题仍然存在。例如，尽管在侧向泵浦技术中使用的泵浦功率可以非常高，但是表达式1的包层面积Aclad也增加了，因为它是相应的光纤2和光纤15的包层的总和。类似于端面泵浦技术，并非图5中波长为λp的所有泵浦光都耦合到有源光纤2的包层11中，这有助于增加未吸收的泵浦光的输出功率。此外，耦合到有源棒11中的泵浦辐射的一部分包括螺旋模态13，螺旋模态13仅部分地与纤芯10重叠，因此没有被充分吸收。未吸收的泵浦光可能是大量的，因此阻止了所示的光纤激光器以期望的高效率运行。因此，尽管图5的配置比图4A-图4B的配置更有效，但是仍然可以受益于更有效的泵浦光能量会聚为波长为λs的信号光能量。

尽管泵浦光吸收是导致所示光纤激光器整体效率低下的主要因素，但到目前为止，并不是唯一的因素。如上所述，通常波长为λs的高质量信号光(即，具有基本上单横模(SM)的光)至关重要。例如，如果基于下式在波长λs处的参数V小于2.405，则图4和图5中的有源光纤2的纤芯10为SM。

其中，r-纤芯半径，ncore和nclad-纤芯10和包层11的折射率。

尽管许多创新使MM纤芯中的HOM激发最小化(设计为基本上在基模(FM)下运行)，但是它们的完全抑制几乎是不可行的。然而，功率范围从约1kW开始的大功率单模激光辐射对于各种各样的激光器应用仍是需要的。

大功率要求需要更大的纤芯直径。通常，有源光纤通常卷绕在要求低弯曲损耗的光纤块FB中。如果数值孔径Δn＝ncore-nclad较高，则可以提供后者。例如，在典型纤芯半径为10μm，Δn＝2*10

用于使MM光纤中的HOM激发最小化的已知技术之一包括仅掺杂图4和图5的MM纤芯10的中心区域。还有另一种技术与光纤几何形状有关。具体而言，瓶颈形状光纤已被广泛用于减少HOM的放大。

基于前述内容，需要一种具有有源波导的光纤激光器或放大器，该有源波导包括具有掺杂有发光体的MM纤芯的信号光纤和布置为侧向泵浦该信号光纤的泵浦光纤，其中，所公开的光纤激光器/放大器以接近最大理论效率水平的约90％运行。

发明内容

所公开的用于光纤激光器和/或放大器的有源波导满足了这一需求。本发明的配置包括所有以上公开的内容以及从端面泵浦装置已知的并结合在侧向泵浦技术中的其他特征。与所公开的设备不同，申请人所知的具有侧向泵浦技术的光纤激光设备中没有一个以至少86％的激光效率和高于50％的墙插效率运行。

根据所公开的光纤激光设备的一方面，有源波导包括具有掺杂有发光体的MM纤芯的有源棒和泵浦光传送棒。如此布置的棒代表侧向泵浦配置，其中，泵浦棒传送波长为λp的MM泵浦光，而有源棒放大所产生的信号波长为λs的信号光，该信号光基本上以基模输出。

所公开的波导的一个特征为：该至少一个棒或两个棒二者配置有嵌入二氧化硅包层中的至少一个元素。该元素的折射率至少比传送棒的折射率低1*10

根据所公开的有源波导的另一特征，有源光纤的MM纤芯配置有内部区域和外部区域，其中，内部区域的半径不超过外部区域的半径的92％。内部区域中的发光体的浓度比外部纤芯区域的发光体的浓度高至少50％。与已知的侧向泵浦方案相比，该特征允许大幅减少对信号波长处的HOM的放大。

结合了上述两个特征的所公开的波导解决了kW级功率SM光生成的光效率不足(高于87％)的问题，这允许基于所公开的有源波导的光纤激光器/放大器以超过50％的整体墙插效率运行。

所公开的波导还包括围绕两个棒并确保它们光学和机械接触的外包层。外包层的折射率被配置为小于棒的折射率，这两个棒分别具有基本上相同或不同的折射率，其中有源棒的折射率大于传送棒的折射率。最后，外包层被保护套包围，该保护套由折射率比外包层的折射率高的材料制成。

在所公开的有源波导的一种变型中，一个或多个元素被插入到有源棒中。在另一实施例中，有源棒和传送棒均设置有相应的元素。在另一实施例中，仅传送棒包括将径向模式的泵浦光朝有源棒的MM纤芯反射的元素。

附图说明

结合以下附图，在具体描述中进一步讨论了所公开结构的上述和其他特征以及优点，其中：

图1是已知现有技术的光纤激光源的标准示意图。

图2示出了在图1的示意图中未吸收的泵浦光的功率与输入泵浦光功率的相关性。

图3示出了已知现有技术的典型DC光纤的截面。

图4A和图4B是被配置为在已知现有技术中改善泵浦光的吸收的图2的DC光纤的相应实现方式。

图5示出了现有技术的典型侧向泵浦布置。

图6A至图6C示出了本发明的有源波导的相应的修改方案。

图7A、图7B、图7C和图7D示出了根据本发明配置的有源棒的相应的掺杂曲线。

图8A和图8B示出了在信号光的相应输出功率下本发明有源波导和已知有源波导的激光效率，以及在给定信号波长下在相应的已知有源波导和本发明有源波导的包层中的未吸收的泵浦光和信号光的百分比。

具体实施方式

现在详细参考所公开的系统。在有可能的情况下，附图和说明书中使用相同或相似的附图标记来表示相同或相似的部件或步骤。附图为简化形式，且完全不是按精确比例绘制的。

所公开的结构被具体地配置为满足对MM光纤激光器的效率的高级别要求，该MM光纤激光器设置有侧向泵浦装置并基本上以基模输出kW级信号光。它与已知现有技术的区别在于已知元素的新组合，该新组合将未吸收的泵浦光降低到0.5％以下，并将包层中的信号光降低到约2％，从而将激光效率提高到86-90％。

仅举几个优点，激光器的更高效率总是转化为更少的功率消耗，具有较小的破坏性环境影响，并向维护人员提供了增强的安全性。因此，示出百分之几的改进的产品可以彻底改变改进后产品的适销性，这并不少见。在目标行业之外，在增强产品特性方面被认为是微不足道的，可能被该特定行业的普通技术人员且非一般普通技术人员视为具有开创性。

所公开的配置是新结构中所包含的原理中已知的元素如何使该结构处于技术前沿的良好示例。所公开的MM光纤激光器/放大器基于侧向泵浦技术，其中，有源泵浦棒和无源泵浦棒并排布置，该MM光纤激光器/放大器具有基本上以单基模(FM)输出的信号光。有源棒和泵浦棒中的至少一个设置有折射率小于周围包层的折射率的元素，以提高泵浦模式的混合和吸收。尽管在端面泵浦方案中众所周知对元素的利用，然而在侧向泵浦装置中对元素的利用并不显而易见。对于光纤激光器领域的一名普通技术人员众所周知的是，具有不对称纤芯的有源光纤中的模式混合得到改善。在所公开类型的侧向泵浦装置中，MM纤芯不对称地布置。这就是为何就本申请人所知和所信尚未报告将任何附加装置插入有源棒中以增强侧向泵浦装置中的模式混合的尝试。对于所公开结构中的无源棒，据申请人所知还是未知的并且有充分理由。通常，包括并排耦合的有源棒和泵浦棒的有源波导盘绕在光纤块中。申请人倾向于相信，盘绕光纤中的泵浦模式变形，这会恶化泵浦模式的吸收。然而，通常在装有kW级侧向泵浦光纤激光器/放大器的光纤块的输出端，未吸收的泵浦光仅占传递到有源棒的泵浦光的非常少的百分比。未吸收的泵浦光的量通常是可接受的，并且其他改进可以在某种程度上对激光器的整体效率造成负面影响。相反，所公开的结构被配置为提高激光器效率。

基于上述考虑，下面的描述公开了显著提高激光器效率的发明配置。图6A示出了通常盘绕在光纤块FB中的图1示意图中的有源波导25。所示的有源波导25表示侧向泵浦装置，其包括具有MM纤芯35的有源光纤棒11，该MM纤芯35掺杂有任何已知发光体或其组合。例如，发光体可以是产生例如1070nm波长λs信号光的镱离子(Yb)。

有源波导25还包括无源棒15，该无源棒15以泵浦波长λp(例如，976nm)传递MM泵浦光，并且其折射率至多等于有源棒11的折射率。折射率低于棒11和棒15的折射率的外包层12使有源棒11和无源棒15沿各个棒的相邻外围保持机械和光学接触。有源波导的耦合外围定义了耦合拉伸，在该耦合拉伸的长度上，泵浦光保持穿过棒之间的界面，从而被MM纤芯35吸收。如上所述，并非所有泵浦光都耦合到有源棒11中，甚至耦合的泵浦光具有螺旋模态13，从而未与MM纤芯35的中心区域充分重叠。因此，并非泵浦光的所有能量都转换为信号光的能量，从而影响激光器效率和信号光的输出功率。

根据本发明构思的一方面，将一个或多个元素19插入到有源棒11的包层45的主体材料(例如，二氧化硅)中。折射率低于包层45的折射率的元素19被配置为将泵浦光的螺旋模态13朝向纤芯35重定向并改善这些模式的吸收率。为了防止在纤芯35上的任何不希望的负载，元素19由掺杂有氟离子(F)和可能的硼离子(B)的二氧化硅制成，这将元素19的折射率n

提供所公开波导的改善的环境性能的另一特征包括用发光体对有源棒11的MM纤芯35进行部分掺杂。根据所期望的横模，纤芯35的不同区域可以或多或少地被掺杂。鉴于涉及基横模的本公开，相对较小的中心区域17的稀土元素离子浓度比外部纤芯区域16的稀土元素离子浓度高。后者可能根本不掺杂发光体，或者其浓度低于中心纤芯区域17的浓度的50％或更少。这种选择性掺杂减少了对用于放大在纤芯35外围附近传播的HOM的泵浦能量的使用。在几何上，中心纤芯区域17的半径最大为外部纤芯区域16的半径的92％。利用以上所公开的MM纤芯的参数，更多的泵浦能量将用于FM的产生和放大。

图6B示出了基于本发明构思的有源波导25的另一实施例。类似于图6A，波导25被实现为分别包括有源棒11和无源棒15的侧向泵浦装置。与图6A的实施例相反，该实施例的特征在于插入无源棒15中的一个或多个元素19。在棒11和棒15的任何一个中插入元素19是通过在棒中预先钻出期望数量的通道而完成的，该通道随后接收相应的元素19。元素19均配置有至少比棒15的折射率nc15小1*10

图6C示出了包括图6A和图6B的发明特征的组合的发明构思的另一实现。特别地，有源棒11和无源棒15均分别设置有上面所公开的元素19。如上所述，分别关于图6A和图6B，MM纤芯35具有两个或更多个环形区域。

图6A至图6C的有源波导可以设置有第三包层18(如图6B和图6C所示)，该第三包层18用作针对外部机械负载的屏蔽。然而，屏蔽包层12免受物理损坏的第三包层18的折射率可以大于相应的有源棒和无源棒的包层的折射率。

总之，由于以下结构特点，包括具有本发明的有源波导的侧向泵浦装置的图1示意图的激光器效率至少提高到86％：

提高泵浦光吸收的元素19；以及

有源棒11的选择性掺杂MM纤芯减少在信号波长处的经放大的HOM；

除了所公开的有源波导的侧向泵浦装置中的主要结构创新之外，在以上所公开的实施例的任何一个中并入了一些附加特征，并且这些附加特征为侧向泵浦光纤激光器/放大器前所未有的高效率做出贡献。有源棒11的形状可以沿该棒的光轴具有瓶颈形截面，其中所述棒的一端或两端的直径均小于中心部分的直径。无源棒15可以配置有比一端或相对端小的中心部分。瓶颈形棒11和棒15可以一起并入图6A-图6C的示意图中，或者它们中的一个可以与另一个均匀形状的棒配对。

图7A至图7D示出了有源棒的折射率阶跃分布和设置在其MM纤芯中的掺杂剂分布的相应配置。图7A和图7D示出了纤芯的均匀掺杂形成的中心纤芯区域17和未掺杂的外部纤芯区域16。图7B示出了中心纤心区域的掺杂剂浓度基本上大于外部纤心区域16的掺杂剂浓度。图7C示出了从纤芯和包层之间的界面向纤芯的中心变窄的截头圆锥形掺杂剂分布。

已经针对上述公开的有源波导进行了大量实验，并且上述实验还在继续，耗费了可观的时间。在图8A和图8B中清楚地看到了元素19的优点。在本发明结构中，在图1的光纤块FB的输出处的未吸收的泵浦功率从现有技术的有源棒在总输入泵浦功率为1200W时的21W急剧减小至约3.5W。

参照图8A，与黑色曲线52上的约81％相比，黑色曲线50表示本发明结构中的最大激光器效率为87.2％，黑色曲线52表示在900W的1070nm信号波长的FM信号光的输出功率和977nm泵浦波长下的已知现有技术的配置。

图8A所示的数据是本发明有源波导的结构创新的直接结果，包括包层中的减少了的未吸收的泵浦光和信号光，如图8B所示。如曲线56(图8B)所示，在包层中仅检测到约1.5％的信号光。相反，现有技术结构在包层中存在至少6％的无用信号光的情况下运行，这可以在曲线54上看到。类似地，在本发明结构中，在光纤块FB的输出处的未吸收的泵浦光在0.1％-0.3％之间，如图8B的曲线58所示，而现有技术的设备在最大激光器效率下具有约2％或更多的未吸收泵浦光，如曲线60所示。

因此，应当理解的是，尽管已经结合本发明的详细描述对本发明进行了描述，但是上述描述旨在说明而非限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。其他方面、优点和修改在所附权利要求的范围内。