BR112014000056B1

BR112014000056B1 - Fonte de bombeamento de fibra de alta potência com emissão de alto brilho e baixo ruído na faixa do comprimento de onda de cerca de 974 a 1030nm

Info

Publication number: BR112014000056B1
Application number: BR112014000056-5A
Authority: BR
Inventors: Valentin Gapontsev; Igor Samartsev
Original assignee: Ipg Photonics Corporation
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2021-12-28
Also published as: EP2748901A1; WO2013025218A1; US20140218788A1; CN103765705B; KR101708845B1; US9300108B2; KR20140097376A; RU2591586C2; EP2748901A4; CN103765705A; BR112014000056A2; RU2013151819A; JP6058669B2; KR20140002392U; JP2014533428A; EP2748901B1

Abstract

fonte de bombeamento de fibra de alta potência com emissão de alto brilho, baixo ruído na faixa do comprimento de onda de cerca de 974 -1030 nm. uma fonte de bombeamento de alta potência, ultra brilho e baixo ruído é configurada com uma fonte de semente multimodo (mm) que emite um sinal luminoso mm suave, de baixo ruído em um comprimento de onda desejado em uma faixa de comprimento de onda entre cerca de 974 e 1030 nm, um conversor mm de fibra yb de comprimento de onda eficaz para converter a emissão de uma pluralidade de diodos laser semicondutores de alta potência (hp) a um comprimento de onda de sub-bombeamento (lambda)sp para uma emissão de bombeamento no comprimento de onda desejado (lambda)p, onde (delta)(lambda)= (lambda)p-(lambda)sp < 0/1 (lambda)sp.o conversor mm dopado com yb de comprimento de onda é configurado com níveis de ruído substancialmente idênticos àqueles do sinal luminoso de baixo ruído, brilho (''b") substancialmente igual a nxb, onde n é o número de diodos laser semicondutores hp e b é o brilho de cada diodo laser hp e potência de saída ("po") substancialmente igual a npd, onde pd é a potência de cada diodo laser hp e n é o número destes.

Description

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃOCampo da invenção

[001] A invenção se refere a uma fonte de bombeamento para laser de fibra configurada com uma fonte MM emissora de semente ("seed source") que emite um sinal luminoso baixo, suave, que está acoplada a um conversor MM de comprimento de onda Yb da emissão de diodos laser semicondutores para uma emissão de bombeamento amplificada, de ultra brilho e baixo ruído na faixa de comprimento de onda de cerca de 974 a cerca de 1030 nm.

Estado da arte

[002] Lasers de fibra, incluindo fibras de ganho dopadas com Yb são dispositivos de geração e amplificação de luz altamente eficientes, com bom custo-benefício, compactos e robustos. Os lasers de fibra à base de itérbio dominam o mercado industrial de laser de fibra, principalmente devido à sua eficiência excelente e estabilidade a longo prazo.

[003] O maior pico de absorção em meios dopados com Yb ocorre em cerca de 974 a 976 nm, dependendo dos dopantes que são adicionados ao material do núcleo. Consequentemente, o bombeamento de um meio dopado com Yb no comprimento de onda tão perto quanto possível do comprimento de onda do pico de absorção, tal como 975 nm, possui duas vantagens distintas sobre os outros comprimentos de onda de bombeamento: fibras com comprimentos mais curtos e maiores eficiências dos blocos de ganho de fibras Yb. A primeira vantagem é particularmente significativa porque fibras mais curtas do bloco de ganho Yb bombeado são essenciais para limitar os efeitos não lineares nocivos que afetam o seu escalonamento de potência. Os efeitos não lineares e outros obstáculos explicados aqui a seguir podem, assim, impedir o escalonamento da potência de dispositivos com arquitetura de lasers de fibra Yb de alta potência com alta qualidade de feixe, isto é, com alto brilho.

[004] Para superar com sucesso pelo menos alguns destes obstáculos é necessário que a fonte de bombeamento (pump source) para blocos de ganho Yb HP seja configurada de modo a emitir uma luz de bombeamento não só com a maior potência de bombeamento possível, mas também com o maior brilho e densidade de potência e o menor nível de ruído possível, no comprimento de onda de absorção de pico (máximo).

[005] Uma solução viável para aumentar a potência de bombeamento pode ser o princípio da combinação de feixe que, basicamente, significa combinar as emissões de múltiplos diodos laser em um combinador MM, de modo a obter um único feixe de saída diretamente acoplado a um bloco de ganho Yb bombeado. Fontes de bombeamento baseadas neste princípio são também referidas como uma fonte de bombeamento de combinador MM. Apesar da potência de emissão das fontes de bombeamento MM poder ser muito alta, nem o brilho, nem a densidade de potência, nem o nível de ruído são tipicamente sensivelmente melhorados, se é que o são.

[006] Para melhorar o brilho da luz de bombeamento, a sua divergência deve ser diminuída e/ou o tamanho do feixe deve ser diminuído ao longo de todo o aumento da energia por modo na radiação MM da luz de bombeamento. O brilho de múltiplos diodos laser na fonte de bombeamento de combinador MM, no entanto, é conservada e não melhorada, já que não há mais nenhuma amplificação da luz de bombeamento emitida por lasers semicondutores.

[007] O maior número de diodos laser que são necessários para aumentar a potência de saída de uma bomba combinadora MM, têm algumas consequências indesejáveis. O diâmetro do núcleo da fibra de entrega, que guia a emissão do combinador para um bloco de ganho, deve ser ampliado para potências maiores, caso contrário o acoplamento da luz de bombeamento para a fibra de entrega causa perdas de potência proibitivamente altas. Uma vez que o diâmetro do núcleo é aumentado, mesmo com grandes potências de bombeamento, a densidade de potência permanece substancialmente a mesma de antes do aumento da potência. Isto leva, na melhor das hipóteses, à mesma absorção de bombeamento, isto é, a sobreposição da luz de bombeamento e do núcleo ativo na fibra Yb de ganho bombeada, (adiante referida como bloco de ganho) mantém-se substancialmente a mesma. Sem reduzir o comprimento da fibra ativa dopada com Yb, os limiares para os efeitos não lineares que limitam o ganho e a qualidade do feixe não são elevados.

[008] Com base no exposto acima, uma fonte de bombeamento MM combinada oferece potências de luz de bombeamento altas e muito altas. No entanto, o brilho e a densidade de potência da luz de bombeamento não são beneficiários do aumento da potência da luz de bombeamento. Consequentemente, é necessária uma fonte de bombeamento de fibra melhorada que emita luz de alta potência na faixa de 974 - 1030 nm, com alto brilho e alta densidade de potência, de modo a proporcionar ainda maior escalonamento de potência e qualidade do feixe em blocos de ganho Yb.

[009] Alternativamente, sempre há a possibilidade de configurar uma fonte de bombeamento, incluindo um laser de fibra multimodo de alta potência, que seria capaz de gerar uma luz de bombeamento de alta potência no comprimento de onda desejado. No entanto, picos de potência indesejáveis, que são gerados no ressonador devido à interferência de alguns poucos modos excitados uns com os outros - o chamado efeito speckle - podem ser suficientemente fortes para destruir o laser. No entanto, mesmo que o laser não seja danificado, a sua emissão flutua e tem um nível de ruído elevado, o que é obviamente indesejável.

[010] Assim, existe uma necessidade de fornecer uma fonte de bombeamento de fibra que emite uma luz de bombeamento de alta potência e ultra brilho, em uma faixa de 974 a 1030 nm e, em particular, em um comprimento de onda de 975 nm.

[011] Existe outra necessidade de uma fonte de bombeamento de alta potência eficaz para a emissão de luz de bombeamento de alta potência estável em uma faixa de 974 a 1030 nm, com brilho consideravelmente melhorado em comparação às fontes de bombeamento MM combinadas conhecidas.

[012] Existe ainda a necessidade de fornecer uma fonte de bombeamento de fibra de alta potência e ultra brilho, que emita luz de bombeamento na faixa de 974 a 1030 nm, que se caracterize por:uma densidade de potência em uma fibra de entrega de bombeamento que é pelo menos 10 vezes maior do que as densidades de potência disponíveis atualmente nas fontes de bombeamento de combinador MM mais poderosas, e níveis de potência de luz de bombeamento superiores aos níveis de potência disponíveis atualmente.

[013] Ainda existe outra necessidade por uma fonte de bombeamento de fibra de alta potência, com uma fonte emissora de semente (seed source) multimodo, que emita um sinal luminoso suave com baixo ruído, e um conversor de comprimento de onda dopado com Yb que é configurado para amplificar o sinal luminoso, de modo a emitir uma luz de bombeamento com um nível de ruído que não exceda o nível de ruído do sinal luminoso e com um brilho que exceda amplamente o brilho do sinal luminoso.

[014] No entanto, existe ainda uma necessidade adicional por uma fonte de bombeamento de alta potência e ultra brilho configurada com uma fonte emissora de semente (seed source) e um conversor de comprimento de onda que é eficaz para converter a emissão de uma pluralidade de diodos laser de sub-bombeamento semicondutores de alta potência a um comprimento de onda Àsp para um sinal de bombeamento a um comprimento de onda Àp, tal que ΔA = Àp-Àsp < 0/1 Àsp.

RESUMO DA INVENÇÃO

[015] Estas necessidades são atendidas pela fonte de bombeamento de alta potência e ultra brilho divulgada aqui, configurada para amplificar um sinal luminoso de baixo ruído, suave, sem picos (spike-less) e emitir uma luz de bombeamento de alta potência, ultra brilho, baixo ruído e alta densidade. Em particular, a fonte de bombeamento divulgada é eficaz para emitir uma luz de bombeamento de alta potência, ultra brilho, baixo ruído e alta densidade na faixa de comprimento de onda de 974 e 1030 nm e, mais de preferência em um comprimento de onda de 975 mn.

[016] A fonte de bombeamento MM de alta potência e ultra brilho divulgada aqui é configurada com uma ou mais fontes MM emissoras de semente (seed source) combinadas que emitem um sinal luminoso suave Àp, de preferência a um comprimento de onda de 975 nm, ou em qualquer outro comprimento de onda desejado dentro da faixa de 974 a 1030 nm. A fonte MM de semente (seed source) pode ser configurada como um componente de fibra ou como um diodo laser MM e o sinal luminoso emitido pode ser capaz de alcançar algumas centenas de watts.

[017] A fonte de bombeamento MM tem, além disso, um conversor MM de comprimento de onda de fibra dopada com Yb eficaz para converter uma emissão de sub-bombeamento no comprimento de onda Àsp, a partir de uma pluralidade de diodos laser MM semicondutores, para a luz de bombeamento Àp, onde ΔA = Àp-Àsp < 0/1 ÀSp.

[018] O conversor MM de comprimento de onda também é configurado para receber e amplificar um sinal luminoso MM de baixo ruído de modo a emitir uma luz de bombeamento brilhante no comprimento de onda do sinal luminoso Àp, que pode alcançar um nível de kW, mas que tem um valor de ruído substancialmente igual a 1. Em outras palavras, o elemento MM Yb não adiciona qualquer ruído adicional ao sinal luminoso. Assim, o conversor MM de comprimento de onda dopado com Yb é configurado como um amplificador MM de fibra dopada com Yb que não adiciona qualquer ganho de valor ao nível de ruído do sinal luminoso semente, mas melhora consideravelmente o seu brilho.

[019] O número de diodos laser MM Yb semicondutores, combinados para definir um subconjunto de bombeamento que emite luz sub-bombeamento no comprimento de onda Àsp, pode ser tão elevado quanto dezenas destes diodos. Cada diodo semicondutor de sub-bombeamento é capaz de emitir uma luz de sub-bombeamento de até algumas centenas de watts. Assim, o sub- bombeamento é configurado para fornecer uma luz de sub-bombeamento muito potente ao conversor MM Yb de comprimento de onda que, portanto, é capaz de emitir uma luz de bombeamento com baixo ruído e ultra brilho, em níveis de potência muito elevados.

[020] O sinal de bombeamento do conversor MM Yb de comprimento de onda é acoplado a uma fibra de entrega que tem uma seção transversal que é menor do que o diâmetro do núcleo de fibras de entrega de combinadores MM de diodo laser do estado da técnica, desde que a potência da luz de bombeamento seja uniforme. Deste modo, a luz de bombeamento, transmitida para um bloco de ganho Yb, tem uma alta densidade de potência que é dez vezes maior, ou mais, do que aquela que é fornecida por fontes de bombeamento à base de combinadores MM do estado da técnica nas mesmas condições. Como consequência, a luz de bombeamento MM da fonte de bombeamento aqui divulgada não só é altamente potente, com ultra brilho e de baixo ruído, mas também tem uma alta densidade.

[021] A fonte de bombeamento divulgada também pode ser configurada para emitir uma luz de bombeamento SM brilhante de alta potência. Esta configuração também inclui uma primeira cascata configurada de acordo com a fonte divulgada acima e um laser de fibra SM com uma fibra dopada com Yb. A fonte de bombeamento, assim, gera uma luz de bombeamento SM de alta potência e alto brilho.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[022] As características acima e outras do dispositivo descrito tornar-se-ão mais evidentes a partir da seguinte descrição específica acompanhada pelos desenhos, nos quais:A FIGURA 1 ilustra o esquema ótico da fonte de bombeamento MM divulgada que emite uma luz de bombeamento MM de alta potência e ultra brilho em um comprimento de onda na faixa de 974 a 1030 nm.A FIGURA 2 A ilustra a fonte de bombeamento divulgada da FIGURA 1, mas combinada com um laser Yb monomodo, de modo a emitir uma luz de bombeamento SM de alta potência e ultra brilho em um comprimento de onda na faixa de 974 a 1030 nm.A FIGURA 2B ilustra uma configuração detalhada do laser de fibra Yb da FIG. 2 A.A FIGURA 3 ilustra um sistema a laser de fibra de alta potência, incluindo uma pluralidade de sistemas de bombeamento da FIGURA 1 ou 2A, que são acoplados um ao outro em um uma configuração de bombeamento do final da fibra.A FIGURA 4 ilustra um sistema a laser de fibra de alta potência, incluindo o sistema de bombeamento de fibra divulgado nas FIGURAS 1 ou 2, disposto de acordo com uma técnica de bombeamento lateral.

DESCRIÇÃO ESPECÍFICA

[023] Com referência à FIGURA 1, uma fonte de bombeamento de fibra 10 inclui, pelo menos, uma ou mais sementes combinadas 12 que geram um sinal luminoso entre cerca de 974 nm e 1030 nm e um conversor MM de comprimento de onda 14 que recebe e amplifica o sinal luminoso, de modo a emitir uma luz de bombeamento de alta potência e ultra brilho. O conversor de comprimento de onda 14 inclui uma fibra ativa que tem um núcleo multimodo dopado com íons Yb e com bombeamento lateral por um sistema de sub- bombeamento 16, que inclui uma pluralidade de diodos laser semicondutores 18 combinados. Este último gera uma luz de sub-bombeamento, acoplada ao conversor 14 em um comprimento de onda de sub-bombeamento ÀSp, escolhido de tal maneira que ΔA = Àp-Àsp <0/1 Àsp onde Àp é um comprimento de onda da emissão de bombeamento (o mesmo que um comprimento de onda do sinal luminoso). A proximidade dos comprimentos de onda contribui para uma elevada eficiência quântica que, por sua vez, se traduz em baixas perdas relacionadas ao calor e ganhos elevados dos blocos de fibra Yb bombeados. Conforme divulgado, o conversor de comprimento de onda 14, portanto, é eficaz para converter a emissão de sub-bombeamento no comprimento de onda Àsp para o comprimento de onda de bombeamento Àp.

[024] A semente 12, por exemplo, é configurada como um único ou múltiplos diodos laser MM ligados por pigtail potentes combinados ou por fontes de semente à base de fibras, que geram um sinal luminoso suave, sem picos na faixa de comprimento de onda de 974 a 1030 nm e, de preferência, no comprimento de onda de 975 nm e com um nível de ruído cujo valor médio quadrático (r.m.s.) é de, pelo menos, cerca de 0,1 m.r.s. O diodo tem também uma NA que varia entre cerca de 0,1 e 0,13. O sinal luminoso pode ter uma potência de saída que varia entre dezenas e centenas de watts. A fibra passiva MM 20 recebe o sinal luminoso gerado e o guia adiante para o conversor MM Yb de comprimento de onda 14. A fibra passiva 20 é configurada, por exemplo, com um diâmetro do núcleo MM de 100 micra ou maior. Um determinado comprimento de onda do sinal luminoso que é, assim, um comprimento de onda de emissão de bombeamento da fonte 10, é selecionado para bombear um bloco de ganho Yb 100 em um comprimento de onda o mais próximo possível do comprimento de onda do pico de absorção do amplificador 100. Este último pode operar na faixa de 1030 a 1070 nm. Alternativamente, a semente 12 podem incluir um ou mais lasers de fibra SM combinados.

[025] A fibra MM dopada com Yb ativa do conversor de comprimento de onda 14 pode ter uma configuração com revestimento duplo ou regular e um diâmetro do núcleo que pode variar, por exemplo, na faixa de cerca de 50 a 150 micra (ou superior). Os diâmetros exteriores de todas as fibras podem ser uniformes e variam, por exemplo, de cerca de 110 a cerca de 300 micra. A fibra dopada com Yb do conversor 14 é ainda configurada com uma pequena NA variando entre cerca de 0,05 e 0,13.

[026] A potência de saída da luz de bombeamento Po do conversor de comprimento de onda 14 pode ser muito elevada e depende do número de diodos laser HP semicondutores 18 combinados em um dispositivo de sub- bombeamento que, por exemplo, bombeiam lateralmente o conversor 14 e, naturalmente, o número destes. Assim, a potência da luz de bombeamento Po ~ NxPld, onde N é o número de diodos laser HP e Pld a potência de cada diodo individual. É claro, a potência de saída da luz de bombeamento Po também depende da potência do sinal luminoso, que pode ser adicionada à potência combinada dos diodos laser HO. A luz de bombeamento pode ser emitida, por exemplo, a um comprimento de onda de 920 nm e propagar tanto junto com e contra a propagação do sinal luminoso. O número de diodos laser pode incluir até 90 diodos combinados juntos. Cada diodo pode emitir, por exemplo, uma luz de bombeamento de 100 watts. Consequentemente, a fonte de bombeamento 10 pode emitir uma luz de bombeamento de múltiplos kW em um comprimento de onda que varia entre cerca de 974 nm a 1030 nm. Note-se que, enquanto o dispositivo de sub-bombeamento é apresentado bombeando lateralmente o conversor de comprimento de onda 14, uma configuração de bombeamento do final da fibra incluindo uma pluralidade de diodos laser 18 pode ser facilmente configurada por um especialista na técnica.

[027] Os altos níveis de potência da luz de bombeamento Po contribuem significativamente para a melhoria do brilho ("B") da luz de bombeamento em comparação com o dos diodos laser HP e do sinal luminoso, respectivamente. O brilho B pode ser, geralmente, igual a Po/BPP, onde BPP é um produto do parâmetro do feixe o qual, por sua vez, pode ser determinado como l/2DcxNA, onde Dc é o diâmetro do núcleo e NA é uma abertura numérica. Uma vez que NA é praticamente a mesma ou menor do que a NA do sinal luminoso, o brilho da emissão de bombeamento pode ser pelo menos 10 vezes maior do que aquele do combinador MM mais potente conhecido no estado da técnica, desde que a potência de saída seja substancialmente uniforme.

[028] A concentração dos dopantes Yb3+ dopantes no núcleo é vantajosamente relativamente baixa. De acordo com esta descoberta, de preferência, a concentração de Yb varia entre 50 e 100 ppm. Mas este intervalo pode ser ampliado para a faixa de cerca de 10 a 200 ppm.

[029] O conversor de comprimento de onda 14 também tem fibras passivas de entrada e de saída (não mostradas) acopladas às respectivas extremidades da fibra dopada com Yb, e uma fibra de entrega 15 guiando a luz de bombeamento para o bloco de ganho 100. A fibra de entrega é tipicamente configurada com um tamanho de núcleo semelhante ao da fibra passiva de saída do conversor 14, de modo a evitar perdas desnecessárias. Um técnico na área de lasers de fibra reconhece imediatamente que o núcleo que guia a luz de bombeamento no sistema descrito é consideravelmente menor do que aquele de uma fibra de entrega de fontes de bombeamento MM acopladas conhecidas, desde que as potências de bombeamento sejam substancialmente as mesmas. Isto leva a uma densidade de potência muito alta da luz de bombeamento entregue ao bloco de ganho 100, que pode ser pelo menos 10 vezes maior, ou mais, do que as densidades de potência conhecidas associadas com as fontes de bombeamento atuais mais avançadas, que são conhecidas pelos requerentes. A frequência desejada e a alta densidade da luz de bombeamento pode reduzir consideravelmente o comprimento da fibra ativa no bloco Yb 100, o que afeta favoravelmente o seu ganho e a qualidade do feixe de saída (emitido).

[030] O conversor MM de comprimento de onda 14 é, portanto, configurado como um amplificador MM de fibra. O nível de ruído do sinal de bombeamento amplificado do conversor 14 não é, portanto, superior ao da fonte de semente 12, que é baixo. Tal sinal de bombeamento de baixo ruído também contribui para um melhor bloco de ganho 100.

[031] O comprimento de onda da emissão de bombeamento de 976 nm não é o único comprimento de onda possível. Outros comprimentos de onda mais longos do que o comprimento de onda de 976 nm podem ser facilmente obtidos. No entanto, o bombeamento a 976 nm permite comprimentos mais curtos das fibras do bloco Yb 100, o que é essencial para limitar os efeitos não lineares e as suas eficiências mais altas.

[032] Várias fontes 10 podem ser combinadas juntas e usadas como dispositivos autônomos. No entanto, as vantagens da fonte 10 descrita se torna particularmente significativa no contexto de sistemas a laser de fibra que incorporam uma fonte ou fontes 10 como fonte de bombeamento em diferentes configurações de bombeamento, tal como descrito abaixo.

[033] As FIGURAS 2A e 2B ilustram uma configuração de uma fonte de bombeamento SM de alta potência 25 que incorpora duas ou mais cascatas. A primeira cascata é configurada de acordo com a fonte de bombeamento 10 da FIG. 1 e uma cascata adicional é fornecida pelo laser SM de fibra dopada com Yb 24. As cascatas estão acopladas oticamente uma à outra, de modo a emitir uma luz de bombeamento monomodo a cerca de 1030 nm, por exemplo. O laser 24 é configurado com uma fibra de sílica ativa 30, que tem um diâmetro do núcleo de cerca de 10 a 20 micra e um revestimento com um diâmetro de 50 a 100 micra. O núcleo 30c da fibra 30 é dopado com íons de Yb e, de preferência, tem um núcleo MM que é capaz de suportar substancialmente um modo fundamental no intervalo de comprimento de onda desejado, tal como a faixa de 1 mícron. O laser 24 tem ainda um par de fibras passivas com revestimento duplo 26, 28, respectivamente, cada uma ligada à terminação da fibra ativa 30. As fibras passivas de entrada e saída 26 e 28, configuradas uniformemente, respectivamente, têm cada uma um núcleo monomodo ("SM") e um revestimento de guia de ondas (waveguide). A seleção do comprimento de onda é fornecida por um par de grades Bragg em fibra 46 escritas nos respectivos núcleos das fibras passivas 26 e 28 do laser 24.

[034] A fonte de bombeamento 25 opera da seguinte maneira. Um sinal luminoso de alta potência e ultra brilho em uma faixa de comprimento de onda de 974 a 976 nm do conversor 14 é guiado adiante no núcleo MM grande 32c (figura 2B) da fibra passiva de emissão 32 que fornece esta luz para a fibra passiva de entrada 26 do laser 24. O revestimento de guia de ondas da fibra 26 tem um diâmetro substancialmente igual ao tamanho do núcleo da fibra passiva 32, tal como 100 micra, enquanto que o núcleo SM 26c possui um diâmetro menor do que aquele do núcleo 32c. Consequentemente, o sinal luminoso emitido a 974-976 nm pela fonte de bombeamento 10 se propaga adiante ao longo tanto do revestimento como do núcleo 26c da fibra de entrada 26. Em seguida, a luz guiada é acoplada com a fibra ativa de revestimento duplo dopada com Yb 30, que tem um núcleo MM 30c com um diâmetro tipicamente superior ao tamanho do núcleo 26c, e um revestimento interior 30cl de guia de ondas dimensionado para ser substancialmente o mesmo que o revestimento de guia de ondas da fibra de entrada 26. O comprimento da fibra ativa dopada com Yb 30 é configurado de tal modo que a luz que se propaga ao longo do revestimento 30cl é substancialmente absorvida no núcleo 30c. Assim, a fonte de bombeamento de fibra de alta potência 25 pode gerar uma luz de bombeamento SM de alta potência e ultra brilho no comprimento de onda desejado, tal como 1030 nm.

[035] Os núcleos 26c e 30c da respectiva fibra passiva SM de entrada 26 e da fibra ativa MM dopada com Yb 30 são configurados com diâmetros de campo de modo ("MFD" - mode field diameter) que correspondem substancialmente um ao outro. Quando a luz guiada pelo núcleo 26c é acoplada ao núcleo 30c, esta excita apenas um modo fundamental, tal como descrito nas Patentes US 5.422.897 e 5.774.484, que são de copropriedade, juntamente com a presente divulgação, do mesmo cessionário e são integralmente incorporadas aqui, por referência.

[036] Dependendo do diâmetro do núcleo 32c da fibra MM de saída 32 e núcleo 26c da fibra SM de entrada 26, em vez da configuração descrita acima, é possível utilizar fibras óticas comuns para gerar uma luz de bombeamento SM, de alta potência e ultra-alto brilho. Para realizar este último, é necessário afilar a extremidade da fibra passiva 32 de modo que a extremidade afilada (cônica) tenha um diâmetro geométrico que corresponde substancialmente ao da fibra de entrada SM passiva. É possível, então, utilizar a fibra ativa 30 que tem um verdadeiro núcleo SM. O comprimento de onda de 1030 do laser 24 divulgado acima é apenas exemplificativo e depende dos parâmetros de filtragem das FBGs.

[037] A FIGURA 3 ilustra uma das possíveis aplicações da fonte de bombeamento 10 da FIG. 1 ou 25 da FIG. 2A, em um sistema a laser de fibra de ultra-alta potência 35 equipado com um amplificador aprimorado dopado com Yb 40. Em particular, o sistema a laser de fibra de alta potência 35 inclui uma pluralidade de fontes de bombeamento 10 combinadas em um feixe. Uma fibra central de entrega de sinal SM 38, que guia um sinal em uma faixa de comprimento de onda de 1015 a 1070 nm se estende através do feixe e está conectada oticamente à sistemas de bombeamento circundantes 10. A fibra de saída 42 das fontes de bombeamento combinadas e a fibra central de sinal entregam o sinal luminoso para um amplificador de fibra Yb aprimorado 40 de acordo com uma técnica de bombeamento do final da fibra. O amplificador de fibra aprimorado 40 está configurado para emitir um feixe de alta potência substancialmente em um modo fundamental no intervalo de comprimento de onda desejado de 1015 e 1070 nm. Se desejável, uma fibra de manutenção de polarização pode ser usada no sistema ilustrado.

[038] A FIGURA 4 ilustra outra configuração dos sistemas de bombeamento 10 descritos, em um sistema a laser de fibra de alta potência 45. Aqui, uma pluralidade de grupos de bombeamento, cada um incluindo sistemas múltiplos de bombeamento a laser de fibra de alta potência e ultra brilho 10 da FIG. 1 ou 25 da FIG. 2A e um amplificador Yb aprimorado 44 definem um arranjo de bombeamento lateral. Os sistemas de bombeamento 10 de cada grupo, por exemplo, são combinados de modo a ter a luz de bombeamento guiada por uma única fibra de saída a partir do combinador, no comprimento de onda desejado, para um amplificador de fibra aprimorado 44. O amplificador de fibra Yb aprimorado pode emitir uma luz com brilho ultra-alto em uma emissão substancialmente monomodo fundamental ou de baixo modo na faixa de 1015 a 1070 nm. Ambos os exemplos apresentados nas FIGs. 3 e 4 apresentam amplificadores de alta potência aprimorados que são bombeados com um sinal de bombeamento de alta potência e brilho, cujo comprimento de onda de emissão coincide substancialmente com um determinado pico de absorção. Devido a isto, como um técnico na área de lasers facilmente percebe, no esquema apresentado respectivamente nas FIGs. 3 e 4, o comprimento da fibra ativa do amplificador aprimorado é substancialmente reduzido, enquanto que o limiar para os efeitos não lineares é levantado.

[039] Tendo descrito pelo menos uma das configurações preferidas da presente invenção k com referência aos desenhos anexos, deve ser entendido que a invenção não está limitada a estas configurações precisas. Por exemplo, as fontes de bombeamento descritas podem ser partes integrantes de sistemas a laser pulsado ou CW. Um especialista no assunto poderá fazer várias alterações, modificações e adaptações, incluindo diferentes comprimentos de onda, parâmetros de fibras e dopantes de terras raras, sem sair do âmbito ou espírito da invenção tal como descrito acima.

Claims

1. Fonte de bombeamento de alta potência, ultra brilho e baixo ruído ("HPUBLNS") caracterizada por compreender:pelo menos uma fonte de semente ótica multimodo (MM) que gera um sinal luminoso de baixo ruído MM em um comprimento de onda Àp;uma pluralidade de diodos laser semicondutores de alta potência (HP) combinados para emitir uma radiação de sub-bombeamento MM a um comprimento de onda de sub-bombeamento Àsp, eum conversor de comprimento de onda de fibra (MM) dopada com Yb da emissão de sub-bombeamento no comprimento de onda de sub-bombeamento Àsp para uma saída MM de bombeamento no comprimento de onda Àp, tal saída de bombeamento tendo:um nível de ruído de no máximo 0,1 rms idêntico àquele do sinal luminoso de baixo ruído,um brilho ("B") igual a nxB, onde n é o número de diodos laser HP semicondutores e B é o brilho de cada diodo laser HP, euma potência de saída ("Po") igual a nPd, onde Pd é a potência de cada diodo laser HP e n é o número destes e um bloco de ganho YB bombeado na extremidade ou bombeado lateralmente pela saída da bomba MM.

2. Fonte de bombeamento de alta potência, ultra brilho e baixo ruído ("HPUBLNS"), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender ainda uma fibra de entrega com um núcleo que recebe e guia a emissão de bombeamento de baixo ruído amplificada, sendo o núcleo da fibra de entrega configurado com um diâmetro do núcleo inferior ao de uma fonte de bombeamento de combinador MM.

3. Fonte de bombeamento de alta potência, ultra brilho e baixo ruído ("HPUBLNS"), de acordo com a reivindicação 2, caracterizada por a fonte de semente ter uma ter uma configuração constituída por um ou mais diodos laser MM ligados por pigtail combinados.

4. Fonte de bombeamento de alta potência, ultra brilho e baixo ruído ("HPUBLNS"), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o comprimento de onda de sub-bombeamento Àspser selecionado de uma faixa de comprimento de onda entre 910 e 975 nm.

5. Fonte de bombeamento de alta potência, ultra brilho e baixo ruído ("HPUBLNS"), de acordo com a reivindicação 2, caracterizada por o conversor de comprimento de onda ser configurado com uma fibra dopada com Yb MM e fibras passivas MM de entrada e saída que são ligadas aos respectivos terminais opostos da fibra dopada com Yb e têm um diâmetro do núcleo uniforme, que é igual ao diâmetro do núcleo da fibra de entrega ligada à fibra passiva de saída.

6. Fonte de bombeamento de alta potência, ultra brilho e baixo ruído ("HPUBLNS"), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por os diodos laser semicondutores serem configurados para bombearem o final do conversor a fibra de comprimento de onda ou bombearem lateralmente o conversor a fibra de comprimento de onda.

7. Fonte de bombeamento de alta potência, ultra brilho e baixo ruído ("HPUBLNS"), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por uma abertura numérica do conversor Yb de comprimento de onda variar na faixa entre 0,05 e 0,13, enquanto que a abertura numérica da fonte de sementes MM é selecionada entre 0,1 e 0,13.

8. Fonte de bombeamento de alta potência, ultra brilho e baixo ruído ("HPUBLNS"), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a HPUBLNS compreender ainda um oscilador de fibra óptica dopada com Yb SM que recebe a emissão de bombeamento MM e eficaz para gerar uma emissão luminosa SM a um comprimento de onda maior do que o comprimento de onda Àp da emissão de bombeamento.

9. Fonte de bombeamento de alta potência, ultra brilho e baixo ruído ("HPUBLNS"), de acordo com a reivindicação 5, caracterizada por o núcleo da fibra dopada com Yb do conversor de comprimento de onda MM ter um diâmetro de núcleo de até 300 μm.

10. Fonte de bombeamento de alta potência, ultra brilho e baixo ruído ("HPUBLNS"), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender ainda pelo menos uma fonte HPUBLNS adicional, onde a pluralidade de HPUBLNSs são combinadas oticamente para bombeamento final ou lateral de um bloco de ganho Yb.

11. Fonte de bombeamento de alta potência, ultra brilho e baixo ruído ("HPUBLNS"), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o conversor de comprimento de onda ter uma fibra MM dopada com Yb configurada com uma concentração do íon Yb variando entre 10 e 200 ppm.

12. Fonte de bombeamento de alta potência, ultra brilho e baixo ruído ("HPUBLNS"), de acordo com a reivindicação 2, caracterizada por o diâmetro do núcleo da fibra de entrega ser de pelo menos 50 micra.

13. Fonte de bombeamento de alta potência, ultra brilho e baixo ruído ("HPUBLNS"), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por ΔA = Ap-Asp < 0,1Asp, onde Ap é o comprimento de onda da emissão de bombeamento e Asp é o comprimento de onda de sub-bombeamento.