CN101266379B - 利用大模面积的多模的增益产生光学光纤的高功率光学设备 - Google Patents

利用大模面积的多模的增益产生光学光纤的高功率光学设备 Download PDF

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Abstract

一种光学设备，包括：多模的增益产生光纤，用于为在光纤的芯区中传播的信号光提供增益；和泵浦源，用于提供在芯区中被吸收的泵浦光，其特征在于：(i)泵浦源示例性地包括激光二极管的低亮度阵列和用于增加泵浦光亮度的转换器，(ii)泵浦光被直接耦合入芯区中，和(iii)芯区的面积超过约350μm2。在一个实施方式中，在进入增益产生光纤之前，信号光以单模在标准输入光纤中传输，而泵浦光在标准输入光纤中以至少相同的单模共同传播，而模式展宽器被置于输入光纤和增益产生光纤之间。在另一个实施方式中，多个泵浦汽被耦合入增益产生光纤的芯区中。这些泵浦源可产生相同或不同的波长的光。根据本发明的特定实施例，已经证明了在具有875μm2的芯区面积的单包层掺Er光纤中对1545nm处的纳秒光脉冲的放大；该芯区是由高亮度拉曼激光器在1480nm处抽运的；且该脉冲具有数百kW的创记录的峰值功率。

Description

利用大模面积的多模的增益产生光学光纤的高功率光学设备
技术领域
本发明涉及利用大模面积(LMA)的、多模的增益产生光纤的高功率光学设备，更具体地，涉及利用这种光纤的高功率光学放大器和激光器。
背景技术
为了放大在光纤的芯中传播的光信号，通常在该芯中掺杂有增益产生物质，然后在由该物质吸收的波长处由光泵浦抽运。在二氧化硅光纤中该芯示例性地掺杂有稀土元素(例如，Er、Yb、Er-Yb、Nd、Tm、Ho等)或铬(Cr)，其能使近红外范围内的波长(例如，～1000-1600nm)的信号被放大。Er和Er-Yb二氧化硅光纤通常被用于放大约1500nm以上波长的信号并且通常在或接近980nm或1480nm处被抽运。
增益产生光纤(GPF)的应用范围从相对较低功率的应用如电信到很高功率的应用如材料处理、光谱学、以及测距。此处我们关注的是后者。
基于GPF的激光和放大系统是紧凑的和坚固的高功率辐射源(例如，＞数十kW的峰值功率)。出于安全的原因，理想的是在大于1500nm的人眼安全波长处操作这样的系统。使用公知的Er-Yb共掺的双包层光纤(DCF)的放大器通常被用于这些波长。它们由低亮度二极管激光器阵列抽运。由于该阵列的光学输出具有大的角度分布，它仅仅可被有效耦合入具有大数值孔径(NA)的多模光纤中。为了有效利用二极管能量，DCF几何形状被用于GPF，其中中心芯(信号在其中传播)被掺杂有增益产生物质并被高NA波导包围。该波导包括：未掺杂的内包层，该内包层包围上述芯并引导二极管阵列泵浦光；以及低折射率的外包层，该外包层包围该内包层。这种双包层几何形状减少了每单位长度的泵浦吸收，该减少是以与内包层面积和芯面积之比近似成比例的因数进行的。从而，需要相对较高浓度的芯掺杂以获得短光纤长度上的高泵浦吸收，理想的是使非线性影响、放大的自发辐射(ASE)、以及信号再吸收最小化。
然而，二氧化硅中的Er浓度受双诱导淬灭(pair-induced quenching)限制。Er-Yb共掺光纤，其中泵浦能量被高浓度的Yb吸收并转移给Er，克服了这种限制并提供了高泵浦吸收和单位长度增益。[见，A.Galvanauskas，“Mode-Scalable Fiber-Based Chirped Pulse Amplification Systems”，IEEEJ.Selected Topics in Quant.Electr.，Vol.7，No.4，pp.504-517(2001)，此处将其引入作为参考。]这种方法引起了具有262μJ能量(在非线性特性开始之前)的脉冲的形成，但是具有M2＝2.1的劣变光束。[见，M.Savage-Leuchs，et al.，“High pulseenergy extraction with high peak power from short-pulse，eye safe all-fiber lasersystem，”Proc.of SPIE，Vol.6102，pp610207-(1-8)(2006)，此处也将其引入作为参考。]然而，Er-Yb共掺光纤具有一定的缺陷。为了获得有效的从Yb向Er能量的转移，它们被共掺有大量的磷(P)，其提高了芯的折射率，从而限制了可获得的最大模场面积(MFA)并且使它们高度多模化。由于在预制过程中P被烧掉，芯的折射率分布通常具有大的中心锐减(dip)，其使空间模变形。它们在900nm和1000nm之间的波长处被抽运，从而1500nm处的增益的量子效率很低。由此产生大量的热，可能需要冷却以防止对包围内包层的聚合物涂层的损伤。
已经提出了基于Er-Yb DCF设计的光放大器的替代方案。[见例如D.Taverner et al.，“158μJ pulses from a single-transverse-mode，large-mode-areaerbium fiber amplifier”，Opt.Lett.，Vol.22，No.6，pp.378-380(1997)，此处将其引入作为参考。]在这个十年前的论文中，作者描述了一光纤放大器，其中功率级(stage)包括一LMA单模掺Er光纤，该放大器由Ti-蓝宝石激光器在980nm处以向后的方向进行终端抽运。待放大的1534nm信号通过预放大级经由标准的体光学元件被耦合至功率级。在掺Er光纤和预放大级之间的耦合光学元件被选择为能适应它们的大的NA失配。这种设计据称已将10-100pJ的信号脉冲放大为具有158μJ的能量以及＞100kW的峰值功率。然而，这种Taverner放大器设计由于多个原因是有缺陷的：(i)它使用多个体光学元件，其难以对准且在环境条件随时间推移而变化的时候难以保持对准；(ii)它使用了Ti-蓝宝石固态泵浦激光器，该激光器很大、难以控制、并具有有限的功率；和(iii)它使用了单模掺Er光纤，这意味着MFA是有限的，从而该光纤的能量存储能力同样是有限的。
因此，仍然存在对能缓解现有技术设计的一个或多个缺陷的高功率GPF设备的需求。
发明内容
为了获得单位长度的高泵浦吸收和增益，我们利用具有高亮度泵浦源的芯区泵浦的多模GPF。该芯区泵浦设计具有下述优点，在优选的实施方式中，泵浦光和信号光以基本相同的横模传输，从而，实质上完美地彼此重叠，这减少了ASE。近似完美的重叠也使特定增益所需的光纤长度最小化，其对于减少由例如拉曼散射、布里渊散射和自相位调制的非线性效应引起的衰减是很重要的。
为了产生和传递高功率脉冲(例如，大于数十kW的峰值功率)，优选地，GPF具有较高的芯区面积，其有利于增加光纤的能量存储能力(以及由此获得的脉冲能量)，并且利于减少非线性特性的影响，这减少脉冲的劣化。
根据本发明的一个方面，光学设备包括多模GPF，其用于为在光纤的芯区中传播的信号光(光发射)提供增益；和泵浦源，其用于提供在芯区中被吸收的泵浦光(光发射)，其特征在于：(i)泵浦源示例性地包括激光二极管的低亮度阵列和用于增加泵浦光亮度的转换器，(ii)泵浦光被直接耦合入芯区中，和(iii)芯区的面和超过约350μm2，优选超过约800μm2。
在一个实施方式中，在进入GPF之前，信号光以单横模在标准输入光纤中传播，而泵浦光在输入光纤中以至少相同的单模共同传播。即，尽管不是优选的，泵浦光可以是某种程度的多模的。此外，由于输入光纤通常具有小于GPF的芯区面积，基于光纤的模式展宽器被置于输入光纤和GPF之间。在一个实施例中，该模式展宽器包括适当设计的、基于光纤的GRIN透镜，该透镜在约1000-1600nm的范围内是基本上不依赖于波长的。在优选的实施例中，该GPF是掺Er的，信号波长约在1500和1600nm之间，而泵浦波长约在1460-1490nm之间。
在另一个实施方式中，多个泵浦源被耦合入LMA的多模GPF的芯中。这些泵浦源可产生相同波长或不同波长的光。它们可以是频分复用或空分复用的。
根据本发明的具体实施例，我们已经证明了，在具有875μm2的芯区面积的单包层掺Er光纤中对1545nm处的纳秒光脉冲的放大；该芯区是由高亮度拉曼激光器在1480nm处抽运的；而该脉冲具有数百kW的创记录的(record)峰值功率。
附图说明
通过后面结合附图所进行的更详细的描述，将易于理解本发明及其各种特征和优点，其中：
图1是根据本发明的一个实施方式的光放大器的示意性的框图；
图2是用于本发明的各种实施方式中的模式展宽器的示意图；
图3是根据本发明的另一个实施方式的光放大器的示意性的框图，其包括多个泵浦源；
图4是用于例如图3的实施方式中的泵浦耦合装置和模式展宽器的示意图；
图5是使用了由高亮度1480nm泵浦源抽运的掺Er光纤的光放大器的示意性的框图；
图6是图5的光放大器的示意性的框图，其中更详细地示出了信号源；
图7示出了在低功率和高脉冲重复率下测得的M2＜1.1。由增益产生光纤出射的光由透镜聚焦至光探测器上。增加由透镜至探测器的距离，测得了光束的宽度。由于高斯光束的最佳特性已知，所以最小光束宽度以及光束宽度沿光束的轴向距离(扫描距离)的变化被用于计算光束的M2。由于该光束通常是稍微非圆形的，该测量是在由x和y表示的两个正交方向上进行的。
具体实施方式
(总体结构)
在详细讨论本发明之前，我们首先看图1，其示出了一光放大器(OA)10，该放大器包括LMA的多模GPF12，当泵浦光(λp)同时被GPF12吸收时，其放大由光源14发射的信号光(λs)。更详细地，信号光和泵浦光，通常具有不同的波长，由独立的、典型的标准输入光纤24和26分别传输至波分复用器(WDM)18。WDM18将信号和泵浦光多路传输至典型的标准输入光纤22上，其被耦合至GPF12的芯部中。输入光纤22、24和26可以是小芯区面积单模光纤或者是大芯区面积多模光纤，但是在任何一种情况下，该光纤被设计为优选以相同的单横模(例如，基模)传播信号和泵浦光。可选择地，该泵浦光还可以以其它模式传播；即，其可以是某种程度的多模的，只要其模系(mode group)至少包括该信号光的该单模即可。
对于典型的高功率应用，该信号光是以持续时间短的高能脉冲的形式产生的。这种脉冲的峰值功率例如大于几十千瓦且经常大于几百千瓦。
根据本发明的一个方面，OA10具有一些重要的特征，其能使我们的放大器产生具有创记录的峰值功率的信号光脉冲；即，(i)GPF12的芯区的面积超过约350μm2，并优选超过约800μm2；(ii)泵浦源16是泵浦光的高亮度光源；(iii)泵浦光直接耦合入GPF12的芯区(而不是象典型的现有技术的DCF设计中那样耦合入包层中)；和(iv)泵浦光和信号光经由模式展宽器20被耦合入GPF12中，该泵浦光和信号光优选在相同的单横模中传播。
光束源的亮度被定义为在远场中发散的每单位立体角上的光束焦点处的每单位模面积的功率(P)。它是以W/(sr·cm2)为单位进行测量的。更多的细节可参见，例如，“Encyclopedia of Laser Physics and Technology”，其可在网络上在URL http://www.rp-photonics.com/brightness.html处找到且在此引入作为参考。亮度可由功率除以光学扩展量(etendue)表示，其为光源的面积和光传播的立体角的函数。对于简单的系统，光学扩展量可被表示为π·S·NA2，其中S是光源面积。
考虑通过芯区直径为d而数值孔径为NA的尾纤(fiber pigtail)将光传输至GPF的传统的低亮度激光二极管阵列。典型的市场上销售的激光二极管阵列将约为10W的功率传输入直径为105μm且NA为0.22的尾纤芯区中(光学扩展量约为1.3×103sr·μm2)，这意味着输出光束具有约为7.6mW/(sr·μm2)的亮度。所谓“高亮度”意味着我们的泵浦源的亮度至少大于传统的低亮度激光二极管阵列的30倍；优选大于100倍。因此，我们的高亮度泵浦源示例性地传输至少760mW/(sr·μm2)至GPF12。
通常，模式展宽器20的功能是增加模的尺寸(MFA)但不改变横模的阶(order)。假设，例如，模式展宽器将标准8μm芯径输入光纤22耦合至多模45μm芯径GPF12中。假设基模信号光在输入光纤22中传播且该模具有50μm2的MFA。那么，模式展宽器20可以，例如，将信号的MFA在GPF12中增加至700μm2，但扔在基模中保持该信号。类似的说明可应用于通过图2的展宽器20传播的泵浦光。
应当注意，此处光纤的芯区面积Acore仅仅是芯区的横截面形状的物理面积(当采用圆形芯区时Acore＝πD2/4)，然而光纤模(即，其MFA)的有效面积由Amode＝(∫|E|2dA)2/∫|E|4dA定义，其中E是局部电场而这些积分被理解为在芯区的整个横截面积上进行。这种积分获得光强的面积加权，以准确地量化非线性衰减的影响。这两个面积通常是显然不同的。例如，在1500nm处，Δn＝0.003的直径为30μm的圆形芯区包含具有仅24μm的模场直径的横模。这种模仅仅填充了芯区面积的约64％。同样，在1500nm处，Δn＝0.003的直径为45μm的芯区包含具有仅32μm的模场直径的模。这种模仅仅填充了芯区面积的约53％。
在输入光纤22中，该信号光和泵浦光优选在相同的单横模中传播，更优选在基模中传播。然而，LMA GPF12的芯区明显大于(例如，对于＞350μm2的芯区面积是＞21μm)光纤22的芯区。因此，模式展宽器20将芯区相对较小的输入光纤22中的信号和泵浦光的相对较小的模场耦合成GPF12的典型地相对很大的芯区中的较大的模场。
如图2中更详细地示出的，模式展宽器20示例性地包括与输入光纤22和LMA GPF12轴向呈直线排列的基于光纤的GRIN透镜。该GRIN透镜具有抛物线折射率分布，其导致光以固定的轴向节距散焦和聚焦。光的横截面(径向)斑点尺寸沿长度方向改变。如果GRIN透镜长度是该节距的倍数，输出斑点尺寸(面积)与输入斑点尺寸相同。然而，如果该长度是节距的一半，那么光束以较大的斑点尺寸输出，其可以与GRIN透镜本身的直径近似。利用公知的设计技术使斑点尺寸基本上与GPF12的芯区面积相等。
使我们惊讶的是，我们已经发现模式展宽器，诸如基于二氧化硅光纤的GRIN透镜，实质上在约1000-1600nm的范围上是不依赖于波长的。例如，考虑被设计成在1550nm处将由标准单模光纤发出的光耦合到多模、梯度折射率(Δn＝0.01)、单包层、掺Er的LMA光纤的二氧化硅GRIN透镜。我们利用GRIN透镜中的最优化抛物线折射率分布计算了在800nm至1700nm之间的模耦合。在1000-1600nm的范围上，我们发现LP01模的耦合损耗仅为约0.12-0.20dB。此外，我们发现大部分由LP01模丢失的能量进入较高阶数的模(例如，LP02和LP03)中。这些计算表明在信号和泵浦光波长之间的相对宽的分隔是可以接受的。
基于光纤的GRIN透镜的制造在D.J.DiGiovanni等人的美国专利No.7,013,678中有描述，该专利是在2006年3月21日授权的并且引入此处作为参考。
一种替代的模式展宽器20是通过利用在公知的接合器中长时间加热制得的简单的散射光纤接头。输入光纤22的芯区可以在熔接之前被扩散以增加其模面积而与GPF光纤12的面积匹配。
另一种替代的模式展宽器20包括多模光纤的一个片段，其中芯区的横截面积沿该片段的纵轴形成锥形(例如，如果该片段具有圆形横截面，那么该芯区直径是渐缩的)。在这个锥形片段的一个末端处，模场应与GPF12的模场匹配以便在将信号耦合入GPF12中时提供相对较低的耦合损耗。在该片段的相反的末端应当与输入光纤22的模场相匹配。通过拉伸形成锥形，例如，减小芯区的径向尺寸，从而在从输入光纤22耦合时时能以相对较低的损耗传导信号模。这种锥形片段也能以相对较低的耦合损耗传输泵浦光。多模光纤的该锥形片段可由标准光纤的一片段或由GPF12的一部分形成。
在本发明的一个替代的实施方式中，多个泵浦源被用于抽运多模LMAGPF12。这些泵浦源可以是频分/波分复用或是空分复用至GPF12中的。从而，如图3的OA 10’中所示，泵浦源16.1和16.2分别经由典型的标准输入光纤26.1和26.2被耦合至WDM18，而信号源14经由典型的标准输入光纤24被耦合至WDM 18。如前所述，WDM18将信号光和泵浦光多路传输至典型的标准输入光纤22，其被耦合至GPF12的芯区中。此外，如图1所示，信号输入光纤24和泵浦输入光纤26.1和26.2可以是单模或多模光纤。模式展宽器20被插在WDM18和GPF12之间。
在这个实施方式中，泵浦源可以具有实质上相等的波长(λp1＝λp2；例如，在1480nm处)，或者可以具有不同的波长(λp1≠λp2；例如，在1480nm和1485nm处)，只要该波长处于GPF12的吸收光谱中。在无论哪种情况下，可以使用分离的WDM(图中未示出)将每个泵浦源耦合至GPF12的芯区，或者可以使用多通道WDM例如薄膜滤光器阵列或阵列波导光栅(AWG)。此外，如果WDM18是与单模泵浦光结合使用的，那么该多个泵浦源应具有不同的波长以避免在WMD18中产生干涉效应。
另一方面，为了将多个泵浦源空间耦合至GPF12的芯区中，我们优选图4所示的类型的耦合配置。此处，锥形光纤束30被耦合至GRIN透镜模式展宽器20，然后其又耦合至GPF12。在束30中，泵浦光由外部输入光纤26.1和26.2承载，而信号光是由中心输入光纤24承载。这三个光纤均在区域32中渐缩形成减小的、紧密装配的、熔合的横截面，该横截面被用于将光耦合入GRIN透镜20(即，耦合入GPF12的芯区)。然而，在该实施方式中，展宽器20仅仅增加单模(例如，基模)信号光的MFA。泵浦光以不同的角度被耦合至GPF12的芯区中，激发有效地充满芯区的更高阶的模式。因此，展宽器20不需要被设计为增加这种更高阶的模式的尺寸。
光纤26.1、26.2和24的外径是锥形的，在某些情况下它们的芯区也是锥形的。渐缩可通过物理拉伸加热的光纤束而实现，或在熔合成为束之前蚀刻该光纤而无需不拉伸而实现。
仅仅为了简单起见，我们选择示出使用两个泵浦源的情形。本领域的技术人员会理解，可以很容易地使用超过两个泵浦源，实际数目仅仅取决于将更多的光纤渐缩至足够小的横截面的实际限制，该横截面小到能使泵浦光和信号光有效耦合入GRIN透镜20中。
光纤束30与D.J.DiGiovanni等人的在1999年1月26日授权的美国专利No.5,864,644中所描述的类似，此处将其引入作为参考。然而，我们的光纤束30与其的主要不同在于泵浦光是耦合入单包层-GPF12的芯区中而不是耦合入双包层GPF的包层中。
由于GPF12的芯区面积相对较大，它可以承载很多横模，并且可以传导高亮度泵浦光。从而，泵浦光在较高阶横模42(图4)中是由芯区收集的，而信号光通常是在另一个模式(例如，由高斯分布40表述的基模)中传播。如上所述，由于泵浦光在GPF12中激发较高阶模，泵浦光纤26.1和26.2也可以是多模光纤并传输多模泵浦光。然而，泵浦光的亮度还应当足够高以便能被GPF12的芯区有效收集(即，在高亮度泵浦源中，光线与光纤轴之间的夹角相对较小(shallow)，并且从而更容易收集)。重要的是，多个泵的利用增加了耦合入GPF12的芯区中的泵浦光的量，并且从而增加了可用于信号光的增益。然而，由于GPF12的大的芯区由泵浦光填充，信号光和泵浦光的横向(径向)分布之间的重叠小于最佳值，因为信号模通常仅仅填充LMA芯区的一小部分。在这种结构中，多个泵浦源的利用能够以略微受损的泵浦-信号重叠换来产生增益。然而，这种受损可通过限制加入信号模所在的芯区的区域中的增益掺杂物而部分补偿。在这种设计中，泵浦光仅仅在可测量信号存在的区域中被吸收。
应当注意，不同的泵浦和信号波长的条件导致在图4的模式展宽器20后的多泵浦模的激发。
应当理解，上述装置仅仅是对用来表现本发明的原理的应用的许多可能的具体实施方式的举例说明。根据这些原理，本领域的技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下设计许多各种各样的其它装置。
特别地，尽管我们描述的图1-5的泵浦装置是利用共同传播的泵浦，但本领域技术人员都知道，反向传输泵浦装置，尽管不是优选的，也可被利用。
此外，多个OA级(stage)可以相互串联地设置。为了提高放大效率，每个级都可包括逐渐变大的芯区面积GPF，其中最小的芯区面积GPF级是第一个(即，最靠近信号源)，而最大的芯区面积GPF级是最后一个(即，离信号源最远)。
此外，通过在光学谐振器中放置GPF12，上述的OA可被用于为激光器提供需要的增益；例如，通过在GPF12的输入端和输出端处的标准光纤中形成合适的光纤光栅或其它反射器(图中未示出)。在激光器的情况下，当然，不需要利用单独的信号源14；即，该信号由GPF12在内部产生，其用作激光器的有效介质。
贯穿本说明书中所提及的“波长”指的是具体发射光的中心波长，应当理解所有的这些发射光都具有包括在中心波长上下的已知波长范围的特征谱线宽度。此外，所提及的“单”横模光传播还包括实质上以单模传播；即，在实际应用中，不是总能完全抑制所有其它模。然而，单模意味着这些其它模的强度很小或可以忽略。
在一些实施方式中，我们将GPF12说成是“单包层”的。在示例中描述的这些单包层光纤的确包括由单光学包层(例如，二氧化硅单包层)包围的芯区。然而，通常我们并不认为术语“单包层”排除了那些更复杂的包层，例如具有多个特征(例如，折射率环、槽或气孔)的那些包层。此外，此处所用的单包层GPF的一个重要的方面是泵浦光被引导入芯区，而不是包层。
最后，为了在人眼安全(eye-safe)信号波长处的高功率应用，我们优选图5所示的类型的OA 10”。此处，GPF12是掺Er光纤，其具有相对较大的芯区面积(例如，＞800μm2)。信号源14在1500nm以上的波长处(例如，在1545nm处)产生短(例如，纳秒)周期光学脉冲。另一方面，泵浦源16包括低亮度的第一光源，其被示例性地描述为在约900-1000nm(例如，915nm)处产生泵浦光的半导体激光二极管(LD)阵列16.3。该阵列的亮度通过利用LD泵浦第二光源而增加(例如，倍数为200)，该第二光源为掺Yb的包层泵浦光纤激光器16.4。激光器16.4的输出(例如，在1100-1200nm处)通过级联拉曼谐振激光器16.5移到1480-1490nm。Raman激光器由C.Headley在“Raman Amplificationin Fiber Optical Communication Systems”Elsevier Academic Press，Ch.7Cascaded Raman Resonators，pp303-374(2006)中描述，此处将其引入作为参考。拉曼激光器16.5的1480-1490nm的输出经由WDM18和模式展宽器20以上述方式向GPF12提供高亮度的泵浦光。
当然，其它的增益产生物质也可被用于实现光放大设计，包括其它稀土元素(例如，Nd、Tm、Ho等)或铬(Cr)。例如，800nm的LD可被用于抽运掺Nd光纤激光器以便在1060nm处产生高亮度输出，该输出又抽运掺Yb光纤放大器，以便为1080nm信号提供增益。
实施例
本实施例描述了纳秒脉冲在单包层的多模LMA掺Er光纤中的放大。仅仅通过举例提供不同的材料、尺寸和操作条件，并且，除非特别规定，并不用于限制本发明的范围。掺Er芯区的面积为创记录的值875μm2。该芯区在1480nm处被拉曼光纤激光器抽运。掺Er光纤的大的能量存储容量和低的非线性特性使全光纤系统能在M2＜1.1的单横模中产生创记录的每脉冲的能量和创记录的峰值功率。
尽管掺Er的LMA光纤是多模光纤，信号和泵浦光可以在该光纤中以单模(基模)传输。
“全光纤”意味着各元件是熔接结合在一起的，而不是自由空间耦合在光纤中。具有光纤尾纤的激光二极管和其它元件可利用自由空间耦合，但是位于很好地控制的封装中。
图6是我们的放大器链的示意图。信号源14包括波长可调谐外腔cw激光器14.1(ECL；中心波长设置为λs＝1545nm)，其由高衰减电光调制器14.2(EOM；可从Photline Technologies，Pittstown，NJ买到)调节，它后面有一些预放大器和过滤级。脉冲持续时间和波长是被精确控制的。500kHz脉冲序列在标准单模掺Er光纤预放大器14.3(EDEA)中放大。该脉冲序列由滤光器14.4光谱过滤(消除大部分ASE)，并且在Er-Yb光纤预放大器14.5(双包层5/130μm芯/包层直径)中放大。该脉冲序列接着通过声光调制器14.6(AOM；100ns上升时间)发送以便将重复频率减缓至终端输出的预期值。
初始的高重复频率导致大部分的粒子数反转被受激(与自发的相反)辐射耗尽，形成低的脉间(inter-pulse)ASE。利用AOM减缓重复频率还消除了累计的脉间ASE。接着该脉冲在单模双包层Er-Yb光纤预放大器14.7(12/125μm芯/包层直径)中被放大。该输出被1nm宽的带通滤光器14.8光谱过滤。该光谱信号-背景比为＞45dB。该输出接着经由1480/1550nm熔合的光纤耦合器被耦合入最终的功率放大级，该耦合器被用作WDM18。该点处的脉冲峰值功率通过非线性特性被局限于～300W，该特性是由在增益光纤后面的小面积标准单模光纤制成的元件产生的。
在滤光器14.4和放大器14.5之间、放大器14.5和AOM14.6之间、以及滤光器14.8和WDM18之间设置隔离器14.9。
我们的功率放大级包括具有45/125μm芯/包层直径的3m长的、单包层、大模面积、掺Er、多模二氧化硅光纤12。其具有面积为～875μm2的阶梯折射率分布。在1535nm的信号波长处每单位长度上的泵浦吸收是20dB/m。基于二氧化硅光纤的GRIN透镜的模式展宽器20将1480/1550nm耦合器(WDM)的模与掺Er光纤12的基模匹配。多通道干涉的光谱测量表明仅仅～1％的光学能量被耦合入高阶模中。掺Er光纤环直程超出30cm以使由弯曲引起的模式混合和面积减少的有害影响最小化。[见，J.M.Fini，“Bend-Resistant Design ofConventional and Microstructure Fibers with Very Large Mode Area”，OpticsExpress，Vol.14，No.1，pp.69-81(2006)，此处将其引入作为参考。]在高重复频率和低放大级处测得M2＜1.1，其确定放大器的净单模激励(图7)。对光纤进行处理不会引起任何严重的问题，未受干扰的光纤的输出光束分布在所有的功率级保持一致和稳定。
用于功率放大级的泵浦包括如图5所示的泵浦源16的类型的装置；即，泵浦源16包括包层泵浦的掺Yb光纤激光器16.4(CPFL；由低亮度915nm二极管阵列16.3抽运)，其波长通过级联拉曼谐振器(CRR)激光器16.5由～1100nm移至1480nm。通过915nm的28W的泵浦功率，我们能在单模光纤中在1480nm处产生～9W的高亮度光。在CRR的输出处的倾斜光栅(图中未示出)被用于过滤中心波长为～1585nm的下一个斯托克斯(Stokes)级。
Er放大器的性能的特征在于是在输入脉冲周期τp为1ns和5ns处的脉冲重复频率FR的函数。输入脉冲的峰值功率在所有的重复频率处都保持在250W和300W之间。
放大器输出脉冲能量由20GHz取样示波器记录的脉冲宽度算出。轨迹面积(trace area)和脉冲能量之间的相互关系已经在高重复频率处被建立。我们观测到线性增加的脉冲能量为在不同的重复频率处由光纤吸收的泵浦功率的函数，证明放大器在最大脉冲能量处保持不饱和。我们还对作为重复频率的函数的脉冲能量、平均功率、脉冲峰值功率、和效率进行测量。这些测量能证明我们的芯区泵浦设计的功效，该设计具有用于在人眼安全的波长1545nm处放大纳秒脉冲的创记录的模面积的掺Er光纤。在在全光纤设计中具有M2＜1.1的单模操作下实现创记录的脉冲能量(几个100μJ)、峰值功率(几个100kW)、和平均功率(多个100mW)。然而，利用图3-4的多个泵浦源设计，有望获得更好的结果。

Claims (27)

1.一种高功率光纤设备，包括：
输入光纤，具有第一芯区，该第一芯区以单横模传播信号光，并以至少相同的单横模传播泵浦光；
所述泵浦光的高亮度光源；
多模的增益产生光纤，具有第二芯区和包围所述第二芯区的包层区，所述第二芯区的横截面面积超过350μm2且超过所述第一芯区的横截面积，当所述泵浦光在所述第二芯区中被吸收时所述第二芯区向在其中传播的所述信号光提供增益，和
模式展宽器，用于将所述信号光和所述泵浦光从所述第一芯区耦合入所述第二芯区，并且改变所述输入光纤中的所述信号光和所述泵浦光的模场面积以与在所述第二芯区中的相应的模场面积相匹配。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述模式展宽器包括基于光纤的GRIN透镜。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述信号光具有在1500-1600nm范围内的波长，所述泵浦光具有在1480-1490nm范围内的波长。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述增益产生光纤是掺杂有Er的。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述高亮度光源包括：
LD阵列，用于产生低亮度的第一泵浦光，和
光纤激光器，由所述第一泵浦光抽运，所述光纤激光器的输出对所述增益产生光纤进行抽运。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述光纤激光器包括：
第一光纤激光器，响应所述低亮度泵浦光，用于产生较高亮度的第二泵浦光；和
拉曼光纤激光器，响应所述较高亮度的第二泵浦光，用于上移所述较高亮度泵浦光的波长，所述上移的泵浦光被提供给所述增益产生光纤以放大所述信号光。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述LD阵列在900-1000nm的波长处产生所述低亮度的第一泵浦光，所述第一光纤激光器包括产生所述较高亮度的第二泵浦光的掺Yb光纤激光器，且所述拉曼激光器响应所述第二泵浦光，用于移动波长以放大所述信号光。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述掺Yb激光器包括包层泵浦光纤激光器，且所述拉曼激光器包括级联拉曼谐振激光器。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述第二芯区面积超过800μm2。
10.如权利要求1所述的设备，其中所述泵浦光的高亮度光源包括多个泵浦光的光源，每个光源都具有不同的波长，所述泵浦光和所述信号光被多路传输至所述输入光纤上。
11.如权利要求1所述的设备，其中所述设备包括光放大器。
12.如权利要求1所述的设备，其中所述设备包括激光器。
13.如权利要求1所述的设备，其中所述增益产生光纤包括单包层光纤。
14.如权利要求1所述的设备，其中所述输入光纤被构造为使得所述泵浦光在其中仅以与所述信号光相同的单横模传播。
15.如权利要求1所述的设备，其中所述模式展宽器包括光纤片段，在该光纤片段中其芯区的横截面面积是沿所述片段的纵轴方向渐缩的，所述片段在所述第二芯区附近具有相对较大的面积，而在所述第一芯区附近具有相对较小的面积。
16.一种高功率光纤放大器，包括：
输入光纤，具有以基横模传播信号光和泵浦光的第一芯区；
所述泵浦光的高亮度光源，包括：LD阵列，用于产生低亮度的第一泵浦光；第一光纤激光器，响应所述低亮度泵浦光以产生较高亮度的第二泵浦光；和拉曼光纤激光器，响应所述较高亮度的第二泵浦光以上移所述较高亮度泵浦光的波长，所述上移的泵浦光被提供给所述增益产生光纤以放大所述信号光；
多模的增益产生掺Er单包层光钎，具有第二芯区和包围所述第二芯区的包层区，所述第二芯区的横截面面积超过800μm2，并超出所述第一芯区的横截面面积，当所述泵浦光在所述第二芯区中被吸收时所述第二芯区向在其中传播的所述信号光提供增益；和
基于光纤的GRIN透镜模式展宽器，用于将所述信号光和所述泵浦光从所述第一芯区耦合入所述第二芯区，并且于改变所述输入光纤中的所述信号光和所述泵浦光的模场面积，以与所述第二芯区中对应的模场面积匹配，
其中所述信号光具有在1500-1600nm范围内的波长，而所述泵浦光具有1480-1490nm的波长。
17.一种高功率光纤设备，包括：
输入光纤，具有以单横模传播信号光的第一芯区；
多模的增益产生光纤，具有第二芯区和包围所述第二芯区的包层区，所述第二芯区的横截面面积超过350μm2，并超出所述第一芯区的横截面面积，当泵浦光在所述第二芯区中被吸收时所述第二芯区向在其中传播的所述信号光提供增益；和
所述泵浦光的多个高亮度光源，所述泵浦光仅被耦合入所述第二芯区，
所述增益产生光纤，在所述第二芯区中以单横模传播所述信号光，并以不同的横模传播所述泵浦光。
18.如权利要求17所述的设备，其中所述多个高亮度光源产生基本相同波长的泵浦光。
19.如权利要求17所述的设备，其中所述多个高亮度光源产生不同波长的泵浦光。
20.如权利要求18所述的设备，其中所述信号光具有在1500-1600nm范围内的波长，而所述泵浦光具有1480-1490nm的波长。
21.如权利要求17所述的设备，其中在所述第二芯区中，所述信号光以基横模传播，而所述泵浦光以多个较高阶模传播。
22.如权利要求17所述的设备，还包括用于将所述信号光直接耦合入所述第二芯区中的模式展宽器。
23.如权利要求22所述的设备，还包括用于将所述信号光和所述泵浦光光学耦合入所述模式展宽器中的耦合器，所述耦合器包括用于承载所述信号光的中心光纤片段和用于承载所述泵浦光的多个外围光纤片段，这些片段在与所述模式展宽器耦合的区域中被渐缩至减小的横截面面积。
24.如权利要求17所述的设备，其中所述第二芯区面积超过800μm2。
25.如权利要求17所述的设备，其中所述增益产生光纤包括单包层光纤。
26.如权利要求17所述的设备，其中所述设备包括光放大器。
27.如权利要求17所述的设备，其中所述设备包括激光器。
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