CN101288211A - 光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种光纤激光器，该光纤激光器包括单模或低阶模包层泵浦光纤激光振荡器或前置放大器(1)，适合于导引多横模的包层泵浦光纤激光功率放大器(2)，其中，来自振荡器或前置放大器的输出通过模混合装置(3，4)而施加至功率放大器。与振荡器或前置放大器相比，激光功率放大器具有较大的纤芯和包层直径，因而使得可以应用较低亮度的泵浦源。

Description

光纤激光器
本发明涉及光纤激光器。具体地说，本发明涉及包层泵浦(包层抽运，cladding pumped)光纤激光器。该激光器可以是连续波(CW)激光器或脉冲激光器。
激光器用于包括诸如切割、焊接、钻孔等的材料处理(材料加工)的各种各样的应用中。更近期，光纤激光器已得到发展，其中已将活性激光元素(active lasing element)引入到光纤本身的纤芯(core)中并且通过光纤包层引入产生激光作用(laser action)所必需的泵浦装置。通过由内包层和外包层形成的波导而应用泵浦能量(pumping energy)(通常为光)，而光纤的纤芯用诸如稀土元素的激光元素掺杂(dope)。当包层泵浦光的射线横穿纤芯时，该泵浦光被纤芯中的活性元素(active element)吸收。通过在用激光活性铁(稀土元素)掺杂的光纤的任一端(either end)处的两种折射率光栅反射器(布拉格光栅)来限定激光振荡器。US 4,807,805描述了这样的光栅及其制造方法。
因此，这样的光纤的关键要素(element)是泵浦源(抽运源，pump source)、泵浦耦合以及包层泵浦光纤。可替换地，可以通过使用诸如半导体激光二极管或其它光纤激光器的种子源(seedsource)作为输入并使用该种子源来为一系列光纤放大器提供种子(播种，seed)而形成光纤激光器。
这种类型的高功率光纤激光器可用于材料处理以及还用于电信中。至今，高功率包层泵浦光纤激光器已集中在光纤增益介质的单横模操作(single-transverse-mode operation)上。这具有以下优点，即激光(器)可以具有非常好的光束质量。然而，这种配置(方案，scheme)存在以下缺点，即，由于单横模操作所需的光纤纤芯的小直径，因此需要非常高亮度的泵浦源(通常为半导体激光器)。
本发明起因于试图提供一种改善的包层泵浦光纤激光器以及一种克服以上局限性的光纤激光器。
根据本发明，提供了一种光纤激光器，该光纤激光器包括用于输出激光束信号的单模或低阶模(low-order mode)激光振荡器或前置放大器；适合于导引由有源光纤(活性光纤，active fibre)形成的多横模的功率放大器，其中该有源光纤具有纤芯和限定用于激光信号的波导的内包层，以及限定用于泵浦能量的波导的外包层；其中，功率放大器的纤芯和内包层的直径基本上大于振荡器或前置放大器的纤芯和内包层的直径。
使用较大直径的功率放大器使得能够使用较低亮度的泵浦源(在当时被现有技术的光纤激光器所要求的)并同时能够获得所需的总泵浦功率。振荡器或前置放大器通常由较低功率的泵浦源抽运(泵浦，pump)。
在另一方面，本发明提供了一种光纤激光器，该光纤激光器包括光纤耦合的半导体激光二极管，用于输出激光束信号的单模或低阶模激光前置放大器装置；功率放大器，该功率放大器包括具有纤芯和限定用于激光信号的波导的内包层以及限定用于泵浦能量的波导的外包层的包层泵浦光纤，其中功率放大器的纤芯和内包层的直径分别基本上大于前置放大器的纤芯和内包层的直径。
优选地，在单模或低阶模光纤与多模放大器之间提供(设置)模混合光纤(mode-mixing optical fiber)的中间部分，以确保为了效率而在放大器中提供(fill)大多数或所有可能的模同时确保具有可重复性能。
在正向方向上，模混合光纤具有填充多模光纤的孔(孔径，aperture)的作用，这可有利于多模放大器的性能。在反向方向上，任何由功率放大器的方向进入模混合光纤中的光也将被再分配以填充(弥漫)模混合光纤的孔(孔径，aperture)。
本发明进一步提供了一种光纤激光器，该光纤激光器包括单模或低阶模包层泵浦光纤激光振荡器或前置放大器，以及适合于导引多横模的包层泵浦光纤激光功率放大器，其中，来自振荡器或前置放大器的输出通过模混合装置而施加至(应用于)功率放大器。
优选地，在功率放大器前面提供有包层模消除器(claddingmode stripper)。
该模混合光纤优选地具有一种纤芯，该纤芯具有非圆形的(例如有刻面的(faceted)，如六角形的)横截面以促使(引发)模混合。可替换地，模混合光纤装置可以具有圆形纤芯并具有一个或多个扭转(twist)或折弯(弯曲，bend)以促使模混合，或者可以具有用于促使模混合的其他方式(means)。当然，可以将折弯与非圆形纤芯结合。
包层模消除器可以包括通常与模混合光纤共轴并沿模混合光纤长度的一部分安装的毛细管，并且该包层模消除器的一端相对于毛细管的纵轴倾斜。
主振荡器或前置放大器的内包层可以具有非圆形横截面。
目前，可获得的单模和低阶模光纤具有的内包层直径在约为125-400微米的范围内。相应的纤芯直径在约4-30微米的范围内。
为制造中功率激光器(mid-power laser)(250-1000W)，这些传统的光纤要求一定水平的泵浦亮度。实质地，亮度＝功率/(面积×(NA2))，其中，NA是波导的数值操作(数字有效量，numericaloperative)。可以获得成本显著较低的泵浦源，其具有低约四倍的亮度。内包层横截面面积增加4倍将可容纳这种泵浦源-或包层直径增加2倍达到约800微米或稍大。因此，多模放大器的纤芯和包层两者增大至基本上大于目前用于这种应用的光纤的尺寸，使得能够使用较低亮度的泵浦源同时保持优选的泵浦吸收。
根据本发明，在另一方面提供了一种光纤激光器，该光纤激光器包括用于输出激光束信号的单模或低阶模激光振荡器或前置放大器以及导引多横模的功率放大器，其中功率放大器的数值孔径(numerical aperture)大于振荡器或前置放大器的数值孔径。
现在，将参照附图，仅以举例的方式，对本发明的具体实施方式进行描述，在附图中：
图1(a)示出了包层泵浦激光器的配置；
图1(b)示出了沿A-A的横剖面；
图1(c)示出了沿B-B的横剖面；
图2示出了主振荡器；
图3示出了主振荡器的一种可替换的具体实施方式；
图4示出了又一种可替换的具体实施方式；
图5示出了包层模消除器；
图6示出了功率放大器的第一具体实施方式；
图7示出了功率放大器的第二具体实施方式；
图8示出了功率放大器的第三具体实施方式；
图9示出了熔融光纤泵浦合束器(fused fibre pump combiner)；
图10示出了在区域20中合束器的横剖面；
图11示出了熔融光纤泵浦合束器沿D-D的横剖面；
图12(a)示出了多模泵浦传输光纤的横剖面；
图12(b)示出了熔融泵浦合束器中(通常在中央的)载信号光纤的横剖面；
图13(a)示出了用调制半导体激光二极管提供种子(播种，seed)的光纤激光器；
图13(b)示出了单模有源放大光纤(single-mode activeamplifying fibre)的沿E-E的横剖面；
图13(c)示出了单模或低阶模放大光纤的沿F-F的横剖面；
图14示出了单模种子二极管(single-mode seed diode)和第一级前置放大器；
图15示出了单模或低阶模第二级包层泵浦前置放大器；
图16示出了单模或低阶模包层泵浦第二级前置放大器的一种可替换的具体实施方式；
图17示出了单模或低阶模包层泵浦第二级前置放大器的又一种可替换的具体实施方式；以及
图18示出了用于图6至图11中的可替换的主振荡器-功率放大器结构中的空气包层的双包层光纤(air clad double clad opticalfibre)。
现在，参照图1至图12，示出了包层泵浦多模光纤激光器。
参照图1，根据本发明第一具体实施方式的光纤激光器是主振荡器、功率放大器结构。如图1所示，激光器通常包括经由包层模消除器3和模混合光纤4而连接的主振荡器1和功率放大器2。主振荡器被设置(安排)成产生激光输出并通常可具有相当低的输出功率(功率输出)诸如约50-200瓦特。在一种具体实施方式中，该输出功率在功率放大器中被放大以产生约250-1000瓦特的总输出功率，虽然这些数字可以变化。
主振荡器1包括由光纤构成的线性激光谐振腔(laser cavity)。这在图2中更清楚地示出。增益介质是稀土掺杂的包层泵浦光纤，该包层泵浦光纤通常在其纤芯中支持单一一个横模或几个横模。光纤的材料可掺杂有任何适合的稀土元素，如Nd、Yb或其他材料或这些材料的组合，而材料的选择可决定光纤激光器的频率。这种材料形成有源光纤(5和9)的纤芯(8和9)。光纤布拉格光栅6a、6b形成为以已知方式连接于有源光纤末端的多段(lengths of)通常未掺杂的光纤，以形成谐振腔端面反射器(cavity end reflector)。这是许多种光纤激光器的标准。将泵浦光经由熔融光纤泵浦合束器7引入到增益光纤的内包层17中。在有源增益光纤5中，泵浦光用来激发掺杂纤芯中的稀土原子使其脱离其平衡原子态，以产生粒子数反转，并由此产生激光束。可以经由熔融泵浦合束器将泵浦光引入到光纤激光器的任一端或实际上两端以增加激光器的总功率。激光(激光器的光)通过具有信号馈通的熔融泵浦合束器而射出激光器并穿过模混合光纤4(如下面将进一步描述的)传输至功率放大器2，在该功率放大器2中激光器激光被进一步放大。
主振荡器优选以单横模操作。可替换地，当光纤支持多于一个的横模时，使用对本领域技术人员众所周知的诸如光纤紧密缠绕的标准技术来抑制较高阶模。
功率放大器包括包层泵浦光纤，该包层泵浦光纤具有特别的(deliberately)多模纤芯9和大直径内包层10。泵浦光被引入到内包层10中并用来放大纤芯9中的激光，然后激光通过光纤11并且随后通过另外的包层模消除器12输出。
功率放大器的纤芯和内包层的直径分别大于主振荡器的纤芯和内包层7的直径。在一种典型的具体实施方式中，主振荡器的纤芯直径可以为约5至约30μm，而纤芯的数值孔径通常可以在0.06至0.15的范围内。主振荡器内包层的外径则可以处于大约130至400μm的范围内。外包层通常由低折射率聚合物的涂层(coating)组成，其中典型的n＝1.38，这使得泵浦波导的数值孔径为约0.45。功率放大器纤芯的直径则可以为约50至75μm，并且数值孔径在0.06至0.15的范围内。例如，内包层的直径可以为约800至1000μm，虽然这些范围并不具有限制性。外包层通常由低折射率聚合物的涂层组成，其中典型的n＝1.38，这使得泵浦波导的数值孔径为约0.45。
这种结构还使主振荡器能够用较低功率(较低亮度)的泵浦源抽运，这是因为其输出不需要如前述纯粹的单模光纤激光器的情况一样高。
可选地，内包层波导可以包括图18中所示类型的空气包层结构。其具有信号纤芯(signal core)100、环绕纤芯并形成内包层的玻璃区域101、形成外包层的一圈孔洞(ring of hole)102、以及外层实心玻璃区域103。这样的空气包层的双包层光纤本身是众所周知的。多模泵浦光在由外圈孔洞102导引的内包层区域101中传播。这些外孔洞形成泵浦波导的“空气外包层”。这样的空气包层光纤的使用使得泵浦波导的数值孔径增大。如上所述，亮度＝功率/(面积×(NA2))。因此，泵浦波导的数值孔径NA以2的平方根(squareroute)的因数增大，这在给定泵浦亮度的接收方面等同于使泵浦导向(泵浦导向装置，pump guide)的截面面积加倍。常规地，泵浦波导NA主要由外层聚合物包层的折射率(通常为约1.38)决定，其导致约0.45的泵浦波导NA。使用空气包层型光纤可以将泵浦波导的NA增加至0.6或更高。这约等同于将内包层直径增大33％。
通过在包层模消除器之后的模混合多模光纤4的部分进行由单模或低阶模主振荡器向功率放大器的过渡(transition)。在正向方向上，模混合光纤具有填充多模光纤的孔的作用，这可有利于多模放大器的性能。在反向方向上，任何由功率放大器的方向进入模混合光纤中的光也将被再分配以填充模混合光纤的孔。当实现到达单模(或接近单模)的光纤的过渡时，大多数光将耦合到包层中并被图5所示的包层模消除器消除。由此获得的光隔离程度大约等于由模混合光纤和单模(或接近单模)光纤支持的多模的比率。
包层模消除器包括由玻璃或其他材料制成的毛细管13，该毛细管13与光纤包层相邻(adjacent)并与其共轴地安装且通过透明的界面材料14连接至光纤包层。消除器具有通常垂直于光纤纵向的一端15以及邻近(proximal)主振荡器并以与纵轴成一定角度(通常约45°)倾斜的另一端16。选择消除器的角度和材料使得有办法沿向后方向进入包层模消除器13中的任何辐射将在表面16处被全内反射并被改向为朝向外部。
图3和图4中所示的具体实施方式示出了主振荡器分别沿正向和反向方向抽运(泵浦)，而图1的具体实施方式示出了同时沿正向和反向方向两个方向抽运。这些具体实施方式的目的可以是提高激光器的效率或者其可能只不过是一个技术便利的问题。与单向抽运相比，双向抽运允许将更大量的(给定亮度的)泵浦功率引入到有源光纤中。
类似地，图7和图8示出了功率放大器的可替换的具体实施方式，其中使用了正向和反向抽运(图6示出了两个方向的抽运)。
图9示出了可如何形成图2的(即振荡器的)熔融光纤多模泵浦合束器。这样的合束器例如在US 5,864,644中示出。泵浦合束器包括七根光纤的光纤束，其中中央光纤可选地具有非稀土掺杂的纤芯，该纤芯可以是多模或低阶模纤芯。这由图10中中央光纤8周围的光纤7的形成光纤束20的集合表示。这样的合束器是众所周知的并且具有不同光纤数(如，19根光纤)的变型也是可能的。环绕中央光纤的多模光纤接收来自半导体激光器或其他装置(未示出)的泵浦能量。在移向图9的右端的过程中，这种光纤束熔融成锥形部分21以形成具有基本圆形横截面且直径约等于光纤5的直径的单根光纤。这里，光纤束被结合至一段未掺杂的光纤，其中所述未掺杂的光纤通常具有与光纤5相似的尺寸、纤芯和包层几何形状。这种光纤形成熔融泵浦合束器的输出。应该注意到，这种输出光纤包括纤芯22、内包层23以及外(泵浦)包层24。内包层与外包层24之间的界面不必是如图所示的圆形，而是其横截面可以是有刻面的。正如在不同横截面图中所示出的，这种有刻面的结构还可以与激光器构造的多种其他部分一起使用，并且例如，这对于模混合是有利的。
图11示出了图9的部分21的横截面，其示出了纤芯22、内包层23以及外包层。
图12(a)示出了多模泵浦传输光纤7的横剖面，而图12(b)示出了中央光纤8的横剖面，该中央光纤8具有导引激光信号穿过泵浦合束器的纤芯波导。
通常由激光二极管向所述光纤激光器提供泵浦能量。图1至图11的具体实施方式示出了连续波(CW)激光器。可替换地，相同的主振荡器-功率放大器结构可以通过光纤激光振荡器(主振荡器)的调制而用来实现脉冲操作。这种调制可能受泵浦装置的调制，例如泵浦二极管的调制的影响。在这种结构中，代表性的功率水平可以是250-500W的平均功率和大于1kW的峰值功率。在这种情况下，纤芯和包层尺寸可以基本上与上述的CW激光器相同。
在高平均功率和峰值功率下来脉冲激光的能力是功率放大器的增大的纤芯的另一个期望的结果。增大的纤芯降低了纤芯中光的强度并且避免发生强度依赖的有害非线性作用，如受激布里渊散射。
图13至图17示出了脉冲激光器形式的一种可替换的具体实施方式。这种激光器由主振荡器-功率放大器结构组成。主振荡器30通常具有相对低的输出功率并且其在前置放大器部分31中被放大以产生较高的总输出功率。典型的功率水平为来自主振荡器的5-10瓦特的输出和来自激光器的约20-40瓦特的总输出功率。
主振荡器30包括直接调制的光纤耦合的半导体激光二极管32，该二极管具有通常为几百mW的峰值输出功率。其在具有级间隔离和带通滤波(band pass filtering)的多级单模或低阶模前置放大器链(系列)中被放大。其包括通过光纤耦合的法拉第隔离器34而接收来自激光二极管32的输入的单模1级前置放大器33。前置放大器包括通过熔融光纤泵浦信号的多路转换器(multiplexer)12而抽运的单模稀土掺杂的光纤11。由此而来的输出通过另一光纤耦合的法拉第隔离器35而传递至包层泵浦2级前置放大器36。其包括具有单模或低阶模纤芯的包层泵浦光纤37并由多模泵浦传输光纤38抽运。
来自前置放大器级(preamplifier stage)的输出通过具有包层隔离器40的模混合光纤39(与图1至图12的具体实施方式类似)而施加于多模功率放大器41。
该功率放大器41包括具有多模稀土掺杂的纤芯的大直径包层泵浦光纤42。这是故意设置(deliberately)的多模纤芯并具有大直径包层。代表性的纤芯参数是100微米的直径，其中数值孔径为0.08。代表性的内包层直径是800微米。其通过另一多模泵浦传输光纤43抽运。
因此，多模功率放大器41通常与图1至图12具体实施方式的功率放大器类似。大直径包层泵浦光纤的横截面是相似的，通常具有非圆形的内包层。
在功率放大器41中，如前面所述，信号被放大以产生可以例如为约20-40瓦特的总输出功率，并且其通过包层模消除器44施加至可应用的输出。
图13(b)示出了单模1级前置放大器33的光纤的横剖面，而图13(c)示出了包层泵浦2级前置放大器的横剖面。
多模功率放大器41的外包层通常由给出约0.45的内包层数值孔径的低折射率聚合物的涂层组成。可选地，外包层可包括参照图18所述类型的空气包层光纤。
此外，在本发明的该具体实施方式中形成的较大包层直径允许使用通常比较高亮度等同物显著更便宜的较低亮度的泵浦激光源。
图14略微更详细地示出了图13中的单模1级前置放大器。应该注意到，该放大器进一步包括光学带通滤波器(optical band pathfilter)10。其用途在于从放大器的输出中去除不需要的放大自发发射(amplified spontaneous emission，ASE)。ASE是宽波段自发发射的光，该发射的光降低了脉冲信号的信噪比。位于信号波长波段外部的ASE部分可以通过光学带通滤波来去除-改善信噪比，并由此改善调制信号的对比度。
图15至图18示出了包层泵浦2级前置放大器的三个示例性具体实施方式。注意到可以使用其他实施例，但仅以举例方式示出了三个具体实施方式。图15示出了一个实例，其在接近单模1级前置放大器33的一端具有熔融光纤多模泵浦合束器并且在远端具有设置有单模或低阶模馈通的熔融光纤泵浦合束器。图16和图17示出了使用正向和反向抽运的可替换的具体实施方式。
此外，通过在包层模消除器40之后的模混合光纤39的部分，发生由单模主振荡器向多模功率放大器的过渡。其与图1至图12中的具体实施方式具有相同的目的，并且模混合可以以任何期望的方式实现。
在本发明的具体实施方式中，功率放大器的输出可以通过具有比功率放大器更大的纤芯直径的光纤而施加至工件。其克服在材料处理过程中从工件进入到纤芯中的光的反向反射(背反射，back-reflection)而为激光器提供了光隔离(optical isolation)。
主振荡器的输出可以由泵浦激光二极管(其向泵浦包层提供泵浦能量)的直接调制来调制，由此产生脉冲激光输出。

Claims (18)

1.一种光纤激光器，所述光纤激光器包括单模或低阶模包层泵浦光纤激光振荡器或前置放大器，以及适合于导引多横模的包层泵浦光纤激光功率放大器，其中，来自所述振荡器或前置放大器的输出通过模混合装置而施加至所述功率放大器。
2.根据权利要求1所述的光纤激光器，其中，所述模混合装置包括模混合光纤和包层模消除器。
3.根据权利要求2所述的光纤激光器，其中，所述包层模消除器包括共轴地并与所述模混合光纤相邻安装的毛细管，并且具有接近所述单模或低阶模振荡器或前置放大器的一端，所述包层模消除器适合于利用全内反射以使所述消除器中的辐射改变方向以远离所述光纤。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光纤激光器，其中，所述振荡器或前置放大器包括纤芯、内包层以及外包层，而所述功率放大器包括纤芯和限定用于激光信号的波导的内包层，以及限定用于泵浦能量的波导的外包层，其中，所述功率放大器的所述纤芯和内包层的直径分别大于所述振荡器或前置放大器的所述纤芯和内包层的直径。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光纤激光器，其中，所述模混合光纤具有纤芯和包层，所述纤芯具有非圆形横截面。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光纤激光器，其中，所述模混合装置为沿其长度具有至少一个螺环或折弯以促使模混合的光纤。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光纤激光器，其中，所述振荡器或前置放大器包括光纤，所述光纤具有纤芯、分别限定用于所述信号和泵浦的各自的波导的内包层和外包层，所述内包层具有非圆形横截面以促进所述泵浦模的混合。
8.根据权利要求7所述的光纤激光器，其中，熔融光纤泵浦合束器用来将多模泵浦光引入到有源光纤的所述内包层中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光纤激光器，其中，泵浦能量以正向方向、反向方向或正向和反向两个方向被引入。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光纤激光器，其中，所述功率放大器中的所述光纤包括具有非圆形横截面以促进泵浦模的混合的内包层。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光纤激光器，其中，具有多模纤芯馈通的熔融光纤泵浦合束器用来多路传输和多路分解所述泵浦和信号光。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光纤激光器，其中，所述功率放大器具有一输出，所述输出通过具有比所述功率放大器的纤芯直径更大的纤芯直径的光纤而施加。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光纤激光器，其中，所述振荡器具有由泵浦激光二极管的直接调制而调制的输出。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光纤激光器，所述光纤激光器为在主放大器之前的一个或多个前置放大器链中被放大的脉冲激光器。
15.一种光纤激光器，所述光纤激光器包括用于输出激光束信号的单模或低阶模激光振荡器或前置放大器以及导引多横模的功率放大器，其中，所述功率放大器的数值孔径大于所述振荡器或前置放大器的数值孔径。
16.一种光纤激光器，所述光纤激光器包括用于输出激光束信号的单模或低阶模激光振荡器；适合于导引由有源光纤形成的多横模的功率放大器，所述有源光纤具有纤芯和限定用于所述激光信号的波导的内包层，以及限定用于泵浦能量的波导的外包层；其中，所述功率放大器的所述纤芯和内包层的直径基本上大于所述振荡器的所述纤芯和内包层的直径。
17.一种光纤激光器，所述光纤激光器包括光纤耦合的半导体激光二极管，用于输出激光束信号的单模或低阶模激光前置放大器装置；功率放大器，所述功率放大器包括具有纤芯和限定用于所述激光信号的波导的内包层以及限定用于泵浦能量的波导的外包层的包层泵浦光纤；其中，所述功率放大器的所述纤芯和内包层的直径分别基本上大于所述前置放大器的所述纤芯和内包层的直径。
18.一种光纤激光器，所述光纤激光器基本上如参照在上文中所描述的，并如任一附图所示出的。
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