CN101512851B - 功率光纤激光装置 - Google Patents

Abstract

一种功率光纤激光装置，其包括发射泵浦波的功率激光二极管(1)、包括全反射端(6)和部分反射端(9)的光学谐振器(12)、放大多模光纤(7)、和将所述泵浦波耦合到多模光纤(7)中的光学装置(3，11)。根据本发明，光学谐振器(12)包括至少一个子模块(25，26)，所述子模块由空间滤波装置构成且包括光学装置(2，8)，所述光学装置(2，8)在光学子模块(25，26)中具有确切的位置，以使得光学子模块能够在激光束在光学装置2、8中往返之后将所述多模光纤7的基模的振幅和相位再现在所述多模光纤7的入射或出射面23、24上，从而使基模中的损耗最小，以及使得光学子模块能够过滤其它的模，在光学谐振器中的所述其它模中产生额外的损耗，从而使在光学谐振器中传播的激光的模的数量最少。

Description

功率光纤激光装置

技术领域

本发明涉及一种用于从多模光纤中产生空间单模辐射的功率(power)激光装置。

背景技术

单模辐射指其发散度接近所述辐射的光强分布轮廓的衍射造成的最小值的辐射。

固态激光器包括至少一种放大介质和由一组反射镜形成的光学谐振器。输出光束的空间特征由该谐振器的特性给定。

具体地，可证明如果谐振器是所述稳定谐振器的话，光束形状可以根据Hermite-Gauss函数得到解析。这些函数被称作腔模。

在这些模中，基模具有高斯形状和最小的发散度。由于基模能实现最小聚焦，因此常被用户选用。然而，放大介质中的受激区域具有只与能量在介质中的分布方式有关而与谐振器完全无关的固有尺寸。

当该受激区域比腔的这一位置上的基模直径宽时，部分能量被耦合给高阶模且所产生的光束变成多模态。高阶模具有更大的发散度且因此聚焦在直径更大的区域上。考虑到任何模都会在放大介质中获得一定增益且因传播而产生损耗，这种现象也能得到解释。

只有增益超过损耗的那些模能够产生激光效应。模的增益取决于该模与放大介质中的受激区域的重叠。

总的来说，为获得空间单模的激光，建议对谐振器加以设计以实现基模尺寸和受激区域尺寸之间的最佳匹配。

如果例如因谐振器长度的缘故而不能实现这点，则可以通过提供开口来促成谐振器的单模操作，其中要对开口的直径进行计算以精确匹配该开口处的基模直径。高阶模在通过该孔时受到的损耗足以使高阶模处于激光效应阈值之下和只允许基模产生激光效应。

光纤激光器与常规固态激光器的不同之处在于放大介质具有引导结构，其赋予通过它的光束一些空间特性。

因此，一些光纤只允许引导单模光束，而其他光纤允许几种模。将这种光纤放入光学谐振器中形成光纤激光器，其中所述激光器的空间特性通常由光纤赋予。特别地，如果光纤为单模光纤，则激光器只能为单模。

这种特例非常有利，但是它并不总能实现。特别地，光纤支持的模的数量是纤芯直径和芯与护套之间的折射率差的函数。

在芯的直径变大时，为保持纯粹地单模传播必须减小芯与护套之间的折射率差。当前，纤维制造技术不允许获得具有大于约20微米的芯的直径的单模纤维。考虑到形成这些纤维的芯的二氧化硅或玻璃的损伤阈值，因此在连续激光的情况下不能超过平均功率极限，或者在脉冲激光的情况下不能超过峰值功率极限。

为提高可获得的功率，必须接受一定的空间品质损失和使用多模纤维。已发现这样一种解决方案，其使用所谓“光子纤维”或者“光子层纤维”或者MPF(“多包层光子纤维”)，所述纤维的实际折射率可以通过在护套中引入充气的毛细管来调制。

这类纤维在J.Limpert，N.Deguil-Robin，

F.Salin，A.Liem，T.Schreiber，S.Nolte，H.Zellmer，A.Tünnermann，J.Broeng，A.Petersson和C.Jakbsen的文章“High-power rod-type photoniccrystal fibre laser”，Opt.Express 13，1055-1058(2005)中得到描述。MPF激光器包括具有玻璃纤维的光学放大器，所述玻璃纤维由掺杂的芯和至少一个外部护套形成，其中所述护套用于引导所产生的波。所述芯掺杂了稀土离子，通常是钕或镱。所述引导通过光子结构来确保，其中所述光子结构由几何上设置的空气通道或毛细管(孔)形成。该结构人为地降低了所产生的波需要的折射率，且允许单模传播。因此，能够获得其直径大于60微米的单模纤维。

然而，这些纤维制造复杂且要求芯的折射率受到精确控制和均匀。这是与强掺杂相冲突的，且仍然需要在芯的直径与掺杂均匀性之间进行折衷。

特别地，纤芯本身可以为微结构以保证精确控制的平均折射率。为此，在芯中引入玻璃或者空气的未掺杂区域。这些区域的相关表面区提供了近似理想的折射率控制，但是赋予局部极高的掺杂以确保在所用波长上具有充足的芯吸收以激发放大介质。

经过一段时间后，这种过度集中引发不希望的二次效应。

文献US200543409已表明能够通过精确调节光纤入射面上的入射光束的特性来激发多模纤维的基模。

已通过将外部源注入多模纤维的入射面而将这项技术用于放大器中。这种选择注入法需要具有理想高斯光束的外部信号，且因此它不能用于振荡器。

还了解到，纤维的任何弯曲或位置变化都趋于将部分辐射从这个模耦合给高阶模，这使得辐射在纤维的输出端处为多模，但是它也会将多模辐射的全部或部分耦合给护套，因而在这些高阶模中引入损耗。

文献US 6496301已表明光纤的剧烈弯曲会引起高阶模的滤波。

然而，这种方法不可避免地使基模受到损失，且难以在短纤维上实现，因为它需要进行直径在5至15cm之间的多圈缠绕，这对应需要纤维长度大于1m。

除此之外，在由纤维产生的辐射中出现几个模使得难以或者甚至不可能获得偏振辐射。

目前，没有用于光纤激光器的能够获得具有大横向尺寸的单模而又不对纤维寿命造成威胁的合适的解决方案。

发明内容

因此，本发明的目标是提供一种功率光纤激光装置，其用于从具有任意大直径的多模光纤中以非常好的产率在基模下产生稳定的单模辐射，而又不会对光纤寿命造成威胁。

为此，本发明涉及一种功率光纤激光装置，其包括：

发射泵浦波的功率激光二极管，

光学谐振器，其包括：

全反射端和部分反射端，

放大多模光纤，其具有直径大于20μm的芯以及位于其端部的入射面和出射面，所述光学谐振器包括至少一个子模块，所述子模块形成于多模光纤的入射面和全反射端之间，或者形成于多模光纤的出射面和部分反射端之间，

光学耦合装置，其将所述泵浦波耦合到多模光纤中以在光学谐振器中产生激光束，所述激光束的一部分通过部分反射端传输(transmit)到光学谐振器外面，且所述激光束的另一部分被反射到光学谐振器内部。

根据本发明，光学子模块25、26是包括光学装置2、8的空间滤波装置，所述光学装置2、8在光学子模块25、26中具有确切位置，以使得光学子模块能够在激光束在光学装置2、8中往返之后将所述多模光纤7的基模的振幅和相位再现在所述多模光纤7的入射或出射面23、24上，从而使基模中的损耗最小，以及使得光学子模块能够过滤其它的模，在光学谐振器中的所述其它模中产生额外的损耗，从而使在光学谐振器中传播的激光的模的数量最少。

在不同的可能实施例中，本发明还涉及将从以下描述中变得显而易见的和可以单独或者根据它们的在技术上可行的任何组合获得的特征：

光学谐振器包括两个子模块，其设置在多模光纤的每个端部上；

光学谐振器只包括一个光学子模块，其设置在多模光纤的一端上，所述光学谐振器在其另一端处由光学闭合装置闭合；

闭合光学谐振器的光学闭合装置由多模光纤的入射或出射面之一构成，所述入射或出射面是平面且与光纤的光轴垂直；

闭合光学谐振器的光学闭合装置由对光波具有会聚和反射特征的单个光学元件构成；

光学子模块的光学装置包括与反射端之一相结合的一个或多个透镜；

光学子模块的光学装置包括多模光纤的入射或出射面，所述入射或出射面具有参与滤波功能的固有会聚度；

光学子模块的光学装置包括接触多模光纤的入射和出射面之一的单模纤维梢端，激光束被透镜聚焦在所述单模纤维梢端上；

多模光纤的芯具有不均匀的径向掺杂分布轮廓以有助于基模的增益；

多模光纤包括固有滤波装置从而略微为多模；

多模光纤通过稳定装置得到机械加强；

多模光纤的稳定装置由包围所述多模光纤的大直径机械护套构成；

多模光纤的稳定装置由柱形支撑件构成，其中以螺旋的方式在所述支撑件的外周上挖空凹槽，所述多模光纤被插在所述凹槽内以便得到张力锁紧；

多模光纤的稳定装置由具有挖空的凹槽的直线形支撑件构成，多模光纤沿着纵轴插入所述凹槽中，所述多模光纤覆盖有第二部件以便得到压力锁紧；

光学谐振器包括设置在反射端之一附近的光学触发器，其使得光学谐振器能够产生激光脉冲；

该功率光纤激光装置包括一个或多个偏振光学装置。

本发明还涉及一种包括上述功率光纤激光装置的功率光纤激光系统。

根据本发明，该功率光纤激光系统包括双护套的放大多模光纤，由光学谐振器的部分反射端传输的光信号被耦合给放大多模光纤的一个面，以便只或者几乎只激发双护套的放大多模光纤的基模。

附图说明

本发明将通过参考附图得到更全面地描述，其中：

图1示出了根据本发明的实施例的功率光纤激光装置；

图2示出了光纤的本征模的空间分布；

图3示出了包括两个光学子模块的功率光纤激光装置，其中每个光学子模块分别包括透镜和全反射或部分反射镜；

图4示出了用于满足滤波条件的光学元件之间的近似距离；

图5示出了对于不同的尺寸值w，使第二子模块26在基模下进行谐振的L1-L2组合；

图6示出了根据本发明的另一实施例的只包括一个子模块的功率光纤激光装置；

图7示出了根据本发明的另一实施例的包括两个单模纤维梢端的功率光纤激光装置；

图8示出了根据本发明的另一实施例的包括触发器的功率光纤激光装置；

图9示出了用机械护套包围的多模光纤的横截面；

图10示出了多模光纤的柱形稳定装置；以及

图11示出了用于稳定多模光纤的直线形支撑件。

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施例之一的功率光纤激光装置。

该装置包括发射至少一个泵浦波的功率激光二极管1。该功率激光二极管1可以是纤维状的。

该功率光纤激光装置还包括光学谐振器12(也称作“腔”)，其包括全反射端6和部分反射端9。

全反射端6指全反射或者近似全反射的端部。

端部6和9可以是反射镜或者根据激光器发射波长调谐的衍射光栅。部分反射端9能够将激光束的一部分传输至光学谐振器12的外部，而将激光束的另外部分反射到光学谐振器12内部。端部6和9反射处于激光器发射波长的光束。

光学谐振器12包括放大多模光纤7。该多模光纤7是双护套纤维，其包括由掺杂稀土离子的二氧化硅或玻璃制成的芯20，其中所述稀土诸如为镱、钕、铥或铒。

芯20的典型直径介于20至100微米之间，然而也可以采用更大的直径。

芯20被称为“泵浦护套”的第一护套21包围，所述护套21的直径通常在100至800微米之间。

该第二泵浦护套21被限制护套22包围，护套22的折射率明显低于泵浦护套21的折射率。限制护套22可以由一组充气毛细管、低折射率的聚合物或者任何其它不具有吸收性的材料构成。

该限制护套22可以被机械护套13包围，所述护套13向纤维提供机械支持。多模光纤7可以是本质坚硬(直径＞1mm)或者柔软的。

功率激光二极管1的波长被调节成对应芯20的掺杂剂的吸收波段。它将泵浦波注入多模光纤7的芯20。

光学装置3、11用于将泵浦波耦合在多模光纤7中，所述泵浦波在多模光纤7中形成具有基模且可能具有高阶模的激光束。

该泵浦辐射在芯20中形成受激布居数且因此形成光学增益。

多模光纤7的长度选为确保充分吸收泵浦波和允许实现激光发射的腔增益。

多模光纤7具有设于其端部的入射面23和出射面24。泵浦波通过靠近激光二极管1的入射面23注入。出射面24靠近部分反射端9。

光学谐振器12包括至少一个子模块25、26。

如图1所示，在本发明的实施例中，光学谐振器12包括两个光学子模块25、26。

它包括形成于全反射端6与多模光纤7的入射面23之间的第一光学子模块25，和形成于部分反射端9与多模光纤7的出射端24之间的第二光学子模块26。

阶跃折射率纤维可以用称作“约化频率”V的参数来表征，该参数由以下公式给出：

$V=\frac{2\mathrm{\πa}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{NA}$

其中：

a：纤芯半径

λ：激光波长

NA：纤芯的数值孔径

且

$\mathrm{NA}=\sqrt{{n_1}^2-{n_2}^2}$

其中：

n₁：纤芯的折射率

n₂：泵浦护套的折射率

多模光纤支持的模的数量由以下公式给出：

$M=\frac{1}{2}{\left(\frac{\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{NA}\right)}^2$

其中d＝2a，d为纤芯的直径。

这相当于写成： $M=\frac{V^2}{2}$

易于在纤维中传播的模的数量随纤芯直径快速增加。虽然为数众多，如图2所示，但是这些模具有为人们熟知的特性，且可通过Laguerre-Gauss多项式得到精确描述。

图2示出了光纤的本征模的空间分布。Y轴42表示增益，x轴43表示相对于纤维中心的距离。

光束形状被分解成高阶模41和零阶模(或基模)40。

在图中用曲线40表示的零阶模具有高斯形状，且其强度根据以下规律沿径向方向变小：

$I\left(r\right)=\exp (-\frac{r^2}{w^2})$

在纤维中，称为“基模”的零阶模的尺寸w近似由以下公式给出：

$\frac{w}{a}=0.650+1.619V^{-3/2}+2.879V^{-6}$

基于这些表达式能够促使光纤引导基模。如果光纤的面23、24之一的输入端上的入射光强与在此纤维中传播的本征模相对应，则能量被约束在此模中且不能激发任何高阶模。

因此，光纤输出端上的光强分布轮廓与注入的模的光强分布轮廓完全相同。

因此，困难的是向光纤的面23、24之一注入与基模的光强分布完全相同的光强分布。

如果光学子模块25、26的光学和几何特性适于高斯光学意义上的稳定传播，则只有波的某些振幅和相位分布能够不变形地传播通过光学子模块25、26。因此，在所述光学子模块25、26中往返之后，能够发现以最小损耗或者甚至无衍射损耗地再现的非常特别的分布。这些分布可被视为光学子模块25、26的传播的本征模，其中基模具有高斯强度分布。当将与光学子模块25、26的本征模(在幅度和相位上的)相对应的光分布置于光学子模块25、26的入射面上时，该分布在光学子模块25、26中往返之后仍然存在且未出现任何变化或损耗。

相反地，其特性与光学子模块25、26的基模不相对应的波一方面在光学子模块25、26中受到衍射损耗，另一方面，贯穿光学子模块25、26的通道将使其振幅和相位分布完全变形。

为解决多模纤维中的模式滤波问题，各光学子模块25、26被设计成其基模在光学子模块25、26与多模光纤7的界面上具有与多模纤维7的基模相同或近似相同的特征。因此，光学子模块25、26起到使由多模光纤7的入射面或出射面23、24之一产生的基模再成像为自身的作用，以便只或几乎只激发多模光纤的基模。在本文中，术语“成像”是从高斯光束而光线的意义上去理解的，其指在其自身上再成像的光束在光学系统中往返之后具有与入射波一致的振幅和相位分布。

光学子模块25、26起到修改多模光纤7的入射或出射面23、24之一上的入射激光束的基模的尺寸w的作用，以便在多模光纤7的另一入射或出射面23、24的输出端上产生单模或近似单模的激光束。

实际上，每个光学子模块25、26是一种空间滤波装置，其适于使入射或出射面23、24上的入射激光束的能量得到空间滤波，以使高阶模的增益降至增益阈值之下和使基模的增益高于所述增益阈值。

增益阈值对应于允许实现激光效应的阈值。

由光学子模块25、26实现的滤波装置分别设置成与多模光纤7的入射和出射面23、24相对。

光学子模块25、26独立于放大多模光纤7。光学子模块25、26将有利于基模，从而促成单模发射，即使是在放大介质能支持多个模的情况下。

每个光学子模块25、26包括光学装置2、8，其在光学子模块25、26中有确切位置，以使得光学子模块能够在激光束在光学装置2、8中往返之后将所述多模光纤7的基模的振幅和相位再现在所述多模光纤7的入射或出射面23、24上，从而使基模中的衍射损耗最小。

在光学子模块25、26中，光学装置2、8的位置还被定义成使光学子模块能够过滤其它模，从而在所述其它模中产生额外的衍射损耗，由此使在光学谐振器中传播的激光的模的数量最小。

优选尝试再现多模光纤7的基模和使该模中的衍射损耗最小。

即使光学子模块25、26不过滤所有的非基模，在光学谐振器12的输出端处的激光束的模的数量也明显要比多模光纤7的本征模的数量低很多。

在图3所示的实施例中，第一光学子模块25包括由一个透镜2a或几个透镜和反射镜6构成的光学装置2、8，其被设置成使光学子模块25的基模的特性与入射面23上的多模光纤7的基模相对应。

第二光学子模块26也包括由透镜8a或几个透镜和部分反射镜9构成的光学装置2、8，其被设置成使光学子模块26的基模的特性与出射面24上的多模光纤7的基模相对应。

子模块25、26的光学装置2、8可以包括多模光纤7的入射或出射面23、24。该入射或出射面23、24可以对自身进行滤波、或者具有用于光学子模块25、26的光焦度。

多模光纤7的入射或出射面23、24通过劈开、熔化、抛光或任何其它光学制造技术产生，且允许获得非零的会聚度。

现在将详细描述功率光纤激光装置的工作模式。

功率激光二极管1产生通过透镜11注入多模光纤7的泵浦波，其中透镜11将泵浦波聚在分色镜3上。然后，泵浦波被第一光学子模块25的光学装置2的透镜2a聚焦在多模光纤7的入射面23上。功率激光二极管1的辐射被吸入多模光纤7的芯20。

然后，多模光纤7发射波长为λ的第二辐射，其沿着多模光纤7被引导至多模光纤7的出射面24。该辐射然后受到第二光学子模块26的光学装置8的透镜8a的准直，之后以λ的波长入射到部分反射镜9上。

于是该辐射的一部分返回到多模光纤7中。在多模光纤7的入射面23的输出端，辐射受到第一光学子模块25的光学装置2、8的透镜2a的准直且到达分色镜3。

由全反射镜构成的全反射端6闭合光学谐振器12，并且使辐射本身朝多模光纤7返回。该反射镜可以是平面或者曲面。

在此光纤激光器内谐振的模的滤波原理是使这两个光学子模块25、26的几何特性相匹配。

为此，调节不同光学元件的距离、焦距和曲率半径，以使得能够在光学子模块25、26内谐振的高斯光束的颈部区域与放大多模光纤7中的基模的颈部区域精确对应。

例如通过ABCD矩阵法(”激光”，Siegmann)获得第一光学子模块25的本征模。当纤维7的入射面13为平面时，高斯光束在这一位置上必须具有颈部区域。该方法可用于计算本征模的尺寸，所述本征模即为在第一光学子模块25内往返之后其自身在振幅和相位上再成像且在该相同位置上自动具有颈部区域的模。

应注意：这种计算使用高斯光束，且因此不同于几何光学的计算。此处，所述术语不是几何意义上的成像，而是高斯模(即能量分布和相边缘)的传播。

相同的方法可被用来计算第二光学子模块26的模。

该方法因此允许调整这两个光学子模块25、26的参数，以使各光学子模块25、26的模的尺寸w与多模光纤7的基模在入射面23和出射面24上的尺寸完全或近似完全对应。

在这些条件下，在多模光纤7的本征模与这两个光学子模块25、26的本征模之间存在谐振。那么在使多模光纤7和光学子模块25、26中的衍射损耗最小的条件下。由此形成的激光器将必然在此基模下发射激光，即使光纤可以支持其它的模。

图4示出了第二光学子模块26的光学元件之间的距离，其必须在计算中加以考虑。

距离L1对应多模光纤7的出射面与第二光学子模块26的光学装置8的透镜8a之间的距离。

距离L2对应第二光学子模块26的光学装置8的透镜8a与部分反射镜9之间的距离。

上述方法允许对距离L1和L2进行计算，以使基模在出射面24上具有尺寸w。在此实例中，第二光学子模块26的光学装置8的透镜8a的焦距为f2＝8mm。

图5示出了对于不同的尺寸(或者模的直径)值w，使第二子模块26在基模下进行谐振的组合L1-L2。

图5示出了对于在15至25微米之间的各个w值，存在的使第二光学子模块26在此模下进行谐振的组合L1-L2。

可以针对第一光学子模块25进行同样的计算，以将第一光学子模块25调谐成该纤维的基模。

在此实施例中，多模光纤7是掺杂有镱离子的双护套纤维。其尺寸值如下：

芯的直径：50μm；

泵浦护套的直径：200μm；

芯的数值孔径：0.06；

多模光纤7具有约18μm的基模，其半径为1/e²。

在第一光学子模块25和第二光学子模块26未得到调谐时，如图3所示的激光装置发射空间多模的辐射。

当第一光学子模块25和第二光学子模块26被构造成其基模与光纤7的基模相对应时，在激光装置的输出端处获得空间单模的光束。

几组参数给出上述结果。如果谐振器12的光学元件之间的距离一致地变化，则全反射镜6和部分反射镜9的曲率半径可以适应(adatped)。

全反射镜6和部分反射镜9可以是曲面或者平面。在优选实施例中，全反射镜6具有介于100至200mm之间的曲率半径，第一光学子模块25的光学装置2的透镜2a是非球面的且焦距为8mm，第二光学子模块26的光学装置8的透镜8a是非球面的且焦距为8mm，且部分反射镜9为平面。

部分反射镜9可以从以下元件中选取：

-其反射率介于4％至50％之间的部分反射镜；

-平面或曲面玻璃片；

-其反射率介于4％至50％之间的衍射光栅；

-其反射率介于4％至50％之间的大型(massive)Brag光栅。

在优选实施例中，部分反射镜9被设置成使从泵浦护套产生的泵浦光束自身精确返回。该位置通过几何光学计算得到优化，以使得在部分反射镜9上发生反射之后，纤维的出射面24自身被成像，其中放大率为1或-1，且图像的数值孔径等于目标的数值孔径。

在另一实施例中，光学谐振器12包括设置在分色镜3和全反射端6之间的透镜4。

然后对光学元件之间的距离重新进行计算以将透镜4考虑在内。

图6示出了另一实施例，其中光学谐振器12只包括第一光学子模块25。该第一光学子模块25包括由透镜2a和全反射镜6构成的光学装置2。

光学谐振器12在其另一端上被光学闭合装置闭合。

闭合光学谐振器12的光学闭合装置对于光波具有会聚和反射特征。

它可以由对光波具有会聚和反射特征的单个光学元件构成。

闭合光学谐振器12的光学闭合装置可以是多模光纤的出射面24。

多模光纤的出射面24必须具有近似完美的平面性且相对于多模光纤的轴近似完全垂直，以满足使从纤芯产生的基模自身再成像的条件。如果光学谐振器12的另一侧包括调谐成纤维的本征模的第一光学子模块25，则只有基模将能够无损耗地谐振。

如果出射面24与光纤7中的引导区域的输入端之间的距离和该面的曲率被选择成满足使从纤芯产生的基模自身再成像的条件，则出射面24可以存在弯曲。

在光学谐振器12中使用的空间滤波还可以使用任何允许鉴别具有不同发散度的辐射的系统。

还可以实现其中光学谐振器12只包括第二光学子模块26的实施例。该第二光学子模块26包括由透镜8a和部分反射镜9构成的光学装置8。闭合光学谐振器12的光学闭合装置由多模光纤7的入射面23构成。

全反射端6由多模光纤7的入射面23构成。

根据图7所示的另一实施例，这两个子腔25、26的光学装置2、8每个包括与多模光纤7的入射和出射面23、24之一形成接触的单模纤维梢端36。激光束被透镜2b、8b聚焦在单模纤维梢端36上。

单模纤维梢端36的芯的直径接近多模光纤7的芯的直径。

光学谐振器12有利地包括两个单模纤维梢端36。第一单模纤维梢端36被设置成接触多模光纤7的入射面23，第二单模纤维梢端36被设置成接触多模纤维7的出射面24。这些单模纤维梢端36可以由微结构的纤维制成。

由此形成集成结构，其中通过一个或多个单模纤维梢端36与放大多模光纤7的结合来实现模的滤波。在这种情况下，计算形成不同部分的多模光纤7和单模光纤36的特性，以使它们的基模匹配在一起和在单模纤维梢端36的基模和多模光纤7的基模之间存在谐振。由于单模纤维梢端36未掺杂产生激光的离子，因此它们非常易于制造。

在一个实施例中，单模纤维梢端36可以是单模的光子光纤，放大多模光纤7可以是掺杂的纤维(光子的或者非光子的)。

例如，单模纤维梢端36被焊接在掺杂的放大多模光纤7上，或者通过熔融、粘合或者沉积的方式与光纤7相结合。

单模纤维梢端36包含所谓的“双包层”结构，其一方面包括单模的芯20，而另一方面包括泵浦护套21，所述护套21具有与用作放大器的掺杂的多模光纤7相同的特性(直径和数值孔径)。

光学谐振器12由全反射端6闭合，所述全反射端6可以是球面镜，其中计算所述球面镜的曲率半径和位置以确保从接触第一端23的单模纤维梢端36产生的基模在球面镜6上发生反射之后成像在第一端23的面上，而尺寸或者数值孔径不发生改变。

模的空间滤波可由任何元件来执行，其中所述元件的传输或反射在很大程度上取决于在该元件、具体为体布拉格反射镜上的入射。

还可以通过对光学谐振器12的反射镜作特殊处理来实现滤波。

在图8所示的实施例中，光学谐振器12可以包括设置在全反射端6附近的光学触发器10。它使得光学谐振器12能够从发射连续辐射的泵浦源中产生巨大的光脉冲。

优选，触发器10被设置在全反射端6和分色镜3之间。

触发器10使得能够产生纳秒级的脉冲。

为了确保稳定工作，光学谐振器12的其它部分一定不能将基模能量的部分耦合给其它的模。

为此，用稳定装置对多模光纤7进行机械加强，其中所述稳定装置稳定多模光纤7的曲率半径，从而减少基模与高阶模的耦合。

根据本发明的实施例，多模光纤7的稳定装置由(硬棒型的)大直径机械护套13构成，所述护套13包围所述多模光纤7以加强多模光纤7。如图9所示，将这种机械护套13用于单模光纤是公知。

图9示出了多模光纤7的横截面，其中光纤7包括由泵浦护套21包围的芯20，泵浦护套21本身由限制护套22包围，限制护套22由机械护套13包围，其中机械护套13可由玻璃制成。

根据另一实施例，如图10所示，多模光纤7的稳定装置包括柱形的支撑件14，在所述支撑件的外周17中挖空凹槽16。以螺旋的方式环绕柱形支撑件14挖空凹槽16。多模光纤7被插在该凹槽16内以被张力或者压力锁紧。

柱形支撑件14包括两个输入28和输出支撑件29，多模光纤7通过它们进出柱形支撑件14。光学子模块25、26的光学装置2、8的透镜2a、8a可以设置在这两个输入28和输出支撑件29的前面和在多模光纤7的入射面23和出射面24的前面。这两个输入28和输出支撑件29包括与柱形支撑件14的凹槽类似的凹槽，以便插入多模光纤7。

在此实施例中，多模光纤7优选是柔性的。

根据本发明的另一实施例，如图11所示，多模光纤7的稳定装置包括具有挖空凹槽的直线形支撑件15，多模光纤7沿着纵轴19插入所述凹槽。第二部件(piece)33覆盖多模光纤7以压力锁紧多模光纤7。

为了有利于线偏振，优选在加强纤维的同时将其保持在平面上。

在这两个实例中，凹槽是在固体且如有可能的话在热的良导体材料中加工出的，以使多模光纤7上的热效应最小。重要的是使整个多模光纤7接触坚硬的支撑物14、15。

在这两个实例中，凹槽16的尺寸要适于将多模光纤7插入其中。

在任何情况下，都必须确保多模光纤7的曲率半径不会在空间模之间引入耦合。

在此实施例中，多模光纤7是半硬的或柔性的，且其曲率半径可以增至无穷大。

在常规的光纤激光器中，纤维的微观或宏观弯曲在偏振态之间引入耦合。因此，难以通过柔性纤维来维持稳定的偏振态，更别说在纤维是多模的情况下。根据本发明的稳定装置允许纤维保持稳定的偏振态。

在另一实施例中，可以在光学谐振器12中引入声光或电光触发元件，以使增益或损耗随偏振态变化。即使在多模放大介质不是偏振保持型的情况下也能够具有偏振辐射。还能获得连续辐射或者偏振的脉冲辐射。

本发明还涉及一种功率光纤激光器系统，其包括上述功率光纤激光装置和双护套的放大多模光纤。

由光学谐振器12的部分反射端9传输的光信号被耦合到放大多模光纤的一个面，以使所传输的激光束的基模的尺寸与放大多模光纤的面的尺寸相配。由泵浦波激发的受激辐射的最大部分被耦合给基模。

如上所述，在阶跃折射率或梯度折射率光纤中，等于1/e2的直径远小于掺杂的芯的直径(在示例中的50微米的纤维中为36微米)。其芯全部被掺杂的阶跃折射率纤维不是最适合用于基模中的泵浦能量耦合的纤维。因此在特定实施例中，可通过光纤对该激光装置进行优化，其中所述光纤的引导芯在横向方向上具有不均匀的掺杂分布轮廓。这提供了两个好处，即：有助于泵浦-基模耦合且因此有助于激光的产生，以及使上述模的滤波变得更为容易。

这种耦合也可以通过在全部或部分引导芯中具有可变折射率的光纤来实现。

因此，该功率光纤激光装置用于从具有任意大直径的多模纤维中以非常好的产率在基模下产生稳定的单模辐射，而又不会对光纤寿命造成威胁。

Claims (19)

1.一种功率光纤激光装置，其包括：

发射泵浦波的功率激光二极管(1)，

光学谐振器(12)，其包括：

全反射端(6)和部分反射端(9)，

放大多模光纤(7)，其在所述放大多模光纤的全长上具有直径大于20μm的芯，以及所述放大多模光纤具有位于其端部的入射面(23)和出射面(24)，所述芯被掺杂有稀土离子，所述放大多模光纤具有双护套结构，所述芯被泵浦护套包围，并且所述泵浦护套被限制护套包围，

至少一个光学子模块(25，26)，所述光学子模块(25，26)形成于所述多模光纤的入射面(23)和所述全反射端(6)之间，或者形成于所述多模光纤的出射面(24)和所述部分反射端(9)之间，

光学耦合装置(3，11，2)，其将所述泵浦波耦合到多模光纤(7)中以在光学谐振器(12)中产生激光束，所述激光束的一部分通过所述部分反射端(9)传输到所述光学谐振器(12)外部，且所述激光束的另一部分被反射到所述光学谐振器(12)内部，

其特征在于：

所述光学子模块(25、26)是包括光学装置(2、8)的空间模滤波装置，所述光学装置(2、8)在光学子模块(25、26)中具有确切位置，以使得所述光学子模块能够在激光束在所述光学装置(2、8)中往返后将所述多模光纤(7)的基模的振幅和相位再现在所述多模光纤(7)的入射或出射面(23、24)上，从而使基模中的损耗最小，以及使得所述光学子模块能够过滤其它的高阶模，在光学谐振器中的所述其它模中产生额外的损耗，从而使在光学谐振器中传播的激光的模的数量最少，其中，所述光学子模块(25，26)的光学装置(2，8)包括一个或多个透镜(2a，2b)和所述反射端(6，9)中的对应的一个。

2.如权利要求1所述的功率光纤激光装置，其特征在于：所述光学谐振器(12)包括两个子模块(25，26)，其被设置在所述多模光纤(7)的每个端部上。

3.如权利要求1所述的功率光纤激光装置，其特征在于：所述光学谐振器(12)只包括一个光学子模块(25，26)，其被设置在所述多模光纤(7)的一端上，所述光学谐振器(12)在其另一端处由光学闭合装置闭合。

4.如权利要求3所述的功率光纤激光装置，其特征在于：闭合所述光学谐振器(12)的所述光学闭合装置由所述多模光纤的入射或出射面(23，24)之一构成，所述入射或出射面(23，24)是平面且与所述光纤(7)的光轴垂直。

5.如权利要求3所述的功率光纤激光装置，其特征在于：闭合所述光学谐振器(12)的所述光学闭合装置由对光波具有会聚和反射特性的单个光学元件构成。

6.如权利要求1-5中任一项所述的功率光纤激光装置，其特征在于：所述光学子模块(25，26)的光学装置(2，8)包括多模光纤(7)的入射或出射面(23，24)，所述入射或出射面(23，24)具有参与滤波功能的固有会聚度。

7.如权利要求6所述的功率光纤激光装置，其特征在于：所述光学子模块(25，26)的光学装置(2，8)包括接触所述多模光纤(7)的入射和出射面(23，24)之一的单模纤维梢端(36)，激光束通过透镜(2b，8b)被聚焦在所述单模纤维梢端(36)上。

8.如权利要求1所述的功率光纤激光装置，其特征在于：所述多模光纤(7)的芯具有不均匀的径向掺杂分布以有助于基模的增益。

9.如权利要求1所述的功率光纤激光装置，其特征在于：所述多模光纤包括固有滤波装置从而略微为多模。

10.如权利要求1所述的功率光纤激光装置，其特征在于：所述多模光纤(7)通过稳定装置得到机械加强。

11.如权利要求10所述的功率光纤激光装置，其特征在于：所述多模光纤(7)的稳定装置由包围所述多模光纤(7)的大直径机械护套(13)构成。

12.如权利要求10所述的功率光纤激光装置，其特征在于：所述多模光纤(7)的稳定装置由柱形支撑件(14)构成，其中在所述柱形支撑件(14)的外周(17)上以螺旋的方式挖空凹槽(16)，所述多模光纤(7)被插入所述凹槽(16)内以便得到张力锁紧。

13.如权利要求10所述的功率光纤激光装置，其特征在于：所述多模光纤(7)的稳定装置由具有挖空的凹槽(34)的直线形支撑件(15)构成，所述多模光纤(7)沿着纵轴(19)被插入所述凹槽(34)中，所述多模光纤(7)覆盖有第二部件(33)以便得到压力锁紧。

14.如权利要求1所述的功率光纤激光装置，其特征在于：所述光学谐振器(12)包括被设置在所述反射端(6，9)之一附近的光学触发器(10)，其使得光学谐振器(12)能够产生激光脉冲。

15.如权利要求1所述的功率光纤激光装置，其特征在于：其包括一个或多个偏振光学装置。

16.一种功率光纤激光系统，其特征在于：其包括如权利要求1所述的功率光纤激光装置以及双护套放大多模光纤，由光学谐振器(12)的部分反射端(9)传输的光信号被耦合给所述放大多模光纤的一个面，以激发所述双护套放大多模光纤的基模。

17.如权利要求2所述的功率光纤激光装置，其特征在于：所述光学子模块(25，26)的光学装置(2，8)包括与所述反射端(6，9)之一相结合的一个或多个透镜(2a，2b)。

18.如权利要求3所述的功率光纤激光装置，其特征在于：所述光学子模块(25，26)的光学装置(2，8)包括与所述反射端(6，9)之一相结合的一个或多个透镜(2a，2b)。

19.如权利要求4所述的功率光纤激光装置，其特征在于：所述光学子模块(25，26)的光学装置(2，8)包括与所述反射端(6，9)之一相结合的一个或多个透镜(2a，2b)。

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