CN102130416A - 激光装置 - Google Patents

激光装置 Download PDF

Info

Publication number
CN102130416A
CN102130416A CN201110021099XA CN201110021099A CN102130416A CN 102130416 A CN102130416 A CN 102130416A CN 201110021099X A CN201110021099X A CN 201110021099XA CN 201110021099 A CN201110021099 A CN 201110021099A CN 102130416 A CN102130416 A CN 102130416A
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
laser
fiber
ultimate image
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201110021099XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN102130416B (zh
Inventor
玉置忍
角井素贵
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nireco Corp
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Publication of CN102130416A publication Critical patent/CN102130416A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102130416B publication Critical patent/CN102130416B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06754—Fibre amplifiers
    • H01S3/06758—Tandem amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0078—Frequency filtering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094003—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light the pumped medium being a fibre
    • H01S3/094007—Cladding pumping, i.e. pump light propagating in a clad surrounding the active core
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094003—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light the pumped medium being a fibre
    • H01S3/094011—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light the pumped medium being a fibre with bidirectional pumping, i.e. with injection of the pump light from both two ends of the fibre
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094003—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light the pumped medium being a fibre
    • H01S3/094019—Side pumped fibre, whereby pump light is coupled laterally into the fibre via an optical component like a prism, or a grating, or via V-groove coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094049—Guiding of the pump light
    • H01S3/094053—Fibre coupled pump, e.g. delivering pump light using a fibre or a fibre bundle
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/09408—Pump redundancy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
    • H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
    • H01S3/1618—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth ytterbium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2383—Parallel arrangements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

本发明涉及激光装置，能够从构成激光光束输出端口的多个光束发射端的每一个提供激光光束，并实现总的低能耗和低非线性。所述激光装置包括种子光源、光束发射端、中间光放大器、分光设备和终极光放大器。光束发射端的数量多于种子光源的数量，终极光放大器和光束发射端一一对应。分光设备包括与种子光源相关联的输入端口和与各个光束发射端相关联的多个输出端口，以组成在种子光源和光束发射端之间的光路部分。当终极光放大器分别设置在光束发射端和分光设备之间的分光支路上时，中间光放大器处于种子光源和分光设备之间的光路上。

Description

激光装置
相关申请的交叉应用
本申请要求在2010年1月15日由相同申请人提交的、申请号为61/29531的临时申请的优先权，在此通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种包括多个作为激光光束输出端口的光束发射端的激光装置。
背景技术
目前，应用脉冲激光光束的处理技术(通过在预定周期内脉冲发生并重复输出激光光束而获得)引起关注，并且在处理及医用领域对高输出激光装置的需求日益增加。在种子激光装置之中，以光纤激光器作为激光装置，尤为引人注意。光纤激光器采用掺杂了例如Yb(镱)、Er(铒)、Tm(铥)以及类似稀土元素的放大光纤作为光放大介质。当所抽取的光供给该放大光纤时，在放大光纤中传播的种子光被放大。因此，高功率放大光从放大光纤中输出，或者，通过采用共鸣结构完成激光振动，激光光束从放大光纤中输出。光纤激光器的一些优势在于，例如，由于被限制在光纤内部，激光光束的处理较为简单，并且由于热放射特性是有利的，因而不需要大规模的冷却设备。
如上所述，掺杂稀土元素的光纤被用作于光纤激光器，尤其是掺杂镱的光纤被广泛作为具有高功率输出的放大光纤，因为在所掺杂的稀土元素中镱的转化效率较高。通过使用抽取光来吸收镱，就像抽取其它稀土元素一样。同时，不能被放大光纤吸收的抽取光从放大光纤的另一端发射出来。
作为光纤激光器的组成，例如，当共鸣结构使用光纤布拉格光栅(FBG)或在任一端采用反射镜时，通过在该共鸣结构中设置光学开关或声光调制器(AOM)实现脉冲调制。更多地，MOPA(高级振荡功率放大器)类型的光纤激光器，如同在已公开日本专利申请No.2007-042981所描述的，通过直接或外部调制用于输出待放大光的种子光源(光发射设备)以执行脉冲调制，并且通过放大所获得的光脉冲获得高功率的输出光束。
发明内容
发明人曾研究过传统激光装置，从而发现了以下问题。也就是，在采用传统激光装置的激光处理中，为了提供来自于多个作为激光光束输出端口的光束发射端的激光光束，可采用以下两种方法，即，第一种方法是布置若干子激光装置，每一个具有一个作为激光光束输出端口的光束发射端，第二种方法是准备多个作为激光光束输出端口的光束发射端，并借助于类似镜子的光学元件，通过分离经由采用终极光放大器放大而获得的处理激光光束，从而向相应的光束发射端提供分支激光光束。
然而，在上述第一种方法中，当利用脉冲激光光束执行处理时，存在这样的可能性，在构成该激光装置的多个子激光装置之间，特别是在各个子激光装置的光束发射端之间，分别输出的激光光束(光脉冲序列)可能出现相差并且相差会增加。光脉冲的相差是由于各个作为振荡器的子激光装置自身的脉冲操作而引起的。另外，在由多个子激光装置构成的激光装置中，其中所占用的空间将增加。而且，随着输出端口的数量的增加，设备数量将增加并且功率消耗也将增加。同时，在上述第二种方法中，由于处理激光光束在到达激光光束输出端口之前立刻被分离开来，有必要在分支之前预先通过终极光放大器明显增强激光光束功率，并且由于非线性现象，光纤会被损坏或输出会减少。
本发明被设计为解决上述问题。因此，本发明的一个目的用于提供一种激光装置，其包括能够提供来自于多个由激光光束输出端口构成的光束发射端的激光光束的结构，以及能够解决关于设备扩张和低能耗的问题和实现终极光放大器高功率问题的整体结构。
为了实现上述目的，根据本发明的激光装置包括光发射设备、分光设备、多个终极光放大器和多个光束发射端。所述光发射设备输出具有预定波长的待放大的光。所述分光设备输入该待放大的光并将所输入的光分离为多个光束。所述分光设备被安排在介于所述光发射设备和多个光束发射端之间，作为结果，在所述光发射设备和多个光束发射端之间形成多条分支光路。多个终极光放大器分别对应于分光设备的分支路，并且对由分光设备分离的光束(分支光束)单独进行放大。因此，多个终极光放大器分别设置在分光设备和多个光束发射端之间的对应光路(分支路)上。多个光束发射端一一对应于多个终极光放大器，并且分别输出放大的光束，每一个放大的光束由关联的终极光放大器放大。注意，进入各个的光学放大器的待放大光的波长基本相同。
如上所述，根据本发明激光装置，多个终极光放大器(每个对应于多个光束发射端中的一个)位于分光设备和多个光束发射端之间。在这种结构中，由于并不必要在分光之前额外增加待放大的光的功率，所以在分光设备之前光纤的非线性现象的产生能够被抑制。而且，由于分光设备的上游部分，特别地，由于将进行脉冲调制的光发射设备一侧是共同的，所以在各个光束发射端的光脉冲的相差会因而产生较大降低。
然而，当对应光束发射端中的输出光功率将要进一步增加时，将会出现这样的情况：光发射设备的输出增加得不够。在这样的情况下，根据本发明的激光装置可进一步包括设置在所述光发射设备和所述分光设备之间光路上的中间光放大器。
在根据本发明具有上述结构的激光装置中，优选的，对从所述光发射设备到多个光束发射端的对应光路长度进行设置，使得最大光路长路与最小光路长度之间的差别在1米或以下。这种结构优选用于减少从多个光束发射端输出的光脉冲的相差。
作为可应用在根据本发明的激光装置的多种结构，第一光路长度调节光纤可被设置于在分光设备和多个终级光学放大器之间的分支路上。另外，中间光放大器和多个终极光放大器的对应的放大介质可为掺杂镱元素的光纤。在光发射设备和分光设备之间的光路上设置中间光放大器的结构中，所述激光装置可进一步包括设置在中间光放大器和多个分光设备之间的第二光路长度调节光纤，以减少受激拉曼扫描(SRS)的影响。优选的，第二光路长度调节光纤的长度设置在SRS阈值不存在问题的范围内。类似于传输光纤，由于高功率光也被输入至第二光路长度调节光纤，在这种情况下，第二光路长度调节光纤的长度调整是很重要的(当该长度很长，SRS会成为问题)。
在这种中间光放大器被设置在分光设备的上游一侧、且多个终极光放大器被设置在分光设备的下游一侧的结构中，多个终极光放大器不恒定执行放大操作。特别地，当激光装置操作时，存在正在执行放大操作的有效的终极光放大器组(即，用以输入由所述分光设备分散以及输出的分支光束作为待放大的光的终极光放大器组)，以及不执行放大操作的无效的终极光放大器组(即，没有分支光束进入的终极光放大器组)，并且其比率也会发生改变。相应地，优选的是，无论属于多个终极光放大器且输入多个分支光束的有效的终极光放大器的数量如何变化(终极光放大器执行放大操作)，每个输入至有效的终极光放大器的分支光束的功率是固定的。因此，根据本发明的激光装置优选的包括功率设定装置，用于根据执行放大功能的有效的终极光放大器的数量，设定从光发射设备或中间光放大器中输出的待放大光的功率。
在根据本发明的激光装置中，应用于在多个终极光放大器中的至少两个或更多终极光放大器中的放大光纤，可具有不同的模态场直径(MFD)，使得所输出光功率不一致。基于此，每个放大光纤被设置为根据所述模态场直径的输出光功率。在这种情况下，可在每个光束发射端获得具有预定功率的处理输出光。
根据本发明的激光光束源也可具有包括光发射设备的光源和分光设备以不通过光学放大器的方式进行光学连接的结构。在这种情况下，根据本发明的激光装置包括光源、分光设备、多个终极光放大器、多个光束发射端、多个第一光路长度调节光纤、以及多个传输光纤。所述光源输出待放大的光。所述分光设备是一种将来自于所述光源的待放大的光分离的光学元件，其构成了在所述光源和多个光束发射端之间的多支光路。与位于所述分光设备和多个光束发射端之间的多个分支路相对应地提供了所述多个终极光放大器，所述多个终极光放大器分别放大来自于分光设备的相关分支光束。提供所述多个光束发射端，使得与所述多个终极光放大器一一对应，并分别输出由相关的终极光放大器所放大的光束。在上述结构中，多个第一光路长度调节光纤分别设置在位于所述分光设备和所述多个终极光放大器之间的分支路上。另外，所述多个传输光纤分别设置从而一对一地连接多个终极光放大器和多个光束发射端。
如上所述，在将光源和分光设备以不通过光学放大器的方式进行光学连接的结构中，所述光源可包括光发射设备，用于输出待放大的光，和第二光路长度调节光纤，用于引导待放大的光从光发射设备中输出至分光设备。注意，当在所提供的多个终极光放大器中，执行放大操作的有效终极光放大器的数量增加以一一对应于分光设备的分支路时，光源可包括在所述光发射设备和第二光路长度调节光纤之间提供的不同的光学放大器，以作为中间光放大器。
附图说明
图1A和图1B是根据第一对比示例的激光装置(光纤激光器)的结构示意图；
图2A和图2B是放大光纤的横截面结构以及其折射率指数的示意图；
图3为放大光纤的吸收横截面和发射横截面的对应的波长关系示意图；
图4A和图4B为传输光纤的横截面结构和其折射率特征的示意图；
图5为说明合成器结构的示意图；
图6为根据第二对比示例的激光装置(光纤激光器)的结构示意图；
图7为根据第三对比示例的激光装置(光纤激光器)的结构示意图；
图8示出了根据第一对比示例分别具有5瓦平均输出的种子光脉冲以及具有10瓦平均输出的光脉冲的放大特征；
图9为说明根据第二对比示例的激光装置中所出现的光脉冲的相差的示意图；
图10为根据第三对比示例在激光装置对应部分的脉冲激光光束的光谱图；
图11为根据本发明的激光装置(光纤激光器)第一实施方式的结构示意图；
图12A至图12C为终极光放大器示例的多种结构示意图；
图13为根据第一实施方式在激光装置光束发射端的脉冲激光光束频谱和根据第三对比示例在激光装置光束发射端的脉冲激光光束；
图14为根据第二实施方式激光装置(光纤激光器)第二实施方式的结构示意图；
图15为根据本发明激光装置(光纤激光器)第三实施方式的结构示意图；以及
图16为根据第二和第三实施方式在激光装置中的分光设备的结构示意图。
具体实施方式
接下来，将结合图1A至图2B、图3、图4A和图4B、图5至图11、图12A至图12C、以及图13至图16对根据本发明的激光装置的实施例予以详细阐述。在附图说明中，同一或对应的组分用相同参考数字进行标示，并且省略了重复的描述。
在接下来的描述中，在解释了用于与本实施例进行比较的对比示例之后，通过与对比示例进行比较由此对本实施例以及改进示例进行说明。
(第一对比示例)
图1A和图1B显示了根据第一对比示例的激光装置(光纤激光器)的结构，包括根据本发明激光装置的一些基本组成元素，尤其显示了MOPA类型光纤激光器的结构。即，根据第一对比示例的光纤激光器100包括光纤激光器的结构，其具有作为激光光束输出端口的单光束发射端。在图1A中，根据第一对比示例的光纤激光器100包括作为光发射设备的种子光源41、调制器51、中间光放大器AMP0，终级光放大器AMP1、传输光纤11以及光束发射端70。终级光放大器AMP1包括放大光纤10、合成器20、泵浦光源31和光纤32。而且，中间光放大器AMP0基本包括与终级光放大器AMP1相同的结构，且具有放大光纤61。如图1A所示，种子光源41通过电子信号线52与调制器51连接，并且通过根据在调制器51形成的预定基本脉冲调制图案来执行种子光源41的直接调制，以重复产生种子光脉冲(脉冲激光光束作为待放大的光)。注意，在调制器51中设置基本脉冲调制图案的操作可手动或通过外部触发信号线而执行。在说明书中，在对应图画中所显示的符号“x”显示连接，并且，例如，在通过光纤熔接进行光纤连接的例子中显示光纤熔接点。
在光纤激光器100中，通过合成器20组合来自泵浦光源31的通过光纤32的抽取光、和来自种子光源41的通过光纤42和光频隔离器61的种子光脉冲。合成器20的合成光进入放大光纤10的一端。注意，如图1B所示，可由多个用以通过合成器20向放大光纤10提供具有预定光波长的抽取光的泵浦激光二极管(LD1至LD6)(数量可由需要而确定)构成泵浦光源31。
由于掺杂在放大光纤10的稀土元素(镱、铒、铥、钬、钕、镨、铽等)在传播合成抽取光和种子光脉冲的放大光纤10中随抽取光被抽取，所以种子光脉冲被放大。在放大光纤10中放大的种子光脉冲通过熔接至放大光纤10另一端并继而从光束发射端70输出至外部的传输光纤11。
例如，放大光纤10具有如图2A和图2B所示的截面结构和折射率。即，放大光纤10包括，如图2A所示，具有预定折射率和沿预定轴延伸的芯10a，具有较芯10a更低的折射率并布置在芯10a外围的第一覆层10b，和具有较第一覆层10b更低的折射率并布置在第一覆层10b外围的第二覆层10c。图2B显示沿放大光纤10直径方向L1(垂直于放大光纤10的光学轴的方向)的折射率150。区域151显示沿芯10a直径方向L1的折射率，区域152显示沿第一覆层10b直径方向L1的折射率，并且区域153显示沿第二覆层153直径方向L1的折射率。芯10a、第一覆层10b和第二覆层10c包括双层覆层结构。芯10a以单模式传播种子光脉冲，并且第一覆层10b以多模式传播抽取光。芯10a掺杂稀土元素镱，种子光脉冲在芯10a中得以放大。
抽取光在放大光纤10中的吸收基于放大光纤10的特性而决定，并主要基于模态场直径(MFD)、第一覆层10b的外径、和芯10a中所掺杂稀土浓度的调整而改变。图3显示了镱掺杂光纤的发射截面和吸收截面的对应的波长相关性。曲线G310显示吸收截面，曲线G320显示发射截面。在镱掺杂光纤(对应于放大光纤10)中，镱掺杂数目为10000百万分比浓度(ppm)，MFD为7微米(μm)，第一覆层10b的外径为130微米，长度为5米，近似2.4dB的抽取光在抽取波长915纳米(nm)的波长范围内被吸收。注意，抽取光的波长段也可在940纳米波段或975纳米波段，将随掺杂稀土元素的种类而变化。
泵浦光源31可由上述单激光二极管组成，或，如图1B所示，来自于多个激光二极管LD1至LD6。由泵浦光源31输出的抽取光的波长为915纳米波段、940纳米波段或975纳米波段。种子光源41为，例如，光发射设备例如LD或VCSEL。调制器51经电子信号线52向种子光源41发出驱动电子信号，从而对种子光源41进行直接调制(脉冲调制)。种子光源41所输出的种子光脉冲的波长在波长范围1030纳米至1130纳米之间，例如为1060纳米。注意，脉冲调制也可为外部调制。
在泵浦光源31和合成器20之间所提供的光纤32和传输光纤11分别具有如图4所示的截面以及折射率。注意图4A和图4B显示光纤32的截面和折射率，但传输光纤11也具有相同的截面结构和折射率。即，如图4A所示，光纤32和11包括具有预定折射率和沿预定轴向延伸的芯32a、和具有较芯32a更低的折射率并布置在芯32a外围的覆层32b。而且，图4B为沿光纤32的直径方向L2(垂直于放大光纤32的光学轴的方向)的折射率320，且区域321显示沿芯32a直径方向L2的折射率，区域322显示沿覆层32b直径方向L2的折射率。注意，芯32a以多模式传播来自泵浦光源31的抽取光。
图5显示合成器20的结构。图5所示合成器20一侧具有多个(例如图5中的7个)光束输入/输出端口P1至P7，并在另一侧具有公共端口P0。合成器20合成输入至光束输入/输出端口P1至P7的光束，并向公共端口P0输出该合成光束。反之，合成器20分离输入至公共端口P0的光束，并分别将分离的光束输出至光束输入/输出端口P1至P7。
合成器20在公共端口P0一侧的光纤具有与放大光纤10相同的双覆层结构，并连接至放大光纤10。光束输入/输出端口P1通过光纤42光学连接至种子光源41。光束输入/输出端口P2通过光纤32光学连接至种子光源31。注意，尽管图1A仅示出来自于泵浦光源31的抽取光的一个输入端口，但是如图1B所示，其它光束输入/输出端口P3至P7也可通过另一个光纤光学连接至其它泵浦光源LD1至LD6。
(第二和第三对比示例)
当准备两个光束发射端作为激光输出端口并从每个光束发射端提供5瓦的激光光束时，可以考虑以下两种配置，一个配置是准备两个光纤激光器，其中每一个具有与图1A所示的光纤激光器100相同的结构并从对应的光纤激光器中输出的5瓦激光光束(第二对比示例)，另一个配置是分别在激光光束输出端口一侧将10瓦激光光束分离成两个光束并从两个光束发射端输出5瓦激光光束(第三对比示例)。注意，图6为显示根据第二对比示例的激光装置(光纤激光器)的结构示意图，图7为根据第三对比示例的激光装置(光纤激光器)的结构示意图。
如图6所示，根据第二对比示例的光纤激光器110，作为子激光装置，由平行设置且分别具有与如图1A所示的光纤激光器100相同结构的激光器1和激光器2组成。另外，激光器1具有光通路长度L10，激光器2具有光通路长度L20。在激光器1和激光器2中，光通路长度基于种子光源41的种子光脉冲的发射端表面至光束发射端70中的发射端表面(在实现上，从种子光源41到光束发射端70的光纤长度)的距离而限定。
根据第三对比示例的光纤激光器120具有与如图1A所示光纤激光器相同的结构，除了图7所示的在激光光束输出端口一侧的结构。即，在根据第三对比示例的光纤激光器120中，激光光束输出端口由用于分离输出自终极光放大器AMP1的激光光束(处理激光光束)的光连接器21、两个光束发射端70a和70b以及用于光学连接光连接器21与每一个光束发射端70a和70b的传输光纤11a和11b所组成。
图8示出了在如图1A所示的光纤激光器100中，重复执行脉冲宽度为5纳秒且频率为100千赫兹的脉冲调制时，平均输出为5瓦的种子光脉冲和平均输出为10瓦的种子光脉冲各自的放大特征。在图8中，曲线G810示出了平均输出为10瓦且具有接近35千瓦的脉冲峰值的种子光脉冲的放大特征。同时，曲线G810示出了平均输出为5瓦且具有接近17千瓦的脉冲峰值的种子光脉冲的放大特征。对于平均输出为5瓦和10瓦的种子光脉冲的放大特征，明显地脉冲峰值基本相同。
在根据第二对比示例的光纤激光器110(图6)中，由于具有相同结构的激光器1和激光器2平行设置，安装空间将多于光纤激光器100的两倍。而且，光通路长度L10和光通路长度L20的长度差以及脉冲产生作为种子光脉冲的激光光束的调制器51的相差将会降低激光器1和激光器2之间的影响。因此，光脉冲的相差会发生在激光器1的光束发射端70和激光器2的光束发射端70之间，处理过程中的位置精度将产生较大偏移。例如，当激光器1的光通路长度L10和激光器2的光通路长度L20之间相差1米时，如图9所示，5纳秒的传输延迟(延迟差异)将在输出光脉冲之间产生，且光脉冲的相差将发生在激光器1的光束发射端和激光器2的光束发射端70之间。注意，图9为解释在根据第二对比示例的光纤激光器110中产生的光脉冲相差的示意图。
在根据第三对比示例的光纤激光器120(图7)中，在激光器1的光束发射端70和激光器2的光束发射端70之间的前述光脉冲相差被减少。然而，作为整体设备，根据第三对比示例的光纤激光器120可引起功率消耗的增加。另外，一旦脉冲形成具有平均输出为15瓦的激光光束，非线性现象可明显得表示出来，有可能无法获得预定脉冲峰值。发生在具有平均输出为15瓦的种子光脉冲所传输至的对应部分(在图7中分别用箭头A和箭头B显示出来的部分)的非线性现象将传播至如图10所示的光纤激光器120的对应部分。因此，在根据第三对比示例的光纤激光器120中，透镜色差和由非线性现象所带来的波长损失特性将造成问题。注意，图10为根据第三对比示例的激光装置相应部分的脉冲激光光束的光谱图。而且，在图10中，G1010显示根据第三对比示例在光纤激光器120(图7)箭头A所标示的终极光放大器AMP1的光束发射端中光脉冲的频谱，图G1020显示箭头B所示的光束发射端70中光脉冲的频谱。
(第一实施例)
现在对根据本发明的激光装置的第一实施例进行说明。图11为根据第一实施例的光纤激光器200的结构示意图。光纤激光器200具有多个作为激光光束输出端口的光束发射端，并包括多个一一对应于每个光束发射端的终极光放大器。即，在图11中，根据第一实施例的光纤激光器200包括作为光发射设备的种子光源41、调制器51、中间光放大器AMP0、分光设备80、第一光支路长度调整光纤82、终极光放大器AMP11、AMP12、传输光纤11a、11b、光束发射端70a、70b。注意，当放大器功率不足以由一级提供时，中间光放大器可由多级组成。
前述种子光源41、调制器51、和中间光放大器AMP0具有与图1A中光纤激光器100相同的结构。即，在根据第一实施例的光纤激光器200中，中间光放大器AMP0也包括放大光纤61。而且，类似于图1A的光纤激光器，种子光源41通过电子信号线52连接至调制器51，且通过根据在调制器51形成的预定基本脉冲调制图案执行种子光源41的直接调制，以重复产生种子光脉冲(脉冲激光光束作为待放大的光)。在调制器51中设置基本脉冲调制图案的操作可手动或通过外部触发信号线而实现。因此，在第一实施例中，种子光源41和中间光放大器AMP0具有与图1A中光纤激光器100相同的结构，且终极光放大器AMP11、AMP12依照光束发射端70a、70b所要求的数目进行准备。注意，在第一实施例中，来自于中间光放大器AMP0的种子光脉冲队列由分光设备80进行分离，且每个所分离的种子光脉冲队列(分光光束)通过第一光通路长度调节光纤82提供至对应的终极光放大器AMP11、AMP12。光纤激光器200中每个光束发射端的输出功率为5瓦。而且，在第一实施例中，光源S由种子光源41和调制器51构成。
置于分光设备80下游一侧的一条分光支线的构成元素(第一光通路长度调整光纤82，终极光放大器AMP11、传输光纤11a、光束发射端70a)以及另一条分光支线的构成元素(第一光通路长度调整光纤82，终极光放大器AMP12、传输光纤11b、光束发射端70b)也具有和图1A光纤激光器100中的终极光放大器AMP1、传输光纤11、光束发射端70相同的结构，除了第一光通路长度调整光纤82。每个第一光通路长度调整光纤82与传输光纤11具有相同的结构。
光束发射端70a、70b的数目大于种子光源41的数目。而且，分光设备80包括具有对应于种子光源41的输入端口和依次对应于光束发射端70a、70b的输出端口的双支路光纤耦合器81，从而向每个多光束发射端70a、70b提供来自于种子光源41光发射设备的激光器光束。分光设备80构成光合成种子光源41和对应光束发射端70a、70b的光路的一部分。终极光放大器AMP1、AMP12对应于光束发射端70a、70b之一，并分别置于联合光束发射端70a、70b之一与分光设备80之间的光路中。
终极光放大器AMP11、AMP12可分别包括各不相同的结构，或包括相同的结构。注意，对于终极光放大器AMP11、AMP12的结构，例如，可采用如图12A至图12C的多种结构。
例如，至少一种终极光放大器AMP11、AMP12可具有与图1A中终极光放大器AMP1相同的结构(图12A所标示的实现向前抽取的结构)。即，实现向前抽取的终极光放大器AMP1n(n＝1至N)包括放大光纤10、合成器20、泵浦光源31和光纤32。放大光纤10具有如图2A和2B所示的截面结构和折射率150。合成器20具有如图5所示的结构。泵浦光源31可由图1B所示的多个激光二极管LD1至LD6组成。而且，光纤32具有图4A和图4B所示的截面结构和折射率320。
至少一种终极光放大器AMP11、AMP12可包括图12B所示的实现向后抽取的结构。即，实现向后抽取的终极光放大器AMP1n(n＝1至N)包括放大光纤10、合成器40、泵浦光源33和光纤34。泵浦光源33可由单个激光二极管，或，如图1B所示，由多个激光二极管LD1至LD6组成。合成器40具有如图5所示的、类似于合成器20的结构。但是，在合成器40中，公共端口P0连接至放大光纤10的光束发射端，输入/输出端口P1连接至连接的传输光纤。另外的输入/输出端口P2至P7分别连接至准备好的泵浦光源31(单个激光二极管或多个激光二极管LD1至LD6)。光纤34具有如图4A和4B所示、类似于光纤32的截面结构和折射率320。
至少一种终极光放大器AMP11、AMP12可包括图12C所示的实现双向抽取的结构。即，实现双向抽取的终极光放大器AMP1n(n＝1至N)包括合成器20、泵浦光源31、光纤32、放大光纤10、合成器40、泵浦光源33和光纤34。泵浦光源31和泵浦光源33分别具有上述相同的结构。合成器20和合成器40也分别具有相同结构。光纤32和光纤34也分别具有相同的截面结构和折射率320。
按照根据具有上述结构的第一实施例的光纤激光器200，有可能减少光束发射端70a、70b之间光脉冲的相差，抑制功率消耗，并抑制光束发射端70a、70b之间非线性阈值。
基于在每个光束发射端具有相同平均输出和脉冲峰值的结构，对第一实施例的结构和对应对比示例的结构进行比较。比较传统结构和当前本发明的结构。
关于所占用的空间，根据第二对比示例的光纤激光器110(图6)需要所准备子激光装置(激光器1、激光器2)数量的占用空间。同时，由于所占用空间将随着作为激光器光束输出端口的光束输出端的数量的增加而增加，根据第一实施例的光纤激光器200所占用空间将较根据第一对比示例的光纤激光器100(图1A和1B)有所增加，但能较根据第二对比示例的光纤激光器110(图6)有所减少。
关于功率消耗，当计算仅有一个光源S(种子光源41)的功率消耗时，根据第一实施例的光纤激光器200的功率消耗大约为48瓦，根据第二对比示例的光纤激光器110(图6)的功率消耗大约为47瓦，根据第三对比示例的光纤激光器120(图7)的功率消耗大约为64瓦。在第二对比示例中，由于种子光源数目根据端口数而增加，光源部分的功率消耗将增加。通过对比具有相同数目种子光源的第一实施例和第三对比示例，第一实施例的功率消耗能下降约25％。这是因为，利用根据第三对比示例的光纤激光器120，泵浦光源的电流和温度控制的负载将增加以实现高输出。
关于非线性现象的产生，根据第二对比示例的光纤激光器110(图6)和根据第一实施例的光纤激光器200之间非线性现象的产生情况没有什么区别。但是，根据第三对比示例的光纤激光器120(图7)和根据第一实施例的光纤激光器200的对比结果如图13所示。图13显示在相同脉冲操作状态具有相同平均输出(每个光束发射端5瓦)和相同脉冲峰值(每个光束发射端大约15瓦)的频谱。注意，在图13中，G1310显示根据第一实施例的光纤激光器200的频谱，G1320显示根据第三对比示例的光纤激光器120的频谱。基于图13所示的对比结果，非线性现象，即，SRS在第一实施例的结构中被减少，但SRS在第三对比示例的结构中被清楚地表示。因此，本发明的结构在由于SRS使得镜头色差和波长损耗成为问题的情况下具有优势。
关于构成激光器光束输出端口的光束发射端之间光脉冲的相差，当脉冲宽度按照若干纳秒进行调制时，也有必要以若干纳秒级别对光束发射端之间的光脉冲的相差进行调节。当考虑到由种子光源至对应光束发射端的光路所组成的光纤中的光传播时，每1米光路长度之间相位将偏离5纳秒。在第一实施例的结构中，由于光束发射端70a、70b之间光脉冲的相差仅由终极光放大器AMP11、AMP12决定，光脉冲的相差能够通过调整在对应终极光放大器AMP11、AMP12中的光路长度(光纤长度)而吸收。例如，在第一实施例的结构中，对应终极光放大器AMP11、AMP12中的所有光纤长度大约5米，光纤长度可轻松调节。同时，在第二对比示例的结构(图6)中，由于从对应光束发射端70所输出的光脉冲相差基于激光器1的总光纤长度和激光器2的总光纤长度而决定，有必要调节光纤长度以及通过调制器51对激光器1和激光器2之间的相位进行调节，调节操作的难度将增加。而且，采用第二对比示例的结构，激光器1和激光器2的总光纤长度分别大约为50米，并且光纤长度调整1米相较于将引起光脉冲相差的总光纤长度的比率在第二对比示例和第一实施例之间约相差1位数，并且明显在第二对比示例中调节操作的难度将增加。
(第二实施例)
图14为根据本发明激光装置(光纤激光器)第二实施例的结构示意图。根据第二实施例的光纤激光器210与上述第一实施例相同之处在于其包括一个光源S(包括作为光发射设备的种子光源41和调制器51)，中间光放大器AMP0，分光设备80，两个终极光放大器AMP11、AMP12并排放置的放大单元U，以及光束发射端70a、70b。而且，根据第二实施例的光纤激光器210包括，类似于根据第一实施例的光纤激光器200，设置于分光设备80和终极光放大器AMP11、AMP12之间分光支路中的第一光路调节光纤82，和一一对应地设置于终极光放大器AMP11、AMP12与光束传输端70a、70b之间的传输光纤11a、11b。
根据第二实施例的光纤激光器210不同于根据第一实施例的光纤激光器210在于，其包括第二光路长度调节光纤83，带通滤波器84和功率设置装置300。
第二光路长度调节光纤83优选地设置在使得SRS阈值不存在问题的范围内。而且，功率设置装置根据执行放大操作的有效终极光放大器(每个均输入有种子光脉冲队列的终极光放大器，作为待放大的光，由分光设备80分离并在关联的分光支路上传播)的数量来设置从种子光源41或中间光放大器AMP0所输出的待放大的光的功率。在正常环境下，在中间光放大器AMP0设置于分光设备80的上游一侧并且终极光放大器AMP11、AMP12设置于分光设备80的下游一侧的结构中，终极光放大器AMP11、AMP12并不持续地进行放大操作。即，当光纤激光器210工作时，执行放大操作的有效终极光放大器的数目将发生改变。因此，在第二实施例中，提供功率设置装置300，用以根据从终极光放大器AMP11、AMP12中输入分光光束的有效终极光放大器(实现放大操作的终极光放大器)的数目，设置从光发射设备或中间光放大器输出的待放大的光的功率。通过这样，尽管有效终极光放大器的数目变化，输入至有效终极光放大器的光束功率保持恒定。
第二光路长度调节光纤83的长度被设置在SRS阈值不存在问题的范围内，且该“SRS阈值不存在问题的范围”是指基于根据本发明所执行的仿真的结果和测量，“1060纳米波长(待放大光的波长)的峰值组分与1110纳米波长(主要SRS的中心波长)的峰值组分之间的差异在20dB或更多”。然而，这种明确的数值基于实际情况，即终极光放大器AMP11、AMP12中的放大光纤10为YbDF，放大光纤10对波长为1060纳米的光进行放大。相较于基本波主要SRS波长1110纳米(待放大光中的1060纳米波长)为在终极光放大器AMP11、AMP12中产生增益的波长。而且，为了增加基础波的增益，有必要去除非基础波的波长组分。正是因为相较于基础波SRS中主要SRS光束的比率为大致20dB或更高，采用前述数值。
在根据第二实施例的光纤激光器210中，在第二光路长度调节光纤83和分光设备80之间提供带通滤波器84。带通滤波器84通常具有大约为30dB的输出差异，且足以能够消除SRS。而且，通过中间光放大器AMP0存在于光源S和分光设备80之间的结构，带通滤波器84尤为有效，因为除SRS光束之外ASE光束也被消除了。
对应的来自光源S的光路长度，特别是从种子光源41到光束发射端70a、70b，通过第一实施例中的第一光路长度调节光纤82和传输光纤11a、11b进行调节。而且，在第二实施例中，对应的光路长度通过第一光路长度调节光纤82、第二光路长度调节光纤83和传输光纤11a、11b进行调节。特别地，光纤82、83、11a、11b起到在光纤激光器200、210被安装在实际环境中以备使用时而布置或工作的裕度(margin)光纤(下称“操作/工作裕度”)的作用。
当第二光路长度调节光纤83变长时，如上所述，将产生SRS问题，主要SRS光束将出现，引起使终极恶化的增益，并促使作为基础波的待放大光的功率衰减。当分光设备80所分离的数目增加时，有可能无法为对应的终极光放大器AMP11、AMP12提供具有足够功率的待放大的光。因此，在根据第二实施例的光纤激光器210中，功率设置装置300保证终极光放大器AMP11、AMP12中的足够功率，并调节中间光放大器AMP0的增益。第二光路长度调节光纤83的波长被设置为使得基础波的功率不会因上述调节，也就是，主要SRS光束的影响，而产生超过必要衰减。考虑到SRS的影响，中间光放大器AMP0的增益优选设置为高于对应的终极光放大器AMP11、AMP12所要求的功率。
甚至当大操作/工作裕度是必要的时，第二光路长度调节光纤83的长度存在限制。在这种情况下，可通过第一光路长度调节光纤82和传输光纤11a、11b的长度对裕度的不足进行补充。
第一光路长度调节光纤82传播由分光设备80分离的待放大的光。这种情况下，分光光束的功率很低，并且相较于其它光路长度调节光纤83、11a、11b，第一光路长度调节光纤82将不会轻易受到SRS影响。因此，总光纤激光器210的操作/工作裕度可通过第一光路长度调节光纤82进行调节。
对应的传输光纤11a、11b优选设置为不受SRS影响，除非主动采用SRS光束的波长。当没有SRS影响时，输出光将成为单色光，并且由于色差引起的输出光束形状扭曲的问题将能够解决。然而，当传输光纤11a、11b的长度调节不成功且出现SRS组分时，可采用PBGF(光子带隙光纤)作为传输光纤11a、11b的消除装置。
存在这样的情况，其中分光设备80下游一侧的每一条分光支路的操作/工作裕度各不相同。在这种情况下，对应光束发射端70a、70b的输出光的相位可能不同。可执行输出光之间的相位调节，例如，可通过调节第一光路长度调节光纤82的长度来执行。
在中间光放大器AMP0置于分光设备80的上游一侧且多个终极光放大器AMP11、AMP12置于分光设备80的下游一侧的结构中，作为放大单元U的组成元素的多个终极光放大器AMP11、AMP12并不持续执行放大操作。注意，在第二实施例中，虽然构成放大单元U的终极光放大器的数目为两个，对于后述的第三实施例也一样，数量为N(整数2或更多)的终极光放大器也可构成放大单元U。即，当根据第二实施例的光纤激光器210在工作时，具有由每个输入有关联的由分光设备进行分离的分支光束(作为待放大光)的有效终极光放大器组成的群组，以及由每个不输入有分支光束的无效终极光放大器组成的群组，并且它们的比值可发生变化。在这种情况下，优选地，无论在构成放大单元U的终极光放大器AMP11、AMP12中执行放大操作的有效终极光放大器的数量如何变化，输入有效终极光放大器的光束的功率为固定的。因此，光纤激光器210包括功率设置装置300。功率设置装置300起到根据执行放大操作的有效终极光放大器的数目对从光源S(尤其是种子光源41)或中间光放大器AMP0中输出的待放大光的功率进行设置的作用。
当在构成放大单元U的终极光放大器AMP11、AMP12(后续第三实施例中为N个终极光放大器)中的有效终极光放大器的数量增加时，当光源S或中间光放大器AMP0的功率为恒定时，输入至对应有效终极光放大器的光功率将减小。在这种情况下，将出现以下可能，即，(1)作为待放大光的分光种子光脉冲队列所输入的终极光放大器中的ASE光将增加，(2)脉冲峰值功率的扩展将衰弱，或(3)放大光纤10将破裂。
因此，根据第二实施例的光纤激光器210包括功率设置装置300，用于根据有效终极光放大器的数量设置或调节光源S或中间光放大器AMP0的输出功率。
通过功率设置装置300对中间光放大器AMP0输出功率的调节仅能通过增加或减少中间光放大器AMP0中泵浦光源(LD)的输出功率来实现。但是，通过功率设置装置300对光源S的输出功率调节，当供给种子光源41的驱动电流值发生改变时，有必要改变来自调制器51的调制电压值和温度。
根据第二实施例的光纤激光器210可包括针对每个光束发射端70a、70b获取具有预期功率的处理输出光的结构。同样应用在稍后描述的第三实施例中。在这种情况下，应用在构成放大单元U的终极光放大器AMP11、AMP12中的每一个放大光纤10可具有不同模态场直径(MFD)，从而能够不受非线性现象限制地对不同输出光束进行有效放大。作为具有不同MFD的结果，可设置为泵浦功率提供至终极光放大器以使得根据MFD输出光能。
作为终极光放大器之间有利的输出差异，优选设置功率差异为作为参考值的最低输出功率的0.5倍或更多。例如，当终极光放大器AMP11具有最低输出功率1，终极光放大器AMP11的输出功率为1.5或更多。更具体的，“有利的输出差异”是指，当待放大光中放大光纤10的MFD与作为参考值的最低MFD相差1.22倍(1.2倍)时，那么输出功率约为1.49倍(
Figure BSA00000423027800192
1.5倍)。
输出功率可设置为终极光放大器AMP11、AMP12中各输出端口输出相同值，但根据不同用途，可存在有必要对某些终极光放大器的输出功率进行有利设置的情况。
在这样的情况下，在所采用放大光纤10中待放大光波长的MFD相同时，由于为了应对上述情况而调节增益而使得功率增加，关于SRS的问题将产生。而且，具有不同芯直径的放大光纤也可用于改变MFD，但当芯直径不同时，将产生例如与分光设备80的连接损耗的问题。因此，如果可能，有必要采用具有相同芯直径的放大光纤作为分光设备80输出端口以及不同的MFD。注意，当分光设备80不同端口的芯直径不同时，上述问题可被忽略。而且，作为另一个改变放大光纤的MFD的方法，就是改变NA。当连接损耗在可容忍范围内，芯直径和NA可都进行改变。
作为放大光纤的MFD的改变范围，例如，当基础波(分离为待放大光的种子光脉冲)的波长为1060纳米时，改变范围将为6微米至24微米。注意，MFD的下限值为6微米，但当不存在特殊环境时，由于非线性现象的影响增加，待设置的MFD的值将为高于上述下限值的值。而且，虽然MFD的上限值为24微米，输出可为多模式，并且，当不存在特殊环境时，待设置的MFD的值将为小于上述上限值的值。为了使得对应于终极光放大器AMP11、AMP12的输出光为单模式，有必要非常小心以确保待放大的光作为单模式在分光设备80和终极光放大器AMP11、AMP12的光纤连接部分进行输入。作为参考，对于芯直径为10微米以及NA为0.08的放大光纤，其MFD为12微米。
作为补充，即使当仅改变对应终极光放大器AMP11、AMP12的构成时，终极光放大器AMP11、AMP12间的输出功率调整也是可能的。特别的，终极光放大器AMP11、AMP12的放大光纤的芯直径和合成器可设置为不相同。作为增大(或减少)芯直径的结果，非线性现象可减弱，且当根据平均输出进行对比时，能够增加脉冲功率和脉冲峰值。
芯直径的调整范围可进行下述设置。即，正常使用的光纤的芯直径为大约10微米(NA等于大约0.08)。对于芯直径的大小，例如，基于以下两点考虑，芯直径5微米至20微米(NA等于大约0.08)将为有效范围，即，(1)能够利用双覆层结构实现封闭(confinement)的芯直径，和(2)在传播时，能够将来自待放大光的波长的激光的M2(光束质量)保持在一定程度上的芯直径。
当芯直径小于5微米时，SRS组分将增加。在这种情况下，存在以下缺陷，即，(1)脉冲峰值的负面影响将增加，且(2)连接错配将增加。同时，当芯直径大于20微米时，高阶模式在待放大的波长(1060纳米)中将变得明显。在这种情况时，存在以下缺陷，即，(1)对功率稳定的负面影响，且(2)根据激光输出校准的光束质量的衰减。
(第三实施例)
现在对根据本发明的激光装置的第三实施例进行阐述。图15为显示根据第三实施例的光纤激光器220的结构示意图。光纤激光器220基本上包括根据上述第二实施例的光纤激光器(图14)相同的结构，但是不同之处在于分光设备80被配置成多级，并且包括N(整数3或更多)个作为激光光束输出端口的光束发射端701至70N。分光设备80的结构依照作为激光器光束输出端口的光束发射端的数目而各不相同。即，在根据第三实施例的光纤激光器220中，分光设备80包括，如图16所示，多个按照使得从中间光放大器AMP0至对应的终极光放大器AMP11至AMP1N的光路长度之间无差异设置的双头光耦合器(two-branch optical couplers)81a、81b1、81b2、81c1、81c2、81c3、81c4、...。基于这样的结构，分光设备80具有一个对应于种子光源41的输入端口，和多个分别对应于光束发射端701至70N的输出端口。
图15显示了根据第二实施例的光纤激光器210的结构扩展图，但根据第三实施例的光纤激光器220也可为根据如图11所示的第一实施例的光纤激光器200的扩展结构(不包括第二光路长度调整光纤83、带通滤波器84和功率设置装置300的结构)。而且，在图15所示的结构中，所获得的操作和效果可与上述第二实施例相同。
在根据第三实施例的光纤激光器220中，终极光放大器AMP11至AMP1N.(通过第一光路长度调节光纤82连接至分光设备80)对应于光束发射端701至70N之一。而且，一一对应的一对终极光放大器AMP11和光束发射端701、...、以及一对终极光放大器AMP1N和光束发射端70N分别通过关联的传输光纤111至11N.相连接。构成分光设备80的光耦合器并不限制于上述1x2光耦合器(具有一个输入和两个输出的双头光耦合器)，也可为1x4光耦合器(具有一个输入和四个输出的四头光耦合器)，或为2x2光耦合器(具有两个输入和两个输出的光耦合器)。当将1x2光耦合器的输出比率设置为1∶2，并且该1x2光耦合器(输出比率为1∶1)设置在具有大输出比率一侧的输出端口时，基本上能总体准备具有相同输出的三个输出端口。在2x2光耦合器的情况中，输入端口之一可被用于作为来自于至于前级的中间光放大器AMP0的待放大光的输入端口，且其它端口能被用于进行监控。
设置于分光设备80下游一侧的分光支路上布置的对应终极光放大器AMP11至AMP1N包括根据上述第一实施例和第二实施例的、图12A至图12C的结构之一。
关于功率消耗、非线性产生、光脉冲的相差等，根据第三实施例的光纤激光器220产生与根据第一和第二实施例光纤激光器200和210相同的效果。
根据第一至第三实施例的光纤激光器200至220(图11、图14和图15)都包括设置于光源S和分光设备80之间的中间光放大器AMP0，但是该中间光放大器AMP0并不是必备的。特别地，近几年来，光发射设备的性能在改善，能够获取足够输出光的光发射设备也能够应用以作为包含在光源S中的种子光源41。
但是，当终极光放大器的数量巨大(增加光束发射端的数量)，就需要用到中间光放大器。在这种情况下，起到中间光放大器作用的光放大器可设置于光源S中。特别地，在包括光放大器的光源S以不通过中间光放大器的方式与分光设备80进行连接的结构中，根据上述第一至第三实施例，优选地，第一光路长度调节光纤82设置于分光设备80和多个终极光放大器之间，第二光路长度调节光纤83设置于光源S和分光设备80之间。
第二光路长度调节光纤83受到SRS的影响，第二光路长度调节光纤83应设置为不受SRS影响的长度。同时，由于第一光路长度调节光纤82几乎不受SRS影响，其起到调节所有光纤激光器光路长度的作用。然而，在SRS的影响应维持在一定程度的情况下，第二光路长度调节光纤83的长度应设置为预定长度，第一光路长度调节光纤82可用于调节总光纤激光器的光路长度。
如上所述，根据本发明，由于结构使得采用作为种子光源的光发射设备的数量少于构成激光器的终极光放大器的数量，所以有可能减少光放大器的数量而不是终极和待放大光光源的数量，节省了空间，降低了能耗。
由于将多个终极光放大器布置成分别对应于在分光设备的下游一侧的多个光束发射端以向多个光束发射端提供激光光束，从而并不需要在分光之前增加光束功率，并且能降低总体设备的非线性现象的影响。
由于分光设备的上游一侧的结构(包括种子光源)设为被多个光束发射端共用，所以从光束发射端输出的光脉冲之间的相差能够有效地通过在分光之后调节和设置光路长度而减少。而且，由于利用光路长度调节光纤在光束分离器和终极光放大器之间调节了光路长度，所以光路长度不需要在终极光放大器之后随着传输光纤延伸，可有效地防止非线性现象的影响。

Claims (12)

1.一种激光装置，包括：
光发射设备，其输出待放大的光；
分光设备，其输入来自所述光发射设备的待放大的光，并将待放大的光分离为多个光束；
多个终极光放大器，其分别输入由所述分光设备分离的多个光束，并单独放大所输入的多个光束；以及
多个光束发射端，其单独接收分别由多个终极光放大器所放大的多个光束，并分别输出所接收的多个光束。
2.如权利要求1所述的激光装置，进一步包括位于所述光发射设备和分光设备之间的中间光放大器。
3.如权利要求1所述的激光装置，其中分别设置从所述光发射设备到多个光束发射端的光路长度，使得最大光路长度和最小光路长度之间的差别为1米或更少。
4.如权利要求1所述的激光装置，进一步包括第一光路长度调节光纤，其设置于所述分光设备和多个终极光放大器之间的每一个分光支路上。
5.如权利要求1所述的激光装置，其中多个终极光放大器中每一个的放大介质为镱元素掺杂光纤。
6.如权利要求2所述的激光装置，其中中间光放大器的放大介质为镱元素掺杂光纤。
7.如权利要求5所述的激光装置，进一步包括：位于所述光发射设备和分光设备之间的中间光放大器，和位于所述中间光放大器和分光设备之间的第二光路长度调节光纤，
其中，所述第二光路长度调节光纤的长度被设置在SRS阈值不存在问题的范围内。
8.如权利要求6所述的激光装置，进一步包括：第二光路长度调节光纤，其位于所述中间光放大器和分光设备之间，
其中，所述第二光路长度调节光纤的长度被设置在SRS阈值不存在问题的范围内。
9.如权利要求2所述的激光装置，进一步包括：功率设置装置，用于根据多个终极光放大器中有效的终极光放大器的数量，设置从所述光发射设备或中间光放大器所输出的待放大的光的功率，有效的终极光放大器输入来自分光设备的多个光束，
其中，输入至有效的终极光放大器的光束每个功率为恒定的，而不依赖于有效的终极光放大器的数量变化。
10.如权利要求1所述的激光装置，其中放大光纤被用在多个终极光放大器起中的至少两个或更多终极光放大器中，该放大光纤具有不同模态场直径MFD，以使得输出光功率不一致且分别被设置为根据所述模态场直径MFD的输出光功率。
11.一种激光装置，包括：
光源，其输出待放大的光；
分光设备，输入来自所述光源的待放大的光，并将待放大的光分离为多个光束；
多个终极光放大器，其分别输入由分光设备分离的多个光束，并且单独放大所输入的多个光束；
多个光束发射端，其单独接收分别由多个终极光放大器放大的多个光束，并分别输出所接收的多个光束；
多个第一光路长度调节光纤，其分别从分光设备至终极光放大器传播多个光束；以及
多个传输光纤，其从多个终极光放大器至多个光束发射端来单独传播分别由多个终极光放大器放大的多个光束。
12.如权利要求11所述的激光装置，其中所述光源包括输出待放大的光的光发射设备，和将来自光发射设备的待放大的光引导至分光设备的第二光路长度调节光纤。
CN201110021099.XA 2010-01-15 2011-01-13 激光装置 Expired - Fee Related CN102130416B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US29539110P 2010-01-15 2010-01-15
US61/295,391 2010-01-15

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102130416A true CN102130416A (zh) 2011-07-20
CN102130416B CN102130416B (zh) 2014-09-10

Family

ID=44268363

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201110021099.XA Expired - Fee Related CN102130416B (zh) 2010-01-15 2011-01-13 激光装置

Country Status (2)

Country Link
US (1) US8767292B2 (zh)
CN (1) CN102130416B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110971297A (zh) * 2019-11-05 2020-04-07 武汉邮电科学研究院有限公司 基于超表面微纳芯片的室内光无线通信系统及方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3217574A1 (en) * 2016-03-09 2017-09-13 Xieon Networks S.à r.l. A bidirectional and configurable directional raman pumping apparatus
CN112886387A (zh) * 2021-02-01 2021-06-01 武汉锐科光纤激光技术股份有限公司 一种光路调节结构和光路调节系统
CN117220127B (zh) * 2023-11-07 2024-03-19 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种抑制受激拉曼散射的光纤激光器及其参数优化方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1406016A (zh) * 1996-05-02 2003-03-26 富士通株式会社 控制可变光衰减器的控制器
US7440174B2 (en) * 2006-02-24 2008-10-21 Northrop Grumman Corporation Coherent fiber diffractive optical element beam combiner

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4232130B2 (ja) 1998-03-11 2009-03-04 株式会社ニコン レーザ装置並びにこのレーザ装置を用いた光照射装置および露光方法
US6597836B2 (en) * 2001-06-20 2003-07-22 The Boeing Company Optical phased array control system
US7075712B2 (en) * 2002-05-30 2006-07-11 Fujitsu Limited Combining and distributing amplifiers for optical network and method
US7343098B2 (en) * 2003-12-17 2008-03-11 The Boeing Company Fiber optic phased array and associated method for accommodating atmospheric perturbations with phase and amplitude control
JP4725951B2 (ja) * 2004-07-28 2011-07-13 富士通株式会社 波長多重信号光の増幅方法および光増幅器
JP4699131B2 (ja) 2005-08-05 2011-06-08 株式会社フジクラ 光ファイバレーザ、光ファイバ増幅器、ｍｏｐａ方式光ファイバレーザ
US7443903B2 (en) 2006-04-19 2008-10-28 Mobius Photonics, Inc. Laser apparatus having multiple synchronous amplifiers tied to one master oscillator
US8081376B2 (en) * 2007-06-06 2011-12-20 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Multi-stage fiber amplifier to suppress Raman scattered light
US20090273828A1 (en) * 2008-04-30 2009-11-05 Raydiance, Inc. High average power ultra-short pulsed laser based on an optical amplification system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1406016A (zh) * 1996-05-02 2003-03-26 富士通株式会社 控制可变光衰减器的控制器
US7440174B2 (en) * 2006-02-24 2008-10-21 Northrop Grumman Corporation Coherent fiber diffractive optical element beam combiner

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110971297A (zh) * 2019-11-05 2020-04-07 武汉邮电科学研究院有限公司 基于超表面微纳芯片的室内光无线通信系统及方法
CN110971297B (zh) * 2019-11-05 2021-08-10 武汉邮电科学研究院有限公司 基于超表面微纳芯片的室内光无线通信系统及方法

Also Published As

Publication number Publication date
US8767292B2 (en) 2014-07-01
US20110176203A1 (en) 2011-07-21
CN102130416B (zh) 2014-09-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101266379B (zh) 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
US8830568B2 (en) High beam quality and high average power from large-core-size optical-fiber amplifiers
US7286283B2 (en) Optical fiber coupling arrangement
JP5416314B2 (ja) マルチコア増幅光ファイバおよびマルチコア光ファイバ増幅器
US8081376B2 (en) Multi-stage fiber amplifier to suppress Raman scattered light
US8867125B2 (en) Multi-mode optical fiber amplifier
US11588292B2 (en) Photonic lantern structures and devices
US20150085352A1 (en) Optical amplifier for space-division multiplexing
Ono et al. 12-core double-clad Er/Yb-doped fiber amplifier employing free-space coupling pump/signal combiner module
Tsuchida et al. Cladding pumped seven-core EDFA using an absorption-enhanced erbium doped fibre
KR20080052237A (ko) 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기
WO2012030892A2 (en) High power fiber laser system
US7848014B2 (en) Erbium and Erbium/Ytterbium cladding pumped hybrid optical amplifier
CN102130416B (zh) 激光装置
US8363310B2 (en) High power and high gain fiber amplifier
JPH10326930A (ja) 利得平坦化光繊維増幅器
CN112313844A (zh) 光源设备和光学放大器
US20220337025A1 (en) Optical amplifier
Maeda et al. Cladding pumped multicore EDFA with output power over 20 dBm using a fiber based pump combiner
WO2023228348A1 (ja) 側方励起光ファイバ及び光増幅器
Tsuchida Multicore EDFA
Jung et al. Fully integrated SDM amplifiers
NASSIRI et al. Modeling of Combining SDM-WDM Erbium Doped Multicore Fiber Amplifier for Optical Telecommunication.
US20020122243A1 (en) Distributed gain optical fiber amplifier
WO2013145142A1 (ja) 分散補償器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: MEGA OPTO CO., LTD.

Free format text: FORMER OWNER: SUMITOMO ELECTRIC INDUSTRIES LTD.

Effective date: 20130507

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20130507

Address after: Saitama

Applicant after: MEGAOPTO CO., LTD.

Address before: Osaka Japan

Applicant before: Sumitomo Electric Industries, Ltd.

C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20140910

Termination date: 20160113

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee