CN102763291B - 激光设备 - Google Patents

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Abstract

一种激光设备（1），包括参考源（2）、参考光纤（3）和至少一个激光二极管（4），其中所述参考光纤（3）包括折射率为n1的纤芯（5）以及折射率为n2的第一包层（6），所述第一包层（6）被折射率为n3的第二包层（7）围绕，所述折射率n1大于所述折射率n2，所述折射率n2大于所述折射率n3，所述激光二极管（4）发射激光辐射（8），通过所述参考光纤（3）的第一包层（6）引导所述激光辐射（8），所述参考源（2）发射具有预定波长λR（10）的参考辐射（9），通过所述参考光纤（3）的纤芯（5）向所述激光二极管（4）引导参考辐射（9），其在所述预定波长λR（10）处具有功率（11），所述功率大于所述激光二极管的注入锁定阈值。

Description

激光设备
技术领域
本发明涉及激光设备。本发明能够改善包层泵浦光纤激光器的效率，由此使得它们能够消耗更少的能量，这对于环境而言更好。
背景技术
光纤激光器在很多工业过程中，例如标记、切割、焊接和钎焊中找到了很宽商业应用。二极管泵浦的光纤激光器已经上市，其能够在接近衍射受限的射束中发射10W到2kW的激光辐射。这些激光器基于稀土掺杂的光学纤维，其在基模发光。所述光学纤维通常基于大模式面积光纤，例如美国专利No.6614975中所述的那些。如果使用常规单模光纤，大模式面积使得能够将输出功率水平提高到对激光器之内光学元件和光纤造成光学损伤的水平，如果使用真正的单模纤芯，这会导致非线性效应，例如受激拉曼散射和受激布里渊散射。
可以通过放松光纤激光器发射接近衍射受限光束的要求来实现输出功率的进一步提高。可以通过增大纤芯直径来设计少模(few-moded)光纤激光器(射束质量M在2到大约20的范围内)。这样能够增大输出功率，同时保持射束质量好于竞争的技术。可以通过将来自几个稀土掺杂光纤的单模或少模激光辐射组合在一起来实现功率的进一步增大。稀土掺杂的光纤激光器已经上市，可以发射高达1kW到50kW的激光辐射，射束质量优异。
光纤激光器通常采用包层泵浦，其中将泵浦光耦合到光学纤维的内包层中，光学纤维包括稀土掺杂的纤芯、内包层和外包层。沿着内包层引导泵浦辐射并逐渐由纤芯吸收。包层泵浦的主要优点是，可以由低成本、高功率、多模激光二极管供应泵浦光。缺点是吸收泵浦辐射所需的光纤长度比纤芯泵浦光纤激光器长，长得倍数近似等于内包层面积与纤芯面积之比。长度的这种增加是不期望的，因为它减小了光纤激光器或放大器的效率，增大了不希望有的光学非线性效应。
一般希望放大的光信号具有高的光束质量和高的峰值功率，以实现最优的材料处理能力。在光学纤维中，高光束质量给纤芯的尺度提出了一定限制，以便维持单模或少模传播。纤芯尺寸的这些限制导致放大高功率光学辐射期间纤芯之内的高光强。高光强导致不期望的光学非线性，这需要通过短光纤长度来缓解，以使交互作用长度最小化。例如，平均功率为10W到50W的脉冲光纤激光器典型地具有超过5kW的峰值功率。减小光纤长度对于避免受激布里渊散射和受激拉曼散射而言很重要。由于关联声频声子破坏光纤纤芯，前者可能导致不希望有的脉动和灾难性故障。后者可能导致不希望有的波长偏移。在高功率连续波激光器中也发现了类似的非线性效应，其中超过100W的功率水平可能导致受激拉曼散射诱发的波长偏移。显然，在单模激光器中大约400W到2kW之间，在少模或多模激光器中，大约4kW到50kW之间，这个问题显然更重要。
为了使光学纤维的长度最小化，由此使损耗和非线性效应最小化，优选使用与纤芯中活性掺杂剂的最强吸收峰值匹配良好的泵浦辐射波长。常用的稀土掺杂剂为镱，其吸收峰值处于976±3nm。这个吸收峰值与910和970nm之间的吸收相比，单位长度的吸收大约为两到三倍。不过，多模泵浦激光二极管在装置之间的波长重复性差(典型地，±10nm)，强烈取决于温度的波长(典型地，0.3nm/K)、以及波长对输出功率的强烈相关性(典型地，1nm/W)。在工业激光器的典型工作温度范围内(0到60℃)，泵浦二极管发射的波长可以改变多达30nm。即使激光二极管具有温度稳定性，波长对功率的依赖(10W的发射器为10nm)使其难以直接泵浦镱的最强吸收峰，尤其是在脉冲应用中，其中反复打开和关闭泵浦二极管。在每次打开时泵浦二极管热稳定时，反复开关泵浦二极管导致泵浦波长变化，在泵浦二极管的平均温度热稳定时，导致泵浦波长变化。对于其他稀土掺杂剂，并且对于包含两种或更多稀土掺杂物的光纤，具有类似限制，例如铒镱光纤，最佳在976nm泵浦其且其在大约1550nm到1560nm发光。廉价而可靠地直接泵浦稀土掺杂剂的最强吸收峰很困难，这对低成本稀土掺杂光纤激光器和放大器，尤其是脉冲稀土掺杂光纤激光器和放大器的峰值功率能力带来了限制。正是出于这些原因，大多数高功率掺镱光纤激光器和放大器使用在910nm到950nm波长范围之内发射泵浦辐射的多模激光二极管，在这个波长范围，镱的吸收大约比976nm小两到三倍。
近来稳定泵浦波长的方法包括使用体布拉格光栅为多模激光二极管提供反馈，以提供一定程度的波长锁定。体布拉格光栅价格不菲，通常用于高电流激光二极管上，这与光纤激光器中常用的单个发射激光二极管相反。在典型的温度和工作功率范围内的波长锁定性能也有问题。
因此需要一种激光设备，其中可以将激光辐射与有源介质的峰值吸收匹配。对于环境(即绿色)考虑而言重要的关联需求是改善激光器和放大器的效率。另一个需求是允许增大来自光纤激光器和放大器的光功率而不会导致不希望的非线性效应。
本发明的目的是提供减轻上述问题的激光设备。
发明内容
根据本发明的非限制性实施例，提供了一种激光设备，包括参考源、参考光纤和至少一个激光二极管，其中所述参考光纤包括折射率为n1的纤芯以及折射率为n2的第一包层，所述折射率n1大于所述折射率n2，所述参考源通过所述参考光纤的所述纤芯耦合至所述激光二极管，以便对所述激光二极管进行注入锁定，所述设备的特征在于，所述第一包层被折射率为n3的第二包层围绕，所述折射率n2大于所述折射率n3，由此所述激光二极管发射激光辐射，通过所述参考光纤的所述第一包层引导所述激光辐射。
注入锁定是这样的过程，其中通过将来自第二，通常更稳定的振荡器的辐射耦合到第一振荡器中来控制第一振荡器的输出频率。通常，激光二极管的波长明确性差，波长与温度相关，在打开激光二极管时会变化。通过将来自参考源的参考辐射耦合到激光二极管中，可以对激光二极管进行注入锁定，迫使其输出波长变为基本等于参考辐射的波长。这样能够通过选择在预定波长发射的参考源来确定激光二极管的波长。还能够使激光二极管的波长稳定，因为它在打开之后不久就建立起热平衡。
预定波长为用户事先选择的波长。预定波长可以是由激光二极管能够以最大效率、最低噪声、最高功率、最短长度、最低非线性相位或对用户而言重要的另一参数泵浦放大器或激光器的波长。
有利地，本发明提供了一种对激光二极管，尤其是多模激光二极管进行快速且简单的注入锁定的模块，并在这样做的同时，在激光输出提供具有高水平输出功率(大于激光二极管发射功率的60％，优选大于大约90％，更优选地，大于95％)，通过选择参考源的预定波长界定的注入锁定波长有很宽选择。适当的预定波长包括：稀土掺杂光纤激光器、棒状激光器或盘状激光器的峰值吸收波长；在光纤激光器、棒状激光器或盘状激光器中减少或优选最小化热耗散的波长；以及优化光纤激光器、棒状激光器之内效率的波长。这些特征与实现标记、切割、焊接和钎焊应用中过程控制所需的光纤激光器、棒状激光器和盘状激光器中波长锁定泵浦辐射的快速调制率一致。此外，它允许以更高的效率和更小的放大器光纤长度实现这样快速的调制率，其组合导致可从放大器光纤实现更低的非线性效应(例如自我相位调制)和/或可以从放大器和激光器实现更高的峰值功率。本发明解决了波长控制和多模激光器泵浦二极管可重复性差的问题，即，装置之间±10nm的差波长重复性，强烈取决于温度的波长(0.3nm/K)和功率对波长的强烈依赖性(1nm/W)。本发明允许放大的光信号具有高光束质量和高峰值功率，从而具有最佳的材料处理能力而不会在高功率光学辐射放大期间迫使高光强在纤芯之内。这样允许使用更短的光纤长度以避免不希望有的光学非线性。由于平均功率10W到50W且峰值功率超过5kW的脉冲光纤激光器中的自我相位调制和受激布里渊散射，这对于减小脉冲失真尤其有用。在功率水平超过100W、400W或1kW或更有选超过4kW的高功率单模或少模(光束质量M在2到大约20范围中)连续波激光器中，这对于减小诸如受激拉曼散射的非线性效应也是有用的。
参考源可以是具有外腔的半导体激光器或者可以由校准器或光栅稳定。参考源也可以是不同类型的激光器，例如气体激光器或固态激光器。
所述参考源可以使得其在所述预定波长的功率和所述参考辐射从所述参考源传播到激光二极管期间经受的第一损耗之积至少为所述激光二极管发射的激光辐射功率的0.5％。这是为了确保激光二极管上入射充分多的参考辐射，以便对其进行可靠而重复的注入锁定。优选地，将激光设备设计成使第一损耗最小化，以便使激光二极管接收的参考辐射最大化。
激光设备可以是这样的，其中所述激光辐射在从所述激光二极管传播到所述参考源期间经受的第二损耗使得所述第二损耗与所述激光二极管发射的激光辐射功率之积小于所述参考源发射的参考辐射功率的10％。这是为了确保激光辐射不会损伤参考源。优选地，将激光设备设计成使第二损耗增大或最大化，以便使参考源接收的激光辐射最小化。
该激光设备可以包括耦合器，用于将来自纤芯的参考辐射耦合到参考光纤的第一包层中。所述耦合器可以是闪耀光纤布拉格光栅。
所述激光设备可以包括波分复用器。
所述激光设备可以包括放大模块。所述放大模块可以是放大光纤。
所述参考光纤和所述放大光纤可以沿其长度的一部分光学接触，使得由所述参考光纤的第一包层引导的激光辐射能够耦合到所述放大光纤中并泵浦所述放大光纤。
所述放大光纤可以包括基部(pedestal)。
所述放大光纤可以包括至少一种稀土掺杂剂。
所述激光二极管可以被布置成反向泵浦所述放大光纤。
所述参考光纤可以为单模光纤。
所述激光二极管可以是多模激光二极管。所述多模激光二极管可以是单发射机激光二极管、二极管棒或二极管堆。
所述激光设备可以包括多个激光二极管，其中由组合器组合激光二极管。
附图说明
现在将仅通过举例的方式并参考附图描述本发明的实施例，其中：
图1示出了根据本发明的激光设备；
图2示出了包括耦合器的激光设备；
图3示出了包括波分复用器的激光设备；
图4示出了包括将激光辐射与参考辐射分开的复合光纤的激光设备；
图5示出了包括两个复合光纤的激光设备；
图6示出了包括复合光纤的激光设备，所述复合光纤包括与参考光纤光学接触的放大光纤；
图7示出了放大光纤的横截面；
图8示出了包括基部的放大光纤的横截面；
图9示出了包括由公共包层围绕的参考光纤和放大光纤的复合光纤的横截面；
图10示出了复合光纤的折射率分布；
图11示出了包括激光二极管和反射器的参考源；
图12示出了包括三个激光二极管的激光二极管源；
图13示出了放大光纤的吸收光谱；
图14示出了包括三个泵浦源和半导体激光器的激光设备；以及
图15示出了包括波长稳定源和放大模块的激光设备。
具体实施方式
参考图1，示出了激光设备1，包括参考源2、参考光纤和至少一个激光二极管4，其中参考光纤3包括折射率为n1的纤芯5和折射率为n2的第一包层6，第一包层6被折射率为n3的第二包层7包围。折射率n1大于折射率n2，折射率n2大于折射率n3。激光二极管4发射激光辐射8，通过参考光纤3的第一包层6引导所述激光辐射。参考源2发射参考辐射9，其具有预定波长λR10。通过参考光纤3的纤芯5向激光二极管4引导参考辐射9。通过参考光纤3的纤芯5引导到激光二极管4的参考辐射9在预定波长λR10处具有功率11，功率11大于激光二极管4的注入锁定阈值Pth180。
将功率11布置成大于注入锁定阈值Pth180确保了激光二极管4与参考源2是注入锁定的。注入锁定迫使激光二极管波长λLD181变得基本等于预定波长λR10。可以通过试验确定针对特定应用的最优量功率11。通常，功率11比注入锁定阈值Pth180高得越多，激光二极管4注入锁定就越快。优选在打开激光二极管4之前或打开时由激光二极管4接收参考辐射9，因为这样能够具有以下效果：降低注入锁定阈值Pth180并减少激光二极管4变得注入锁定所花的时间。
激光辐射8和参考辐射9被视为通过第一和第二透镜12和13耦合到参考光纤3中。
参考源2和激光二极管4能够彼此独立地激射。为了使激光二极管4注入锁定，优选激光二极管4接收的功率11处于激光二极管4发射的激光辐射8功率的至少0.5％。参考辐射9在从参考源2传播到激光二极管4期间经历第一损耗15。参考源2使得第一损耗15和参考源2在预定波长λR10处发射的功率之积应当为激光二极管4发射的激光辐射8功率的至少0.5％。在很多激光二极管4中，优选参考源2使得这个乘积至少为1％。在一些激光二极管4中，更优选参考源2使得这个乘积至少为5％。这些值确保激光二极管4上入射充分多的参考辐射9，以便对其进行可靠而重复的注入锁定。优选地，将激光设备1设计成使第一损耗15最小化，以便使激光二极管4接收的参考辐射9最大化。
可以将第二损耗16定义为从激光二极管4传播到参考源2期间激光辐射8经受的损耗。激光设备1可以使得第二损耗16和激光二极管4发射的激光辐射8的功率之积至多为参考源2发射的参考辐射9的功率的10％。优选地，激光设备1使得该乘积至多为5％，更优选地至多为1％。这些值确保了激光辐射8不会损伤参考源2。优选地，将激光设备1设计成增大或最大化第二损耗16，以便使参考源2接收的激光辐射8最小化。
利用分离模块14将激光辐射8与参考辐射9分离来提供激光输出17。分离模块14有助于防止激光辐射8损伤参考源2。分离模块14能够包括耦合器、反射体、光栅、空间滤波器、光学开关、光学调制器、声光调制器、隔离器和吸收器中的至少一种。优选地，分离模块14使得激光输出17的功率至少为激光二极管4发射的激光辐射8的功率的60％。更优选地，分离模块14使得激光输出17的功率至少为激光辐射8的功率的90％或至少95％。这是有利的，因为这使得大部分激光辐射8可用于泵浦放大器和激光器。
图1中所示的分离模块14是包括孔径19的空间滤波器18，参考辐射9能够通过该孔径19。空间滤波器18能够反射未通过孔径19的激光辐射8。大孔径19增加了将通过的激光辐射8和参考辐射9的量，并减少了激光输出17中的激光辐射8的量。希望减小孔径19的尺寸以增大激光输出17中激光辐射8的量，这个量允许充分多的参考辐射9通过孔径10以便对激光二极管4进行注入锁定。
图2示出了激光设备20，其中分离模块14为耦合器21，将来自参考光纤3的纤芯5的参考辐射9耦合到参考光纤3的第一包层6。耦合器21可以是闪耀光纤布拉格光栅28，将纤芯5中传播的正向波耦合到第一包层6中传播的后向行波中。可以将闪耀光纤布拉格光栅28视为反射体，该反射体将沿纤芯5传播的参考辐射9反射成在第一包层6中传播的参考辐射29。如图2的凹痕中所示，闪耀光纤布拉格光栅28可以包括处于光学纤维3纤芯5中或附近的个体光栅刻线27。可以将闪耀光纤布拉格光栅28设计成反射具有预定波长λR10的参考辐射9。可以通过将光敏光纤以一定角度放入利用紫外光获得的干涉图案中来制造闪耀光纤布拉格光栅。
图2还示出了耦合器22，用于组合来自激光二极管4的激光辐射8和来自参考源2的参考辐射9。激光辐射8被示为通过光学纤维24从激光二极管4引导到耦合器22。光学纤维24优选是多模光纤，其可以是具有低折射率涂层的纯二氧化硅纤芯光纤。这样的光纤通常用于引导光纤激光器和固态激光器中的泵浦辐射。参考光纤3能够通过耦合器22从耦合器21延伸到参考源2。更方便地，参考光纤3终止于耦合器22之内或附近，通过光学纤维23将参考辐射9引导到耦合器22，光学纤维23可以是单模或多模光纤。可以提供包层模消除器26以消除可能在光学纤维23包层中传播的激光辐射8。或者，或此外，光学纤维23可以是具有高折射率涂层的标准单模或多模光学纤维，用于消除包层模式。消除可能在光学纤维23包层中传播的激光辐射8是有益的，因为这样增大了第二损耗16(参考图1所示)，由此减小了激光二极管4损伤参考源2或使其不稳定的风险。耦合器22可以是功率组合器。功率组合器组合来自3、7或19根光纤的辐射，由美国新泽西州Somerset的OFS Specialty Photonics Division of FurukawaElectric North America Inc.销售，用于光纤激光器和光放大器中。这样的功率组合器可以具有单模波导管作为输入纤维之一(例如，光纤23)，可以具有单个双包层光纤，其包含单模波导作为输出光纤(例如，参考光纤3)。可以使用这样的功率组合器组合来自1和18个激光二极管4之间或优选2、6或18个激光二极管4的激光辐射8与来自参考源2的参考辐射9。参考光纤3的远端25提供激光输出17。远端25可以被倾斜劈开，以减少反向反射光，或连接到或熔融结合到另一个光纤。
图3示出了包括波分复用器34的激光设备30。波分复用器34用于组合参考辐射9和具有波长λS32的信号31。通过光学纤维33向波分复用器34输入信号31。将信号31和参考辐射9与耦合器22中的激光辐射8组合。耦合器21使得其将来自参考光纤3的纤芯5的参考辐射9耦合到参考光纤3的第一包层6，从参考光纤3将其引导到激光二极管4。耦合器21将信号31和激光辐射8传递到放大光纤35。放大光纤35由激光辐射8泵浦，放大信号31并发射放大的信号36。放大光纤35被示为在接头37处熔融结合到参考光纤3。
图4示出了激光设备40，其中分离模块14为复合光纤41，包括参考光纤3和第二光纤42，它们沿其长度的至少一部分彼此光学接触。光学接触表示由参考光纤3的第一包层6引导的激光辐射8能够耦合到第二光纤42中。参考光纤3和第二光纤42共享同样的第二包层7，其可以是低折射率聚合物。沿着参考光纤3的纤芯5将参考辐射9引导到激光二极管4，由此对激光二极管4进行注入锁定。沿着参考光纤3的第一包层引导激光辐射8并将其耦合到第二光纤42中。然后沿着第二光纤42引导激光辐射8以形成激光输出17。交叉耦合到第二光纤42的激光辐射8的比例将近似等于第二光纤42的截面积与第二光纤42和参考光纤3截面积之和的比率。于是，如果第二光纤42与参考光纤3具有相同截面积，那么大致一半的激光辐射8将交叉耦合。为了防止激光辐射8到达参考源2，因此希望吸收光纤23涂层之内未交叉耦合的激光辐射8，或更优选地，利用包层模消除器26消除激光辐射8。为了从参考光纤3向第二光纤42耦合更高比例的激光辐射8，希望使得第二光纤42的截面积大于参考光纤3的截面积。不过，这降低了第二光纤42中传播的激光辐射8的亮度。或者，或此外，可以如图5中所示使用两个或更多分离模块14，可以调节其相对长度，以便调节从每者发射的相对激光辐射17。
图6示出了激光设备60，其中分离模块14为复合光纤61。复合光纤61包括彼此光学接触的参考光纤3和放大光纤35。放大光纤35和参考光纤3共享第二包层7，其可以是聚合物涂层，优选在制造期间拉制复合光纤61时涂布聚合物涂层。可以使用交叉耦合到放大光纤35的激光辐射8泵浦放大光纤35。放大光纤35对激光辐射8的吸收减少了沿复合光纤61传播的激光辐射8的量。通过选择复合光纤61的长度(例如，通过计算或通过切回试验)，能够吸收至少90％的激光辐射8，优选至少95％。参考光纤3中的任何剩余激光辐射8优选由包层模消除器26吸收或散射。替代地或此外，剩余的激光辐射8可以被光纤23中的包层，例如高折射率聚合物涂层吸收或散射。
在美国专利No.6826335中描述了制造复合光纤41和61的设备和方法，在此通过引用将该专利并入。
放大光纤35可以是图7中所示的放大光纤70。放大光纤70包括纤芯71、至少一个包层72和至少一种稀土掺杂剂73。纤芯71可以位于包层72中心，或有偏移。包层72可以是圆形或非圆形的。稀土掺杂剂73被示为位于纤芯71之内。替代地或此外，稀土掺杂剂73可以位于包层72中。稀土掺杂剂73可以从包括镱、铒、钕、镨、铥、钐、钬、铽和镝构成的组中选择。放大光纤70优选涂有聚合物涂层，例如参考图6所示的第二包层7。纤芯71的折射率高于包层72的折射率，包层72的折射率高于聚合物涂层的折射率。包层72的目的是引导激光辐射8，使得激光辐射8被稀土掺杂剂73吸收。可以结合图1到6中所示的设备使用放大光纤70。可以对放大光纤70进行共同泵浦或相对泵浦。
放大光纤35可以是参考图8所示的放大光纤80。放大光纤80可以包括基部81。基部围绕纤芯71，其折射率低于纤芯71的折射率，但高于包层72的折射率。基部81的目的是引导例如因为弯曲或背反射而逃逸纤芯71的光学辐射，由此减少可能传播到激光二极管4或参考源2的辐射量。
放大光纤35可以具有固体纤芯71和固体包层72(如参考图7和8所示)，或者是所谓的多孔光纤，其具有由包层72中纵向延伸的孔界定的纤芯。放大光纤35可以是单模光纤，大模式面积光纤或多模光纤。替代地或此外，放大光纤35可以是保偏光纤。
复合光纤61可以是参考图9所示的复合光纤91。复合光纤91包括由第二包层7围绕的参考光纤3和放大光纤80。
图10示出了复合光纤91在图9所示截面的水平轴上的折射率分布100。参考光纤3和放大光纤80由虚线101视为接触。纤芯5具有折射率n1103，第一包层6具有折射率n2104，第二包层7具有折射率n3105。在该图中假设放大光纤80的包层72的折射率基本与参考光纤3的第一包层6的折射率相同。为了辅助从参考光纤3向放大光纤80传送激光辐射8，这是优选的。基部81的折射率nped107大于包层72的折射率。纤芯71的折射率nco106大于基部81的折射率nped107。放大光纤80的直径优选小于参考光纤3的直径，以便尽可能地保持激光辐射8的亮度。更高的亮度使得更短放大光纤具有相同吸收，这又导致非线性效应减小，例如自相位调制、受激布里渊散射和受激拉曼散射。
可以布置激光二极管4以共同泵浦放大光纤35，如参考图3所示，其中激光辐射8与信号31沿相同方向(左到右)沿放大光纤35传播。替代地或此外，可以布置激光二极管4以反向泵浦放大光纤35，如参考图6所示，其中激光辐射8与信号31沿相反方向沿放大光纤35传播。
图1到6中所示的参考源2可以是参考图11所示的半导体激光器110。如参考图11所示，可以由反射器111稳定半导体激光器110发射的参考辐射9。反射器111在波长λB112处反射光，该波长优选等于预定波长λR110。反射器111优选为光纤布拉格光栅。优选地，参考源2在耦合到光纤23的单横模中发射参考辐射9。光纤23优选是单模光纤。参考光纤3优选是单模光纤。
参考源2可以是两个半导体激光器，对它们进行偏振复用，以提供单一输出；这对于增大激光二极管4接收的参考辐射9的量有用，尤其是如果仅半导体激光器之一注入锁定无法实现或不可靠时。替代地或此外，参考源2能够包括光放大器，用于放大参考辐射9。在需要对很多激光二极管4进行注入锁定时这尤其有用。
参考源2可以是分布反馈半导体激光器或分布反馈光纤激光器。参考源2可以是具有外腔的半导体激光器或者可以由etelon或光栅稳定。参考源2也可以是不同类型的激光器，例如气体激光器或固态激光器。
图12示出了激光二极管源121，其包括三个激光二极管4，由功率组合器122将其输出组合到一起。激光二极管4优选是向光纤123中发射具有波长λLD124的多模激光辐射8的半导体激光二极管。利用功率组合器122将多模激光辐射8组合在一起并通过光学纤维24输出。功率组合器组合来自3、7或19根光纤的辐射，所述光纤由美国新泽西州Somerset的OFSSpecialty Photonics Division of Furukawa Electric North America Inc.销售，用于光纤激光器和光放大器中。替代地或此外，激光二极管4可以是二极管条或二极管堆。
图13示出了对于参考图7所示利用稀土掺杂剂73掺杂的典型放大光纤70波长131的吸收130变化。有峰值吸收波长为132的吸收峰133。对于掺镱的光纤，峰值吸收波长132大约为976nm，吸收峰133大约为5nm宽，比915nm附近的更宽吸收峰134窄得多。通过将预定波长λR10匹配到吸收峰133，能够对激光二极管4进行注入锁定，使得激光二极管4发射的激光辐射8具有匹配到吸收峰133的输出波长124。通过选择反射波长112等于峰值吸收波长132的光纤布拉格光栅，可以在图11中所示的设备中实现这个目的。
可以选择预定波长10以减少放大光纤35中的热耗散。可以通过减小预定波长λR10和信号波长λs32之间的波长分隔实现这个目的。例如，在掺镱光纤中，可以选择预定波长λR10为1030nm，可以选择信号波长λs为1060nm。这样的选择将导致放大光纤35中比在976nm泵浦更小的热耗散。通过选择布拉格反射波长λB112等于预定波长λR10的光纤布拉格光栅，可以在图11中所示的设备中实现这个目的。因此能够将设备110用作参考图1到6所示设备之一中的参考源2。
对于激光二极管4被一次性或反复开关的设备，可以保持参考源2连续打开，以确保每次打开激光二极管4时都有参考辐射9。或者，可以在打开激光二极管4之前打开并优选稳定参考源2。任一种解决方案都具有迅速使激光辐射8稳定的优点(使激光二极管4注入锁定)。
图14示出了光放大器140形式的激光设备。放大光纤35为掺镱光纤。峰值吸收波长132大约为976nm。预定波长10优选为976nm，以便确保放大光纤35中镱掺杂对激光辐射8的吸收最大。
参考源为半导体激光器110，即由反射器111进行波长稳定的单模激光器。反射器111可以是光纤布拉格光栅，其在预定波长λR10(在本范例中为976nm)具有峰值反射率，带宽在大约0.1nm到5nm范围内，反射率在2％到20％范围内。半导体激光器110经过反射器111进行波长锁定，发射在大约976nm的参考辐射9。优选地，利用热电冷却器(常常包括在半导体激光器110的封装之内)对半导体激光器进行温度稳定。半导体激光器110优选利用光电二极管(常常包括在半导体激光器110的封装之内)作为功率监视器进行输出功率稳定。半导体激光器110向光纤23中发射大约100mW到1W的输出功率。典型地，光纤23为单模光纤，模场直径大约为6μm，数值孔径大约为0.14，第二模式截止大约为900nm。光纤23可以是保偏光纤。
将光纤23接合到形成复合光纤61的一部分的参考光纤3。参考光纤3具有纤芯5，其将参考辐射9引导到光纤24。纤芯5优选与光纤23具有类似模场直径，以便使接头损耗最小化。利用参考光纤3之内的纤芯5，可以沿着复合光纤3引导参考辐射9，而不会被放大光纤35之内的稀土掺杂剂73吸收。
激光二极管4是多模泵浦二极管，每个都向光纤123中发射大约10W的激光辐射8。光纤123的二氧化硅纤芯直径为105μm，数值孔径处在0.16到0.22的范围中。优选地，激光二极管4温度受到控制。
功率组合器122为三到一功率组合器，其中将沿三个多模光纤123传播的功率组合成光纤24。光纤24优选为多模光纤，具有二氧化硅或掺杂二氧化硅纤芯，数值孔径大约为0.22。
优选地，多模光纤24在其大的二氧化硅纤芯之内不包含单模或少模纤芯。因此，从参考光纤3耦合到多模光纤24的参考辐射9以大致相等的功率传播到每个激光二极管4。认真管理接头损耗，能够将大约100mW到200mW的参考辐射9耦合到每个激光二极管4，这大约是每个激光器发射的10W激光辐射8的1％到2％。这样的功率足以对激光二极管4进行注入锁定，使得它们在预定波长λR10处发射激光辐射8，可以将预定波长设置在放大光纤35的峰值吸收波长132。
将激光辐射8耦合到参考光纤3的第一包层6，由此其耦合到放大光纤35并被镱掺杂剂吸收。可以由包层模消除器26和/或光纤23上的聚合物涂层消除激光辐射8的任何未吸收功率，该涂层优选具有比二氧化硅折射率更高的折射率。应当指出，一些激光辐射8将从光纤24耦合到参考光纤3的纤芯5中。该比例将大致等于能够在纤芯5中传播的导模数量与光纤24中传播的模式数量之比。该比例将是小数字，因此激光二极管4损伤激光器110的可能性非常小。
对耦合到放大光纤35的纤芯71中的光信号31进行放大以产生放大的输出信号36。
优选地，对于高峰值功率放大器(峰值功率大于约100W，优选大于5kW)，例如脉冲激光器而言，放大器140是反向泵浦的，如图14中所示。反向泵浦使得诸如自我相位调制的非线性效应最小化，还减小了信号31，或放大的信号36(例如来自背反射)在弯折和扭结中从纤芯5逃逸，损伤参考源2或激光二极管4之一的风险。更优选地，放大光纤35包含参考图8所示的基部81，以便进一步减小信号31或放大信号36向参考源2或激光二极管4传播并损坏它们之一的可能性。
可以为具有更高平均功率的放大器使用额外的泵浦二极管4。从诸如美国新泽西州Somerset的OFS Specialty Photonics Division of FurukawaElectric North America Inc.的多个供应商可以获得输入光纤123与输出光纤24(无纤芯)之比为3：1、7：1、12：1、19：1的多模光纤功率组合器122。随着激光二极管4数量或功率增加，将向它们中注入按比例减小的参考辐射9。可以利用偏振组合以组合来自两个半导体激光器110的输出功率，或利用光放大器实现功率增大。
图14中所示的放大器140这样解决了波长控制和多模激光器泵浦二极管可重复性差的问题，即装置间±10nm的差波长重复性，强烈取决于温度的波长(0.3nm/K)和功率对波长的强烈依赖性(1nm/W)。
上文已经仅通过举例方式参考图14描述了光放大器形式的激光设备。可以利用图1到5所示的激光设备设计等效装置。
本发明能够在其峰值吸收波长132处泵浦稀土掺杂剂73。这允许放大的光信号36具有高光束质量和高峰值功率，从而具有最佳的材料处理能力而不会在高功率光学辐射放大期间迫使高光强在纤芯之内。这样允许使用更短的光纤长度以避免不希望有的光学非线性。由于平均功率10W到50W且峰值功率超过5kW的脉冲光纤激光器中的自我相位调制和受激布里渊散射，这对于减小脉冲失真尤其有用。在功率水平超过100W、400W或1kW或更优选超过4kW的高功率单模或少模(V值小于10，或光束质量M在2到大约20范围中)连续波激光器中，这对于减小诸如受激拉曼散射的非线性效应也是有用的。
现在参考图15，示出了激光设备150。激光设备150包括具有激光输出17的波长稳定源151。激光输出17可以泵浦放大模块152，放大模块152可以是放大光纤35。或者，放大模块152可以是放大棒，例如棒状激光器中使用的放大棒，或放大盘，例如盘形激光器中使用的放大盘，放大器、光纤激光器、棒状激光器、盘状激光器或激光器。波长稳定源151包括参考源2、激光二极管4和分离模块14。本发明尤其适用于注入多模激光二极管。图1到6和14中示出了波长稳定源151的范例。
本发明的一些优点是可以从利用高度稳定的光纤布拉格光栅进行波长锁定的单模发射器导出参考辐射9，可以布置参考辐射9以在打开激光二极管4时存在，可以使用低成本可靠的“单发射器”多模泵浦二极管。于是本发明提供了一种对多模激光二极管进行快速且简单的注入锁定的模块，并在这样做的同时，提供具有高功率(大于激光辐射8功率的60％，更优选地，大于90％或95％)的激光输出17，通过选择参考源2的预定波长10界定的注入锁定波长有很宽选择。适当的预定波长10包括：稀土掺杂光纤激光器、棒状激光器或盘状激光器的峰值吸收波长；在光纤激光器、棒状激光器或盘状激光器中减少或优选最小化热耗散的波长；以及优化光纤激光器、棒状激光器之内效率的波长。这些特征与实现光纤激光器、棒状激光器和盘状激光器中快速过程控制所需的波长锁定泵浦的快速调制率一致。此外，它允许以更高的效率和更小的放大器光纤长度实现这样快速的调制率，其组合导致可从放大器光纤实现更低的非线性效应(例如自我相位调制)和/或更高的峰值功率。
应该认识到，仅仅通过举例的方式给出了上文参考附图描述的本发明实施例，可以提供修改和额外成分以增强性能。本发明扩展到分离的上述特征或其任何组合。

Claims (15)

1.一种激光设备，包括参考源、参考光纤和至少一个激光二极管，其中所述参考光纤包括折射率为n1的纤芯以及折射率为n2的第一包层，所述折射率n1大于所述折射率n2，所述参考源通过所述参考光纤的所述纤芯耦合至所述激光二极管，以便对所述激光二极管进行注入锁定，所述设备的特征在于，所述第一包层被折射率为n3的第二包层围绕，所述折射率n2大于所述折射率n3，由此所述激光二极管发射激光辐射，通过所述参考光纤的所述第一包层引导所述激光辐射。
2.根据权利要求1所述的激光设备，其中所述参考源发射具有预定波长并且在所述预定波长处具有功率的参考辐射，并且其中所述参考源使得其在所述预定波长处的功率与所述参考辐射从所述参考源传播到所述激光二极管期间经受的第一损耗之积至少为所述激光二极管发射的所述激光辐射的功率的0.5％。
3.根据权利要求1或2所述的激光设备，其中所述参考源发射具有预定波长并且在所述预定波长处具有功率的参考辐射，并且其中所述激光辐射在从所述激光二极管传播到所述参考源期间经受的第二损耗使得所述第二损耗与所述激光二极管发射的所述激光辐射的所述功率之积小于所述参考源发射的所述参考辐射的功率的10％。
4.根据权利要求1或2所述的激光设备，包括耦合器，用于将所述参考辐射从所述纤芯耦合到所述参考光纤的所述第一包层。
5.根据权利要求4所述的激光设备，其中所述耦合器为闪耀光纤布拉格光栅。
6.根据权利要求1或2所述的激光设备，包括波分复用器。
7.根据权利要求1或2所述的激光设备，包括放大模块。
8.根据权利要求7所述的激光设备，其中所述放大模块为放大光纤。
9.根据权利要求8所述的激光设备，其中所述参考光纤和所述放大光纤沿其长度的一部分光学接触，使得由所述参考光纤的所述第一包层引导的激光辐射能够耦合到所述放大光纤中并且泵浦所述放大光纤。
10.根据权利要求8所述的激光设备，其中所述放大光纤包括基部。
11.根据前述权利要求8所述的激光设备，其中所述放大光纤包括至少一种稀土掺杂剂。
12.根据前述权利要求8所述的激光设备，其中所述激光二极管被布置成反向泵浦所述放大光纤。
13.根据权利要求1或2所述的激光设备，其中所述参考光纤为单模光纤。
14.根据权利要求1或2所述的激光设备，其中所述激光二极管为多模激光二极管。
15.根据权利要求1或2所述的激光设备，包括多个激光二极管，其中由组合器组合所述激光二极管。
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