CN103858293A - 利用单模钕光纤泵浦源的高功率单模镱光纤激光器系统 - Google Patents

利用单模钕光纤泵浦源的高功率单模镱光纤激光器系统 Download PDF

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Abstract

发射具有高斯强度轮廓的实质上衍射受限光束的高功率光纤激光器系统包括：单模“SM”钕光纤泵浦源，输出SM泵浦光；种子激光器，操作用于在大于泵浦光波长的波长下发射SM信号光；SM DWM，接收和复用SM泵浦光和信号光。所公开的系统还包括辅助放大光纤放大器，所述辅助放大光纤放大器配置有：截头锥形的镱“Yb”掺杂芯区，接收泵浦光和信号光、并且配置有小直径输入端和大直径输出端，所述小直径输入端只支持SM，所述大直径输出端能够支持SM以及高阶模式“HOM”。所述辅助放大器还包括包层，包围所述芯区并且与所述芯区共同延伸，所述芯区配置为使泵浦光和信号光的SM的强度轮廓彼此重叠，使得沿芯区的整个长度的重叠积分实质上等于一(1)。所述光信号的SM从泵浦光的SM提取实质上整个能量，留下了HOM无需进行放大，不会影响在MW峰值功率范围和几百瓦平均功率范围的系统的实质上衍射受限光束的质量。

Description

利用单模钕光纤泵浦源的高功率单模镱光纤激光器系统
技术领域
本公开涉及一种配置有短的有源光纤来发射单模高峰值/平均功率明亮输出的光放大器，并且涉及一种单模高功率光纤激光器系统，所述单模高功率光纤激光器系统合并了光放大器、并且操作用于发射超明亮高功率单模脉冲或连续波(“CW”)发射。
背景技术
包括镱(“Yb”)、铒(“Er”)和其他稀土离子掺杂光纤的光纤激光器系统是高效率、有成本效益、紧凑且结实的光发射和光放大器件。其中，由于其优良的效率和长期稳定性，Yb和Er连续波(CW)和脉冲光纤激光器系统主要支配了工业光纤激光器市场。
稀土掺杂光纤激光器和放大器代表耐用、高效且紧凑的光源，能够发射高度受控光谱质量的高质量光束。然而，由这些源产生的输出功率受到寄生非线性光学效应(“NLE”)的限制。
非线性效应(“NLE”)包括受激布里渊散射和拉曼散射(SBS和SRS)、自相位调制和交叉相位调制(SPM和XPM)以及四波混频(FWM)。这些效应的共同起源是：
光纤芯区中的高光学强度；以及
用于光纤内光束和光纤材料之间(例如硅石)之间的非线性相互作用的长光程，即较长的光纤。
在高功率连续波和高峰值功率脉冲光纤激光器系统中集成的掺杂光纤中都观察到了这些效应。其中，在高功率脉冲激光器的场景中，NLE引起了不想要的光谱展宽和脉冲时间轮廓的失真。
不同的NLE具有多种共性。例如，非线性效应表现的光学阈值功率与光纤芯区面积成正比、并且与光纤长度成反比。换句话说，当光纤长度增加并且芯区直径降低时，NLE的阈值功率逐渐变低。因此对于高功率，总是存在对于大芯区直径和短光纤长度的需要。
将支持可能具有单模的光传播的光纤称作单模(“SM”)光纤，而将支持多横模辐射的那些光纤称作多模(“MM”)光纤。SM光纤发射针对具有阶跃折射率分布的高斯强度形状的最高光束质量。
在MM阶跃折射率光纤的芯区支持的多个模式中，最大功率的基模具有与高斯类似的轮廓。高阶模式(“HOM”)的特征在于与高斯轮廓不同并且彼此不同的响应光强度轮廓。对于给定的阶跃折射率，光纤支持的横模个数与芯区面积成正比。因此，大芯区光纤倾向于是多模的(“MM”)、并且当激励模式时，大芯区光纤发射具有小于SM光纤的光束质量。光束的质量对于高功率光纤激光器系统的许多工业和科学应用是重要的，所述高功率光纤激光器系统包括具有较大光纤芯区直径的MM有源光纤。为了满足质量要求，MM芯区可以配置为实质上只支持基模。
通过已知的现有技术详尽地分析上述非线性效应(“NLE”)。提供减小横模个数的技术之一包括在美国专利No.6,496,301中公开的弯曲损耗感应模式选择，将其全部合并在此作为参考。另一种技术包括由IPG光子有限公司研发的直接结合为SM光纤和MM光纤的模式匹配激励。这两种技术都广泛且成功地用于高功率光纤激光器系统(“HPFLS”)中。然而，由于增加高功率的需要，现代的光纤放大器不利地接近由于有害NLE导致的限制。
为了将在具有kW-MW范围内输出的HPFLS集成的掺杂光纤中不需要的NLE的存在最小化，需要将稀土离子掺杂光纤配置有：
1.最小光学长度，所述最小光学长度希望接近光学棒的长度，所述光学棒是提供实际上不具有弯曲损耗的SM光束的无干扰传播的短直光学部件；以及
2.基模的最大可能MFD以减小光，并且因此增加NLE阈值。
就发明人的知识所及，在超高平均和峰值功率光纤放大器中最常用的光纤设计不能适当地满足上述要求。
掺杂光纤的长度也影响基模的质量。当基模通过几米长的光纤传播时，由于MM光纤的弯曲，其倾向于模式重心(mode center gravity)的偏移。作为其结果，降低了模式面积。当对掺杂长光纤泵浦时，相应的泵浦模式和基模的强度轮廓之间的重叠变差，允许实质上只有基模的放大。因此，最初没有放大的HOM开始对输出光束的质量进行平衡，因为将基模的功率损耗传递至HOM。因此，非常需要这种重叠(称作重叠积分)沿光纤的整个长度尽可能接近1。清楚的是，在具有不超过几十厘米的光纤中易于实现后一种情况。
已经建立SM操作中对于MM HPFLS中的光纤结构的需要，下一个步骤是在具有测量为不大于几十厘米的长度的光纤放大器中产生和吸收高功率泵浦光。一种可能性包括增加掺杂剂浓度。但是不能不合逻辑地将掺杂剂浓度增加到一定级别。例如，即使在当前已知的最大实际掺杂剂浓度水平下，在1060nm波长的双包层Yb掺杂光纤典型地达到几米。因此，这种光纤长度产生了针对低NLE阈值功率的有利条件。另外，尽管可以在这种结构中使用高功率MM激光二极管，已知的是它们的输出不够明亮；而许多已知的工业应用要求高亮度光束。
当然，包括将SM泵浦光激励到光纤芯区总的端面-芯区泵浦技术改进了泵浦光亮度和吸收。然而如激光器领域的普通技术人员已知的，即使最大功率的当前可用的SM激光二极管单独地也不足以产生所需大功率的泵浦光，用于HPFLS操作用于发射MW峰值以及几百W的平均功率输出。
因此，存在对于Yb掺杂光纤放大器的需要，所述Yb掺杂光纤放大器操作用于发射在约976-1030nm波长范围内具有kW-MW功率范围的平均和峰值功率的SM光束。
存在对于基于掺杂光纤的Yb掺杂光纤放大器的另一种需要，所述掺杂光纤不大于几厘米长，并且因此配置用于防止在低阈值功率下的NLE的产生。
存在对于钕(“Nd”)光纤泵浦源的另一种需要，所述钕光纤泵浦源操作用于在所需的910-960nm波长范围内具有最高至几百瓦的SM明亮泵浦信号。
存在对于端面泵浦结构的另一种需要，所述端面泵浦结构包括上述的Nd光纤泵浦源和Yb光纤放大器。
存在对于Yb光纤放大器和SM Nd泵浦源的另一种需要，所述Yb光纤放大器和SM Nd泵浦源配置为使得眼Yb掺杂光纤的整个长度，在激励到Yb掺杂光纤的芯区端面的泵浦模式和在激励泵浦光时在Yb光纤中激励的单模/基模之间的重叠积分实质上等于1。
仍然存在对于超高功率系统的另一种需要，所述超高功率系统配置有：辅助放大器(booster)，具有短直掺杂光纤，并且能够将信号光放大为所需波长范围内的kW-MW范围；SM泵浦源，所述SM泵浦源发射λp波长的泵浦光；种子激光器，所述种子激光器发射λs波长的信号光，λs＞λp；以及SM光纤波分复用器(“WDM”)，从辅助放大器的上游对信号光和泵浦光进行组合。
发明内容
通过公开的合并了光纤放大器(也称作辅助放大器，在多级联光纤放大器系统中的最后功率最大的放大级)的光纤放大器和高功率光纤激光器系统来满足这些和其他需要。所公开的光纤激光器系统配置为在976-1030nm波长范围内按照单模发射MW输出峰值功率以及至少几百W的输出平均功率。
光纤放大器包括：沿纵轴延伸的Yb掺杂波导，例如光纤棒；以及SM Nd光纤泵浦源，发射优选地在910-960nm波长的最高几百瓦的SM泵浦光，将所述泵浦光耦合到光纤芯区的输入端。
所述放大器还配置有短直Yb掺杂光纤棒，所述光纤棒具有单片芯区以及包围芯区并且与芯区共轴地延伸的包层。所述芯区配置有通常为截头锥形的伸长截面，所述截面朝着Yb掺杂光纤的较大直径输出端外倾。将芯区的输入端区域构造为只支持SM，而芯区输出端区域可以支持基模和几个HOM。
Yb掺杂光纤棒配置为使得SM泵浦模式和芯区基模沿整个短光纤长度彼此重叠，使得重叠积分实质上等于1。因此，即使沿芯区的长度激励几个HOM，实际上只对激励的SM基模进行放大，使得HOM的存在相当于假想的低噪声级别。此外，HOM不但保持未放大，而且它们是饱和的，使得从输出芯区端面发射的光束近似在约976-1030nm波段中限制的近似衍射。因此，所公开的结构不必使用所谓的中心掺杂。
所公开的超高功率系统具有辅助放大器，所述辅助放大器包括上述Yb放大器和SM Nd光纤激光源，一起限定了端面泵浦结构。所述系统还包括SM种子激光器，所述SM种子激光器在大于Nd泵浦波长的波长下发射SM信号光。像泵浦信号一样，将种子信号也发射到Yb放大器的芯区输入中。将SM泵浦信号和种子信号耦合到Yb掺杂芯区中是通过SM光纤波分复用器(“DWM”)实现的，所述SM光纤波分复用器操作用于将通过无源SM光纤传输到芯区端面的两个信号进行组合，使得相应的泵浦模式和激励的单模的高斯轮廓沿Yb掺杂光纤的整个长度完全重叠。
附图说明
根据伴随附图的另外特定描述，以上和其他特征和优点将变得更加易于理解，其中：
图1是根据本公开配置的高功率光纤激光器系统(“HPFLS”)的刚学示意图。
图1A说明了图1所示的HPFLS的Yb掺杂光纤的实施例。
图2说明了光纤芯区的阶跃折射率和所公开的图1所示的Yb掺杂光纤芯区中共同传播的信号光和泵浦光的基模的强度轮廓。
图3说明了图1的HPFLS的泵浦源的概略结构。
图4是计算机产生的曲线，说明了分别在图1和图1A中所示的放大器中的基模LP01和两个HOM LP11和LP02的输出功率。
图5说明了所公开的放大器的总效率和基模LP01的效率根据D00：D0i的展开系数的计算机产生曲线，其中D00和D0i是掺杂芯区的内部区域和外部区域的相应外径。
图6说明了寄生拉曼信号的放大率根据展开系数的计算机产生曲线。
图7示出了对数尺度的寄生拉曼信号的放大率根据Yb离子浓度的计算机产生曲线。
图8说明了寄生拉曼信号百分比对于展开系数的依赖性的计算机产生曲线。
图9说明了寄生拉曼信号对于Yb离子浓度的依赖性的计算机产生曲线。
图10示出了基模LP01以及HOM LP11和LP02的输出功率根据波长的计算机产生曲线。
图11说明了dB尺度的基模LP01以及HOM LP11和LP02的放大率的计算机产生曲线。
图12示出了对数尺度的寄生拉曼信号的放大率根据信号波长的计算机产生曲线。
图13说明了图1和图1A的放大器的总效率根据泵浦波长的计算机产生曲线。
具体实施方式
现在对附图中说明的本公开的几个实施例进行参考。在可能的情况下，在附图和描述中使用相同或类似的参考数字来表示相同或类似的部件。附图是简化形式并且没有精确按比例绘制。
图1说明了按照CW或脉冲方式使用的高功率SM光纤激光器系统10，并且操作用于在约976-1030nm波长范围内以kW-MW的尺度发射单基模输出。因此，系统10是超高功率结构，操作用于发射高亮度的实质上衍射受限的光束，并且由于下面所公开的Yb光纤放大器或辅助放大器12以及单模Nd光纤激光器泵浦源14的几何形状而具有紧凑的结实结构。
Yb光纤放大器/辅助放大器12配置有有源光纤棒16，所述有源光纤棒具有Yb离子掺杂芯区18和芯区周围的盖层20。这里所使用的光纤棒是光波导，所述光波导厚度足以当释放时保持其形状。光纤棒16不超过50厘米长，并且在特别有利的结构中，光纤长度约在5厘米和30厘米之间。光纤棒16是单片、锥形且笔直的。包层20可以具有与芯区18类似的截面，或者可以沿光纤棒16的整个长度配置有均匀的外径。将辅助放大器封装在外壳50中，例如光纤激光器头。芯区18的输入端和输出端小到足以接合到其他光纤。
Yb光纤棒16配置为在MW尺度的峰值功率下保持实质上单横模操作。因为光纤棒16是短直的并且具有沿整个光纤长度与泵浦模式完全重叠的基模的较大模场直径，获得了这些高功率级别，如下所述。
由于如下所述的1.光纤棒的几何形状以及2.端面-芯区泵浦结构，光纤棒16配置用于发射实际上衍射受限的输出光束。光纤棒16的几何形状包括如果沿光纤棒16的中心纵轴观看时一起限定了截头锥状截面的多个区域。
因此，光纤棒16的Yb掺杂芯区18具有单模输入端区域22，所述单模输入端区域典型地具有配置有相应的均匀直径的芯区18和包层20。因此，通过发射到笔直芯区18的输入区域22中的SM泵浦信号只激励具有高斯强度轮廓的一个模式。泵浦模式和激发的单模都具有相应的匹配模场直径(“MFD”)和高斯强度轮廓的形状。为了增加基模的MFD，并且因此减小高的强度(同样对于产生NLD有贡献)，必须增加单模和泵浦模式的相应MFD。这是通过具有渐变锥形区域24的芯区18的几何形状来实现的，所述渐变锥形区域24绝热地展开，即在泵浦模式和激励单模的强度轮廓实质上完全彼此重叠的情况下，相应的泵浦模式和激励SM的MFD增加。这种重叠允许基模对于来自泵浦光的能量的最大可能提取，从而防止了沿过渡区域18的下游、并且进一步通过输出端区域26的整个长度的HOM的放大。换句话说，重叠积分沿光纤16的整个长度实质上等于1。输出区域26具有比输入区域22大的均匀直径，并且配置为支持几个模式。然而，因为短的长度以及单模和泵浦模式强度轮廓之间的上述重叠，芯区区域端区域26中的HOM激励的可能性是不可能的。
参考图1A，Yb掺杂光纤16的形状可以改变，然而保留其通常截头锥形截面。例如，Yb掺杂光纤可以配置有圆锥形本体，所述圆锥形本体具有在相对端之间延伸的过渡区域。由于SM泵浦光的芯区发射、约为1的重叠积分以及光纤16的尺寸，图1A所示的结构具有与图1的结构相同的放大机制。
分别参考图1和图1A的结构，Yb光纤16可以配置为使得在沿光路的某个点，基模停止展开，而芯区仍然扩大。换句话说，所述模式在比图1A所见的锥角β西奥小的角度下展开。在这种情况下，单模停止接触芯区的内边界。因此在这一点，将完全掺杂的部件52耦合至Yb掺杂光纤18的输出端，以便使峰值功率到甚至更高的MW级别。
图2说明了具有输出端区域26的芯区区域30的光纤棒16的阶跃折射率。在典型的条件下，甚至在像光纤棒16的这种短光纤中，这种较大的芯区能够对包含基模30和几个HOM32的几个模式进行波导导引。基模31具有高斯强度轮廓。HOM32(只示出了一个HOM)占据了芯区30的外围区域。看这幅图，清楚的是为了根本上将衍射受限输出光束的劣化最小化，不应该相应于泵浦光的发射来放大HOM。相反，应该最大地放大基模。
通过使相应的基模和泵浦模式31、34不但沿输入和过渡区域22、24，而且沿芯区的输出端区域26彼此实际上完全一致(约99％或更高)，根据本公开获得了最大地放大基模。换句话说，基模沿光纤棒16的整个长度从泵浦模式提取最大的能量，因为泵浦模式34的MFD和形状两者都匹配单模/基模30的相应MFD和形状。因此，沿光纤棒16的整个长度，重叠积分实质上等于一(1)。因此，将HOM减小到不会明显影响光束质量的可忽略噪声级别。
图3说明了包括Nd SM光纤激光器的泵浦源14的示例性结构。源14可以配置为具有Nd掺杂光纤36和泵浦光传输无源光纤38的增益模块。有源光纤36的芯区40可以被与芯区共同延伸的一个或多个包层包围。有源光纤36的几何形状，即沿光纤纵轴的相应芯区和包层的截面可以具有如PCT/US10/051743中公开的双瓶颈形截面，将其全部合并在此作为参考、并且共同由本申请所有。后者包括窄尺寸输入端区域、均匀尺寸的吸收中心区域或中间区域(具有比输入区域之一更大的面积Acore)以及将端区域和中间芯区桥接的截头锥面输入变换器区域。为了完成双瓶颈截面，芯区40还具有输出截头锥形变换器和端面区域。可以使用包括典型的均匀直径光纤芯区的芯区40的结构来代替所示的双瓶颈形截面，而不会影响辅助放大器12的性能。与结构无关，所公开的Nd掺杂激光器操作用于传输具有达到几百瓦的功率的超明亮SM泵浦光信号。
回到图1，系统10还包括种子激光源42，所示种子激光源反射范围在约976和1030nm之间的波长λs的单模信号光。种子源42可以配置为光纤激光器或半导体激光器。沿传输光纤43导引信号光，所述传输光纤可以有利地配置为保偏光纤(PMF)。注意：即使Yb掺杂光纤由于其几何形状而不是PM配置的，将在Yb掺杂光纤16中保持所需的偏振。
使用SM泵浦光，系统10可以利用单模WDM44，所述单模WDM44将信号光和泵浦管复用耦合到无源光纤46的芯区中，所述无源光纤将信号光和泵浦光传输至辅助放大器12的SM无源输入光纤48。WDM44优选地具有光纤结构，但是也可以是不同地构造的。尽管各个光纤48和16的几何芯区尺寸可以或可以不是均匀的，它们的强度轮廓具有实质上彼此匹配的MFD和形状。
在图示的外壳50中封闭系统10，所述外壳配置为保护光纤部件免受机械应力，并且调节尺寸使得Yb有源光纤16无弯曲地线性延伸。总之，由于光纤16的短光纤长度(可以小到约10厘米)，所述系统可以非常紧凑。
Yb掺杂光纤16可以具有不同的结构。例如，Yb掺杂光纤可以根据光子晶体技术实现。替代地，也可以使用具有约1毫米或以上直径的玻璃棒(体材料光学器件)。在后一种情况下，可以具有例如图1A所示几何形状的波导区域。如本领域普通技术人员所知道的，体材料光学器件中的NLE的功率阈值可以比光纤中的功率阈值高，允许峰值功率的进一步缩放。尽管棒中激励的HOM的个数可能相当多，在基模和泵浦模式彼此重叠的中央芯区中进一步去除了这些模式。结果，没有对HOM进行放大，从而实际上不会影响在棒的输出处限制的衍射。
对于在图4-13中反映的Yb掺杂放大器12中已经获得了大量实验数据。多种实验之一的特征在于光纤16通常具有.1cm长的输入区域22、1cm长的过渡区域24和15c长的外部区域26在内的瓶颈形状。尽管是非排除性示例，Yb光纤的上述几何形状说明了对于如下公开的放大器的一些趋势。
图4是分别说明了放大器12中基模LP01和两个HOM LP11和LP02的输出功率的曲线。容易看出与基模LP01相比，HOM LP11和LP02中非常小的功率。
图5说明了放大器12的总效率和基模LP01的总效率随确定为D00：Doi比率的展开系数的变化，其中D00和D0i分别是输入和输出区域22、26的相应外径。假设相应的输入和输出芯区的直径具有相同的比率。当展开系数增加时，两个效率都变差。基于其他参数和下文公开的趋势，发现至少对于这些实验所选择的放大器12的参数，3和5之间的展开系数是优选的。通过抑制放大的自发发射来实现超过5的展开系数。
图6说明了一种NLE拉曼散射根据展开系数的放大率。与图5相反，系数越大，拉曼散射的放大率越低。如所示的，在3和4.5之间变化的展开系数提供了寄生拉曼信号的最小放大率，实际上在4.5系数周围不存在寄生拉曼信号。
图7示出了对数尺度以dB为单位的根据Yb离子浓度的增加的寄生放大率。已经示出了在1000和7000ppm之间变化的Yb浓度对于各种波长是优选的。
图8说明了拉曼百分比对于展开系数的依赖性。再次地，约3和4.5之间变化的展开系数范围与最小的拉曼放大的存在相对应。图9示出了拉曼放大在大于3000ppm的Yb离子浓度下开始显现。
图10示出了当信号波长从约976nm至1030nm变化时的基模LP01以及HOM LP11和LP02的输出功率。实际上，HOM在976nm或1030nm处都不具有平均功率。图11表示了dB尺度的基模LP01的放大率大于HOMLP11和LP02的放大率。
图12说明了对数尺度的不同信号波长下的拉曼放大率。可以看出，像许多上述其他参数一样，这种参数不会在976nm和1030nm的波长峰值下急剧变化。
图13确认了在约910-960nm泵浦波长范围内主要获得了在900-975nm范围的泵浦波长下的放大器12的高总体效率TE。并不令人惊讶的，高的总效率是相同泵浦波长范围内的SM的高效率的结果。
总之，所公开的辅助放大器是朝着输出Yb掺杂光纤棒的笔直、短且逐渐展开的，所述Yb掺杂光纤棒操作用于利用CW或亚纳秒脉冲范围内的操作在kW-MW功率范围内保持和发射单横模光束。同时，具有小于0.003数值孔径、在3至5之间展开系数以及约2000至4000ppm之间的掺杂浓度、在9761030nm范围内的20cm长的截头Yb光纤(辅助放大器)能够发射每一个均在1MW功率的SM皮秒脉冲。保留相同的参数、但是增加展开系数，输出峰值功率可以达到几十MW。
辅助放大器的短直且截头锥形的结构是通过SM Nd泵浦源发射的最高至几百瓦的SM泵浦光进行芯区端面泵浦的。由于其几何形状，辅助放大器的特征在于针对NLE的高阈值功率，所述高阈值功率与高功率SM泵浦光一起允许辅助放大器将所需的976nm和1020nm波长的信号光放大至MW级别的峰值功率。辅助放大器恒定的特征在于可以超过90％的高效率以及实质上SM比HOM高的放大率，从而在约915至950nm范围之间的泵浦波长范围内减小至可忽略的噪声级别。
尽管在公开的示例方面描述了本公开，然而在不脱离所附强烈要求的范围和精神的情况下，对于上述实施例的各种改进和/或附加对于本领域普通技术人员是易于理解的。

Claims (41)

1.一种沿纵轴延伸的直光纤棒，包括：
沿纵轴延伸的伸长包层；以及
在小直径输入区域和大直径输出区域之间由包层包围并且与包层共同延伸的实质上截头锥形稀土离子掺杂芯区，所述小直径输入区域支持单模SM的传播，所述大直径输出区域支持多模MM，所述芯区配置为沿芯区的整个长度实质上只对SM进行放大。
2.根据权利要求1所述的光纤棒，其中所述芯区具有在约五(5)和约三十(30)厘米之间变化的长度。
3.根据权利要求1所述的光纤棒，其中展开系数Do：Din在约2和5之间变化，其中Dce是沿输出芯区区域的芯区直径，而Din是输入区域的芯区直径。
4.根据权利要求1所述的光纤棒，其中在移除光纤棒负载时所述芯区和包层保持笔直。
5.根据权利要求1所述的光纤棒，其中所述离子包括以在约1000和7000ppm之间变化的浓度水平在芯区中掺杂的镱“Yb”离子。
6.根据权利要求4所述的光纤棒，其中在976-1030nm波长范围内发射输出光束。
7.根据权利要求1所述的光纤棒，其中所述芯区配置为发射具有最高至几十MW的峰值功率以及最高至几百瓦的平均功率的输出光束。
8.根据权利要求1所述的光纤棒，其中所述芯区和包层配置为使得波导配置有小于0.003的数值孔径。
9.根据权利要求1所述的光纤棒，其中所述包层配置有柱状截面或者截头锥形截面。
10.根据权利要求1所述的光纤棒，其中所述输入区域和输出区域每一个都均匀地成形，并且分别具有第一直径和第二直径，第二直径大于第一直径。
11.根据权利要求1所述的光纤棒，其中所述芯区具有锥状截面。
12.根据权利要求1所述的光纤棒，还包括接合至光纤棒的下游端并且具有整个区域掺杂有增益介质的光学部件，选择截头锥形芯区的长度，使得当输出从芯区的输出区域发射并且耦合到所述光学部件中时，SM按照比芯区的锥角小的角度展开。
13.一种光放大光纤系统，按照单模发射输出信号光，所述光放大光纤系统包括：
单模“SM”钕光纤泵浦源，输出SM泵浦光；以及
直波导，接收SM泵浦光并且包括：
截头锥状的镱“Yb”掺杂芯区，具有小直径输入端和大直径输出端，所述小直径输入端配置用于支持信号光的SM，所述大直径输出端能够支持信号光的SM以及高阶模式，
包层，包围所述芯区并且与所述芯区共同延伸，所述芯区配置为使信号光的SM与泵浦光的SM重叠，使得沿芯区的整个长度SM之间的重叠积分实质上等于一(1)，其中所述光信号SM从泵浦光的SM提取实质上整个能量，留下了HOM未被放大，不会影响系统的SM发射的质量。
14.根据权利要求13所述的光放大光纤系统，其中所述芯区具有在约五(5)和约三十(30)厘米之间变化的长度。
15.根据权利要求13所述的光放大光纤系统，其中所述芯区配置有在约2和5之间变化的展开系数Do：Din，其中Dce是输出端的芯区直径，而Din是输入端的芯区直径。
16.根据权利要求13所述的光放大光纤系统，其中所述芯区配置为以最高至几十MW的峰值功率和最高至几百瓦的平均功率发射SM辐射。
17.根据权利要求13所述的光放大光纤系统，其中按照在约1000和7000ppm之间变化的浓度水平在芯区中掺杂Yb离子。
18.根据权利要求13所述的光放大光纤系统，其中在976-1030nm波长范围内发射信号光。
19.根据权利要求13所述的光放大光纤系统，其中所述波导具有光纤棒结构，所述光纤棒结构在从波导移除负载时能够保持笔直。
20.根据权利要求13所述的光放大光纤系统，其中所述芯区和包层配置为使得所述波导配置有小于0.003的数值孔径。
21.根据权利要求13所述的光放大光纤系统，其中所述包层配置有柱形截面或者截头锥形截面。
22.根据权利要求13所述的光放大光纤系统，其中输入区域至多几个毫米长，并且具有实质上均匀的直径。
23.根据权利要求13所述的光放大光纤系统，其中所述芯区还具有在输入端和输出端之间延伸的锥形过渡芯区，使得所述芯区配置有瓶颈形截面。
24.根据权利要求13所述的光放大光纤系统，其中所述芯区具有锥状截面。
25.根据权利要求13所述的光放大光纤系统，其中所述截头锥形芯区配置为使得SM信号光按照小于锥角的角度沿输出端区域的下游部分展开。
26.根据权利要求25所述的光放大光纤系统，还包括完全掺杂的光学部件，所述完全掺杂的光学部件具有比芯区的输出端的面积大的面积并且与输出端相连。
27.根据权利要求13所述的光放大光纤系统，其中所述SM Nd泵浦源配置有有源光纤，所述有源光纤掺杂有Nd离子、并且具有柱形截面或双瓶颈形截面。
28.一种高功率光纤激光器系统，发射具有高斯强度轮廓的实质上衍射受限的光束，包括：
单模“SM”钕光纤泵浦源，输出SM泵浦光；
种子激光器，操作用于以大于泵浦光波长的波长发射SM信号光；
SM波分复用器DWM，接收并复用SM泵浦光和信号光；以及
辅助放大光纤放大器，包括：
截头锥状的镱“Yb”掺杂芯区，接收泵浦光和信号光，并且配置有小直径输入端和大直径输出端，所述小直径输入端只支持SM，所述大直径输出端能够支持SM以及高阶模式“HOM”，
包层，包围所述芯区并且与所述芯区共同延伸，所述芯区配置为使泵浦光和信号光的相应SM的强度轮廓彼此重叠，使得沿芯区的整个长度重叠积分实质上等于一(1)，其中所述光信号的SM从泵浦光提取实质上整个能量，留下了HOM未被放大，不会影响在MW峰值功率范围和几百瓦平均功率范围中系统的实质上衍射受限光束的质量。
29.根据权利要求28所述的高功率光纤系统，其中所述芯区具有在约五(5)和约三十(30)厘米之间变化的长度。
30.根据权利要求28所述的高功率光纤系统，其中所述芯区配置有在约2和5之间变化的展开系数Do：Din，其中Dce是输出端的芯区直径，而Din是输入端的芯区直径。
31.根据权利要求28所述的高功率光纤系统，其中按照在约1000和7000ppm之间变化的浓度水平在芯区中掺杂Yb离子。
32.根据权利要求28所述的高功率光纤系统，其中在976-1030nm波长范围内发射信号光。
33.根据权利要求28所述的高功率光纤系统，其中所述波导具有光纤棒结构，所述光纤棒结构在从波导去除负载时能够保持笔直。
34.根据权利要求28所述的高功率光纤系统，其中所述芯区和包层配置为使得所述波导配置有小于0.003的数值孔径。
35.根据权利要求28所述的高功率光纤系统，其中所述包层配置有柱状截面或者截头锥形截面。
36.根据权利要求28所述的高功率光纤系统，其中所述输入区域至多几个毫米长，并且具有实质上均匀的直径。
37.根据权利要求28所述的高功率光纤系统，其中所述芯区还具有在输入端和输出端之间延伸的锥形过渡芯区，使得芯区配置有瓶颈形截面。
38.根据权利要求28所述的高功率光纤系统，其中所述芯区具有锥状截面。
39.根据权利要求28所述的高功率光纤系统，其中所述截头锥状的芯区配置为使得SM信号光按照小于锥角的角度沿输出端区域的下游部分展开。
40.根据权利要求38所述的高功率光纤系统，还包括完全掺杂的光学部件，所述完全掺杂的光学部件具有比芯区的输出端的面积大的面积并且与输出端相连。
41.根据权利要求28所述的高功率光纤系统，其中所述SM Nd泵浦源配置有有源光纤，所述有源光纤掺杂有Nd离子、并且具有柱形截面或双瓶颈形截面。
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