CN103999302A - 980纳米的大功率单模光纤泵浦激光器系统 - Google Patents

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Abstract

大功率泵浦超亮低噪声源配置有在约900和940nm波长范围内的波长λp上输出MM平滑的低噪声信号光的多模(“MM”)种子源、操作用于将波长λsp上的多个大功率(“HP”)半导体激光二极管的发射转换为所需波长λp上的泵浦输出的MM Yb光纤波长转换器。掺Yb MM波长转换器配置有与低噪声信号光相比基本上相同或者更低的噪声级别、基本上等于nxB的亮度(“B”)以及基本上等于nPd的输出功率(“Po”)，其中n是HP半导体激光二极管的个数，而B是每一个HP激光二极管的亮度，其中Pd是每一个HP激光二极管的功率，n是HP激光二极管的个数。

Description

980纳米的大功率单模光纤泵浦激光器系统
技术领域
本公开涉及一种在约975nm处具有吸收峰的单模(“SM”)大功率光纤激光器和放大器。具体地，本公开涉及在976nm波长范围(通常称为980nm波长范围)内输出大功率超亮SM泵浦光的光纤泵浦单元。
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、高成本效益、紧凑且坚固的光产生和光放大器件。其中，主要由于Yb和Er光纤激光器系统的极佳的效率和长期稳定性，Yb和Er光纤激光器系统统治了工业光纤激光器市场。
多种工业应用对于在976nm范围发光的泵浦源特别感兴趣，所述工业应用包括但不限于根据光纤纤芯的掺杂剂成分而在约974-976nm处具有峰值吸收的大功率Yb和Er光纤器件的泵浦。光纤器件在所需波长处的效率随着较高的泵浦光吸收和较高的反转粒子数而得到改善。对于具有多于一个光谱增益区域的Yb光纤激光器件，吸收特别重要。吸收级别越高，掺杂光纤的总长度变得越短，进而导致越高的非线性阈值。非线性阈值是限制影响光纤激光器和放大器的功率缩放比率的有害非线性效应的关键因素。因此，在尽可能靠近约975nm处的峰值吸收的波长上泵浦掺Yb光纤可以提供较短的光纤长度，并且因此提供较高的非线性阈值。
在约975nm处发光的现有泵浦源可以分为两组：SM光源和MM光源。SM光源通常包括在低功率下发射高质量光束的激光二极管，而MM光源(也包括激光二极管)可以产生高功率但是低亮度(因此低质量)的光束。输入光的劣等亮度实质上使其吸收恶化。
因此，在约976nm处的高效Yb光纤激光器件要求在约976nm波长处的高亮度泵浦光。在PCT/2011/…中公开了能够在约976nm处发射高亮度光的高效率泵浦源。所公开的泵浦源包括：泵浦种子信号光、在975nm波长附近发射非常亮的泵浦光的多模(“MM”)光纤转换器、以及接收泵浦光且适合于在1015nm范围内的较长波长处发射大功率高亮度SM光的单模(“SM”)Yb光纤激光器。上述系统的使用可以发现甚至不包括所需的976nm范围内的SM YB激光器的一些应用，但是在这种情况下，辐射将是多模的。多模辐射会影响在约976nm处的输出光束的亮度和质量。
因此需要一种在约976nm范围内具有大功率超高亮度SM输出的泵浦源。
还需要一种大功率光纤激光器系统，所述大功率光纤激光器系统利用在约976nm处发射超亮大功率SM泵浦光的泵浦源。
发明内容
通过用于掺杂有Yb和/或Er稀土离子、并且在976nm范围内具有峰值吸收的光纤激光器和放大器的泵浦源来满足这些需求。所公开的泵浦源配置为输出kW功率级别的具有有限衍射的超亮光束，并且包括子泵浦单元和在约976nm处发射大功率超亮泵浦光的SM Yb光纤激光器。
根据本发明的一个方面，子泵浦单元配置为产生高亮度子泵浦光，所述高亮度子泵浦光耦合至SM Yb光纤激光器。所述单元具有：多个MM激光二极管，所述MM激光二极管输出相对较短波长的子泵浦光；以及从子泵浦光波长到较长波长的已放大和转换后的子泵浦输出的MM掺Nd光纤波长转换器。所述多个MM子泵浦激光二极管的使用对于转换器输出处的大功率级别有贡献。所述转换器(其是光纤放大器)不但对来自泵浦种子源的泵浦信号光进行放大，而且由于大功率子泵浦光，也实质上增加了泵浦信号光的亮度。
根据本公开的另一个方面，泵浦源的SM Yb激光器配置为由于掺Yb有源光纤的几何形状而有效地吸收子泵浦光，所述掺Yb有源光纤提供在纤芯和包层直径之间的高比率，从而允许有效地吸收高亮度子泵浦光。作为其结果，SM Yb光纤激光器的输出(其是在所需976nm范围内的泵浦输出)甚至比子泵浦光的输出更亮。
附图说明
根据伴随附图的以下特定描述，所公开的器件的上述和其他方面、特征和优势将变得更加清楚明白，其中：
图1说明了具有所公开的在976nm范围中的波长处输出大功率超亮SM的泵浦源的大功率光纤激光器系统。
图2说明了图1的泵浦源的MM Nd波长转换器的可能结构之一。
图3和图4分别说明了沿图2的I-I线得到的Nd波长转换器的初始结构和最终结构的相应截面。
图5说明了图1中所示的泵浦源的SM Yb光纤激光器的可能实施例之一。
图6和图7说明了利用图1-5的泵浦源的大功率光纤激光器系统的相应结构。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的若干实施例，其范例在附图中进行了说明。在可能的情况下，在附图和描述中使用相同或类似的附图标记来指代相同或类似的部件或步骤。附图是简化形式的并且不是按精确比例绘制的。
参考图1，泵浦源10配置有在900-940nm范围内发射种子信号的泵浦种子源或者多个种子源12，其中约915-920nm的波长是优选的。种子信号被进一步耦合到包括MM波长转换器14的子泵浦单元中，所述MM波长转换器是光纤放大器，所述光纤放大器配置有掺Nd MM光纤并且适合于将子泵浦激光二极管在800-810nm上的发射转换为在约915-920nm上的子泵浦发射。配置有谐振腔(其被限定于光纤光栅FG之间)并且接收转换和放大后的子泵浦发射的SM Yb光纤完成了泵浦源10的配置。如下面所公开的，泵浦源10可操作为在976nm范围内的波长上发射超亮大功率SM泵浦光，所述超亮大功率SM泵浦光进一步耦合到光纤放大器或放大器20，所述光纤放大器或放大器20在约976nm处具有峰值吸收并且掺杂有Yb、Er或Yb/Er离子。
泵浦种子源12配置有在所需波长上(例如在约920nm上)发射子泵浦信号光的一个或组合在一起的多个MM带尾纤激光二极管。如激光器技术领域的普通技术人员所知晓的，激光二极管输出相对少尖峰的(即平滑的)且低噪声的信号。典型地，以均方根(r.m.s.)为单位测量的噪声级别约在0.1r.m.s，而子泵浦信号光的数值孔径(“NA”)的范围通常在约0.1到0.13之间。信号光的输出功率可以在几十至几百瓦特之间变化。尽管种子12的半导体结构由于其相对平滑的输出而是优选的，但是可替代地，其也可以具有光纤结构。信号光进一步耦合到无源MM光纤22中，无源MM光纤22将信号光沿光路进一步导引至MM Nd波长转换器，在MMNd波长转换器中信号被放大并且信号的亮度增加至少10倍。
如下所述，波长转换器14的光纤(诸如MM掺Nd光纤)的使用增大了光亮度。亮度B可以确定为：
B～P/BPP,(1)
其中P是输出功率，而BPP是射束参数乘积，其被确定为射束发散半角和射束半径之乘积。BPP越小，射束质量越高，亮度越大。因此，具有有限衍射的高斯射束具有最小BPP。BPP对应于1/2DcxNA，其中Dc是纤芯半径而NA是数值孔径。因此，增大纤芯直径Dc并且降低NA将增强BPP并且增大亮度B。因此，控制光纤制造，光纤可以具有较低的NA和较低的掺杂浓度，出于下面讨论的原因这是有利的。
Nd的特征在于：在各自信号以及与相应的900nm和1060nm范围对应的寄生波长上的放大。另外，在1060nm范围中的寄生波长上的增益和在900nm范围中的信号波长上的期望增益值与掺Nd光纤的总长度和有源离子浓度的乘积成正比。典型地，随着光纤长度和离子浓度的增加，寄生范围中的增益增加，其对工作波长范围中的增益造成不利影响。因此，使用较大的光纤长度和/或较高的Nd离子浓度不可避免地导致在约1060nm范围内的放大大于在所需的900nm范围内的放大。为了最小化寄生波长上的不期望的放大，应该在不增加Nd光纤长度且低离子浓度的情况下增加子泵浦光的吸收。
根据本公开的一个方面，子泵浦光在约800-810nm上的增大的吸收是Nd光纤的纤芯和包层各自的直径之间的高比率导致的。利用增大的比率，即具有扩大的纤芯直径但是具有相同或减小的包层直径，子泵浦光的吸收将增加。
图2说明了转换器14的掺Nd光纤24的一个实施例，其被配置用于实现本公开的这一方面。具体地，由子泵浦二极管18侧面泵浦的掺Nd光纤24具有双瓶颈形状，如在本发明申请人共同拥有的PCT/US10/051743中公开的那样，该申请的全文一并在此用作参考。
如图所示，波长转换器或光纤放大器14配置有MM多包层Nd光纤24，MM多包层Nd光纤24两侧是输入和输出单模(SM)(或MM)无源光纤，所述输入和输出无源光纤对接到有源光纤24的相应的相对末端。子泵浦二极管18光学且机械地耦合在一起以定义一组合器，如本领域普通技术人员已知的，该组合器通过无纤芯MM传输无源光纤36将组合的MM输出导引向Nd光纤24从而侧面泵浦转换器14。各个传输光纤和有源光纤的耦合段限定了耦合区域，将泵浦光沿所述耦合区域发射到在光纤24的纤芯26中，并且由光纤24的纤芯26中提供的Nd增益介质吸收泵浦光。如果必要，可以响应于向光纤施加的外力，将所连接的光纤拆开。以在约10到200ppm的范围内变化的浓度将Nd离子引入到光纤的纤芯26，其中50-100ppm的范围对于在900nm波长范围上的期望增益和1060nm范围上的合理的增益抑制而言是优选的。
Nd有源光纤24的几何形状，即相应纤芯26和包层28沿纵向光纤轴的截面，具有双瓶颈形状横截面。后者包括窄尺寸的输入末端区域30、均匀尺寸的放大中间区域32(其具有比输入区域的面积更大的面积A纤芯)以及桥接末端区域和中间纤芯区域的截头圆锥输入过渡区域24。为了实现双瓶颈截面，纤芯26还具有输出截头圆锥过渡区域和末端区域，其可以根据需要配置为与相应的输入区域基本相同或不同。纤芯26可以支持单横模或模式。包层28可以具有与纤芯26的横截面互补的横截面，或者可以具有均匀的横截面。
如图3所示，最初，传输光纤36和Nd光纤24分别可以具有可比拟的外径，而纤芯26的横截面A纤芯显然小于包层区域的横截面A包层，所述包层区域是Nd光纤和传输光纤的包层区域之和。为了增加比率，截然相对的拉力施加至相应的光纤24和36，组合的包层区域的横截面减小，同时纤芯面积增大，如图4所示。相应光纤的增加和降低的系数不是任意的。系数被选择为，使得转换器24的NA几乎至多等于但是优选地小于图1的种子源12的NA，其多达0.08。
结果，由于Nd光纤24的纤芯直径和包层直径之间的相对较小的比率和配置有高的d纤芯/D包层比的Nd光纤24中吸收的大的子泵浦功率，转换器14在所需的915-920nm波长上发射的放大的泵浦信号光非常亮。转换后的泵浦信号光的亮度与nxB成正比，其中n是MM子泵浦激光二极管的个数，而B是每个HP激光二极管18的亮度。由于多个MM子泵浦二极管18，增强的泵浦信号光也是大功率的。放大的泵浦信号光的功率Pco也与nxPld成正比，其中n是HP激光二极管18的个数，而Pld是每个单个二极管的功率，并且放大的泵浦信号光的功率Pco可以达到kW级别。当然，输出功率也取决于种子源12发射的泵浦信号光的功率，其是确定子泵浦单元的总功率的要素。注意：尽管激光二极管18被示出为侧面泵浦波长转换器14，但是二极管18可以按照激光领域的普通技术人员易于实现的方式设置为端面泵浦结构，当然假设Nd光纤24的纤芯/包层比优选地地保持为高。
简要地回顾图1，如激光领域的普通技术人员所公知的，完全消除约1030nm处的峰值发射是不可能的。为了防止在约1030nm处的子泵浦转换光被耦合到SM Yb光纤激光器16中，泵浦源10还包括在转换器14和SM激光器16之间的滤波器45。基于不同的物理原理，存在许多不同类型的光学滤波器。例如，可以从配置有长周期或斜面光纤光栅的无源光纤中选择滤波器45。替代地，可以使用具有增大的钐(Sm3+)或本领域普通技术人员已知的其他类似功能掺杂剂的浓度的无源光纤作为滤波器。另一种可能是让光纤配置有具有W折射率分布的无源光纤。
参考图5，转换后的子泵浦光被进一步耦合到SM Yb光纤激光器16中。如上所述，在放大的种子信号光的亮度增大并且具有高的反转粒子数的情况下，在所需的976nm范围内发射的SM泵浦光比信号泵浦光亮几百倍。与此同时，基本上抑制了在寄生的1015nm处的光发射。
通过与图2所示的Nd转换器14的配置类似地配置SM Yb振荡器16，甚至可以进一步提高泵浦光的亮度。因此，掺Yb光纤37也可以包括具有上述所有优势的双瓶颈纵向横截面。
图6说明了图1的泵浦源10在配置有Yb或Er掺杂激光器或放大器40的超大功率光纤激光器系统50中的一种可能应用。具体地，大功率光纤激光器系统50包括按束组合在一起的多个泵浦源10。引导在980nm波长范围内的信号的中心SM信号光纤38延伸通过所述束，并且光学连接至信号光纤38周围的泵浦源10。组合的泵浦源和中心信号光纤的输出光纤42根据端面泵浦技术将泵浦光和信号光传输到光纤放大器或激光器20中。光纤放大器或激光器20配置为在所需波长范围内输出大功率的具有有限衍射的光束。如果光纤器件20是基于掺Yb光纤，其峰值发射波长优选地不会超过泵浦波长大于约0.1。光纤激光器件20的有源光纤可以是具有SM纤芯或多模纤芯的SM器件，所述多模纤芯能够实质上支持所需波长上的基模。如果需要，可以在所示系统中使用保偏光纤。
图7说明了所公开的泵浦源10在大功率光纤激光器系统50中的另一种配置。这里，多个泵浦组(其中每一个泵浦组包括多个图1的大功率超亮光纤激光泵浦源10)以及YB或Er光纤器件20定义了侧面泵浦结构。将每个组的泵浦源10组合到一起，以便具有单独的输出光纤，该输出光纤在所需波长上将泵浦光从组合器导引至例如Yb光纤放大器20。Yb光纤放大器20可以配置有SM纤芯或MM纤芯，所述MM纤芯配置为在所需波长上基本上以单模发射系统光，并且可以按照实质上的单基模或低输出模式来输出超大功率的光。
图6和图7所示的两种配置的特征在于：升级的大功率光纤激光器和/或放大器，其利用发射波长与光纤器件20的Yb或Er增益介质的在约975nm处的吸收峰基本上一致的大功率超亮泵浦信号进行泵浦。由于后者，激光领域的普通技术人员应该认识到，在图6和图7所示的示意图中，实质上减小了升级的放大器20的有源光纤的长度，而增加了非线性效应阈值。
在已经参考附图描述了本发明的优选实施例的至少一个的情况下，可以理解的是，本发明不局限于那些精确的实施例。例如，所公开的泵浦源可以是CW和脉冲激光器系统的主要部分。在不脱离所公开的本发明的范围或精神的情况下，本领域普通技术人员可以实现包括不同波长、光纤参数和稀土掺杂剂在内的各种变化、改进和适应。

Claims (30)

1.一种大功率超亮泵浦源“HPUBPS”，包括：
至少一个种子源，其产生在第一波长上的低噪声信号光；
子泵浦单元，其配置为接收和放大所述信号光，并且具有：
多个子泵浦多模“MM”激光二极管，其组合在一起，以发射在小于所述第一波长的第二波长上的子泵浦光，以及
Nd MM波长光纤转换器，其操作为将所述子泵浦光的所述第二波长转换为所述信号光的所述第一波长，所述MM光纤转换器配置为发射具有以下特征的放大的信号光：
与所述低噪声信号光的噪声级别基本上相等的噪声级别，
基本上等于nB的亮度，其中n是子泵浦激光二极管的个数，而B是每一个子泵浦激光二极管的亮度，以及
基本上等于nPd的输出功率，其中Pd是每一个子泵浦激光二极管的功率，而n是子泵浦激光二极管的个数；以及单模“SM”Yb光纤振荡器，其接收所述放大的信号光，并且在976nm附近的第三波长上具有峰值发射。
2.根据权利要求1所述的HPUBPS，其中所述光信号的所述第一波长在900-940nm的波长范围内变化，并且所述子泵浦光的所述第二波长在800-810nm的波长范围内。
3.根据权利要求1所述的HPUBPS，其中所述子泵浦激光二极管端面泵浦所述Nd MM波长光纤转换器。
4.根据权利要求1所述的HPUBPS，其中所述子泵浦激光二极管侧面泵浦所述Nd MM波长光纤转换器。
5.根据权利要求1所述的HPUBPS，其中所述波长转换器配置为使得放大的低噪声泵浦输出具有至多0.1％均方根“r.m.s.”的r.m.s.值。
6.根据权利要求1所述的HPUBPS，其中所述种子源具有从包括一个或多个组合的MM带尾纤激光二极管和一个或多个光纤种子源的组中选择的配置。
7.根据权利要求1所述的HPUBPS，其中所述MM Nd光纤转换器配置有具有同心的纤芯和至少一个包层的掺Nd光纤，其中所述纤芯和包层配置有相应的均匀横截面。
8.根据权利要求1所述的HPUBPS，其中所述MM Nd光纤转换器配置有纤芯和围绕所述纤芯的至少一个包层，所述纤芯和包层均具有双瓶颈形状横截面。
9.根据权利要求1所述的HPUBPS，其中所述MM Nd光纤转换器配置有纤芯和围绕所述纤芯的至少一个包层，所述纤芯具有双瓶颈形状横截面，并且所述至少一个包层具有基本上均匀尺寸的横截面。
10.根据权利要求1所述的HPUBPS，其中所述Nd波长光纤转换器配置有范围在约0.05和0.13之间的数值孔径，而MM种子源的数值孔径在约0.1和约0.13之间变化。
11.根据权利要求1所述的HPUBPS，还包括波长选择器，所述波长选择器位于所述Nd波长光纤转换器和所述SM Yb光纤振荡器之间，并且耦合到所述Nd波长光纤转换器和所述SM Yb光纤振荡器，所述波长选择器对于所述放大的信号光的所述第一波长是透明的，但是阻止与所述第一波长不同的寄生波长的光。
12.一种大功率超亮单模光纤激光器系统“HPUBSMFLS”，包括：
多个子泵浦激光二极管，其发射在第一波长上的子泵浦光，
多模“MM”Nd光纤波长转换器，其接收所述子泵浦光，并且操作为发射在比所述第一波长长的第二波长上的泵浦信号光，以及
单模“SM”Yb光纤振荡器，其接收所述第二波长上的放大的泵浦信号光，并且操作为吸收所述第二波长上的泵浦光并且发射比所述第二波长长的976nm附近的第三波长上的泵浦光；以及
光纤激光器件，其接收泵浦光，并且配置有在约所述第三波长处的吸收峰，并且操作为发射基本上单模的系统光。
13.根据权利要求12所述的HPUBSMFLS，其中所述光纤激光器件包括掺杂有从由Yb、Er及其组合组成的组中选择的稀土离子的有源光纤。
14.根据权利要求12所述的HPUBSMFLS，其中所述光纤激光器件包括光纤放大器或光纤振荡器。
15.根据权利要求12所述的HPUBSMFLS，其中所述泵浦源配置为端面泵浦所述光纤激光器件或者侧面泵浦所述光纤激光器件。
16.根据权利要求12所述的HPUBSMFLS，其中，在系统波长放大器处在不超过所述第三波长的0.1的情况下发射系统光。
17.根据权利要求12所述的HPUBSMFLS，其中所述光纤激光器件配置有SM纤芯或MM纤芯，所述MM纤芯配置为在所需波长上基本上以单模发射系统光。
18.根据权利要求12所述的HPUBSMFLS，其中所述泵浦源还包括发射在所述第二波长上的泵浦信号光的一个或多个MM种子源，所述第二波长在900nm和940nm之间变化，所述种子源是从激光二极管或光纤中选择的。
19.根据权利要求12所述的HPUBSMFLS，其中所述子泵浦激光二极管发射范围在约800nm至约810nm之间的第一波长上的子泵浦光，所述子泵浦激光二极管彼此组合以侧面泵浦所述波长光纤转换器或者端面泵浦所述波长光纤转换器。
20.根据权利要求12所述的HPUBSMFLS，其中所述MM Nd波长光纤转换器和所述SM Yb光纤振荡器均配置有具有同心的纤芯和至少一个包层的掺杂光纤，其中所述纤芯和包层配置有相应的均匀横截面。
21.根据权利要求12所述的HPUBSMFLS，其中所述MM Nd波长光纤转换器和所述SM Yb光纤振荡器均配置有纤芯和围绕所述纤芯的至少一个包层，所述纤芯和包层均具有双瓶颈形状横截面。
22.根据权利要求12所述的HPUBSMFLS，其中所述MM Nd波长光纤转换器和所述SM Yb光纤振荡器均配置有纤芯和围绕所述纤芯的至少一个包层，所述纤芯具有双瓶颈形状横截面，并且所述至少一个包层具有基本上均匀尺寸的横截面。
23.根据权利要求12所述的HPUBSMFLS，其中所述Nd波长光纤转换器配置有范围在约0.05和约0.13之间的数值孔径，而MM种子源的数值孔径在约0.1和约0.13之间变化。
24.根据权利要求12所述的HPUBSMFLS，其中所述种子源还包括耦合在所述Nd波长光纤转换器和所述SM光纤振荡器之间的位置上的波长选择器，所述波长选择器对于所述放大的信号光的所述第二波长是透明的，但是阻止与所述第二波长不同的寄生波长的光。
25.根据权利要求12所述的HPUBSMFLS，其中一个或多个种子源端面泵浦所述光纤激光器件或者侧面泵浦所述光纤激光器件。
26.一种大功率超亮单模光纤激光器系统“HPUBSMFLS”，其包括泵浦系统，所述泵浦系统配置有泵浦种子源、所述泵浦种子源下游的MM Nd光纤放大器、以及所述MM Nd光纤放大器下游的Yb SM激光器，所述MM Nd放大器和SM Yb激光器配置为使得在975nm附近波长上的SM Yb激光器输出相对于所述MM泵浦种子源发射的在约920nm上的MM种子信号亮度成百倍增大，并且功率成高达十倍增大。
27.根据权利要求26所述的HPUBSMFLS，还包括光纤激光器件，所述光纤激光器件具有掺杂有Yb离子或Er离子或Er/Yb离子的有源光纤，并且在976.5nm附近具有峰值吸收。
28.根据权利要求27所述的HPUBSMFLS，其中所述光纤器件包括光纤激光器或者光纤放大器。
29.根据权利要求27所述的HPUBSMFLS，其中所述光纤激光器件的有源光纤配置有能够基本上只支持基模的MM纤芯。
30.根据权利要求26所述的HPUBSMFLS，还包括发射在800-810nm范围内的子泵浦光的多个泵浦激光二极管，其中通过传输光纤将所述子泵浦光传输到所述Nd放大器中，其中所述Nd放大器具有双瓶颈形状横截面，所述双瓶颈形状横截面包括：隔开的末端区域、从末端区域向内隔开的中心区域、以及将相应的末端区域分别与所述中心区域的相对端面桥接起来的过渡区域，其中所述中心区域具有比末端区域的均匀尺寸横截面大的均匀尺寸横截面。
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