CN104185931A - 大功率金属包层模式吸收器 - Google Patents

Abstract

包层吸收器单元设置在大功率光纤激光器系统的无源光纤上，并且操作为俘获和去除沿无源光纤的包层传播的高阶模式。模式吸收器具有由一个或多个液态金属及其合金制成的合成物，所述合成物被放置于在无源光纤的护套中形成的开口中。所述合成物配置为从包层去除具有预定光功率的MM光，所述预定光功率在比损坏吸收器的阈值温度低的温度下加热所述合成物。

Description

大功率金属包层模式吸收器

技术领域

本公开涉及大功率光纤激光器系统。具体地，本公开涉及包层模式剥离器/吸收器，其操作为俘获和去除无源光纤中不需要的包层导引光。

背景技术

大功率单模光纤激光器系统(“HPSMFLS”)典型地配置有一个或多个放大级联装置，每一个放大级联装置包括通过多模(MM)泵浦光侧面泵浦或者端面泵浦的有源双包层光纤。沿光波导包层传播的泵浦光沿有源光纤的长度通常不会被完全吸收、并且最终耦合到SM无源光纤的包层中。此外，接头处的功耗也对于沿聚合物保护护套下面的波导包层传播的多模光负责。除此之外，来自将要激光处理的表面的背反射光也可以耦合到包层中。甚至在10-12dB之间变化的中等泵浦光吸收率下，包层引导光可以在最终放大级容易地达到300-600W。由于以下原因包层导引光是不需要的。

典型地，HPSMFLS的SM无源光纤被柔性聚合物保护护套包围，所述柔性聚合物保护护套具有比包层区域的折射率低的折射率。在光纤弯曲或拼接连接处，可能会妨碍包层区域的全反射，导致包层导引光逃逸到保护护套中。因此，可能会使保护护套过热或者损坏。另外，在包层中携带的MM辐射可能会损坏光纤的端面区域，所述光纤典型地是耦接在两个增益模块之间的无源SM传输光纤或SM无源光纤，这两个增益模块之一例如沿与信号传播相反的方向进行泵浦。最后，如果包层导引的MM辐射到达传输光纤的端面，透射的光信号光束质量可能会被恶化，这可能不利地影响其他光部件和处理质量。

配置用于去除包层光并且将光能转换为热能的装置被称为包层模式吸收器(“CMA”)。典型地，CMA是沿剥离覆盖包层的保护护套的光纤的长度设置的，并且配置为具有比包层折射率高的折射率的光导聚合物化合物。聚合物化合物吸收器典型地允许去耦合具有高至约1((至约400W的功率的包层光。

已知的CMA的一些结构限制包括对由光纤和CMA的不均匀热依赖膨胀/收缩引起的低机械应力阻力。典型地，机械应力导致单模(“SM”)大模式面积(“LMA”)光纤中的微小弯曲损耗和对高阶模式(“HOM”)的激励。

另外的限制与聚合物化合物的相对低的热导率相关联，导致了其较高的温度。通常认为110℃的温度是临界的，并且更高的温度导致CMA的毁坏。在向光纤激光器系统供电时发生的突然温度变化期间这种临界温度甚至可能更低。

因此，需要一种配置有CMA的HPSMFLS，所述CMA的特征在于耐高温和耐机械应力的结构。

还需要一种制造改进的CMA的方法。

发明内容

通过公开的金属光包层能量吸收器(“MLCA”)来满足这些需求，所述金属光包层能量吸收器配置为在忍受升高的温度的同时吸收光，并且提供一种耐应力结构。

本公开的一个方面涉及MLCA，与已知的基于聚合物化合物的吸收器相反，所述MLCA包括沿保护涂层的剥离区域设置的液态金属及其合金的填充物。所述填充物被选择为吸收光并且具有低熔化温度、高热导率、所需密度和对暴露的包层(石英)的良好粘附性。如下面将要公开的，所公开的吸收器可以忍受比已知的硅基吸收器高得多的输入功率。

本公开的另一方面涉及改进所公开的MLCA的应力抵抗力。具体地，具有吸收器的光纤进一步放置于热沉中，所述热沉配置为包围填充物并且粘附到填充物的套筒(sleeve)。由于高热导特性，吸收器操作为石英和金属热沉之间的有效排热介质。

附图说明

图1是配置有所公开的金属光包层吸收器(“MLCA”)的大功率单模光纤激光器系统(“HPSMFLS”)的简图。

图1A是包括主振荡器/功率放大器结构(“MOPA”)的HPSMFLS的简图，其中在所示系统的部件之间耦合的无源光纤上设置了所公开金属吸收器。

图2是配置有所公开的MLCEC的SM无源输出光纤的简图。

图3是改进的配置有所公开的MLCEC的SM输出光纤的简图。

图4是在热沉中安装的所公开MLCA的分解视图。

图5是说明了MLCEC的套筒的最大温度与耗散功率的依赖性的曲线。

具体实施方式

现在将详细参考所公开的能量吸收器、合并了所述吸收器的大功率光纤激光器系统和制造吸收器的方法。在可能的情况下，在附图和描述中使用同样或类似的参考数字表示相同或类似的部件或步骤。附图是简化形式并且没有精确按比例绘制。只是为了方便和清楚的目的，可以相对于图面的平面使用方向性术语，但不应该解释为限制范围。除非另外定义，说明书和权利要求中使用的所有词语和短语具有由光纤激光器领域的普通技术人员所理解的普通和惯常意义。

图1说明了典型的增益模块10的简图，所述增益模块10单独地或者与类似配置的增益模块组合，可操作用于发射达到kW级别的基本为SM光束的输出。然后通过传输单模(“SM”)无源光纤18将输出光束传输至终点。传输单模无源光纤配置有由液态金属(即具有低温度熔点的金属)或者液态金属及其合金的组合物制成的包层模式吸收器20。因此，吸收器20可操作为俘获和吸收沿光纤18的包层导引的不需要的模式。

图1A说明了两个增益模块10(本领域普通技术人员已知的MOPA的部件)包括主振荡器M0和功率放大器PA。在这一示意图中，作为传输光纤的补充或者替代，吸收器20可以设置在光学耦合M0和PA的无源光纤21上，如图所示。光纤21可以接收未吸收的来自泵浦源1的泵浦信号，例如所述泵浦信号沿与光信号的正向传播方向相反的方向耦合到PA中。

增益模块10，例如功率放大器PA，包括：有源光纤12，即掺杂有一种或多种稀土元素的离子的光纤，所述稀土元素例如是镱、铒、铥等；以及，单一的SM输入和输出无源光纤14、16。有源光纤12配置有一个或多个包层和多模纤芯，如果需要所述纤芯配置为在所需波长下支持实质上的基模。泵浦单元15发射的多模(“MM”)泵浦光耦合到波导包层中，并且当其沿波导包层传播时逐渐被纤芯吸收。所有的泵浦光并没被全部吸收，一些泵浦光仍然在包层中。未吸收的泵浦光和其他不同来源的不需要的模式被进一步导引通过无源输出光纤16的包层，并且进一步沿传输光纤21的包层传播。包层光的存在由于先前讨论的多种原因是非常不理想的，以及应该将其最小化并且期望最终消除。注意：尽管以上讨论了单模系统和光纤，所公开的吸收器可以与多模光纤相结合来使用。

参考图2，除了纤芯22和包层24之外，光纤18或21还配置有保护聚合物保护膜(其被剥离并且因此未示出)，保护膜的折射系数小于包层的折射系数。为了产生用于吸收包层传播模式的条件，沿光纤18、21的所需轴区域剥离所述膜，暴露出一段包层24，该段包层可以浸没到由液态基金属和/或其合金30制成的吸收器20中。与聚合物化合物相反，金属具有优秀的反射特性。包层光以及具体地沿金属涂层和石英之间的边界传播的那些模式周期性地撞击到金属涂层上。入射到金属30上的大部分的光被吸收；其余光继续传播，并且最终大大减小或完全消失。金属吸收器20可以忍受较高的机械应力、较高的温度，并且尽管吸收仍然是有限的，但其比传统的聚合物化合物分布地更好。基于整个光纤系统的已知参数和所需位置来选择吸收器20的最优组成提供了具有最大可能光功率的包层光去除，该去除包层光的最大可能光功率可以在比已知的将损坏系统的吸收器20和其他光学部件的阈值温度低的温度下加热合成物。

尽管可以将液态金属简单地施加和粘附到石英，但是因为液态金属与石英的非理想粘附性，表面应力可能仍然相当高。因此，将石英的表面纹理化，使其不再光滑，而是具有精微结构，所述精微结构改进了石英/包层和金属吸收器之间的结合。同样，选择金属吸收器的热膨胀系数接近硅的热膨胀系数，这也减小了机械应力。

液态金属及其相应合金在室温或者室温附近以液相存在，并且可以包括镓(“Ga”)及其合金，例如镓铟锡合金。镓铟锡合金是68％的Ga(镓)、21.5％的In(铟)和10％的Sn(锡)的合成物，并且具有约-15°的凝固点，在所述凝固点之后这种材料趋向于膨胀。像其他液态金属和合金一样，镓铟锡合金具有较高的热导率，所述较高的热导率优于聚合物化合物，因此具有优秀的热传导和散热特性。测试示出了由这种合金制成的能量吸收器可以安全地耗散大于600瓦特的包层导引光的光功率。可以更改化合物的成分以耐受达到kW级别的更高功率。具体地，可控地调节合金成分的质量分数，使得从包层去除的MM光的最大可能光功率在比已知将损坏包层的阈值温度低的温度下加热合金。

参考图3，为了减小包层导引MM光的大功率密度并且在一定程度减轻吸收器20上的热负荷，优选地，无源光纤18、21可以具有双瓶颈形状横截面，也称作双瓶(“TB”)光纤。在与本申请公共转让的未决申请US12/559，284和US12/630，545中详细地公开了TB几何形状，将上述申请全部合并在此作为参考。因此，TB光纤18或21的结构包括间隔开的相对均匀的小直径末端区域28、相对均匀的大直径中心区域34以及在相应的末端区域和中心区域之间的过渡区域32，所述过渡区域允许导引光的绝热膨胀。基于前述考虑，优选地但不是必需的，吸收器20沿功率密度相对较低的中心区域34设置。吸收器20的直径可以与聚合物护套或膜31的外径相同，或者大于聚合物护套或膜31的外径。TB光纤18、21还可以具有位于吸收器20下游的由聚合物化合物制成的另一个吸收器36。光纤18的中心区域34可以配置有约300微米的直径。

现在参考图4，大光功率可能要求由延展性材料制成的热沉，例如铜、铜钨合金以及配置有良好热导率和防止光纤应力的最小热膨胀的其他材料。优选的护套材料不与金属合金反应。热沉包括通过扣件42彼此可拆卸地耦合的第一部分38和第二部分40(图中只示出了扣件42之一)，并且所述部分配置为封入一段长度的无源光纤18、21。该长度的无源光纤的长度放置于填充有吸收器20并且设置在部分38中的凹槽44中。凹槽44中的光纤段的相对末端通过诸如硅凝胶之类的粘合剂耦合至部分38。粘合剂也涂覆到吸收器20和在光纤18上设置的任意其他剥离器，所述剥离器也可以位于凹槽44中以便生成所述结构密封。为了防止覆盖整个单元的外壳部分40过热，并且为了进一步改进单元的气密性，可以由例如A1制成的箔46填充在光纤长度和部分40之间。可替代地，硅凝胶、UV胶水或环氧树脂可以完全覆盖吸收器20，而不使用部分40。这些材料是柔性的，并且有效地补偿了金属的热膨胀。

图5说明了利用所公开的吸收器包封光纤18的长度的热沉和外壳的温度与耗散功率的关系。即使功率达到800W，吸收器仍然保持其结构完整性。

所公开的吸收器在大功率光纤激光器系统的场景下特别有利。尽管上述主要提到吸收器20对正向传播光的剥离能力，但是其也用作背向反射光的滤波器。同样，尽管以上公开的结构是在SM系统的场景中描述的，但是所公开的吸收器也可以有效地用于MM系统中。例如，所公开的吸收器可以设置在MM传输光纤中以便最小化背反射。另外，所公开的结构既可以用于连续波激光器结构也可以用于脉冲激光器结构。

在不脱离本发明精神和实质性特征的情况下，可以对公开的结构进行多种改变。因此，意欲将以上描述中包含的所有事物解释为只是说明性的而不是限制性的，本公开的范围由所附权利要求限定。

Claims (20)

1.一种包层模式吸收器单元“CMA”，包括：

无源光纤，配置有纤芯、包围纤芯并且能够支持不需要的多模“MM”包层光的包层、以及在包层上涂覆的聚合物护套，所述护套具有不连续的表面，所述不连续的表面限定了终止于包层平面中的开口；以及

吸收器，覆盖所述开口内包层的暴露部分、并且具有从液态金属、液态金属合金及其组合组成的组中选择的合成物，所述合成物配置为去除MM光，去除MM光的最佳光功率在比将损坏吸收器的阈值温度低的温度下加热所述合成物。

2.根据权利要求1所述的CMA单元，其中所述吸收器由镓、铟及其合金组成的材料构成，并且MM光的功率达到了kW级别。

3.根据权利要求1所述的CMA单元，其中所述吸收器由包括Ga(镓)、In(铟)和Sn成分的Galistan合金配置，其中Ga、In和Sn中的每一种的质量分数被可控地改变以去除预定的光功率。

4.根据权利要求1所述的CMA单元，还包括热沉，所述热沉配置有彼此可拆除地耦合的第一和第二部分，所述第一部分配置有容纳一段具有吸收器的无源光纤的凹槽，其中吸收器封闭在热沉中。

5.根据权利要求4所述的CMA单元，其中热沉包括金属底座和耦合至底座的顶部，从由一种或多种延展性金属和硅凝胶组成的组中选择所述顶部。

6.根据权利要求1所述的CMA单元，其中将包层的暴露部分纹理化，以便改进吸收器与包层的粘附性。

7.根据权利要求1所述的CMA单元，其中吸收器配置为使得吸收器的热膨胀系数选择为与包层的热膨胀系数相匹配。

8.根据权利要求7所述的CMA单元，其中无源光纤包括纤芯，纤芯被包层包围并且配置为导引功率达到一个或几个kW的SM光。

9.根据权利要求8所述的CMA单元，其中纤芯和包层均具有瓶颈形状横截面，所述瓶颈形状横截面包括具有均匀直径的输入末端区域、具有比末端区域的直径大的均匀直径的中心区域、以及桥接末端区域和中心区域的截头锥形过渡区域，所述吸收器在中心区域的至少一部分上延伸。

10.根据权利要求8所述的CMA单元，其中纤芯和包层均具有双瓶颈形状横截面，所述双瓶颈形状横截面包括间隔开的具有均匀直径的输入末端区域、具有比末端区域的直径大的均匀直径的中心区域、以及将中心区域的相对末端与相应的末端区域相桥接的截头锥形区域，所述吸收器在中心区域的至少一部分上延伸。

11.根据权利要求8所述的CMA单元，其中纤芯和包层均具有双瓶颈形状横截面，所述双瓶颈形状横截面包括间隔开的具有均匀直径的输入末端区域、具有比末端区域的直径大的均匀直径的中心区域、以及将中心区域的相应的相对末端与末端区域相桥接的截头锥形区域，所述过渡区域之一比另一个长，所述吸收器与相应的中心区域和最长的截头锥形区域的部分重叠。

12.根据权利要求1所述的CMA单元，其中所述无源光纤还配置有与金属吸收器间隔开的、由聚合物化合物制成的至少一个附加吸收器。

13.一种制造包层模式吸收器的方法，所述包层模式吸收器配置为从无源光纤的包层去除MM包层光，其中包层夹在纤芯和保护聚合物护套之间，所述方法包括：

从所需的包层位置去除一段护套以便暴露出预定长度的包层，从而在护套中形成开口；以及

用包括液态金属或者液态金属合金或者其组合的合成物填充所述开口，从而覆盖包层的所述长度以便去除最佳量的MM光，所述最佳量的MM光具有预定的光能量，所述预定的光能量在比将损坏吸收器的临界温度低的期望温度下加热所述合成物。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述吸收器由镓、铟及其合金组成的材料构成，并且所述吸收器的热膨胀系数基本上与所述包层的热膨胀系数相匹配。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述吸收器由包括约68％的Ga(镓)、约21.5％的In(铟)和约10％的Sn构成的合成物的Galistan合金配置，其中所述合成物具有-19°的凝固点。

16.根据权利要求13所述的方法，还包括：

提供由延展性金属制成的、具有凹槽的第一半外壳；

用模式吸收器填充凹槽；

将包括开口的一段无源光纤放置到模式吸收器中，从而覆盖包层的暴露长度；以及

将由延展性金属制成的第二半外壳可拆卸地耦合至第一半外壳，从而用吸收器密封该段无源光纤。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括利用聚合物化合物将该段光纤的相对末端粘附至第一半外壳。

18.根据权利要求13所述的方法，还包括在应用模式吸收器之前将暴露的包层的表面纹理化。

19.根据权利要求13所述的方法，其中无源光纤具有包括瓶颈形状横截面或双瓶颈形状横截面的结构。

20.一种大功率光纤激光器系统，包括：

多个增益模块，沿光路间隔开并且均具有有源光纤；

至少一个泵浦单元，配置为将多模泵浦光发射和耦合到有源光纤中，其中MM泵浦光的一部分在有源光纤的纤芯中没被吸收；

多个无源光纤，光学地耦合至相应的有源光纤、并且均具有夹在纤芯和聚合物护套之间的包层，至少一个无源光纤的聚合物护套具有不连续表面，所述不连续表面限定了暴露出预定长度的包层的开口；以及

包层模式吸收器，设置在开口中、并且具有从液态金属或液态金属合金或其组合选择的合成物，所述合成物配置为移除具有预定光功率的至少一部分未吸收的光，所述预定光功率在比将损坏吸收器的阈值温度低的温度下沿所述预定长度加热所述合成物。