CN104521077B - 高功率空间滤光器 - Google Patents

Abstract

一种改进的高功率空间滤光器、系统和方法。在该系统中，光纤被设置在套管通道结构内部，并且通道结构与聚焦透镜系统对准。光纤的端部与面对透镜系统的通道开口相距距离D，并且D通过系统的数值孔径因数和光纤的保持厚度而确定。

Description

高功率空间滤光器

技术领域

本发明涉及一种光学系统，其操作以从传播通过自由空间的激光中过滤掉高数值孔径或数值口径射线。

背景技术

为了满足现在的工业需求，一般包括固体激光器和光纤激光器的激光器变得越来越高效能。然而，通常应当在不劣化激光的质量的情况下得到高的光能量。在不同结构或配置的光纤激光系统中激光传播通过自由空间是经常遇到的。例如，光纤激光系统的诸如隔离器、环行器等的带有引出端的光学部件被构造有要求光经由自由空间传播的光路连续段。而另一种要求光经由自由空间传播的光学构造包括通常操作为泵浦源的激光二极管模块。激光二极管模块典型地具有多个发出各自的光束的激光二极管。光束被进一步校准和聚焦在多模(MM)传送光纤的入口承接口(faucet)，该多模传送光纤进一步将泵浦光引导到光纤增益组件。

将被聚焦的光线耦合到光纤一般地是重要的，特别是当激光二极管模块用作用于能够发出激光的光纤激光系统的泵浦时。通常，在多种工业中观察到的进展是越来越多地需要具有高质量高功率的激光束。

满足这种需求的是典型地包括一个或多个二极管泵浦模块的所谓的高功率光纤激光系统。产生的泵浦光然后被耦合到一个或多个增益组件。增益组件被构造有典型地具有多模(“MM”)芯部的主动光纤或激活光纤，该多模芯部被构型为在想要的波长基本上只承载基础模式(FM)。分别耦合到主动光纤的相对两端的输入和输出单模式(SM)被动光纤典型地组成了增益组件的一个光纤单元。

用于高功率激光系统的泵浦激光二极管模块被构造为带有引出端的光学元件，即，带有耦合到其上的光纤的元件。因此，来自多个发光器的被聚焦的MM光线被耦合到MM被动光纤，该MM被动光纤忠于其定义支持包括最强效的基础模式的多个横向模式。这些模式“竞争”给定的功率。在MM被动光纤中激发了更多的高阶模式(HOM)的情况下，基础模式的功率降低。

被传送的基础模式的功率损失极大地影响了上述公开的高功率光纤激光系统的总体效率。因此，期望由MM被动光纤传送的基础模式是最有效的或最强的，这可以通过降低高阶模式的数量实现。

存在几个影响激发的HOM(高阶模式)的数量的因素。例如，在将被聚焦光线耦合到MM被动光纤的过程中，大多数光线进入到MM芯部。这种光主要激发中心芯部模式，其中，光功率强度围绕光纤的主要被基础模式和少数中心HOM所占据的芯部区域对准。

但是具有各自的大数值孔径的一些激光光线，即以相对于光纤的光轴的较大角度传播的光线，从MM芯部偏离杂散并且没有很好地与MM芯部对准。此种杂散光线可能激发光纤的大量的包层模式和通常沿着芯部/包层界面传播的外围芯部HOM(高阶模式)。这些外围HOM也降低了基础模式的功率和质量，并且附加地，经常趋于不能耦接到光纤，从而出现对环境的危害。特别是，使得光纤免受机械应力的保护性聚合物层很容易被破坏，这样经常导致光纤自身的不可修复的损坏。另外，解耦光对光纤系统的其他光学部件而言是危险的。

传统地，光圈止挡件或孔阑或光圈被用于过滤掉杂散的激光以防止其进入到光纤。这种直接的解决方案通常对常规的自由空间光学器件而言是有效的。然而，在与高功率泵浦模块相关的微型光学器件中，孔阑更难以处理。因此，不能一直满足在相对于光纤轴线安装和对准过程中对高精度的要求。继而，对于大规模生产而言，后者降低了激光模块的可靠性和可复制性。

外围模式的激发导致上述的不想要的后果不仅仅限于泵浦光传送系统。光纤激光系统也经常具有校准光传播通过自由空间然后耦合至光纤的光路。例如，终端组件具有准直透镜，或者多级联高功率光纤激光系统经常包括隔离器、环行器和其他大型部件，这些部件配置有在光线被耦合到光纤之前的自由空间光路。在很多情况下，传播进入到光纤的光的耦合也具有与上述关于泵浦光传送系统的相同的问题。

因此，在接收通过自由空间传播的MM光线的被动MM光纤中，存在减小或最小化外围HOM和包层HOM的激发的改进的方法的需求。

还存在对执行改进的方法的光学系统的需求。

发明内容

本公开的光学系统满足了上述的需求。具体地，所述系统构造有发光的光源，所述光进一步经由自由空间传播并且入射在聚焦光学部件上。被聚焦的光进一步入射在与上述部件对准的光纤上，并且被聚焦的光包括相对于部件的光学轴线以相应的角度延伸的小数值孔径光线和高数值孔径光线。

在下文公开的是一个改进的方法，该方法通过从入射到光纤上的光中过滤掉高数值孔径的杂散光线而减小较高阶模式和包层模式的激发。

通过将光纤尖端设置在套管通道中而实现上述的目的，其中光纤的上游端向内与通道的开口边缘间隔一定距离。入射有会聚的高数值孔径光线的通道端部被涂覆有一层高反射涂层材料，例如，电介质材料或金属材料，该材料反射入射在其上的高数值孔径光线并因此防止这些光线耦合到光纤的芯部。

在光线耦合交会位置处，光纤的用于光线进入的光纤琢面与套管通道的开口端之间的距离可理解为由如下的公式确定：D＝t/tan(arcsin(NA/n))，其中D是光纤琢面从开口边缘进入到套管通道的深度，t是光纤的包层区域的厚度，NA是期望的数值孔径，n是光线行进到光纤入口琢面而经过的介质的反射率。

利用该简单的设计改进，可消除对安装和对准孔阑的需求，这不仅增加了激光二极管泵浦系统的可靠性并且也降低了制造激光二极管泵浦系统的总成本。

结合附图在阅读以下的说明的基础上，本发明的上述和其他方面、特征和优点将变得显而易见，其中，类似的附图标记表示相同的元件。

附图说明

图1示意地图示了光纤光学器件中的高功率激光二极管泵浦模块中的总体激光耦合过程。

图2是激光光纤光学器件中的激光耦合用以减少进入光纤中的杂散光线的传统机构的截面示意图。

图3是根据本申请的用于光纤光学器件中的激光二极管泵浦模块的改进激光耦合机构的截面示意图。

图4是根据本申请的在示例改进的高功率激光二极管泵浦模块中的激光耦合过程的交会结构的分解图。

图5是图3和图4的激光耦合机构的一个实施方式的示意图。

具体实施方式

以下将对本发明的实施方式进行详细地说明。只要有可能，相同的或类似的附图标记用在附图和说明书中指示相同的或类似的部件或步骤。附图是简化的形式并且并不是精确的比例。仅仅为了方便和清楚的目的，针对附图中使用了方向(上下等)或者运动(向前/向后)术语。这些类似的方向术语不应被理解为以任何方式限定本发明的范围。

光纤是由并不比人类头发粗太多的玻璃硅制成的柔性的、透明光纤。光纤典型地包括透明芯部，该透明芯部被具有较小折射率的透明包层材料包围。光通过内部全反射被保持在芯部中。多个芯部支持很多横向传播路径的光纤被称为多模(MM)光纤，而芯部只支持单一模式的光纤被称为单模(SM)光纤。SM光纤发出高质量的且具有小光点直径的但是功率较小的光束。MM光纤一般地具有比SM光纤大的芯部直径，并且用于必须传输高功率但是光束质量要求某种程度上不如SM光纤的光束质量要求严格的应用中。因此，当激光束的功率和质量要求都高时，希望使用只支持少数高阶模式的MM光纤。

多种模式的激发依赖于多个因素，其中包括数值孔径(“NA”)在内。数值孔径(NA)通常用在光纤光学器件中以描述接收到光纤中的或者从光纤中逸出的光线相对于一个点的圆锥体，

NA＝nsinθ

其中，n是透镜工作所处的介质的折射率，θ是光能够从一个点进入或逸出光纤的最大圆锥体的半角。

参考图1，将说明包括光源的总体的光耦合过程100，该光耦合过程100，光源例如是用作(例如)泵浦源的激光二极管模块。来自多个发光器的平行激光束101入射在构造为将光束弯曲成光线102的聚焦透镜系统120上，其中光线102以各自不同的角度或数值孔径(NA)会聚在透镜系统的焦点。MM被动光纤160一般地被安装在金属套管中从而其上游端实质上被布置在由透镜系统120所构型的MM光束的瑞利(Rayleigh)区域。在透镜系统120的聚焦处理之后，具有较小的数值孔径(NA)的被弯曲光线102被主要操作地为以基本且少数高阶芯部模式耦合到光纤160的芯部并且传出为激光103。然而，杂散光线104被阻止耦合到光纤中，该杂散光线104是具有相对于光纤160的高数值孔径或更大的角度的光线，该光线典型地激发额外的高阶芯部模式和包层模式105。这些额外的高阶芯部模式和包层模式可在外部耦合到光纤160的保护层并且将该保护层加热到可导致其燃烧并且也不利地影响其他系统部件的升高的温度。

参考图2，在传统技术中，将孔阑170添加到聚光光路中以阻挡来自各个发光器、然后以大角度弯曲的外围光束进入到透镜聚焦系统120，只有那些进一步被弯曲成小数值孔径的行程光线102的光束被允许通过孔阑并且被耦合到光纤160，这样降低了包层模式光线和高阶模式光线的量。这是一个经典的对于规则的自由空间光学器件而言有效的且直接的方式。当处理微型光学器件时，在对用于高功率泵浦模块的聚焦光学系统的情况下，此方法并不是那么简单直接。经常由于对准和安装方法的选择，孔阑相对于系统的光轴的对中可能比较困难并且在大规模生产的环境下不可重复。

参考图3，以剖面图的形式示出了用于将光从高功率激光二极管泵浦模块耦合到光纤160的改进机构300。光纤160被放置在套管通道150中，其中套管150的端部涂覆有一层高反射率材料。去除了如图2所示的孔阑170，但是取而代之的是高数值孔径的光线104被套管150的前端反射走而不能进入到光纤160中。该改进方法消除了使得孔阑与光纤轴线的对准的必要；将光纤放置在套管通道中是可高度重复的，并且能够以高精度控制。

图4是图3的区域400的分解图。套管150的面对入射光的一个或多个端面涂覆有一层高反射率材料151，例如一层电介质材料或一层金属。光纤160被放置在套管通道150内部，其中该光纤160的上游端沿着被聚焦光束的瑞利区域放置。对于期望的数值孔径的能够基于光线-光学器件方法或波动光学方法确定光纤的上游端与套管通道150的上游边缘间隔的特定距离“D”。

参考光线光学器件，能够如下面的方式确定距离“D”：设定光纤160的包层具有厚度“t”。在高数值孔径杂散光线104被套管通道150的端部阻挡并且反射走，进入到光纤160中的高数值孔径光线102’的量与深度“D”具有反比例关系。在“D”较大的情况下，MM被动光纤160的入口承接口就位于套管通道更深的内部，因此减少了进入到光纤的包层和/或包层-芯部界面的杂散光线的数量。对于给定目标的数值孔径(“NA”)和已知的包层厚度t，能够如下确定期望的距离“D”。

为了防止高阶模式的产生，应当防止高数值孔径光线102’耦合到芯部140。因此，已知目标角度可能根据如下的等式确定距离“D”：

从上面的关系式中，可以确定距离“D”为

角度可以如下确定

其中，n是空气的折射率，并且因此等于1，NA是期望的目标数值孔径。

从以上内容中，可以得出：

D＝t/tan(arcsinNA)

其中，D是光纤的入口承接口与套管通道的开口边缘之间的距离，t是光纤的包层厚度。因此，对于特定的例如0.135的期望目标数值孔径(NA)和t＝10μm，光纤的入口承接口需要与套管通道开口端相距D＝73μm。D容易计算出并且能够被精确地控制。这种改进允许能够以高精度、高复制性和高度自动化但是低成本地制造高功率激光二极管泵浦模块。从波动光学角度讲，从被聚焦光束的瑞利区域中的光束腰计算(beam waist calculation)中可以获得期望的深度，这将得出与上述相同的结果。

图5示出了套管150的端部涂覆表面170的变形形式。参考图4，套管的端面的承接口在大致垂直于光纤的轴线A-A延伸的平面内延伸。在该构造中，反射回的光线入射到聚焦部件上并且可产生热相关问题，导致可能对这些聚焦部件和其他上游部件造成损坏的升高的温度。为了避免此种不期望的反射返回，涂覆的端面170具有大致锥体的形状，该锥体以使得被反射的光线180不照射到上游部件的角度反射入射在其上高数值孔径射线104。

利用构造为发出高功率、高亮度MM光的激光二极管模块的光源公开了上述的结构。但是，本领域的技术人员很容易意识到光源具有多种构造，包括(例如)光纤、校准仪和其他。

参考附图已经描述了本发明的优选实施方式中的至少一个，但是对于本领域的技术人员而言本发明不限于这些精确的实施方式并且在不脱离本发明的范围或精神的情况下能够对本公开系统做出多种修改和变型是显而易见的。因此，本公开试图覆盖本公开的修改和变型，只要它们落在所附权利要求和它们的等价物的范围之内。

Claims (20)

1.一种光学系统，包括：

聚焦部件，构造为对入射在其上的光束聚焦，从而被聚焦的光束包括多条光线，所述多条光线以包括小数值孔径光线的一个角度范围和以包括高数值孔径光线的另一角度范围朝向一轴线会聚，所述小数值孔径光线最多等于目标数值孔径，所述高数值孔径光线至少等于所述目标数值孔径；

套管，具有限定内部中心通道的内表面；

光纤，其与所述中心通道同轴地延伸并且被设置在所述中心通道中，其中所述光纤的上游端向内与所述套管的上游端隔开一预定距离“D”从而在所述套管的末端形成一空隙，其中实质上只有小数值孔径光线进入到所述末端并且被耦合到所述光纤的芯部。

2.如权利要求1所述的光学系统，其中，所述套管的上游端的末端表面被涂覆有一层反射材料。

3.如权利要求2所述的光学系统，其中，所述反射材料包括电介质材料或金属材料或陶瓷材料或它们的组合。

4.如权利要求1所述的光学系统，其中，相应的套管的上游端和光纤的上游端彼此间隔开距离D，该距离D根据如下的关系式而确定：

D＝t/tan(arcsin NA)，

其中NA是目标数值孔径，t是光纤包层的厚度。

5.如权利要求4所述的光学系统，其中，间隔确定距离D的所述光纤的上游端位于被聚焦的光束的瑞利区域。

6.如权利要求1所述的光学系统，还包括光源，该光源包括构造有多个发光器的高功率激光二极管模块，所述多个发光器输出各自的入射在聚焦部件上的平行的输出光束，所述聚焦部件是聚焦透镜。

7.一种将光束耦合到多模光纤的方法，包括如下的步骤：

通过聚焦透镜把所述光束向所述聚焦透镜的轴线会聚，由此提供具有最多等于目标数值孔径的较小数值孔径的多条光线以及具有最少等于目标数值孔径的较大数值孔径的多条光线；

将所述多模光纤插入到套管中并将所述套管和透镜相对于彼此移开一预定距离“D”以在所述套管的末端形成一空隙，

由此实质上只将具有相应的小数值孔径的光线耦合到所述光纤的芯部，同时从所述套管的末端表面上反射具有相应的较大数值孔径的光线，从而最小化外围芯部高阶模式和包层高阶模式的激发。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述聚焦透镜和所述光纤是对准的。

9.如权利要求7所述的方法，其中，所述套管的末端表面被涂覆有一层高反射材料。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述高反射材料是电介质材料或金属材料或陶瓷材料。

11.如权利要求7所述的方法，其中，所述预定距离D被确定为：D＝t/tan(arcsin NA)，其中NA是期望的数值孔径，t是所述光纤包层的厚度。

12.如权利要求7所述的方法，其中，所述末端表面位于垂直于所述轴线延伸的平面内。

13.如权利要求7所述的方法，其中，所述末端表面具有从所述多模光纤扩展开的截头圆锥形状，从而将入射到其上的高数值孔径光线反射远离所述多模光纤。

14.一种高功率激光二极管泵浦模块，其包括：

多个发光器，其输出各自的沿一光路的平行的多个光束；

聚焦透镜，在其上入射有所述平行光束并且操作用于以小于参考值且对应于较低数值孔径光线的一角度范围和以大于所述参考值且对应于较高数值孔径光线的另一角度范围会聚平行光束；

通道结构，其限定与所述聚焦透镜对准的有界内部中心通道；以及

多模光纤，其被安装在所述通道结构内部，其中所述多模光纤的上游端与所述通道结构的上游端间隔开并且在所述通道结构的上游端的下游，同时较高数值孔径光线被所述通道结构的上游端的末端表面反射，同时较小数值孔径射线被耦合到所述光纤的芯部中以激发少数量的模式。

15.如权利要求14所述的模块，其中，所述末端表面被涂覆有一层高反射材料。

16.如权利要求15所述的模块，其中，所述高反射材料是电介质材料或金属材料或陶瓷材料或它们的组合。

17.如权利要求14所述的模块，其中，相应的通道结构的上游端和光纤的上游端彼此间隔开距离D，该距离D被确定为：D＝t/tan(arcsin NA)，其中NA是参考值，t是光纤包层的厚度。

18.如权利要求14所述的模块，其中，所述光纤的上游端位于被会聚光束的瑞利区域内。

19.如权利要求14所述的模块，其中，所述末端表面位于垂直于轴线而延伸的平面内。

20.如权利要求14所述的模块，其中，所述末端表面具有从所述多模光纤扩展开的截头圆锥形状，从而将入射到其上的高数值孔径光线反射以远离所述多模光纤。