CN104914500B - 从高功率光学系统中除去不需要的光 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及去除高功率光学系统中未吸收的包层光。一些实施例包括折射率大于光纤包层折射率的玻璃块，以及位于玻璃块外部的金属外壳。玻璃块和金属外壳结合使用以去除多余的光。
Description
相关申请的交叉引用
本申请通过整体引用结合由Holland和Sullivan于2013年3月15日提交的，题目为“Glass Buffers”，序列号为61/787,854的美国临时专利申请；以及由Holland和Sullivan于2014年3月12日与本申请同时提交的标题为“Glass Buffers”，序列号为14/206,641的美国专利申请。
背景技术
技术领域
本发明总体上涉及光学器件，尤其涉及高功率的光学系统。
相关技术描述
光纤激光器和光放大器通常被用在高功率的光学应用中。在这些应用中采用的高功率水平可能会导致不同脆弱点的温度升高。因此，还需要不断地努力以减轻高功率光学系统内潜在的过热。
发明内容
本发明涉及去除基于光纤的高功率系统中多余的包层光。一些实施例包括折射率大于光纤包层折射率的玻璃块，以及位于玻璃块外部的金属外壳。玻璃块和金属外壳组合以去除不需要的包层光。
附图说明
本发明的许多方面参照下面的附图可以更好地理解。图中的组件不一定按比例，重点在于清楚地说明本发明的原理。此外，在附图中，在以下若干视图中相同的标记表示相应的部分。
图1示出了一种具有去除不需要的包层光的装置的光纤的实施例。
图2A是具有机加工的槽的玻璃块的俯视图。
图2B是图2A中的玻璃块的前视图。
具体实施方式的详细描述
高功率的光学应用，如提供几千瓦(kW)光功率的光纤激光器或光纤放大器，可通过多路复用众多千瓦级设备(如激光器或放大器)来实现。这种可扩展的结构可以通过相干组合，光谱组合，或混合组合方案来实现。在每个阶段中，这些千瓦级设备使用数千瓦的泵浦光，并已知以约百分之八十(80％)的光-光转换效率运行。鉴于这种效率，在输出端可具有几百瓦特(W)的未使用的剩余泵浦功率在包层中传播。也可使高功率的信号光例如在弯曲处或接头处被散射出纤芯，导致不必要的信号光在包层中传播。
例如，具有70％的光-光转换效率和976nm的泵浦光的1083纳米(nm)、2.0千瓦、10分贝(dB)的放大器通常需要大约2.5千瓦的泵浦功率。因而，当转换效率为约90％，在放大器的输出处可能有高达750瓦的残余泵浦。此残余泵浦功率归因于通常减少非线性特性所需的放大器的有限长度，以及沿光纤长度的不完整的泵模式加扰。
为了防止过度的单程增益和寄生激光振荡(spurious lasing)，在较短的波长(例如小于1060nm)运行的放大器通常需要较短的光纤长度。不过，这些较短光纤会减少吸收的泵浦功率的量，从而产生过量的未使用的泵浦功率。未使用的泵浦功率破坏输出端的光谱纯度，从而损害多路复用这些千瓦级设备的能力。此外，未吸收的泵浦光(和其它包层光)会产生不需要的加热。因此，理想的是在泵浦波长处移除这种未使用的泵浦功率(和其他的包层光)，以保持放大器输出端的光谱纯度，否则其可能干扰多路复用方案并产生不需要的加热。
本发明提供用于处理不需要的包层光，如过量的泵浦光的这种问题的系统和方法。尤其是，所公开的方法提供了一种机制，通过将光纤嵌入具有适当折射率的玻璃块中，以去除不需要的包层光。例如，如果该光纤包层的折射率为n1，然后玻璃块的折射率为n3，其中在感兴趣的温度范围内n3≥n1，由于存在折射率的差异，将导致包层中多余的光被除去。优选地，选择结构和材料以将热通量减少至小于约200瓦每平方英寸(W/in2)。
已经进行了概述，现在参考如附图中所示的实施例作出详细描述。一些实施例结合这些附图被描述，但其目的不是将本申请限制于这里所公开的一个或多个实施例。相反，其目的是要覆盖所有的替换，修改和等同物。
图1示出了一种光纤的实施例，其具有用于从高功率光学系统，如光纤放大器或光纤激光器中去除不需要的包层光的装置。具体地，图1的实施例示出了位于玻璃块110中的光纤140。光纤140包括纤芯150、包层160和低折射率涂层190。包层160的折射率为n1。
流体180介于玻璃块110和光纤140之间，从而围绕存在于玻璃块110通道内的光纤140。优选地，该通道的尺寸应比光纤140的外径约大百分之二十(％)。因此，例如，对于外径约330微米的光纤，通道应该具有小于约400微米的宽度，从而留下大约35微米的平均间隙距璃。可以理解的是，通道可以是钻入玻璃块110的孔，或者在替代方案中，可以是在玻璃块110中机加工的槽。
所述流体180具有折射率n2，使得n2≥n1，并具有内部透射率τfluid，使得在约100微米(μm)的距离上τfluid≥0.999。因此，折射率的差异允许光从包层160逃逸到流体180。另外，由于流体180的高透射率，逃逸到流体180的任何光都将通过流体180传播，而没有太多的吸收。因此，流体180中将产生很少的热量(如果有的话)。对于一些实施例，流体180可以是光学流体或某些类型的透明光学胶、糊剂或凝胶。
如图1所示，玻璃块110的折射率为n3，使得n3≥n2，从而允许光从流体180逃逸到玻璃块110。对于一些实施例，玻璃块110的折射率为约1.7。此外，玻璃块110具有透射率τglass，使得在约1厘米(cm)的距离上的τglass≥0.999。再次，该玻璃块110的高透射率允许光传播穿过玻璃块110，只有很少的吸收。优选地，玻璃块110应该具有足够大的尺寸，使得其中不存在光聚集区域。例如，玻璃块110可以是大约5cm×2cm×2cm。
图1的实施例还包括一个位于玻璃块110的外部的金属外壳170，以及在玻璃块110和金属外壳170之间的玻璃-金属界面吸收光的热复合物130。优选地，金属外壳170的导热率大于200瓦每米-摄氏度(W/m-℃)，这导致在玻璃-金属界面的热通量小于约200瓦平方英寸(W/in2)。对于一些实施例，金属外壳170具有高热导率，并包括增强吸收的黑色涂层。示例的金属包括铜，它具有约401W/m-℃的热导率，或黑色阳极氧化铝，其具有205W/m-℃的热导率，从而允许有效的热量流到冷却元件，例如可以是与金属外壳170相接触的冷却板(未示出)。通过使用热阻小于约0.15℃-in2/W的冷却板，玻璃-金属界面处产生的大量热量可以从系统中有效地被提取出来。对于一些实施例，冷却板为水冷却的冷却板，其具有足够的热提取能力以保持其在玻璃-金属界面的工作温度小于约50℃。因此，例如，泵浦功率约500瓦的光纤激光器，将在玻璃-金属界面产生约25W/cm2的热通量。
继续看图1，在操作中，包层的光(图1中显示为从左侧进入)传播穿过包层160。当它到达玻璃块110时，包层光通过流体180和玻璃块110被提取出来。当所提取的包层光到达玻璃-金属界面，它会被金属外壳170的内表面散射和吸收，从而在玻璃-金属界面产生热量，并且一些热量被热复合物130吸收。热量的剩余部分通过金属外壳170传递到用于去除系统热量的冷却板。可以理解的是，通过提供一种具有比光纤包层160更高折射率的玻璃块110，不需要的包层光可以被提取，并从系统中除去。
图2A表示具有机加工的槽220a、220b、220c(统称220)的玻璃块210的俯视图，而图2B示出了玻璃块210的前视图。对于图2A和图2B的特定的实施例，三个槽220被机加工成具有约1.7的折射率的透明的高折射率的玻璃块210，以形成通道，光纤将最终位于该通道中。图2A和图2B中玻璃块210的具体尺寸是大约55毫米(mm)×16mm×4mm。槽220的宽度和深度约为500微米。一旦光纤被放置在槽220中的一个中，另一玻璃块(未示出)被置于图2A和图2B的玻璃块210的顶上，从而有效地包裹该高折射率玻璃块210内的光纤。
举例来说，使用热复合物将玻璃块210安装至15℃水冷的冷却板上，并且在976纳米处将80W功率注入到位于槽220内的330微米的无芯裸光纤，将导致在无芯光纤中传播的约12分贝(dB)的包层光消失。在这个特定的例子中，作为光功率函数的表面温度显示有小于0.3℃/W的上升。因此，在100瓦时，将期望温度达到约42℃。这种温度上升可通过增加玻璃块210的尺寸而减小。此外，通过用冷却板包围装置四周或增加嵌入玻璃块210的光纤的长度，可以从该系统除去更多的热量。
通过提供这种类型的热提取机构，高功率光学系统中存在过量包层光的相关问题可以得到改善。此外，严格控制装置的尺寸和材料使其能用在多个千瓦级设备多路复用在一起的非常高功率的系统中。因此，所公开的实施例可以在适应几百千瓦，甚至到兆瓦(MW)范围的功率水平的系统中使用。
尽管已经示出和描述了示例性实施例，本领域的普通技术人员应清楚可以对所描述的内容做出许多改变、修改或变更。因此，所有这样的变化、修改和变更都应视为在本发明的范围之内。
Claims (20)
1.一种从高功率光学系统中去除多余的包层光的装置，该光学系统包括光纤，该光纤包括光纤包层，光纤包层的折射率为n1，所述装置包括：
围绕光纤的流体，该流体的折射率为n2，使得n2≥n1，该流体具有内部透射率τfluid，使得在100微米(μm)的距离上τfluid≥0.999；
玻璃块，其包括用于所述光纤的通道，所述流体介于玻璃块和光纤包层之间，玻璃块的折射率为n3，使得n3≥n2，玻璃块具有透射率τglass，使得在1厘米(cm)的距离上τglass≥0.999；
与玻璃块接触的热复合物，该热复合物吸收光，热复合物处的热通量小于200瓦每平方英寸(W/in2)；以及
冷却板，用于从装置移除热量，该冷却板表现出小于0.15℃-in2/W的热阻。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括：
导热率大于200瓦每米-摄氏度(W/m-℃)的金属外壳，金属外壳位于玻璃块外部，金属外壳和玻璃块被玻璃块和金属外壳之间的玻璃-金属界面处的热复合物缓冲。
3.根据权利要求1所述的装置，玻璃块中的通道为钻入玻璃块中的孔。
4.一种装置，包括：
玻璃块，其包括用于光纤的通道，该光纤具有包层，该包层的折射率为n1，玻璃块的折射率为n3，使得n3≥n1；以及
与玻璃块接触的热复合物，热复合物处的热通量小于200瓦每平方英寸(W/in2)。
5.根据权利要求4所述的装置，还包括：
位于玻璃块外部的金属外壳，所述热复合物位于所述金属外壳和玻璃块之间的玻璃-金属界面处。
6.根据权利要求5所述的装置，金属外壳的导热率大于200瓦每米-摄氏度(W/m-℃)
7.根据权利要求5所述的装置，还包括：
与所述金属外壳接触的冷却板，冷却板用于从装置移除热量。
8.根据权利要求7所述的装置，冷却板表现出小于0.15℃摄氏度-平方英寸每瓦(℃-in2/W)的热阻。
9.根据权利要求4所述的装置，玻璃块具有透射率τglass，使得在1厘米(cm)的距离上τglass≥0.999。
10.根据权利要求4所述的装置，还包括：
围绕光纤的流体，该流体具有内部透射率τfluid，使得在100微米(μm)的距离上τfluid≥0.999。
11.根据权利要求4所述的装置，还包括：
围绕光纤的流体，该流体的折射率为n2，使得n3≥n2≥n1。
12.根据权利要求4所述的装置，玻璃块中的通道为钻入玻璃块中的孔。
13.一种装置，包括：
具有包层的光纤，包层的折射率为n1，
玻璃块，其包括用于光纤的通道，玻璃块的折射率为n3，使得n3≥n1，以及
与玻璃块接触的热复合物，该热复合物处的热通量小于200瓦每平方英寸(W/in2)。
14.根据权利要求13所述的装置，玻璃块具有透射率τglass，使得在1厘米(cm)的距离上τglass≥0.999。
15.根据权利要求13所述的装置，玻璃块中的通道为钻入玻璃块中的孔。
16.根据权利要求13所述的装置，光纤具有外径，所述通道比该外径大百分之20(20％)。
17.根据权利要求13所述的装置，玻璃块具有1.7的折射率。
18.根据权利要求13所述的装置，所述玻璃块包括：
具有机加工的槽的第一玻璃块；和
覆盖所述机加工的槽的第二玻璃块，所述第一玻璃块和第二玻璃块具有相同的折射率。
19.根据权利要求13所述的装置，玻璃块具有透射率τglass，使得在1厘米(cm)的距离上τglass≥0.999。
20.根据权利要求13所述的装置，还包括：
位于玻璃块外部的金属外壳，金属外壳的导热率大于200瓦每米-摄氏度(W/m-℃)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |