CN105026969A - 具有多模-多模光纤合束器的超大功率光纤激光器系统 - Google Patents

Abstract

超大功率光纤激光器系统包括多模式合束器，所述多模式合束器配置有多个低模式光纤，所述多个低模式光纤捆扎在一起并且朝着光纤束的下游端部成锥形。所述系统还包括包层模式吸收器，所述包层模式吸收器沿合束器的锥形下游端部延伸并且在合束器的输出光纤的一部分上延伸。所述吸收器配置有具有相应折射率的位置连续的区域。沿光信号的正向传播方向，上游区域包括聚合物材料，所述聚合物材料的折射率大于所述合束器端光纤的包层的折射率。这一区域配置为去除通过所述合束器端部和输出光纤之间的接合部渗透到所述合束器包层中的反向反射芯区导引光。中间区域包括聚合物材料，所述聚合物材料的折射率小于所述合束器输出光纤的包层的折射率，因此可以防止包层导引信号光在材料下方去耦合包层。下游区域配置有聚合物材料，所述聚合物材料的折射率小于所述合束器输出光纤的折射率。下游区域的聚合物材料填充有多个光漫射体，所述光漫射体对包层导引信号光的高数值孔径射线进行散射。

Description

具有多模-多模光纤合束器的超大功率光纤激光器系统

相关申请的交叉引用

本发明涉及与本申请人共同递交的美国临时申请NO.61/770,599，将其全部合并在此作为参考。

技术领域

本公开涉及超大功率光纤激光器系统。具体地，本公开涉及超大功率多模(“MM”)光纤系统，所述光纤系统发射几十kW级别的MM激光输出并且配置有操作为有效地滤除不想要的正向传播包层光和反向反射包层光的机制。

背景技术

几个kW的光纤激光器系统用于多种应用中。随着光纤激光器的商业部署逐渐成熟，要求对于光纤激光器及其部件的功率、质量和可靠性的强烈关注。为了支持所需的功率级别，在LM-MM合束器(combiner)中将多个低模式(“LM”)光纤激光器系统光学和机械地耦接在一起。为了在较高的kW功率级别处有效地执行，合束器应该成功地解决结构性难题，其中这里尤其感兴趣的一些是例如光纤的机械耦合以及沿正向和反向反射方向的功率损耗。

通常，制造大功率合束器的工艺包括：熔融光纤束中相应光纤激光器/放大器的已对准输出光纤；锥形化光纤束；将锥形光纤束解理并接合到系统输出传输光纤。合束器的制造(初始假设为拦腰切割的领结结构)会导致包层的结构性缺陷(毛边)，在合束器的部署期间毛边可能进一步不利地影响输出激光束的质量及其功率。

在光纤激光器系统的输出达到数十kW的情况下，正向传播和反向反射传播的芯区引导光在传播通过系统时趋向于渗透至空气-石英界面处的相邻包层以及各种光纤之间的接合部。一旦处于包层中，大功率信号光在围绕包层的聚合物涂层上引入热负荷。所述涂层配置为将作为施加至光纤的外部机械负荷的结果光纤所经历的结构损坏最小化。正向传播信号光以及特别是反向反射光(从要进行激光处理的表面反射的光)两者都可能渗透到包层中，也会损坏合束器本身和合束器上游的系统部件，当合束器和合束器上游的系统部件暴露到反向反射光时特别容易损坏。因此，需要从波导中去除正向和反向传播的包层光。

总之，为了在LM波导的输出处获得高达数十kW的光功率，合束器需要满足以下条件的特定结构：

(1)将输入光纤可靠地固定在一起，而不会恶化输出光束的质量并且损失光功率；

(2)有效地分配和利用正向和反向传播光的功耗；以及

(3)保护光纤免受由于热引入变形导致的环境污染。

因此需要一种满足上述条件的超大功率MM光纤激光器系统。

发明内容

根据本公开的一个方面，相应的各个低模式光纤激光器系统的光纤导引输出每一个均具有多层结构，以便改进输出光纤之间的可靠耦合，并且最小化LM-MM合束器的制造期间损坏光纤的相应芯区的可能性。每一个双包层光纤(也称作输入光纤)的多层结构包括内部层和外部层。内部层包括二氧化硅(SiO₂)，而外部层由掺杂有氟(“F”)离子并且具有相对较低的熔化温度的SiO₂制成。外部层的存在实质上最小化了合束器的制造期间对各个光纤部件的损坏。

根据本公开的另一个方面，LM/MM合束器配置有吸收器，所述吸收器能够有效地去除沿所公开系统的包层区域导引的不想要的正向传播光和反向反射光。吸收器配置有上游、中间和下游连续区域，负责去除具有两个起始源的不想要的光。一个源包括当导引正向传播的信号光通过光纤之间的接合部区域时正向传播信号光的损耗。另一个源涉及反向反射光，在沿反向传播方向从工件反射时将反向反射光耦合到馈送光纤的芯区和包层中。

沿信号光的正向传播方向观看，上游区域配置为主要防止反向反射光到达各个LM光纤激光器系统。所述区域由折射率比石英的折射率高的聚合物来限定。

中间区域配置为防止在上游接合部处损耗并且沿正向传播方向沿包层导引的信号光的大孔径射线逃离合束器。构成这一区域的聚合物配置有与石英折射率实质上相同或者小于石英折射率的折射率。最后，下游区域与上游区域类似地配置，但是操作为去除在中间区域中没有处理的正向传播信号光。

另一个方面涉及包括所公开的合束器在内的MM大功率光纤激光器系统。所述系统配置有包层模式吸收器，配置为将耦合到系统的输出光纤的包层中的反向反射光最小化并且提供反向反射光的去除。

附图说明

根据结合附图的以下特定描述，所公开结构的以上和其他特征和优点将变得更加清楚明白，其中：

图1是所公开的大功率光纤激光器系统的正式图；

图2是图1的系统的LM/MM-LM合束器部件的示意图；

图2a-2d是沿图2的相应线得到的相应截面图；

图3是图1的系统的包层模式吸收器的示意图。

具体实施方式

现在对本公开的优选实施例提供详细参考。在可能的情况下，相同或类似的参考数字在附图和说明书中用于表示相同或类似的部分或步骤。附图是按照非常简化的形式并且没有精确按比例绘制。

图1示出了能够发射高达约50kW高质量光束的大功率光纤激光器系统10的示意图。所述系统10配置有多个低模式(“SM-LM/MM)光纤合束器12，每一个光纤合束器操作为按照低模式或多横模系统输出发射辐射。在同时递交的美国临时申请中公开了SM-LM/MM合束器的结构，将其全部合并在此作为参考。SM-LM/MM激光器合束器12配置有相应的LM/MM输出无源光纤16，每一个SM/MM输出无源光纤16与输入MM无源光纤19直接接合或者经由中间无源光纤与输入MM无源光纤19接合。因此，熔融区域形成由接合光纤20围绕的上游接合部。然后，LM输入光纤19在LM/MM-MM合束器22中彼此对准并且进一步地机械和光学耦合。利用下游系统包层模式吸收器80完善了系统10。

参考图2和图2a，初始通过将多个LM/MM无源输入光纤19彼此对准以便限定如图2a所示的光纤束的大直径输入端来形成LM-MM合束器22，所述LM/MM无源输入光纤19的每一个均配置有大直径MM芯区32(图2a)和输出包层34。随后，将对准的LM/MM输入光纤19同时熔融和拉伸成锥形光纤束的小直径下游端部24。光纤束的下游端部24包括在熔融和拉伸各个输入光纤19时形成的单一芯区。执行拉伸，使得熔融光纤束的下游端部24和MM合束器输出无源光纤26的直径实质上而并非完全地彼此相匹配。结果，熔融这些元件形成了接合区域30，所述接合区域30配置为使得当光传播通过这一接合区域30时经历较低的接合损耗。

依赖于LM/MM输入光纤19的个数，合束的输出可以达到高达约50kW，并例如具有小于20并且低至10的光束乘积参数BPP。锥形光纤束的下游端部24和合束器的输出光纤26的上游部分放置在外壳23中，外壳进而耦合至这里未示出的热沉。

通过任意合适的粘合剂将进入外壳23的输入光纤19彼此固定。由于大功率以及由此而来的升高温度，粘合剂包括耐高温部件，例如所述耐高温部件可以是UV-15-TK。

合束器22的缩放比例(scaling)严格地依赖于如何有效地利用沿合束器沿相反方向传播的不想要的包层导引光。典型地，将与从波导的包层去除光相关的机制称作光剥离器或包层模式吸收器(“CMA”)。

将CMA设置在包括锥形光纤束的一部分和合束器的输出光纤26的一部分在内的长度上。CMA配置有三个连续的上游、中间和下游区域38、40和42，并且操作为将包层光的量最小化。包层光沿相反的传播方向和反向传播波方向传播，并且光纤激光器领域的普通技术人员已知地，包层光不利地影响光纤以及激光器系统10的其他光学部件。甚至几百瓦的反向反射光(在本发明的系统中可以容易地达到kW)会损坏合束器22，但是对于可以通过相应的光纤19以及合束器22上游的其他波导接收这种光的各个SM系统而言同样适用。

沿锥形光纤束的部分24延伸并且终止于距离接合部30较短距离处的上游区域38配置为在反向反射光到达各个LM激光器系统18(图1)和其他上游部件之前，至少将反向反射光的传播最小化。

反向反射光具有数个起始区域。例如，工件21部分地反射耦合到熔融至合束器输出光纤26的馈送光纤82(图1)的包层和芯区中的信号光。区域38构建为处理初始耦合到馈送光纤82的芯区中、并且进一步耦合到将光导引至接合区域30的输出光纤26的芯区44’中的反向反射光。因为各个下游端部24和输出光纤26的横截面之间的重叠(限定了区域30)是不理想的，反向反射光填补了比芯区44(图2)更大的光纤束的下游端部的面积。因此，没有限制到锥形光纤束的下游端部的芯区的光渗透出去。为了去除这种光，用保护性聚合物层36来代替每一个光纤19的包层34，所述保护性聚合物层与锥形光纤束的下游端部24的芯区直接接触，并且具有比芯区32和保护性涂层34更高的折射率。

具体地参考图2a，聚合物36初始地填补了外壳23以及仍然具有各个保护性涂层34的光纤19(图2a)之间的空隙。在区域38内，聚合物36初始直接从下游端部24的芯区44去除反向反射光，并且进一步地从保持完好的各个单独光纤19的保护性涂层34去除反向反射光。聚合物36终止于光纤束的下游端部24和输出光纤26的上游端部之间距离接合部30的较短距离处。

参考图2和图2b，本公开的CMA的中间区域40(图2)从上游区域38的端部在锥形光纤束的下游端部24上(图2)延伸、然后通过接合部30并且终止于相距输出光纤26的下游端部区域的上游一定距离处。将输出光纤沿中间区域40从保护性包层剥离。替代地，聚合物层39(图2b)覆盖输出光纤26的内部包层43，内部包层43的折射率至少等于或大于聚合物层39的折射率。因此，层39配置为通过防止正向传播信号光从包层43去耦合来最小化正向传播信号光的损耗。

参考图2、图2c和图2d，吸收器的下游区域42配置有聚合物层46，聚合物层46配置为最小化沿输出光纤26的包层43导引的正向传播信号光的量。下游区域42在输出光纤26从保护性涂层剥离的较大部分上延伸，并且部分地覆盖仍然具有保护性涂层50(图2d)的光纤下游端。保护性涂层50沿输出光纤26的端区域保持完整，以改进输出光纤26与外壳23的耦合(图2)。

与中间区域40的层39类似，聚合物层46配置有诸如硅胶之类的基质材料，所述基质材料的折射率实质上等于石英的折射率。基质材料掺杂有多种漫射体，包括例如Al₂O₃的微粒。漫射体不会吸收入射到漫射体上的光；漫射体全方向地散射，其中散射光的一部分导引至光纤26外部。因此，当入射到漫射体上时，高NA正向传播包层导引光可以部分地导引至覆盖外壳23中的吸收体的密封材料、并且进一步通过外壳导引至这里未示出的热沉。选择漫射体的浓度和分布以提供高NA信号的实质上均匀去除。

应该将吸收的光(正向传播光或反向反射传播光)有效地传输至热沉；否则可能会不可逆地危及合束器22的结构完整性。包封合束器22以及输出光纤26由吸收器保护的部分在内的外壳23配置有半球形凹槽25(图2和图2a)，用于容纳合束器22并且对于整个激光器系统的机械和热学稳定性有贡献。选择外壳23的材料具有较高的热阻和较低的热膨胀系数，从而在所公开的光纤激光器系统的操作期间在升高的温度下外壳23的变形程度最小化。否则，外壳的伸长可能会损坏光纤和/或不利地影响光学参数。优选地，材料包括层叠有金或钨铜(CuW)伪合金带的铜层。在将CMA设置在外壳23中时，外壳23内的U形凹槽25和其他自由空间填充有聚合物36，聚合物36进一步对于所公开结构的机械和热学完整性有贡献。

简要地，回到图1，系统10可以具有包括数个光电二极管探测器在内的可靠监测系统。例如，传感器100定位于合束器22的上游附近以检测沿芯区44传播的反向反射光(图2a)。光电二极管104定位为检测没有被系统吸收器80去除的剩余反向反射光。可以在沿波导的任意方便位置监测信号光的功率损耗，例如传感器可以设置为测量合束器22的输出处的信号光的功率。

图3示出了设置在系统输出光纤26的下游端区域和馈送光纤组件上的包层导引光剥离器80(“CLS”)，所述馈送光纤组件配置有上游MM无源光纤90和下游馈送光纤82。光纤26、90和82全部都均匀地配置有实质上均匀确定尺寸的相应芯区和包层。CLS 80包括聚合物，所述聚合物直接涂覆在相应的光纤26、90和82的包层上并且配置有三个区域。

CLS 80的上游区域86覆盖从输出光纤26的下游端部的保护涂层剥离的区域。聚合物沿区域86的折射率大于内部包层的折射率，这允许去除沿传播方向沿包层导引的信号光的那部分光。

CLS 80的中间区域92配置有相对较低的折射率，所述相对较低的折射率将包层导引的信号光限制在光纤90。最后，下游区域88包括聚合物层94，所述聚合物层94的折射率大于相邻包层的折射率。结果，将耦合到系统输出光纤82的包层中的反向反射光导引到包层外部进入到周围的热沉中。

在不脱离本发明的精神和实质性特征情况下可以对所公开结构进行多种改变。因此，应该将以上描述中包含的所有事物解释为只是说明性的并且是按照限制性的方式描述，本公开的范围由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种多模式“MM”大功率合束器，包括：

多个无源低模式“LM”光纤，导引相应的输出，所述LM光纤捆扎在一起以限定光纤束的锥形下游端部，所述下游端部具有至少一个包层以及将合束的MM信号光沿传播方向导引的芯区；

多模MM合束器输出光纤，对接至所述下游端部以限定接合部，所述输出光纤具有包围导引MM光的芯区的包层，所述MM光入射到工件上，所述工件部分地反射入射MM光以将反射的MM光沿相反传播方向耦合到输出光纤的芯区和包层；以及

包层模式吸收器“CMA”，包围所述光纤束的下游端部，并且在所述合束器输出光纤的一部分上延伸，所述CMA配置有：

下游区域，在所述输出光纤上延伸并且终止于到所述输出光纤的下游端部一定距离处，所述下游区域配置为对从输出光纤渗透到包层上游中的MM光进行散射；

中间区域，在所述接合部以及与所述接合部邻接的相应的端光纤和输出光纤的区域上延伸，并且所述中间区域配置为防止去耦合MM光；以及

上游区域，沿所述光纤束的下游端部延伸，所述上游区域配置为剥离耦合到所述合束器输出光纤的芯区并且通过所述接合部渗透进入端光纤的包层中的反射光。

2.根据权利要求1所述的MM合束器，其中所述CMA包括聚合物，所述聚合物具有：

第一折射率，所述第一折射率大于沿所述上游区域的所述光纤束的端部的一个包层的折射率；

第二折射率，所述第二折射率至多等于与所述接合部邻接并且限定中间区域的相应光纤区域的包层的折射率；以及

第三折射率，所述第三折射率至多等于沿所述下游区域的所述输出光纤的包层的折射率，所述下游区域的聚合物掺杂有多个漫射体，所述漫射体配置为对所述一部分MM光进行散射。

3.根据权利要求2所述的MM合束器，其中所述漫射体包括氧化铝Al₂O₃微粒。

4.根据权利要求1所述的MM合束器，其中所述MM光从所述端光纤发射，在约40kW到约60kW的输出功率范围内具有范围在约10和约20之间的光束乘积参数。

5.根据权利要求1所述的MM合束器，其中所述MM芯区由二氧化硅SiO₂制成，并且所述包层由SiO₂制成并且掺杂有氟F离子。

6.根据权利要求1所述的MM合束器，还包括包封所述吸收器的外壳，所述系统输出光纤的外部层沿下游区域的较大部分和中间区域从保护涂层剥离。

7.根据权利要求1所述的合束器，还包括上游光检测器，操作为检测反向反射的芯区导引光。

8.一种超大功率光纤激光器系统，包括：

根据权利要求1至7中任一项的MM合束器；

MM馈送光纤组件，包括：

上游多模“MM”无源光纤，耦合至所述合束器输出光纤的下游端部；以及

下游系统输出MM无源光纤，对接至所述上游MM无源光纤，其中所述合束器输出光纤、上游输出光纤和系统输出光纤均匀地配置。

9.根据权利要求8所述的超大功率光纤激光器系统，还包括包层光剥离器“CLS”，所述CLS围绕相应的合束器输出和馈送光纤组件的相邻区域，并且配置有上游区域、中间区域和下游区域，

其中所述上游区域包括聚合物，所述聚合物的折射率大于合束器输出光纤的包层的折射率，并且操作为去除沿传播方向在包层中导引的信号光，

所述中间区域包括聚合物，所述聚合物的折射率小于下覆包层的折射率；以及

所述下游区域配置有聚合物，所述聚合物的折射率大于系统输出光纤的包层的折射率，以去除耦合到输出光纤的包层中的反射光。

10.根据权利要求9所述的超大功率光纤激光器系统，其中相应的合束器输出光纤、上游输出光纤和系统输出光纤的相邻区域从相应的保护层剥离。