CN105027367B - 具有非均匀配置的光纤-光纤棒多模放大器的超大功率单模激光器系统 - Google Patents

Abstract

一种大功率光纤激光器系统包括：配置为在自由空间上延伸的光纤放大器的增量器、泵浦源以及包括反射元件的激光头，其中反射元件接收泵浦光并沿反向传播方向向增量器的输出端反射。增量器配置有同心且共同延伸的截锥形多模(“MM”)纤芯以及围绕纤芯的包层。所述纤芯包括模式变换区域，模式变换区域在小直径SM输入纤芯端和大直径MM输出纤芯端之间扩展，并配置使得当从输入纤芯端相输出纤芯端传播单模(“SM”)信号光时基本抑制对高阶模的放大。激光头分别从对应泵浦光传输光纤和信号光纤的端面接收输出。泵浦源构造为具有围绕增量器布置的多个独立子泵浦源。激光头支持分段式反射镜，所述分段式反射镜配置为沿反向传播方向将来自对应子泵浦源的泵浦光反射到增量器的输出端，其中增量器配置为发射基本为SM的高达MW功率等级的已放大信号光。

Description

具有非均匀配置的光纤-光纤棒多模放大器的超大功率单模 激光器系统

技术领域

本公开涉及一种分别可操作用于发射数十kW量级的平均功率输出和数十mW量级的峰值功率输出的大功率光纤激光器系统，该输出基本为基模。具体地，本公开涉及一种紧凑型单模(“SM”)大功率光纤激光器系统，配置有多个未约束且间隔开的放大器以及泵浦光输出光纤，所有的泵浦光输出光纤被直接耦接到远程激光头，其中远程激光头沿着反向传播方向将泵浦光重新导入放大器的输出端。

背景技术

过去几十年，来自掺杂稀土元素的光纤源的输出功率显著增加引起大量光纤激光器在输出功率、光束质量、整体效率、紧凑型和波长范围方面具有优秀的性能。通常由于如下所述的若干因素，使得对输出功率的追求成为可能：对大模式直径双包层(“LMADC”)光纤的研究、半导体二极管泵浦源的功率和亮度的增加。

对有源DC光纤的研究与增加的纤芯尺寸相关联，增加纤芯尺寸降低了由于较大模场面积而引起非线性效应(“NLE”)的发生几率，改善了纤芯与包层面积比并增强了泵浦吸收率。然而，基本仅支持SM的大直径纤芯还对阶跃折射率型光纤强加重要限制。如光纤激光器领域技术人员所公知，SM光纤特征在于具有归一化频率参数V＝Rco大约等于2.402，其中Rco是纤芯半径，Δn是ncore²-nclad²。因此，为了防止在DC光纤中产生高阶模，应大幅减小光纤的NA，这样导致纤芯的传导性减弱，进而导致光纤对弯曲损耗过度敏感。

对现代激光二极管泵浦源的研究还可能有助于增加连续功率和亮度，尤其当将二极管泵浦源结合LMADC光纤使用时。然而，由于许多因素(包括光纤放大器的公知几何形状，其中光纤放大器的公知几何形状限制光纤器件的可缩放性，如下所述)，泵浦功率的等级并非无限制的。

考虑到包括泵浦/DC配置的光纤系统，泵浦吸收率取决于放大光纤的纤芯/包层直径比。由于对高阶模(“HOM”)的激发和放大，无法将纤芯尺寸放大为大于特定值，其中如果激发高阶模，则高阶模立即将输出光的质量降低到可接受等级以下。受限的纤芯尺寸还抑制包层的尺寸，这是由于否则将无法接受地缩小纤芯/包层直径比，进而将降低泵浦光的亮度和吸收率。因此，对包层和纤芯直径的限制影响泵浦光的量，转而限制光纤放大器的功率。

目前，光纤激光产业已转向通常在放大器链的输出级使用的晶体光纤棒，来解决光纤放大器的可缩放性。基于空气孔包层技术，晶体光纤棒包括双包层结构，其中内包层限定直径增加的泵浦纤芯。

光纤棒的掺杂纤芯具有非常小的NA，并由通常具有低掺杂浓度的熔融硅石/石英制成。上述特性可以不利地影响基于光纤棒的激光器系统的可缩放性，如下所述。

低数值孔径(通常不超过约0.0.2)根据激光系统操作在CW模式还是脉冲模式下，限制为了实现kW-MW范围的超大功率所需的可以耦合到纤芯的大功率泵浦光的数量。因此，可以仅将足够量的泵浦光耦合到泵浦纤芯/内包层中。光纤激光领域的技术人员应认识到，包层耦合的泵浦光的吸收率大约比纤芯耦合的泵浦光的吸收率低8倍。因此，为了完全利用包层耦合的泵浦光，光纤棒的长度应在几十(通常超过50)厘米到几米之间改变。因此，即使是最短的可用光纤棒仍由于存在NLE而受到不利影响。当然，后者严重限制了激光功率的可缩放性。

低浓度的离子(诸如镱(“Yb”))通常大约为700ppm。在这种低掺杂浓度下，泵浦光的吸收率也是较低的。例如，在一些应用中，需要使用920nm下的Nd掺杂光纤激光泵浦源。然而，较小浓度的Yb掺杂物在920nm下的吸收率相对较低。为了提供足够的吸收，应增加光纤棒的总长度。如上所述，增加总长度降低NLE的阈值，转而，限制放大器功率的可缩放性。

光纤棒的开放端结构同样存在问题。通常，可以仅通过微光学器件实现将输入信号发射穿过空气隙。当然，微光学器件使整个激光器的配置变得复杂，使其变得麻烦和昂贵。在间隙或孔中存在空气降低了热传导特性。具体地，空气孔减慢了冷却，转而可能损坏棒本身并引起环境变得危险。

已知的大功率光纤激光系统还没有实现紧凑性，由于这些系统通常用于有线的空间，紧凑性是非常需要的。除了非常长的光纤波导之外，原则上，公知的系统包括较长的传输无源光纤，将放大后的信号光导向需要激光处理的工作件或表面。由于局部需要，实际上不限制传输线缆的长度，传输线缆的长度可以到达几十米且更长。除了紧凑性之外，使用无源光纤传输线缆还影响功率损耗。应直接地或间接地将传输线缆熔接到放大器光纤的输出，这样可能导致信号光的接头功率损耗。在竞争性极高的大功率光纤激光系统的世界中，即使较低的功率损耗仍是不希望的。

因此，需要一种放大光纤，配置为沿着相对较短的光纤长度大于约90％地吸收几个kW多模(“MM”)泵浦光并发射基本为基模的多kW输出。

还需要一种上述的放大光纤，配置为其NA明显大于常规LMADC光纤的NA。

还需要具有直接向激光头传输已放大的泵浦光的上述放大器光纤的超大功率光纤激光系统。

还需要一种超大功率光纤激光系统，配置具有发射泵浦光的多kW泵浦系统，其中所述泵浦光被可控地耦接到放大光纤的内包层的所需区域。

发明内容

根据本公开，所公开的大功率光纤激光器系统可操作用于发射基本为基模的多kW(例如约20和更高kW)的信号光。所述系统配置有固定控制台，包括一个或多个阁柜，每个阁柜包括泵浦源、可选的初级放大级联器件(cascade)、电子器件、冷却系统和发射大功率SM输出的所有其它器件。便携式激光头设置有导光光学器件并与控制台相隔。光纤放大器或增量器穿过的传输线缆延伸在控制台和激光头之间。多个泵浦光传输光纤延伸在自由空间上，并直接沿反向传播方向向配置有体光学器件的激光头传输泵浦光，体光学器件配置为将泵浦光重新导引增量器的输出端，其中所述增量器还被直接耦接到激光头。

增量器的几何形状包括未约束的双包层(“DC”)放大MM光纤，配置有光纤部和光纤棒部，光纤部和光纤棒部共同限定瓶颈形的横截面。因此，光纤部的几何形状包括均匀尺寸的小径输入端纤芯区域，尺寸设计为支持从上游SM无源光纤接收的SM。光纤棒部配置有沿光纤棒部扩展的并具有均匀尺寸输出端的纤芯区域，能够支持多个高阶模(“HOM”。)由于模式变换锥形部位于输入和输出纤芯部之间，这种配置用于增加在放大光纤中激励的SM的MFD，而不显著放大HOM、提升泵浦功率和减小光纤长度来提高非线性效应的阈值。

根据所公开的泵浦方案的一个实施例，包层接收耦合到光纤棒的输出端内的泵浦光。包层可以设置有特殊掺杂的环形区域，将包层分为内部子包层和外部子包层，从而通过增加纤芯/包层比来最大化对泵浦光的吸收。由于将环形区域设计为将泵浦光限制在内部子包层中，增加纤芯/包层比变得有可能。

本公开的另一方面包括将大功率的MM泵浦光泵浦到光纤棒的大径纤芯。泵浦光特征在于其NA小于内部子包层的NA，更优选地，小于纤芯部的NA，其中纤芯部的NA基本等于或大于0.1。反向传播方向、以上规定的泵浦光的NA以及FM的大模场直径总体上提供沿着轴向长度非常小的锥形纤芯部高效地吸收泵浦光的有利条件。锥形纤芯部不超过30cm，优选地，大约为10cm长。根据这种有限的长度，NLE的阈值极高，因此，可以明显改善功率缩放特性，在单基模或非常少的HOM下最高为MW等级峰值功率。

调整穿过增量器的传输线缆的尺寸以便提供接收冷却介质的充分空间。后者可以包括水冷系统，或备选地，可以形成为沿着增量器的外表面涂覆的附加聚合物层。

放大光纤或增量器与对应泵浦源的柔性未约束MM输出无源光纤间隔开。光纤彼此间隔开以便在其操作期间向所公开的系统提供所期望的灵活性。对应MM无源光纤的下游端都通过连接器组件可移除地耦接到激光头。连接器组件配置有聚焦透镜和可操作用于沿X-Y-Z坐标系统布置透镜的透镜定位机械结构。容纳无源光纤的对应下游端的外围连接器以间隔方式被安装在激光头上，并围绕接收有源光纤的下游端的中央连接器。激光头包围分段式反射镜，分段式反射镜结合可调整的透镜可控地沿反向传播方向重新传导泵浦光束，使得泵浦光束入射在反射镜的对应节上。连接器的配置允许容易替换受损的光纤和/或透镜，而激光头配置有到反射镜的便捷接口，因此可以根据需要替换反射镜。因此，该系统具有模块化结构。

相较于现有技术已知的类似大功率光纤激光器系统，所公开的增量器级是非常紧凑的。它的紧凑型是由于还被用作传输光纤的放大光纤直接向激光头传导经放大的信号光。因此，不仅减小了整个系统的尺寸，而且该系统经理较小的功率损耗，允许基本为基模的大功率输出。

附图说明

根据结合附图的以下详细描述，将更清楚所公开的系统的以上和其它特征和优点，附图中：

图1和2示出了本发明的大功率SM光纤激光器系统；

图3示出了图1和2的系统的光学示意图；

图4是所公开的增量器的实施例之一的横截面视图；

图5是所公开的增量器的备选实施例的横截面视图；

图6是图1的发明系统的泵浦通道和信号通道的顶视图；

图7A和7B是沿着图3的线VII-VII的对应视图，示出了冷却组件的备选装置；

图8是图5的增量器的MM有源光纤的折射率特性；以及

图9A-9C是所公开的反射元件的对应等距视图、底部视图和侧面视图，反射元件配置为沿反向传播方向将泵浦光耦合到所公开的增量器的大径输出端的期望区域。

具体实施方式

现详细参考本发明的实施例。在可能的情况下，将附图和描述中使用的相同或相似的附图标记用于表示相同或相似的部件或步骤。附图是简化形式，不表示精确的比例。除非明确说明，否则说明书和权利要求中的词语和短语表示光纤激光器领域的技术人员常用的一般含义。术语“耦合”与类似术语不必表示直接的和立即的连接，还可以包括通过自由空间或中间元件的机械光学连接。

图1示出了能够在CW模式下发射多kW(诸如，约20kW和更高的)的基本为SM的信号光并在脉冲模式下发射多MW峰值功率信号光的示例大功率光纤激光系统10。系统10可以配置有一个或多个阁柜12，包括泵浦源、种子激光器11、可选性的预放大级联器件、电子器件、冷却系统和发射大功率SM输出所需的所有其它器件。由种子激光器发射的SM信号光还沿着包围在柔性传输线缆50内的光纤增量器14传导，并由光纤增量器14放大，其中柔性传输线缆延伸在控制台和激光头16之间的自由空间上。增量器14配置为有源双包层光纤，MM纤芯掺杂有诸如稀土元素的光发射器。将多个泵浦光传输/输出光纤18(图2)(同样延伸在自由空间上)和用于沿反向传输方向将泵浦光耦合进入放大器光纤必需的体光学元件安装到激光头16。由于增量器14以及泵浦源和激光头16的结构类型，系统10可操作用于沿信号光传播方向发射超大功率的、基本为衍射极限的输出光束。

图2示出了配置有主振荡器/功率放大器(“MOPA”)配置的系统10。主振荡器20位于阁柜12内并可操作用于沿信号光传播方向发射期望波长的单模(“SM”)信号光。振荡器20可以具有多种配置，包括例如掺杂Yb的光纤振荡器，操作用于发射波长大约在1012-1060nm范围内的信号光，沿着输入无源光纤22传导该信号光，其中输入无源光纤22与增量器14的输入端相熔接，优选地在阁柜12内。增量器14的输出端通过连接器24安装到激光头16。系统10还包括多个布置在阁柜12内并输出MM泵浦光的泵浦组件26，例如，波长范围在约975到约1018nm之间变化。泵浦组件26与耦合到泵浦光传输光纤18的输出泵浦光并联在一起，如下所详述。

参考图3，示例泵浦组件26可以包括多种带尾纤的激光二极管28，所述带尾纤的激光二极管28通常布置在多个模块中，每一模块可以包括多于一个的二极管。在具有输出MM无源光纤泵浦光输出/传输光纤18的MM-MM光纤组合器19中，将来自对应激光二极管模块28的输出光纤组合在一起。例如，在MM泵浦光纤18中可以将19个组合的激光二极管模块28组合在一起，其中每个激光二极管模块28都发射MM泵浦光。在可移除地安装到激光头16的对应连接器24中，接收对应泵浦组件26的输出泵浦光纤18。所公开的系统10可以具有超过20kW的组合泵浦光功率。当在激光头16中接收多个泵浦光时，从安装在激光头内并操作用于沿反向传播方向将泵浦光耦合进入增量器14的输出端的分段式反射镜30反射多个泵浦光，如下所述。

结合图2和3参考图4，增量器14具有在阁柜12内与无源输入光纤22相熔接的输入端，增量器14例如为大约5米长。增量器14的配置通常可以被称作光纤-光纤棒波导，包括光纤部15和光纤棒部17，后者的长度范围从几厘米到几米。例如，光纤棒部17可以从长度小到大约10cm的长度改变。备选地，增量器14可以配置有熔接在一起的单个部分。无论哪种情况，增量器14配置用于发射基本为基模(“FM”)的辐射。光纤部15配置有通常为截锥形的远端，截锥形具有小直径下游端以及大直径输出端，其中小直径下游端从光纤部15接收期望波长λs的SM或较低高阶模的信号光，大直径输出端能够支持多个模式。

增量器14可以包括例如具有均匀横截面32、截锥形横截面34和大直径均匀形状的输出部35的磷酸盐MM纤芯38。备选地，MM纤芯38可以仅配置有相应地输入截面32和截锥形截面34。输入纤芯区域32尺寸设计为基本仅支持单模或非常少的低HOM，所述输入纤芯区域32沿着模式变换锥形部绝热地扩展到大直径输出纤芯区域35，以便最小化并理想地抑制激发HOM，如下所公开的。纤芯38还配置有柱状或截锥形石英块39，用于减小输出信号光的功率密度。单个或多个涂层41包围包层42，并具有逐渐小于涂层的对应折射率，这样降低包层的折射率。内部涂层的厚度在大约20μm到大约40μm之间变化，而外部涂层的厚度可以在大约20到35镀膜之间改变。

输入纤芯区域32配置用于接收并支持SM信号，还沿着模式变换纤芯区域34扩展。单一模式覆盖超过纤芯38沿着后者整个长度的横截面面积的约0.65。这种大模式面积的SM允许大部分的泵浦光用于仅将SM/FM放大到如下程度：实际上将在放大纤芯区域35中存在的所有可能HOM缩小到背景噪声的程度。

根据输出端反向泵浦技术，配置所公开的增量器14的泵浦方案。在该泵浦方案的一个实施例中，将反射镜30(图3)配置用于将泵浦光反射到增量器14的包层42(图4)，如下文所详述。根据该实施例，包层42包括环形区域40，分别将包层分为内部子包层46和外部子包层48。

增量器14的环形区域帮助提升亮度并增强对泵浦光的吸收。环形区域40掺杂有氟化物，其特征在于折射率小于包层42的折射率，因此，有效减小了泵浦光与NA超过0.22的内部子包层相交的包层区域的直径。减小的包层区域增加了泵浦光穿过纤芯38的光学路径，以便改善其吸收。

当光线沿着逐渐变窄的横截面的增量器14传播时，其NA趋于增加，使得光线开始与波导去耦合。为了期望的放大目的和损坏光纤组件的保护涂层，损失掉了去耦合的光。工作在kW-MW级的大功率系统中放大这种去耦合，在所述大功率系统中，即使非常小的功率损耗仍然严重降低系统的性能。因此，明显需要在泵浦光的NA变为非常大使得泵浦光开始从环形区域40散到外部子包层48之前，分别沿着放大区域35和模式变换区域34最大程度地吸收泵浦光。

这样，如光纤激光器领域技术人员所知，在DC光纤中并非均匀地吸收MM泵浦光的所有模式，并且本领域技术人员容易认识到，一些根本不吸收的传播取决于任何给定模式和纤芯区域之间的交叠。可吸收的模(例如，LP01和更高的，即，强度分布以对称的光纤短轴为中心的对称模)以相对光纤纵轴的对应较大角度传播。吸收较少或不可吸收的模包括非对称模(诸如LP11和更高的)并携带一部分的泵浦功率，如入射线光学所公知，具有螺线轨道，至多与掺杂的纤芯区域无明显交叠。

通过配置增量器14的锥形区域的开口角(opening angle)来实现在泵浦光开始渗出通过环形40之前吸收大部分的泵浦光。选择开口角，使得入射在环形40上的泵浦光射线中的每一个以逐渐增加的反射角进行反射。这样，泵浦光与模式变换纤芯区域34相交的频率增加，转而导致它的吸收率增加。

泵浦光是多模。众所周知，对称模沿着波导传播，其角度大于非对称模的角度，即，非对称模与MM纤芯38的掺杂区域的交叠程度小于对称模。因此，选择锥形区域的开口角以便增加入射在环形40上的泵浦光的反射角度，使得不仅对称模而且非对称模有效地与在MM纤芯38中掺杂的发光剂相互作用。具体地，开口角使得沿着纤芯模式变换区域34的期望长度吸收期望量的泵浦光。期望长度是模式变换区域34的长度，沿着该长度，通过环形44约束沿着增量器传播的泵浦光，即，在泵浦光的NA增加到使得光线开始渗入外侧子包层48之前。沿着不超过例如5米的纤芯长度(其中模式变换纤芯区域大约为4米)，吸收泵浦光的阈值应至少是90％。

所公开的增量器14可以配置有锥度比，即锥形区域的小直径端和大直径端之间的比值，大约至少为2。基于后者，环形的两端可以分别大约为15μm后和大约为30μm后。对应内部子包层的直径和纤芯直径之间的比值可以至少是大约5，而对应外部子包层的直径和纤芯直径之间的比值大约为10。例如，输入纤芯段的直径可以大约为至少20μm厚，而输出纤芯端的直径至少为40μm，包层的对应小端和大端的外侧直径分别大约为200μm和大约为400μm。

优选地，输出泵浦光传输光纤18每一个的NAp都基本与内部子包层46的NAic相同。优选地，NAp可以大于内部包层的NA，这是由于激光系统操作在这种大功率等级下，1-2％的功率损耗不影响期望结果。最终，还是存在泵浦Nap小于NAic的可能性。

图5示出了所公开的泵浦方案的备选实施例，包括将泵浦光Lp反射到增量器14的输出端，使得将它耦接到MM纤芯38。通过将泵浦光的Nap设置为小于纤芯38的NA，来实现该操作，其中纤芯38的NA基本等于或大于0.1。反向传播方向的以上规定的泵浦光的NA以及FM的大模场直径总体上提供沿着轴向长度非常小的锥形纤芯部高效地吸收泵浦光的有利条件。

图6示出了用于分别将泵浦光输出光纤和光纤增量器耦接到激光头16的连接器组件24和24’。连接器的部分之一接收光纤的下游端，而另一部分被固定到激光头16。出于多种原因，包括例如替换受损光纤，将连接器设计为提供对应光线与激光头16的轻松耦接和去耦合。

将对应MM无源和DC有源光纤的下游端都容纳在连接器的公部件中。因此，所有光纤的下游端彼此径向间隔开。此外，功率传感器66安装到对应公连接器部件中，以便监控对应泵浦光和信号光的输出功率。如果在任何给定泵浦通道和放大通道中测量的光功率不与期望参考值相对应，则调整泵浦输入的电流以便增加光功率。

凹入部件被可移除地安装到激光头16，与泵浦光相关联的连接器组件24的凹入部件中的每一个都容纳聚焦组件，诸如透镜68。透镜68配置为将泵浦光聚焦在反射镜30的期望段上，反射镜30沿方向传播方向反射被聚焦的光束。如果被反射的泵浦光没有入射在期望区域，则通过调整机制70可以沿着X-Y-Z方向布置透镜68，所述调整机械结构70包括三个致动器72，其中每一个可操作用于将透镜68放置在所需屏幕中。因此，连接器组件24和24’以及调整机制70的配置允许单独地调整每个透镜。此外，基于上述配置，根据需要，以上公开的组件中的每一组件是可替换的。

现结合图4转向图7A和B，将包围增量器14的传输线缆50的尺寸设置为将冷却系统容纳在对应线缆和增量器14的相对表面之间的空间内。将冷却系统配置为最小化由于传导通过增量器14的超大功率光而引起的不希望的热动态负载的后果。在一个实施例中，如图7A所示，包括一个管道或管道组合的导管(guide)52从控制台延伸通过增量器14的基本整个长度。导管52传导加压的冷却介质，诸如水。

备选地，图7B示出了使大功率光的不利热效应最小化的较厚聚合物层54。可以沿着增量器14的整个长度或其一部分涂覆层54。用于制造层54的材料可以包括折射率小于1.33、工作温度高达几百℃、厚度在约6到约50μm之间的含氟聚合物。

图8示出了图4的增量器14的折射率阶跃特性。纤芯38掺杂有一个或多个稀土元素的离子，诸如，Yb、Er、Tm、Nd等，其浓度在约3000ppm到约5000ppm之间改变。纤芯38还掺杂有锗离子，使得纤芯折射率特性包括相对较低的均匀形状的折射率区域44进入相对较高的折射率区域60，其中相对较高的折射率区域60是以平顶结束的大体截锥形。发现这种配置是有利的，这是由于增大了基模的模场直径。

参考图9A-9C，反射镜30可以是球面的或非球面的、分段的或不分段的。在优选配置中，反射镜30配置有以所公开的增量器的纵轴56为中心的多个段60，所述多个段配置有对应内部表面，其中对应内部表面限定了与在反射镜30的安装位置中的增量器同轴的开口58。所述段60配置有对应倾斜的反射表面62，反射表面彼此会聚以便限定向所公开的增量器的输出端变窄的大体截锥形的反射表面。为了准确将泵浦光耦合进入所公开的增量器14的内部子包层，节60可以是相对与纵轴56垂直的对应对称轴64是枢轴性的(pivotal)。

以上参考附图描述了本发明优选实施例中的至少一个，应理解本发明不限于这些精确的实施例。本领域技术人员可以对本发明进行多种变型、修改和调整，包括不同波长、光纤参数和稀土掺杂物，而不脱离以上所述的本发明的精神和范围。

Claims (26)

1.一种单模“SM”超大功率光纤激光器系统，包括：

单模“SM”振荡器，发射单模“SM”信号光，沿输入无源光纤导引所述单模“SM”信号光；

未约束的传输线缆，沿纵轴为中心；

细长形光纤增量器，延伸通过所述传输线缆，其中所述增量器的输入端熔接所述输入无源光纤，并且其中所述增量器具有同心且共同延伸的多模“MM”纤芯以及围绕MM纤芯的至少一个包层，所述MM纤芯是非均匀形状的并包括模式变换区域，所述模式变换区域在小直径输入侧均匀形状的纤芯区域和大直径输出侧均匀形状的MM纤芯区域之间扩展，并配置使得在沿着MM纤芯的传播方向上传导SM信号光，基本抑制对高阶模式的放大；

激光头，直接容纳增量器的输出端；

多个未约束的泵浦光输出光纤，彼此间隔开并与传输线缆间隔开，每个输出光纤沿传播方向传导MM泵浦光；以及

反射镜，安装在激光头端部并配置为沿着反向传播方向将泵浦光重新引导入增量器的输出端，其中增量器发射基本为SM的kW到MW范围的信号光，且所述反射镜配置有中心开口，所述中心开口与MM纤芯共轴并且尺寸被定制为使沿着传播方向的信号光穿过。

2.根据权利要求1所述的光纤激光器系统，其中所述泵浦光耦接到MM纤芯的输出端。

3.根据权利要求1所述的光纤激光器系统，其中所述增量器的包层结构为：

锥形区域，与纤芯的模式变换区域共同延伸；以及

细长形的内环，沿至少锥形且大直径的输出区域延伸，所述环构造为折射率小于包层的折射率并且将包层分为内部子包层和外部子包层，所述内部子包层与MM相邻并配置用于接收泵浦光，其中泵浦光输出光纤中的每一个的数值孔径“NA”至多与增量器的内部子包层的数值孔径一样大。

4.根据权利要求3所述的光纤激光器系统，其中所述内部子包层沿着其主长度波导导引所耦合的MM泵浦光，所述包层的锥形区域构造有开口角，选择所述开口角以便增加所耦合的泵浦光的对应对称模式和非对称模式的反射角度，其中在沿着纤芯的模式变换区域吸收泵浦光的至少约90％之前，不从所述内部子包层向所述外部子包层去耦合泵浦光。

5.根据权利要求1所述的光纤激光器系统，还包括多个聚光组件，每个聚光组件被安装到所述激光头并操作用于将泵浦光聚焦在反射镜上，使得将重新导向的泵浦光耦合进入增量器的输出端。

6.根据权利要求5所述的光纤激光器系统，其中所述聚光组件接收对应的输出泵浦光光纤，并配置用于沿X-Y-Z坐标系统调整对应泵浦光的每一个的输出。

7.根据权利要求1所述的光纤激光器系统，其中所述反射镜包括多个段，所述多个段以增量器的纵轴为中心并操作用于绕对应轴线布置相关的段，其中所述对应轴线垂直于所述纵轴延伸以便将来自对应泵浦源的MM光耦合到增量器的输出端。

8.根据权利要求7所述的光纤激光器系统，其中所述分段式反射镜配置为朝着增量器变窄的截锥形。

9.根据权利要求1所述的光纤激光器系统，其中所述对应传输线缆和增量器的相对表面限定了它们之间的空间。

10.根据权利要求9所述的光纤激光器系统，还包括位于所述空间内的冷却系统。

11.根据权利要求10所述的光纤激光器系统，其中所述冷却系统包括冷却剂通过的至少一个管道。

12.根据权利要求10所述的光纤激光器系统，其中所述冷却系统包括耦接在增量器输出表面的聚合物涂层，所述涂层配置为：

折射率小于约1.33；

工作温度高至约几百℃；以及

厚度范围在约6到50μm之间。

13.根据权利要求1所述的光纤激光器系统，其中所述激光头配置有多个连接器，所述连接器容纳泵浦光输出光纤和增量器光纤的对应输出端。

14.根据权利要求1所述的光纤激光器系统，还包括配置有一个或多个阁柜的主控制台，所述阁柜容纳发射对应kW功率的MM泵浦光的一个或多个泵浦源、控制电子系统和发射SM信号光的主控振荡器，其中以主控振荡器功率放大器“MOPA”结构将增量器光纤和振荡器彼此耦接。

15.根据权利要求3所述的光纤激光器系统，其中所述内部子包层构造为NA至少为0.22。

16.根据权利要求4所述的光纤激光器系统，其中选择所述开口角，使得纤芯、内包层和环中的每一个的锥度比至少为2。

17.根据权利要求4所述的光纤激光器系统，其中对应内部子包层和纤芯的直径之间的比值至少与约5相对应，并且对应外部子包层和纤芯的直径之间的比值约为10。

18.根据权利要求3所述的光纤激光器系统，其中所述环形区域掺杂有氟化物离子。

19.根据权利要求3所述的光纤激光器系统，其中所述环形的相对末端的厚度分别大约是15μm厚和大约30μm厚。

20.根据权利要求1所述的光纤激光器系统，其中所述包层的锥形区域的对应小端和大端的外径分别约200μm和约400μm。

21.根据权利要求1所述的光纤激光器系统，其中所述纤芯掺杂有选自稀土族离子的光激励剂，所述稀土族离子的掺杂浓度在约100ppm和约10000ppm之间改变。

22.根据权利要求21所述的光纤激光器系统，其中所述增量器配置有阶跃折射率特性，所述纤芯还掺杂有锗离子，使得纤芯折射率特性包括相对较低折射率区域进入相对较高折射率区域，其中相对较高折射率区域是以平顶结束的大体截锥形。

23.根据权利要求1所述的光纤激光器系统，还包括外涂层，所述外涂层围绕包层且其厚度在约20μm和约40μm之间变化。

24.根据权利要求1所述的光纤激光器系统，其中在已放大的SM信号光功率为大约20kW的情况下，所述模式变换区域的长度大约为4米，并且纤芯的总长度在约5米和约7米之间。

25.根据权利要求1所述的光纤激光器系统，还包括无芯硅石玻璃棒，分别与增量器和泵浦光传输光纤的输出端接合，并且具有柱状横截面或大体圆锥形的横截面。

26.根据权利要求1所述的光纤激光器系统，其中所述增量器还配置有单片结构或包括熔接在一起的多个组件。