CN105659446B - 超大功率单模光纤激光系统 - Google Patents

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Abstract

一种超大功率光纤激光系统包括：单个光纤升压器，配置为具有光纤和直线型短棒状光纤部，所述棒状光纤部通常具有数值孔径等于或高于0.1的纤芯并在其整个横截面上掺杂有一种或更多种稀土元素的离子。棒状光纤部被构造为具有不超过约几十厘米的较短长度，并具有大体上截头锥体的横截面，所述截头锥体横截面从均匀配置的光纤部扩展。沿着光纤部延伸的纤芯能够支持SM或非常少数量的HOM，其中所述HOM沿着纤芯在传播方向上传导的并被耦合到棒状光纤的锥形纤芯的较小直径端。相反，锥状纤芯的大直径端支持多个模式，其中基模重叠所述纤芯的沿着其整个长度的横截面的至少约0.652。所公开的功率系统还包括：泵浦源，发射大功率多模泵浦光，其中所述泵浦光沿反向传播方向被耦接到纤芯的大直径端，其NA几乎与纤芯的NA相同。泵浦源配置为发射具有如下密度的泵浦光：在纤芯的重叠区域中继续对基模进行放大的同时，使纤芯外围的非交叠区域褪色。因此，所公开的系统发射实质上基模的信号光，该信号光在系统操作的CW制式下的平均功率为几kW，在系统操作的脉冲制式下的峰值功率约1MW或更多MW。

Description

超大功率单模光纤激光系统
技术领域
本公开涉及单模(“SM”)超大功率光纤激光系统，所述光纤激光系统发射基本为基模的具有MW级峰值功率和kW级平均功率的输出。具体地，所公开的SM光纤系统包括：具有泵浦源和种子源的固定外壳；激光头，与所述外壳间隔开；无约束(unconfined)的传输光纤，在所述外壳和激光头之间；以及升压器，至少部分地延伸通过所述传输光纤并且下游端直接与所述激光头相连。
背景技术
对来自稀土掺杂光纤源的输出功率的显著提升追溯到过去几十年，通过使用双包层光纤使得许多光纤激光系统在输出功率、光束质量、整体效率和波长灵活性方面具备卓越的性能。然而，现代大功率光纤激光系统的功率量程仍然无法满足日益增加的工业需求。
目前，该领域的发展主要受限于最大可提取能量的极限和非线性效应的发生。增益介质的饱和能量是用于确定可以将多少能量存储在放大器中的关键参数，可以通过下式给出：
其中es、as是信号波长的发射横截面和吸收横截面；h1/2s是在频率1/2s下的信号能量；Aeff是有源掺杂区域的面积；以及s是与有源区域相重叠的信号。
有害的非线性效应(具体地，受激布里渊散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)从信号抢夺能量，且可以导致灾难性损伤。光纤激光器领域的技术人员应知道，通过增加模态面积并减小光纤长度，有可能缓解这种现象。由于纤芯越大占据总光纤横截面的部分就越大，因此具有较高的泵浦吸收，优选的光纤长度反比于Aeff改变。因此，增加纤芯面积自然而然地导致较短的长度。
然而，纤芯不能无限制地增加。对于单模操作，当纤芯直径增加时，纤芯和包层之间的折射系数差n必须减小，并且在特定阈值之后，变得弯曲敏感。此外，当将n固定为最小值时，进一步增加纤芯直径会导致多模操作。尽管这是可允许的，然而纤芯尺寸受限于不可避免的但却不希望发生的模式之间的能量变换。通过下式给出在多模光纤中模式之间的模式耦合效率：
η～(λ2k2)/(Δn2peff)(2)
其中k是由于折射系数(index)和微弯波动(microbend fluctu ations)引起的扰动幅度，neff是不同模式之间的有效折射系数差，以及p是考虑光纤上的机械扰动的拟合参数(其中值>0)。因此，对于低模式耦合需要的是较大的neff。不幸的是，随着Aeff增加，neff减小，并且无法减小在特定点的模式耦合。
在大功率激光器和放大器的所有应用中采用较大Aeff设计的附加问题在于空间变换和对器件输出的聚焦。通过高斯光束来最佳地实现。因此，大功率器件的重要量度是与完美高斯空间分布M2的偏离值(M2＝1是纯高斯模式)。
目前优选的激光设计关注于在基模(M2较低)下提供操作的装置，尽管如此，光纤依然可以传导若干模式。一种公开的实现上述目的的装置设计了一种放大系统，所述放大系统包括彼此熔融的多个分离的光纤。具体地，所述系统被配置有尺寸均匀的SM无源光纤，所述SM无源光纤将SM信号光传导到锥形部，所述锥形部被配置为将SM的MFD绝热扩展为基本与尺寸均匀的MM放大光纤的基模尺寸相匹配的尺寸，其中所述MM放大光纤与所述锥形部的输出相熔融。由于存在多个光纤组件，拼接损耗可能是不可忽略的。此外，制作如上所述的多组件系统是花费时间的且成本较高。此外，NLE的低阈值和弯曲损耗问题依然是有问题的。
目前，光纤激光器产业已转向通常在放大器链的输出级中使用的晶体光纤棒，以便解决光纤放大器的可调性。基于空气孔包层技术，晶体光纤棒包括围绕大直径纤芯的双包层结构，其中大直径纤芯能够基本上仅支持基模。
棒状光纤的掺杂纤芯具有非常小的NA，并由熔融的二氧化硅/石英制成，二氧化硅/石英通常具有较小的掺杂浓度。上述全部三个特征可以对基于光纤棒的激光系统的可调性造成不利影响。
低数值孔径(通常不超过约0.02)将能够被耦合到掺杂纤芯中的大功率泵浦光的数量限制在为达到kW-MW范围的超大功率所需的数量，其中所述kW-MW范围取决于激光系统是操作在CW制式还是操作在脉冲制式下。因此，只有足够量的泵浦光可以被耦合到双包层光纤的内包层中。光纤激光器领域的技术人员应认识到：对包层耦合的泵浦光的吸收明显低于对纤芯耦合的泵浦光的吸收。因此，为了完全利用包层耦合的泵浦光，光纤棒通常应具有超过50cm的长度，通常到达数米。因此，即使最短的光纤棒也会由于发生NLE而受到不利影响。当然，后者明显限制了激光器的功率可调性。
低浓度的离子(诸如，镱(“Yb”))通常大约为700ppm。由于这种较低的掺杂浓度，对泵浦光的吸收同样也较低。为了提供足够的吸收，应该再次增加光纤棒的总长度，从而由于NLE的低阈值而限制了放大器的功率可调性。
开放端结构的光纤棒也是考虑的一个方面。通常，可以仅通过微光学器件来实现经由空气隙发射输入信号。当然，后者使整个系统配置变得复杂，并使得系统变得笨重和昂贵。在间隙或孔洞中存在空气降低了导热特性。具体地，空气孔减缓热量的扩散，进而可能损坏棒本身并导致环境灾害。
总言之，大功率光纤系统的设计由于以下因素而面对许多困难挑战：一般光纤(具体地，光纤棒)中的非线性效应、基模功率向高阶模(“HOM”)的损耗、泵浦亮度(pumpbrightness)，当然还有过多的热量产生。尽管每个因素单独地限制功率可调性，然而在升压放大器级(最终增益级)，这些因素还是相互关联的。
因此，需要一种基本克服已知系统的上述不足的超大功率光纤激光系统。
发明内容
通过所公开的超大功率SM光纤激光系统来满足这种需要。所公开的系统能够发射基本为基模的MW-GB级峰值功率和kW级平均功率。
根据一个方面，所公开的系统包括升压放大器，配置有至少两个不同形状的部件：柔性的尺寸均匀的输入光纤；以及直线形截锥光纤棒，远离所述输入光纤而扩展。所述放大器包括：掺杂有高浓度稀土元素的离子的磷酸盐纤芯，其中在纤芯的整个横截面上，所述掺杂浓度在约1000ppm到约5000ppm之间改变。沿着输入光纤部件延伸的纤芯的输入部被配置为只传导基模(“FM”)或较低的高阶模(“HOM”)。沿着光纤棒扩展的纤芯的输出部具有能够支持多个模式的输出端，其中如下文所述，基本抑制对所述多个模式的放大。
所公开的结构方面之一分别包括：在FM和纤芯的面积之间的最大可能重叠。具体地，FM(“Afm”)的面积超过纤芯的沿着纤芯的整个长度的面积(“Ac”)的0.652。这种较大的重叠向FM模提供的放大明显大于向任何HOM模提供的放大。
本公开的另一方面包括将大功率MM泵浦光泵入棒状光纤的大直径纤芯端。泵浦光的特征在于数值孔径NAp低于基本等于或大于0.1的纤芯的数值孔径NAc。反向传播方向的以上规定的泵浦光NA和FM的大模场直径提供沿着锥状纤芯部的非常小的轴向长度高效地吸收泵浦光的有利条件。锥状纤芯部不超过约30cm，但是优选地约为10cm长。利用这种受限的长度，NLE的阈值非常高，因此可以明显地改善功率可调性，最高可在单个基模或非常少的HOM下实现MW级的峰值功率。
本公开的另一方面涉及一种纤芯边缘区域，其中所述纤芯边缘区域不与基模发生重叠。由于纤芯的整个横截面掺杂有稀土离子或发射激励物质，特别的考虑包括在边缘纤芯区域中对自发辐射和/或HOM的放大。
然而，所公开的泵浦源被构造为输出泵浦光，其中所述泵浦光的功率密度远高于使边缘纤芯区域中的光发射体的吸收褪色所需的密度。换言之，泵浦光沿反向传播方向被耦接至纤芯的输出区域，使得泵浦光的功率密度能够反转与信号的基模相重叠的纤芯区域中的稀土离子。同时，这种泵浦光不足以反转在非重叠区域中的光发射体，这样使得相较于对HOM和自发辐射的放大，更大程度地对FM进行放大。
附图说明
根据结合附图的以下详细描述，将更清楚所公开结构的上述和其他方面、特征和优点，附图中：
图1是所公开的超大功率光纤激光系统的高度图解视图。
图2示出了图1的系统的实施例之一的图解视图。
图3是所公开的结构的图解视图，配置用于解释抑制HOM的机制。
图4是大功率MM光纤泵浦源的图解视图。
具体实施方式
现在详细参考本发明的实施例。在有可能的情况下，附图和说明书中使用相同或相似的附图标记来表示相同或相似的部件或步骤。附图为简化形式，且不是按精确比例绘制的。除非明确说明，否则对于光纤激光器领域的技术人员而言，说明书和权利要求中的词语和短语具有普遍和惯用的含义。词语“耦合”和类似术语并非必须表示直接的、紧邻的连接，还可以包括经由自由空间或中间元件进行的机械的、光学的连接。
图1示出了超大功率激光系统10的高度图解视图，具有例如主振荡器/功率放大器(或升压器)(“MOPA”)配置，所述MOPA配置包括振荡器/种子源12和升压放大器15。尽管仅示出了两个放大级联，本领域技术人员之一应容易认识到，可以在种子源和升压器之间随意使用附加的中间放大级联。
种子源12可操作用于在较宽的波长范围(诸如，从约960nm到约2000nm)内发射所需波长λs的SM信号光，其中波长范围取决于在任意给定系统的光纤组件中掺杂的稀土元素的离子。例如，文中仅将镱(“Yb”)、铒(“Er”)、钕(“Nd”)、铥(“Tm”)作为示例。由于Yb离子被广泛应用于需要大功率的工业和军事激光应用，以下讨论集中在这种特定类型的掺杂物，但是仍向光纤激光器领域的普通技术人员提供了所有可能稀土元素的广义教导。取决于光发射体的具体类型，离子浓度在约1000ppm和约5000ppm之间改变。升压器15被优选地配置为保偏(“PM”)磷酸盐光纤，但是在本公开的范围内，还可以使用常规的非PM磷酸盐有源光纤。
参考图2，升压放大器15配备有单片光纤-光纤棒增益介质，包括光纤部25和光纤棒状部14，光纤棒状部的长度范围从几厘米到几十厘米。例如，光纤棒状部14可以从约10cm长到约30cm。备选地，部25和14分别被配置为拼接在一起的单独部件。光纤棒状部14为大体截锥形状，具有小直径的下游端22，从光纤部25接收所需波长λs的SM信号光或较低的高阶模信号光；以及大直径输出端24，支持多个模式。MM泵浦源16发射泵浦光λpcd，其中泵浦光λpcd沿反向传播方向被耦接到升压器14的纤芯输出端24。在相反侧上(升压器15的输入端)，另一泵浦源18发射MM泵浦光，MM泵浦光沿共同的传播方向被耦接到光纤部25的输入端22。
通过增益介质中的泵浦光强度与输入激光辐射和所述介质的相互作用长度的乘积，来确定激光介质的增益。由于到达到W级的极大泵浦功率和NLE的高阈值，系统10可操作用于例如通过升压器15的大直径端24，发射实质上基模的约5kW平均功率输出或最高至MW级峰值功率输出，如下文所公开。
系统10优选地操作在脉冲制式下，但是该系统10当然也可以在连续波(“CW”)操作下使用。因此，升压器15包括：纤芯26，在输入端22和输出端24之间延伸并掺杂有例如Yb离子；以及包层28，围绕纤芯26。从纤芯26的输入端22延伸的输入区域被配置为具有相同直径，尺寸被设计为仅传导单个基模或非常少的HOM，其中所述HOM是响应于来自与纤芯26相耦接的种子源12的SM信号光而被激励出的。通过将各个升压器15和传输光纤23的纤芯进行对齐，来实现该目的。附加地，输入端22可以配置为令基模(“FM”)的模场直径(“MFD”)实质上与从种子源12发射的并沿SM馈送光纤23传送的SM信号光的MFD相匹配。
纤芯26的输入区域进入模式转变区域30，其中模式转变区域30沿着光纤棒状部14绝热性地扩展到其支持多个模式的输出端。可选性的下游均匀配置区域29结束光纤棒状部14的结构。具有圆柱形或锥形横截面的石英块27被配置为减小输出信号的高功率密度。升压器15和泵浦源16被配置为抑制沿着输出区域24对HOM和/或自发辐射的放大，如下文所示。
图3示出了用于抑制沿着升压器15的光纤棒状部14对HOM和/或自发辐射的放大的公开原理。升压器的纤芯26在其整个横截面上都掺杂有一种或更多种稀土元素，并被配置为具有实质上等于或大于0.1的NA。此外，将纤芯26的整个长度构造为：被FM42重叠了中心面积Ao的0.652，因此，留下了未被FM重叠的小部分的纤芯26的外围区域Ano 52，所留下的区域是可以对HOM和/或自发辐射进行放大的区域。
然而，通过配置泵浦管16使得它发射NALp的泵浦光50，来抑制这种在外围区域Ano52中的放大，其中NALp与纤芯26的数值孔径最匹配，但是优选地小于NAc，即NALp<NAc。因此，FM被包封在泵浦光中，使得沿着纤芯26的整个长度，泵浦光的尺寸至少与基模的尺寸一样大。换言之，泵浦光的功率密度比使未重叠的纤芯区域Ano褪色所需的功率密度高得多。因此，纤芯26的Ano区域的特征在于基态能级和高能级实质上分别具有相同数目的离子，即进一步注入泵浦光不会导致光放大。同时，在纤芯26的重叠区域Ao中，高能级上的离子数目持续地高于基态能级上的离子数目，FM的放大继续最终导致在纤芯26的非重叠区域Ano中对FM的放大远高于对任何HOM和SE的放大。
可控性地选择棒状光纤部14的圆锥体的张开角度，以便在至少一部分未被吸收的泵浦光进入光纤部25之前，提供对至少一部分未被吸收的泵浦光的去耦合，其中可能用散热器围绕光纤部25。以不同角度将泵浦光耦合到升压器15。较大角度的光线较易于泄漏到外部。当具有较小角度的光线(即，与升压器15的轴基本平行的光线)入射在包层上时，所述光线在实质上到达所述表面之后，以较大的角度从所述表面上反射，其中所述角度足以提供对被反射光线的去耦合。
参考图3和4，泵浦源16被配置作为MM光纤激光系统，并包括：至少一种或更多种组合的种子源32，所述种子源在例如980nm的范围内产生种子光；以及MM波长变换器34，接收并放大泵浦光以便输出被耦合到升压器15中的大功率高亮度的泵浦光。泵浦光被耦合到以上参考图3所述的升压器15的大纤芯端。
波长变换器34包括有源光纤，所述有源光纤具有掺杂有Yb离子的以及由子泵浦系统36进行侧向泵浦的多模纤芯，其中子泵浦系统36包括多个组合的半导体激光二极管。子泵浦系统产生以子泵浦波长λsp被耦合到变换器34中的子泵浦光，其中基于下式选择子泵浦波长：Δλ＝λp-λsp＜0/1λsp，其中λp是泵浦输出波长(与信号光的波长相同)。波长的接近程度有利于高量子效率，进而转变为较低的热相关损耗。如所公开地，波长变换器34可操作用于将波长为λsp的子泵浦辐射变换为同样在1微米范围内的泵浦波长λpcd，尽可能接近信号光长度λs。例如，泵浦源16可以被配置为产生约1016μm的泵浦光，而发射约1030μm的信号光。
泵浦种子源32例如被配置作为单个或多个组合型的大功率带尾纤的MM激光二极管，或基于光纤的种子源，以与均方根(r.m.s.)值相对应的噪声等级(至少约0.0.1r.m.s)在980nm波长范围内产生平滑无尖峰的信号光。所述二极管也具有范围在约0.1和约0.13之间的NA。来自泵浦种子源32的光的输出功率可以在几十瓦到几百瓦之间改变。将泵浦源16的输出的特定波长λpcd选择用于以最接近后者的吸收峰的波长对变换器34进行泵浦。
波长变换器34的MM掺杂Yb的有源光纤可以具有双包层或常规的配置，并且纤芯直径可以在例如约50微米到150微米(或更大)范围内进行改变。变换器34的掺杂Yb的光纤还被配置有在0.05和0.1之间改变的NA。
来自波长变换器34的泵浦光的输出功率可以是非常高的，并且取决于在子泵浦组件中组合的HP半导体激光二极管36的数目，其中所述子泵浦组件例如对变换器34进行侧向泵浦，当然输出功率还取决于变换器的数量。因此，泵浦光的功率P～NxPld，其中N是HP激光二极管的数目，以及Pld是每个单独二极管的功率。当然，泵浦光P的输出功率还取决于种子光的功率，其中可以将种子光的功率与HP激光二极管的组合功率相加。可以发射波长为例如920nm的泵浦光，该泵浦光沿着信号光传播方向和与信号光传播方向相反的方向二者传播。激光二极管的数目可以最多包括90个组合在一起的二极管。每个二极管可以输出例如100瓦的泵浦光。因此，泵浦源16可以在所需泵浦波长下输出几kW的泵浦光。应注意，尽管子泵浦组件示出为对波长变换器14进行侧向泵浦，然而被本领域技术人员可以容易实现包括多个激光二极管36的端面泵浦配置。
泵浦光Pp1的大功率等级明显有利于相较于种子光来改善泵浦光的亮度(“B”)。亮度B通常等于Po/BPP，其中BPP是波束参数乘积，且可以将BPP确定为1/2DcxNA，其中Dc是纤芯直径，而NA是数值孔径。由于NA实际上与信号光的NA相同或小于信号光的NA，泵浦输出的亮度可以比现有技术提供的最强大的MM合束器的亮度大至少10倍，且输出功率实质上是均匀的。
纤芯中的Yb3+掺杂物的浓度有利地相对较低。根据本公开，优选地，Yb离子的浓度在50到100ppm之间改变。但是，这个范围可以扩展到约10-200ppm范围。
备选地，泵浦源16可以配备有多个大功率的MM激光二极管。然而，这样配置的泵浦源的亮度无法与上述光纤激光配置的亮度进行比较。可以通过使用平面镜或透镜42(图2)来实现将泵浦光耦合到纤芯的输出端24。
参考图2，通过发射例如920nm波长的泵浦光的泵浦源18来附加地放大当耦合SM信号光时从纤芯26的输入区域22出射的FM。可能的泵浦方案之一可以包括使用同样接收信号光的WDM 20的多个二极管。因此，来自WDM 20的输出信号携带两个不同频率，二者都耦合到纤芯26的输入端22。备选地，可以使用如虚线所示的侧面双向泵浦技术。根据这种方案，沿着升压器14的输入区域，将由多个激光二极管发射的泵浦光以与传播方向相同和相反的方向被耦合到包层28中。
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。例如，所公开的系统可以操作在CW制式下。本领域技术人员可以对不同波长、光纤参数和稀土掺杂物进行各种改变、修改和调整，而不脱离以上公开的本发明的精神或原理的范围。

Claims (10)

1.一种超大功率单模“SM”光纤激光系统，包括：
单片光纤-光纤棒放大器，包括细长型输入光纤部和输出光纤棒状部，所述放大器被构造为在放大器的相对末端之间具有纤芯和围绕纤芯的包层，所述纤芯包括：
柔性的尺寸均匀的输入纤芯区域，沿着输入光纤部的长度延伸并配置为沿着传播方向对SM进行波导导引；以及
直线形输出纤芯区域，沿着光纤棒状部的长度从输入纤芯区域向纤芯的输出端扩展，所述纤芯的输出端能够支持基模和高阶模，基模“FM”的模场面积与纤芯的横截面的中心区域相重叠，光纤棒状部配置为长度在约10cm和约30cm之间，且数值孔径至少约0.1；以及
超大功率多模泵浦源，可操作用于沿反向传播方向发射数值孔径小于纤芯的数值孔径并被耦接到输出纤芯端的泵浦光，泵浦光的功率密度远大于使与FM不重叠的纤芯区域褪色所需的密度，其中放大器发射SM的输出，所述输出的平均输出功率超过约5kW，或峰值功率达到MW级。
2.根据权利要求1所述的超大功率单模“SM”光纤激光系统，还包括与放大器的输出端相拼接并具有圆柱形横截面或大体锥形横截面的无芯型二氧化硅玻璃棒。
3.根据权利要求1所述的超大功率单模“SM”光纤激光系统，其中所述输出纤芯区域配置为具有截锥形的模式转变部分。
4.根据权利要求3所述的超大功率单模“SM”光纤激光系统，其中所述输出纤芯区域还具有圆柱形的部分，从截锥形的部分延伸并包括输出纤芯端。
5.根据权利要求1所述的超大功率单模“SM”光纤激光系统，其中所述泵浦光源配置有：
至少一个泵浦种子源，产生波长为λp的低噪声泵浦光信号；
多个大功率“HP”半导体激光二极管，组合在一起以便辐射子泵浦波长为λsp的子泵浦辐射；以及
掺杂Yb的多模“MM”光纤波长变换器，将子泵浦波长为λsp的子泵浦辐射变换为波长为λp的泵浦信号，其中由波长变换器发射的泵浦信号具有：
与低噪声信号光的噪声等级实质上相同的噪声等级，
与n*B实质上相同的亮度“B”，其中n是HP半导体激光二极管的数量，以及B是每个HP激光二极管的亮度；以及
与n*Pd实质上相同的输出功率“Po”，其中Pd是每个HP激光二极管的功率，以及n是HP激光二极管的数目。
6.根据权利要求1所述的超大功率单模“SM”光纤激光系统，还包括：
种子，发射被耦合到输入纤芯区域中的SM的信号光，
WDM，位于所述种子和输入纤芯端之间，以及
附加泵浦源，发射被耦合到WDM的MM泵浦光，其中WDM配置为组合所述被耦合到输入纤芯端的信号光和附加泵浦光。
7.根据权利要求6所述的超大功率单模“SM”光纤激光系统，还包括：附加泵浦源，可操作用于对输入端区域进行双向侧面泵浦。
8.根据权利要求6所述的超大功率单模“SM”光纤激光系统，其中所述种子发射波长在约960nm和约2μm之间改变的信号光。
9.根据权利要求1所述的超大功率单模“SM”光纤激光系统，其中FM沿着纤芯的整个长度至少与纤芯的横截面的0.652相重叠。
10.根据权利要求1所述的超大功率单模“SM”光纤激光系统，其中所述放大器包括保偏有源磷酸盐光纤，掺杂有光发射体，所掺杂的光发射体的浓度在约1000ppm到约5000ppm之间改变。
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