CN106063056A - 操作于连续波和准连续波体系的超高功率单模绿光光纤激光器 - Google Patents

操作于连续波和准连续波体系的超高功率单模绿光光纤激光器 Download PDF

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Abstract

单模(SM)绿光光纤激光器被配置为在绿光光谱范围中用连续波(CW)或准连续波(QCW)模式操作。绿光激光器配置有泵浦源，在一(1)微米光谱范围中以基本波长输出窄线宽泵浦光，以及单通二次谐波发生器(SHG)(例如非线性LBO晶体)，对泵浦光进行倍频以输出信号波长的绿光。泵浦光源被配置为具有MOPFA配置，MOPFA配置具有发射比0.2纳米窄的线宽的SM泵浦光的SM种子，并且至少一个镱(Yb)光纤放大器以基本波长接收并放大SM泵浦光，同时保持线宽比0.2nm窄。SM绿光光纤激光器在510‑540nm信号波长范围中在约50W到千瓦级之间的功率范围中以15％‑30％之间的壁插效率操作。

Description

操作于连续波和准连续波体系的超高功率单模绿光光纤激 光器
技术领域
本公开涉及基于非线性晶体中基频处的泵浦信号的单通倍频的并且操作于紫外和可见光谱范围的波长处的高功率光纤激光器。具体地，本公开涉及单模(SM)绿光激光系统，所述单模(SM)绿光激光系统基于三硼酸锂(LBO)晶体中窄线宽镱(Yb)光纤激光器的单通倍频，并被配置为操作于包括连续波(CW)和高重复率准连续波(QCW)的体系(regime)的范围中。更具体地，本公开涉及操作用于生成具有QCW体系中高于550W以及CW体系中高于350W的平均功率、具有高达25％的壁插(wall-plug)效率的输出的SM光纤绿光激光器系统。
背景技术
术语解释
本文中，种子激光器或源与助推器放大器之间的放大器级通常被称为预放大器。
本文中，使用的助推器指的是在将经过放大的光束向目标或波长转换器递送之前的上一个光学放大器。
连续波(CW)激光器指的是连续地发射辐射而不是如在脉冲激光中那样用短突发发射辐射的激光器。
转换效率指的是光功率从一个波长向另一波长的转换。
占空比(D)指的是，针对在固定时间间隔处出现的脉冲，脉冲持续时间τ与脉冲重复频率(PRF)的乘积。占空比可被表达为比值(例如0.01)，或可被等价地表达为在1％到100％之间范围内的百分比，100％占空比描述CW模式操作激光器。
二极管激光器指的是被设计为使用受激发射(stimulated emission)来生成相干光输出的发光二极管。二极管激光器也称为激光器二极管或半导体激光器。
二极管泵浦激光器指的是具有被二极管激光器泵浦的增益介质的激光器。
增益指的是通过放大器从一点向另一点发送的信号的强度、功率或脉冲能量的增加。
增益介质指的是如以下参照激光器描述的能够生成光学增益的材料。
激光器是通过辐射的受激发射进行的光放大的简称。
非线性光学晶体指的是三硼酸锂非线性光学晶体(LBO)。
光：本文中，术语“光”一般指的是从红外到紫外的频率范围中的电磁辐射。
非临界相位匹配是用于获得非线性过程的相位匹配的技术。在这种情况下，光束沿非线性晶体的轴之一向下传输并调整晶体的温度。传播方向是与双折射非线性晶体的光轴90°正交。该技术不需要泵浦与生成的光束之间的完美对齐，并且不伴随有已知能够降低转换效率的空间走离现象(spatial walk-off phenomenon)。
非线性效应指的是可以典型地仅用光的近单色、定向光束(例如那些通过激光器产生的光束)观看的一类光学现象。高次谐波生成(例如，二次、三次和四次谐波生成)、光学参数振荡、和频生成、差频生成、光学参数放大和受激拉曼散射是非线性效应的示例。
非线性光学波长转换过程是非线性的光学过程，由此具有通过非线性介质的给定真空波长λ0的输入光通过产生具有与输入光相比不同的真空波长的输出光的方式与介质和/或通过介质的其他光交互。非线性波长转换等同于非线性频率转换，原因在于波长和频率与光的真空速度有关。两术语可以互换地使用。非线性光学波长转换包括高次谐波产生(HHG)，例如二次谐波产生(SHG)、三次谐波产生(THG)、四次谐波产生(FHG)等。
非线性材料指的是具有对于会引起非线性效应的光学辐射具有非零非线性介电响应的材料。非线性材料的示例包括具有三硼酸锂(LBO)的晶体等。
光学放大器指的是放大输入光学信号的功率的装置。光学放大器与激光器的相似之处在于：它使用通过泵浦辐射驱动的增益介质但是通常缺乏反馈(即，腔)，从而它具有增益但不振荡。
峰值功率指的是时域中的最高光功率，并且在脉冲激光器系统中通常可以通过脉冲能量除以脉冲持续时间来近似。
相位匹配指的是在多波非线性光学过程中使用的技术，以增强能够在波之间进行能量的相干转移的距离。例如，当k1+k2＝k3时三波过程相位匹配，其中k1是参与过程中的第i个波的波矢量。在倍频时，例如，该过程在基波和二次谐波相位速度相匹配时是最高效的。典型地，通过对非线性材料中光学波长、偏振状态和传播方向的仔细选择，实现相位匹配条件。
偏振消光比(PER)是垂直偏振的光功率的比值。PER被用于表征激光的偏振程度。
脉冲持续时间(τ)指的是重复信号的时间期间或寿命，例如脉冲的前沿和后沿上的半功率点之间的时间间隔。有时，脉冲持续时间被称为“脉冲宽度”。
脉冲能量指的是脉冲中的能量的量。可以通过集成脉冲持续时间上的瞬时脉冲功率来计算脉冲能量。
脉冲周期(T)指的是具有两个或更多个脉冲的脉冲列中的连续脉冲的等价点之间的时间。
脉冲重复频率(PRF)指的是每单位时间脉冲的重复率。PRF与周期T逆相关，例如，PRF＝1/T。
准CW指的是以足够高的重复率生成一连串脉冲，以看起来连续。
拉曼非线性效应指的是当强激光耦合到光纤中并且由于受激拉曼散射产生第二、较长波长时观察到的现象。该拉曼散射光本身会经历拉曼散射。如果光纤足够长，则该过程级联，以产生若干波长或斯托克斯阶。
单频激光器指的是在单个纵向(single longitudinal)模式中发射辐射的激光器。
单个横向模式或单模(SM)激光器指的是用单个横向模式操作的激光器。横向模式确定发射的光束的横截面上的强度分布。本文SM光束的特征在于：在全功率处，激光的光束品质参数M2≤1.15。M2因子是激光光束的光束质量的常用度量。
斑点噪声指的是斑点的可观察到的随机强度图案。受激布里渊散射(SBS)是由入射波的功率损耗表现的非线性现象。
拉曼光谱的斯托克斯阶(斯托克)指的是在单色光的光谱中除了标准线以外由于拉曼散射而出现的不同辐射带或拉曼线。
准相位匹配(qpm)材料：在准相位匹配材料中，基本和高次谐波辐射通过周期性改变材料的非线性系数的符号而近似相位匹配。
紫外(UV)辐射指的是具备以下特征的电磁辐射：真空波长比可见区域的波长短，但比软X光的波长长。紫外辐射可以再划分为以下波长范围：近UV，从大约380至大约200nm；远或真空UV(FUV或VUV)，从约200nm至约10nm；以及极UV(EUV或XUV)，从约1nm至约31nm。
壁插效率(WPE)指的是系统将电功率转换为光功率的能量转换效率。它被定义为总光输出功率与输入电功率的比值。
现有技术
高功率绿光激光器的发展已经开启了对于能够受益于大约495-570nm特定波长范围以及该波长范围中增加的绿光功率电平的近来猛增的新的工业可能性。绿光波长源与更流行的红外(IR)源相比提供了两个不同优势。优势之一源于固有地提供较小散度和较小焦点的较短波长。另一优势是在允许耦合到目标中的功率的较高百分比的较短波长处的金属的相对低反射率(尤其是对于这种高反射率金属，如铜、金和银)。因此，高功率GREEN激光器被证明在以下方面特别有利：需要附加制造应用中以及在作为用于制造为电动汽车供能的燃料电池的主要过程的铜焊接中。半导体工业还发现了多种绿光激光器应用，例如晶圆退火、低温多晶硅(“LTPS”)显示退火和太阳能电池制造。另一广阔应用领域是娱乐工业，娱乐工业使用高功率绿光激光器用于激光表演和激光投影仪。
理想地，以上公开的应用的绿光激光源应当具有单个横向模式(“SM”)、良好的效率和高功率输出。以下简要论述致力于实现该目标的多种激光器技术。
二极管泵浦固体激光器(“DPSS”)
历史上，第一个高功率绿光激光器是以大、笨重且效率很低配置闻名的氩离子激光器，其需要过度冷却并产生较高的拥有成本。这些激光器的输出功率一般限于几十瓦。利用DPSS激光器技术的优势，氩离子激光器已经逐渐被更强大、高效和紧凑的倍频DPSS激光器所替代。
DPSS绿光激光源使用与腔内或腔外倍频设置组合的通常可用的Nd:YAG和Nd:YVO4激光器系统。非线性晶体(如三硼酸锂(LBO)、磷酸钛氧钾(KTP)以及周期性偏振的钽酸锂(PPLT))已经被广泛用于频率转换。
尽管从DPSS技术广泛受益，但超过约100瓦特功率电平的来自腔内倍频的SM DPSS激光器的绿光输出功率的缩放是挑战性的，原因在于激光晶体中的热光束失真。合并了用于绿光生成的非线性晶体的外部谐振器腔体设计已经用于结合能够输出130W的绿光输出功率的单机SM DPSS激光器。已经用受限于基本IR功率的基本横向模式报告了较高功率。
半导体激光器
存在两种类型的基于半导体的激光器系统：直接电泵浦系统和最近开发的间接光泵浦系统。直接泵浦SM绿光半导体激光器当前限于非常低的功率，典型地小于100mW。这种类型激光器的进一步的功率缩放需要发展工作研究。
相反，可以用光泵浦半导体激光器(“OPSL”)获得显著更高的输出功率，光泵浦半导体激光器使用薄半导体多层作为增益介质，该增益介质通常合并了与增益介质相邻的高反射(“HR”)镜面层。该结构通常随热沉上安装的大表面积的增长而增长。OPSL增益介质封装在谐振腔内并且通常用二极管激光器泵浦。由于OPSL通常在近IR范围内发射，所以为了生成绿光，它们合并了腔内倍频晶体。
尽管保持了基模光束质量，但是已经报告了20W的CW绿光辐射。通过将多个OPS芯片放在单个腔体中能够对OPSL进行进一步地缩放，但代价是光束质量。因此该技术当前限于在用单模体系操作的低于50W的激光系统。
薄片(thin disk)激光器
实现高绿光输出功率的另一技术是薄片激光器系统的倍频。薄片激光器系统包括植入热沉上安装的镜面中的几百微米厚的掺杂Yb增益介质。低热透镜和大模式区域是导致几千瓦IR输出功率电平的主要品质。这些系统的主要缺点包括大形式因子(即，体积大且笨重的结构)以及谐振器设计的复杂度。用功率缩放保持优秀的光束质量也还是极富挑战性的。可以通过使用不利地影响系统效率的谐振腔中的孔来获得基模光束质量。极尽申请人的知识，腔内倍频的Yb:YAG薄片激光器可以传送不多于255W的CW SM绿光。
光纤激光器
光纤激光器(即，本发明的主题内容)已经经历了在近场IR区域中实现的最大输出功率中的急剧增加。光纤激光器固有的是有效的热管理和良好的光束质量。与其他技术相比，光纤激光器以低成本、非常紧凑的形状因素和大功率可缩放性潜力而具有优秀的壁插效率。利用高功率SM光纤激光器技术的优势，光纤激光器正在成为经由倍频生成高功率SM绿光辐射的选择的源。
绿光光纤激光器技术的概要
如同DPSS绿光激光器一样，光纤激光器可以在腔内配置中生成绿光。使用该方法，已经用约1.2的M2报告了19W的CW绿光辐射的生成。然而，光纤激光器的腔内倍频当前还是有吸引力的技术，原因在于与该设计不可或缺的光纤和笨重腔体元件之间的有效光束耦合相关的困难。这就是用于生成来自基于光纤的激光源的高功率绿光的两种主要方法是单通SHG和谐振增强的SHG的原因。
图1示出了包括在基频波长(如本文中所示是1064nm)通过聚焦光学器件12输出一列IR光脉冲的脉冲主振荡器功率光纤放大器(MOPFA)激光器系统10。图1的激光器还具有仅具有两个主要组件的非常简单的频率转换器，这两个主要组件是针对SHG的非线性晶体14和光谱滤波器16，光谱滤波器16用来将532nm波长处的绿光与未转换的IR光分离开。由于工业高功率绿光激光器中最常用的LBO非线性晶体14的相对低的非线性系数，该方法需要有效二次谐波生成(SHG)的高峰值功率。该高峰值功率要求是该方法在具有大约0.1％或小于0.1％的占空比的脉冲激光器中使用的原因之一。
图2示出了用外部谐振腔配置的低/中输出功率CW绿光光纤激光器的示例示意图。具体地，所示配置基于提供高腔内功率以实现高效SHG的谐振增强的SHG。通过使用该方法，CW绿光激光器能够用23％以上的壁插效率输出超过170W的功率，同时保持良好的光束质量。为获得该结果，具有MOPFA配置的单频(约140kHz线宽)光纤激光器20的输出被配置为在1064nm处生成230W CW，其被耦合到涵盖用于绿光生成的非线性晶体14(例如附图中所示的LBO)的外部领结SHG谐振器24中。该示例中谐振器的谐振频率通过使用激光领域中技术人员熟知的Pound-Drever-Hall技术调整谐振器镜面22之一的位置，以主动锁定至光纤激光器的频率。
基于谐振增强SHG方法的绿光激光器具有许多优点，例如使得它们是用于全息和原子冷却和俘获的完美源的固有单频(SF)操作。这些激光器的绿光输出是具有非常低的光学噪声的真实的连续波。此外，使用光纤源和外部腔的适当优化，即使在相对低的功率(10W及更低)处也能够实现高达90％的SHG效率和高达30％的壁插效率。
另一方面，存在与该方法相关联的若干缺点。首先，需要单频(SF)光纤激光器，以将光耦合到窄线宽外部腔中。这对该技术的功率可缩放性强加了限制，该配置中建立的绿光光纤激光器的最大输出功率通常受光纤放大器中的受激布里渊散射(SBS)阈值限制。谐振增强SHG转换器与单通频率转换器相比是相当复杂的系统。在高功率电平处，NL晶体由于长时间暴露于高光强，可以显示劣化的迹象。在这些情况下，NL晶体移位的常见部署技术可以帮助延长系统的寿命。然而，由于一定程度严格的腔对准容忍度，很难在外部谐振器设计中实现该位移。谐振增强的SHG的另一缺点是激烈振动(尤其是高频激烈振动)的谐振器灵敏度。
单通SHG配置不存在全部上述缺点。然而，如以上提及的，它的实际用途主要限于脉冲激光器。为使用该技术用于具有合理的SHG效率(30％或更高)的CW激光器，IR光纤激光器的输出功率应当在千瓦范围中。数年前开发了具有几千瓦级的IR输出功率的法布里-珀罗单模光纤激光器。然而，它们的SHG用途是不实际的，原因在于这种激光器与SHG晶体的光谱接受相比相对大的带宽，这会导致降低的转换效率。另一方面，单频光纤激光器，在放大期间保持窄线宽，但由于SBS限制千瓦级的功率是挑战性的。
因此，需要采用克服以上公开的限制的单通SHG方案的绿光光纤激光器。
存在针对以下内容的另一需要：在510-540nm波长范围中并且在高达千瓦级的功率范围中具有高达30％及更高的壁插效率，在绿光激光器范围中操作于连续波(CW)或准连续波(QCW)模式的SM光纤激光器。
发明内容
通过创造性的1064nm光纤激光器系统满足以上需要，其被配置为输出高达千瓦级的线偏振的、窄线宽的GREEN发射，在约50W与千瓦级之间的范围中变化的全功率处线宽<0.1nm且M2<1.15。本公开的高功率单个横向模式(“SM”)光纤激光器在绿光光谱范围中用连续波(CW)和准连续波(QCW)体系或模式二者操作，并且被进一步称为绿光光纤激光器。
创造性的绿光光纤激光器配置有输出一(1)微米光谱范围中基本波长处的光的源，以及单通二次谐波发生器(SHG)从源接收光并操作用于以变换后的5xx nm波长输出绿光。在本公开中，源也称为SHG的泵浦或泵浦源。因此，与SHG耦合的基本波长的光也称为泵浦光。
泵浦源包括单个横向模式(SM)单频(SF)线偏振的(LP)种子激光器、一个或更多个光纤放大器、可选线宽展宽系统和聚焦光学器件。一并地，种子和光纤放大器表示主振荡器功率光纤放大器(MOPFA)架构。
在结构上，SF LP种子激光器操作用于发送线宽窄于基本波长处的0.2nm的SMSFLP光。可以从分布式反馈(DBF)半导体激光器或光纤激光器选择SM SF LP种子激光器。光纤放大器可以包括单个或多个可选的预放大器级，以及助推器放大器。光纤放大器均配置有掺杂了镱(Yb)离子的有源光纤并且还称为Yb放大器。Yb光纤放大器操作用于放大接收到的SM光，同时保持比0.2nm窄的线宽。使用以上公开的基本平台，创造性的SM绿光光纤激光器在510-540nm波长范围中在约50W到千瓦级之间的功率范围中用在15％-30％之间的壁插效率操作。
高功率(以及因此高转换效率)的限制之一被称为受激布里渊散射(SBS)，这是非线性现象所不希望的。因此，短线宽应当被展宽。已知减轻SBS效应的主要方法之一是增加种子的线宽。这是通过以下方式实现的：用CW体系操作的所公开的泵浦光中集成的线宽展宽系统，以及在一些实施例中用QCW体系操作的所公开的泵浦源。当使用时，线展宽系统操作用于将光纤放大器中的SBS阈值增加到几千瓦级。结果，SM光束的较高功率允许非线性晶体中更有效地变换。针对单频种子的线宽展宽系统可以配置有噪声源、RF放大器和相位调制器。后者可以用幅度调制器替代。不考虑使用调制器的类型，展宽系统被配置为将来自种子源的光的单个频率线宽均匀展宽至10-40GHz之间的线宽。
公开的CW和QCW SM绿光光纤激光器的SHG方案基于三硼酸锂(LBO)非线性晶体。LBO配置有在至少两(2)厘米至约六(6)厘米之间变化的长度。在公开泵浦源的一些实施例中，使得光线是偏振保持格式。泵浦源特征光纤组件的备选实施例由非偏振格式制成。在后一种情况下，公开的泵浦源具有位于种子源与Yb光纤放大器之间的偏振控制器，Yb光纤放大器与非线性晶体之间的偏振分析仪，以及偏振分析仪与偏振控制器之间的反馈环路。整个偏振方案的功能是保持LBO输入处的线偏振。可选地，公开的绿光激光器还可以配置有用于将绿光转化至更低或更高频率的附加非线性光学频率转换器。
附图说明
根据伴随以下附图的详细描述，将更清楚本公开的上述和其他特征，附图中：
图1是使用单通SHG的已知光纤激光器的示意图；
图2是具有谐振增强SHG方案的已知光纤激光器的示意图；
图3是创造性的超高功率SM绿光激光器的透视图；
图4A是具有线宽展宽系统的图3的创造性的高功率CW绿光激光器的光学示意图；
图4B示出了图4A的SM绿光光纤激光器的输出绿光功率和SHG转换效率；
图5A是操作于创造性的CW模式的绿光光纤激光器中以及操作于创造性的QCW模式的绿光激光器的一些实施例中使用的窄线宽的SF SM LP泵浦源的光学示意图；
图5B示出了线宽展宽机制；
图5C是所公开的激光器的全部CW和QCQ架构中使用的助推器有源光纤的示意图；
图6A是具有线宽展宽系统的创造性高功率QCW绿光激光器的光学示意图；
图6B示出了操作于图6A的QCW模式的SM绿光光纤激光器的输出绿光功率和SHG转换效率；
图7A示出无需线宽展宽系统操作的创造性的高功率QCW绿光激光器的光学示意图；
图7B示出了在不具有图7A的线宽展宽系统的情况下操作于QCW模式的SM绿光光纤激光器的输出绿光功率和SHG转换效率；
图8示出了在图4A、6A和7A中使用的所公开的CW/QCW单通SHG平台的光学示意图，其中的组件配置为非偏振保持格式；
图9A和9B示出了使用拉曼激光器的创造性的绿光激光器的相应架构；
图10示出了基于图4A、6A、7A和8的绿光激光器的三倍频方案。
图11A和11B示出了基于图4A、6A、7A和8的相应四倍频方案。
图12是实现图4A、6A、7A、8和9A中所示的多个创造性光纤激光器的高功率绿光光纤激光器系统的示例性示意图。
具体实施方式
所公开的基于光纤激光器的单模单频绿光源能够在从CW至高重复率QCW的广阔范围体系中操作，并通过提供线偏振窄线宽发射的高功率激光器来生成高达千瓦级的平均功率，同时仍在全功率下保持小于0.1nm的线宽且M2<1.15。
参照图3，创造性的SM光纤绿光激光器30包括容纳有信号发生器的主控制台32、预放大器级(如果必要)、助推器放大器、电子设备等。创造性的激光器30还包括激光头34，激光头34与主控制台32间隔开并容纳用于二次和更高次(如果必要)谐波方案的谐波发生器和聚焦光学器件。柔性电缆36在控制台32与激光头34之间延伸。典型地，绿光激光器30采用主振荡器和功率放大器(MOPFA)配置，功率放大器(MOPFA)配置具有功率放大器，该功率放大器具有一个或更多个光纤预放大器和助推器(最有一个也是最强大的放大器)。光纤(预)放大器配置有光学光纤作为掺杂有稀有地球元素(例如镱(Yb))离子的增益介质。
图4A示出了操作于CW模式的所公开的绿光光纤激光器的示意图。激光系统30包括配置有生成泵浦光的单频(SF)单模(SM)偏振(LP)种子源或激光器38的CW泵浦源、线宽展宽系统40、可以具有预放大器42和助推器放大器44的单模多级光纤放大器，以及聚焦光学器件46。种子源38被配置为优选地输出线偏振光的DBF SF激光器，尽管它也可以配置为输出圆偏振泵浦光。激光器30还具有单通SHG，其包括将泵浦光转换为绿光的LBO非线性晶体48和反射泵浦光但透射绿光的分色镜50。
参照图4B，随着泵浦光的功率增加，绿光的功率也趋向于增加。SHG方案的光学效率还随增加的泵浦光功率而增加。
参照图5A和5B，泵浦源(也称为主平台)被配置为用本发明的全部CW和一些QCW架构来操作。它在1微米基本波长范围(例如1064nm波长)中操作，以输出窄线宽的发射泵浦光。优选地，光纤放大器42和44的全部光纤组件是线偏振的。备选地，如以下将详细讨论的，可以用非偏振保持格式来配置创造性的泵浦源的光纤组件。
CW泵浦源包括SF SM LP激光二极管或SM SF光纤激光器38，配置有相位调制器50的线宽展宽系统40、放大RF噪声的源52，以及单模偏振保持多级光纤放大器42、44。
泵浦源被配置为发射具有在全功率处线宽<0.2nm且光束质量参数M2<1.15的泵浦光，其针对本发明的全部实际目的被认为是单个横向模式光束。种子38的线宽被从小于1MHz展宽至约20-25GHz，以将光纤放大器中的SBS阈值增加到几千瓦级。图5B中示出了在相位调制器50之后光谱线宽展宽的示例。
在最大输出功率处，放大器的光学噪声为约1％峰值到峰值并且偏振消光比(PER)优于50∶1(>17dB)；高PER对于倍频应用是有益的。尽管具有高输出功率，但放大器被封装在具有仅532x332x52mm的维度并且安装了全部组件(泵浦二极管、隔离器、增益块、控制板等)的小于12kg的总重量的非常紧凑并且重量轻的模块中。
参照图5C，图4A和5A的助推器44配置有在助推器的相对端之间延伸并支持多个横向模式的单体(一件)多模纤芯54，以及至少一个包层(cladding)60。然而，纤芯54被配置为仅支持所需基本波长处的单个基模。这是通过将MM纤芯54的模场直径(MFD)与SM无源光纤62匹配来实现的，SM无源光纤62将SM泵浦光从图4A和5A的种子38沿它的纤芯64导引至输出SM光纤59。有源和无源输入和输出光纤的组合涵盖在外壳中并被称为光纤块。
为进一步提高SBS阈值，纤芯54具有双瓶颈形的横截面。具体地，纤芯54配置有均匀尺寸的输入纤芯端56，其可以或可以不具有与无源光纤62的SM纤芯64相等的几何直径。当基本波长的来自种子38的SM泵浦光耦合到MM纤芯54的纤芯输入端56中时，它仅激发强度分布实质上与纯SM的高斯强度分布匹配的基模。
纤芯54还包括大直径均匀尺寸模式变换纤芯部分58，其通过绝热延伸模式变换芯区66接收导引的基模。中心芯区58的大直径允许接收更大放大器泵浦功率，然而不增加提高SBS阈值的这部分内的功率强度。输出模式变换芯区57可以被配置为等同于纤芯54的纤芯部分66，以绝热地减小基频处的放大泵浦光的模场直径。然后，后者与实际接收放大SM泵浦光的输出SM无源光纤59耦合，而不存在耦合损耗。
在实验上，已经在操作的CW模式中观察到从基本波长处的约1kW的泵浦得到的在532nm处的远高于350W，SHG效率约35％。具有图5C的助推器44的2kW窄线宽SM Yb光纤放大器将SHG效率提高为60-70％，并将绿光功率提高至1kW及以上。
图1和2中所示的现有技术架构中的绿光功率原则上受两个因素限制：泵浦光源功率和晶体对于承受该功率的容忍度。助推器放大器44的配置允许发射高达千瓦级的SF SMLP泵浦光。相信这种高功率电平显著高于已知绿光系统中使用的申请人已知的任意泵浦源的功率电平。
参照图6A，在与具有使用的图5C的助推器放大器44的图4A的真实CW绿光源相同的主平台上实现QCW体系，图5C的助推器放大器44只要低于SBS阈值操作不需要任何修改。通过添加操作用于用2-100％占空比直接调制种子激光器38的输入处的电流的脉冲调制器70来实现QCW体系。掺Yb源的输出聚焦于高质量LBO晶体48，高质量LBO晶体48可以与用于单通SHG变换的CW体系等同配置。
图6A的创造性QCW高功率绿光激光器系统被配置为具有泵浦源的高平均功率和高重复率以及高占空比。在各实施例之一中，SM SF LP种子源38的泵浦电流直接调制为4MHz的重复率和50％占空比，导致约1kW平均功率处的约2kW的放大泵浦光峰值功率；峰值功率仍远低于具有约20GHz的线宽使用的放大器的SBS阈值。增加的峰值功率因此导致与CW情况相比更高的SHG效率。注意到以下内容很重要：助推器44的泵浦(未示出)用CW模式操作，助推器44的泵浦可以包括单个或多个MM二极管激光器。此外，由于高重复率，在放大至全功率期间，125ns脉冲没有显示由于增益损耗导致的显著形状失真。实验具有2kW的泵浦光峰值功率输出，SHG效率与图4A的CW配置相比以相同的平均功率从小于35％增加到远高于50％。在图6B中相对于平均泵浦功率绘制了获得的绿光平均功率和相应转换效率。
例如，图6A的GREEN激光器生成高于550W的绿光平均功率。这与约52％的SHG转换效率和超过16％的整个绿光激光器系统的壁插效率相对应。在实验期间，绿光功率没有显示任何滚降的迹象。上至超过550W的最大绿光功率，尚未观察的光束质量劣化的迹象；绿光光束已经保持接近衍射限制。相信高于550W的最大绿光功率对于QCW SM SF绿光激光器系统独一无二地高，并且仅可以用增加的泵浦光峰值功率增加至千瓦级。
转向图7A，创造性QCW绿光激光器系统与图6A的QCW绿光激光器系统区别在于不具有线宽展宽组件。然而，图7A的创造性的QCW绿光激光器的单通SHG效率典型地针对纯脉冲的绿光激光器增加至60％-70％的范围。提高的SHG效率归因于大幅提高的基本波长的SM光的泵浦峰值功率。例如，当前已经在图7A的架构中使用了泵浦光源的4-5千瓦级峰值功率。使用这些高峰值功率，需要与图4A和6A的线宽展宽不同的技术。具体地，该技术需要缩短脉冲持续时间。从激光器移除相位调制器和所附电子器件使图7A的QCW绿光激光系统与图4A和图6A的架构相比简单和性价比高。然而，占空比的相同降低当然也可以用图6A的架构实现，其将导致图7A中输出光的相同特征。
具有图7A的架构的各种实验显示以348W的平均功率实现约5.5kW的泵浦光峰值功率，而不需要SBS的发生(onset)。在通过SHG转换器之后，用在图7B中示出的约63％的SHG效率生成得到的241W的绿光平均输出功率。在该实验配置中，绿光激光系统的整个壁插效率已经达到了20％。约63％的SHG效率堪比可用低占空比单通脉冲绿光激光器以及用谐振增强的CW绿光激光器实现的效率。实验还显示该绿光功率可以响应于增加的泵浦光峰值功率增加，同时SHG效率仍保持高于60％。
总之，以上公开的配置以及结果极尽申请人的知识对于已知CW和QCW SF SM绿光激光源是唯一的。该实验在非线性晶体48中也未示出任何不利影响。如以上提到的，相应图4A、6A和7A的公开架构中输出绿光功率仅受使用的泵浦源限制，这使得图5C的助推器44的配置因此由于它的高输出功率是有利的。显然通过调整图6A和7A二者的QCW种子激光器的占空比，针对以低至50-100W开始并以高至若干千瓦结束的绿光输出功率的广阔范围实验性实现的60％SHG效率转换远未达到极限。例如，采用根据图5C配置的几千瓦窄线宽SM Yb光纤助推器44，可以获得在CW中高达若干千瓦并且在QCW体系中甚至更高的平均绿光输出功率。
图8示出了配置有光纤组件的SM高功率绿光系统30，所述光纤组件在图4A的CW架构中以及在相应图6A和7A的两个QCW架构中用非偏振保持格式实现。在该架构中，添加了用于控制偏振的装置，并包括位于偏振种子38和Yb光纤预放大器42之间的偏振控制器72和助推器44与LBO 48之间的偏振分析仪74。在偏振分析仪74与偏振控制器72之间提供反馈环路78，连续监控并在非线性晶体的输入处维持基频处的泵浦光的所需偏振。
参照图9A，绿光具有产业应用的不错的份额。当前，绿光源找到了它们在显示器产业中的最广泛的应用，例如红绿蓝(RGB)数字显示器或娱乐产业。然而，即使当如图4-8中公开的绿光窄光谱增加时，绿光窄光谱相对于屏幕上的斑点噪声是低效的。为了在全部公开配置中在某种程度上展宽得到的绿光的线宽，拉曼转换器(即无源光纤80的长度)在包括LBO 48的在SHG方案之后添加至创造性配置。增加地长于原始绿光波长处的一个或更多个斯托克的特征在于减小斑点噪声的更宽的线宽。备选地，替代于拉曼转换器，可以在以上公开的示意图中使用本领域技术人员熟知的光学参数振荡器。图9A的示意图对于使斑点噪声最小是有效的，否则可以在输出绿光照亮的屏幕上看见该斑点噪声。
图9B示出了被配置为减小斑点噪声的备选示意图。与图9A类似，绿光激光器30基于图6-7的主平台。放大和助推器级联，各自配置有由用CW体系(未示出)操作的通过激光二极管泵浦来泵浦的掺杂Yb光纤。放大器顺次增加进一步耦合到拉曼转换器30中的脉冲泵浦光的功率，其有效地转换至具有耦合到SHG 48中的更宽的光谱线宽的顺序斯托克斯阶，更宽的光谱线宽在所需拉曼位移波长处具有宽光谱接受。
尽管LBO的宽带光谱接受范围，拉曼位移的波长范围可能仍过宽并显著影响转换效率。在这种情况下，所需斯托克斯阶由泵浦LBO48通过来自用CW体系操作的宽带拉曼种子41的光来缩窄。基本波长的SM泵浦光和拉曼种子光在助推器44中放大之前耦合到WDM 43中。在该示意图中，由SM种子源38确定时间特征，同时通过CW拉曼种子41来确定拉曼位移波长处的泵浦光的光谱特征，并展宽拉曼转换器中的线宽。因此，拉曼种子的输出的波长和线宽可被裁量为所需泵浦光波长范围内的特定线宽。图9B的示意图，如图9A的示意图一样，操作用于使由屏幕上入射的输出绿光产生的斑点噪声最小。
参照图10、11A和11B，全部相关的上述附图4A的创造性绿光激光器系统30可以用于经由三次和四次谐波生成(分别地，THG和FHG)输出高平均功率单模UV激光器。
示意性地参照图10，所示三倍频方案，除了主要平台和SHG方案以外还包括第二非线性晶体，例如LBO 49，在LBO 49中泵浦与绿光混合以产生约355nm波长(1604nm波长处的三次谐波的生成)的UV光。用虚线示出了脉冲驱动器70，以示出不仅在用CW体系操作的图4A的架构中、还在图6A、7A和8中的QCW体系中操作使用所示三倍频方案的可能性。在QCW体系的情况下，当然，所示三倍频方案在图8、6A和7A的架构中有效地操作，后者不需要线宽展宽系统。用以上公开的示意图的实验产生了约355nm波长的UV光的高达200W的功率。
图11A示出了使用图5A和5C的主平台的四倍频方案，SHG发生器包括LBO 48并且还包括两个附加LBO晶体49。在第一LBO晶体49中，基本1064nm波长处的残余泵浦光与约532nm波长处的绿光混合，以产生355nm波长的UV光。剩余的泵浦光与生成的355nm的UV光还在后续LBO 49中混合，以产生266nm波长的深UV光。用虚线示出了组件的存在指出在图4A、6A、7A和8中使用CW和QCW体系二者中使用所示示意图的可能性，具有以上详细论述的若干明显替代形式。
图11B示出了其中两个附加LBO晶体由单个硼酸钡(BBO)晶体49’替代的四倍频方案的备选示意图。可以在图4A、6A、7A和8的全部示意图中使用所示架构。
参照图12，多个绿光光纤激光器30组合在一起，以构建输出超高功率的绿光的系统。如所示，系统包括根据任意相应图4-8的配置的来配置的至少两个高功率单模(SM)绿光激光器30。相应绿光激光器的输出光纤90向MM组合器75传送绿光光束。
图12的修改的系统的应用之一可以用于增加绿光的线宽。如已知，斑点噪声是激光辐射高度相干特性的结果。因此，图12的修改的系统可以包括多个绿光激光器30，多个绿光激光器30以具有以10nm至约20nm波长范围之间变化的相反极端波长之间的距离输出不同波长的相应绿光。输出光纤90向MM组合器75传送相应绿光光束，其中输出组合到用增加线宽输出的单个MM系统绿光中。
为满足光纤的全口径，可以加强通过多个外部致动器(例如可以使用压电振动器76)的模式混合。如图12中所示，振动器76可以分别与MM输出光纤90关联使用。备选地，振动器76可以紧紧位于组合器75之前或之后。
将理解的是，本发明不限于那些特定实施例，并且本领域技术人员可以在本文中执行各种改变、修改和适应，而不偏离所附权利要求中定义的本发明的范围或精神。

Claims (14)

1.一种在连续波CW模式中操作于绿光光谱范围的高功率单模SM光纤激光器，包括：
单频SF单模SM偏振种子源，操作用于在一(1)微米光谱范围中在基本波长处以窄于0.2nm的线宽发射SM泵浦光；
至少一个掺镱Yb光纤放大器，接收并放大基本波长处的SF SM偏振泵浦光，同时保持线宽窄于0.2nm；以及
非线性光学频率转换器，被配置为在单通二次谐波发生SHG方案中，将基本波长处的经过放大的SF SM偏振泵浦光转换为信号波长处的SM输出绿光，
其中，SM光纤激光器在510-540nm的波长范围中以及约50W到千瓦级之间的功率范围中以15％-35％之间的壁插效率进行操作。
2.一种在准连续波QCW模式中操作于绿光光谱范围的高功率单模SM光纤激光器，包括：
单频SF单模SM偏振种子源，操作用于在一(1)微米光谱范围中在基本波长处以窄于0.2nm的线宽发射SM泵浦光；
脉冲驱动器，操作用于调制种子源的输入处的电流，以产生均具有高于300皮秒的脉冲宽度的SM泵浦光的脉冲，重复率从约一(1)MHz的速率到约500MHz，并且占空比在约2％到小于100％之间；
至少一个掺镱Yb光纤放大器，接收并放大基本波长处的SF SM偏振泵浦光的脉冲，同时保持线宽窄于0.2nm；以及
非线性光学频率转换器，被配置为，在单通二次谐波发生SHG方案中，将经过放大的SFSM偏振泵浦光转换为信号波长处的SM输出绿光，
其中，SM光纤激光器在510-540nm的波长范围内在约50W到千瓦级之间的SM输出绿光的功率范围中以15％-35％之间的壁插效率进行操作。
3.根据权利要求1或2所述的高功率SM光纤激光器，其中，所述种子源是发射线偏振SFSM泵浦光的分布式反馈激光器SF SM二极管激光器。
4.根据权利要求1所述的高功率SM光纤激光器，还包括：
位于种子源和一个Yb光纤放大器之间的至少一个SM Yb光纤预放大器，以及耦合在所述一个Yb放大器和SHG方案之间的聚焦光学器件，以及
线宽展宽系统，耦合在种子源与一个Yb放大器之间，并操作用于均匀地将SM泵浦光的单频线宽展宽为10-40GHz之间的线宽，所述线宽展宽系统配置有声学或幅度调制器。
5.根据权利要求1或2所述的高功率SM光纤激光器，还包括：
SM输入无源光纤LP光，导引来自种子源的SM泵浦光，并与YB光纤放大器的输入芯区耦合，以及
输出SM无源光纤，与Yb光纤放大器耦合，以导引经过放大的SM泵浦光，
Yb光纤放大器，具有被至少一个包层环绕的单体多模MM纤芯，所述MM纤芯被配置为支持基本波长处的单个基模，并且包括：
相对的输入和输出均匀尺寸芯区，与相应的输入和输出SM无源光纤耦合，
均匀尺寸的中心芯区，其直径大于输入和输出芯区的直径，以及
一对模式变换区域，将输入和输出芯区与中心芯区的相应端桥接，其中，SM输入和输出无源光纤和掺Yb放大器的输入和输出芯区配置有彼此匹配的相应模场直径。
6.根据权利要求1或2所述的高功率SM光纤激光器，其中，SHG方案配置有长度在至少二(2)厘米和约六(6)厘米之间变化的三硼酸锂非线性晶体LBO。
7.根据权利要求1或2所述的高功率SM光纤激光器，其中，掺Yb光纤放大器包括配置为偏振保持PM格式的光纤组件。
8.根据权利要求1或2所述的高功率SM光纤激光器，还包括：
偏振控制器，位于种子源与Yb光纤放大器之间，
偏振分析仪，位于Yb光纤放大器与非线性晶体之间，以及
反馈环路，位于偏振分析仪与偏振控制器之间，所述反馈环路被配置为：当掺Yb光纤放大器被配置为非偏振保持格式时，在非线性晶体的输入处保持线偏振。
9.根据权利要求1或2所述的高功率SM光纤激光器，还包括：拉曼转换器，接收信号波长处的输出绿光，并被配置为在第一或更高斯托克斯波长处输出拉曼位移绿光，以消除入射到屏幕上的绿色输出光中斑点的可视外观。
10.根据权利要求2所述的高功率SM光纤激光器，还包括：
拉曼转换器，与光纤放大器耦合，以在SM泵浦光的拉曼位移波长处转换SM泵浦光的基本波长，以及
宽带CW拉曼种子泵浦源，输出位于拉曼位移波长处的光，该光耦合到Yb光纤放大器中，其中，所述宽带CW拉曼种子被配置为最小化入射到屏幕上的拉曼位移波长处的绿光输出光中的斑点的可视外观。
11.根据权利要求1或2所述的高功率SM光纤激光器，还包括：附加LBO，接收信号频率处的输出绿光，并操作用于生成SM泵浦光的四次谐波。
12.根据权利要求2所述的高功率SM光纤激光器，还包括：线宽展宽系统，耦合在种子源与Yb光纤放大器之间，并操作用于将SM泵浦光的单频线宽均匀展宽为10-40GHz之间的线宽，所述种子源以约50MHz的脉冲重复和50％的占空比发射脉冲，所述线宽展宽系统配置有声学或幅度调制器，其中，输出绿光的功率高于550W，SHG方案的转换效率在SM泵浦光的平均功率为1kW且峰值功率为2kW处为约52％。
13.根据权利要求2所述的高功率SM光纤激光器，其中，所述脉冲驱动器操作用于对种子源的输入电流进行调制，以将具有50MHz的重复率和7％的占空比的脉冲耦合到Yb光纤放大器中，所述Yb光纤放大器将脉冲放大为每个脉冲的峰值功率在4-5kW的范围，而SHG方案的转换效率在60％和70％之间变化。
14.一种激光器系统，包括：
至少两个高功率单模SM光纤激光器，每个高功率SM光纤激光器是根据权利要求1或2配置的并具有输出MM无源光纤，所述两个高功率SM光纤激光器被配置为以不同信号波长输出相应SM绿光，所述不同信号波长以至少10nm与约20nm之间的距离彼此间隔开，以及
多模组合器，与相应输出MM光纤耦合，并被配置为组合单个系统MM绿光输出光束中的绿色输出光。
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