CN108474906A - 模式混合光纤以及使用其的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本公开更多地涉及模式混合光纤，所述模式混合光纤可用于例如提供具有期望波束乘积参数和波束分布的光纤激光输出。在一个方面，本公开提供一种用于传送具有波长的光辐射的模式混合光纤，所述模式混合光纤具有输入端、输出端、中心线和折射率分布，所述模式混合光纤包括：最内芯，所述最内芯具有折射率分布；和包层，所述包层围绕所述最内芯设置，其中所述模式混合光纤在所述波长具有至少五个模式，并且其中所述模式混合光纤被配置为将其输入端处的光输入的一部分从其较低阶模式分配到其较高阶模式。

Description

模式混合光纤以及使用其的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年8月13日提交的第62/204,900号美国临时专利申请的优先权的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开大体上涉及光纤和光纤激光器。本公开更具体地涉及模式混合光纤，其可用于例如提供具有期望波束乘积参数和波束分布的光纤激光输出。
背景技术
高功率光学激光器和放大器在各种行业中广泛使用以用于各种目的，比如对不同材料的激光切削、焊接和加工。对稀土掺杂光纤的研究和发展，以及例如大模面积(LMA)光纤的专用光纤设计的发现，引发了对各种高功率光纤激光器和放大器模块的采用。多千瓦激光器和放大器已经实现并具有极高的效率，刺激了激光材料处理的发展。当然，其他类型的高功率激光器，比如固态激光器，同样在材料处理应用中经常使用。
材料处理领域中使用的激光器和放大器在输出功率和波束分布方面合意地满足了具体需求。就功率而言，激光器或放大器系统合意地传送具有波长的辐射以及足够高来处理所需材料的能量，通常是在千瓦的量级上。两种千瓦级别的光纤激光器可以被区别为多模和单模。单模光纤激光器通常在1至3千瓦光功率的量级上传送，而多模光纤激光器通常在数十千瓦输出功率的范围内运行。针对材料处理应用，既可以使用单模光纤激光器也可以使用多模光纤激光器。多模激光器可以被配置为，例如，通过使用多模有源光纤，或者通过将若干单模光纤激光器的输出合并到多模传送光纤内，用于对工件的传送。类似地，多模传送光纤通常被用来将功率从固态激光器传送到工件。
就波束分布而言，用户通常希望传送的波束具有期望的波束参数乘积(BPP)。如本文所使用的，BPP被定义为波束半径R和波束的发散角θ的乘积，以单位mm*mrad表示。以mm为单位的波束半径R被定义为在波束从光纤出现时，在最大强度13.5％处测量的波束直径的一半。以mrad为单位的发散角θ被定义为当波束从波束传送光纤的端部传播时关于光学轴线所形成的半角。尽管期望BPP值随着应用不同而不同，但是以下提供了针对光纤耦合激光器的三个典型BPP值范围：
●对于50μm芯径的波束传送缆线，1.5至2mm*mrad；
●对于100μm芯径的波束传送缆线，3至4mm*mrad；
●对于200μm芯径的波束传送缆线，6至8mm*mrad；
此外，在许多应用中，被传送的波束具有沿波束大体均匀分配的强度分布。此类“平顶”分布不同于高斯分布，在高斯分布中最大强度仅在中心处，同时远离中心有相对剧烈的下降。“平顶”分布可有助于实现对切削、焊接或加工处理的控制并使其更精确。
在许多应用中，还(或可替代地)需要具有大体圆形分布的波束。
为了在满足期望波束参数乘积(BPP)的同时将此类激光器用于材料处理应用，传统的光纤激光器和放大器系统将单模或多模激光器或放大器输出耦合到波束传送缆线内，以用于该输出传输到工件上。类似的，传统固态激光器被耦合至波束传送缆线，以用于将激光输出传输到工件上。通常使用的波束传送缆线由高阶多模阶跃折射率光纤制成，其具有50、100、200、400和600微米的典型芯径以及从0.1至0.4变化(并且通常大于0.4)变化的数值孔径(NA)。大量技术已经被尝试用来同时提供期望BPP和期望平顶分布，比如在单模激光器输出(发射光纤)和波束传送缆线之间的偏移拼接、具有成形孔的波束传送光纤、外部波束成形技术、机械光纤微弯曲、光纤拉锥(绝热和/或突变的)、多模光纤中的长周期光栅和多模干涉。然而，这些技术的每一个均存在许多缺点。
相应地，仍然存在对改进的光纤、系统及方法的需要，它们能够，例如提供期望BPP值、期望强度分布(例如，“平顶”强度分布)和圆形波束形状的一个或多个。
发明内容
在一个方面，本公开提供了一种用于传送具有波长的光辐射的模式混合光纤，所述模式混合光纤具有输入端、输出端、中心线和折射率分布。所述模式混合光纤包含：
最内芯，所述最内芯具有折射率分布；以及
包层，所述包层围绕所述最内芯设置；
其中所述模式混合光纤在所述波长具有至少五个模式，并且
其中所述模式混合光纤被配置为将其输入端处的光输入的一部分从其较低阶模式分配到其较高阶模式。
在另一个方面，本公开提供了一种光学系统，其包括：
如本文所描述的模式混合光纤；以及
第一光纤，所述第一光纤具有直接光耦合至所述模式混合光纤的所述输入端的输出端，所述第一光纤被配置为传播具有所述波长的光辐射。
在另一个方面，本公开提供了一种光学系统，其包括：
如本文所描述的模式混合光纤；以及
光源(例如，固态激光器)，所述光源光耦合至所述第一模式混合光纤的所述输入端。
在另一个方面，本公开提供了一种用于提供具有期望强度分布的所述波长的引导辐射的方法。所述方法包含：将输入辐射耦合到本文所描述的模式混合光纤的第一端内，并且沿所述模式混合光纤引导所述辐射以提供具有期望强度分布的引导辐射，例如，如本文所描述的平顶强度分布。
在另一方面，本公开提供了一种用于提供自由空间传播光束的方法，所述方法包括：
提供本文所描述的光学系统；
将所述波长的辐射传播到所述模式混合光纤内；以及
从所述模式混合光纤的所述输出端传播所述自由空间传播光束。
通过阅读以下详细描述并适当参考附图，这些方面、实施例、优点和替代方案以及其他方面、实施例、优点和替代方案对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。本文所描述的各种光纤、系统及方法的实施例可以在激光加工应用以及在将受益于例如光纤波束控制技术的应用的各种其他应用中使用。
附图说明
图1是根据本公开的一个实施例的模式混合光纤的横截面示意图，而图2是示意性侧视图。
图3是根据本公开的另一个实施例的模式混合光纤的横截面示意图。
图4是根据本公开的另一个实施例的模式混合光纤的横截面示意图。
图5是根据本公开的另一个实施例的模式混合光纤的横截面示意图。
图6是根据本公开的另一个实施例的模式混合光纤的横截面示意图。
图7是根据本公开的另一个实施例的模式混合光纤的横截面示意图。
图8是根据本公开的另一个实施例的模式混合光纤的横截面示意图。
图9是根据本公开的另一个实施例的模式混合光纤的示意性侧视图。
图10是根据本公开的一个实施例的光学系统的示意图。
图11是根据本公开的另一个实施例的光学系统的示意图。
图12是根据本公开的另一个实施例的光学系统的示意图。
图13是在实例1的实验中使用的模式混合光纤的示意性横截面视图。
图14是在实例1的实验中使用的模式混合光纤劈开后的光纤端面的照片。
图15是显示实例1的实验中的模式混合波束传送缆线中激起的模式之间的计算功率分布的图表。
图16是实例1的实验中的模式混合波束传送缆线所传送的计算总输出强度的二维图表。
图17是实例1的实验中的模式混合波束传送缆线所传送的波束的计算分布的图表。
图18是显示实例1的实验中的传统波束传送缆线中激起的模式之间的计算功率分布的图表。
图19是实例1的实验中的传统波束传送缆线所传送的计算总输出强度的二维图表。
图20是实例1的实验中的传统波束传送缆线所传送的波束的计算分布的图表。
图21是传统系统的示意图，以及由此如实例1的实验中所描述传送的总输出强度的二维图表。
图22是包含偏移芯模式混合光纤的光学系统的示意图，以及由此如实例1的实验中所描述传送的总输出强度的二维图表。
图23是在实例2的实验中使用的模式混合光纤的设计的横截面示意图。
图24是图22的光纤劈开后端面的索引对照图像。
图25是显示实例2的实验中的模式混合波束传送缆线中激起的模式之间的计算功率分布的图表。
图26是实例2的实验中的模式混合波束传送缆线所传送的计算总输出强度的二维图表。
图27是实例2的实验中的模式混合波束传送缆线所传送的波束的计算分布的图表。
图28是包含实例2的实验中使用的偏移低折射率环形模式混合光纤的光学系统的示意图。
图29是如实例2的实验中所描述由图27的系统所传送的总输出强度的二维图表。
图30是如实例2的实验中所描述由图27的系统所传送的输出的强度分布。
图31是实例3的实验中所传送的总输出强度的二维图表。
图32是实例3的实验中所传送的输出的强度分布。
图33是提供实例4中所描述第一实验的结果的一组图像。
图34是提供实例4中所描述第二实验的结果的一组图像。
图35是针对实例5中所描述的模式混合光纤的波束散度和光纤长度相对关系的图表。
图36是提供实例6中所描述实验的结果的一组图像。
如本领域技术人员可以理解的，附图并不一定按比例绘制，并且为了清楚起见，在某些附图中可以省略系统的各种元件。
具体实施方式
在以下讨论中，假定了读者已经类似于本领域技术人员，对光纤的结构具有基本的了解。因此，不再详细讨论光纤芯、包层和涂层的概念。如本领域技术人员所熟悉的，具有波长的辐射通常在光纤的芯内传播，芯的直径通常在数微米到数百微米的范围内，甚至在一些实施例中达到1500微米。在芯和包层之间的折射率差异用来将光限定在一种或多种传播模式下，通常在光纤芯中(尽管本领域普通技术人员可以意识到，实际上在芯附近区域中的包层中存在一些能量)。
如本文所使用的，术语“光”或“光学”，如光波导领域普通技术人员所理解的，用途广泛，而且并不限于仅涉及可见光的波长范围。本文所描述的折射率是关于辐射的波长进行描述的。在本文所描述光纤、系统及方法的某些实施例中，波长是在可见光或近红外光内(例如，在约0.5μm至约3μm的范围内)。
发明人注意到，在多模波束传送光纤中，如果光在所有可用模式(即，所有可用的横向模式)间均匀分配，输出波束可以呈现出相对平顶的强度分布。增加较高阶模式还会影响输出波束的发散角(由于较高阶模式在较大的发散角下增加)并增大BPP。当所有模式均匀增加时，波束散度等于光纤芯数值孔径。
然而，在传统系统中，所有模式并未均匀增加。相反，在多模波束传送光纤中激起的模式的数目和在每个模式中耦合的功率的相对量由，例如，入射激光辐射(例如，来自有源光纤)之间的空间重叠和波束传送光纤的芯的模式来确定。由于横向模式是正交的，仅具有与输入激光束(例如，来自有源光纤)的非零空间重叠的模式可以增加。每个模式所携载的功率的相对量由空间重叠的部分确定。因此，在波束传送的输出处的波束分布和可用BPP将会基于所使用的激光器或放大器的具体类型而不同(即，取决于激光器/放大器输出的分布)。例如，当使用单模激光器或放大器源时，与传统波束传送线缆中的多模阶跃折射率光纤相比在大小和形成因素方面的显著差异导致了低水平的模式混合(即，通常仅较少的较低阶模式增加)。多模激光器或放大器光纤的使用一定程度上可以有助于解决问题，但是由于此类多模激光器或放大器光纤通常模式较少，波束传送光纤通常仍然仅在较低阶模式下增加辐射。当仅有较低阶模式增加时，所传送的波束通常在其中心处比在其外围处强度更高。当通过例如，自由空间光学器件，将固态激光器耦合至波束传送光纤时，波束传送光纤可以类似地主要在其较低阶模式下传输辐射，类似地导致传送的波束具有更强的中心。
通过将光纤配置为，例如，在其输入端将激光器/放大器辐射(例如，来自单模或较少模式光纤的，或者从固态激光器耦合的)耦合(并且朝其输出端传播)到其较高阶模式，本发明人已经处理了现有技术的缺陷。此类光纤，当在光纤激光器或放大器系统中被用作模式转换光纤或波束传送光纤时，可以提供具有期望BPP值、期望强度分布(例如，“平顶”强度分布)和圆形波束形状中一个或多个的输出。在某些实施例中，此类模式混合光纤可以在芯内引入不对称性来设置，以便扰乱输入光纤和模式混合光纤之间的模重叠，由此增加模式混合。
如本领域普通技术人员所将意识到的，本文所描述的光纤设计是可扩展的，并且提供了大量自由度以在BPP方面满足端用户的需求，与此同时保持了期望强度分布(例如，“平顶”和/或圆形波束)。基于本公开，本领域普通技术人员可以使用常规的光学模拟技术来在本公开的范围内提供额外的设计。
有利地，此类系统可以通过使用标准熔接程序和常规商用拼接设备设置在全光纤整体配置中。此类全光纤手段可以提供简易的处理、实施和维护。如本领域普通技术人员所将意识到的，本文所描述的光纤、方法及系统不需要外部元件、空间滤波或特殊处理操作以及执行升模转换。本文所描述的光纤可以封装到波束传送缆线内并且简单拼接至激光器的输出，并且由此可与现有的光纤激光器和放大器系统兼容。类似的，本文所描述的光纤可以，例如通过自由空间光学器件，耦合到其他类型激光器的输出，比如固态激光器。
在图1中以横截面示意图且在图2中以示意性侧视图示出了本公开的一个实施例。模式混合光纤100具有输入端102和输出端103。模式混合光纤100还具有中心线104(定义为光纤横截面的几何中心点)和折射率分布(折射率定义为光纤横截面位置的函数)。模式混合光纤100包含最内芯110(其具有自身的折射率分布，其折射率定义为光纤的最内芯的横截面位置的函数)和围绕该最内芯设置的包层120。模式混合光纤被配置为传送具有波长的光辐射(即，从其输入端到期输出端)。应当注意，该模式混合光纤在该波长具有至少5个模式(即，大体受最内芯约束的模式)。例如，在某些实施例中，模式混合光纤在该波长具有至少7个模式，或者在该波长具有至少10个模式。在其他实施例中，模式混合光纤在该波长具有至少20个、至少30个、至少40个或甚至至少50个模式。
关键是，该模式混合光纤被配置为将其输入端处的光输入的一部分从其较低阶模式分配到其较高阶模式(并朝向其输出端传播)。尽管光功率不仅在模式混合光纤的较低阶模式而且在较高阶模式之间分配，可以从模式混合光纤的输出端输出波束，模式混合光纤具有，例如期望BPP和/或波束形状，比如大体“平顶”分布。本公开确定了许多方式来配置模式混合光纤，以使得其将其输入端处的光输入的一部分从其较低阶模式分配到其较高阶模式。例如，在本公开的某些实施例中，模式混合光纤的最内芯具有中心线(即，如上所描述限定，但是是关于最内芯而不是关于整体光纤)，其定位成大体上不与光纤的中心线共线。换句话说，在某些实施例中，模式混合光纤的最内芯相对于整体模式混合光纤被设置成偏离中心。图3是模式混合光纤300的横截面示意图，其具有最内芯310和围绕最内芯设置的包层320。在该实施例中，最内芯310具有中心线314，其被设置成相对于整体光纤300大体上偏离中心。也就是说，最内芯310的中心从整体光纤300的中心线304横向偏移。最内芯的中心相对于光纤的中心线的横向偏移为至少5微米，例如至少10微米、至少20微米或至少30微米。在该实施例中，模式混合光纤具有阶跃折射率分布，本领域普通技术人员将意识到，可以使用其他的折射率分布。
本领域普通技术人员将意识到，模式混合光纤的最内芯可以采取各种形状。例如，在某些实施例中，如图3中所示，最内芯具有大体圆形的横截面形状。当模式混合光纤的最内芯横截面形状大体是圆形时，其合意地包含了一些能够在模式间提供期望辐射分布的一些其他特征或特性。例如，如上所描述，其可以具有横向偏移的最内芯。在其他实施例中，最内芯可以具有被配置为在模式间分配辐射的折射率分布，如以下将更详细描述的。
在其他实施例中，模式混合光纤的最内芯具有大体非圆形的横截面形状。例如，在图4中以横截面示意图示出的模式混合光纤400具有呈大体矩形的形状(此处是正方形)的最内芯410。在某些实施例中，大体非圆形的最内芯沿模式混合光纤的中心线居中(即，最内芯的中心线定位成与光纤的中心线大体共线)。但是在其他实施例中，大体非圆形的最内芯从光纤的中心线横向偏移，例如，按照以上关于图3所描述的任意方式。在此类实施例中，可以将各种其他大体非圆形的形状用于最内芯。例如，最内芯可以具有多边形的形状(例如，规则多边形或不规则多边形)，并具有任意所需数目的边(例如，三角形、矩形、五边形、六边形、八边形)。多边形的顶点可以是锐利的或者稍微经圆整的。当然，大体非圆形最内芯并不一定是多边形，其可以具有经圆整但是非圆形的形状(例如，卵圆形、椭圆形、半圆形等)。
在某些实施例中，模式混合光纤的最内芯具有一个或多个大体高掺杂区域和/或一个或多个大体低掺杂区域，被配置为在其传播模式间提供期望的辐射分布。如以下将更详细描述的，可以按照多种方式来配置该一个或多个大体高掺杂区域和/或一个或多个大体低掺杂区域。高掺杂区域是在波长上具有比最内芯的其余部分更高的折射率的区域。本领域普通技术人员将意识到，这可以是因为相比于最内芯的其余部分，高掺杂区域具有较多的高折射率掺杂物，或者具有较少的低折射率掺杂物。低掺杂区域是在波长上具有比最内芯的其余部分更低的折射率的区域。本领域普通技术人员将意识到，这可以是因为相比于最内芯的其余部分，低掺杂区域具有较少的高折射率掺杂物，或者具有较多的高折射率掺杂物。本领域普通技术人员将意识到，高掺杂或低掺杂区域完全需要包含任何掺杂物，例如，其可以是大体纯净的二氧化硅，在该情况下最内材料的其余部分具有不同的折射率差异。
在某些实施例中，光纤的最内芯包含一个或多个围绕其中心线对称设置的大体低掺杂区域。例如，模式混合光纤的最内芯可以包含中心线被设置成与最内芯的中心线大体共线的大体低掺杂区域。在图5中以横截面示意图示出了一个这样的实施例。模式混合光纤500具有最内芯510，该最内芯510被包层520包围。最内芯510包含大体低掺杂区域515，其中心线沿最内芯自身的中心线设置。当然，在其他实施例中，没有围绕最内芯的中心线对称设置的大体低掺杂区域。
在某些实施例中，模式混合光纤的最内芯包含一个或多个围绕该最内芯中心线不对称设置的大体低掺杂区域。可以，例如结合以上所描述的沿最内芯的中心线设置低掺杂区域设置此类大体低掺杂区域，或者可以在没有沿最内芯的中心线设置低掺杂区域的情况下设置。
例如，在图6中以横截面示意图示出了光纤600，其最内芯610包含从光纤的最内芯的中心线偏移设置的大体低掺杂区域615(在该实施例中，也从光纤本身的中心线偏移设置)。作为另一个实施例，图7是模式混合光纤的横截面示意图。该模式混合光纤700包含最内芯710，其包含低掺杂环形区域715；此时，低掺杂区域也设置成其中心从最内芯的中心(并且也从光纤的中心线)偏移。图8是本文所描述的模式混合光纤的又另一个实施例的横截面示意图。参考图8，模式混合光纤800包含最内芯810，最内芯810包含低掺杂区域815a、815b、815c和815d。此时，低掺杂区域815a、815b、815c和815d被设置成，它们的中心在距离光纤的中心线804的不同距离处。当设置多个低掺杂区域时，它们可以随机设置，或者可替代地，按照规则的几何结构布置(即，在不形成带隙结构的情况下)。
在某些实施例中，模式混合光纤的最内芯包含一个或多个大体高掺杂区域。例如，该一个或多个大体高掺杂区域可以围绕最内芯的中心线不对称地设置，例如，按照以上关于低掺杂区域所描述的任意方式。在其他实施例中，高掺杂区域围绕最内芯的所述中心对称地设置(例如，作为环形区域)，但是大体朝向最内芯的外围(例如，高掺杂区域的至少1/2、2/3或甚至3/4区域设置在远离最内芯的中心线达最内芯的半径的至少一半处)。如果存在的话，该一个或多个高折射率区域可以结合以上描述的一个或多个低折射率区域一起设置。
本领域普通技术人员将意识到，在光纤的最内芯中可以设置任意数目的大体高掺杂/低掺杂区域。例如，在某些实施例中，例如关于图5、6、7、9和23所描述的，在最内芯中仅有一个大体高掺杂/低掺杂区域。在一些实施例中，例如，关于图8所描述的，存在多个高掺杂/低掺杂区域。然而，为了制造简单起见，可以需要将高掺杂/低掺杂区域的数目限制为，例如，不超过12、不超过8、不超过5、不超过4、或者甚至不超过3。当存在多个高掺杂/低掺杂区域时，它们并不形成在波长上具有带隙的所谓光子晶体或光子带隙结构。
可以按照各种尺寸形成模式混合光纤的最内芯。例如，在某些实施例中，光纤的最内芯的直径(即，横跨最内芯的径向平均距离)在约50μm至约3000μm的范围内，例如，在约50μm至约2000μm、或约50μm至约1000μm、或约50μm至约600μm、或约100μm至约3000μm、或约100μm至约2000μm、或约100μm至约1000μm、或约100μm至约600μm、或约200μm至约3000μm、或约200μm至约2000μm、或约200μm至约1000μm、或约200μm至约600μm的范围内。本领域的普通技术人员将会选择最内芯直径以提供期望数目的模式并和输入光纤重叠。
类似地，可以按照各种尺寸形成整个模式混合光纤。在某些实施例中，模式混合光纤具有在约100μm至约3600μm范围内的外径，例如，在约100μm至约3000μm、或约100μm至约2500μm、或约100μm至约1500μm、或约100μm至约1000μm、或约100μm至约800μm、或约100μm至约600μm、或约200μm至约3600μm、或约200μm至约3000μm、或约200μm至约2500μm、或约200μm至约1500μm、或约200μm至约1000μm、或约200μm至约800μm、或约200μm至约600μm的范围内。在一些实施例中，模式混合光纤的外径为最内芯的外径的至少约1.05倍，例如，在模式混合光纤的最内芯的外径的约1.05倍至约5倍、或约1.05倍至约3倍、或约1.05倍至约2倍的范围内。例如，在一些实施例中，模式混合光纤的外径为最内芯的外径的至少约1.2倍，例如，在模式混合光纤的最内芯的外径的约1.2倍至约5倍、或约1.2倍至约3倍、或约1.2倍至约2倍的范围内。
如本领域普通技术人员所将意识到的，可以按照各种形状和各种尺寸来设置各种高掺杂区域和低掺杂区域。在某些实施例中，各种高掺杂和/或低掺杂区域具有选自圆形、非圆形但是经圆整(例如，卵圆形、椭圆形、半圆形)、多边形(例如，三角形、六边形、正方形)的实心横截面形状。各种高掺杂和/或低掺杂区域还可以设置为环形(例如，圆环、环形非圆但是经圆整的形状，或者环形多边形)。各种高掺杂和/或低掺杂区域可以是，例如，至少大约波长的大小(即，在径向平均横截面宽度上)。在某些实施例中，各种高掺杂和/或低掺杂区域的大小在例如约1μm至约2000μm的范围内，例如，在约1μm至约1500μm、或约1μm至约1000μm、或约1μm至约800μm、或约1μm至约600μm、或约1μm至约400μm、或约1μm至约200μm、或约2μm至约2000μm、或约2μm至约1500μm、或约2μm至约1000μm、或约2μm至约800μm、或约2μm至约600μm、或约2μm至约400μm、或约2μm至约200μm、或约5μm至约2000μm、或约5μm至约1500μm、或约5μm至约1000μm、或约5μm至约800μm、或约5μm至约600μm、或约5μm至约400μm、或约5μm至约200μm、或约15μm至约2000μm、或约15μm至约1500μm、或约15μm至约1000μm、或约15μm至约800μm、或约15μm至约600μm、或约15μm至约400μm、或约15μm至约200μm的范围内。在某些实施例中，高和/或低掺杂区域占最内芯面积的总百分比在约5％至约95％的范围内，例如，在约5％至约85％、或约5％至约75％、或约5％至约50％、或约5％至约25％、或约10至约95％、或约10％至约85％、或约10％至约75％、或约10％至约50％、或约10％至约25％、或约1％至约10％、或约1％至约20％、或约1％至约25％的范围内。
该一个或多个大体高掺杂和/或低掺杂区域的折射率大体不同于最内芯的其余部分的折射率。例如，大体高掺杂区域的折射率(即，在波长下)可以比最内芯的其余部分的折射率大至少约0.001、至少约0.002、至少约0.003、或者甚至至少约0.005，例如，比最内芯的其余部分的折射率大至少约0.01或至少约0.02。类似地，大体低掺杂区域的折射率可以比最内芯的其余部分的折射率小至少约0.001、至少约0.002、至少约0.003、或者甚至至少约0.005，例如，比最内芯的其余部分的折射率小至少约0.01或至少约0.02。然而，在某些实施例中，在各个高掺杂/低掺杂区域和最内芯的其余部分之间的绝对折射率差异(即，在波长上)至多约0.2、至多约0.1、或至多约0.05。此类材料可以用类似于最内芯的其余部分的材料玻璃制成，并且由此可以合意地具有类似于最内芯的其余部分的热机械特性，从而简化了制造。在某些期望实施例中，大体高掺杂和/或低掺杂区域被形成为在最内芯内具有折射率非连续性的区域(即，沿最内芯的横截面按照线性距离大约1μm内会发生折射率的改变)。
在某些特定实施例中，模式混合光纤的最内芯包含单个环形低掺杂区域，例如以圆环的形状。环形低掺杂区域可以，例如，具有在5微米至20微米范围内的内径和在0.5微米至3微米范围内的环厚度。低掺杂区域的折射率使得相对于最内芯的其余部分的相对数值孔径值在0.01至0.15的范围内，例如，0.01至0.10、0.01至0.05、0.02至0.10、或0.02至0.05。如本文所使用的，非圆形特征的“直径”是距离该特征的几何中心的径向平均距离的两倍。
可以按照各种长度设置模式混合光纤。本领域普通技术人员可以选择足够的长度以将期望辐射分布提供到较高阶模式。例如，在某些实施例中，模式混合光纤的长度在约1m至约100m的范围内，例如，在约1m至约50m、或约1m至约40m、或约1m至约50m、或约1m至约20m、或约1m至约10m、或约1m至约5m、或约5m至约100m、或约5m至约100m的范围内，例如，在约5m至约50m、或约5m至约40m、或约5m至约50m、或约5m至约20m、或约10m至约100m、或约10m至约50m、或约10m至约40m的范围内。
在某些实施例中(包含以上所描述的图3、4以及图6-8的实施例)，模式混合光纤不具有圆形对称的横截面轮廓。在某些此类实施例中，模式混合光纤的横截面轮廓沿其长度形成为螺旋形。也就是说，在未经某些外力盘绕的状态下，光纤的各种元件沿光纤的长度以螺旋配置盘绕，例如，节距在约1mm至约100cm的范围内，例如，在约1mm至约50cm、或约1mm至约30cm、或约1mm至约20cm、或约1mm至约10cm、或约1mm至约5cm、或约2mm至约100cm、或约2mm至约50cm、或约2mm至约30cm、或约2mm至约20cm、或约2mm至约10cm、或约2mm至约5cm、或约5mm至约100cm、或约5mm至约50cm、或约5mm至约30cm、或约5mm至约20cm、或约5mm至约10cm、或约5mm至约5cm、或约1cm至约100cm、或约1cm至约50cm、或约1cm至约30cm、或约1cm至约20cm、或约1cm至约10cm、或约1cm至约5cm的范围内。在图9中以示意图示出了此类配置。以侧视图示出了具有偏离中心的最内芯的光纤900的一段，最内芯的中心线914以虚线示出。示出了在位置A、B和C每一个处的横截面轮廓。应当注意，偏离中心的最内芯被形成为贯穿光纤的螺旋形。通过使用此类螺旋形配置可以显著提高模式混合处理的效率。此类光纤可以利用常规方法制造(例如，在光纤的牵引期间旋转预成品)。
模式混合光纤可以通过利用本领域内的常规方法由常规材料制成。例如，光纤可以利用各种二氧化硅基玻璃(例如，锗硅酸盐、硼硅酸盐、铝硅酸盐、氟硅酸盐及其组合物)制成。在某些实施例中，最内芯(例如，不包含任何高掺杂区域或低掺杂区域)由大体未掺杂的二氧化硅形成，与此同时包层(至少在直接包围最内芯的区域中)包含氟掺杂二氧化硅。在其他实施例中，最内芯(例如，不包含任何低掺杂区域)由大体锗掺杂二氧化硅形成，与此同时包层(至少在直接包围最内芯的区域中)包含大体未掺杂的二氧化硅。可以使用常规的掺杂物来提供高掺杂区域和低掺杂区域。制造光纤的常规方法(例如，将具有不同折射率的各种杆和导管堆叠在一起，之后将它们折叠成预成品并牵引该预成品)可以被用来制造本文所描述的模式混合光纤。
基于本公开，本领域普通技术人员可以将模式混合光纤设置为提供大量的波束参数乘积，以及由此大量的发散角。例如，在某些实施例中，模式混合光纤的波束散度在约40mrad、60mrad或80mrad直到所述光纤的数值孔径的范围内，例如，在约40mrad至约600mrad、或约40mrad至约300mrad、或约40mrad至约160mrad、或约40mrad至约140mrad、或约40mrad至约120mrad、或约40mrad至约100mrad、或约40mrad至约80mrad、约60mrad至约600mrad、或约60mrad至约300mrad、或约60mrad至约160mrad、或约60mrad至约140mrad、或约60mrad至约120mrad、或约60mrad至约100mrad、约80mrad至约600mrad、或约80mrad至约300mrad、或约80mrad至约160mrad、或约80mrad至约140mrad、或约80mrad至约120mrad、或约80mrad至约100mrad、或约100mrad至约200mrad、或约100mrad至约400mrad、或约100mrad至约600mrad、或约200mrad至约600mrad的范围内。当然，本领域普通技术人员可以针对不同应用提供具有不同发散角的模式混合光纤。例如，在一些实施例中，本领域普通技术人员可以提供具有和最内芯的NA一样高的波束发散角的模式混合光纤。
类似地，基于本公开，本领域普通技术人员可以将模式混合光纤设置为提供大体平顶的输出。例如，模式混合光纤可以被配置为引导或输出波束(即，如在5％的峰值强度下由外围所限定)，所述波束在其平均强度的约20％内、约15％内或者甚至约10％内具有其横截面积的至少70％、至少80％或甚至至少90％。例如，模式混合光纤可以被配置为引导或输出辐射(即，如在5％的峰值强度下由外围所限定)，当模式混合光纤的所述辐射输入在其平均强度(例如，最高强度在中心)的约20％内、约15％内或者甚至约10％内具有其横截面积的至多50％、至多40％、至多30％或者甚至至多20％时，该输出辐射在其平均强度的约20％内、约15％内或者甚至约10％内具有其横截面积的至少70％、至少80％或甚至至少90％。
该模式混合光纤可以被提供为具有各种数值孔径值。例如，在某些实施例中，模式混合光纤的数值孔径在约0.10至约0.60的范围内，例如，在约0.10至约0.40、或约0.10至0.30、或约0.10至约0.22、或约0.15至约0.60、或约0.15至约0.40、或约0.15至约0.30的范围内。
最内芯的折射率分布的各个区域可能会扰乱其中辐射的传播，例如，通过作为散射(或弱导)中心，从而反射(或引导)光离开并增加最内芯的较高阶模式。如本领域普通技术人员基于本公开将意识到的，本文所描述的模式混合光纤的性能可以受到若干设计参数的影响，包含例如，最内芯的横向偏移、最内芯的折射率分布、数值孔径、模式混合光纤的长度、任何卷绕状态(直径和长度)，以及最内芯的折射率分布的任何螺旋形。模式混合光纤的设计可以按比例调整，以便提供期望的最内芯尺寸(例如，当使用单独的波束传送光纤时，为了匹配其尺寸)。
本公开的另一个方面是光学系统，所述光学系统包含以上所描述的模式混合光纤和第一光纤，所述第一光纤具有直接光耦合至模式混合光纤的所述输入端的输出端，所述第一光纤被配置为传播具有所述波长的光辐射。图10中的示意侧视图示出了一个此类实施例。光学系统1030包含：模式混合光纤1000，所述模式混合光纤1000具有输入端1002和输出端1004；以及具有输出端1044的第一光纤1040。第一光纤的输出端1044直接光耦合至模式混合光纤的输入端1002(即，在其之间没有任何实质性的光学部件)。例如，第一光纤的输出端可以熔接至模式混合光纤的输入端。第一光纤可以将光辐射耦合至模式混合光纤的输入端，以使得它们的中心线彼此对准(即，即使模式混合光纤的最内芯可以从模式混合光纤的中心线偏移)。
应当注意，模式混合光纤可以从单模或数个模式的光纤接收辐射，并且通过将辐射分配到较高阶模式，提供了具有期望光学特性(例如，如上所描述)的输出波束。因此，在某些实施例中，第一光纤在波长上为单模。在其他实施例中，第一光纤在波长上具有7个或更少、6个或更少、5个或更少、或者甚至4个或更少模式。当然，在其他实施例中，模式混合光纤可以从多模光纤或者从固态源(例如，经由通过自由空间光学器件的耦合)接收辐射。
在某些有利的实施例中，第一光纤被配置为由光纤激光器或光纤放大器提供辐射。例如，第一光纤可以是具有光纤激光器或光纤放大器的有源光纤，例如稀土掺杂的光纤，或者被配置为通过一些非线性处理(例如，拉曼散射、布里渊散射)提供增益的光纤。
在某些实施例中，第一光纤具有和模式混合光纤大体相同的直径此类实施例可能是特别有利的，这是因为可以简化第一光纤与模式混合光纤的对准(即，例如用于通过熔接进行光耦合)。类似地，在某些实施例中，第一光纤的最内芯的直径在模式混合光纤最内芯直径的10％或甚至在5％的范围内。
在某些实施例中，模式混合光纤可以从其第二端提供具有期望光学特性的波束。例如，在某些实施例中，光学系统被配置为从模式混合光纤的第二端发射自由空间传播波束(例如，如图10中附图标记1060所表示的)。在此类实施例中，模式混合光纤可以用作波束传送光纤，并且可以被配置在波束传送缆线中，例如，被加固以允许在工业环境下处理。如有必要，可以在模式混合光纤的输出端设置额外的光学器件(例如，准直透镜和/或其他衍射元件或折射元件)。
在其他实施例中，光学系统进一步包含第二光纤，所述第二光纤在波长上为多模，所述第二光纤具有输入端和输出端，所述第二光纤的输入端直接光耦合至模式混合光纤的所述输出端。在图11中以示意图示出了一个具体实施例。光学系统1130包含第一光纤1140和模式混合光纤1100，第一光纤的输出1144直接光耦合至模式混合光纤的输入1102，如上所描述。光学系统1100进一步包含第二光纤1150，第二光纤1150具有输入端1152和输出端1154，第二光纤的输入端1152直接光耦合(此处为熔接)至模式混合光纤的输出端1104。在此类实施例中，模式混合光纤可以用作将第一光纤的输出的光学特性(例如，强度分布)转换成更合意的状态(例如，具有平顶的强度分布)以被耦合到第二光纤内。
该系统可以被配置为从第二光纤的第二端发射自由空间传播波束(例如，如图11中附图标记1160所表示的)。在此类实施例中，第二光纤可以用作波束传送光纤，并且可以被配置在波束传送缆线中，例如，被加固以允许在工业环境下处理。如有必要，可以在第二光纤的输出端设置额外的光学器件(例如，准直透镜和/或其他衍射元件或折射元件)。
在其他实施例中，光学系统包含模式混合光纤，模式混合光纤的输入端耦合至光源的输出，比如固态激光器。光源可以，例如通过利用自由空间光学器件耦合至模式混合光纤的输入端。图12中示出了此类实施例的一个实例。光纤系统1230包含光源1270(例如，固态激光器)，其输出通过自由空间光学器件1275(例如，一个或多个透镜)耦合至模式混合光纤1200的输入端1202。自由空间传播波束(例如，如在图12中由附图标记1260所表示的)可以从模式混合光纤的第二端1200发射。
第二光纤的最内芯的直径可以根据端用户的需求而不同，例如，为了允许在已有系统中的实施。第二光纤的最内芯的直径可以是，例如，在模式混合光纤的最内芯的直径的约10％或者甚至约5％的范围内。当然，在其他实施例中，第二光纤的最内芯可以是不同的尺寸，例如，在约50μm至约3000μm、或约50μm至约2000μm、或约50μm至约1000μm、或约50μm至约600μm、或约100μm至约3000μm、或约100μm至约2000μm、或约100μm至约1000μm、或约100μm至约600μm、或约200μm至约3000μm、或约200μm至约2000μm、或约200μm至约1000μm、或约200μm至约600μm的范围内。
本文描述的系统可以被配置为输出波束(即，如在5％的峰值强度下由外围所限定)，当模式混合光纤的辐射输入在其平均强度(例如，最高强度在中心)的约20％内、约15％内或者甚至约10％内具有其横截面积的至多50％、至多40％、至多30％或者甚至至多20％时，所述波束在其平均强度的约20％内、约15％内或者甚至约10％内具有其横截面积的至少70％、至少80％或甚至至少90％。
本公开的另一个方面是用于提供具有期望强度分布的波长的引导辐射的方法。所述方法包含：将输入辐射耦合到本文所描述的模式混合光纤的第一端内，并且沿所述模式混合光纤引导所述辐射以提供具有期望强度分布的引导辐射，例如，如本文所描述的平顶强度分布。在某些实施例中，具有期望强度分布的引导辐射(即，如在5％的峰值强度下由外围所限定)在其平均强度的约20％内、约15％内或者甚至约10％内具有其横截面积的至少70％、至少80％或甚至至少90％。所述辐射可以沿所述模式混合光纤的长度引导，所述模式混合光纤的长度在例如约1m至约100m的范围内，例如，在约1m至约50m、或约1m至约40m、或约1m至约50m、或约1m至约20m、或约1m至约10m、或约1m至约5m、或约5m至约100m、或约5m至约100m的范围内，例如，在约5m至约50m、或约5m至约40m、或约5m至约50m、或约5m至约20m、或约10m至约100m、或约10m至约50m、或约10m至约40m的范围内，以提供具有所述强度分布的辐射。在某些实施例中，输入辐射具有大体上不同于期望强度分布的强度分布。例如，在某些实施例中，输入辐射在其平均强度(例如，其最高强度在所述中心)的约20％内、约15％内或者甚至约10％内具有其横截面积的至多50％、至多40％、至多30％或者甚至至多20％。该方法可以结合本文所描述的任何模式混合光纤或系统一起使用。
本公开的另一个方面是用于利用本文所描述的光学系统提供自由空间传播光束的方法。该方法包含将具有波长的辐射从第一光纤传播到模式混合光纤内，并且从该模式混合光纤的输出端传播该辐射。如果系统包含如上所描述的第二光纤，则方法可以进一步包含通过第二光纤并从其输出端传播该辐射。该方法可以被执行为使得发散度、BPP和/或平坦度如以上任一实施例中所描述的那样。例如，在某些实施例中，具有期望强度分布的波束(即，如在5％的峰值强度下由外围所限定)在其平均强度的约20％内、约15％内或者甚至约10％内具有其横截面积的至少70％、至少80％或甚至至少90％。在某些实施例中，输入辐射具有大体上不同于期望强度分布的强度分布。例如，在某些实施例中，输入辐射在其平均强度(例如，其最高强度在所述中心)的约20％内、约15％内或者甚至约10％内具有其横截面积的至多50％、至多40％、至多30％或者甚至至多20％。
本公开的各个方面和实施例将参考以下非限制性实例得到进一步的解释。
实例
本文所描述的特定模式混合光纤的模式混合效果将同时得到数值性和实验性的证明。
实例1
在实例1中，图11示出了整个测试配置，模式混合光纤被配置为将来自大模面积单模光纤的辐射输出变换到波束传送缆线。
图13中以示意图示出了模式混合光纤，同时图14中以照片示出了劈开后的光纤端面。模式混合光纤具有直径为60μm的锗掺杂芯，并具有阶跃折射率分布。芯具有0.11的数值孔径，并且关于整体光纤的中心线横向偏移了20μm。整体光纤直径为360μm。
第一光纤是常规大模面积单模光纤，具有20μm直径的芯、0.06的数值孔径以及400μm的整体直径。第二光纤(即波束传送缆线的光纤)被匹配到特定商用装置，并且具有100μm直径的芯、0.22的数值孔径、360μm整体光纤直径以及25m的长度。
图15至17示出了计算结果。图15中示出了波束传送缆线中激起的模式之间的功率分布。图16中示出了由波束传送缆线所传送的总输出强度，并且图17中示出了对应的波束分布。输出波束是平顶形，并且BPP被估计为约3.4mm*mrad。
当将这些结果与图18至20中所示的在没有模式混合光纤的情况进行比较时，模式混合光纤所引起的模式混合效应看起来非常清楚。利用其他相同参数，在没有模式混合光纤的情况下执行的模拟提供了尖峰输出波束。
还采集了实验结果。在没有模式混合光纤的情况下(关于图18至20进行描述)，通过记录近场强度分布和BPP来表征常规波束传送缆线出现的波束。在图21中示出了结果。由于低程度的模式混合，波束分布非常不均匀，并且测量的2.5mm*mrad的BPP超出了3至4mm*mrad的具体期望范围。相比之下，当使用模式混合光纤时，如以上关于图13至17所描述的，近场分布显示出良好的均匀一致性(图22)，同时BPP值在3.5mm*mrad附近。
实例2
在该实例中，系统被配置具有如波束传送光纤(例如，图11中所示的)那样的模式混合光纤。此处，同样，呈现了模拟结果和实验结果两者。此处，模式混合光纤具有直径100μm的二氧化硅芯，其被足以提供0.22的数值孔径的低掺杂氟包层围绕，同时具有二氧化硅外包层以提供360μm的整体光纤直径。芯包含由氟掺杂二氧化硅形成的低折射率环。环的环厚度为4μm，具有30μm的内径，同时其中心从光纤的中心线横向偏移了12μm。环和最内芯的其余部分之间的折射率对比足以提供0.1的数值孔径值(即，在环的材料和最内芯的区域部分的材料之间；环本身并不足以引导该波长的光)。在图23中以示意性横截面视图示出了该设计。第一光纤是如以上实例1中所描述的常规大模面积单模光纤。图25至27概括了计算结果，其中，图25中示出了模式混合光纤中激起的模式之间的功率分布，图26中示出了由模式混合光纤的第二端所传送的总输出强度，以及图27中示出了对应的波束分布。
如以上所指出的，在该实例中，模式混合光纤被配置为波束传送缆线。在图25中显示功率分布的图表上证实了模式高阶转换(为了清楚起见，仅绘制了第一100个模)。利用这些准确参数，BPP被估计为在4mm*mrad附近。然而，输出波束不被计算为恰好是平顶形的(尽管相比于高斯波束而言其已经是显著平坦的)。这可以由本领域普通技术人员通过适当地修改光纤的设计、芯元件的尺寸和位置来得到改变。
图28至30中示出了利用图23和24的模式混合光纤由高阶转换波束传送缆线形成模式混合的实验性证明。在图28中以示意图示出了测量设置。在图29和30中分别显示的测量强度和波束分布证明了与3.9mm*mrad下测量的BPP的良好一致性，证明了在被用作波束传送线缆的该光纤中发生了模高阶转换。这可以与图21中示出的结果进行比较，其结果来自使用常规波束传送缆线。此时，在输出强度分布中未显现出低折射率环，其与最大强度相比较具有50％的强度。可以通过适当地修改光纤设计来降低该环对比，如以下关于实例3所示出的。
实例3
在该实例中，系统被配置为大体上类似与实例2的配置，但是芯中的低折射率环的数值孔径值为0.02(即，替代了实例2中的0.1)。
图31和32中示出了利用该实例的模式混合光纤由高阶转换波束传送缆线形成模式混合的实验性证明。在图31和32中分别显示的测量强度和波束分布证明了良好的一致性。这可以和实例2的结果进行比较，从而证明，实际上适当的设计可以在减少由低掺杂环引起的强度对比的同时保持期望平顶分布。
实例4
在该实例中，使用了具有不同芯径的模式混合光纤，一个具有50μm的芯，并且另一个具有25μm的芯径，并利用单模输入辐射。关于图33描述了使用50μm芯的模式混合纤维的第一实验。此时，LMA/GDM 20/400光纤被拼接到25m长的模式混合光纤的输入端，该模式混合光纤具有在内芯内偏移设置的低掺杂环，图33中示出了细节。在1.06μm波长上的单模辐射从LMA-GDF 20/400光纤耦合到模式混合光纤内。在模式混合光纤的输出处的劈开端面处测量强度。如图33中所示，输出强度是大体均匀的，除了在环形低掺杂元件的位置处有一些强度对比。BPP为约1.3mm*mrad。在第二实验中，模式混合光纤类似于以上第一实验的模式混合光纤，但是具有25μm的芯径，在图33中提供了尺寸。该模式混合光纤为5m长，并且以8mm的卷径卷绕。此时，输入光纤为单模SMF-28光纤，并且辐射具有1.55m的波长。单模辐射从LMA-GDF 20/400光纤耦合到模式混合光纤内。此时，同样，如图34中所示，输出强度是大体均匀的。BPP为约1.5mm*mrad。
实例5
对于具有螺旋形分布的模式混合光纤，该实例证明了波束散度的期望增大。制造了两种模式混合光纤，完全相同，但是事实是，对于“旋转(spun)”光纤，在牵引期间利用50转/秒的周期旋转预成品以提供螺旋分布。利用回切法，波束散度被测量为光纤长度的函数。在图35的图表中示出了结果。应当注意，对于旋转光纤而言充分增加了波束散度。
实例6
在该实例中，各种多模光纤被拼接到本文所描述的模式混合光纤。在每种情况中，模式混合光纤为25m长，并且在其他方面类似于于实例3的模式混合光纤，但是除了低掺杂环的NA值为0.05之外。图36中提供了输入多模光纤和模式混合光纤的输出的二维波束强度，并且证明了，在输入多模光纤中的相对非均匀强度通过该模式混合光纤被转换成相对平顶的强度。图36的图表证明，对波束亮度影响相对很少。
在权利要求中以及在以上说明书中，所有的连接词，比如“包括”、“包含”、“携载”、“具有”、“含有”、“涉及”等应当被理解是开放式的。仅仅“由……组成”和“基本由……组成”的连接词可以被认为是封闭或半封闭的连接词。
应当理解的是，本文使用的术语“一(a)”、“一(an)”或“一个”，包含在所附权利要求中的，为开放式的并且意思是“至少一个”或“一个或多个”，除了以其他方式明确限定之外。本文中偶尔使用术语“至少一个”或“一个或多个”是为了更加清楚并提醒“一个”或类似术语的开放本质，而不应当被认为暗示了在本文其他情况下单独使用的术语“一(a)”、“一(an)”或“一个”是封闭的并由此被限制为单数。类似地，使用“一部分”、“至少一部分(atleast a part of)”或类似词语(例如，“至少一部分(at least a portion of)”不应当被认为是意指不存在此类词语是进行某种限制。
对词语“至少一个”的后续引用，比如在词语“所述至少一个”中，是为了例如指定“至少一个”开始所指代的限定的属性，而不应被解释为需要必须将该指定施加于该限定的每一种情况，在确定权利要求是否涉及物品、组分、机器或过程时应当考虑多于一个的情况，除非在权利要求中明确引述了这样施加了进一步的指定。
如在“A或B”中的“或”的使用，不应被理解为排除了其A和B组合范围的“排他性或”的逻辑关系，而是，“或”旨在作为开放式的，并且包含所有的排列，包含例如，A没有B，B没有A，以及A和B都有，并且在作为任何其他开放性引述时，并不排除除了A和B之外的其他特征。
以上结合上述任一个方面进行描述的任意特征可以与本发明根据以上描述的任意其他方面的实践相结合，这对于研究本文公开的普通技术人员来说是明显的。
本领域普通技术人员可以认识到或者能够利用不超过常规实验来确定相对于本文所描述的本发明的具体实施例的等价物。因此应当理解的是，前述实施例仅通过示例的方式进行呈现并且落入所附权利要求及其等价物的范围之内，本发明还可以用不同于所具体描述的其他方式进行实践。本发明涉及本文所描述的各个独立特征、系统、材料和/或方法。此外，两个或多个此类特征、系统、材料和/或方法的任意组合，如果此类特征、系统、材料和/或方法未被明确教导互相不一致的话，被包含在本发明的范围内。
尽管本文已经公开了各种方面和实施例，但是其他方面和实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。本文所公开的各种方面和实施例是为了说明的目的而并不旨在进行限制，本发明的真实范围由所附权利要求以及此类权利要求所赋予的等价物的完全范围所表示。还应当理解的是，本文所使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，而并不旨在进行限制。

Claims (61)

1.一种用于传送具有波长的光辐射的模式混合光纤，所述模式混合光纤具有输入端、输出端、中心线以及折射率分布，所述模式混合光纤包括：
最内芯，所述最内芯具有折射率分布；以及
包层，所述包层围绕所述最内芯设置；
其中所述模式混合光纤在所述波长具有至少五个模式，并且
其中所述模式混合光纤被配置为将其输入端处的光输入的一部分从其较低阶模式分配到其较高阶模式。
2.根据权利要求1所述的模式混合光纤，其中所述最内芯具有中心线，所述中心线定位成大体上不与所述光纤的所述中心线共线。
3.根据权利要求2所述的模式混合光纤，其中所述最内芯的中心相对于所述光纤的所述中心线的横向偏移为至少5微米，例如至少10微米、至少20微米或至少30微米。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的模式混合光纤，其中所述最内芯具有大体圆形的横截面形状。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的模式混合光纤，其中所述最内芯具有大体非圆形的横截面形状，例如多边形，例如矩形、正方形、三角形、五边形、六边形或八边形，或者经圆整的但是并非圆形，例如卵圆形、椭圆形或半圆形。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的模式混合光纤，其中所述最内芯包含一个或多个大体低掺杂区域。
7.根据权利要求6所述的模式混合光纤，其中至少一个所述大体低掺杂区域围绕所述最内芯的所述中心线对称地设置。
8.根据权利要求7所述的模式混合光纤，其中围绕所述最内芯的所述中心线对称设置的所述大体低掺杂区域为中心线设置成大体与所述最内芯的所述中心线共线的大体低掺杂区域。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的模式混合光纤，其中没有大体低掺杂区域围绕所述最内芯的所述中心线对称地设置。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的模式混合光纤，其中所述一个或多个大体低掺杂区域中的一个或多个围绕所述最内芯的所述中心线不对称地设置。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的模式混合光纤，其中所述一个或多个大体低掺杂区域中的每一个具有选自圆形实心、非圆形鼓起经圆整实心、多边形实心、圆环、非圆环以及多边形环的形状。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的模式混合光纤，其中所述最内芯包含单个环形低掺杂区域，例如以圆环的形状。
13.根据权利要求12所述的模式混合光纤，其中所述环形低掺杂区域具有在5微米至20微米范围内的内径和在0.5微米至3微米范围内的环厚度。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的模式混合光纤，其中所述低掺杂区域的所述折射率使得相对于所述最内芯的其余部分的相对数值孔径值在0.01至0.15的范围内，例如，0.01至0.10、0.01至0.05、0.02至0.10、或0.02至0.05。
15.根据权利要求6至13中任一项所述的模式混合光纤，其中所述一个或多个大体低掺杂区域的折射率比所述最内芯的所述其余部分的折射率小至少约0.001，例如，至少约0.002、至少约0.003、或至少约0.005。
16.根据权利要求6至13中任一项所述的模式混合光纤，其中所述一个或多个大体低掺杂区域的折射率比所述最内芯的所述其余部分的折射率小至少约0.01，例如，至少约0.02。
17.根据权利要求6至16中任一项所述的模式混合光纤，其中在所述一个或多个低掺杂区域中的每一个和所述最内芯的所述其余部分之间的绝对折射率差值为至多约0.2，例如，至多约0.1、或至多约0.05。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的模式混合光纤，其中所述最内芯包含一个或多个大体高掺杂区域。
19.根据权利要求18所述的模式混合光纤，其中所述一个或多个大体高掺杂区域中的一个或多个围绕所述最内芯的所述中心线不对称地设置。
20.根据权利要求18所述的模式混合光纤，其中所述高掺杂区域中的一个围绕所述最内芯的所述中心对称地设置(例如，作为环形区域)，但是大体朝向所述最内芯的外围(例如，所述高掺杂区域的至少1/2、2/3或甚至3/4区域设置在远离所述最内芯的所述中心线达所述最内芯的半径的至少一半处)。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的模式混合光纤，其中所述一个或多个大体高掺杂区域中的每一个具有选自圆形实心、非圆形鼓起经圆整实心、多边形实心、圆环、非圆环以及多边形环的形状。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的模式混合光纤，其中所述一个或多个大体低掺杂区域的折射率比所述最内芯的所述其余部分的折射率小至少约0.001，例如，至少约0.002、至少约0.003、或至少约0.005。
23.根据权利要求18至21中任一项所述的模式混合光纤，其中所述一个或多个大体高掺杂区域的折射率比所述最内芯的所述其余部分的折射率大至少约0.01，例如，至少约0.02。
24.根据权利要求18至23中任一项所述的模式混合光纤，其中在所述一个或多个高掺杂区域中的每一个和所述最内芯的所述其余部分之间的绝对折射率差值为至多约0.2，例如，至多约0.1、或至多约0.05。
25.根据权利要求1至24中任一项所述的模式混合光纤，其中所述高和/或低掺杂区域占最内芯面积的总百分比在约5％至约95％的范围内，例如，在约5％至约85％、或约5％至约75％、或约5％至约50％、或约10％至约95％、或约10％至约85％、或约10％至约75％、或约10％至约50％的范围内。
26.根据权利要求1至24中任一项所述的模式混合光纤，其中所述高和/或低掺杂区域占最内芯面积的总百分比在约1％至约25％、或约5％至约25％、或约10％至约25％、或约1％至约10％、或约1％至约20％的范围内。
27.根据权利要求1至26中任一项所述的模式混合光纤，其中所述模式混合光纤的横截面轮廓并不是圆对称的。
28.根据权利要求27所述的模式混合光纤，其中所述模式混合光纤的所述横截面轮廓沿其长度形成为螺旋形。
29.根据权利要求1至28中任一项所述的模式混合光纤，其中所述最内芯的直径在约50μm至约3000μm的范围内，例如，在约50μm至约2000μm、或约50μm至约1000μm、或约50μm至约600μm、或约100μm至约3000μm、或约100μm至约2000μm、或约100μm至约1000μm、或约100μm至约600μm、或约200μm至约3000μm、或约200μm至约2000μm、或约200μm至约1000μm、或约200μm至约600μm的范围内。
30.根据权利要求1至29中任一项所述的模式混合光纤，具有在约100μm至约3600μm范围内的外径，例如，在约100μm至约3000μm、或约100μm至约2500μm、或约100μm至约1500μm、或约100μm至约1000μm、或约100μm至约800μm、或约100μm至约600μm、或约200μm至约3600μm、或约200μm至约3000μm、或约200μm至约2500μm、或约200μm至约1500μm、或约200μm至约1000μm、或约200μm至约800μm、或约200μm至约600μm的范围内的外径。
31.根据权利要求1至30中任一项所述的模式混合光纤，其中所述模式混合光纤的所述外径为所述最内芯的所述外径的至少约1.2倍，例如，在所述模式混合光纤的所述最内芯的所述外径的约1.2至约5倍、或约1.2至约3倍、或约1.2至约2倍的范围内。
32.根据权利要求1至31中任一项所述的模式混合光纤，其中所述光纤的长度在约1m至约100m的范围内，例如，在约1m至约50m、或约1m至约40m、或约1m至约50m、或约1m至约20m、或约1m至约10m、或约1m至约5m、或约5m至约100m、或约5m至约100m的范围内，例如，在约5m至约50m、或约5m至约40m、或约5m至约50m、或约5m至约20m、或约10m至约100m、或约10m至约50m、或约10m至约40m的范围内。
33.根据权利要求1至32中任一项所述的模式混合光纤，其中所述模式混合光纤的散度在约40mrad、60mrad或80mrad直到所述最内芯的数值孔径的范围内，例如，在约40mrad至约600mrad、或约40mrad至约300mrad、或约40mrad至约160mrad、或约40mrad至约140mrad、或约40mrad至约120mrad、或约40mrad至约100mrad、或约40mrad至约80mrad、约60mrad至约600mrad、或约60mrad至约300mrad、或约60mrad至约160mrad、或约60mrad至约140mrad、或约60mrad至约120mrad、或约60mrad至约100mrad、约80mrad至约600mrad、或约80mrad至约300mrad、或约80mrad至约160mrad、或约80mrad至约140mrad、或约80mrad至约120mrad、或约80mrad至约100mrad、或约100mrad至约200mrad、或约100mrad至约400mrad、或约100mrad至约600mrad、或约200mrad至约600mrad的范围内。
34.根据权利要求1至33中任一项所述的模式混合光纤，被配置为输出波束(即，如在5％的峰值强度下由外围所限定)，所述波束在其平均强度的约20％内、约15％内或者甚至约10％内具有其横截面积的至少70％、至少80％或甚至至少90％。
35.根据权利要求1至33中任一项所述的模式混合光纤，被配置为输出波束(即，如在5％的峰值强度下由外围所限定)，当所述模式混合光纤的所述辐射输入在其平均强度(例如，其最高强度在中心)的约20％内、约15％内或者甚至约10％内具有其横截面积的至多50％、至多40％、至多30％或者甚至至多20％时，所述波束在其平均强度的约20％内、约15％内或者甚至约10％内具有其横截面积的至少70％、至少80％或甚至至少90％。
36.根据权利要求1至35中任一项所述的模式混合光纤，所述模式混合光纤具有在约0.1至约0.60的范围内的数值孔径，例如，在约0.10至约0.40、或约0.10至0.30、或约0.10至约0.22、或约0.15至约0.60、或约0.15至约0.40、或约0.15至约0.30的范围内的数值孔径。
37.根据权利要求1至36中任一项所述的模式混合光纤，所述模式混合光纤在所述波长具有至少7个模式、至少10个模式、至少20个模式、至少30个模式、至少40个模式、或至少50个模式。
38.一种光学系统，包括：
根据权利要求1至37中任一项所述的模式混合光纤；以及
第一光纤，所述第一光纤具有直接光耦合至所述模式混合光纤的所述输入端的输出端，所述第一光纤被配置为传播具有所述波长的光辐射。
39.根据权利要求38所述的光学系统，其中所述第一光纤在所述波长为单模。
40.根据权利要求38所述的光学系统，其中所述第一光纤在所述波长具有7个或更少、6个或更少、5个或更少、4个或更少模式。
41.根据权利要求38所述的光学系统，其中所述第一光纤在所述波长为多模。
42.根据权利要求38至41中任一项所述的光学系统，其中所述第一光纤的所述输出端熔接至所述模式混合光纤的所述输入端。
43.根据权利要求38至42中任一项所述的光学系统，其中所述第一光纤是具有光纤激光器或光纤放大器的有源光纤。
44.根据权利要求38至43中任一项所述的光学系统，其中所述系统被配置为从所述模式混合光纤的第二端发射自由空间传播波束。
45.根据权利要求38至44中任一项所述的光学系统，进一步包括第二光纤，所述第二光纤在所述波长为多模，所述第二光纤具有输入端和输出端，所述第二光纤的所述输入端直接光耦合至所述模式混合光纤的所述输出端。
46.根据权利要求45所述的光学系统，其中所述模式混合光纤的所述输出端熔接至所述第二光纤的所述输入端。
47.根据权利要求45或权利要求46所述的光学系统，其中所述第二光纤具有大体和所述模式混合光纤相同的直径。
48.根据权利要求45至47中任一项所述的光学系统，其中所述系统被配置为从所述第二光纤的第二端发射自由空间传播波束。
49.根据权利要求38至48中任一项所述的光学系统，其中所述第一光纤具有大体和所述模式混合光纤相同的直径。
50.一种光学系统，包括：
根据权利要求1至37中任一项所述的模式混合光纤；以及
光源(例如，固态激光器)，所述光源光耦合至第一模式混合光纤的所述输入端。
51.根据权利要求50所述的光学系统，其中所述光源经由自由空间光学器件光耦合至所述模式混合光纤的所述输入端。
52.根据权利要求38至51中任一项所述的光学系统，被配置为提供自由空间传播波束，所述自由空间传播波束的散度在约40mrad、60mrad或80mrad直到所述光纤的数值孔径的范围内，例如，在约40mrad至约600mrad、或约40mrad至约300mrad、或约40mrad至约160mrad、或约40mrad至约140mrad、或约40mrad至约120mrad、或约40mrad至约100mrad、或约40mrad至约80mrad、约60mrad至约600mrad、或约60mrad至约300mrad、或约60mrad至约160mrad、或约60mrad至约140mrad、或约60mrad至约120mrad、或约60mrad至约100mrad、约80mrad至约600mrad、或约80mrad至约300mrad、或约80mrad至约160mrad、或约80mrad至约140mrad、或约80mrad至约120mrad、或约80mrad至约100mrad、或约100mrad至约200mrad、或约100mrad至约400mrad、或约100mrad至约600mrad、或约200mrad至约600mrad的范围内。
53.根据权利要求38至52中任一项所述的光学系统，被配置为输出波束(即，如在5％的峰值强度下由外围所限定)，所述波束在其平均强度的约20％内、约15％内或者甚至约10％内具有其横截面积的至少70％、至少80％或甚至至少90％。
54.根据权利要求38至52中任一项所述的光学系统，被配置为输出波束(即，如在5％的峰值强度下由外围所限定)，当所述模式混合光纤的所述辐射输入在其平均强度(例如，其最高强度在中心)的约20％内、约15％内或者甚至约10％内具有其横截面积的至多50％、至多40％、至多30％或者甚至至多20％时，所述波束在其平均强度的约20％内、约15％内或者甚至约10％内具有其横截面积的至少70％、至少80％或甚至至少90％。
55.一种用于提供自由空间传播光束的方法，所述方法包括：
提供根据权利要求38至54中任一项所述的光学系统；
将所述波长的辐射传播到所述模式混合光纤内；以及
从所述模式混合光纤的所述输出端传播所述自由空间传播光束。
56.根据权利要求55所述的方法，其中所述自由空间传播波束的散度在约40mrad、60mrad或80mrad直到所述光纤的数值孔径的范围内，例如，在约40mrad至约600mrad、或约40mrad至约300mrad、或约40mrad至约160mrad、或约40mrad至约140mrad、或约40mrad至约120mrad、或约40mrad至约100mrad、或约40mrad至约80mrad、约60mrad至约600mrad、或约60mrad至约300mrad、或约60mrad至约160mrad、或约60mrad至约140mrad、或约60mrad至约120mrad、或约60mrad至约100mrad、约80mrad至约600mrad、或约80mrad至约300mrad、或约80mrad至约160mrad、或约80mrad至约140mrad、或约80mrad至约120mrad、或约80mrad至约100mrad、或约100mrad至约200mrad、或约100mrad至约400mrad、或约100mrad至约600mrad、或约200mrad至约600mrad的范围内。
57.根据权利要求55或权利要求56所述的方法，其中所述自由空间传播波束(即，如在5％的峰值强度下由外围所限定)在其平均强度的约20％内、约15％内或者甚至约10％内具有其横截面积的至少70％、至少80％或甚至至少90％。
58.一种用于提供具有期望强度分布的波长的引导辐射的方法，所述方法包括：将输入辐射耦合到根据权利要求1至37中任一项所述的模式混合光纤的第一端内，并且沿所述模式混合光纤引导所述辐射以提供具有强度分布的引导辐射。
59.根据权利要求58所述的方法，其中具有所述强度分布的所述引导辐射(即，如在5％的峰值强度下由外围所限定)在其平均强度的约20％内、约15％内或者甚至约10％内具有其横截面积的至少70％、至少80％或甚至至少90％。
60.根据权利要求59所述的方法，其中所述输入辐射在其平均强度(例如，其最高强度在中心)的约20％内、约15％内或者甚至约10％内具有其横截面积的至多50％、至多40％、至多30％或者甚至至多20％。
61.根据权利要求58至60中任一项所述的方法，其中所述辐射沿所述模式混合光纤的长度引导，所述模式混合光纤的长度在例如约1m至约100m的范围内，例如，在约1m至约50m、或约1m至约40m、或约1m至约50m、或约1m至约20m、或约1m至约10m、或约1m至约5m、或约5m至约100m、或约5m至约100m的范围内，例如，在约5m至约50m、或约5m至约40m、或约5m至约50m、或约5m至约20m、或约10m至约100m、或约10m至约50m、或约10m至约40m的范围内，以提供具有所述强度分布的所述辐射。
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