CN109155499A - 光学管波导发射激光介质以及相关方法 - Google Patents

Abstract

提供了激光波导、用于形成激光波导的方法和系统。该波导包括围绕中心轴的内包层和围绕内包层并位于内包层的外部的玻璃芯。玻璃芯包括激光活性材料。该波导包括围绕玻璃芯并位于玻璃芯的外部的外包层。内包层、外包层和/或芯可以围绕中空中心通道或孔并且可以是环形形状。

Description

光学管波导发射激光介质以及相关方法

本申请根据35U.S.C.§119要求于2016年5月13日提交的美国临时申请序列第62/336,140号的优先权，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整体结合于此。

背景技术

本公开大体涉及激光器领域，特别地涉及玻璃激光波导以及用于形成玻璃器激光波导的相关方法。二氧化硅烟灰(soot)可通过诸如火焰水解法的工艺来生成。二氧化硅烟灰然后可以被烧结以形成诸如波导的玻璃制品。一些固态激光器利用包括支持激光活性材料的固体材料的波导，该激光活性材料当用诸如二极管的能量源刺激时生成相干光。

发明内容

本公开的一个实施例涉及一种激光波导发射激光介质。该激光波导发射激光介质包括围绕中心轴的内包层和围绕内包层并位于内包层外部的玻璃芯。玻璃芯包括激光活性材料。激光波导发射激光介质包括围绕玻璃芯并位于玻璃芯外部的外包层。

本公开的另一个实施例涉及一种激光波导，其包括围绕中空中心孔的内包层，该中空孔沿着波导的长度在相对的第一端和第二端之间延伸。激光波导包括围绕内包层并位于内包层外部的激光增益介质，并且激光增益介质包括掺杂有激光活性材料的玻璃材料。激光波导包括围绕激光增益介质并位于激光增益介质外部的外包层。内包层材料的折射率小于激光增益介质的折射率，外包层材料的折射率小于激光增益介质的折射率。

本公开的附加实施例涉及一种形成激光波导的方法。该方法包括将第一玻璃烟灰颗粒流从烟灰生成设备递送到目标杆，使得围绕目标杆形成第一玻璃烟灰颗粒层。该方法包括在形成第一玻璃烟灰颗粒层之后将第二玻璃烟灰颗粒流从烟灰生成设备朝向目标杆递送，并且第二玻璃烟灰颗粒流形成第二玻璃烟灰颗粒层并包括激光活性材料。该方法包括在形成第二玻璃烟灰颗粒层之后将第三玻璃烟灰颗粒流从烟灰生成设备朝向目标杆递送，使得形成第三玻璃烟灰颗粒层。该方法包括烧结第一、第二和第三玻璃烟灰颗粒层，使得第一、第二和第三经烧结的玻璃层分别地从第一、第二和第三玻璃烟灰层形成。

本公开的附加实施例涉及一种包括激光波导的激光器系统。激光波导包括围绕中心轴的内包层，包括激光活性材料、围绕内包层并位于内包层外部的玻璃芯，以及围绕玻璃芯并位于玻璃芯外部的外包层。激光器系统包括功率源和将功率源耦合到激光波导的输入耦合光学器件。激光器系统包括耦合到激光波导的光学反馈系统，以及耦合到激光波导的输出耦合器。

本公开的附加实施例涉及一种用于形成激光波导的方法。该方法包括形成玻璃波导管。该波导管包括围绕中空中心通道的内包层，该中心通道沿着波导的长度在相对的第一端和第二端之间延伸；以及围绕内包层并位于内包层的外部的激光增益介质。激光增益介质包括掺杂有激光活性材料的玻璃材料。该方法包括从玻璃波导管切割段。该段包括内包层的一部分，激光增益介质的一部分和在垂直于段的纵轴的平面中测量的周向的曲率。该方法包括将玻璃波导管的段加热到高于玻璃材料的软化温度的温度。该方法包括在高于玻璃转变温度的同时使玻璃波导的弯曲段成形，并且在成形期间减小周向上的曲率。

附加特征以及优点将在以下详细描述中予以阐明，并且部分地从所述描述中对本领域的技术人员而言将变得非常明显或者通过实践如所写描述中描述的实施例和其权利要求书以及所附附图很容易被认识。

应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者仅为示例性的，并且它们旨在提供用于理解权利要求书的本质和特性的概观或框架。

包括附图以便用于提供进一步的理解，且附图被结合到本说明书中并构成其一部分。附图展示了一个或多个实施例，并且与说明书一起用于解释各个实施例的原理和操作。

附图说明

图1示出了根据示例性实施例的激光波导。

图2示出了根据另一个示例性实施例的激光波导。

图3示出了根据示例性实施例的用于沉积烟灰层以形成激光波导的系统。

图4示出了根据示例性实施例的用于形成激光波导的过程。

图5示出了根据示例性实施例的包括激光波导的激光器系统。

图6A-图6C示出了根据示例性实施例的用于形成平面激光波导的过程。

具体实施方式

通常地参考附图，示出了激光波导以及用于形成激光波导的相关系统和方法的各种实施例。在本文讨论的各种实施例中，激光波导包括内包层，包括围绕内包层的激光活性材料(例如，钕、镱、铒等)的玻璃芯，以及围绕玻璃芯的外包层。在一些实施例中，内包层围绕延伸波导长度的中空区域(例如，中空孔、中心通道等)，并且在一些这样的实施例中，内包层和玻璃芯可具有环形横截面形状。在各种实施例中，据信本文所讨论的内包层、激光芯和外包层布置可提供多种益处，包括用于泵浦激光二极管以将光递送到波导中并增加在最低阶模式中发射的输出光的分数的改进能力。另外，中空中心通道可提供各种益处，包括提供中心区域以接收冷却流体以在激光器操作期间从激光活性玻璃芯传递热量。

此外，本公开的各种实施例涉及一种形成激光波导的方法。如本文所讨论的，玻璃烟灰生成设备被定位成将玻璃烟灰颗粒(例如，二氧化硅烟灰颗粒)递送到目标杆(例如，氧化铝目标杆)上。包括用于每层的适当的材料或掺杂剂的不同的烟灰层被依次沉积以用于形成内包层、激光芯和外包层。每个烟灰层被烧结，形成经烧结的内包层、经烧结的玻璃芯和经烧结的外包层。烧结之后，经烧结的多层制品被加热和伸展(例如，经由再拉制工艺)以形成细长的环形波导，其具有内包层、在内包层外部的激光活性芯和围绕激光活性芯的外包层，所有这些都围绕去除目标杆所产生的中空中心区域。

在特定实施例中，在烟灰沉积期间，目标杆围绕其中心轴旋转，并且提供烟灰生成设备和目标杆之间的相对平移运动。此外，在特定实施例中，与目标杆的直径和/或正形成的烟灰层的直径相比，烟灰流的尺寸相对较小。据信，沉积系统/工艺的至少这些特征导致沿着目标杆的长度的沉积层中的每层中的高水平的尺度一致性(例如，高度地一致的厚度)，这进而导致伸展后的最终激光波导中的高水平的尺度控制/容差。特别地，据信与其他波导形成工艺(诸如涉及平面气相沉积目标的那些工艺)相比，利用本文所讨论的沉积可以实现较高水平的尺度一致性。

参考图1，根据示例性实施例示出了激光波导，诸如激光光学管体10。激光光学管体10包括内包层12、外包层14和位于内包层12和外包层14之间的芯16。通常，包层12和包层14以及芯16各自由玻璃材料形成，且每层包括为该层提供本文所讨论的性质的材料或掺杂剂。在特定实施例中，包层12和包层14以及芯16由无定形二氧化硅玻璃材料(例如，经烧结的二氧化硅玻璃材料)形成，该无定形二氧化硅玻璃材料包括掺杂剂以便为每层提供本文所述的性质。在各种实施例中，包层12和包层14和/或芯16可以是至少50重量％的SiO₂，至少60重量％的SiO₂，至少70重量％的SiO₂，至少80重量％的SiO₂，至少90重量％的SiO₂，至少99重量％的SiO₂，至少99.9重量％的SiO₂，或至少99.99重量％的SiO₂。

通常，激光光学管体10是光波导，其通过全内反射(TIR)在芯16内沿着激光光学管体10的长度传输光。如将理解的，通过其中芯16内的材料的折射率大于内包层12的材料的折射率并且大于外包层14的材料的折射率的布置来实现全内反射。在这种布置中，光在芯16内由包层12和包层14引导，包层12和包层14通过芯和包层之间的折射率差导致的全内反射将光捕获在芯16中。

在特定实施例中，内包层12和外包层14由二氧化硅玻璃材料形成，该二氧化硅玻璃材料包括一种或多种掺杂剂材料(例如，氟掺杂剂、硼掺杂剂、氟/硼掺杂剂的组合等)，该一种或多种掺杂剂材料降低相对于芯16的折射率的基于二氧化硅的包层的折射率。在其他实施例中，芯16由二氧化硅玻璃材料形成，该二氧化硅玻璃材料包括一种或多种掺杂剂材料，其增加相对于包层12和包层14的折射率的芯16的折射率，在一些这样的实施例中，包层12和包层14可以是掺杂的(例如，向下掺杂)，并且在其他实施例中，包层12和包层14是未掺杂的。如将理解的，修改位于芯和/或包层中的一个或多个包层中的(多个)掺杂剂的浓度，以使芯折射率高于包层折射率中的一个或两者。

激光光学管体10的芯16用作激光增益介质并包括一种或多种激光活性材料。在特定实施例中，芯16由掺杂有一种或多种激光活性材料的二氧化硅玻璃材料(例如，高纯度经烧结的二氧化硅玻璃材料)形成。如将理解的，激光光学管体10接收来自光源(例如，泵浦激光二极管)的光，并且由来自光源的光刺激芯16的激光活性材料以发射相干光从而允许光学管体10充当激光器。芯16的激光活性材料可以是任何已知的激光活性材料，包括稀土元素和过渡元素。在特定实施例中，芯16的激光活性材料可包括元素钕、镱、铒、铥、镨、钬、铈、钇、钆和钛中的至少一种，且特别地，芯16是掺杂有一种或多种稀土离子和/或过渡金属离子的二氧化硅玻璃材料。

如图1中所示，激光光学管体10包括围绕纵向中心轴20的中空区域、孔或通道(诸如中心通道18)。在这种布置中，内包层12围绕纵向中心轴20并且是激光光学管体10的最内层，使得内包层12包括面向中心轴20并限定中心通道18的内表面22。与包括各种层的多孔材料的一些光纤设计相反，通道18是相对大的开放区域(例如，关于激光光学管体10的横截面尺寸)，其在激光光学管体10的第一端24和第二端26之间延伸。在这样的实施例中，端24和端26之间的相连通道18允许通过通道18的冷却流体的连续流动。如图1所示，中心通道18是基本上圆形的圆柱形孔(例如，沿着激光光学管体10在不同的纵向和径向位置处半径变化小于1％)，但是在其他实施例中，中心通道18可以具有各种各样的横截面形状，包括椭圆形、正方形、矩形、其他多边形、三角形、星形等。

如图1所示，芯16围绕内包层12并位于内包层12的外部，且外包层14围绕芯16并位于芯16的外侧。在图1中所示的特定布置中，内包层12是外接中心通道18的环形层，芯16是外接内包层12的环形层，外包层14是外接芯16的环形层。如下面将更详细地讨论的，在特定实施例中，包层12和包层14以及芯16由顺序地沉积的玻璃烟灰层(例如，二氧化硅烟灰)形成，其在沉积后经烧结作为单独的层或作为块状烟灰管以在完成的激光光学管体10中形成玻璃层。因此，该过程形成波导，其中包层12的内表面22面向中心通道18，芯16的内部分接触并过渡到内包层12的外部分，并且外包层14的内部分接触并过渡到芯16的外部分。

在各种实施例中，激光光学管体10的各种层相对于彼此以被认为提供各种功能的方式(包括低TIR损耗、改进的尺度一致性、与激光二极管的改进的光耦合等)来确定尺寸。如图1中所示，内包层12具有示为T1的在径向上的平均厚度，外包层14具有示为T2的在径向上的平均厚度，并且芯16具有示为T3的在径向上的平均厚度。在各种实施例中，T1大于T3，并且T2大于T3。在各种实施例中，T2至少是T1的两倍，并且在这样的实施例中，内包层12的低厚度便于将热量传递到位于中心通道18中的冷却流体。在特定实施例中，T1是在1μm和1mm之间，并且特别地在1μm和10μm之间，且T3是在10μm和200μm之间，且特别地小于100μm。在特定实施例中，T2是在1mm和100mm之间，且特别地在1mm和10mm之间。

在各种实施例中，中心通道18被配置为承载或运输冷却流体(例如，水)，该冷却流体在操作期间从激光光学管体10移除热量，并因此在各种实施例中，中心通道18相对于激光光学管体10被确定尺寸以在激光器的操作期间提供离开激光光学管体10的足够水平的热传递。如将理解的，在操作期间将激光光学管体10维持在较低温度避免或限制了否则可能经历的热引起的低效率。如图1中所示，中心通道18具有示为R1的平均半径，且外包层12具有限定最外的平均半径R2的外表面28。在各种实施例中，激光光学管体10是相对较大的(例如，与具有小于100微米或200微米的直径的标准光纤相比)，并且在一些这样的实施例中，R2可以是几十或几百毫米。在特定实施例中，R2大于5mm且小于200mm，并且在一些这样的大直径实施例中，T3可小于100μm，其中由包层12和/或包层14的厚度提供大半径。在该布置中，内表面22和外表面28两者都是基本上圆柱形的表面。在各种实施例中，R1是R2的相对大的比例以促进/改进热传递。在特定实施例中，R1是R2的至少10％，特别地R2的至少20％，更特别地R 2的至少30％。

在各种实施例中，激光光学管体10的不同层的材料(例如，二氧化硅材料)已经通过一个或多个清洁过程被处理，该清洁过程去除可能导致波导内的较低量子效率的各种污染物(例如，金属、水等)。在这样的实施例中，氯的痕量在激光光学管体10的一层或多层内可以是可识别的，表明已经发生了附加的处理以改进激光光学管体10用于激光应用的功能。在各种实施例中，激光光学管体10的层(例如，包层12和包层14，和/或芯16)中的一层或多层的材料包括0.1ppm和100ppm之间的氯。

在各种实施例中，形成芯16以便以各种方式改进激光器操作。如图1中所示，芯16具有内半径R3和外半径R4。在各种实施例中，R4与R3的比率是相对较小的。在特定实施例中，R4/R3在1.001和1.5之间。芯16的外半径与内半径的最大纵横比是有益的，因为这增加了在最低阶光学模式中发射的输出光的分数。这使得在利用激光光学管体10的激光器设备/系统中的光束的光学成形、光束引导和输出光束的聚焦更简单和更有效，并且还使输出激光束的发散角保持最小。

在特定实施例中，包层12和包层14以及光学芯16由二氧化硅材料形成，诸如热或激光烧结的二氧化硅玻璃材料。在特定实施例中，激光光学管体10的二氧化硅玻璃材料是无定形非结晶形式的二氧化硅。在如本文所讨论的特定实施例中，无定形二氧化硅小于1％的结晶，特别地小于0.5％的结晶，更具体地小于0.1％的结晶。在其他实施例中，激光光学管体10的一层或多层可以由任何合适的波导材料形成，诸如其他玻璃材料、各种陶瓷材料、晶体材料等。在特定实施例中，激光光学管体10的一层或多层或一个部分或多个部分可以包括其他材料(诸如氟锆酸盐、氟铝酸盐和硫化物玻璃)以及结晶材料(诸如蓝宝石)。

参考图2，根据另一个示例性实施例示出了激光波导，诸如激光光纤40。除了如本文所讨论的之外，激光光纤40与激光光学管体10基本相同。特别地，激光光纤40包括具有外表面44的外包层42，该外表面44是非圆对称的非矩形外表面。通常，激光光纤40的非圆形横截面形状被认为增加了泵浦二极管光的量，该泵浦二极管光被迫使离开外包层42以穿过芯16并因此增加泵浦光与芯16的激光增益介质的相互作用。

在所示的实施例中，外表面44具有基本上平面的部分46和弯曲部分48，弯曲部分48在横截面中形成基本上部分圆形或半圆形的形状。在这种布置中，弯曲部分48在平面部分46的相对端之间延伸，使得外包层42围绕内包层12、芯16和中心通道18。在其他实施例中，外包层42可以具有其他非圆形形状的外表面，包括多边形表面和星形表面。

参考图3，示出并描述了用于形成激光光学管体10的系统和方法。如图3中所示，系统50包括沉积设备或目标杆，示为沉积杆52。系统50包括烟灰生成设备，示为烟灰燃烧器54(例如，火焰水解燃烧器)，其将一个或多个玻璃烟灰颗粒56流引导到沉积杆52上。通常，烟灰燃烧器54可以是一个或多个烟灰生成设备，其配置成递送具有不同材料或掺杂剂的烟灰颗粒56，以提供内包层12、外包层14和芯16的各种功能，如上所讨论的。

在各种实施例中，沉积杆52可以由合适的材料(包括各种陶瓷材料)、氧化铝等形成。此外，沉积杆52的外表面限定中心通道18的形状，并因此，沉积杆52可以具有非圆柱形外表面以形成非圆柱形形状的中心通道18。

通常，为了形成激光光学管体10，具有玻璃烟灰层的多层烟灰结构58在烧结后将变成如上所讨论的内包层12、外包层14和芯16。特别地，如图3所示，操作烟灰燃烧器54以将第一玻璃烟灰颗粒流递送到沉积杆52，形成围绕沉积杆52的第一玻璃烟灰颗粒层60，并且在烧结之后，该第一玻璃烟灰颗粒层60变成内包层12。接着，在形成第一玻璃烟灰颗粒层60之后，操作烟灰燃烧器54以朝向沉积杆52递送第二玻璃烟灰颗粒流，形成围绕第一层60的第二烟灰层62。第二玻璃烟灰颗粒流包括激光活性材料，使得在烧结之后，该第二玻璃烟灰颗粒层62变成芯16。在形成第二玻璃烟灰颗粒层62之后，操作烟灰燃烧器54以朝向沉积杆52递送第三玻璃烟灰颗粒流，形成围绕第二层62的第三烟灰层64。在烧结之后，该第三玻璃烟灰颗粒层变成外包层14。如下所讨论，在其他实施例中，所有3层(内包层、芯、外包层)被沉积、化学清洁并烧结在一起，并且然后可以被再拉制成更小的直径和更长的长度。

在各种实施例中，系统50被配置成形成高度均匀的、尺度一致的烟灰层60、62和64。在各种实施例中，在递送烟灰流56期间，沉积杆52围绕其中心纵向轴旋转，如通过箭头66所表示。在其他实施例中，代替沉积杆52的旋转或者除了沉积杆52的旋转之外，烟灰燃烧器54可以围绕沉积杆52旋转。系统50被配置成在递送烟灰流56期间引起烟灰生成设备54和沉积杆52之间的相对平移移动，如通过箭头68所表示。在各种实施例中，沉积杆52和/或烟灰生成设备54配置成用于相对于另一个的平移移动，使得提供相对的平移移动68。因此，通过旋转和平移，建立每个烟灰层，并且在随后的通道期间使得特定通道的烟灰沉积中的任何点缺陷或不均匀性平滑。

此外，烟灰生成设备54被配置为(例如，通过燃烧器歧管中的输出孔的尺寸、形状和定位)生成相对小尺寸的烟灰流，申请人已经发现该烟灰流改进了尺度一致的烟灰层沉积。如图3中所示，烟灰流56具有最大宽度W1，并且沉积杆52具有最大宽度W2。通常，W1小于W2，更具体地小于W2的20％。通过形成具有显著小于沉积杆52的宽度的宽度的烟灰流56，申请人已经发现可以沉积更均匀(例如，一致的厚度)的烟灰层。如图3的实施例中所示，沉积杆52的横截面形状是圆形，使得W2是直径，并且在特定实施例中，W2是在1英寸至3英寸之间。另外，沉积杆52可以是约1米长。

在各种实施例中，本文所公开的激光波导由利用一个或多个玻璃烟灰生成设备(例如，火焰水解燃烧器)的系统形成，所述玻璃烟灰生成设备被引导或旨在将玻璃烟灰颗粒流递送到目标杆上。如上所述，本文所讨论的各种烟灰层可包括一种或多种掺杂剂。在火焰水解燃烧器的示例中，掺杂可以在通过将掺杂剂前体引入火焰的火焰水解过程期间在原位发生。在进一步的示例中，诸如在等离子体加热的烟灰喷雾器的情况下，从喷雾器喷射的烟灰颗粒可以被预先掺杂，或者可替代地，喷射的烟灰颗粒可以经受含掺杂剂的等离子体气氛，使得烟灰颗粒掺杂在等离子体中。在又进一步的示例中，可以在烧结烟灰层之前或在烧结烟灰层期间将掺杂剂掺入烟灰层中。示例性掺杂剂包括来自IA、IB、IIA、IIB、IIIA、IIIB、IVA、IVB、VA、VB族和元素周期表的稀土系列的元素。在各种实施例中，二氧化硅烟灰颗粒可掺杂有各种材料，包括氧化锗、二氧化钛、氧化铝、磷、稀土元素、金属和氟。添加到芯16的激光活性掺杂剂可以是任何已知的激光活性材料，包括稀土元素，稀土元素包括钕、镱、铒、铥、镨、钬、铈、钇、钆和钛。

参考图4，根据示例性实施例示出了从多层烟灰结构58形成激光光学管体10的过程。为了从多层烟灰结构58形成激光光学管体10，将层60、62和64的玻璃烟灰烧结(例如，完全或部分地致密化)成为用于玻璃烟灰材料形成的玻璃层，如步骤70所示。在一些实施例中，烟灰层60、62和64全部顺序地沉积，然后烟灰层60、62和64中的所有层烧结在一起。在其他实施例中，烧结可以在沉积每个烟灰层之后立即发生。例如，在这样的实施例中，可以在沉积烟灰层62之前烧结烟灰层60，并且可以在沉积烟灰层64之前烧结烟灰层62。在各种实施例中，在烧结之前，从烟灰层60、62和64移除沉积杆52。烟灰层60、62和64可以利用任何合适的烧结过程或系统来烧结。在一个实施例中，烟灰层60、62和64在烧结炉内被烧结。在另一个实施例中，烟灰层60、62和64通过烧结激光导致的加热来烧结。

在一些实施例中，如步骤72所示，使用一种或多种过程清洁烟灰层60、62和64，该一种或多种过程移除可能在从多层烟灰结构58形成的激光光学管体10内导致较低量子效率的各种污染物。在一个实施例中，烟灰层60、62和64暴露于含氯气体和干燥气体，该含氯气体和干燥气体移除各种污染物，诸如水和金属。在一些实施例中，烟灰层60、62和64在烧结之前暴露于含氯气体，并且在其他实施例中，烟灰层60、62和64在烧结(例如，在烧结炉内)期间暴露于含氯气体。在特定实施例中，烟灰层60、62和64的烧结和清洁可以在用于形成标准通信光纤的类型的烧结炉中进行，同时使用相同或类似的干燥和清洁气流。含氯气体包括Cl₂、SiCl₄和CCl₄。

在一些实施例中，烟灰层60、62和64的烧结导致比用于激光光学管体10所期望的更厚和更短的经烧结的玻璃层。在这样的实施例中，在步骤74，经烧结的玻璃层被加热到经烧结的玻璃的熔化温度之上。在步骤76，加热的经烧结的玻璃层被拉长(例如，通过拉动、再拉制等)，并且然后被快速地淬火，使得形成具有期望的外直径的激光光学管体10。在各种实施例中，拉长也增加了长度，使得激光光学管体10的最终长度根据特定应用的需要确定尺寸。在各种实施例中，激光光学管体10的长度小于1米且大于1毫米，并且在其他实施例中，激光光学管体10小于3米且大于1米。在一些实施例中，为了在拉长期间维持开放中心通道的期望尺寸和形状，可以使用中心线压力控制来维持在拉长过程期间形成的中心通道18的期望的内直径。在一些实施例中，据信拉长过程形成激光光学管体10，其由于在拉长步骤期间经历的伸展而具有低衰减。

在一些实施例中，由于高水平的掺杂剂，芯材料在烧结期间可以初始地结晶，但是，通过利用快速淬火的再拉制过程，避免了芯16的再结晶使得芯16是基本上无定形的玻璃层。在特定实施例中，拉长可导致激光光学管体10比特定激光设备所需的更长。在这样的实施例中，可以从在再拉制过程期间形成的较长波导切割出多个较短的激光光学管体10。

图5示出了根据示例性实施例的激光器系统100，其包括激光波导发射激光介质，示为激光波导102。应当理解，激光波导102可以是任何激光波导发射激光介质或任何激光波导，诸如如本文所讨论的激光光学管体10，并且可以通过本文所讨论的过程中的任何过程来形成。激光器系统100包括示为泵浦二极管104的功率源，以及将泵浦二极管104耦合到激光波导102的输入耦合光学器件106。通常，输入耦合光学器件106被配置为将来自泵浦二极管104的光递送到激光波导102中。

激光器系统100包括耦合到激光波导102的光学反馈系统。通常，激光器系统100的光学反馈系统包括一个或多个部件，该一个或多个部件被配置成在激光波导102内反射来自泵浦二极管104的光。在图5中所示的特定实施例中，激光器系统100的光学反馈系统包括位于激光波导102的第一端110处的反射器108和位于激光波导102的第二端114处的输出耦合器112。反射器108是高反射部件并且将撞击它的光的大部分或全部光引导返回在激光波导102内。输出耦合器112是部分反射部件，使得撞击它的光的部分被反射回到激光波导102中并且准许一部分光离开输出耦合器112。如将理解的，通过在反射器108和输出耦合器112之间的激光波导102内反射光，激光波导102的激光活性材料与光之间的相互作用增加，从而促进激光器系统100内的光的放大。

参见图5，激光器系统100包括输出光束光学器件116。输出耦合器112耦合到输出光束光学器件116，使得准许离开输出耦合器112的激光的部分被引导到输出光束光学器件116。通常，输出光束光学器件116包括各种部件以用于修改来自输出耦合器112的输出光，以根据激光器系统100的期望应用的需要生成激光束118。在各种实施例中，输出光束光学器件116可包括配置成根据特定应用的需要生成激光束118的一个或多个透镜、镜子、准直设备等。

在特定实施例中，激光器系统100包括冷却系统120。冷却系统120被配置成将冷却流体递送到激光波导102的中空区域，诸如中心通道18。在激光器系统100的操作期间，热在激光波导102内被生成，且冷却流体用于通过内表面冷却激光波导102。在特定实施例中，低厚度的内包层12便于向中空中心区域内的冷却流体的高水平的热传递。

参见图6A-图6C，示出了根据示例性实施例的用于形成平面激光波导的过程。如图6A中所示，如上文关于图3和图4所讨论的形成激光光学管体10(为了便于说明，外包层14未在图6A-图6C中示出)。然后，一个或多个切口80从中心通道18到外表面28径向地并且沿着激光光学管体10纵向地形成。切口80的数量和定位决定最终平面波导的宽度。如图6A所示，在切割之后，每个波导段82包括内包层12和芯16的部分，并且还包括与在切割之前激光光学管体10的周向形状对应的在周向上的曲率。

如图6B所示，在切割之后，波导段82由适当的衬底84(例如，耐火材料板)支撑。当由衬底84支撑时，波导段82被加热(例如，在炉内)到高温(例如，在波导段82的材料的玻璃转变温度之上，在波导段82的材料的软化温度之上，到1500度-2000度之间等)。当在此高温下时，波导段82被成形(例如，通过在重力作用下下垂)使得减小周向曲率，并且在特定实施例中，波导段82被成形(例如，通过在重力作用下下垂或通过在相对的板之间的按压)使得周向曲率被消除，使得形成基本上平面的波导86，如图6C所示。

在各种实施例中，加热波导段82达到0.15小时至1小时之间，并且更具体地达到0.25小时至0.5小时之间，以实现所期望的平坦化。在平坦化之后，切割并抛光平面波导86以获得所期望的最终波导尺度。如图6C中所示(并且与激光光学管体10相反)，波导86具有基本上平面的下表面88和基本上平面的上表面90。如本文所使用，基本上平面的表面是曲率半径大于1m(更特别地大于10m)的表面。

除非另外明确地指出，此处所阐述的任何方法决不会被解释为要求其步骤以特定的顺序执行。相应地，在方法权利要求实际上不叙述其步骤遵循的顺序或者在权利要求书或描述中没有另外具体地说明步骤被限制为特定顺序的情况下，绝不旨在推断任何特定顺序。此外，如本文中所使用的，冠词“一个(a)”旨在包括一个或多于一个部件或元件，并且不旨在解释为意指只有一个。

对于本领域技术人员而言将明显的是，在不背离所公开的实施例的精神或范围的情况下可作出各种修改和变化。由于本领域技术人员可能发生结合实施例的精神和实质对所公开实施例加以修改、加以组合、产生子组合和变体，所以所公开的实施例应当解释为包括在所附权利要求及其等同物的范围之内的每一事项。

Claims (40)

1.一种激光波导发射激光介质，包括：

内包层，围绕中心轴；

玻璃芯，围绕所述内包层并位于所述内包层的外部，所述玻璃芯包括激光活性材料；和

外包层，围绕所述玻璃芯并位于所述玻璃芯的外部。

2.如权利要求1所述的激光波导发射激光介质，其中所述内包层围绕中空区域，所述中空区域沿着所述激光波导发射激光介质的整个长度在相对的第一端和第二端之间延伸。

3.如权利要求2所述的激光波导发射激光介质，其中所述中空区域是中空中心通道，其中所述内包层是外接所述中空中心通道的环形包层，其中所述玻璃芯是外接所述内包层的环形芯。

4.如权利要求3所述的激光波导发射激光介质，其中所述内包层的径向上的平均厚度大于所述玻璃芯的径向上的平均厚度，其中所述外包层的径向上的平均厚度大于所述内包层的径向上的平均厚度。

5.如权利要求4所述的激光波导发射激光介质，其中所述外包层的径向上的平均厚度至少是所述内包层的径向上的平均厚度的两倍，其中所述中空中心通道的半径是所述外包层的最外半径的至少10％。

6.如权利要求5所述的激光波导发射激光介质，其中所述内包层的内表面限定所述中空中心通道，其中所述玻璃芯的内部分接触并过渡到所述内包层的外部分，其中所述外包层的内部分接触并过渡到所述玻璃芯的外部分。

7.如权利要求1-6中任一项所述的激光波导发射激光介质，其中所述内包层、所述玻璃芯和所述外包层中的至少一个包括一种或多种掺杂材料，使得所述玻璃芯的折射率大于所述内包层的折射率并且大于所述外包层的折射率。

8.如权利要求1-7中任一项所述的激光波导发射激光介质，其中所述内包层、所述玻璃芯和所述外包层由二氧化硅材料形成。

9.如权利要求8所述的激光波导发射激光介质，其中所述内包层、所述玻璃芯和所述外包层的二氧化硅材料是经烧结的含无定形二氧化硅材料。

10.如权利要求9所述的激光波导发射激光介质，其中所述激光活性材料是位于所述玻璃芯的所述二氧化硅材料内的激光活性稀土材料掺杂剂。

11.一种激光波导，包括：

内包层，围绕中空中心孔，所述中心孔沿着所述波导的长度在相对的第一端和第二端之间延伸；

激光增益介质，围绕所述内包层并位于所述内包层的外部，所述激光增益介质包括掺杂有激光活性材料的玻璃材料；以及

外包层，围绕所述激光增益介质并位于所述激光增益介质的外部；

其中，所述内包层材料的折射率小于所述激光增益介质的折射率，且所述外包层材料的折射率小于所述激光增益介质的折射率。

12.如权利要求11所述的激光波导，其中所述内包层是外接所述中空中心孔的环形层，其中所述激光增益介质是外接所述内包层的环形层。

13.如权利要求11或12所述的激光波导，其中所述激光增益介质的玻璃材料是经烧结的二氧化硅玻璃材料。

14.如权利要求11-13中任一项所述的激光波导，其中所述激光增益介质的玻璃材料包括0.1ppm和100ppm之间的氯。

15.如权利要求1-14中任一项所述的激光波导，其中所述激光活性材料包括稀土元素和过渡元素中的至少一种。

16.一种形成激光波导的方法，包括：

将第一玻璃烟灰颗粒流从烟灰生成设备递送到目标杆，使得围绕所述目标杆形成第一玻璃烟灰颗粒层；

在形成所述第一玻璃烟灰颗粒层之后将第二玻璃烟灰颗粒流从所述烟灰生成设备朝向所述目标杆递送，其中所述第二玻璃烟灰颗粒流形成第二玻璃烟灰颗粒层并包括激光活性材料；

在形成所述第二玻璃烟灰颗粒层之后将第三玻璃烟灰颗粒流从所述烟灰生成设备朝向所述目标杆递送，使得形成第三玻璃烟灰颗粒层；以及

烧结所述第一、第二和第三玻璃烟灰颗粒层，使得第一、第二和第三经烧结的玻璃层分别地由所述第一、第二和第三玻璃烟灰层形成。

17.如权利要求16所述的方法，其中烧结包括在形成所述第二玻璃烟灰颗粒层之前烧结所述第一玻璃烟灰颗粒层。

18.如权利要求16或17所述的方法，其中烧结包括在形成所述第三玻璃烟灰颗粒层之前烧结所述第二玻璃烟灰颗粒层。

19.如权利要求16所述的方法，其中围绕所述第一玻璃烟灰颗粒层形成所述第二玻璃烟灰颗粒层，并且围绕所述第二玻璃烟灰颗粒层形成所述第三玻璃烟灰颗粒层，其中在形成所述第一、第二和第三玻璃烟灰颗粒层之后，所述第一、第二和第三玻璃烟灰颗粒层被烧结在一起。

20.如权利要求16-19中任一项所述的方法，进一步包括：

在递送所述第一、第二和第三玻璃烟灰颗粒流期间，使所述目标杆围绕所述目标杆的中心纵轴旋转；以及

在递送所述第一、第二和第三玻璃烟灰颗粒流期间，引起所述目标杆和所述烟灰生成设备之间的相对平移。

21.如权利要求16-20中任一项所述的方法，进一步包括：

加热经烧结的第一、第二和第三经烧结的玻璃层；以及

在加热后拉长所述经烧结的第一、第二和第三玻璃层以形成细长玻璃波导，所述细长玻璃波导具有由所述第一经烧结的玻璃层形成的内包层、由所述第二经烧结的玻璃层形成的玻璃激光增益介质，以及由所述第三经烧结的玻璃层形成的外包层。

22.如权利要求16-21中任一项所述的方法，还包括通过将所述第一、第二和第三玻璃烟灰层暴露于含氯气体来清洁所述第一、第二和第三玻璃烟灰层。

23.如权利要求22所述的方法，其中清洁包括在烧结期间将所述第一、第二和第三玻璃烟灰层暴露于含氯气体。

24.如权利要求16-23中任一项所述的方法，其中所述第一、第二和第三玻璃烟灰颗粒流中的至少一个具有最大宽度，所述最大宽度小于所述目标杆的最大宽度。

25.如权利要求16-24中任一项所述的方法，其中所述第一、第二和第三玻璃烟灰颗粒流中的至少一个包括掺杂剂，使得所述经烧结的第二玻璃层的折射率大于所述第一经烧结的玻璃层的折射率并且大于所述第三经烧结的玻璃层的折射率。

26.如权利要求25所述的方法，其中所述第一、第二和第三玻璃烟灰颗粒层包括二氧化硅烟灰颗粒，并且其中所述第二玻璃烟灰颗粒层包括钕、镱、铒、铥、镨、钬、铈、钇、钆和钛中的至少一种。

27.一种激光器系统，包括：

激光波导，包括：

内包层，围绕中心轴；

玻璃芯，围绕所述内包层并位于所述内包层的外部，所述玻璃芯包括激光活性材料；和

外包层，围绕所述玻璃芯并位于所述玻璃芯的外部；

功率源；

输入耦合光学器件，将所述功率源耦合到所述激光波导；

光学反馈系统，被耦合到所述激光波导；以及

输出耦合器，被耦合到所述激光波导。

28.如权利要求27所述的激光器系统，其中所述内包层围绕中空区域，所述中空区域沿着所述激光波导的整个长度在相对的第一端和第二端之间延伸。

29.如权利要求28所述的激光器系统，其中所述中空区域是中空中心通道，其中所述内包层是外接所述中空中心通道的环形包层，其中所述玻璃芯是外接所述内包层的环形芯。

30.如权利要求29所述的激光器系统，还包括冷却系统，所述冷却系统与所述中空中心通道流体连通并且被配置成使冷却流体移动通过所述中空中心通道以在激光器操作期间从所述激光波导移除热。

31.如权利要求27-30中任一项所述的激光器系统，还包括输出光束光学器件，所述输出光束光学器件被配置为从从所述激光波导接收到的光形成输出激光束，其中所述功率源包括泵浦二极管，并且所述光学反馈系统包括位于所述激光波导的相对端的一对反射结构。

32.如权利要求29所述的激光器系统，其中所述内包层的内表面限定所述中空中心通道，其中所述玻璃芯的内部分接触并过渡到所述内包层的外部分，其中所述外包层的内部分接触并过渡到所述玻璃芯的外部分。

33.如权利要求27-32中任一项所述的激光器系统，其中所述内包层、所述玻璃芯和所述外包层中的至少一个包括一种或多种掺杂材料，使得所述玻璃芯的折射率大于所述内包层的折射率并且大于所述外包层的折射率。

34.如权利要求27-33中任一项所述的激光器系统，其中所述内包层、所述玻璃芯和所述外包层由二氧化硅材料形成，其中所述内包层、所述玻璃芯和所述外包层的所述二氧化硅材料是经烧结的含无定形二氧化硅材料，其中所述激光活性材料是位于所述玻璃芯的所述二氧化硅材料内的激光活性稀土材料掺杂剂。

35.一种激光器系统，包括：

如权利要求1-10中任一项所述的激光波导发射激光介质；

功率源；

输入耦合光学器件，将所述功率源耦合到所述激光波导发射激光介质；

光学反馈系统，被耦合到所述激光波导发射激光介质；以及

输出耦合器，被耦合到所述激光波导发射激光介质。

36.一种激光器系统，包括：

如权利要求11-15中任一项所述的激光波导；

功率源；

输入耦合光学器件，将所述功率源耦合到所述激光波导；

光学反馈系统，被耦合到所述激光波导；以及

输出耦合器，被耦合到所述激光波导。

37.一种用于形成激光波导的方法，包括：

形成玻璃波导管，所述波导管包括：

内包层，围绕中空中心通道，所述中空中心通道沿着所述波导的长度在相对的第一端和第二端之间延伸；

激光增益介质，围绕所述内包层并位于所述内包层的外部，所述激光增益介质包括掺杂有激光活性材料的玻璃材料；

从所述玻璃波导管切割段，其中所述段包括所述内包层的部分、所述激光增益介质的部分，以及在垂直于所述段的纵轴的平面中测量的周向上的曲率。

将所述玻璃波导管的段加热到所述玻璃材料的软化温度之上的温度；以及

当在所述玻璃转变温度之上的同时使所述玻璃波导的弯曲的段成形，其中在成形期间减小在所述周向上的所述曲率。

38.如权利要求37所述的方法，其中成形包括形成具有基本上平面的上表面和下表面的平坦的玻璃波导。

39.如权利要求37所述的方法，其中成形包括允许所述玻璃波导的所述段在被加热到所述玻璃转变温度之上时通过重力平坦化。

40.如权利要求39所述的方法，其中成形还包括切割和抛光经重力平坦化的段。