CN109642981B - 模式混合光纤以及使用其的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本公开主要涉及模式混合光纤，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。在一个方面中，本公开提供一种模式混合光纤，所述模式混合光纤包含具有折射率分布的芯和围绕所述芯设置的包层。所述模式混合光纤的所述芯支持在波长的至少两个(例如，至少五个)引导模式。所述模式混合光纤被配置为大体上在多个引导模式间分配在其中传播(例如，在其输入端输入或在芯内生成或放大)的具有所述波长的光辐射(例如，将在其中传播的具有所述波长的光辐射的大部分从其较低阶引导模式分配到其较高阶引导模式)。

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2016年2月5日提交的第62/291,953号美国临时专利申请以及2016年2月15日提交的第62/295437号美国临时专利申请的优先权的权益，它们中的每一个的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及放大器。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器及放大器输出，以及用于构造激光器系统及放大器系统。

背景技术

高功率激光器及光学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，其它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为在最大强度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，1.4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”分布不同于其中最大强度仅在中心处的高斯分布。“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，以用于所述输出传输到工件上。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)和圆形波束形状中的一个或多个。

发明内容

在一个方面中，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：

用于具有波长的光辐射的芯(例如，最内芯或泵浦芯)，所述内芯具有折射率分布；以及

包层，所述包层围绕所述内芯设置；

其中所述模式混合光纤的芯支持在所述波长的至少两个(例如，至少五个)引导模式，并且

其中所述模式混合光纤被配置为大体上在多个引导模式间分配在其中传播(例如，在其输入端输入或在芯内生成或放大)的具有所述波长的光辐射(例如，将在其中传播(例如，在其输入端输入或在芯内生成或放大)的具有所述波长的光辐射的大部分从其较低阶引导模式分配到其较高阶引导模式)。

在另一个方面中，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，所述第一光纤配置为传播具有所述波长的光辐射。

在另一个方面中，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。

在另一方面中，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：

提供如之前两个段落中所述的光学系统；

将所述波长的辐射传播到所述模式混合光纤内；以及

从所述模混合光纤的所述输出端传播所述自由空间传播光束。

在另一方面中，本公开提供了一种用于提供引导光辐射的方法，所述方法包括：

提供如本文所描述的模式混合光纤；

在所述模式混合光纤中将所述波长的辐射传播足够将在其中传播(例如，在其输入端输入或在芯内生成或放大)的具有所述波长的光辐射的一部分从其较低阶模式分配到其较高阶模式的距离。

在另一方面中，本公开提供了一种用于提供具有波长的引导光辐射的方法，所述方法包括：

提供如本文所描述的模式混合光纤，其中所述模式混合光纤是用于具有所述波长的辐射的有源模式混合光纤；

在所述有源模式混合光纤中生成或放大所述波长的光辐射；以及

在所述有源模式混合光纤中将所述波长的辐射传播足够大体上在所述有源模式混合光纤的多个引导模式间分配具有所述波长的光辐射(例如，将具有所述波长的光辐射的大部分从其较低阶模式分配到其较高阶模式)的距离。

在另一方面中，本公开提供了一种用于向有源光纤提供具有泵浦波长的泵浦辐射方法，所述方法包括：

提供如本文所描述的模式混合光纤，其中所述模式混合光纤是模式混合泵浦光纤；

在所述模式混合泵浦光纤中将所述泵浦波长的辐射传播足够大体上在所述模式混合泵浦光纤的多个引导模式间分配在其中传播的具有所述波长的光辐射(例如，将在其中传播(例如，在其输入端输入)的具有所述泵浦波长的光辐射的大部分从其较低阶模式分配到其较高阶模式)的距离。

在另一方面中，本公开提供了一种用于向具有有源波长的多模式有源光纤提供具有有源波长的种子辐射方法，所述方法包括：

提供如本文所描述的模式混合光纤；

在所述模式混合光纤中将所述有源波长的种子辐射传播足够大体上在所述模式混合泵浦光纤的多个引导模式间分配在其中传播的具有所述波长的光辐射(例如，将在其中传播(例如，在其输入端输入)的具有所述泵浦波长的光辐射的大部分从其较低阶模式分配到其较高阶模式)的距离。

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它方面、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它应用中使用。

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横截面视图。

图10是根据本公开的另一个实施例的模式混合光纤的示意性横截面视图。

图11是根据本公开的另一个实施例的模式混合光纤的示意性横截面视图。

图12是根据本公开的一个实施例的模式混合光纤的示意性侧视图和一组示意性横截面视图。

图13是根据本公开的一个实施例的光学系统的示意图。

图14是根据本公开的另一个实施例的光学系统的示意图。

图15是根据本公开的另一个实施例的光学系统的示意图。

图16是根据本公开的另一个实施例的光学系统的示意图。

图17是根据本公开的另一个实施例的光学系统的示意图。

图18是根据本公开的另一个实施例的光学系统的示意图。

图19是根据本公开的另一个实施例的光学系统的示意图。

图20是一组计算强度曲线图，其在向多模式放大器传送种子辐射方面将利用模式混合光纤的系统与缺乏此类模式混合光纤的系统进行对比。

图21是根据本公开的另一个实施例的光学系统的示意图。

图22是根据本公开的另一个实施例的光学系统的示意图。

图23是根据本公开的另一个实施例的光学系统的示意图。

图24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25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26是示出实例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27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28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29是示出实例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30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31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32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33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34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35是在实例2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36是示出实例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37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38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39是包含偏移低折射率环模式混合光纤的光学体统的示意图，以及由此如实例2的实验中所描述传送的总输出强度的二维图表。

图40是在实例3的实验中使用的光纤劈开后的光纤端面的图像。

图41和图42是针对实例3中所描述实验的成组二维强度图表和一维强度图表。

图43是在实例4的实验中使用的光纤的轮廓的示意性横截面视图。

图44是针对实例4中所描述实验的一组二维强度图表和一维强度图表。

图45是实例5的实验的模拟输出的图表。

图46是针对实例5的模式混合光纤和传统光纤的各种模式的计算模式功率的图表。

图47是实例6中所描述的传统带尾纤泵浦二极管的输出的图表。

图48是在实例6中使用的光纤劈开后的光纤端面的图像。

图49是带有在实例6中所描述的示例性模式混合光纤的尾纤的泵浦二极管的输出的图表。

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将意识到，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的进行描述的。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，在多模式光纤(例如多模式波束传送光纤、多模式泵浦光纤或多模式有源光纤)中，如果光辐射在可用模式(例如，大体上所有可用的横向模式)的大部分间均匀分配时，辐射可以呈现出相对平顶的强度分布(例如，当其从光纤出现时，或者当其在光纤中传播时)。增加高阶模式会影响输出波束的发散角(由于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，波束发散角等于光纤芯数值孔径。

然而，在多模式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，很大程度上由入射激光辐射(例如，来自输入光纤，例如有源光纤)之间的空间重叠和多模式光纤的芯的模式来确定。由于横向模式是正交的，仅具有与输入辐射(例如，来自有源光纤)的非零空间重叠的模式可以典型的增加。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，在所模式光纤的输出处的强度分布和可用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自身模式较少，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或其它不均匀性来设置，以便扰乱在输入光纤和模式混合光纤之间的模重叠，由此增加了模式混合。如将要进行描述的，本公开的模式混合光纤不仅可以用作波束传送或模式转换光纤，而且在某些实施例中可以用作模式混合泵浦光纤、泵浦组合器光学件以及用于将具有期望强度分布(例如，“平顶”强度分布)的泵浦辐射耦合到有源光纤内的其它光学装置，或者用作模式混合有源光纤以提供放大的或生成的具有期望强度分布(例如，“平顶”强度分布)的辐射。

如本领域普通技术人员所将意识到的，本文所描述的模式混合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耦合至利用光辐射的任意系统，例如通过自由空间光学件，耦合至其它类型激光器的输出，比如固态激光器。并且当被用作模式混合泵浦光纤或模式混合有源光纤时，本文所描述的光纤可以利用常规方法(例如，熔接和自由空间光学件)耦合至放大器和激光器系统内。

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包含芯，此处为最内芯110(其具有自身的折射率分布，其折射率定义为光纤的芯的横截面位置的函数)和围绕所述芯设置的包层120。模式混合光纤配置为传送具有波长的光辐射(即，从其输入端到其输出端)。应当注意，模式混合光纤的芯支持在所述波长的至少2个(例如，至少3个或至少5个)引导模式(即，大体上由芯所限定的模式)。例如，在某些实施例中，模式混合光纤的芯支持在所述波长的至少7个引导模式，或者在所述波长的至少10个模式。在其它实施例中，模式混合光纤支持在所述波长的至少20个、至少30个、至少40个或甚至至少50个模式。在某些期望实施例(例如，用于波束传送应用、模式转换应用、泵浦光纤应用以及某些有源光纤应用)中，支持在所述波长的至少指定数目的引导模式的是模式混合光纤的最内芯。但是在其它实施例中，例如，双包层有源光纤，泵浦芯为模式混合芯并且因此支持在所述波长的至少指定数目的引导模式。

关键是，模式混合光纤被配置为大体上在模式混合光纤的多个引导模式间分配在其中传播的具有所述波长的光辐射。通过大体上在多个引导模式间分配光辐射，模式混合光纤可以在光纤内引导具有期望强度分布的辐射，并且可以提供具有期望模态质量、强度分布(例如，相对“平顶”的强度分布)、散度、波束大小和波束参数乘积的输出。在某些实施例中，模式混合光纤被配置为大体上将光辐射分配为使得所述光辐射的至少10％、至少20％、至少30％、至少40％，或甚至至少50％在除了基本模式之外的模式下被引导。例如，模式混合光纤可以被配置为将具有所述波长的光辐射从大体上在所述基本模式下被引导(例如，至少70％、至少80％、至少90％或者甚至至少95％在所述基本模式下)分配为大体上在多个引导模式间分配(例如，使得所述光辐射的至少10％、至少20％、至少30％、至少40％或甚至至少50％在除了所述基本模式之外的模式下被引导)。在某些实施例中，模式混合光纤被配置为大体上将光辐射分配成使得所述光辐射的至少10％、至少20％、至少30％、至少40％或甚至至少50％在除了所述基本模式或第一较高阶模式(即，相比于所述基本模式的下一个较高阶模式，例如LP₁₁模式或LP₀₂模式)之外的模式下被引导。在某些实施例中，模式混合光纤被配置为大体上将光辐射分配成使得所述光辐射的不超过90％、不超过80％、不超过70％、不超过60％或甚至不超过50％在任意两个引导模式下被引导。

例如，在某些实施例中，模式混合光纤被配置为将在其中传播(例如，在其输入端输入或在芯内生成或放大)的具有所述波长的光辐射的一部分从其较低阶模式分配到其较高阶模式。通过不仅在模式混合光纤的较低阶模式而且在较高阶模式间分配光功率，可以利用期望的强度分布(例如，如本文所描述的相对“平顶”的分布)在光纤中传输辐射。类似地，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，比如相对“平顶”分布。类似地，可以利用期望的强度分布(例如，如本文所描述的相对“平顶”分布)在模式混合光纤内引导辐射。

基于本公开，本领域普通技术人员可以提供能够利用大体平顶的强度分布引导光(即，在光纤内)的模式混合光纤。例如，模式混合光纤可以被配置为提供具有强度分布(即，如在5％的峰值强度下由外围所限定)的引导辐射(即，在所述波长上)，所述引导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％。

本公开确定了许多方式来配置模式混合光纤，以使得其大体上如上文所描述分配光辐射。例如，在本公开的某些实施例中，模式混合光纤的芯具有中心线(即，如上所描述限定，但是是关于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。在所述实施例中，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。在所述实施例中，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，可以使用其它的折射率分布。

本领域普通技术人员将意识到，模式混合光纤的芯可以采取各种形状。例如，在某些实施例中，如图3中所示，芯具有大体圆形的横截面形状。当模式混合光纤的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它特征或特性。例如，如上所描述，其可以具有横向偏移的芯。在其它实施例中，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。

在其它实施例中，模式混合光纤的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)的芯410。在某些实施例中，大体非圆形的芯沿模式混合光纤的中心线居中(即，芯的中心线定位成与光纤的中心线大体上共线)。在此类实施例中，可以将各种其它大体非圆形的形状用于芯。例如，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、六边形)。当然，大体非圆形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配(“模式混合元素”)。如以下将更详细描述的，可以按照多种方式来配置所述一个或多个模式混合元素。本领域普通技术人员将意识到，并不期望高掺杂模式混合元素自身足够用作所述波长的光的引导芯。并不期望任何高掺杂模式混合元素沿芯的中心线或光纤的中心线居中(尽管如以下更详细描述的，在某些实施例中，模式混合光纤可以包含例如沿模式混合光纤的中心线设置的第二芯)。

在某些实施例中，光纤的芯包含一个或多个围绕其中心线对称设置的大体低掺杂模式混合元素。例如，模式混合光纤的芯可以包含中心线被设置成与芯的中心线大体共线的大体低掺杂模式混合元素。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具有芯510，其被包层520包围。芯510包含大体低掺杂模式混合元素515，其中心线沿芯自身的中心线设置。

在某些实施例中，模式混合光纤的芯包含一个或多个围绕所述芯的中心线不对称设置的大体低掺杂模式混合元素。可以例如结合以上所描述的沿芯的中心线设置的低掺杂模式混合元素设置此类大体低掺杂模式混合元素，或者可以在没有沿芯的中心线设置低掺杂模式混合元素的情况下设置此类大体低掺杂模式混合元素。

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模式混合元素615(在所述实施例中，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。所述模式混合光纤700包含最内芯710，其包含低掺杂环形模式混合元素715；此时，低掺杂模式混合元素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包含低掺杂模式混合元素815a、815b、815c和815d。此时，低掺杂模式混合元素815a、815b、815c和815d被设置成其中心在距离光纤的中心线804的不同距离处。当设置多个低掺杂模式混合元素时，它们可以随机地设置，或者可替代地，按照规则的几何布置来布置。

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模式混合元素。例如，所述一个或多个大体高掺杂模式混合元素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模式混合元素所描述的任意方式。在其它实施例中，高掺杂模式混合元素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，高折射率区域的至少1/2、2/3或甚至3/4面积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，所述一个或多个高折射率模式混合元素可以结合以上描述的一个或多个低折射率模式混合元素一起设置。

高掺杂和低掺杂模式混合元素按期望从光纤的芯的中心偏移。例如，在某些实施例中，如本文中其它地方所描述，高掺杂和低掺杂模式混合元素中的一个或多个(例如，全部)从芯的几何中心偏移至少1μm、至少5μm、至少10μm或至少15μm。在某些实施例中，高掺杂和低掺杂模式混合元素中的一个或多个(例如，全部)从芯的几何中心偏移的距离在1μm至100μm、或5μm至100μm、或10μm至100μm、或15μm至100μm、或1μm至75μm、或5μm至75μm、或10μm至75μm、或15μm至75μm、或1μm至40μm、或5μm至40μm、或10μm至40μm、或15μm至40μm、或1μm至25μm、或5μm至250μm、或10μm至35μmμm的范围内。

在某些实施例中，如本文中其它地方所述，模式混合光纤包含环形形状(例如，圆环)的低掺杂模式混合元素，例如，如实例的光纤中所示。环带可以具有在以下范围内的平均内径，例如，5μm至100μm、或10μm至100μm、或20μm至100μm、或5μm至80μm、或10μm至80μm、或20μm至80μm、或5μm至60μm、或10μm至60μm、或20μm至60μm、或5μm至40μm、或10μm至40μm、或20μm至40μm。环带可以具有在以下范围内的厚度，例如，1μm至20μm、或2μm至20μm、或3μm至20μm、或4μm至20μm、或1μm至10μm、或2μm至10μm、或3μm至10μm、或4μm至10μm、或1μm至5μm、或2μm至6μm、或3μm至7μm、或4μm至8μm。

可以按照各种尺寸形成模式混合光纤的芯。例如，在某些实施例中，光纤的芯的直径(即，横跨芯的径向平均距离)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芯直径以提供期望数目的模式并和输入光纤或其它光源(例如，固态激光器)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芯的外径的至少约1.05倍，例如，在模式混合光纤的芯的外径的约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是为芯的外径的至少约1.2倍，例如，在模式混合光纤的芯的外径的约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和低掺杂模式混合组成部分元素。在某些实施例中，各种高掺杂和/或低掺杂模式混合组成部分元素具有选自圆形、多边形(例如，三角形、六边形、正方形)的横截面形状。各种高掺杂和/或低掺杂模式混合组成部分元素可以设置为环形(例如，圆环，或者环形多边形)。各种高掺杂和/或低掺杂模式混合元素可以是，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/或低掺杂模式混合元素的大小在例如约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1μm至约100μm、或约1μm至约50μm、或约1μm至约30μm、或约1μm至约20μm、或约1μm至约15μm、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2μm至约100μm、或约2μm至约50μm、或约2μm至约30μm、或约2μm至约20μm、或约2μm至约15μm、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5μm至约100μm、或约5μm至约50μm、或约5μm至约30μm、或约5μm至约20μm、或约5μm至约15μm、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/或低掺杂区域占芯面积的总百分比在约5％至约95％的范围内，例如，在约2％至约85％、或约2％至约75％、或约2％至约50％、或约2％至约25％、或约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％的范围内。

所述一个或多个大体高掺杂和/或低掺杂模式混合元素的折射率大体不同于芯的其余部分的折射率。例如，在某些实施例中，每个大体高掺杂模式混合元素的折射率(即，在波长下)可以比芯的其余部分的折射率大至大约，例如至少约0.001、至少约0.002、至少约0.003或甚至至少约0.005。在某些实施例中，每个大体高掺杂模式混合元素的折射率大于芯的其余部分的折射率不超过约0.050、不超过约0.040、不超过约0.030或不超过约0.020。例如，在某些实施例中，每个大体高掺杂模式混合元素的折射率在大于芯的其余部分的折射率0.001至0.050、或0.001至0.040、或0.001至0.030、或0.001至0.020、或0.002至0.050、或0.002至0.040、或0.002至0.030、或0.002至0.020、或0.003至0.050、或0.003至0.040、或0.003至0.030、或0.003至0.020、或0.005至0.050、或0.005至0.040、或0.005至0.030、或0.005至0.020的范围内。类似地，在某些实施例中，大体低掺杂区域的折射率可以比芯的其余部分的折射率小，例如至少约0.0005、至少约0.001、至少约0.002、至少约0.003或甚至至少约0.005。在某些实施例中，每个大体低掺杂区域的折射率小于芯的其余部分的折射率不超过约0.050、不超过约0.040、不超过约0.030或不超过约0.020。例如，在某些实施例中，每个大体低掺杂区域的折射率在小于芯的其余部分的折射率0.001至0.050、或0.001至0.040、或0.001至0.030、或0.001至0.020、或0.002至0.050、或0.002至0.040、或0.002至0.030、或0.002至0.020、或0.003至0.050、或0.003至0.040、或0.003至0.030、或0.003至0.020、或0.005至0.050、或0.005至0.040、或0.005至0.030、或0.005至0.020的范围内。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芯内具有折射率非连续性的区域(即，沿芯的横截面按照线性距离大约1μm内会发生折射率的改变)。

在某些实施例中，模式混合光纤可以被配置为模式混合有源光纤。本领域普通技术人员将意识到，“有源光纤”是被配置为(例如，通过包含稀土掺杂物)当利用辐射(例如，较短波长的辐射)泵激时在工作波长上发射放大的辐射的光纤。例如，在某些实施例中，较大模式面积光纤可以在其芯中包含稀土掺杂物。可以适用于某些实施例的稀土掺杂物包含周期表中的元素57至71(例如，镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱以及镥。响应于接收到本领域已知为“泵激”波长的波长的能量，某些稀土可以通过激励发射提供不同的、“有源”波长的光学能量。发射可以通过由芯引导的辐射(例如，来自例如种子激光器的信号源)得到激励，或者简单通过在有源波长上的由有源光纤自发发射的辐射得到激励。掺杂有稀土的光纤可以由此用作光源，例如，超发光光源和在第二波长上提供光的激光器。通常在第二波长上的光在散度、空间和时间相干性等方面具有更高的质量。在许多应用中，包括稀土掺杂物的光纤由此用作亮度转换器，其接收低质量的光束并在更期望的波长上将所述光转换成更高质量的光。掺杂有稀土掺杂物(即，以离子形式，例如，氧化物、氢氧化物，或者其它物质，取决于纤维的材料成分)的光纤还可以用作放大器，其放大通过光纤传播的其它波长的信号。作为替代形式，本领域普通技术人员将意识到，可以通过有源光纤充分利用其它增益机制，例如，拉曼散射、布里渊散射。模式混合有源光纤可以具有，例如，同时配置有源芯(例如，通过掺杂如上所描述的一种或多种稀土)和上文中所描述包含的模式混合元素的芯。在此类实施例中，在有源波长上生成的光辐射可以被分配到较高阶模式，并且由此当其在光纤内引导时以及当其耦合离开光纤时以期望的强度分布提供。

模式混合有源光纤可以被配置为多包层(例如，双包层)光纤。如本领域普通技术人员将意识到的，多包层有源光纤可以具有：被配置为引导有源波长的辐射的内芯、围绕内芯并被配置为引导泵浦波长的辐射的泵浦芯，以及围绕泵浦芯的一个或多个包层。在图9中以示意性横截面视图示出了此类模式混合有源光纤的实例。模式混合有源光纤900具有多模式芯910，所述多模式芯包含如上所描述的高掺杂模式混合元素，并且还被配置为当被泵激(例如，通过包含一种或多种稀土掺杂物)时提供增益。由此，模式混合有源光纤的芯910支持在有源波长上的至少2个(例如，至少3个、至少5个、或如上所描述的任何其它数目)引导模式，并且被配置为按照以上所描述的任意方式大体上在有源模式混合光纤的多个引导模式间分配具有所述波长的光辐射(例如，将具有所述波长的光辐射的大部分从其较低阶模式分配到其较高阶模式)。模式混合有源光纤900还包含泵浦芯918，此处被成形为六边形。泵浦芯用作芯910的包层(并且由此也可以被本领域技术人员认为是“泵浦包层”)，但是也用作引导泵浦波长的辐射。包层920用于将泵浦波长的辐射限制在泵浦芯内，并且可以例如由玻璃层形成或由光纤的聚合物涂层形成。有源光纤可以在制造期间抽拉成丝，使得模式混合元素915和六边形泵浦芯918沿光纤的长度形成螺旋状的迹线。在某些实施例中，有源芯(图9中的910)和泵浦芯(图9中的918)均可以提供模式混合，有源芯用于有源波长的辐射，并且泵浦芯用于泵浦波长的辐射。本领域普通技术人员将意识到，可以将任何模式混合架构用于提供以上所描述的模式混合有源光纤，本公开并不限于图9中所示的成形泵浦芯和包含高掺杂元素的有源芯的组合。在有源芯中使用模式混合可以用于，例如在多模式有源芯(包含双模式或数个模式有源芯)的模式间提供增益重新分配，使得模式的大部分被放大并且放大大体上在多个引导模式间进行分配。这可以用于，例如实现对功率的高程度比例调整、对于单频率激光器而言更短的光纤长度以及提供随机激光器、无斑纹系统和高稳定性多模式激光器，以及提供如上所描述的期望强度分布(例如，“平顶”)。以下将更详细地描述泵浦芯中的模式混合。

如以上所提及的，在某些实施例中，模式混合光纤可以包含例如沿模式混合光纤的中心线设置的第二芯。例如，模式混合光纤可以具有例如沿光纤的中心线设置在(模式混合)芯内的第二芯。在某些此类实施例中，模式混合光纤可以被配置为多包层光纤，此时模式混合芯被配置为泵浦芯，并且第二芯被设置在模式混合芯内，同时模式混合芯用作第二芯的包层。例如，第二芯可以被配置为无源芯(即，不提供光学增益)，引导放大器或激光器系统的有源波长的辐射。在图10中以示意性横截面视图示出了此类模式混合光纤的实例。模式混合双包层光纤1000具有沿光纤的中心线设置的芯1010，其可以被配置为通过较大放大器或激光器系统的有源波长的光辐射。芯1010可以是单模式或多模式的，取决于较大放大器或激光器系统的特定要求。模式混合双包层光纤1000还包含泵浦芯1018，此处，其具有高和/或低掺杂模式混合元素1015。如图9的实施例中那样，泵浦芯用作芯1010的包层(并且由此可以被本领域技术人员认为是“泵浦包层”)，但是还用作引导与芯配置为引导的有源波长相关联的泵浦波长的辐射。包层1020用于将泵浦波长的辐射限制在泵浦芯内，并且可以例如由玻璃层形成或由光纤的聚合物涂层形成。有源光纤可以在牵引期间旋转，使得区域1015沿光纤的长度形成螺旋形迹线，螺旋的期望节距可以例如被选择成针对所述波长的辐射提供破坏性多模式干扰。本领域普通技术人员将意识到，泵浦芯中的模式混合元素不仅仅能提供模式混合。

尽管图10的模式混合光纤被描述为具有无源芯，但是在其它实施例中，多包层光纤具有有源芯以及在围绕所述有源芯设置的一个或多个泵浦芯中设置的一个或多个模式混合元素。

在其它实施例中，多包层光纤的模式混合芯是无源芯，其被配置为例如引导较大放大器或激光器系统的有源波长的辐射。在图11中以示意性横截面视图示出了此类模式混合有源光纤的实例。模式混合有源光纤1100具有多模式芯1110，其如上所述从光纤的中心线偏移。光纤可以在牵引期间旋转，使得芯1110沿光纤的长度形成螺旋形迹线。模式混合有源光纤的芯1110支持在所述波长上的至少2个(例如，至少3个或至少5个，或上述的任何其它数目)引导模式，并且被配置为将在其中传播的具有所述波长(例如，放大器或激光器系统的有源波长)的光辐射的一部分从其较低阶引导模式分配到其较高阶引导模式，如上所述。模式混合有源光纤1100还包含泵浦芯1118，此处，被成形为六边形。如在图9的实施例中那样，泵浦芯用作芯1110的包层(并且由此也可以被本领域技术人员认为是“泵浦包层”)，但是也用作引导泵浦波长的辐射。包层1120用于将泵浦波长的辐射限制在泵浦芯内，并且可以例如由玻璃层形成或由光纤的聚合物涂层形成。在某些实施例中，无源芯(图11中的1110)和泵浦芯(图11中的1118)均可以提供模式混合，芯用于有源波长的辐射，而泵浦芯用于泵浦波长的辐射。本领域普通技术人员将意识到，可以将任何模式混合架构用于提供以上所述的模式混合有源光纤，本公开不限于图11中所示的成形泵浦芯和包含高掺杂元素的有源芯的组合。在无源芯中使用模式混合可以用于，例如在多模式芯(包含数个模式有源芯)的模式间提供增益重新分配，使得种子激光器辐射可以以其各种模式提供给多模式有源光纤，使得模式的大部分被放大并且放大被大体上在模式间进行分配(例如，在所有模式间大体均匀)。这可以被认为是例如增大了种子源的数值孔径，使得其可以满足多模式有源光功率的更多模式。这可以用于，例如实现对功率的高程度比例调整、对于单频率激光器而言更短的光纤长度以及提供随机激光器、无斑纹系统和高稳定性多模式激光器，以及提供如上所述的期望强度分布(例如，“平顶”)。

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在模式混合光纤的引导模式间提供期望辐射分布(例如，按照以上所述的任何方式)。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、或约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、或约10m至约40m的范围内。可以将本文所描述的模式混合光纤弯曲或甚至卷曲以更有效地在引导模式间分配辐射。

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12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1214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。本领域普通技术人员将意识到，并非关于光纤圆形对称的任何模式混合元素也可以类似地沿光纤的长度形成螺旋形迹线。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制成(例如例如锗硅酸盐、硼硅酸盐、磷硅酸盐、铝硅酸盐、氟硅酸盐及其组合物的硅酸盐)。在某些实施例中，芯(例如，不包含任何高掺杂或低掺杂区域)由大体未掺杂的二氧化硅形成，与此同时包层(至少在直接包围芯的区域中)包含掺氟杂二氧化硅。在其它实施例中，芯(例如，不包含任何低掺杂区域)由大体掺锗二氧化硅形成，与此同时包层(至少在直接包围芯的区域中)包含大体未掺杂的二氧化硅。可以使用常规掺杂物，例如锗、氟、铝、磷、硼，来提供高掺杂和低掺杂区域。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所述预成品)可以被用来制造本文所描述的模式混合光纤。期望地，本文所描述的光纤不包含空隙空间。在某些期望实施例中，模式混合元素并不形成大体上规则的晶格。

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、或约60mrad至约600mrad、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、或约60mrad至约80mrad、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％。

基于本公开，本领域普通技术人员可以提供利用大体平顶的强度分布引导光(即，在光纤内)的模式混合光纤。例如，模式混合光纤可以被配置为提供具有强度分布(即，如在5％的峰值强度下由外围所限定)的引导辐射(即，在所述波长上)，所述引导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％。

所述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。

芯的折射率分布的各个区域可能会干扰其中辐射的传播，例如，通过作为散射(或弱导)中心，从而反射(或引导)光以增加芯的高阶模式。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，芯的横向偏移、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)，以及芯的折射率分布的任何螺旋形。考虑到本公开，本领域普通技术人员将能够利用常规的计算技术达成其它设计。模式混合光纤的设计可以按比例调整，以便提供期望的芯尺寸(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13中以局部示意性侧视图示出了一个此类实施例。光学系统1330包含：模式混合光纤1300，所述模式混合光纤1300具有输入端1302和输出端1304；以及具有输出端1344的第一光纤1340。第一光纤的输出端1344直接光耦合至模式混合光纤的输入端1302(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芯可能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。在其它实施例中，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，在其它实施例中，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，第一光纤的芯的直径在模式混合光纤芯直径的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13中附图标记1360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件(例如，准直透镜和/或其它衍射或折射元件)。

在其它实施例中，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14中以示意图示出了一个具体实施例。光学系统1430包含第一光纤1440和模式混合光纤1400，第一光纤的输出1444直接光耦合至模式混合光纤的输入1402，如上所述。光学系统1400进一步包含第二光纤1450，第二光纤1450具有输入端1452和输出端1454，第二光纤的输入端1452直接光耦合(此处为熔接)至模式混合光纤的输出端1404。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。

所述系统可以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14中附图标记1460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件(例如，准直透镜和/或其它衍射或折射元件)。

在其它实施例中，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件耦合至模式混合光纤的输入端。图15中示出了此类实施例的一个实例15。光纤系统1530包含光源1570(例如，固态激光器)，其输出通过自由空间光学件1575(例如，一个或多个透镜)耦合至模式混合光纤1500的输入端1502。自由空间传播波束(例如，如在附图15中由附图标记1560所表示的)可以从模式混合光纤的第二端1500发射。

第二光纤的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。第二光纤的芯的直径可以是，例如，在模式混合光纤的芯的直径的约10％或者甚至约5％的范围内。当然，在其它实施例中，第二光纤的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。所述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，并且从所述模式混合光纤的输出端传播所述辐射。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所述辐射。所述方法可以被执行为使得散度、BPP和/或平坦度如以上任一实施例中所描述的那样。

如上所述，本文所描述的模式混合光纤、装置和方法可以用于提供具有期望BPP和/或分布(例如，“平顶”分布)的输出波束。如此，模式混合光纤可以用于波束传送，如上所述。模式混合光纤可以用于，例如，由超连续光纤源或从具有相对宽频谱输出的另一源提供具有期望BPP和/或分布(例如，相对“平顶”分布)的输出波束。本文所描述的模式混合光纤可以被配置为在较宽频率范围上提供期望输出。

但是考虑到本文中的描述，本领域普通技术人员将意识到，本文所描述的模式混合光纤可以按照各种方式用于光纤装置，例如，光纤激光器和放大器以及例如泵浦耦合器和组合器的光学装置。例如，本公开的另一方面是一种用于制造泵浦耦合器或泵浦组合器的方法，其包含提供本文所描述的模式混合光纤和将其制造成泵浦耦合器或泵浦组合器。

本文所描述的模式混合光纤可以用于向光学放大器或光学激光器的(具有放大的波长)有源光纤传送泵浦能量。通过向有源光纤提供具有期望强度分布的泵浦能量(例如相对“平顶”的强度分布，例如在以上所述任一个实施例中的)，可以一定程度减少泵浦辐射(即，具有所述波长)和放大的辐射的模式(即，具有放大的波长)之间的重叠。这可以具有多个优点。有利地，被耦合到有源光纤内的泵浦辐射可以以期望强度分布提供，使得其按期望与有源光纤中的放大的波长的辐射重叠，如上所述。例如，这可以降低在有源光纤的第一部分中泵浦吸收的效率，并且由此减小在光纤的第一部分中产生的热量的量。这种热量产生通常是放大过程中的限制因素，并且如此减少这种热量产生可以增加针对给定有源光纤所能够实现的放大的量。相应地，本公开的一个方面是一种装置，其包含：具有第一端的有源光纤，以及一个或多个模式混合泵浦光纤(即，如本文所描述的各种模式混合光纤，被配置为在泵浦波长上提供模式混合)，其各自具有可操作地耦合至有源光纤的第一端的输出端。模式混合泵浦光纤可以例如通过泵浦耦合器或组合器和/或通过拼接到有源光纤的第一端来耦合至有源光纤的第一端，如以下更详细描述的。

例如，本公开的一个方面是一种光纤装置，其包括：泵浦耦合器或组合器，所述泵浦耦合器或组合器具有一个或多个泵浦输入端口和输出端口；以及有源光纤，所述有源光纤具有泵浦波长和放大波长，所述有源光纤具有可操作地耦合至所述泵浦耦合器或组合器的输出端口的第一端。所述装置包含一个或多个模式混合泵浦光纤(即，本文所描述的各种模式混合光纤)，将要由所述一个或多个模式混合泵浦光纤传送的光辐射是具有有源光线的泵浦波长的泵浦辐射。每个模式混合泵浦光纤具有输入端和输出端，其中每个输出端可操作地耦合至泵浦耦合器或组合器的泵浦输入端口。本领域普通技术人员将意识到，泵浦耦合器或组合器被配置为将来自泵浦波长的辐射耦合到有源光纤内。

在图16中以局部示意图示出了根据本公开此方面的被配置作为放大器的光学装置的一个实例。在图16的特定光纤装置1680中，泵浦耦合器或组合器1682具有六个泵浦输入端口和一个输出端口。装置1680包含六个模式混合泵浦光纤1600，每个模式混合泵浦光纤具有输入端和输出端，其各自的输出端可操作地耦合至泵浦耦合器或组合器1682的泵浦输入端口中的一个。在图16的装置中，泵浦源1688(即，泵浦波长的辐射源)在其输入端处耦合至各个模式混合泵浦光纤；本领域普通技术人员将意识到，此类耦合可以通过自由空间或光纤耦合来实现。所述装置还包含有源光纤1684，所述有源光纤具有可操作地耦合至耦合器1682的输出端的第一端。在图16的实施例中，所述装置进一步包含输入光纤1686，其可操作地耦合至光纤耦合器的信号输入端口。输入光纤可以用于提供在有源波长上的种子信号，如本领域普通技术人员将意识到的。当然，在某些实施例中，不存在输入光纤，在此类情况下，有源光纤可以用于放大自发发射。在此类情况下，“有源波长”是和有源光纤可以在其上提供增益的波长相对应的波长范围(通常是在波长数十纳米的范围)。有源光纤可以是例如所谓的双包层光纤，所述双包层有源光纤具有：被配置为引导有源波长的辐射的内芯、围绕内芯并被配置为引导泵浦波长的辐射的泵浦芯，以及围绕泵浦芯的一个或多个包层。泵浦耦合器或组合器的输出端口可以被配置为从泵浦耦合器或组合器发射泵浦辐射，所述泵浦辐射将要在双包层光纤的泵浦芯中被引导。

此外，本领域普通技术人员将意识到，许多泵浦耦合器和泵浦组合器是通过熔融和牵引多根光纤制作的。在此类实施例中，泵浦耦合器或泵浦组合器可以利用模式混合光纤形成，使得模式混合泵浦光纤的输出端绝热地转换成耦合器或组合器。

在共泵激配置中，图16的装置1680被配置作为放大器。在此类实施例中，泵浦辐射和放大辐射沿有源光纤以相同的方向传播(即，从有源光纤的第一端到第二端)。本领域普通技术人员将意识到，此类放大器还可以配置在反泵激配置中或者与共泵激和反泵激一起配置。例如，图17的光纤装置1780包含有源光纤1784，所述有源光纤具有可操作地耦合至泵浦耦合器或组合器1782的输出端口的第一端。其第二端可操作地耦合至种子激光器1789。模式混合泵浦光纤1700在其输出端耦合至泵浦耦合器或组合器1782的泵浦输入端口。如在图17的实施例中那样，模式混合泵浦光纤1400的输入端可操作地耦合至泵浦源1788。在使用过程中，泵浦辐射从有源光纤的第一端传播到第二端，同时有源波长的放大辐射从有源光线的第二端传播到第一端(即，沿和来自种子激光器1789的辐射相同的光纤方向)。

在图18中以示意图示出了另一个实施例。在所述实施例中，常规光纤可以用于将泵浦源耦合至泵浦耦合器或组合器，同时模式混合泵浦光纤耦合在泵浦耦合器或组合器与有源光纤之间以便向有源光纤提供具有期望强度分布(例如，“平顶”强度分布)的泵浦辐射。如上所述，向有源光纤提供具有相对平顶强度分布的泵浦辐射(例如，如以上任一个实施例中所述)可以有助于减少泵浦辐射与光纤的放大芯的重叠的量，并且由此使热量产生沿有源光纤更远地散开，从而允许实现更高的功率放大。在图18的装置1880中，泵浦耦合器或组合器1882具有六个泵浦输入端口和一个输出端口。所述装置1880包含六个泵浦光纤1887，每个泵浦光纤具有输入端和输出端，其各自的输出端可操作地耦合至泵浦耦合器或组合器1882的泵浦输入端口中的一个。在图18的装置中，泵浦源1888(即，泵浦波长的辐射源)在其输入端处耦合至各个模式混合泵浦光纤，本领域普通技术人员将意识到，此类耦合可以通过自由空间或光纤耦合来实现。所述装置还包含模式混合光纤1800，所述模式混合光纤具有可操作地耦合至耦合器1882的输出端的输入端。模式混合光纤1800被配置为对于泵浦波长的辐射而言是模式混合的，使得通过耦合器1882的输出端口的泵浦辐射输出在其中被分配到各个较高阶模式内。这可以在模式混合光纤的输出端处提供具有期望强度分布(例如，相对“平顶”的强度分布，如以上任一个实施例中所述的)的泵浦辐射。模式混合光纤的输出端可操作地耦合至有源光纤1884的第一端。在图18的实施例中，所述装置进一步包含输入光纤1886，其可操作地耦合至光纤耦合器的信号输入端口。因此，种子激光器信号(或其它源信号)可以被耦合到有源光纤内，在这种情况下，可能希望模式混合光纤包含以上关于图10所述的第二芯。但是在某些情况下，其中并不需要将种子信号(或其它源信号)输入到有源光纤内(例如，当所述装置被配置作为放大自发发射源时)，可能不需要模式混合光纤包含第二芯。

此处，同样，尽管图18中的实施例被示出为处于共泵激配置，但本领域普通技术人员将了解，所述装置也可以配置为反泵激配置或者可以同时配置为共泵激和反泵激配置。

由此，本文所描述的模式混合光纤可以用于向有源光纤提供泵激辐射。

在其它实施例中，模式混合光纤可以在激光器和放大器系统中使用以提供对有源波长的辐射的模式混合，例如，在光纤的最内芯中。如上所述，对有源波长的模式混合可以得到若干优点，包含在多模式有源光纤的大量模式上耦合种子辐射和提供具有期望强度分布(例如，相对“平顶”的强度分布)的放大或生成辐射以便实现更高功率的操作。因此，本文所描述的模式混合光纤可以用于将来自种子源的有源波长的种子辐射耦合到(具有有源波长的)多模式有源光纤内，以便使种子辐射的有效数值孔径增大到更接近多模式有源光纤的数值孔径。

例如，在图19中以局部示意图示出了一个实施例。光学系统1980包含有源波长的辐射源1991。源1991被配置为在其输出处(例如，通过其输出光纤)以单个模式或以数个模式(例如，10个或更少的模式、7个或更少的模式、4个或更少的模式，或甚至以单个模式)输出有源波长的辐射。所述源可以例如是种子激光器或光学系统的一个或多个较早激光器或放大器阶段。所述装置还包含多模式放大器或激光器1992，所述多模式放大器或激光器包括具有信号输入的多模式有源光纤(例如，具有在有源波长上的5个或更多个、10个或更多个、甚至15个或更多个模式)。在此类系统中，如果使用常规光纤来将源耦合至多模式放大器的信号输入，则多模式放大器的多模式有源光纤的各种模式在不同的程度上与来自源的辐射发生交互作用，从而导致放大强度分布在光纤的横截面区域上大幅度改变，如以下更详细进行描述的。这可能限制多模式放大器且由此限制整个系统可以提供的功率的量。因此，在图19的实施例中，模式混合光纤1900具有可操作地耦合至源1991的输出的输入端以及可操作地耦合至多模式放大器或激光器1992的有源光纤的输入的输出端。使用模式混合光纤可以允许来自源的辐射以期望强度分布(例如，相对“平顶”的分布，如以上任一个实施例中所述)提供给多模式放大器，并且由此允许源的辐射耦合到多模式光纤的大体更多的模式内。这可以允许增大功率并改善系统稳定性，如以下更详细描述的。期望地是，模式混合光纤的芯尺寸类似于多模式放大器的多模式有源光纤的芯尺寸(例如，在约25％内，或在约10％内)。如上(例如，关于波束传送)所述，还可以在多模式放大器的输出处使用模式混合光纤，以向工件或随后向下一个放大器或光学路径中的其它系统部件提供具有期望强度分布(例如，相对“平顶”的分布，如以上在任一个实施例中所述)的输出辐射。

可替代地，源1991和多模式放大器或激光器1992可以由数值孔径来表征。具有相对低数值孔径的种子源可以通过本文所描述的模式混合光纤耦合至具有较高数值孔径的放大器或激光器中的多模式有源光纤，使得种子辐射的有效数值孔径被增大(例如，至少10％，或至少20％，以及例如达到多模式有源光纤的数值孔径)。此处，同样，模式混合光纤可以用于满足多模式有源光纤的更多模式。

使用以上关于图19所述的模式混合光纤可以运载在多模式放大器系统中增大功率调节。功率调节通常通过组装多个放大器模块来实现，以单个或数个模式放大器或激光器阶段开始并渐进地增大到多模式放大器。在初始放大器阶段产生的辐射被用于作为稍后更高功率的多模式放大器阶段的种子。如图20中的对比所示，当将来自单个或数个模式放大器源的辐射耦合到多模式放大器时，在所述多模式放大器中由所述辐射增加的一组模式将取决于模式和来自源的辐射的空间重叠。例如，图20中左手边的所述组图像证明，当在单个或数个模式源和多模式放大器之间未使用模式混合光纤时，所述多模式放大器内的强度分布是不均匀的，由于在多模式有源光纤的大量模式上低效耦合，具有高强度和低强度的斑点。利用模式混合光纤来在单个或数个模式源和多模式放大器或激光器之间进行耦合，允许所述多模式放大器或激光器以具有相对“平顶”强度分布的辐射接种，和/或具有比种子源更高的数值孔径(例如，高至少10％、或至少20％，以及，例如达到多模式有源光纤的数值孔径)，使得多模式放大器或激光器光纤的更多模式被激发。由于在多模式有源光纤内没有了“热点”，尤其是当模式混合光纤减少了种子辐射中斑纹的量，这可以允许更高程度的功率调节和改善系统稳定性。

在图21中以局部示意图示出了一个具体实施例。此处，光学系统2180包含多模式有源光纤2184，同时泵浦激光器2188被配置为泵激所述多模式有源光纤。具体地，光学系统2180包含泵浦耦合器或组合器2182，所述光学系统的泵浦激光器2188通过泵浦光纤2187耦合至泵浦耦合器或组合器的泵浦输入端口。种子激光器源2191(其配置为在多模式有源光纤的有源波长上操作)通过信号光纤2186耦合至耦合器2182的信号输入端口。泵浦耦合器或组合器2182的输出可操作地耦合至模式混合光纤2100的第一端，所述模式混合光纤被配置为对于有源波长而言是模式混合的(即，按照本文所描述的任意方式)。模式混合光纤2100的第二端可操作地耦合至多模式有源光纤2184的第一端。此处，来自种子激光器源的辐射通过耦合器2182被耦合并到模式混合光纤2100内，其中所述辐射可以耦合到较高阶模式中以提供期望的强度分布(例如，更均匀地通过模式混合光纤的芯的横截面区域展开，例如，为了提供相对“平顶”的分布，如以上在任一个实施例中所述)。因此，功率可以耦合至多模式有源光纤的各种模式，由此允许增大功率调节和系统稳定性。所述系统还可以受益于从多模式有源光纤传送的大体“平顶”波束。

多模式有源光纤的芯也可以受益于模式混合。由此，在某些实施例中，模式混合光纤具有模式混合有源芯(例如，如上所述掺有稀土)，例如，如上关于图9所描述的。在常规多模式放大器中，当多模式有源光纤被泵激时，仅一个或数个模式被有效地放大，其取决于例如泵浦辐射与模式的重叠、耦合到各个模式内的种子源信号的量、有源光纤的增益分布(例如，由于掺杂物浓度的原因)。使用其中有源芯被配置为提供模式混合的模式混合有源光纤可以有助于在各个较高阶模式间分配放大或生成的辐射。由此，即使大部分辐射是通过仅一个或数个模式生成或放大的，此类辐射可以在光纤的许多模式间展开，从而引起对光纤的更均匀地加热和期望的波束输出。由此，这样的系统架构可以例如实现对功率的高程度比例调整、对于单频率激光器而言更短的光纤长度以及提供随机激光器、无斑纹系统和高稳定性多模式激光器，以及提供如上所述的期望强度分布(例如，“平顶”)。

在图22中以示意图示出了此类系统的一个实例。光纤系统2280被配置作为光纤激光器，同时其模式混合有源光纤2200可操作地设置在至少局部反射元件(此处是布拉格光栅2293)之间。在实践此类实施例的过程中，本领域普通技术人员可以使用常规的光纤激光器腔结构。模式混合有源光纤2200的输入端可操作地(即，通过布拉格光栅)耦合至泵浦源2288。任选地，并且如图22中所示，模式混合有源光纤的输入端可以通过模式混合泵浦光纤2201耦合至泵浦源2288(例如，如以上关于图18所述)。并且模式混合光纤2202可以可操作地耦合至模式混合有源光纤的输出端(即，通过布拉格光栅)，以用作如上所述的波束传送光纤。当然，也可以使用常规的光纤来将泵浦辐射耦合到有源光纤内和输送激光器辐射。

关于图16至21所述的实施例被配置作为放大器装置，即，并没有包含有源光纤的激光器腔。本领域普通技术人员将意识到，这些装置中的每一个可以替代地被配置为光纤激光器装置，即，有源光纤可操作地设置在两个局部反射元件之间，比如图22中所示的光纤布拉格光栅。

在另一个实施例中，无源模式混合光纤的一部分可以设置在激光器腔内(即，和有源光纤一起)以帮助提高增益均匀性。在图23中以示意图示出了此类系统的一个实例。光纤系统2380被配置作为光纤激光器，有源光纤2384可操作地设置在常规的至少局部反射元件(此处是布拉格光栅2393)之间。有源光纤2384的输入端可操作地(即，通过布拉格光栅)耦合至泵浦源2388。任选地，并且如图23中所示，模式混合有源光纤的输入端可以通过模式混合泵浦光纤2301耦合至泵浦源2388(例如，如以上关于图18所述)。并且模式混合光纤2302可以可操作地耦合至有源光纤的输出端(即，通过布拉格光栅)，以用作如上所述的波束传送光纤。当然，可以使用常规的光纤来将泵浦辐射耦合到有源光纤内和输送激光器辐射。在所述实施例中，本文所描述的模式混合光纤被耦合在有源光纤和至少局部反射元件之间。随着光通过在反射元件之间相继经过而被放大，在有源光纤2384中的任何空间增益不均匀可以通过模式混合光纤2300被扩散开以在增益分布中变得更平坦。相应地，即使当常规波束传送光纤被用于输出放大的辐射时，可以从激光器输出大体上平顶的波束。本领域普通技术人员将意识到，在某些实施例中(例如，当模式混合光纤2300具有足够高浓度的锗时)，可以在模式混合光纤2300自身中形成输出光栅2393。

本发明人已经确定，仅在特定模式下的辐射的放大或生成的特殊问题并不限于光纤放大器和激光器。而是，其它多模式装置架构也可能遭受辐射仅在一个或数个可能模式下生成/放大的影响。由此，本公开的另一方面是一种包含光学增益介质(即，一种在利用泵浦辐射得到泵激时可以产生或放大辐射的介质)的光学装置，所述光学增益介质被配置为如上所述的模式混合光学介质。例如，光学增益介质可以包含如上所述的低掺杂和/或高掺杂结构。本领域普通技术人员将意识到，光学增益介质可以是例如任何大体上实心的材料(即，并不限于玻璃)。

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14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24中以示意图示出了模式混合光纤，同时图25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的掺锗芯，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26至28示出了计算结果。图26中示出了波束传送缆线中激起的模式之间的功率分布。图27中示出了由波束传送缆线所传送的总输出强度，并且图28中示出了对应的波束分布。输出波束是平顶形，并且据BPP被估计为约3.4mm*mrad。

当将这些结果与图29至31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。利用其它相同参数，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29至31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32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24至28所描述的，近场分布显示出良好的均匀一致性(图33)，同时BPP值在3.5mm*mrad附近。

实例2

在所述实例中，系统被配置具有如波束传送光纤(例如，图13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。在图34中以示意性横截面视图示出了所述设计，并且在图35中示出了纤维劈开后的端面的照片。第一光纤是如以上实例1中所述的常规大模面积单模光纤。图36至38概括了计算结果，其中，图36中示出了模式混合光纤中激起的模式之间的功率分布，图37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38中示出了对应的波束分布。

如以上所指出的，在所述实例中，模式混合光纤被配置为波束传送缆线。在图36中示出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39中示出了利用图34和图35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37中示出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所述光纤中发生了模式高阶转换。这可以与图30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。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。这种环收缩可以通过适当地修改光纤设计来减少。

实例3

构造了100μm芯的模式混合光纤，在图40中示出了劈开的纤维端面的图像。其具有大体上和图34中的光纤相同的参数，但是氟掺杂层的NA形成了0.025的偏移中心环形环(即，替代了图34中的0.1)。光纤耦合的二极管激光器(1060nm，NA约为0.1,100mrad)通过熔接耦合至100m长的模式混合光纤。在100m长的端部处测量了模式混合光纤的输出；在图41中提供了二维强度图表和一维强度图表(水平地跨过二维图表的中心)。将模式混合光线的长度缩短到5m并且重复测量过程；图42中示出了结果。

实例4

构造了50μm芯的模式混合光纤，其具有图43中所示的轮廓。光纤耦合的二极管激光器(1060nm，高斯波束，NA约为0.038,38mrad，20μm芯/400μm包层输送光纤)通过熔接耦合至5m长的模式混合光纤。在5m长的端部处测量了模式混合光纤的输出；在图44中提供了二维强度图表和一维强度图表(水平地跨过二维图表的中心)。

实例5

模拟了25μm芯的模式混合光纤的模式混合性能(圆形环形环为低掺杂元素，0.175NA，8μm的内径，厚度3.5μm，从芯中心偏移3μm，芯与包层NA＝0.22)。图45中示出了在5m长度的端部处模式混合光线的模拟输出。图46呈现了相比于没有低掺杂元素的类似光纤(实心三角形)所述光纤(圆圈)的计算模式功率数据。

实例6

测量了光纤带尾纤L4泵浦二极管(915nm，0.5m尾纤)的输出，图47中示出了二维图表。2m长的模式混合光纤(105μm芯；125μm，芯设计类似于关于实例3所述的芯设计，图48中示出了劈开的光纤端面)被拼接至尾纤并且重复测量过程；图49中示出了输出。通过使用模式混合光纤减少了斑纹。

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”，除了以其它方式明确限定之外。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它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所述指定施加于所述限定的每一种情况，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，并且在作为任何其它开放性引述时，并不排除除了A和B之外的其它特征。

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它方面的实践相结合，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它方式进行实践。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，但是其它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 (34)

1.一种光学系统，包括：

泵浦耦合器或组合器，所述泵浦耦合器或组合器具有一个或多个泵浦输入端口和输出端口；以及

有源光纤，所述有源光纤具有泵浦波长和放大波长，所述有源光纤具有可操作地耦合至所述泵浦耦合器或组合器的所述输出端口的第一端；

一个或多个泵浦源；以及

模式混合光纤中的一个或多个，所述模式混合光纤中的每一个具有可操作地耦合至所述一个或多个泵浦源中一个的输入端和可操作地耦合至所述泵浦耦合器或组合器的所述输入端口中一个的输出端，

其中，每个模式混合光纤具有模式混合波长，所述模式混合波长为所述泵浦波长，每个模式混合光纤具有中心线和折射率分布，每个模式混合光纤包括：

芯，所述芯具有折射率分布；以及

包层，所述包层围绕所述芯设置，

其中每个模式混合光纤的所述芯支持在所述模式混合波长的至少20个引导模式，并且

其中所述模式混合光纤被配置为在多个引导模式间分配在其中传播的具有所述模式混合波长的光辐射，从其较低阶引导模式分配到其较高阶引导模式，使得所述泵浦波长的所述光辐射的至少20％在除了基本模式之外的模式下被引导。

2.一种光学系统，包括：

有源光纤，所述有源光纤具有泵浦波长和有源波长；

一个或多个泵浦源；以及

模式混合光纤，所述模式混合光纤具有可操作地耦合至所述一个或多个泵浦源的输入端和可操作地耦合至所述有源光纤的输出端，

其中，每个模式混合光纤具有模式混合波长，所述模式混合波长为所述泵浦波长，每个模式混合光纤具有中心线和折射率分布，每个模式混合光纤包括：

芯，所述芯具有折射率分布；以及

包层，所述包层围绕所述芯设置，

其中每个模式混合光纤的所述芯支持在所述模式混合波长的至少20个引导模式，并且

其中所述模式混合光纤被配置为在多个引导模式间分配在其中传播的具有所述模式混合波长的光辐射，从其较低阶引导模式分配到其较高阶引导模式，使得所述泵浦波长的所述光辐射的至少20％在除了基本模式之外的模式下被引导。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其中所述模式混合光纤进一步包括设置在所述芯内的第二芯，其中所述第二芯为无源芯，被配置为针对所述有源光纤的所述有源波长进行引导。

4.根据权利要求3所述的光学系统，进一步包括所述有源波长的源，其通过所述模式混合光纤的所述第二芯可操作地耦合至所述有源光纤的有源芯。

5.一种光学系统，包括：

有源光纤，所述有源光纤具有泵浦波长和有源波长；

所述有源波长的种子光源；以及

模式混合光纤，所述模式混合光纤的所述芯为无源的，所述模式混合光纤具有可操作地耦合至种子光源的输入端和可操作地耦合至所述有源光纤的输出端，

其中，每个模式混合光纤具有模式混合波长，所述模式混合波长为所述泵浦波长，每个模式混合光纤具有中心线和折射率分布，每个模式混合光纤包括：

芯，所述芯具有折射率分布；以及

包层，所述包层围绕所述芯设置，

其中每个模式混合光纤的所述芯支持在所述模式混合波长的至少20个引导模式，并且

其中所述模式混合光纤被配置为在多个引导模式间分配在其中传播的具有所述模式混合波长的光辐射，从其较低阶引导模式分配到其较高阶引导模式，使得所述泵浦波长的所述光辐射的至少20％在除了基本模式之外的模式下被引导。

6.根据权利要求5所述的光学系统，其中所述模式混合光纤进一步包括围绕所述芯的泵浦芯，所述光学系统进一步包括可操作地耦合至所述模式混合光纤的所述泵浦芯的一个或多个泵浦源。

7.根据权利要求5所述的光学系统，其中所述光学系统进一步包括可操作地耦合至所述有源光纤的一个或多个泵浦源。

8.一种光学系统，包括：

模式混合光纤，所述模式混合光纤的芯为有源芯，所述有源芯具有泵浦波长和有源波长，所述模式混合光纤具有第一端和第二端；以及

一个或多个泵浦源，所述一个或多个泵浦源可操作地耦合至所述模式混合光纤的所述有源芯，

其中，每个模式混合光纤具有模式混合波长，所述模式混合波长为所述泵浦波长，每个模式混合光纤具有中心线和折射率分布，每个模式混合光纤包括：

芯，所述芯具有折射率分布；以及

包层，所述包层围绕所述芯设置，

其中每个模式混合光纤的所述芯支持在所述模式混合波长的至少20个引导模式，并且

其中所述模式混合光纤被配置为在多个引导模式间分配在其中传播的具有所述模式混合波长的光辐射，从其较低阶引导模式分配到其较高阶引导模式，使得所述泵浦波长的所述光辐射的至少20％在除了基本模式之外的模式下被引导。

9.根据权利要求8所述的光学系统，其中所述模式混合光纤还包括围绕所述芯的泵浦芯，所述泵浦芯被配置为引导具有适合于泵激所述有源芯的波长的辐射。

10.根据权利要求8所述的光学系统，其中所述模式混合光纤的所述芯掺杂有一种或多种稀土掺杂物。

11.根据权利要求8所述的光学系统，进一步包括所述有源波长的种子光源，所述种子光源可操作地耦合至所述模式混合光纤的所述有源芯。

12.如权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其中每个模式混合光纤被配置为分配光辐射，使得所述模式混合波长的光辐射的至少40％在除了所述基本模式之外的模式下被引导。

13.如权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其中每个模式混合光纤被配置为将具有模式混合波长的光辐射从在基本模式下被引导至少90％分配为在多个引导模式间分配，使得模式混合波长的光辐射的至少50％在除了所述基本模式之外的模式下被引导。

14.如权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其中，每个模式混合光纤被配置为将光辐射分配成使得所述模式混合波长的光辐射的至少40％在除了所述基本模式或第一较高阶模式之外的模式下被引导。

15.如权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其中，每个模式混合光纤被配置为将所述模式混合波长的光辐射分配成使得所述模式混合波长的光辐射的不超过70％在任意两个引导模式下被引导。

16.如权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其中，每个模式混合光纤的所述芯具有中心线，所述中心线定位成不与所述模式混合光纤的中心线共线。

17.如权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其中，每个模式混合光纤的所述芯具有圆形的横截面形状。

18.如权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其中，每个模式混合光纤的所述芯具有非圆形的横截面形状。

19.如权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其中，在每个模式混合光纤中，最内芯的折射率分布包括围绕所述最内芯的中心线不对称设置的一个或多个掺杂区域，每个所述掺杂区域为高掺杂或低掺杂。

20.如权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其中，每个模式混合光纤的所述芯包括一个或多个低掺杂区域。

21.如权利要求20所述的光学系统，其中，在每个模式混合光纤中，所述低掺杂区域中的至少一个围绕所述芯的中心线对称设置。

22.如权利要求20所述的光学系统，其中，所述一个或多个低掺杂区域中的一个或多个围绕所述芯的中心线不对称设置。

23.如权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其中，每个模式混合光纤的所述芯包括一个或多个高掺杂区域。

24.如权利要求23所述的光学系统，其中，所述一个或多个高掺杂区域中的一个或多个围绕所述芯的中心线不对称设置。

25.如权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其中，每个模式混合光纤的横截面轮廓不是圆形对称的。

26.如权利要求25所述的光学系统，其中，每个模式混合光纤的横截面轮廓沿其长度形成为螺旋形。

27.如权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其中，每个模式混合光纤的芯的直径在50μm至3000μm范围内。

28.如权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其中，每个模式混合光纤具有在100μm至3600μm范围内的外径。

29.如权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其中，每个模式混合光纤的外径是所述模式混合光纤的芯的外径的至少1.2倍。

30.如权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其中，每个模式混合光纤的长度在1m至100m的范围内。

31.如权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其中，每个模式混合光纤的散度在40mrad直到所述芯的数值孔径的范围内。

32.如权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其中，每个模式混合光纤具有在0.1至0.60范围内的数值孔径。

33.如权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其中，所述芯支持在所述模式混合波长处至少30个模式，至少40个模式或至少50个模式。

34.如权利要求1-9中任一项所述的光学系统，其中，每个模式混合光纤被配置为提供在具有强度分布的模式混合波长处的引导辐射，所述引导辐射在其平均强度的15％内具有其横截面积的至少80％。

Images