CN110073557A - 串联泵浦光纤放大器 - Google Patents

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Abstract

在示例中，串联泵浦光纤放大器可以包括种子激光器、一个或多个二极管泵浦以及包括第一芯和第二芯的多芯光纤，其中第二芯包围第一芯。多芯光纤可以包括用作振荡器的第一部分和用作功率放大器的不同的第二部分。一个或多个二极管泵浦可以被光学地耦接到多芯光纤的第一部分，种子激光器可以被光学地耦接到第一芯。

Description

串联泵浦光纤放大器
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年10月13日提交的美国临时申请No.62/408,046的优先权，该临时申请通过引用整体并入本申请。
技术领域
本申请涉及光纤放大器。
背景技术
具有衍射限制光束(diffraction-limited beams)的适用于高能激光(HEL)应用的高平均功率光纤激光器目前主要被受激布里渊散射(Stimulated BrillouinScattering，SBS)和模态不稳定性(Modal Instability)限制了输出功率。一些已知的系统通过降低SBS有效地将功率扩展到大于2kW的水平。然而，模态不稳定性仍然可能制约常规大模面积(large-mode area，LMA)光纤(例如非光子晶体光纤(PCF)和/或光子带隙(PBG)光纤)中的功率扩展。具体地，模态不稳定性可以将衍射限制输出功率限制为接近2kW的阈值，例如20μm芯阶跃式双包层光纤激光器的～2.2kW。
附图说明
附图中，相同的附图标记表示相同的元件，附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分，并与具体实施方式一起解释本申请所公开的技术的优点和原理。
图1示出了串联泵浦光纤放大器。
图2示出了在一些实施例中可用于串联泵浦光纤放大器的同轴双芯光纤的横截面图。
图3A-3C分别示出了最终功率放大器内的计算信号功率和串联泵浦功率以及串联泵浦光纤放大器的上能级粒子数(upper state population)的曲线图、串联泵浦光纤放大器的框图以及串联泵浦光纤放大器的双芯和全玻璃光纤的横截面视图。
图4示出了与图3C的光纤类似的光纤的折射率。
具体实施方式
串联泵浦光纤放大器的一些实施例可包括种子激光器、一个或多个二极管泵浦以及包括第一芯和第二芯的多芯光纤，其中第二芯包围第一芯。多芯光纤可以包括用作振荡器的第一部分和用作功率放大器的不同的第二部分。一个或多个二极管泵浦可以被光学地耦接到多芯光纤的第一部分，种子激光器可以被光学地耦接到第一芯。
相比于在使用大量1018nm单模串联光纤激光器作为高亮度泵浦源的常规LMA光纤中使用10kW单模光纤激光器的系统，串联泵浦光纤放大器可以更小(例如，体积更小和/或不那么重)和/或更便宜。与这样的系统相比，串联泵浦光纤放大器可具有更低的功率要求和/或更低的散热要求。
在使用大量1018nm单模串联光纤激光器作为高亮度泵浦源的常规LMA光纤中使用10kW单模光纤激光器的系统可能需要将量子亏损加热(quantum-defect heating)从976nm泵浦系统中通常的～9％减少到串联1018nm泵浦放大器中的～4％以实现10kW，而本申请公开的实施例可能不会为了实现10kW或更高而受到相同的要求约束。采用串联泵浦光纤放大器的系统可以与常规LMA光纤技术兼容，但是可以通过放大多模二极管激光泵浦功率而获得几千瓦到10kW或更高的可扩展性。因此，本申请描述的实施例可以简化高能激光器应用中的制造。在采用串联泵浦光纤放大器的系统中，最终放大器级可以大于1kW以解决模态不稳定性。串联泵浦光纤放大器可以将单通道输出功率推到大于由模态不稳定性创建的已知阈值，例如3kW、5kW、10kW或更高。
已经确定了本方法的几个优点。首先，在一些实施例中，当在1018nm处泵浦时，功率放大器中的量子亏损在1030nm处可能仅为1.5％。在1064nm的标称波长下，该量子亏损约为4％。这与在976nm处泵浦(这可能与84％的量子亏损有关)相比还不到一半。其次，注入功率放大器的信号可能明显大于1kW。这两个因素都可能为模态不稳定性提供更高的阈值条件。这可以提供大于10kW的光谱光束组合(spectral beam combining，SBC)和相干光束组合(coherent beam combining，CBC)可组合功率。串联泵浦光纤放大器可以使用常规LMA光纤技术而不影响系统的总效率。所有这一切都可以通过利用低SWAP(尺寸、重量和功率)和低成本多模二极管泵泵浦来实现，而不是使用大量昂贵且庞大的单模光纤激光器。
一些实施例包括～6米“有效”光纤长度的多芯光纤，其包括掺杂镱(Yb)的芯区域、未掺杂的内包层区域以及外包层区域(例如，外玻璃包层)。在一个实施例中，掺杂的芯区域、未掺杂的内包层区域以及外包层区域的尺寸可分别为20-25μm、70μm和400-600μm(泵引导可为800μm)。多芯光纤可以包括最终功率放大器，最终功率放大器包括模场适配器，以使模式与多芯光纤的功率放大器部分相匹配。可以在内包层区域中引导1018nm串联泵并且可以在芯中泵浦信号。
如在本申请和权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数形式，除非上下文另有明确规定。另外，术语“包括”表示“构成”。此外，术语“耦接”不排除耦接元件之间存在中间元件。本文描述的系统、装置和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本申请针对各个公开的实施例的所有新颖和非显而易见的特征和方面，这些实施例可以单独存在并且可以互相之间存在各种组合和子组合。
所公开的系统、方法和装置不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和装置也不要求存在任何一个或多个展示的特定优点或解决一个或多个展示的特定问题。任何操作理论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法和装置不限于这些操作理论。尽管为了方便呈现，本申请以特定的顺序次序描述了一些公开的方法的操作，但是应该理解，这种描述方式包括重新的排列，除非下文阐述的特定语言需要特定的排序。例如，在某些情况下，顺序描述的操作可以重新排列或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能未示出所公开的系统、方法和装置可以与其他系统、方法和装置结合使用的各种方式。
此外，本说明书有时使用诸如“产生”和“提供”之类的术语来描述所公开的方法。这些术语是执行的实际操作的高级抽象。对应于这些术语的实际操作将根据具体实施方式而变化，并且本领域普通技术人员可容易地辨别。在一些示例中，值、过程或装置被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应当理解，这样的描述旨在表明可以在许多使用的功能替代方案中进行选择，并且这种选择不需要更好、更小或者优于其他选择。
参考指示为“上方”、“下方”、“更高”、“更低”等的方向描述了实施例。这些术语用于方便描述，但不暗示任何特定的空间定向。
图1示出了串联泵浦光纤放大器100。串联泵浦光纤放大器100可以包括具有选定中心波长的种子激光器105，其可以是伪随机比特序列(PRBS)相位调制的，以实现必要的带宽从而抑制SBS并保持足够长的相干长度用于SBC和CBC应用。在一些实施例中，对于掺杂镱的光纤，所选择的中心波长可以在1020-1080nm的范围内。种子激光器105可以包括前置放大器(未示出)以产生足够的功率，例如，大于20W的种子功率用于在后续部分中进行放大。
种子激光器105的光纤可以与串联振荡器泵浦(TOP)和辅助放大器(TOP-辅助放大器)110的光纤耦接(例如，拼接)，TOP和辅助放大器(TOP-辅助放大器)110的光纤可以与功率放大器115的光纤耦接(例如，拼接)。TOP-辅助放大器110可以包括多芯光纤(例如双芯光纤)的第一部分，并且至少一组一个或多个二极管泵浦被光学地耦接(例如端耦接、侧耦接等，或其组合)到二极管泵浦组，。
多芯光纤的一些芯(例如，双芯光纤激光器的两个芯)可以沿着相同的轴或不同的轴布置(例如，与对称围绕第一芯的第二芯同轴或与不对称围绕第一芯的第二芯同轴)。图2示出了在一些实施例中可以在图1的串联泵浦光纤放大器100中使用的同轴型双芯光纤200的横截面图。光纤200包括被第二芯201围绕的第一芯1。
在一些实施例中，第一芯1可具有第一直径，第二芯201可具有不同的第二直径(例如，较大的第二直径)。在实施例中，第一直径可以是～12.5μm，第二直径可以是～35μm。
第一芯1与第二芯201的掺杂不同。在实施例中，第一芯1可以包括第一掺杂浓度，第二芯201可以包括与较高吸收系数相关联的第二掺杂浓度。在一些实施例中，第一芯1可以包括镱-700(镱～50×1024m-3)，第二芯201可以包括镱-1200(镱～120×1024m-3)。
在一些示例中，第一芯1的数值孔径(NA)可以不大于第二芯201的数值孔径。在一个实施例中，第一芯1可具有约0.05或更小的数值孔径，第二芯201可具有不小于0.05的数值孔径(例如在0.05-0.10的范围内)。
光纤200可包括围绕芯1和芯201的包层205，以及护套210。包层205可以是引导八边形芯的玻璃包层多模泵浦，其具有大于第二芯的第二直径的第三直径，例如～800μm。
再次参考图1，TOP辅助放大器110可以包括多芯光纤的第一部分。第一部分可以包括第一光纤布拉格光栅(FBG)和第二FBG(例如，分别为HR(高反射)FBG和PR(部分反射)FBG)，其可以包括与第二芯201对应的直径。第一和第二FBG可以以选定波长为中心以形成多模振荡器，该多模振荡器为功率放大器115使用的串联泵浦建立必要的功率。
所选波长可以小于种子激光器的中心波长。在一些实例中差异可以是3％或更小(例如，2.3％)和/或差异可以在0.1-6％的范围内。在此范围内，具有足够尺寸的芯以抑制模态不稳定性和SBS。在一个实施例中，所选波长可以是1018nm。
在一些示例中，可以选择第一芯1的掺杂以仅产生足够的单模种子功率，同时其由多模976nm泵浦以及在第二芯201内产生的1018nm串联泵浦而双套色泵浦。多芯光纤的第一部分的振荡器可以同时使用这些掺杂芯来将大部分976nm多模泵浦功率转换成35μm直径内的1018nm波长。残留的未吸收的976nm泵浦(例如，几个百分点)可以进入多芯光纤的第二部分(例如，功率放大器115)的包层并被利用，这可以优化整体效率(例如，整体电光功率转换效率)。与1064nm放大器相比，当产生1018nm波长时，由于较低的量子亏损，对应于第一部分的o-o效率可以提高3％。
图3A-3C分别示出了最终功率放大器内的计算信号功率和串联泵浦功率以及串联泵浦光纤放大器350的上能级粒子数的曲线图300(图3A)、串联泵浦光纤放大器350的框图(图3B)以及串联泵浦光纤放大器350的双芯和全玻璃光纤375的横截面图(图3C)。串联泵浦光纤放大器350的建模在第二芯中显示出大于0.51dB(976nm和1018nm的)的吸收和大于15dB(976nm的)的吸收。当在20W下将1080nm的最长信号波长发射到光纤375的第一部分时，可以产生大于1.27kW的信号，其可以在光纤375的第二部分中被放大。
图3C示出了第一芯、第二芯、内玻璃包层的折射率，以及芯中的相对掺杂浓度。在该实施例中，值376-379可以分别是880μm、800μm、35μm和12.5μm，并且芯区域381可以包括镱-700～50×1024m-3的第一掺杂分布，芯区域382可包括镱-1200～120×1024m-3的不同的第二分布。在其他实施例中，值376-379可以分别是880μm、800μm、35μm和14μm。
建模预测976nm多模泵浦转换为1018nm串联泵浦的转换效率大于83％，并且在10米长振荡器的情况下，在光纤375的第二芯中可以产生大于12.5kW的功率水平。图表300中显示了该模拟的结果。
对于SBC或CBC，串联泵浦光纤放大器350的种子激光器可以是单模半导体激光器，例如分布式反馈(DFB)激光器或非平面环形振荡器(NPRO)，并且串联泵浦光纤放大器350的种子激光器被相位调制以抑制SBS(对于其他应用，可以使用任何合适的单模种子，例如任何20W单模种子)。种子激光器可以是1064nm。
串联泵浦光纤放大器350的TOP辅助放大器可包括双芯和多个包层，例如双层或三层包层。内芯可以被掺杂以在需要的种子波长处产生足够的功率来进入功率放大器级。外部多模芯可以被掺杂以将976nm二极管泵浦的一部分(例如，大部分)转换成1018nm串联泵浦。串联振荡器泵浦可以使用HR和PR FBG来产生～10nm带宽的多模振荡器，～10nm带宽的多模振荡器使用内芯和外芯的组合，它们可以以相同水平掺杂或以不同水平掺杂。HR和PRFBG的芯直径可以与TOP-辅助获得放大器的外部多模芯相同。注入该级的种子波长可以通过976nm多模泵浦放大以及通过在振荡器腔内产生的1018nm串联泵浦放大，例如具有由这些波长下的稀土掺杂剂吸收截面和芯-包层面积比确定的不同吸收系数。可以根据需要添加更多二极管泵浦来实现该激光器的功率放大以达到目标功率值，例如3kW、5kW、10kW等。在一些实施例中，“有效多模HR-FBG”可以是以下类型之一：
1.FBG写入芯直径等于379μm或479μm的掺锗光纤。
2.FBG写入芯直径等于379μm或479μm的掺锗光纤，并且拼接到相同芯尺寸的无源手征性耦接(passive chirally-coupled)芯光纤，以剥离高阶模，使得FBG的反射率大于99％。
3.FBG写入“有效芯直径”等于379μm或479μm的渐变反射型(grated-index，GRIN)光纤。
4.FBG写入“有效芯直径”等于379μm或479μm的GRIN光纤，并且拼接到相同芯尺寸的无源手征性耦接光纤，以剥离高阶模，使得FBG的反射率大于99％。
5.FBG写入多模光纤，其中多模光纤具有交替的高折射率壳环和低折射率壳环。
6.注入该级的种子波长可以通过976nm多模泵浦以及振荡器腔内产生的1018nm串联泵浦放大，例如具有由这些波长下的稀土掺杂剂吸收截面和芯-包层面积比确定的不同吸收系数。可以根据需要添加更多二极管泵浦来实现该激光器的功率放大以达到目标功率值，例如3kW、5kW、10kW等。
串联泵浦光纤放大器350的最终功率放大器可以使用内包层中的所有1018nm串联泵浦和一部分(例如，全部)未在振荡器中被吸收但在外包层中被引导的任何残留的976nm光以放大种子波长，模场适配器可用于在TOP辅助器光纤和最终功率放大器中匹配单模光束。一些实施例可以使用包层光剥离器(CLS)以在输出端盖之前剥离残留的976nm泵浦。
图4示出了与图3C的光纤375类似的并包括双芯三层光纤包层的光纤的折射率400。在该示例中，值476-479分别为660-880μm、600-800μm/.022NA或更高、～35μm(镱-1200掺杂环/0.05NA)、～10μm(镱-700掺杂/0.065NA)。
鉴于可以应用所公开技术的原理的许多可能的实施例，应该认识到，所示实施例仅是优选示例，并且不应被视为限制本申请的范围。申请人要求所有这些都属于所附权利要求的范围和精神。

Claims (20)

1.一种包括种子激光器的装置，其特征在于，所述装置包括：
多芯光纤，所述多芯光纤包括第一芯和第二芯，其中所述第二芯包围所述第一芯，所述种子激光器被光学地耦接到所述第一芯；
所述多芯光纤包括用作振荡器的第一部分和用作功率放大器的不同的第二部分；以及
一个或多个二极管泵浦，所述一个或多个二极管泵浦被光学地被耦接到所述多芯光纤的第一部分。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二芯与所述第一芯的掺杂不同。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，相比于所述第一芯的掺杂剂，所述第二芯的掺杂剂在选定的波长处提供更高的吸收系数。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，与所述振荡器相关的选定的波长小于所述种子激光器的中心波长。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述选定的波长与所述中心波长之间的差异在0.1-8％的范围内。
6.根据权利要求4所述的装置，其特在在于，所述种子激光器的中心波长在1020-1080nm的范围内。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述选定的波长是1018nm。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二芯的数值孔径大于或等于所述第一芯的数值孔径。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述振荡器包括多模振荡器。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一个或多个二极管泵浦的组包括多个二极管泵浦，并且所述装置还包括：
组合器，所述组合器被光学地耦接在所述多个二极管泵浦和所述多芯光纤的第一部分之间。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述一个或多个二极管泵浦中的二极管泵浦的数量包括数值N，其中所述组合器包括(N+1)×1组合器。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述种子激光器包括二极管激光器。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二芯具有与所述第一芯相同的轴线。
14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述种子激光器包括前置放大器用以产生大于20W的种子功率。
15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述种子激光器是伪随机比特序列PRBS相位调制的。
16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一个或多个二极管泵浦被耦接到(N+1)×1组合器，所述(N+1)×1组合器被耦接到所述多芯光纤的第一部分的一端。
17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一芯和所述第二芯掺杂有不同的稀土掺杂剂。
18.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一部分包括与所述振荡器相关联的高反射光纤布拉格光栅HR-FBG以及与辅助放大器相关联的部分反射光纤布拉格光栅PR-FBG。
19.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多芯光纤包括双芯三包层光纤。
20.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一芯的掺杂剂包括第一掺杂剂浓度，所述第二芯包括大于所述第一掺杂剂浓度的第二掺杂剂浓度。
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