CN113316729A - 用于将受激拉曼散射（srs）光导向出光纤的光纤装置 - Google Patents
用于将受激拉曼散射（srs）光导向出光纤的光纤装置 Download PDFInfo
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Abstract
用于在信号光谱上选择性地将拉曼光谱耦合出光纤的光纤装置、系统和方法，所述信号光谱可以在光纤系统的一个或多个导模中传播。光纤系统可以包括线性调频光纤布拉格光栅(CFBG)或长周期光纤光栅(LPFG)，其中每一者都有选择地在信号光谱上将以光纤的纤芯传播模传播的拉曼光(通过任何周围的包层)完全去导向出光纤，信号光谱将保持在光纤的导模中。
Description
优先权声明
本申请要求于2018年12月28日提交的题为“用于将受激拉曼散射(SRS)光导向出光纤的光纤装置和方法”的美国临时专利申请第62/786,173号的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
背景
光纤激光器工业继续增加激光器性能度量，例如平均功率、脉冲能量和峰值功率。脉冲能量和峰值功率与光纤中能量的存储和提取相关联，同时减轻可能对输出脉冲的时间和光谱内容具有不利影响的非线性过程。受激拉曼散射(SRS)光是与光纤介质(例如玻璃)的振动相关联的一个这样的非线性过程的结果。 SRS通常是通过这些系统所包括的光纤的光纤激光器和/或光纤功率放大器信号光的不想要的副产品。
SRS光的产生可以降低预期信号输出波长中的功率。SRS的产生还可能使激光发射不稳定，导致不期望的输出功率波动。SRS的产生也可能对激光系统发射的空间分布有不利影响。也可以通过从激光系统内部或外部的物体(例如用于操纵激光器或放大器输出的光装置或被施加激光输出的工件)的反射，在激光器和放大器系统中再引入SRS。这种反射还会使激光发射不稳定。一旦产生，光纤系统的激光器和/或放大器可以将SRS光放大到对系统内部的部件(例如光纤激光器或光纤放大器)造成灾难性损坏的程度。SRS 光也可能对光纤系统外部的部件有害，因为可能没有为SRS光的波长指定外部组件。所递送的波长与所期望的波长之间的这种不匹配可导致工件性能不理想，或者可导致具有集成光纤系统的外部系统造成眼睛安全问题。同样地，可能期望抑制光纤系统内的SRS的生成，从光纤系统移除SRS光，和/或以其他方式减轻SRS的一个或多个不想要的影响。
附图说明
在附图中通过举例而非限制的方式示出了在此描述的材料。为了说明的简单和清楚，图中所示的元件不必按比例绘制。例如为了清楚起见，一些元件的尺寸可能相对于其他元件被夸大。此外，在认为适当的情况下，在图中重复参考标号以指示对应或类似元件。图中：
图1是示出根据一些实施例的用于选择性地将拉曼光谱耦合出光纤的方法的流程图；
图2是根据一些实施例的将拉曼光谱选择性地耦合出光纤的装置的示意图；
图3A和图3B是根据一些实施例的光纤的纵向和横向截面图；
图4A是根据一些实施例的包括长周期光纤光栅(LPFG)的光纤长度的纵向截面图；
图4B是穿过根据对称光栅实施例的图4A所示的LPFG的一部分的横向截面图；
图4C是穿过根据非对称光栅实施例的图4A中所示的LPFG的一部分的横向截面图；
图5是根据一些实施例的包括线性调频光纤布拉格光栅(CFBG)的光纤长度的纵向截面图；
图6是示出根据一些实施例的从具有线性调频光纤布拉格光栅(CFBG)的光纤系统中选择性地去除拉曼光谱的方法的流程图；
图7是根据一些CFBG实施例的将拉曼光谱选择性地耦合出光纤的装置的示意图；和
图8A和图8B是根据一些实施例的包括光振荡器、光功率放大器和LPFG或CFBG的光纤系统的示意图。
具体实施方式
参考附图描述一个或多个实施例。虽然详细示出和讨论了具体的构造和布置，但是应当理解，这仅仅是为了说明性目的。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本描述的精神和范围的情况下，其他配置和布置是可能的。对于相关领域的技术人员显而易见的是，本文所述的技术和/或布置可用于除本文详细描述的以外的各种其他系统和应用中。
在以下对附图的详细描述中参考了附图，附图形成了描述的一部分并且示出了示例性实施例。此外，应当理解，在不脱离所要求保护的主题的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构和/或逻辑改变。还应当注意的是，例如向上、向下、顶部、底部等的方向和参考仅仅是为了便于描述附图中的特征。因此，以下详细描述不应被理解为限制意义，并且所要求保护的主题的范围仅由所附权利要求及其等效替换来限定。
在下面的描述中，阐述了许多细节。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在一些实例中，以块图形式而非详细地示出了公知的方法和装置，以避免模糊本发明。在整个说明书中对“实施例”或“一个实施例”的引用意味着，在本发明的至少一个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构、功能或特性。因此，在本说明书各处出现的短语“在实施例中”或“在一个实施例中”不一定指的是本发明的同一实施例。此外，特定特、，结构、功能或特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中。例如第一实施例可以与第二实施例组合，其中与两个实施例相关联的特定特征、结构、功能或特性不相互排斥。
如在本发明的说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该”也旨在包括复数形式的情况，除非上下文另外明确指出。还应当理解，本文所用的术语“和/或”指代并涵盖一个或多个相关所列的项目的任何和所有可能的组合。
术语“耦合”和“连接”连同它们的变体在本文中可用于描述部件之间的功能或结构关系。应当理解，这些术语不旨在作为彼此的同义词。更确切地说，在特定实施例中，“连接”可用于指示两个或两个以上元件彼此直接物理、光或电接触。“耦合”可用于指示两个或两个以上元件彼此直接或间接(其间具有其他介入元件)物理或电接触，和/或指示所述两个或两个以上元件彼此协作或相互作用(例如以引起效应关系)。
如在此使用的，术语“在…之上”，“在…之下”，“在…之间”和“在…上”是指一个部件或材料相对于其他部件或材料的相对位置，其中这样的物理关系是值得注意的。
如贯穿本说明书和权利要求书所使用的，由术语“中的至少一个”或“中的一个或多个”结合的项目的列表可以意指所列出的项目的任何组合。例如短语“A、B或C中的至少一个”可以意指A；B；C；A和B；A 和C；B和C；或A、B和C。
术语“亮度”是在给定方向上行进的光的每单位面积的发光强度的光度量度。术语光系统的“数值孔径”或“NA”是表征该系统可以接受或发射光的角度范围的无量纲数字。术语“光强度”不是官方(SI)单位，而是用于表示在表面上或通过平面的每单位面积的入射功率。术语“功率密度”是指每单位面积的光功率，尽管这也称为“光强度”和“光通量”。术语“径向光束位置”是指在垂直于光纤轴的方向上相对于纤芯中心测量的光束在光纤中的位置。术语“辐射率”是由光源(例如激光器源)的单位面积在给定方向上每单位立体角发射的辐射。可以通过改变光束强度分布和/或光束发散剖面或分布来改变辐射度。术语“折射率分布”或“RIP”是指根据沿垂直于光纤轴的线(1D)或平面(2D)的位置的折射率。许多光纤是根据方位角对称或旋转对称的，在这种情况下，对于任何方位角来说，该一维的RIP都是相同的。术语“光功率”是每单位时间的能量，例如由激光束传递的能量。术语“导向光”描述被限制为在光波导内传播的光。术语“包层模”是由光纤的一个或多个纤芯内的波导支持的导向传播模。术语“包层模”是由光纤的一个或多个包层内的波导支持的导向传播模。术语“去导向的光”描述了不被限制在任何光波导内的光。术语“去导向”描述了将导向光转变为去导向光的行为。。
本文描述了适用于抑制光纤系统内的SRS生成、从光纤系统移除SRS光和/或减轻光纤系统内的SRS 的一个或多个不想要的影响中的一者或多者的光纤装置、系统和方法。
图1示出根据一些实施例的用于选择性地将拉曼光谱能量去导向出光纤的方法100。方法100与将拉曼光谱能量与信号光谱能量分离同时将拉曼光谱能量的重要部分限制在光纤的一些传播模内的方法相区别。方法100开始于块105，其中光在光纤的第一长度上传播，例如主要以纤芯传播模传播。在块105传播的光具有信号分量Is和拉曼分量Ir。在块110处，根据波长，从纤芯传播模和光纤所支持的任何其他传播模(例如高阶导芯模式或导包层模式)中去导向光。拉曼分量Ir可以通过被调谐以在分量波长λr，λs之间进行区分的光栅从光纤移除。在一些示例性实施例中，在块110处采用光纤光栅来将拉曼分量Ir从光纤所支持的任何模式中去耦，同时将信号分量Is保持在导向传播模(例如芯模)中。利用由光纤光栅耗散的拉曼分量，光纤系统可以受益于拉曼分量比信号分量更大的传播损耗。
图2是根据一些长周期光纤光栅(LPFG)实施例的从光纤中选择性地去导向拉曼光谱能量的装置201 的示意图。例如装置201可操作来执行方法100。如图所示，装置201包括耦合以在第一光纤长度220和第二光纤长度230之间传播信号光的拉曼LPFG 225。在光纤长度220和230中的任一个内传播的光除了信号分量Is之外还可以包括拉曼分量Ir。信号分量Is在预定信号光谱上具有一定范围的每频率或波长的功率(W/nm)，所述预定信号光谱包括适用于高功率光纤激光系统的一个或多个信号波长(例如具有微米中心波长，诸如1050nm、1070、1080等)。类似地，拉曼分量Ir在包括一个或多个拉曼波长的拉曼功率谱上具有一定范围的每频率或波长的一定功率(W/nm)。通常，拉曼分量Ir所跨越的波长长于信号分量Is所跨越的波长(例如拉曼移位的中心波长，例如1100nm、1122nm、1133nm等)。拉曼分量Ir还可以具有比信号分量Is更宽的频带。
在所示的例子中，在光纤长度220内，信号分量Is和拉曼分量Ir都以芯导模lm1传播。在一些例子中，芯导模是线性偏振模LP1m，一个实施例是光纤芯的线性偏振横向基模LP01。LP01在射束形状、通过自由空间传播期间的最小射束扩展(通常称为“衍射受限”)以及最佳聚焦能力方面具有所需特性。因此，在光纤激光器工业中，基模LP01传播通常是有利的。
拉曼LPFG 225将至少一些光从纤芯传播模去耦合并离开光纤，逃逸光纤长度230支持的所有传播模。拉曼LPFG 225具有波长依赖性，其被调谐为与拉曼光谱的相互作用大于与信号光谱的相互作用。由于波长选择性，拉曼LPFG 225在拉曼光谱内具有更高的耦合效率，在芯模中传播的耦合拉曼光谱能量比落在拉曼LPFG 225被调谐以相互作用的频带之外的信号光谱能量更有效。拉曼LPFG 225的结构有利地使得在芯模中传播的拉曼光谱能量不会强耦合到由光纤长度220和/或230支持的其他模。例如如果光纤长度 220和/或230包括适于支持多个芯模的多模光纤，则拉曼LPFG 225不会强耦合所述芯模之间的拉曼光谱，而会去耦合拉曼光谱能量。同样，如果光纤长度220和/或230包括适于支持传播模的包层，则拉曼LPFG 225不将拉曼光谱强耦合到包层模式中。因此，拉曼LPFG 225因此可被认为是“拉曼选择性的”或简单地“拉曼”光剥离剂。在一些实施例中，拉曼LPFG 225嵌入在与光纤长度230基本上相同的光纤长度内，下面将更详细描述。
在一些实施例中，光纤长度220和230每个都能够仅支持一个芯导模(即光纤长度220和230每个都可以包括单模或SM光纤)。在一些替换实施例中，光纤长度220和230每个都能够支持多于一个的芯模 (即，光纤长度220和230每个都可以包括多模或MM光纤)。在拉曼LPFG 225被调谐到拉曼光谱的情况下，信号分量Is自由地在光纤长度230的芯导模lm1(例如LP01)中传播，而拉曼分量Ir主要由光纤长度230的任何部分(芯或包层)去导向。拉曼LPFG225可以将纤芯传播模或一个或多个包层传播模去导向到光纤长度230外部的自由空间传播中。值得注意的是，对于显着地大于拉曼光谱中心波长的一半的长光栅周期(例如近邻)，与信号分量Is共传播的拉曼光可以被逐渐地去导向。这与被设计为用于共传播芯模的模式转换器的LPFG形成对比。根据本文中的实施例的LPFG还应该与具有显著较短的光栅周期(例如对于具有1070nm左右的波长的高功率光纤激光信号的示例性的拉曼光谱，不超过拉曼光谱的中心波长的一半，或大约500-600nm)并且将反射成反传播模的光纤布拉格光栅(FBG)相区别。相对于FBG，拉曼LPFG 225还具有作为至少较大光栅周期的函数的更简单的制造的优点。
在图2所示的实施例中，拉曼LPFG 225的对称程度使得，在光纤长度230的芯模(例如lm1)中反传播的光的拉曼分量Ir也被选择性地去导向离开光纤长度220(光纤长度220和230包括类似的包层架构)。然而，任何信号分量保持在光纤长度220的芯导模lm1(例如LP01)中自由传播。
图3A和3B分别是根据一些多包层光纤实施例的光纤230的纵向和横向截面图。尽管示出了双包层光纤实施例，但是光纤长度230可以具有已知适合于光纤的任何数量的包层(例如单包层或三包层等)。在图3A和3B所示的例子中，光纤长度230具有中心纤芯305和包围纤芯305的环形内包层310。环形外包层315包围内包层310。纤芯305和内包层310可以具有任何合适的组分(例如玻璃)。例如外包层315可以是聚合物或玻璃。尽管未示出，一个或多个保护(非光学)涂层可以进一步包围外包层315。对于单包层实施例，芯305可以简单地被保护(非光学)涂层包围，或者可以仅存在与自由空间的折射率对比度不足的外包层315，或者存在周围的保护包层以支持任何导向包层模式。
光纤长度230可以具有任何合适的折射率分布(RIP)。这里使用的“折射率分布”或“RIP”是指根据沿着与光纤轴(图3A中的z轴)垂直的线(例如图3B中的x轴或y轴)或平面(例如图3B中的x-y平面) 中的位置的折射率。在图3A所示的例子中，RIP是旋转对称的，在这种情况下，RIP对于任何方位角都是相同的。或者，例如对于双折射光纤结构，RIP可以根据方位角而变化。纤芯305、内包层310和外包层 315可以各自具有任何RIP，包括但不限于阶跃折射率和渐变折射率。“阶跃折射率型光纤”具有在纤芯305 内基本上平坦(折射率与位置无关)的RIP。内包层310还可以在DClad,1上具有基本平坦的RI，在纤芯305 和内包层310之间的界面处具有光纤长度230的RIP。图3A示出了适用于光纤激光器的一个示例性阶跃 RIP的示例。或者，芯305和内包层310中的一个或多个可以具有“渐变折射率”，其中RI随着径向位置的增加(即随着与芯和/或包层轴的距离的增加)而变化(例如减小)。
根据一些实施例，芯305适于光的多模传播。具有足够的纤芯直径Dcore,1和/或数值孔径(NA)对比度，光纤长度230将支持多于一个的横向光模在纤芯305内的传播。在其他实施例中，纤芯305的直径和 NA足以只支持单一(基本)横向光模的传播。在一些示例性实施例中，芯直径Dcore,1在10-100微米(μm) 的范围内，并且内包层直径DClad,1在100-1000μm的范围内，尽管每者也可以具有其他值。
内包层310可以具有大于纤芯305的面积，并且还可以具有更高的NA。内包层310支持至少一个传播模，但可以支持大量这样的模。根据一些有利的实施例，拉曼LPFG 225不将拉曼分量Ir强耦合到这些导向的包层模中的任何一个中，而是将拉曼分量Ir去导向到内包层310之外并且导向到辐射和/或泄漏模的连续体中。模变得有多强是根据光栅设计和光栅与目标模式相互作用有多强。尽管将纤芯305和内包层310 示出为同心的(即中心纤芯)，但它们不必是同心的。纤芯305和内包层310中的一个或多个也可以是除圆形之外的各种形状，例如但不限于环形、多边形、弓形、椭圆形或不规则形状。所示实施例中的纤芯305 和内包层310是同轴的，但也可以具有相互偏置的轴。虽然DClad,1和DCore,1被示为在纵向上围绕中心光纤轴(图2A中的z轴)的常数。直径DClad,1和DCore,1可替代地在光纤230的纵向长度上变化。
进一步参考装置201(图2)，光纤长度220可以具有上述光纤长度230的任何特性。在一些实施例中，光纤长度220具有与光纤长度230基本相同的纤芯和包层架构。例如光纤长度220也可以包括双包层光纤。光纤长度220可以基本上与光纤长度230相同，例如具有相同的纤芯和包层架构、组成和尺寸(例如直径)。对于这样的实施例，光纤长度220还支持一个或多个纤芯导模和一个或多个包层导模。
拉曼LPFG 225可以具有多种架构，这些架构能够通过任何包层将目标光谱带宽(例如拉曼分量Ir) 从芯模(例如LP01)去导向出光纤(例如进入自由空间或者导向到一些合适的光束收集器和/或热沉)。图 4A是根据一些实施例的包括示例性拉曼LPFG 225的光纤的一段长度的纵向截面图。拉曼LPFG 225将与芯模电场相互作用。这可以通过直接相互作用或消散。因此，拉曼LPFG 225可以在包层中，或者甚至包括外表面扰动。然而，在所示的例子中，拉曼LPFG 225在光栅长度L上至少在纤芯305内包括折射率(RI) 扰动405。在所示实例中，拉曼LPFG 225在双包层光纤内，并且RI扰动405具有高于标称纤芯折射率n3的折射率n4。对于外包层315具有折射率n1并且内包层310具有折射率n2的实施例，模式拉曼LPFG 225内的RI可以变化为n1<n2<n3<n4。RI扰动405可以在目标波长范围内影响在纤芯305内导向的光，而目标波段外的光可以基本上不受RI扰动405的影响。
RI扰动405被示为具有周期Λ。光栅周期Λ可以随着拉曼光谱而变化，但是如上所述是至少大于中心拉曼波长的一半。在中心拉曼波长为1100nm或更大的一些示例中，光栅周期Λ为600nm或更大。在一些其他实施例中，光栅周期Λ是中心拉曼波长的两倍或更多倍，例如范围为100-1000μm。尽管在图4A 中示出了固定周期光纤光栅，但是非周期性(即线性调频)、变迹或超结构光栅实施例也可以是拉曼LPFG 225的适当实现方式。例如长周期光栅结构的线性调频实施例可以提供比它们的周期性结构更宽的光谱响应。长周期光栅结构的变迹实施例可以例如改善拉曼光谱与信号光谱的模式分离。超结构实施例可以包括各种长周期光栅结构(例如包括线性调频和变迹结构)。
与拉曼LPFG 225相关并表示选择性地导向拉曼分量Ir的能力的耦合效率不仅取决于RI调制的幅度和光栅长度L，还取决于光栅的三维形状。在一些实施例中，拉曼LPFG225包括具有RI扰动的圆柱形或旋转对称光栅，所述RI扰动独立于方位角(例如基本上正交于光纤轴的角度)和/或纤芯半径。图4B是根据圆柱对称光栅实施例的通过一个RI扰动405的拉曼LPFG 225的横向截面图。如图所示，在RI扰动405 的x-y平面内，折射率与方位角
和芯半径r无关(例如在x-y平面内的各处RI是n4)。在一些替换实施例中，拉曼传播模耦合器包括具有RI扰动的圆柱非对称光栅，所述RI扰动取决于方位角(例如相对于光纤轴的正交方向倾斜的RI扰动)和/或纤芯半径。图4C是根据圆柱形或旋转、非对称或“倾斜”的光栅实施例的通过光纤光栅225的一部分的横向截面图。如图所示，折射率可以取决于RI扰动405的x-y平面内的方位角
(例如从n3变化到n4)和/或芯半径r。相对于对称实施例，这种倾斜光栅实施例可以具有更大的辐射散射或泄漏模式的优点。对称光栅实施例可以将较少量的光散射到这样的辐射模式中，并且至于多大的量足够大以实现所期望的SRS减少，这是设计要求的问题。
在一些其他实施例中，使用线性调频光纤布拉格光栅(CFBG)来选择性地从光纤的芯模和/或包层模导向拉曼光谱能量。图5是根据一些实施例的包括拉曼CFBG 525的光纤长度的纵向截面图。拉曼CFBG 525 包括在光栅长度L上的至少纤芯305内的折射率(RI)扰动405。拉曼CFBG 525集成到双包层光纤中，但是类似的光栅结构也可以集成到能够支持一个或多个导向包层模的其他光纤结构中。对于上述LPFG实施例，RI扰动405具有高于标称纤芯折射率n3的折射率n4。对于外包层315具有折射率n1并且内包层310 具有折射率n2的实施例，模式拉曼LPFG 225内的RI可以类似地变化为n1<n2<n3<n4。
对于拉曼CFBG 525，RI扰动405具有随光栅长度L变化的周期。因此CFBG 525是纵向非对称的，具有最短光栅周期Λ1的第一“蓝色”端和最长周期Λi的第二“红色”端。光栅周期Λ1和Λi可以各自基于CFBG 525所调谐到的拉曼光谱而变化。在示例性实施例中，最长光栅周期Λi小于LPFG实施例的光栅周期Λ，而最短光栅周期Λ1小于中心拉曼波长的一半。在中心拉曼波长为约1100nm的一些示例中，最短光栅周期Λ1为200-550nm。在一些这样的实施例中，光栅周期Λi小于5μm。根据光栅长度L上的任何函数(例如线性函数)，光栅周期可以在最短和最长周期之间变化，例如变化10s或100s的nm。
图6是示出用于从具有线性调频光纤布拉格光栅(CFBG)的光纤系统中选择性地去除拉曼光谱的方法600的流程图。对于光栅的一端具有足够短的周期使得拉曼分量Ir将满足布拉格条件并以避开光纤约束的方式被反射的实施例，方法600可以利用CFBG 525来实现。周期在光栅长度上的变化可以进一步导致拉曼分量Ir的非对称处理，其取决于CFBG525相对于光纤内的光传播方向的取向。例如在图6中，方法 600开始于块605，其中光主要以纤芯传播模在第一光纤长度和第二光纤长度上传播。第一光纤长度和第二光纤长度耦合到CFBG的相对端，例如第一光纤长度耦合到蓝色端，第二光纤长度耦合到红色端。在块 605传播的光具有信号分量Is和拉曼分量Ir。在块610，调谐到拉曼分量波长λr的CFBG选择性地将入射到CFBG的红色端的拉曼分量Ir主要反射为反传播的去导向波，而入射到CFBG的红色端的信号分量Is主要保持在纤芯传播模。在块615，调谐到拉曼分量波长λr的CFBG选择性地将入射到CFBG的蓝色端的拉曼分量Ir主要反射到反传播(导向)芯模，而入射到CFBG的蓝色端的信号分量Is主要保持在纤芯传播模。因此，从光栅的红色侧注入光将导致向HOM和辐射模式的散射(尽管不是完全地，因为可以预期一些光反射回到反传播芯模中)。然而，来自光栅的蓝色侧的入射光通常不会散射成HOM或辐射模式，并且将更有效地耦合到反传播芯模中。因此，拉曼CFBG可用于导向拉曼分量Ir的主传播模，而信号分量Is主要保持在导向(例如纤芯)传播模。同样地，根据实施例的拉曼CFBG可以集成到光纤系统中以抑制或减轻光纤系统内的拉曼光的影响。
图7是根据一些CFBG实施例的光纤装置701的示意图，该光纤装置701选择性地从光纤的纤芯传播模去导向拉曼光谱。在本例中，CFBG 525具有耦合到光纤长度220的红色端和耦合到光纤长度230的蓝色端。CFBG 525将反射在纤芯传播模(例如lm1)内传播的拉曼分量Ir，拉曼分量Ir入射到纤芯之外的红端并进入自由空间(例如也离开任何包层之外)，在自由空间中拉曼分量Ir可以以某种方式在光纤长度220 之外耗散。CFBG 525不明显地反射信号分量Is，因此信号分量Is在光纤长度230的纤芯传播模(例如lm1) 内传播。对于在入射到蓝端的方向上在芯传播模(例如lm1)内传播的拉曼分量Ir，CFBG 525将在芯传播模(例如lm1)中反射拉曼分量，其中拉曼分量在光纤长度230内反传播。相反，信号分量Is通过CFBG525 自由传播，并保持在光纤长度220的纤芯传播模(例如lm1)内。
上述光纤装置中的一个或多个可以结合到更大的光纤系统中，例如包括光纤振荡器或谐振腔和/或包括光纤功率放大器的系统。例如图8是包括光振荡器821和光功率放大器822的光纤激光器系统801的示意图。系统801还包括适于将拉曼光谱选择性地耦合出光纤230的任何和/或所有导模的拉曼光纤光栅825。在一些有利的实施例中，拉曼光纤光栅825被实现为CFBG 525，并且可以具有以上在CFBG 525的上下文中描述的任何属性。在其他有利的实施例中，拉曼光纤光栅825被实现为LPFG 225，并且可以具有以上在CFBG 525的情况中描述的任何属性。在拉曼光纤光栅825存在的情况下，激光系统801内的拉曼光谱可以预期具有较低的强度。
光纤振荡器821通过激发光的信号光谱来产生光激光束。振荡器821包括由强光纤光栅807和光纤到光纤耦合器(FFC)808限定的光学腔，在光栅807和FFC 808之间具有掺杂的光纤长度805。掺杂光纤长度805可以包括各种材料，例如SiO2、用GeO2掺杂的SiO2、锗硅酸盐、五氧化二磷、磷硅酸盐、Al2O3、铝硅酸盐等，或其任何组合。在一些实施例中，掺杂剂是光学活性的，并且可以包括稀土离子，例如Er3+ (铒离子)、Yb3+(镱离子)、Nd3+(钕离子)、Tm3+(铥离子)、Ho3+(钬离子)等，或其任何组合，以提供光功率增益。掺杂的光纤长度805可以包括多包层光纤，例如基本上如上所述的光纤长度230，其中至少纤芯掺杂有增益介质。可替换地，掺杂光纤长度805可以包括单包层光纤或者任何其他已知的适用于光纤激光器的光纤结构。光纤振荡器821光耦合到泵浦光源815，泵浦光源815例如可以是固态二极管激光器或灯。在光纤振荡器821包括多包层光纤的情况下，泵浦光源815可以以同向传播或反传播的方式耦合到掺杂光纤长度805的包层中。在一些实施例中，掺杂光纤长度805包括支持纤芯内的多个传播模的多模光纤(例如基本上如上面针对光纤230所描述的)。然而，在一些替换实施例中，掺杂光纤长度805包括能够在纤芯内仅支持一个传播模的单模光纤。
光纤功率放大器822用于增加至少由振荡器821激发的信号光谱的辐射亮度。光纤放大器822被光耦合到泵浦光源816，泵浦光源816也可以是例如固态二极管激光器或灯。光纤功率放大器822包括掺杂光纤长度810，其可以具有上述用于掺杂光纤长度805的任何特性。例如在一些实施例中，掺杂光纤长度810 包括光学活性掺杂剂，例如稀土离子如Er3+(铒离子)、Yb3+(镱离子)、Nd3+(钕离子)、Tm3+(铥离子)、 Ho3+(钬离子)等，或其已知适合于提供光学功率增益的任何组合。掺杂光纤长度810可以包括多包层光纤，例如基本上如上文关于光纤长度230所描述的，其中至少纤芯用增益介质掺杂。在一些实施例中，掺杂光纤长度810包括支持纤芯内的多个传播模的多模光纤(例如基本上如上面针对光纤230所描述的)。在一些有利的实施例中，掺杂光纤长度805包括能够在纤芯中只支持一个导向传播模的单模光纤，而掺杂光纤长度810包括能够在纤芯中支持多个传播模的多模光纤。
根据一些实施例，光纤光栅825位于光纤系统801的输出和振荡器821之间。例如系统输出可以耦合到进一步耦合到处理头的传送光纤。对于还包括光放大器(例如功率放大器822等)的一些实施例，拉曼光栅位于光纤系统输出和放大器之间(例如光栅825通过功率放大器822与振荡器821分离)。
对于光栅825包括CFBG(例如基本如上所述的CFBG 525)的实施例，光栅825可以被定向为具有接近光纤系统801的输出的蓝色端和接近光纤振荡器821(和/或接近光纤功率放大器822)的红色端。在该取向中，在光纤长度230中朝着光纤230的芯模中的光纤振荡器821传播的拉曼光(例如从工件回射到耦合到光纤系统801的处理头中的拉曼光)被光栅825反射回到芯模中的光纤系统输出。因此，CFBG将排除来自光纤振荡器821和/或光纤功率放大器822的回射拉曼光谱。在光纤230的芯模式中从光纤振荡器 821传播的拉曼光(例如由掺杂的光纤长度805和/或810内的信号光进行常规放大)将由光栅825来去导向。因此，更少的拉曼光将返回光纤振荡器821和/或光纤放大器822。这种通用系统架构可以扩展到任何数目的光振荡器。例如可以为每个光振荡器在光多路复用器/组合器的上游放置一个CFBG。此通用系统架构还可扩展用于任何数目的光放大器增益级。例如一个CFBG可以位于两个相邻的光纤放大器增益级之间。
对于光栅825包括LPFG(例如基本上如上文所描述的LPFG 225)的实施例，光栅825可大体上如图 8中所说明定位，或可替代地定位在振荡器821与放大器822之间。在系统801的操作期间，LPFG将导向以芯模或包层模传播到光纤系统或从光纤系统传播(例如回射)的拉曼光谱。
虽然已经参照各种实施方式描述了本文阐述的某些特征，但是该描述不旨在被解释为限制性的。因此，对于本发明所属领域的技术人员而言很清楚的是，对本文描述的实现方式的各种修改以及其他实现方式被认为落入本发明的精神和范围内。应当认识到，本发明不限于如此描述的实施例，而是可以在不脱离所附权利要求的范围的情况下进行修改和改变。上述实施例可以包括仅仅采用这些特征的子集、采用这些特征的不同顺序、采用这些特征的不同组合，和/或采用与明确列出的那些特征不同的附加特征。因此，本发明的范围应当参照所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等效物的全部范围来确定。
Claims (20)
1.一种光纤装置，包括：
光纤的第一长度和第二长度，所述光纤的第一长度和第二长度中的每一长度均包括纤芯和一个或多个包层，其中，所述纤芯支持包括信号光谱和拉曼光谱两者的光的至少第一传播模；和
位于所述光纤的第一长度与所述光纤的第二长度之间的线性调频光纤布拉格光栅(CFBG)，所述CFBG对在所述第一传播模中传播的至少一些光以在所述拉曼光谱上比在所述信号光谱上更高的效率进行去导向。
2.根据权利要求1所述的光纤装置，其中：
所述拉曼光谱包括比所述信号光谱的一个或多个第二波长更长的一个或多个第一波长；
至少所述光纤的第二长度的一个或多个包层还包括内包层和与所述内包层接触的外包层；
所述CFBG包括光纤的第三长度，所述光纤的第三长度还包括纤芯、内包层和与所述内包层接触的外包层，其中所述纤芯的折射率根据所述CFBG的周期性在两个值之间交替变化，搜索CFBG的周期性沿所述第三长度变化；和
所述CFBG用于将所述拉曼光谱内的至少一部分光去导向到所述光纤的第二长度的内包层之外的自由空间传播模。
3.根据权利要求2所述的光纤装置，其中，所述CFBG具有在所述纤芯内沿方位角变化的折射率。
4.根据权利要求2所述的光纤装置，还包括能够操作以激发至少所述信号光谱的光振荡器，所述光振荡器耦合到所述光纤的第二长度，所述CFBG位于所述光振荡器和所述光纤的第一长度之间。
5.根据权利要求4所述的光纤装置，其中，所述CFBG具有相对于所述光振荡器的线性调频的方向，所述光振荡器进一步将所述拉曼光谱内的以所述第一光纤长度的所述第一传播模朝向所述光振荡器传播的至少一部分反光射为以所述第一光纤长度的所述第一传播模远离所述光振荡器反传播的光。
6.根据权利要求4所述的光纤装置，其中：
所述光振荡器包括长度的单模(SM)光纤的一段长度，所述单模光纤的一段长度具有仅支持所述第一传播模的纤芯；和
所述光纤的第二长度包括多模(MM)光纤，所述多模光纤的纤芯支持除所述第一传播模之外的一个或多个导向传播模。
7.根据权利要求6所述的光纤装置，还包括位于所述光振荡器和所述CFBG之间的光放大器，所述光放大器包括MM光纤的一段长度，所述MM光纤的一段长度具有掺杂有增益介质以激发至少所述信号光谱的纤芯。
8.一种光纤装置，包括：
光纤的第一长度和第二长度，所述光纤的第一长度和第二长度中的每一长度均包括纤芯和一个或多个包层，其中，所述纤芯支持包括信号光谱和拉曼光谱两者的光的至少第一传播模；和
位于所述光纤的第一长度与所述光纤的第二长度之间的长周期光纤光栅(LPFG)，所述LPFG具有大于所述拉曼光谱的中心波长的一半的周期，并对在所述第一传播模中传播的至少一些光以在所述拉曼光谱上比在所述信号光谱上更高的效率进行去导向。
9.根据权利要求8所述的光纤装置，其中：
所述拉曼光谱包括比所述信号光谱的一个或多个第二波长更长的一个或多个第一波长；
至少所述光纤的第二长度的一个或多个包层还包括内包层和外包层；
所述LPFG包括光纤的第三长度，所述光纤的第三长度还包括纤芯和内包层以及外包层，其中，所述纤芯的折射率沿所述第三长度在两个值之间变化，并且具有超过100μm的周期；和
所述LPFG将所述拉曼光谱内的所述至少一部分光去导向成超出所述光纤的第一长度和第二长度的所述内包层的自由空间传播模。
10.根据权利要求9所述的光纤装置，其中，所述LPFG具有在所述纤芯内根据方位角变化的折射率。
11.根据权利要求9所述的光纤装置，还包括用于激发至少所述信号光谱的光振荡器，其中所述光振荡器耦合到所述光纤的第一长度，所述LPFG位于所述光振荡器和所述光纤的第二长度之间。
12.根据权利要求11所述的光纤装置，其中：
所述光振荡器包括单模(SM)光纤的一段长度，所述单模光纤的一段长度具有仅支持所述第一传播模的纤芯；和
所述光纤的第二长度包括多模(MM)光纤，所述多模光纤的纤芯支持除第一传播模之外的一个或多个导模。
13.根据权利要求12所述的光纤装置，还包括位于所述光振荡器和所述LPFG之间的光放大器，所述光放大器包括MM光纤的一段长度，所述MM光纤的一段长度具有掺杂有增益介质以激发至少所述信号光谱的纤芯。
14.一种过滤来自光纤系统的拉曼光谱的方法，所述方法包括：
在光纤的第一长度的芯模中传播光，所述光纤的第一长度包括纤芯和一个或多个包层，所述光包括信号光谱和拉曼光谱两者；和
利用光纤光栅将来自所述芯模的至少一些光去导向到自由空间传播中，所述去导向对所述拉曼光谱内的光是选择性的，其中所述光纤光栅包括线性调频光纤布拉格光栅(CFBG)或长周期光纤光栅(LPFG)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中：
所述光纤第一长度和第二长度的一个或多个包层还包括内包层和外包层；和
去导向来自所述芯模的所述至少一些光还包括通过所述内包层对所述光进行去导向。
16.根据权利要求15所述的方法，其中：
所述去导向还包括通过所述CFBG去导向所述第一传播模中的拉曼光谱能量。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，具有较大周期的CFBG的第一端接近所述光纤系统的光振荡器，并且具有较短周期的所述CFBG的第二端接近所述光纤系统的输出。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述CFBG具有不超过所述拉曼光谱的中心波长的一半的最小周期。
19.根据权利要求15所述的方法，其中：
所述去导向还包括通过所述LPFG去导向所述第一传播模中的拉曼光谱能量。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述LPFG具有不小于所述拉曼光谱的中心波长的一半的周期。
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