一种设备包括：一个光学增益纤维，其具有一个芯、一个围绕该芯的包层，该芯和该包层限定一个光学增益纤维数值孔径；以及一个多模纤维，其具有一个半径大于该光学增益纤维的芯的半径的芯、一个围绕该芯的包层，该多模纤维的芯和包层限定一个比该光学增益纤维数值孔径大的多模纤维稳定数值孔径，该多模纤维被光学地耦合到该光学增益纤维，以便接收在该光学增益纤维中传播的光束且使接收到的光束在多模纤维芯内以与光学耦合相关联的低光学损耗稳定地传播。
【技术实现步骤摘要】
对相关申请的交叉引用本申请要求享有2015年3月26日提交的美国临时专利申请No.62/138,926的权益，该美国临时专利申请以引用的方式被整体纳入本文。
本公开内容涉及高功率光源中的低损耗光学耦合。
技术介绍
常规连续波纤维源典型地被设计成在表现出优良光束质量的输出光束中实现高平均功率，诸如数百W到数千W。在大多数情况下，在衍射极限处或附近的输出光束是高度期望的，因为该输出光束可以被聚焦到导致更高辐照度能力的更小光斑。由于多种实际益处，典型地通过使用级联纤维增益级的单模纤维激光系统架构获得这样的光束。然而，即使对于级联纤维激光系统，只能通过关于成本、可靠性以及性能做出多种权衡来实现单模性能。级联系统典型地包括：一个单模种子源，诸如，单模纤维振荡器，一个或多个纤维振荡器或纤维放大器级，其耦合到种子光束以缩放其功率；以及一个递送纤维，用于将光束递送到目标。在典型的系统中，种子光束在双包层纤维的芯中传播同时耦合到该纤维的包层内的泵浦光提供用于放大该种子光束的能量源。随后的放大或递送纤维级使用较大的纤维芯来防止与光束相关联的不利的非线性效应发生且增加泵浦吸收，但是增加纤维芯尺寸不利地允许光束以比优选的单个基模更高的多种横模传播。因此，采用多种技术来维持大模面积(LMA)纤维中的单模光束性能。维持增益级之间的单模性能的一种方式是，卷绕一个或多个级——包括当前的、先前的或随后的级，以使得较高阶模被抑制。增益级还可以小心地耦合至彼此——诸如通过绝热纤维锥体(taper)、模场适配
器或精密对准，以使得在前的增益级中的光束的基模被小心地匹配到或发射到随后的增益级的基模内。芯直径简单增加而没有其他纤维参数改变的设计因为纤维之间的模态失配而可以导致过量的拼接损耗。另外，增加的芯直径可以支持附加模式，促进多模传播，除非减小数值孔径以进行补偿。一般而言，功率耦合效率退化或与多种增益级耦合相关联的其他光学损耗是实现单模性能的必然阻碍，尽管由于附加部件以及有损连接造成部件(MFA，热管理)的成本增加以及伴随的可靠性降低。因此，需要在高功率连续波系统中进行创新而避免上述缺点。
技术实现思路
根据所公开的技术的一些实施例，一种设备包括：一个光学增益纤维，其具有一个芯、一个围绕该芯的包层，该芯和该包层限定一个光学增益纤维数值孔径；以及，一个多模纤维，其具有一个半径大于该光学增益纤维的芯的半径的芯、一个围绕该芯的包层，该多模纤维的芯和包层限定一个比该光学增益纤维数值孔径大的多模纤维稳定数值孔径，该多模纤维被光学地耦合到该光学增益纤维以便接收在该光学增益纤维中传播的光束且使接收到的光束在多模纤维芯内稳定地传播。根据所公开的技术的附加的实施例，一种方法包括：选择一个增益纤维的芯直径和数值孔径以及一个接收多模纤维的较大的芯直径和较大的数值孔径，以使得从该增益纤维耦合到该接收多模纤维的光束的光束参数乘积在不稳定的阈值以上且是稳定的；以及光学地耦合该增益纤维和该接收多模纤维。根据所公开的技术的另一方面，一种纤维激光系统包括：一个纤维振荡器种子源，用于生成光束，该纤维振荡器种子源具有一个芯直径和数值孔径；至少一个泵浦源，其被光学地耦合到该纤维振荡器种子源，用于光学地泵浦该纤维振荡器种子源；以及一个多模纤维放大器，其具有一个芯直径和数值孔径，该多模纤维放大器通过一个光学拼接头(splice)光学地耦合到该纤维振荡器种子源以便接收光束，其中该多模纤维放大器芯直径和数值孔径大于该纤维振荡器种子源芯直径和数值孔径以便限定芯直径差和数值孔径差，这些差被选择以提供大幅减少的光学损耗和稳定的光束参数乘积。根据下面参考附图进行的详细描述，专利技术的前述和其他的目的、特征和优点将变得更加明了，附图可以包括未按比例绘制的特征。附图说明图1是包括通过拼接头光学地耦合的光学纤维的设备的示意图。图2是包括通过拼接头光学地耦合的光学纤维的设备的另一个示意图。图3是包括通过自由空间光学器件光学地耦合的光学纤维的设备的示意图。图4是减少光学纤维之间的光学耦合中的损耗的方法的流程图。图5是模式功率含量对接收光学纤维的数值孔径的绘图。图6是光束参数乘积和光束半径对接收纤维的数值孔径的绘图。图7是纤维激光系统的示意图。具体实施方式如在本申请和权利要求书中使用的，单数形式的“一”、“一个”以及“所述”包含复数形式，除非上下文另有明确指示。此外，术语“包含”意指“包括”。另外，术语“耦合”不排除在耦合项之间存在中间元件。本文描述的系统、设备和方法不应被理解为以任何方式进行限制。而是，本公开内容指向多个公开的实施方案(单独地以及彼此间以多种组合和子组合的方式)的所有新颖的且非显而易见的特征和方面。所公开的系统、方法和设备既不限于任何具体的方面或特征或其组合，也不需要呈现任何一个或多个具体的优势或解决任何一个或多个具体的问题。任何操作理论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法和设备不限于这样的操作理论。尽管为了方便呈现而对一些公开的方法的操作以特定的顺次次序进行了描述，但是应理解，这种描述方式包含了重新排列，除非下面陈述的具体的语言需要特定的次序。例如，在一些情况下，顺次描述的操作可以被重新排列或被同时地执行。此外，为了简单起见，附图可能未示出公开的系统、方法和设备可以与其他系统、方法和设备结合使用的多种方式。此外，本说明书有时使用术语比如“产生”和“提供”来描述公
开的方法。这些术语是对执行的实际操作的高水平抽象。对应于这些术语的实际操作将依赖于具体的实施方式而变化，且可容易被本领域的普通技术人员识别。在一些实施例中，值、程序或设备被称作“最低”、“最好”、“最小”或诸如此类。将理解，这样的描述旨在表明可以在许多使用的功能替代方案间进行选择，且这样的选择不必更好、更小或以其他方式优于其他选择。参考一些被表示为“在…以上(above)”、“在…以下(below)”、“上(upper)”、“下(lower)”和诸如此类的方向描述实施例。这些术语是出于方便描述而使用的，而且不暗示任何特定的空间定向。如在本文中使用的，光学辐射指波长在大约100nm到10μm之间、且典型地在大约500nm到2μm之间的电磁辐射。基于可获得的激光二极管源和光学纤维的实施例通常与在大约800nm到1700nm之间的波长相关联。在一些实施例中，传播的光学辐射被称为一个或多个光束，所述一个或多个光束具有可以取决于光束波长和用于光束成形的光学系统的直径、光束横截面面积以及光束散度。为了方便起见，光学辐射在一些实施例中被称为光，且不必是可见波长的光。参考光学纤维描述代表性实施方案，但是可以使用具有正方形横截面、矩形横截面、多边形横截面、卵形横截面、椭圆形横截面或其他横截面的其他类型的光学波导。光学纤维典型地由被掺杂(或未被掺杂)以提供预定折射率或折射率差的二氧化硅(玻璃)形成。在一些实施例中，取决于感兴趣的波长，纤维或其他波导由其他材料诸如氟锆酸盐、氟铝酸盐、氟化物或磷酸盐玻璃、硫族化物玻璃、或者结晶材料诸如蓝宝石制成。二氧化硅和氟化物玻璃的折射率典型地是大约1.5，但是其他材料诸如硫族化物的折射率可以是3或更大。在再一些实施例中，光学纤维可以部分由塑料形成。在典型的实施例中，掺杂的波导芯诸如纤本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种设备，包括：一个光学增益纤维，其具有一个芯、一个围绕该芯的包层，该芯和该包层限定一个光学增益纤维数值孔径；以及一个多模纤维，其具有一个半径大于光学增益纤维芯的半径的芯、一个围绕该芯的包层，该多模纤维的芯和包层限定一个比该光学增益纤维数值孔径大的多模纤维稳定数值孔径，该多模纤维被光学地耦合到该光学增益纤维，以便接收在该光学增益纤维中传播的光束且使接收到的光束在多模纤维芯内以与光学耦合相关联的低光学损耗稳定地传播。
【技术特征摘要】
2015.03.26 US 62/138,9261.一种设备，包括：一个光学增益纤维，其具有一个芯、一个围绕该芯的包层，该芯和该包层限定一个光学增益纤维数值孔径；以及一个多模纤维，其具有一个半径大于光学增益纤维芯的半径的芯、一个围绕该芯的包层，该多模纤维的芯和包层限定一个比该光学增益纤维数值孔径大的多模纤维稳定数值孔径，该多模纤维被光学地耦合到该光学增益纤维，以便接收在该光学增益纤维中传播的光束且使接收到的光束在多模纤维芯内以与光学耦合相关联的低光学损耗稳定地传播。2.根据权利要求1所述的设备，其中该光学耦合与低光学损耗相关联。3.根据权利要求2所述的设备，其中该光学增益纤维数值孔径和该多模纤维稳定数值孔径被选择以使得：与光束的从该光学增益纤维到该多模纤维的光学耦合相关联的低光学损耗低于与光束的从该光学增益纤维到具有一个与该光学增益纤维数值孔径相等的芯数值孔径的多模纤维的光学耦合相关联的光学损耗。4.根据权利要求1所述的设备，其中该光学增益纤维数值孔径和该多模纤维稳定数值孔径被选择以使得它们的差超过与在该多模纤维中传播的光束的可变光束参数乘积相关联的数值孔径差。5.根据权利要求4所述的设备，其中超过的数值孔径差小于该光学增益纤维数值孔径的大约5％、10％、20％、50％、100％或200％。6.根据权利要求1所述的设备，其中该多模纤维通过一个熔接光学拼接头光学地耦合到该光学增益纤维。7.根据权利要求1所述的设备，其中该多模纤维通过自由空间光学器件耦合到该光学增益纤维。8.根据权利要求1所述的设备，其中该光学增益纤维是纤维振荡器。9.根据权利要求8所述的设备，其中该纤维振荡器包括：一个无源高度反射FBG纤维部分；一个有源振荡器纤维部分，该有源振荡器纤维部分在其一个上游端处拼接到该无源高度反射FBG纤维部分；以及，一个无源部分反射FBG纤维部分，该无源部分反射FBG纤维部分
\t在其一个上游端处拼接到该有源振荡器纤维部分的一个下游端且在其一个下游端处拼接到该多模纤维。10.根据权利要求8所述的设备，其中该纤维振荡器是单模纤维振荡器。11.根据权利要求1所述的设备，其中该多模纤维是多模纤维放大器。12.根据权利要求1所述的设备，其中该多模纤维是多模光束递送纤维。13.根据权利要求1所述的设备，还包括：其中该多模纤维包括第一多模纤维和第二多模纤维，其中该第二多模纤维具有一个直径比该第一多模纤维的芯的直径大的芯、一个围绕该第二多模纤...
【专利技术属性】
技术研发人员：R·L·法罗，D·A·V·克莱纳，
申请(专利权)人：恩耐公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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