一种高功率单模光纤激光器系统具有有源光纤，有源光纤包含共同延伸的多模纤芯(MM)和包围MM纤芯的覆层。根据本公开的一方面，MM纤芯掺杂有一种或多种选自稀土金属和过渡金属的离子并具有瓶颈截面。瓶颈截面包含较小且均匀尺寸的输入端区域、截头圆锥形区域和较大且均匀尺寸的放大区域。MM纤芯的阶跃折射率配置成具有中央下凹，中央下凹沿所述输入区域成形并定尺寸，以免扰乱基模的高斯场分布，逐渐地将高斯场分布变换为基模的环分布并且沿着放大区域支持后者。根据另一方面，纤芯还具备具有输出变换区域，其中逐渐使环形场分布成形为高斯场分布的下凹被输出端区域进一步无失真地支持。根据第一方面和第二方面配置的结构使用多种端和侧泵浦布置。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开内容涉及一种单模高功率光纤激光器系统，其配置有能够以实质基模引导 光的多模光纤。P,知抟术光纤激光器系统的许多应用需要高功率、高质量光束。利用SM有源光纤的光纤激 光器在功率上因出现光学非线性而有所限制。一个共同解决方案是使用MM有源光纤，MM有 源光纤能够支持一些高阶模(H0M)，但被配置用于防止这些H0M的激发和放大。然而，带有这类MM光纤的单模高功率(SMHP)光纤激光器系统的功率定标也在某 种程度上由于存在非线性而有所限制，所述非线性包含但不限于受激拉曼散射(SRS)。导致 相对较高光学非线性阈值的可能最有效的实用方法之一是，通过增加纤芯的直径，减小数 值孔径并且减小非线性相互作用的有效长度而减小MM光纤纤芯内部的功率密度。不幸的 是，出于以下原因这种几何结构不大容易实现。首先，纤芯直径的增加导致可被轻易激发的 H0M的数量增加，这不利地影响输出光束的质量。其次，制造具有真正极低An的高质量光 纤具有高度挑战性。第三，这类光纤对弯曲负载敏感。因此，需要一种具备至少一个实质上没有与已知现有技术系统相关的问题的有源 MM光纤的SMHP系统。另外需要一种具备具有纤芯折射率的MM有源光纤的SMHP系统，所述纤芯折射率 与已知SMHP系统的纤芯折射率比较，具有所激发基模的增大的有效区和较高的非线性阈值。另外需要一种具有有源多模MM光纤的SMHP系统,所述有源多模MM光纤配置成具 有掺杂物分布，所述掺杂物分布能够实质上仅仅放大基模同时最小化将所述基模耦合到周 边和中央对称高阶模的可能性。
技术实现思路
所有上文详细说明的需要以及其他需要都通过包含MM有源光纤的SMHP光纤激光 器系统得以满足，所述MM有源光纤被配置为实质上仅仅支持基模，具有在有源与无源熔接 光纤之间提供模式匹配的几何结构，并在高功率下以高非线性阈值操作。根据一个方面，所公开的SMHP光纤激光器系统被配置为具有直接接合到MM有源 光纤的输入SM无源光纤，使得以具有高斯场分布的单模福射自输入光纤的光发射到MM光 纤中，而无实质耦合损耗。在特定结构实施例中，MM有源光纤具有瓶颈形状的截面，所述截面由相对较窄的输入端区域、逐渐扩展的截头圆锥形变换器区域及相对较宽的均匀尺寸的 放大区域界定。MM纤芯的输入端区域被配置为与无源SM光纤纤芯的输出端实质上相同。因此，所 发射的SM在MM光纤的端区域中实质上仅仅激发具有与所发射SM的模场直径(MFD)实质 上匹配的模场直径的基模。变换器区域和放大区域被结构化用于维持所激发基模的传播， 同时最小化基模与高阶模(H0M)的耦合。根据本公开内容的另一方面，MM有源光纤具有阶跃折射率分布，所述阶跃折射率 分布具备延伸到中央纤芯区中且被配置用于可控制地将所激发基模的高斯场分布变换为 该模式的环分布的下凹。与高斯分布相比，环分布实质上具有较大有效区。基模的较大有 效区最小化某些H0M的放大，其继而在很大程度上保持基模中总体光能量/功率的大部分。 基模中的功率损耗越小，高功率SM器激光系统越高效。所述下凹沿着MM光纤的放大纤芯区域具有相对较大几何尺寸，即使没有下凹，与 MM纤芯的输入端区域相比，所述放大纤芯区域也具有相对较低的功率密度。密度愈低，非线 性的阈值愈高，光纤激光器的功率处理能力越好。由于场强度I随着模式区域A1的增加趋 向於更低，所以下凹的形成允许甚至更高的阈值。根据另一方面，通过沿着丽光纤纤芯的输入和输出端区域两者具体构造下凹而 进一步最小化MM光纤的输出端区域与输出SM无源光纤之间所界定的接合区域中的耦合损 耗。由于输入和输出SM无源光纤每个都被配置用于支持具有高斯场分布的SM辐射的传播， 因此，如果保持不变，那么环状分布会与高斯分布不匹配。实际上，这种不匹配会导致输出 接合处的功率损耗以及输入接合处的H0M的激发。为了避免因强度场差异而引起的功率损 耗，将MM光纤构造为具有双瓶颈形状，即其具有构造为与MM光纤的输入端和变换器纤芯区 域实质上相同的另外的逐渐变窄的输出变换器和输出端区域。然而，沿着两个端区域的下 凹很小以致于未扰乱高斯模式。所以，下凹沿着输入区域较小，沿着输入变换器区域逐渐扩 展，到沿着放大区域时扩展到最大均匀尺寸，仅沿着输出变换器区域逐渐变窄到沿着输I P/A，其中P是功率出端区域的较小尺寸。沿着输入和输出变换区域逐渐修改下凹的几何形状实质上 防止沿着这些区域的H0M激发的可能性。根据另一方面，所公开的MM有源光纤具有一阶跃折射率分布结构，所述阶跃折射 率分布结构被配置为具有掺杂物环分布以提供对基模的实质增益，但最小化诸如LP02的 中心对称模式的放大。掺杂物环分布被配置用于显著放大基模和尤其放大基模的环场分布 的峰，同时最小化H0M的放大。附图说明参考下列说明、随附权利要求以及附图会更好地了解本专利技术的这些以及其他特 征、方面以及优点。图1是具有有源MM光纤的单模高功率光纤激光器系统的一个实施例的示意图，所 述有源MM光纤被配置为具有瓶颈形状的截面并且根据端泵浦技术泵浦。 图2示出图1的丽光纤的折射率分布。 图3示出沿着所公开的MM光纤的端区域的中心对称模式和基模的折射率分布以及强度场分布。图4示出沿着MM光纤的中央区域的中心对称模式和基模的折射率分布以及强度 场分布。图5示出所公开的MM光纤的阶跃折射率，所公开的MM光纤具有具备环状掺杂物 分布的纤芯。图6是图1的系统中所利用的泵浦的前视图。图7示出利用端泵浦配置的所公开系统的另一实施例。图8示出利用侧泵浦布置的所公开系统的另一实施例。图9示出配置有侧泵浦布置的所公开系统的另一实施例。具体实施例方式现在详细参考SM高功率光纤激光器系统的公开实施例。在可能的情况下，相同或 类似的参考数字用于附图及说明书中来指代相同或相似的部件。附图为简化形式而非具有 精确尺寸。图1图解说明单模高功率(SMHP)光纤激光器系统10，其包含放大器12和泵浦单 元18等等，泵浦单元18根据端泵浦技术将泵浦光发射到放大器12的输出端20。SMHP光 纤激光器系统10操作使得当通过无源光纤24将SM辐射耦合到放大器12的输入端22时， 在放大器的输入处实质上仅仅激发基模。放大器12被配置为具有MM纤芯14，其掺杂有一种或多种稀土离子；以及一个或 更多个覆层16 (仅仅显示一个覆层)，其与丽纤芯共同延伸并包围丽纤芯。丽纤芯14和 覆层16具有各自的瓶颈形状截面，每个都包含均匀尺寸的窄输入端区域26、均匀尺寸的放 大区域28 (其比输入区域宽)，以及截头圆锥形输入变换器区域30 (其桥接端纤芯区域和放 大纤芯区域)。由于输入无源光纤24和放大器12的MM有源光纤各自的输出纤芯区域和输入纤 芯区域的几何形状，实质上在MM纤芯14的输入端区域22处仅仅激发基模。具体而言，配置 各光纤的熔接输出纤芯区域和输入纤芯区域，使得发射自无源光纤24的纤芯的输入SM辐 射的模场直径(MFD)实质上匹配丽纤芯14的输入端区域26所支持的基模的MFD。此外， 各自配置无源光纤24和放大器12的熔接纤芯端，使得输入SM和所激发的基模具有各自的 高斯场分布。无源和有源光纤各自的实质匹配的MFD和形状的组合允许将SM辐射实质上无损 耗地耦合到MM纤芯14中。此外，所发射本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：瓦伦丁·P·盖庞特瑟夫，瓦伦丁·弗明，尼古拉·S·普拉托诺夫，迈克尔·弗亚特金，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：
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