具有非均匀配置的光纤-光纤棒多模放大器的超大功率单模光纤激光器系统

技术领域

本公开涉及一种设置有单片光纤-棒光纤放大器的超大功率光纤激光器系统，在 自由空间上直接向激光头传送实质上基模的信号光。

背景技术

过去几十年，来自掺杂稀土元素的光纤源的输出功率显著增加，通过使用双包层 光纤导致大量光纤激光器在输出功率、光束质量、整体效率和波长适应性方面具有优秀的 性能。然而，对现代大功率光纤激光器系统的功率缩放(powerscaling)还远不能满足日益 增加的工业需求。

如本领域技术人员所理解的，构成大功率单模或低模(“SM/LM”)光纤放大器的前 提非常简单：最大程度地放大SM/LM有源光纤的芯径，并且最小化导引光的MM有源纤芯的长 度。容易理解的是较大芯径和较短长度的原因是出于对高峰值功率、高平均功率等级、以及 实质上衍射极限的激光输出的需要。

然而，增加波导的芯径导致增加导出的高阶模的数量，这样降低了光束质量。可以 通过大幅减小纤芯的数值孔径(“NA”)来消除对光束质量的影响，然而这样做将严重限制可 以耦合进入纤芯的泵浦光的量。因此，现有技术中用于实现大功率的唯一可行办法是包层 泵浦。使用包层泵浦需要增加有源光纤的有效长度，这是由于对耦合进入包层的泵浦光的 吸收效率大约比对耦合进入纤芯的泵浦光的吸收效率低8倍。因此，发生NLE的阈值径向地 降低。研究了用于改善能够发射SM/LM输出的大功率激光器系统的可缩放性的大量技术，下 文将进行简要描述。

明显影响可缩放性的一个重要发展包括光纤激光领域技术人员公知的双包层光 纤。例如，美国专利5,818,630及其扩展的专利族公开了一种包括双包层MM有源光纤放大器 的大功率光纤激光器系统。通过将模式匹配元件(所谓的模式转换器，光学领域的技术人员 公知为扩束器)布置在SM无源和MM有源光纤之间，来实现良好质量的输出光束。将转换器配 置为将SM扩展为有源光纤的基模大小，其中如本领域技术人员公知，将有源光纤的基模近 似描述为高斯形状。

这种设计不能毫无代价地实现。明显地，它体积较大并且并非坚固耐用，因此它的 使用被限制在相对无应力的环境中，其中在现场中不易于产生和维护这样的环境。如果将 锥状光纤用作模式匹配元件，则将它与相应的SM和MM光纤的端部熔接。在这种配置下，功率 在光纤之间接合部处损耗，明显增加了衍射受限光射线的失真。此外，由于双包层配置，泵 浦技术包括将泵浦光耦合进入内包层，这样增加放大器的长度并提升NLE的阈值。

目前，光纤激光产业转向晶体光纤棒，晶体光纤棒通常用于放大器链的输出级以 解决光纤放大器的可缩放性。基于空气孔包层技术(cladtechnology)，晶体光纤棒包括具 有掺杂纤芯、较大直径的泵浦纤芯或内包层及外包层的双包层结构。

棒状光纤的SM掺杂纤芯具有非常小的NA，并由熔融的硅石/石英制成，通常具有低 掺杂浓度。低数值孔径将可以耦合进入纤芯的大功率泵浦光的量限制为用于实现kW-MW范 围内(根据激光器系统操作在CW模式下或是脉冲模式下)的超大功率所需的量。因此，仅可 以将充分量的泵浦光耦合进入泵浦纤芯或内包层。因此，为了完全利用包层耦合的泵浦光， 光纤棒应具有在几十(通常超过50)厘米到几米之间改变的长度。因此即使最短的可用光纤 棒仍受到NLE存在的不利影响。当然，NLE严重限制了激光的功率可缩放性。

光纤棒中的低浓度离子(诸如，镱(“Yb”))通常为7xxppm。由于这种低掺杂浓度， 对泵浦光的吸收也是较低的。为了获得kW-MW的功率，应该发射非常大功率的泵浦光。为了 提供对泵浦光的充分吸收，应增加光纤棒的总长度。如上所述，增加总长度降低NLE的阈值， 进而限制放大器的功率可缩放性。

光纤棒的开放端结构是另一关注领域。通常，仅可以通过微光学器件实现将输入 信号发射通过空气孔。当然，微光学器件使整个系统配置变得复杂，并且更加麻烦和昂贵。 孔中存在空气降低了热传导特性。具体地，空气孔减慢了对热量耗散，因此可能损坏棒本 身，并引起环境危险。

美国专利7,813,603(“603”)公开了使用晶体光纤棒和基于所述棒的放大光纤器 件。“603”教导的结构包括放大介质；至少一个泵浦光传输光纤；以及反射元件，沿与信号光 传播方向相反的方向将泵浦光导入放大介质。将放大介质配置为多包层光子晶体光纤棒， 其中内包层被称作多模泵浦芯，接收沿与信号传播方向相反方向的反射泵浦光。如上所述， 由于SM掺杂纤芯较小，基本沿着光纤长度方向发生对反射泵浦光的吸收，以免在较低功率 等级下发生NLE。所公开的结构以不超过150W的输出功率工作，以免防止损坏掺杂纤芯。

综上所述，对大功率光纤系统的设计由于以下因素而面临困难：普通光纤和光纤 棒中的非线性效应；基模功率向高阶模的损耗(“HOM”)；泵浦亮度；以及产生过多的热量。尽 管每一因素单独地限制功率缩放性能，然而它们还是彼此相关联的。

因此，需要一种大功率SM光纤激光器系统，基本克服已知系统的上述不足。

还需要一种紧凑的、便携式的SM超大功率光纤激光器系统，能够输出kW级平均功 率和MW级峰值功率。

发明内容

所公开的大功率SM激光器系统配置有：增量器级，包括无约束的单片光纤-棒光纤 增量器，通过连续光纤输入区域、变换区域、光纤棒输出区域限定实施例增量器。单片MM波 导具有：连续MM纤芯以及至少一个包层，所述包层与所述纤芯共同延伸并包围所述纤芯。延 伸通过波导的输入光纤区域的纤芯的输入区域较小，并被配置为支持从种子源接收到的SM 信号光。

假定纤芯是瓶颈形横截面，则在沿着波导长度的某个地方，纤芯扩展，这样定义了 进入输出放大区域的变换区域。输出区域的均匀直径比输入纤芯部的均匀直径更大。虽然 有可能支持多个高阶模(“HOM”)，但是相较于对HOM的放大，明显放大的是单基模(single， fundamentalmode)，因此减小了噪声。所以，放大器发射基本为单基模的光。增量器没有接 合部，因此没有接合部损耗，也没有在基模和HOM之间进行耦合的可能。

增量器可以无约束地延伸在自由空间，向工作区域传送信号光，而不使用传统SM 无源传输光纤。增量器增大的芯径允许在较短的纤芯中吸收较多的泵浦光功率。具体地，将 至少一个MM泵浦光光纤设置为靠近增量器的输出端。所公开配置的泵浦机制允许沿与信号 传播方向相反的方向将泵浦光耦合进入增量器的纤芯，如本领域技术人员所公知地，这样 增强对泵浦光的吸收。

通过与对应增量器的输出端间隔开的反射元件和传输光纤，提供对泵浦光的反向 传播耦合。配置数值孔径(“NA”)小于增量器的数值孔径的泵浦光传输光纤以及期望曲率的 反射元件有助于将被反射的泵浦光耦合到增量器的输出纤芯端。

输出区域的较大芯径和泵浦机制是允许增量器相对较短的重要参数。选择长度以 便主要沿着增量器的棒-光纤区域的输出纤芯区域提供对耦合泵浦光的吸收。虽然泵浦光 的功率较大，减小的长度使NLE的发生几率最小化。

反射元件配置有与增量器的光轴相对准的开口。选择开口的尺寸以便防止有用的 泵浦光损耗，并使沿传播方向穿过所述开口的已放大信号光没有损耗。

已放大信号光的大功率密度对于光纤表面是有害的。为了降低功率密度，所公开 的系统配置有通常由石英制成的无纤芯端接模块。该模块位于相应增量器以及泵浦光传输 光纤的端部和反射元件之间。该模块的上游面被熔接到相应增量器和泵浦光纤的光纤端 部。

通过设置包围棒状光纤部、端接模块和反射元件的衬套包封，进一步改善所公开 的增量器的紧凑性。将所述衬套耦接到密封的光学部件以便限定出公知为激光头的端部封 装。

附图说明

根据结合附图所述的以下具体描述，将更清楚所公开的系统的以上和其它特征与 优点，附图中：

图1示出了所公开的增量器级的光学方案；

图1A是增量器级沿图1的A-A线的横截面视图；

图2示出了图1的增量器级的放大器；

图3示出了容纳图1的增量器级的激光头；

图4是图3的端部封装的示例示意图。

具体实施方式

现详细参考本发明的实施例。在可能的情况下，将附图和描述中使用的相同或相 似的附图标记用于表示相同或相似的部件或步骤。附图是简化形式，不表示精确的比例。除 非明确说明，否则说明书和权利要求中的词语和短语表示光纤激光器领域的技术人员常用 的一般含义。术语“耦合”与类似术语不必表示直接的和立即的连接，还可以包括通过自由 空间或中间元件的机械光学连接。

参考图1和1A，示例超大功率光纤激光器系统10能够发射若干kW及更大功率的信 号光，所述信号光基本为基模并具有MW级的峰值功率输出。系统10可以配置有主控台，所述 主控台包括一个或多个阁柜11，用于容纳一个或更多个泵浦源13、种子激光器14、可选的预 放大级联结构(cascade)、电子器件、冷却系统以及整体表示为35并配置为帮助产生超大功 率SM系统输出的所有其它器件和部件。

由种子激光器14发射的SM信号光还被沿着光纤增量器级12导引并放大，所述光纤 增量器级配置为具有柔性传输线缆25，所述柔性传输线缆沿在控制台和激光头15之间的自 由空间延伸。增量器级12还包括穿过线缆25的光纤增量器18，配置为具有MM纤芯的有源双 包层光纤，所述MM纤芯掺杂有一个或多个光发射器，诸如稀土元素。至少一个泵浦光输出光 纤24还在传输线缆25内的自由空间延伸，如图1A所示，其中所述传输线缆25在阁柜11和激 光头15之间。激光头15配置有反射元件，其结构用于沿反向传播方向将泵浦光耦合到放大 器的输出端。由于增量器级12以及泵浦源和激光头15的结构特性，系统10可操作用于沿信 号光传播方向发射基本为衍射受限的输出光束。

大功率SM激光器系统10可以具有多个放大级或所示的单个放大级(被称作最终放 大级，本领域技术人员公知的增量器级12)。种子源14优选地配置为单频SM光纤激光器，其 中SM输出无源光纤16向增量器级12传输期望波长的信号光。

将输出光纤16与穿过传输线缆25并具有MM纤芯的增量器18(图2)进行接合，其中 MM纤芯掺杂有一个或多个不同类型的光发射器，光发射器选自公知的稀土元素。增量器18 可以包括单独制造的光纤和熔融在一起的光纤棒状部件，但是优选地制造为单片的一个组 件。当从增量器18发射信号光时，信号光被放大到期望等级。优选地，系统10工作在脉冲模 式下，并能够发射MW的SM信号光束。如果系统10工作在连续模式下，则平均输出功率可以高 达kW级。与工作模式无关，发射的信号光的M²光束质量参数在1.1到1.5之间改变。

将增量器级12的大功率输出耦合到激光头15，如本领域技术人员所公知，激光头 15设置有导光光学器件，并被布置为靠近工作件以便进行激光处理。具体地，激光头15包括 端接模块或缓冲器20，如本领域技术人员公知地，配置为防止光学表面受损。还沿信号传播 方向将所输出的衍射受限的信号光导引通过反射镜22的中心开口，将在下文进行详述。

参考图2，示出了可以具有双包层配置的增量器18，其中所述双包层结构具有掺杂 的MM纤芯30以及与之共同延伸的包层。均匀形状的输入光纤部36被耦接到无源光纤16，无 源光纤16导引来自种子光源14(图1)的SM信号光。放大器18的输出棒状光纤部40形状也是 均匀形状的，其纤芯部分和包层部分的对应直径大于输入光纤区域的纤芯部分和包层部分 的直径。锥形模式变换部38将输入光纤部36和输出光纤部40分别桥连接在一起。

在优选实施例中，连续纤芯MM30配置为具有至少三个部分：均匀尺寸的输入区域 42、锥形模式变换区域44和输出放大区域46。可以通过将MM纤芯30的基模的模场直径 (“MFD”)与无源光纤16的模场直径进行初始匹配，来实现在掺杂型MM纤芯30中仅激发基模。 还需要的是相应单模和基模的形状(即，强度轮廓)同样是基本彼此匹配的。由于相应SM传 输光纤16和放大器18的MFD基本匹配，不需要模式匹配光学器件——相应光纤的接合部直 接插入另一光纤。

沿着具有较小直径d1的输入纤芯区域42导引被激励的基模。当进入模式变换纤芯 区域44时，基模绝热地扩展为具有第二直径d2，其中d2大于输入纤芯区域42的直径。由于基 模进行扩展并分别沿着相应变换纤芯部44和放大纤芯部46传播，实际上不激发HOM，这样允 许被放大的信号光以基模从增量器18出射。

纤芯30可以具有两个区域，而不是上述三个区域。具体地，纤芯30可以被制造为仅 具有输入纤芯区域和模式变换纤芯区域。放大器18的包层可以配置有与MM纤芯30的外表面 互补延伸的内表面，因此具有两个或三个不同尺寸和形状的区域。备选地，包层可以具有均 匀的横截面。

现转向图3，可选地，增量器级12(图1)可以设置有缓冲器20。缓冲器20的上游输入 面被耦接到相应泵浦光纤24和放大器18的输出端。缓冲器20可以配置为硅石玻璃无芯棒， 并且操作用于由于减小了输出光功率密度而防止光纤端部受到损坏。

泵浦光传输光纤24配置为无源MM光纤。优选地，传输光纤24的下游端区域48沿平 行于放大器18的输出区域40延伸。放大器18和泵浦光纤24的输出端分别可以直接接合到沿 信号光传播方向L_s观看到的缓冲器20的上游面。这两个光纤之间的其它空间关系也在本发 明的范围内。例如，传输光纤和有源光纤之一可以相对另一光纤的光轴成一角度地被接合 到缓冲器的上游面。可以结合放大器18使用多于单个的传输光纤。

可以将反射元件22配置为球面或非球面反射镜。对设置在反射镜22中并以系统10 的光轴为中心的开口50的尺寸进行设计，以便防止沿传播方向的泵浦光损耗或使其最小 化。优选地，开口50的直径是光束直径的两倍，但是可以略大，例如是束腰直径的两到三倍。 反射镜22的直径基本与增量器18的下游面和开口50之间的距离相同。

参考图3和4，对应增量器18和泵浦光输出光纤24的下游端区域40和48延伸超过图 1的传输线缆25，并被安装在与传输线缆的输出端相邻的保护衬套52中。具体地，衬套52可 以包围增量器18的输出区域40以及泵浦光传输光纤和反射镜面22的下游端区域48。如果设 置了缓冲器20，则缓冲器也可以包括在衬套52中，衬套52密闭式地密封所包围的与衬套内 表面相附连的组件。可以将任何适合附连手段(诸如环氧树脂)用作附连材料。因此，衬套52 产生基本无杂质的环境，其中可以通过经由流体传送装置54周期性地将流体流(诸如，空 气)泵入该衬套，来进一步增强该环境。

衬套52所包围的光学组件的端部封装是可调整的，以便提供将泵浦光可靠耦合到 放大器18的纤芯30，使通过输出衬套开口或通道62的信号光基本无损地通过。具体地，调整 机制56可操作用于相对彼此在XYZ平面分别布置波导18和传输光纤24的下游端面以及反射 镜面22。XYZ致动器是机械领域技术人员所公知的，可以方便地进行调整以便用于本公开的 目的。

衬套52可以包括彼此交叠的两个U形帽58和60，以便限定闭合空间。较大直径的帽 60设置有限定在该帽的下游底部中并与反射镜22的开口50相对准的通道62，其中反射镜22 被安装在所述底部。另一帽58容纳相应光纤24和18以及缓冲器20的输出端区域。

所公开的结构可以结合谐波产生器使用，以便获得无法直接用现代激光技术获得 的波长。非线性频率转换技术允许产生波长在UV、可见光和IR光谱范围内的激光辐射。如本 领域技术人员所公知地，通过非线性晶体62实现谐波产生。结构上，晶体62和校准光学器件 64可以布置在壳体66中，壳体66被光学地或机械性地耦接到衬套52的壳体66内。

所公开的系统由于超大功率而受到较高的热动力学应力。为了克服热应力的不良 影响，所公开的系统10配置有冷却装置。冷却装置可以包括加压冷却剂的源，诸如穿过一个 或多个柔性管道的水或任何其他适合流体。可以在传输线缆25内或其外侧提供柔性管道。 备选地，冷却装置包括涂覆在放大器的外表面的多聚物材料、热阻材料层。

尽管据信所示的和所述的实施例是最实用的且优选的实施例，然而本领域技术人 员应清楚根据所公开的配置和方法的变型，可以使用这些变型而不脱离本发明的精神和范 围。因此，应将本发明理解为涵盖所有落入所附权利要求范围内的全部修改。