[发明专利]单模高功率光纤激光器系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是于2009年9月14日向美国专利商标局(US PTO)申请的美国专利申请12/559,284的部分继续申请，其全文以引用的方式并入本文。

背景技术

技术领域

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。

已知技术

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(HOM)，但被配置用于防止这些HOM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HOM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Δn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。

发明内容

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辐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(HOM)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HOM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。