[发明专利]多模光纤

说明书

背景技术

技术领域

本发明涉及多模(MM)光纤，其几何配置可实现实质上的基模在MM光纤输入端的激发，并且导引激发的基模而不使之与高阶模耦合。 

已知技术

许多光纤激光器的应用需要高功率、高品质的光束。利用SM有源光纤的光纤激光器由于出现光学非线性的原因在功率方面受到限制。一种常见的解决方案是使用能够支持一些高阶模(HOM)但配置成可防止这些HOM的激发和放大的MM有源光纤。 

然而，由于非线性的存在，所述非线性包括但不限于受激拉曼散射(SRS)，这种MM光纤的功率缩放也有些受到限制。也许产生相对高的光学非线性阈值的最有效的切实可行办法是通过增大纤芯直径、减小数值孔径并且还缩短非线性相互作用的有效长度的方式来减少MM光纤的纤芯内部的功率密度。遗憾的是，由于以下原因，这种几何形状是难以达到的。首先，纤芯直径的增大导致HOM数增多，而HOM易被激发，这可能会不利地影响输出光束的品质。其次，制造具有真正极低△n的高品质光纤是非常具有挑战性的。第三，这种光纤对弯曲载荷是敏感的。 

光纤激光器领域的技术人员已知的技术之一包括用占据纤芯中心区的掺杂剂分布来构造MM光纤的纤芯，这将在下文讨论。中心 掺杂区有效地将周边非零方位角编号HOM(如LP11)的激发减到最少，而所述激发在常规上被认为是起自MM光纤的输入端或者是模耦合的结果。然而，中心掺杂区促进在MM光纤的输入端具有零方位角编号的中心对称HOM(如LP02)的激发。如同任何其它的激发HOM，激发的中心模倾向于从基模中抽取能量，因此这产生了严重的问题。 

因此，需要被构造成具有这样的轴向截面的MM光纤，所述轴向截面提供对实质上只激发基模最有利的条件。 

还需要具有这样的纤芯的MM光纤，所述纤芯被构造成具有这样的折射率，所述折射率提供激发基模的增大的有效面积和对于非线性而言较高的阈值，其可使MM光纤输出实质上集中于基模的数十kW数量级的辐射。 

又需要具有这样的掺杂剂分布的MM光纤纤芯，所述掺杂剂分布被构造成增益实质上导引基模LP₀₁而不使之与中心对称模(如LP₀₂)耦合。 

进一步需要用上述MM光纤放大器构造的高功率光纤激光器系统，所述MM光纤放大器被构造成提供基模与高阶模之间的显著增益差异。 

发明内容

一种MM光纤可满足所有上述指定的需求，所述MM光纤具有以光纤纵向轴为中心的纤芯，并被构造成具有双瓶颈形轴向截面和折射率的可控凹区，所述凹区以穿过纵向轴延伸的纤芯轴为中心。所公开的MM光纤放大器的每一特点解决相应一种上面讨论的已知现有技术的特性问题，并改进放大器的实质上单模(SM)操作的特性。 

根据本发明的一个方面，光纤系统的MM有源光纤具有被构造成将光纤的相对两窄端的耦合损失减到最少的双瓶颈形状。通常情况 下，在高功率光纤系统中，输入的SM光束由与MM有源光纤的输入端接合的SM无源光纤来传输。如果相应光纤的折射率和纤芯几何形状不同，也就是相应单模与基模的模场直径(MFD)和形状或分布相互不匹配，则HOM激发的可能性很高。因此，这样构造纤芯的相对窄输入瓶颈形端部，使得MFD和相应的输入SM及激发基模的形状实质匹配。 

考虑到数十kW数量级的高功率，沿标准均匀构造的纤芯传播的光的功率密度高，非线性的阈值低。非线性效应的存在对高功率光纤激光器或放大器是限制性因素。因此，所公开的MM光纤的小端区对于非线性的产生来说是足够短的，而光纤的中心区具有扩大的均匀直径，因此能实现功率密度的减少，并从而提高非线性的阈值。 

连接MM光纤放大器的相应的相对端和中心区的相应端部的转换器区各自具有锥台形截面。因此，转换器区沿光路分别逐渐扩张并逐渐变窄。因此转换器区的几何形状允许激发基模的膨胀和压缩，这将沿所述路径的基模与HOM之间的耦合减到最少。因此，由于在输入端主要只是基模受激发，所公开的MM光纤的形状提供对这种模的保持和放大，以便在实质上的基模中具有大功率的输出。 

本发明进一步的方面涉及除了具有双瓶颈截面外还有助于得到对非线性的高阈值的光纤构造。特别是，所公开的MM光纤被构造成增加激发基模的模场直径，并因此能更进一步地提高对非线性的阈值。