[发明专利]利用单模钕光纤泵浦源的高功率单模镱光纤激光器系统

说明书

技术领域

本公开涉及一种配置有短的有源光纤来发射单模高峰值/平均功率明亮输出的光放大器，并且涉及一种单模高功率光纤激光器系统，所述单模高功率光纤激光器系统合并了光放大器、并且操作用于发射超明亮高功率单模脉冲或连续波(“CW”)发射。

背景技术

包括镱(“Yb”)、铒(“Er”)和其他稀土离子掺杂光纤的光纤激光器系统是高效率、有成本效益、紧凑且结实的光发射和光放大器件。其中，由于其优良的效率和长期稳定性，Yb和Er连续波(CW)和脉冲光纤激光器系统主要支配了工业光纤激光器市场。

稀土掺杂光纤激光器和放大器代表耐用、高效且紧凑的光源，能够发射高度受控光谱质量的高质量光束。然而，由这些源产生的输出功率受到寄生非线性光学效应(“NLE”)的限制。

非线性效应(“NLE”)包括受激布里渊散射和拉曼散射(SBS和SRS)、自相位调制和交叉相位调制(SPM和XPM)以及四波混频(FWM)。这些效应的共同起源是：

光纤芯区中的高光学强度；以及

用于光纤内光束和光纤材料之间(例如硅石)之间的非线性相互作用的长光程，即较长的光纤。

在高功率连续波和高峰值功率脉冲光纤激光器系统中集成的掺杂光纤中都观察到了这些效应。其中，在高功率脉冲激光器的场景中，NLE引起了不想要的光谱展宽和脉冲时间轮廓的失真。

不同的NLE具有多种共性。例如，非线性效应表现的光学阈值功率与光纤芯区面积成正比、并且与光纤长度成反比。换句话说，当光纤长度增加并且芯区直径降低时，NLE的阈值功率逐渐变低。因此对于高功率，总是存在对于大芯区直径和短光纤长度的需要。

将支持可能具有单模的光传播的光纤称作单模(“SM”)光纤，而将支持多横模辐射的那些光纤称作多模(“MM”)光纤。SM光纤发射针对具有阶跃折射率分布的高斯强度形状的最高光束质量。

在MM阶跃折射率光纤的芯区支持的多个模式中，最大功率的基模具有与高斯类似的轮廓。高阶模式(“HOM”)的特征在于与高斯轮廓不同并且彼此不同的响应光强度轮廓。对于给定的阶跃折射率，光纤支持的横模个数与芯区面积成正比。因此，大芯区光纤倾向于是多模的(“MM”)、并且当激励模式时，大芯区光纤发射具有小于SM光纤的光束质量。光束的质量对于高功率光纤激光器系统的许多工业和科学应用是重要的，所述高功率光纤激光器系统包括具有较大光纤芯区直径的MM有源光纤。为了满足质量要求，MM芯区可以配置为实质上只支持基模。

通过已知的现有技术详尽地分析上述非线性效应(“NLE”)。提供减小横模个数的技术之一包括在美国专利No.6,496,301中公开的弯曲损耗感应模式选择，将其全部合并在此作为参考。另一种技术包括由IPG光子有限公司研发的直接结合为SM光纤和MM光纤的模式匹配激励。这两种技术都广泛且成功地用于高功率光纤激光器系统(“HPFLS”)中。然而，由于增加高功率的需要，现代的光纤放大器不利地接近由于有害NLE导致的限制。

为了将在具有kW-MW范围内输出的HPFLS集成的掺杂光纤中不需要的NLE的存在最小化，需要将稀土离子掺杂光纤配置有：

1.最小光学长度，所述最小光学长度希望接近光学棒的长度，所述光学棒是提供实际上不具有弯曲损耗的SM光束的无干扰传播的短直光学部件；以及

2.基模的最大可能MFD以减小光，并且因此增加NLE阈值。

就发明人的知识所及，在超高平均和峰值功率光纤放大器中最常用的光纤设计不能适当地满足上述要求。

掺杂光纤的长度也影响基模的质量。当基模通过几米长的光纤传播时，由于MM光纤的弯曲，其倾向于模式重心(mode center gravity)的偏移。作为其结果，降低了模式面积。当对掺杂长光纤泵浦时，相应的泵浦模式和基模的强度轮廓之间的重叠变差，允许实质上只有基模的放大。因此，最初没有放大的HOM开始对输出光束的质量进行平衡，因为将基模的功率损耗传递至HOM。因此，非常需要这种重叠(称作重叠积分)沿光纤的整个长度尽可能接近1。清楚的是，在具有不超过几十厘米的光纤中易于实现后一种情况。