[发明专利]高功率液体冷却的泵浦和信号合成器

说明书

本发明的实施例通常涉及一种高功率液体冷却的泵浦和信号合成器，以及其用于光纤应用的方法。更具体而言，本发明的实施例涉及一种泵浦和信号合成器，其能够在不受热损伤的条件下，输送数千瓦的泵浦激光功率，用于千瓦级稀土掺杂光纤放大器。在本发明的一个实施例中，高功率散热光纤装置包括一段被配置为传输光的光纤，基本上密封光纤的冷却室，以及处于冷却室内的流体，该流体具有选择用来控制光在流体中的相互作用和传输的折射率。

有关联邦政府资助研究和开发的声明

根据美国国防部高级研究计划局(DARPA)批准的第HR0011-08-C-0125号协议，本发明部分是由美国政府支持下作出的。美国政府对于本发明拥有某种权利。所表达的观点属于发明人，不反映国防部或美国政府的官方政策或立场。

发明背景

技术领域

本发明的实施例总地涉及一种高功率液体冷却的泵浦和信号合成器及其用于光纤应用的方法。更具体而言，本发明的实施例涉及这样一种泵浦和信号合成器，其能够对于千瓦级稀土掺杂光纤放大器传输数千瓦的泵浦激光功率，而不会受到热损伤。

现有技术

通常，稀土掺杂光纤放大器的光功率输出局限于一千瓦范围。为使这种放大器输出达到高功率范围(即大于1千瓦)，人们已经作出了努力，然而由于在长期操作中若干个部件遭受热损伤，尚未获得成功的结果。

实现高功率输出要求使用这样的激光泵浦合成器：其能够组合数千瓦功率级的泵浦激光功率，并且将泵浦辐射传递到波导，诸如低折射率涂覆的无源或增益光纤，以输送泵浦光。然而，在已知的尝试中，高水平的泵浦功率被光纤表面上不期望的污染物、连接点处的污染物所吸收，和/或被涂层材料吸收，导致非常大的局部温度升高，经常造成泵浦和信号合成器发生严重损坏。

有竞争性的放大器和泵浦合成器的要求使得难以对总体放大器性能进行优化。在大部分光纤应用中，希望稀土掺杂放大器具有较小的外直径，以便使泵浦辐射与光纤的稀土掺杂纤芯的重叠最大，并且使放大器光纤长度最小。不过，由于亮度定理，泵浦合成器输出的外部光纤直径越小，则要求越大的数值孔径，这样就增加了杂散辐射和不期望的局部加热的可能性。

目前的泵浦-信号合成器封装没计在尝试实现高功率输出时失败的一个主要原因在于，锥形的和尾纤的光纤被大体上滞止的气流所围绕。空气的存在对于冷却局部热点而言效率低，并且通常是不够的。此外，空气是一种极低折射率的包围介质，其支持在空气包覆的玻璃与涂层包覆的玻璃之间的过渡处常常被包覆介质吸收的高数值孔径光，并进一步增加了由于热损伤而导致故障的可能性。

因此，需要一种更有效率且具有有效散热的高功率泵浦和信号合成器。液体冷却的合成器满足这一要求。

发明内容

本发明的实施例主要涉及一种高功率液体冷却的泵浦和信号合成器，以及其用于光纤光学应用的方法。更具体而言，本发明的实施例涉及一种光纤部件和结构，诸如泵浦和信号合成器、接头、端帽以及模场适配器，能够在千瓦级稀土掺杂光纤放大器中输送数千瓦或更高泵浦和信号激光功率，而不会发生热损伤。

在本发明的一个实施例中，一种高功率的、被冷却的光纤装置包括一段被配置为来传输光的光纤；基本上密封该光纤的冷却室；和处于冷却室内的一种流体，其具有被选择来改变光的性质的折射率。

在本发明的另一实施例中，用于光纤部件或结构，诸如泵浦和信号合成器的冷却系统，包括能够传输大于1千瓦的输出的部件或结构，包括涂覆的光纤，至少一段裸光纤；基本上密封该部件或结构的冷却室；以及处于冷却室内的一种液体，其中该液体对泵浦辐射基本上是透明的，并且包括大体上与裸光纤的折射率相似或更小的折射率。或者液体的折射率近似或者小于涂层的折射率。