[发明专利]用于抑制热模式不稳定性的LMA光纤

说明书

一种光纤，诸如在一些情况中是高功率、二极管泵浦、双包层、掺镱光纤放大器(YDFA)，具有基本模式和至少一种较高阶模式，其中所述一种或多种较高阶模式具有基本上大于所述基本模式的模场面积的模场面积。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年7月20日提交的第62/364,542号美国临时申请“LMA Fibersfor Suppression of Thermal Mode Instability”的优先权的利益，所述申请的全部内容通过此引用并入。

关于联邦赞助研发的声明

本发明是在空军研究实验室拨给的基金FA9451-14-1-0253的支持下受政府赞助完成。政府对本发明拥有某些权利。

技术领域

大模场面积光纤，诸如用于在高功率应用中用作光纤放大器的大模场面积光纤。

背景技术

高功率、二极管泵浦、双包层、掺镱光纤放大器(YDFA)由于其小的占地面积、高效率和热性质而对于定向能量和机械加工应用为所要的。在具有较高光学输出功率的放大器的开发过程中，已驱使此类装置利用大模场面积(LMA)芯。LMA光纤的性质名义上是多模的，并且通常使用弯曲损耗来确保具有良好光束质量的近单模操作。

遗憾的是，据报告，即便可以在低功率下保持光束质量，被驱动到较高功率的LMA光纤仍展现出热致模式不稳定性(TMI)，也被称作受激热瑞利散射(STRS)。这种现象的特征是大部分的光学功率在光纤的模式之间以kHz速率交换，即便弯曲损耗原本会提供良好的稳定光束质量。至今，一些方法已被证明会降低TMI的影响并且增加其阈值，但是不会降低系统性能的明显改进仍缺失。

发明内容

通过理解相关的物理现象，我们已构想出增加高功率光纤放大器中的TMI阈值的新的一类光纤并对其建模。通过评估芯的物理现象，我们已发现由于模式之间的耦合而产生的光束质量降级部分由所要的基本模式Φ_j、非所要的较高阶模式Φ_k和折射率的热扰动δn之间的空间重叠指示，如以下方程式中所示。

将认识到，虽然来自所要的基本模式的功率的耦合在理论上可以通过任何较高阶模式完成，但是实际上，存在往往会引起最大的问题的“最接近的”模式。在常规LMA光纤中，所要的基本模式是LP₀₁模式并且具有类高斯空间分布，并且往往会降低光束质量的“最接近的”模式是LP₁₁模式。

我们已发现，如果模式耦合系数减小，那么TMI阈值可以显著地增加。我们还发现，可以用至少两种方式来减小此耦合系数：(1)通过减少基本模式与较高阶模式之间的空间重叠，以及(2)通过减少发热区与基本模式或较高阶模式的空间重叠，尤其是表示最大问题的那些较高阶模式。

在一个实例中，一种光纤具有基本模式和至少一种较高阶模式，其中所述一种或多种较高阶模式全都具有基本上大于所述基本模式的物理模场面积的物理模场面积。

在一些情况中，所述一种或多种较高阶模式可以全都具有各自比所述基本模式的所述物理模场面积大至少60％的物理模场面积。

在一些情况中，所述一种或多种较高阶模式全都具有各自比所述基本模式的所述物理模场面积大至少80％的物理模场面积。

在一些情况中，所述光纤具有为至少20的芯直径对波长比，其中所述一种或多种较高阶模式全都具有各自比所述基本模式的所述物理模场面积大至少50％的物理模场面积。

在一些情况中，所述光纤具有为至少45的芯直径对波长比，其中所述一种或多种较高阶模式全都具有各自比所述基本模式的所述物理模场面积大至少40％的物理模场面积。

在一些情况中，所述光纤具有小于或等于0.11的数值孔径。