[发明专利]有效使用泵激功率的光纤结构

说明书

相关申请

本发明与同时递交的第08/283,225和第08/283,381号美国专利申请，现在是第5,418,880号美国专利有关。

技术领域

本发明涉及具有一个或多个增益纤芯(诸如光放大器或光纤激光器中所出现的)的多包层光纤结构，尤其涉及用于把泵激辐射有效地耦合入光纤增益纤芯的光纤。

背景技术

现在已建立起光纤放大器和激光器作为一种在过去的几年内的发展中经过显著改进的技术。早先它们具有简单的形状，包括一分散在被包层包围的纤芯中的增益物质(species)。用作增益物质基质的纤芯常常是石英玻璃，但已报告有氟化物或磷基玻璃的基质材料和基质。如此设定增益物质的浓度、光纤长度，以及泵激功率，从而由增益克服损耗，以提供放大或激光动作，这里光纤设有合适的反馈。输出功率开始在毫瓦的数量级。

开始，用闪光管从纤芯的侧面进行泵激，但这被对纤芯的端部泵激(即，“端射”)所替代。然而，端部泵激的问题是由于即使使用激光二极管，端部泵激也不是非常有效，从而把输出功率限制在相当低的毫瓦数量级，因为源和光纤的实际可实现物理和光学特性使得不能完全利用所有可获得的泵激功率。随着在适用于泵激一些稀土离子的波长下工作的激光二极管阵列的出现，这些源成了实现较高输出功率的自然的候选对象。但，由于其光线质量，以及对光纤数值孔径(即，立体接收锥)固有的实际限制，实际上仍不可能把这些较高功率的源耦合入纤芯中，特别是需要用于有效耦合的单模泵激的单模纤芯。

然而，Snitzer等人在第4,815,079号美国专利中揭示对此问题的较好解决办法，并明显地改进了Maurer在第3,808,549号美国专利中描述的先前的方法。在Snitzer等人的方案(现在叫做“包层泵激”)中，包含激活离子的单模纤芯被折射率低于纤芯的不掺杂的多模内包层所包围，并具有用于有效泵激的特殊几何形状。该内包层又被折射率更低的外包层所包围。泵激的光射入内包层，并被包层间界面处的全内反射所限制，以在相对于外包层为纤芯状结构的内包层内传播。多模内包层物理上明显地大于纤芯，因此呈现更好的目标，并使得作为内包层和外包层折射率函数的数值孔径尽量变大，以更有效地接受泵激功率。当泵激功率沿内包层传播时，它逐步被纤芯吸收，以使用合适的反馈提供增益和随后的激光动作所需的粒子数反转。此方案是一个具有纵向和横向泵激性质的混合体，并具有把从非相干源获得的泵激功率有效地耦合到单模纤芯以提供单模输出这一大优点。已发现有效的内包层几何形状包括象矩形的伸长板状结构，以及纤芯偏心地位于内包层中的结构。

虽然Snitzer等人的结构表示用于以光纤格式提供单模输出的泵激功率增强耦合的显著方法，但本发明的主要目的是提供用于光纤放大器和激光器的有效包层泵激的各种包层形状。

本发明的另一个目的是提供与各种泵激辐射分布方式一起使用的各种有效包层形状。

本发明的另一个目的是提供与可得泵激特性匹配的有效包层形状。

本发明的另一个目的是提供一种具有最佳辐射耦合效率的光纤。

本发明的另一个目的是提供这样一种光纤，其纤芯是单模的。

本发明的另一个目的是提供这样一种光纤，它将在光纤内包层中提供平均的辐射模式分布。

本发明的另一个目的是提供这样一种光纤，其中光纤辐射耦合效率不是光纤纤芯位置的函数。

在结合附图阅读以下详细描述时，将使本发明的部分其它目的更明显，它们也将部分地在以下出现。

发明内容

一种用于增益应用的光纤结构，包括至少一个选择性地掺有活性增益物质的纤芯，以及包围此纤芯的内包层。内包层用于接受来自外部功率源的多模泵激能量，限制该能量，并在泵激能量沿光纤结构的长度传播时利用能量和激活掺杂剂之间重复的相互作用把此能量传递到纤芯。内包层的剖面具有几个所揭示凸多边形中的一个凸多边形的形状。包层剖面形状的性质引起泵激能量传播，以形成一基本上均匀的辐射场，其中各向同性地分布着构成泵激能量的各种辐射模式。每个多边形具有的特性是，(i)如果通过平铺一些相同的多边形来覆盖一平面区域，则所有的多边形适合于平铺排列，而在邻近多边形之间没有空隙，以及(ii)所有的多边形将关于任一公共边互为镜像。在所揭示的几个包层剖面形状中是三边、四边和六边的凸多边形。

附图概述

这里特别提出了作为本发明的特征的新特性。在结合附图阅读时，从以下对所示实施例的描述将更好地理解本发明的结构和操作方法，及其其它目的和优点：