旋转的非圆形且非椭圆形的纤芯光纤以及使用其的设备的制造方法
【专利说明】旋转的非圆形且非椭圆形的纤芯光纤以及使用其的设备
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求享有于2013年3月15日提交的美国临时专利申请US 61/800970的优先权，该申请的全部内容通过引用方式被整体纳入本文中。
【背景技术】
[0003]1.
技术领域
[0004]总体来说，本发明的技术领域为光纤。更具体地，本发明涉及大模场面积光纤及其单模操作。
[0005]2.【背景技术】
[0006]日益重要的是使得产业跟上小尺度技术的发展。由于具有处理各种材料并且是在小尺度上处理的能力，激光系统非常适于相应技术中的精确处理应用。特别地，由于其除了其它优点之外的紧凑、高效、成本可取性以及潜在的单模性能，高功率光纤激光器非常适于这种精确应用。然而，为了增加利用光纤的这种系统的功率能力，存在各种障碍。例如，在一些方法中，光纤激光器的功率扩展需要大模场面积光纤来提供单模性能，即使这种光纤的纤芯尺寸增加至实际的单模范围之外的直径，诸如约25μπι或更小。高阶模式的启用往往使来自光纤的输出束的束质量严重恶化，这导致低于最佳性能并限制输出功率扩展。已研发的用于使功率壁皇符合混合结果的各种方法要么仍在研发要么非常昂贵。因此，仍需要能够扩展至更高功率的光纤激光器系统。
【发明内容】
[0007]为了将光纤激光器系统扩展至更高的功率，设计并在本文公开了新型的光纤，其允许在能够保持单模操作或另外地对高阶模式提供相当大抑制的光纤激光器系统中使用大纤芯大模场面积光纤。具体地，新型光纤包括围绕其轴线旋转的非圆形且非椭圆形的中央纤芯结构。非圆形且非椭圆形的纤芯结构打破了传统光纤的旋转对称，并且提供了模式辨别的可能性，而纤芯围绕光纤的轴线的旋转提供了模式加扰和耦合。上述二者的结合产生了模式辨别，即使纤芯尺寸以及对应的光束功率被扩展至单模体制之外。对于本文中具有不同大纤芯尺寸的光纤，可以改变并选择特定的旋转周期，对于该特定的旋转周期，光纤的基础模式在工作波段内具有低传输损耗，而光纤的高阶模式具有高传输损耗。以此方式，可以在沿光纤传播时有效地抑制高阶模式，而基础模式将保持不变或基本上不受影响。因此，这种光纤将具有大模场面积，并且同时继续提供稳定的单模操作。本文中的光纤可以通过如下方式制造，即，通过提供具有非圆形且非椭圆形的纤芯截面的预成型件，然后以对应于期望的模式辨别性能的预定旋转速率拉动该预成型件。
[0008]根据本发明的其它方面，提供了光纤激光器和光纤放大器，其能够被扩展至极高的功率同时保持单模操作。根据另外的其它方面，提供了光谱过滤器，其能够使得进一步扩展光纤激光器和光纤放大器的功率并且能够对级联拉曼放大器提供额外的益处。
[0009]根据以下参照附图进行的详细说明，将明了前述以及其它目标、特征和优点，其中附图不必是按比例的。
【附图说明】
[0010]图1是根据本发明的一个方面的光纤的截面的透视图。
[0011]图2A是图1所示的光纤的截面视图。
[0012]图2B至图2F示出根据本发明的其它方面的光纤的另外的截面视图。
[0013]图3A是光传输损耗谱的图表。
[0014]图3B是示出根据图3A所示的光传输损耗谱的光纤的截面视图。
[0015]图4A是光传输损耗谱的图表。
[0016]图4B是示出根据图4A所示的光传输损耗谱的光纤的截面视图。
[0017]图5A是根据本发明的一个方面的光纤的光传输损耗谱的图表。
[0018]图5B是示出根据图5A所示的光传输损耗谱的光纤的截面视图。
[0019]图6是根据本发明的一个方面的光纤放大器系统的示意图。
[0020]图7A示出根据本发明的一个方面的各种光纤构造的光传输损耗谱的多个图表。
[0021]图7B示出根据本发明的一个方面的、与图7A相关联且延伸至其右侧的多个附加图表。
[0022]图8是描述根据本发明的一个方面的级联拉曼放大器的性能的示意图表。
【具体实施方式】
[0023]现在参照图1和图2A，不出了根据本发明的一个方面的光纤10。光纤10包括与光纤12的中心纵向轴线14基本上对齐设置的中央纤芯12。中央纤芯12的周围是包层16。纤芯12具有非圆形且非椭圆形的几何形状，其在一个方面中如所示具有八边形构造18。如下将讨论的，其它几何形状也是可以的。围绕纤芯12的包层16具有圆形外径几何形状，但是其它结构也是可以的并且在很多情况下优选其它结构。如所示出的，光纤10为双包层光纤，尤其适于光纤激光器系统。其它类型的构造也是可以的，诸如三包层纤维构造，并且为了简便省略了一些部件，诸如围绕包层16的套筒或涂层。根据具体应用或用途，光纤10的纤芯12可以是有源的或无源的。在典型实施例中，与常规光纤相比，纤芯12的直径大，诸如大于 20 μ m、50 μ m、80 μ m 或甚至 100 μ m。
[0024]光纤10的中央纤芯12优选为能够支持比传播束的基础模式高阶的模式的大模场面积纤芯。然而，以纤芯结构沿光纤10的纵向轴线14并非静态的方式来制造光纤10。在优选实施例中，截面结构以预定频率沿光纤10的长度围绕纵向轴线14方位旋转，以形成旋转结构20。恒定旋转实施方案中的旋转结构20的特征在于节距或周期被优化用于模式辨另O。例如，如图1所示，针对光纤10示出了约一个节距长度的旋转纤芯结构20。根据本发明所述节距长度可以改变并且用于达到不同效果。例如，恒定旋转纤芯的节距可按照慢速或快速的方式连续地或步进地增大或减小。此外，可以组合不同的节距频率，以形成以不均匀方式旋转的纤芯结构。
[0025]现在参照图2B至图2F，示出了与本发明的另外方面一致的各种截面几何形状。通常，各种形状都是可能的并且在本发明的精神和范围内。为了便于制造，多边形形状可以是优选的。在图2B中，示出了如下光纤截面，其中光纤的纤芯22具有八角星形构造。其它多边形可以包括正方形、矩形、五边形、六边形等。在图2C中，示出了如下光纤截面，其中，光纤的纤芯24具有沿着纤芯24的外周的小凹口 26。在图2D中，示出了如下光纤截面，其中纤芯28具有在沿纤芯28的外周的选定位置处的一个或更多个纤芯凸起特征30。在图2E中，示出了如下光纤截面，其中纤芯32包括关于纤芯32的外周的随机或不对称构造的特征。在图2F中，示出了如下光纤截面，其中纤芯34包括关于纤芯34的外周对称布置的纤芯凸起特征36。对于不同的截面几何形状，光学模式可以演进并在其中不同地相互作用，并且为了期望的模式辨别效果，可以利用束传播仿真以优化纤芯的旋转节距。
[0026]例如，现在参照图3-5，以三种不同的仿真示出了光纤设计。在每个仿真中，纤芯的边-边尺寸(或直径)为56 μ m，远大于以1064nm传播光通量的普通阶跃折射率光纤的单模体制。如所示出的，纤芯数值孔径为0.068，并且纤芯被动地掺杂有锗。图3B示出了具有圆形纤芯38的常规光纤的截面。图3A示出了以4.7mm节距围绕光纤的纵向轴线旋转的相同常规圆形纤芯光纤的传输损耗谱。通常，鉴于圆形纤芯38中的方位角对称，旋转节距基本上不影响或改变通过其的光学模式的传播。因此，基础模式LPidJP下一高阶模式LP n (也表不其它高阶模式)分别指不在0.146和0.0346的宽光谱上的低传输损耗。光纤输出处的光束将包括大量不期望的高阶模式含量。
[0027]在图4B中，示出针对具有八边形纤芯40的光纤的截面。在该实施例中，光纤纤芯40没有被旋转。然后参照图4A，针对具有不旋转的八边形纤芯40的光纤示出了传输损耗谱。与具有图3A中的圆形纤芯38的光纤实施例类似，不旋转的八边形纤芯光纤在宽的光谱范围上经历低传输损耗。光纤输出处的光束将包括大量不期望的高阶模式含量。因此，纤芯的旋转或者非圆形且非椭圆形的纤芯结构单独均无法提供期望的模式辨别。现在参照图5B，示出了具有八边形纤芯42的光纤的截面，其与图4B所示的八边形纤芯的截面类似，除了纤芯结构42沿光纤的长度以4.7mm的节距旋转。如图5A所示，LP式的光传输损耗谱保持很低，在1060nm左右的工作波长带宽中保持在约0.3dB/m或更小。图5A还示出了最低的高阶模式LP11的光传输损耗大于20dB/m。其它高阶模式具有类似的或更高的损耗。由于单模光纤能够传播并发射具有极大模场面积的光束，这种大的高阶模式抑制能够确保光纤有效地工作。此外，在许多实施例中，这种单模操作对于不完美的发射条件以及其它外部干扰是稳定的。
[0028]在本发明的光纤的一些实施例中，使用玻璃光纤，而在其它实施例中，使用硅、氟化物玻璃(ZBLAN)或塑料光纤。此外，尽管为了简便示出了阶跃折射率光纤，但可以使用其它折射