具有级联增益级的纤维源和/或低拼接损耗的多模纤维的制作方法

具有级联增益级的纤维源和/或低拼接损耗的多模纤维的制作方法
【专利摘要】一种设备包括：一个光学增益纤维，其具有一个芯、一个围绕该芯的包层，该芯和该包层限定一个光学增益纤维数值孔径；以及一个多模纤维，其具有一个半径大于该光学增益纤维的芯的半径的芯、一个围绕该芯的包层，该多模纤维的芯和包层限定一个比该光学增益纤维数值孔径大的多模纤维稳定数值孔径，该多模纤维被光学地耦合到该光学增益纤维，以便接收在该光学增益纤维中传播的光束且使接收到的光束在多模纤维芯内以与光学耦合相关联的低光学损耗稳定地传播。
【专利说明】具有级联増益级的纤维源和/或低拼接损耗的多模纤维
[0001] 对相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求享有2015年3月26日提交的美国临时专利申请No. 62/138,926的权益， 该美国临时专利申请以引用的方式被整体纳入本文。
技术领域
[0003] 本公开内容涉及高功率光源中的低损耗光学耦合。
【背景技术】
[0004] 常规连续波纤维源典型地被设计成在表现出优良光束质量的输出光束中实现高 平均功率，诸如数百W到数千W。在大多数情况下，在衍射极限处或附近的输出光束是高度期 望的，因为该输出光束可以被聚焦到导致更高辐照度能力的更小光斑。由于多种实际益处， 典型地通过使用级联纤维增益级的单模纤维激光系统架构获得这样的光束。然而，即使对 于级联纤维激光系统，只能通过关于成本、可靠性以及性能做出多种权衡来实现单模性能。
[0005] 级联系统典型地包括:一个单模种子源，诸如，单模纤维振荡器，一个或多个纤维 振荡器或纤维放大器级，其耦合到种子光束以缩放其功率；以及一个递送纤维，用于将光束 递送到目标。在典型的系统中，种子光束在双包层纤维的芯中传播同时耦合到该纤维的包 层内的栗浦光提供用于放大该种子光束的能量源。随后的放大或递送纤维级使用较大的纤 维芯来防止与光束相关联的不利的非线性效应发生且增加栗浦吸收，但是增加纤维芯尺寸 不利地允许光束以比优选的单个基模更高的多种横模传播。因此，采用多种技术来维持大 模面积(LMA)纤维中的单模光束性能。
[0006] 维持增益级之间的单模性能的一种方式是，卷绕一个或多个级一一包括当前的、 先前的或随后的级，以使得较高阶模被抑制。增益级还可以小心地耦合至彼此一一诸如通 过绝热纤维锥体(taper)、模场适配器或精密对准，以使得在前的增益级中的光束的基模被 小心地匹配到或发射到随后的增益级的基模内。芯直径简单增加而没有其他纤维参数改变 的设计因为纤维之间的模态失配而可以导致过量的拼接损耗。另外，增加的芯直径可以支 持附加模式，促进多模传播，除非减小数值孔径以进行补偿。一般而言，功率耦合效率退化 或与多种增益级耦合相关联的其他光学损耗是实现单模性能的必然阻碍，尽管由于附加部 件以及有损连接造成部件(MFA，热管理）的成本增加以及伴随的可靠性降低。因此，需要在 高功率连续波系统中进行创新而避免上述缺点。

【发明内容】

[0007] 根据所公开的技术的一些实施例，一种设备包括:一个光学增益纤维，其具有一个 芯、一个围绕该芯的包层，该芯和该包层限定一个光学增益纤维数值孔径；以及，一个多模 纤维，其具有一个半径大于该光学增益纤维的芯的半径的芯、一个围绕该芯的包层，该多模 纤维的芯和包层限定一个比该光学增益纤维数值孔径大的多模纤维稳定数值孔径，该多模 纤维被光学地耦合到该光学增益纤维以便接收在该光学增益纤维中传播的光束且使接收 到的光束在多模纤维芯内稳定地传播。
[0008] 根据所公开的技术的附加的实施例，一种方法包括:选择一个增益纤维的芯直径 和数值孔径以及一个接收多模纤维的较大的芯直径和较大的数值孔径，以使得从该增益纤 维耦合到该接收多模纤维的光束的光束参数乘积在不稳定的阈值以上且是稳定的；以及光 学地耦合该增益纤维和该接收多模纤维。
[0009] 根据所公开的技术的另一方面，一种纤维激光系统包括:一个纤维振荡器种子源， 用于生成光束，该纤维振荡器种子源具有一个芯直径和数值孔径;至少一个栗浦源，其被光 学地耦合到该纤维振荡器种子源，用于光学地栗浦该纤维振荡器种子源；以及一个多模纤 维放大器，其具有一个芯直径和数值孔径，该多模纤维放大器通过一个光学拼接头 (splice)光学地耦合到该纤维振荡器种子源以便接收光束，其中该多模纤维放大器芯直径 和数值孔径大于该纤维振荡器种子源芯直径和数值孔径以便限定芯直径差和数值孔径差， 这些差被选择以提供大幅减少的光学损耗和稳定的光束参数乘积。
[0010]根据下面参考附图进行的详细描述，发明的前述和其他的目的、特征和优点将变 得更加明了，附图可以包括未按比例绘制的特征。
【附图说明】
[0011]图1是包括通过拼接头光学地耦合的光学纤维的设备的示意图。
[0012] 图2是包括通过拼接头光学地耦合的光学纤维的设备的另一个示意图。
[0013] 图3是包括通过自由空间光学器件光学地耦合的光学纤维的设备的示意图。
[0014] 图4是减少光学纤维之间的光学耦合中的损耗的方法的流程图。
[0015] 图5是模式功率含量对接收光学纤维的数值孔径的绘图。
[0016] 图6是光束参数乘积和光束半径对接收纤维的数值孔径的绘图。
[0017]图7是纤维激光系统的示意图。
【具体实施方式】
[0018] 如在本申请和权利要求书中使用的，单数形式的"一"、"一个"以及"所述"包含复 数形式，除非上下文另有明确指示。此外，术语"包含"意指"包括"。另外，术语"親合"不排除 在耦合项之间存在中间元件。
[0019] 本文描述的系统、设备和方法不应被理解为以任何方式进行限制。而是，本公开内 容指向多个公开的实施方案(单独地以及彼此间以多种组合和子组合的方式）的所有新颖 的且非显而易见的特征和方面。所公开的系统、方法和设备既不限于任何具体的方面或特 征或其组合，也不需要呈现任何一个或多个具体的优势或解决任何一个或多个具体的问 题。任何操作理论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法和设备不限于这样的操作理 论。
[0020] 尽管为了方便呈现而对一些公开的方法的操作以特定的顺次次序进行了描述，但 是应理解，这种描述方式包含了重新排列，除非下面陈述的具体的语言需要特定的次序。例 如，在一些情况下，顺次描述的操作可以被重新排列或被同时地执行。此外，为了简单起见， 附图可能未示出公开的系统、方法和设备可以与其他系统、方法和设备结合使用的多种方 式。此外，本说明书有时使用术语比如"产生"和"提供"来描述公开的方法。这些术语是对执 行的实际操作的高水平抽象。对应于这些术语的实际操作将依赖于具体的实施方式而变 化，且可容易被本领域的普通技术人员识别。
[0021 ]在一些实施例中，值、程序或设备被称作"最低"、"最好"、"最小"或诸如此类。将理 解，这样的描述旨在表明可以在许多使用的功能替代方案间进行选择，且这样的选择不必 更好、更小或以其他方式优于其他选择。参考一些被表示为"在…以上(above)"、"在…以下 (below)"、"上(upper)"、"下（lower)"和诸如此类的方向描述实施例。这些术语是出于方便 描述而使用的，而且不暗示任何特定的空间定向。
[0022]如在本文中使用的，光学辐射指波长在大约100nm到ΙΟμπι之间、且典型地在大约 500nm到2μπι之间的电磁辐射。基于可获得的激光二极管源和光学纤维的实施例通常与在大 约800nm到1700nm之间的波长相关联。在一些实施例中，传播的光学辐射被称为一个或多个 光束，所述一个或多个光束具有可以取决于光束波长和用于光束成形的光学系统的直径、 光束横截面面积以及光束散度。为了方便起见，光学辐射在一些实施例中被称为光，且不必 是可见波长的光。
[0023]参考光学纤维描述代表性实施方案，但是可以使用具有正方形横截面、矩形横截 面、多边形横截面、卵形横截面、椭圆形横截面或其他横截面的其他类型的光学波导。光学 纤维典型地由被掺杂(或未被掺杂）以提供预定折射率或折射率差的二氧化硅(玻璃)形成。 在一些实施例中，取决于感兴趣的波长，纤维或其他波导由其他材料诸如氟锆酸盐、氟铝酸 盐、氟化物或磷酸盐玻璃、硫族化物玻璃、或者结晶材料诸如蓝宝石制成。二氧化硅和氟化 物玻璃的折射率典型地是大约1.5,但是其他材料诸如硫族化物的折射率可以是3或更大。 在再一些实施例中，光学纤维可以部分由塑料形成。在典型的实施例中，掺杂的波导芯诸如 纤维芯响应于栗浦提供光学增益，且芯和包层是近似同轴的。在其他实施例中，芯和包层中 的一个或多个是偏心的，且在一些实施例中，芯和包层定向和/或位移沿着波导长度变化。 [0024]如在本文使用的，数值孔径(NA)指如下的光学波导所限定的相对于传播轴线的最 大入射角度:对于该角度，传播的光学辐射大体上被限制。在光学纤维中，纤维芯和纤维包 层可以具有相关联的NA，典型地分别由芯和包层之间的折射率差限定或者由相邻的包层之 间的折射率差限定。当以这样的NA传播的光学辐射被大致良好地限制时，相关联的电磁场 诸如渐逝场典型地延伸到相邻的包层内。在一些实施例中，芯NA与芯/内包层折射率相关 联，且包层NA与内包层/外包层折射率差相关联。对于具有芯折射率和包层折射率n clad 的光学纤维，纤维芯ΝΑ是
（寸于具有一个内芯和一个与该内芯相邻的 外芯的光学纤维，包层ΝΑ是
，其中ninne^Prwer分别是内包层的折 射率和外包层的折射率。如上文所讨论的光束还可以被称为具有与光束角半径相关联的光 束NA。虽然下文描述了多芯阶跃折射率纤维，但是也可以使用梯度折射率设计。
[0025]在本文公开的实施例中，波导芯诸如光学纤维芯掺杂有稀土元素(诸如Nd、Yb、Ho、 Er)或其他活性掺杂剂或其组合。这样的活性掺杂的芯可以响应于光学栗浦或其他栗浦提 供光学增益。如下文所公开的，具有这样的活性掺杂剂的波导可以被用来形成光学放大器， 或如果被设置有合适的光学反馈(诸如，反射层、镜、布拉格光栅或其他反馈机构），这样的 波导可以生成激光发射。光学栗浦辐射可以被安排以在波导内相对于发射的激光束或放大 的光束的传播方向同向传播和/或反向传播。在一些实施例中，掺杂的单模光学纤维或掺杂 的多模光学纤维可以被称为增益纤维、纤维振荡器或纤维放大器，尽管将理解，这样的纤维 典型地还包括附加部件，诸如栗浦源、栗浦耦合器和光学反馈元件诸如纤维布拉格光栅。
[0026] 在此使用术语"亮度"来指每立体角（solid angle)每单位面积的光束功率。光束 面积和光束立体角的选择可以产生将选择的栗浦光束功率耦合到双包层光学纤维、三包层 光学纤维或其他多包层光学纤维的一个或多个芯或包层内的栗浦光束。
[0027] 图1示出了具有通过光学拼接头光学地耦合到多模纤维104的光学增益纤维102的 级联纤维激光设备100的横截面示意图。光学增益纤维102具有位于光学传播轴线108周围 的芯106和围绕芯106的包层110。该芯和该包层具有限定对应的横截面面积的预定直径或 形状。该芯和该包层还具有彼此不同的预定折射率，以便限定与芯106相关联的数值孔径。 多模纤维104包括具有限定横截面面积的预定直径或形状的芯112和包层114,其中芯112大 于光学增益纤维102的芯106。多模纤维104的芯和包层具有彼此不同的预定折射率，以便限 定与芯112相关联的数值孔径，该数值孔径大于芯106的数值孔径。光学增益纤维102和多模 纤维104可以包括围绕包层110、114的一个或多个附加包层或层。
[0028] 在芯106中传播的光束116扩大以填充较大的芯112并且激发与多模纤维104相关 联的附加横模。多模纤维104的芯112的数值孔径超过光学增益纤维102的芯106的数值孔径 的量被选择，使得与拼接的纤维102、104的光学耦合相关联的光学损耗大幅减少。在合适的 实施例中，这样的大幅减少对应于在通过光学親合的光束的总光学功率的0.5%以下的低 光学损耗，但是在附加实施例中这样的光学损耗可以被减少到0.2%以下、0.05%以下或更 低。设备一一诸如具有的光学增益纤维数值孔径大于或等于多模纤维数值孔径的设备 100一一可以产生多种期望的光束特征(诸如基模传播的保留），而且表现出与光学耦合相 关联的光学损耗一一其根据选择的纤维参数变化但是通常是从百分之几到百分之几。对于 高功率光束，包括例如数百瓦到数千瓦的光束功率，百分之几的损耗可以导致激光系统部 件的过早退化或故障以及不期望的性能下降，特别是对于光学损耗在多个拼接头上累积并 且复合的级联系统。
[0029] 设备(诸如设备100)的光学损耗可以基于选择的纤维参数变化，诸如通过(但不限 制于)光束116的波长、不同的光学纤维组成和结构的使用，或通过用来生成光学耦合拼接 头的不同的拼接工具。一般而言，在多模纤维到增益纤维的光学耦合中，在增益纤维数值孔 径以上的多模纤维数值孔径的增加与光学损耗的最小限度减少相关联，除非超过阈值多模 数值孔径或多模纤维与增益纤维数值孔径差。在这样的损耗阈值处，典型地实现光学损耗 的大幅减少。可以通过进一步增加多模纤维数值孔径来获得光学损耗的附加减少，但是通 常具有减少的收益。将理解，还可以选择低损耗多模纤维数值孔径，且可以相对于选择的较 大的多模纤维数值孔径调整光学增益纤维芯数值孔径，以实现合适的低损耗光学耦合。
[0030] 芯112的数值孔径还被选择以使得与光束相关联的光束参数乘积(bpp)是稳定的， 而非是不稳定的。不稳定数值孔径产生具有不稳定bpp的光束，该不稳定bpp从设备到设备 是可变的，因为光学增益纤维、多模纤维或其他部件的纤维参数(诸如折射率、形状、直径、 拼接位置等)根据正常公差变化。一般而言，与具有稳定芯数值孔径的多模纤维104中的光 束116的bpp相比，与不稳定数值孔径相关联的这样的可变或不稳定bpp也较高，且因此是不 太期望的。在合适的实施例中，根据正常制造公差，与稳定数值孔径相关联的稳定bpp或恒 定bpp从设备到设备变化小于大约5%、2%、1%或0.5%。可以观察到如下不稳定数值孔径： 基于目标bpp，不稳定数值孔径产生的bpp在设备之间变化大于大约5 %、10 %、20 %、50 %或 更多。不稳定数值孔径还可以产生在特定设备的操作期间一一包括在选择的输出功率或输 出功率范围下一一不期望地或不可预测地变化的不稳定bpp。在一些实施例中，在激光设备 的操作期间，不稳定bpp可以变化大于大约5%、10%、20%、50%或更多。
[0031] 一旦获得稳定的低损耗数值孔径或数值孔径差，如上文所提及的，就会实现光学 损耗的较小减小，因为对于多模纤维数值孔径或对应的数值孔径差的每单位增加，光学耦 合的光学损耗接近零或其他损耗最低点。增加多模纤维的数值孔径(或减小光学增益纤维 的数值孔径)也倾向于变得不那么实际。例如，可用于变化数值孔径的材料可以限制折射率 可以被增加或减小的程度，或其他纤维参数诸如与光学增益纤维110或多模纤维包层114相 关联的数值孔径可以限制光学地耦合的芯数值孔径之间的选择的差的程度。可以鉴于多种 激光参数或约束选择可实现的稳定多模纤维数值孔径。
[0032] 稳定多模纤维数值孔径或数值孔径差还可以被选择，以使得提供一个数值孔径裕 度，在纤维参数根据正常公差变化时，该数值孔径裕度允许设备100维持稳定bpp或光束116 的与光学耦合相关联的其他稳定特性。在一些实施例中，稳定多模纤维数值孔径被选择具 有一个在稳定多模纤维数值孔径的0.5%、1%、2%、5%、10%、20%或50%内的数值孔径裕 度。在其他实施例中，稳定多模纤维数值孔径被选择具有一个在边界线稳定的或恰好变得 稳定的多模纤维数值孔径值以上〇. 01 A NA、0.1 Δ ΝΑ、0.5 Δ NA、1 Δ NA或5 Δ NA的裕度。将理 解，还可以通过调整一个光学增益纤维芯数值孔径、两个芯数值孔径或芯数值孔径之间的 差来获得具有数值孔径裕度的稳定光学耦合。
[0033] 在代表性实施例中，光学增益纤维102是单模纤维，该单模纤维具有仅允许光束 116以基本横向LP(n模式传播的芯直径。在一个具体实施例中，光学增益纤维102具有掺杂有 镱的芯106,光束116的对应的激光波长可以是大约1080nm。对于0.06NA的对应的芯数值孔 径，对于小于大约10M1的直径出现单模行为。在其他实施例中，光学增益纤维102具有一个 少模芯(few mode core)或一个LMA芯，所述芯具有的直径大于单模纤维以使得芯106可以 能够支持较高阶模式。可以以不同方式抑制较高阶模式，诸如通过纤维102的卷绕、光子晶 体微结构、手性耦合芯微结构等，以便允许光束116大体上仅以基本横向LP Q1模式传播。还可 以允许较高阶模式进行传播以使得在光学增益纤维102中传播的光束116是多模的。
[0034] 在一个具体实施例中，光学增益纤维102具有掺杂有镱的芯106,该芯具有大约 1080nm的对应的激光波长。利用0.0805NA的芯数值孔径和13.2μπι的芯直径，可以通过光学 增益纤维102的卷绕获得单模LP Q1光束特性。取决于与设备100相关联的激光系统的特性，光 学增益纤维可以被设置作为纤维振荡器，通过反射元件之间的反馈提供光学增益，或被设 置作为纤维放大器，在没有大幅反馈的情况下生成光学增益。将理解，光学增益纤维102可 以包括一个或多个光学纤维元件，所述一个或多个光学纤维元件被光学地耦合或拼接在一 起使得光学地耦合到多模纤维104的光学纤维元件可以是光学增益纤维102的一个无源部 分。
[0035] 在设备100的代表性实施例中，多模纤维104是多模增益纤维，或不具有活性掺杂 剂的多模纤维，诸如多模递送纤维。活性掺杂的多模纤维104包括芯110,该芯110具有的直 径大于与光学增益纤维102的芯106相关联的直径。多模增益纤维的芯110被掺杂以为从光 学增益纤维102接收的光束116提供光学增益。将理解，活性掺杂的多模纤维104可以包括一 个或多个光学纤维元件，所述一个或多个光学纤维元件被光学地耦合或拼接在一起使得光 学地耦合到光学增益纤维102的光学纤维元件可以是活性掺杂的多模纤维104的一个无源 部分。多模纤维104实施例可以包括典型地沿着整个长度缺少活性掺杂剂的多模递送纤维。 递送纤维典型地用来将高功率光束116指引到一个目标工作表面。
[0036]在一个具体实施例中，多模纤维104的芯110掺杂有镱以提供1080nm下的激光放 大，且芯110的直径是大约39.2μπι。关于芯106的数值孔径选择芯110的数值孔径，以使得光 学增益纤维和多模纤维的光学耦合被设置有低光学损耗，且使得在多模增益纤维中传播的 光束116的bpp是稳定的。可以提供数值孔径裕度，以使得在纤维参数变化在公差内时，设备 100的不同的实施方式不倾向于以不稳定的bpp操作。还可以调整芯106、110的直径以实现 合适的数值孔径或数值孔径差。
[0037] 在一个具体实施例中，当光学增益纤维102具有0.0805NA的芯数值孔径和13.2μπι 的芯直径且提供大约1080nm的波长的光束116时，具有0.10的芯数值孔径和39.2μπι的芯直 径的多模纤维104与一个熔接拼接头光学地耦合，以接收光束116且放大1080nm的光束。对 于小于大约0.09的多模纤维芯数值孔径，观察到微小的与该光学拼接头相关联的光学损耗 减少或未观察到与该光学拼接头相关联的光学损耗减少，该光学损耗是总光束功率的大约 2%。对于大于大约0.09的多模纤维芯数值孔径，发现光学损耗的大幅减少，但是在光束116 中发现可变bpp和其他性能特性。在大约0.095处，该多模纤维芯数值孔径为光束116提供稳 定bpp，但是从设备到设备的在公差内的纤维参数的正常变化可以导致设备具有不稳定bpp 或其他光束特性。在大约0.10处，该多模纤维芯数值孔径提供非常接近零的损耗，具有稳定 bpp且具有足够的数值孔径裕度或缓冲，以使得对于光学增益纤维102、多模纤维104或其他 系统部件或操作特性，纤维参数的正常变化不导致大量的可变地执行的设备。
[0038]图2示出了纤维设备200的横截面示意图，纤维设备200通常包括光学增益纤维 202,该光学增益纤维202通过熔接拼接头光学地耦合到多模光学增益纤维204,该光学增益 纤维204通过熔接拼接头光学地耦合到多模纤维206。通过传播通过设备200,光束208被生 成或被放大或既被生成又被放大。光学增益纤维202包括活性芯210,该活性芯具有选择的 直径和数值孔径以用于生成或放大光束208以及还传播光束208。多模光学增益纤维204包 括活性芯212,该活性芯212具有选择的直径和数值孔径，该直径和数值孔径大于与光学增 益纤维202相关联的芯直径和数值孔径。多模纤维206包括芯214,该芯具有选择的直径和数 值孔径，该直径和数值孔径大于与多模光学增益纤维204相关联的芯直径和数值孔径。相邻 地光学地耦合的纤维之间的每个芯直径和数值孔径增加被选择，以使得与光学耦合相关联 的光学损耗大幅减少，且在下游相邻的纤维中以稳定配置提供光束208的bpp。鉴于根据同 样的设备200的制造中的正常公差的纤维参数变化，芯和数值孔径的选择还可以提供防止 光束208漂移到不稳定bpp范围内的可变性裕度。
[0039]在一个代表性实施例中，光学增益纤维202是被设置以大体上以基模生成光束的 纤维振荡器，多模光学增益纤维204是被设置以放大从光学增益纤维202接收的光束208的 多模纤维放大器，且多模纤维206是被设置以接收已通过光学增益纤维204放大的光束208 并且将光束208递送到目标的多模递送纤维。在多个实施例中，光学增益纤维202可以具有 单模芯、少模芯或多模芯。在其他实施例中，多模纤维206可以是活性掺杂的多模纤维放大 器。
[0040]图3示出了纤维设备300的横截面示意图，该纤维设备300包括:光学增益纤维302， 该光学增益纤维302被设置以在其芯306中传播光束304;多模光学纤维308,该多模光学纤 维308被设置以接收光束304且在多模芯310中传播光束304;以及自由空间光学器件312,该 自由空间光学器件312被设置以从光学增益纤维302接收光束304并且将该光束耦合到多模 光学纤维308的多模芯310内。芯306、310的直径和数值孔径被选择，以大幅减少可与光束 304同自由空间光学器件312的光学耦合相关联的光学损耗，且进一步提供具有稳定bpp的 光束304,考虑到根据规格公差的纤维参数的正常变化，该稳定bpp在设备300之间最低限度 地变化。
[0041 ]在图4中，用于提供高功率光束的示例性方法400包括，在402处，选择在前的增益 级芯直径和芯数值孔径。在404处，选择随后的多模级芯直径和数值孔径，该随后的多模级 芯直径和数值孔径大于在前的增益级的芯直径和芯数值孔径。选择芯直径和数值孔径以提 供親合损耗的大幅减少和稳定的光束特性，包括bpp。在406处，可以进一步选择芯直径和数 值孔径以提供允许可重复的低损耗和稳定光束特性的稳定性裕度，因为纤维参数可以根据 正常公差变化。在408处，在前的增益级和随后的多模级通过熔接拼接头或自由空间光学器 件光学地耦合以使得产生高功率光束。
[0042]图5是描绘了对于拼接到在前的光学纤维且从该在前的光学纤维接收光束功率的 多模纤维的不同数值孔径的光束功率的图表500。具体而言，在前的纤维使1550nm的光束以 基模LPoi传播通过具有13.2μπι的直径和0.0805的芯数值孔径的芯。标绘出具有39.2μπι的芯 直径的多模纤维中的总光束功率502相对该多模纤维的数值孔径的曲线。当在前的纤维的 0.0805的芯数值孔径被匹配到接收光束的拼接的多模纤维的数值孔径时，观察到约7%的 光学耦合损耗。应注意，对于更短的波长，这样的光学耦合损耗通常更低诸如约2%，且因此 更难以检测或更可能被认为在制造公差内。
[0043]当接收多模纤维的芯数值孔径稳定地增加到0.090ΝΑ附近时，看到光学损耗的小 的减少，然后从〇. 090ΝΑ到大约0.095ΝΑ看到光学损耗的大的减少。在阈值数值孔径处光学 损耗的突然减小可能与模式耦合阈值相关联，因为可以具有较少模式的在前的纤维中的光 束耦合到多模纤维的支持模式中。对于在约0.095ΝΑ以上的多模纤维芯数值孔径，减少到接 近0%的光学损耗。另外，在图5中描绘了对于不同的多模芯数值孔径在多模纤维芯中传播 的光束的模式的多个模态功率含量。
[0044]图6是描绘了在多模纤维的类似的芯数值孔径范围内一一如对于图5所描述 的--多模纤维中的光束的bpp 602和光束半径604的图表600。当多模纤维芯的数值孔径 增加经过与在前的纤维的数值孔径匹配的数值孔径时，bpp保持不变直至达到模式耦合阈 值。当数值孔径增加经过该阈值时，观察到高度可变的bpp和光束半径波动直到达到稳定的 数值孔径。一旦稳定的数值孔径被选择，光束半径就开始更平滑地减小而没有波动行为，且 bpp变得与增加的多模纤维芯数值孔径一致。
[0045]图7是纤维激光系统700的示意图，纤维激光系统700包括纤维振荡器702、多个栗 浦源704、多模纤维放大器706以及递送纤维708。纤维振荡器702增益纤维包括通过拼接头 712光学地耦合到活性掺杂的纤维部分714的一端的高度反射(HR)纤维部分710和通过拼接 头718光学地耦合到活性掺杂的纤维部分714的相对端的部分反射(PR)纤维部分716。册纤 维部分710包括写入其芯内的纤维布拉格光栅(FBG)720,该纤维布拉格光栅可以是有源的 或无源的，且该纤维布拉格光栅主要反射与活性掺杂的纤维部分714相关联的激光波长的 光。HR反射率典型地是至少大约80%、95%、99%、99.9%或更高。PR纤维部分716包括写入 其芯内的FBG 722,该FBG 722可以是有源的或无源的，且该FBG 722既反射又透射激光波长 的光。PR反射率可以根据系统增益要求相当大地变化，诸如，在20%、50%、80%、95%或 99 %以下。栗浦源704被光学地耦合到栗浦组合器724，该栗浦组合器将来自栗浦源的光组 合并耦合到栗浦递送纤维726内。栗浦递送纤维726通过光学拼接头728耦合到HR纤维部分 710。栗浦光提供能量用于纤维振荡器702和放大器706中的激光反馈和放大。
[0046] 纤维振荡器702的PR纤维部分716通过光学拼接头730光学地耦合到纤维放大器 706。在纤维振荡器702中生成的种子光束从而被耦合到纤维放大器706内用于大幅放大。纤 维放大器706在光学拼接头732处光学地耦合到递送纤维708。递送纤维708接收来自纤维放 大器706的经放大的光束且将该光束指引到目标(未示出）。在光学拼接头730、732处，光学 纤维芯的直径增加，典型地导致一定量的不期望的光学损耗。这样的光学拼接头处的邻接 的纤维的数值孔径被选择成具有预定差，其中较大芯的下游纤维具有大于上游纤维的数值 孔径。数值孔径差被选择以便以大幅减少的损耗提供光学地耦合的光束，以使得在一些实 施例中传播的光束经历0.5%或更少的光学功率减少。数值孔径差还可以被选择以使得光 学地耦合的光束的bpp不经历大幅可变性。数值孔径裕度可以被提供，以使得由于制造公差 而引起的制造的纤维激光系统700之间的变化可以缓冲以抵抗系统700的光束特性(诸如， bpp或光束半径)可变或超出公差的可能性。这样的裕度可以被选择成在可以导致将使非线 性效应恶化的光束半径减少的数值孔径差以下，或在由于与实现不同的数值孔径的纤维掺 杂相关联的限制或其他系统约束或纤维约束(诸如，包层数值孔径)而不实际的数值孔径差 以下。
[0047]鉴于所公开的技术的原理可以应用到许多可能的实施方案，应认识到，例示的实 施方案仅是代表性的实施例，且不应被认为限制本公开内容的范围。在这些部分中具体提 到的替代方案仅仅是示例性的，且不构成在此描述的实施方案的所有可能替代方案。例如， 在本文中所描述的系统的多个部件可以在功能和用途上相组合。因此，我们主张所有落在 这些权利要求的范围和精神内的为我们的发明。
【主权项】
1. 一种设备，包括： 一个光学增益纤维，其具有一个芯、一个围绕该芯的包层，该芯和该包层限定一个光学 增益纤维数值孔径；以及 一个多模纤维，其具有一个半径大于光学增益纤维芯的半径的芯、一个围绕该芯的包 层，该多模纤维的芯和包层限定一个比该光学增益纤维数值孔径大的多模纤维稳定数值孔 径，该多模纤维被光学地耦合到该光学增益纤维，以便接收在该光学增益纤维中传播的光 束且使接收到的光束在多模纤维芯内以与光学耦合相关联的低光学损耗稳定地传播。2. 根据权利要求1所述的设备，其中该光学耦合与低光学损耗相关联。3. 根据权利要求2所述的设备，其中该光学增益纤维数值孔径和该多模纤维稳定数值 孔径被选择以使得:与光束的从该光学增益纤维到该多模纤维的光学耦合相关联的低光学 损耗低于与光束的从该光学增益纤维到具有一个与该光学增益纤维数值孔径相等的芯数 值孔径的多模纤维的光学耦合相关联的光学损耗。4. 根据权利要求1所述的设备，其中该光学增益纤维数值孔径和该多模纤维稳定数值 孔径被选择以使得它们的差超过与在该多模纤维中传播的光束的可变光束参数乘积相关 联的数值孔径差。5. 根据权利要求4所述的设备，其中超过的数值孔径差小于该光学增益纤维数值孔径 的大约 5%、10%、20%、50%、100% 或 200%。6. 根据权利要求1所述的设备，其中该多模纤维通过一个熔接光学拼接头光学地耦合 到该光学增益纤维。7. 根据权利要求1所述的设备，其中该多模纤维通过自由空间光学器件耦合到该光学 增益纤维。8. 根据权利要求1所述的设备，其中该光学增益纤维是纤维振荡器。9. 根据权利要求8所述的设备，其中该纤维振荡器包括:一个无源高度反射FBG纤维部 分;一个有源振荡器纤维部分，该有源振荡器纤维部分在其一个上游端处拼接到该无源高 度反射FBG纤维部分；以及，一个无源部分反射FBG纤维部分，该无源部分反射FBG纤维部分 在其一个上游端处拼接到该有源振荡器纤维部分的一个下游端且在其一个下游端处拼接 到该多模纤维。10. 根据权利要求8所述的设备，其中该纤维振荡器是单模纤维振荡器。11. 根据权利要求1所述的设备，其中该多模纤维是多模纤维放大器。12. 根据权利要求1所述的设备，其中该多模纤维是多模光束递送纤维。13. 根据权利要求1所述的设备，还包括： 其中该多模纤维包括第一多模纤维和第二多模纤维，其中该第二多模纤维具有一个直 径比该第一多模纤维的芯的直径大的芯、一个围绕该第二多模纤维的芯的包层、以及一个 相关联的比该第一多模纤维的多模纤维芯数值孔径大的芯数值孔径，该第二多模纤维被光 学地耦合到该第一多模纤维，以便接收光束和使光束在该第二多模纤维的较大的芯中以与 该第一多模纤维和该第二多模纤维的光学耦合相关联的低光学损耗传播。14. 根据权利要求13所述的设备，其中该光学增益纤维是单模纤维振荡器，该第一多模 纤维是多模纤维放大器，且该第二多模纤维是多模光束递送纤维。15. 根据权利要求2所述的设备，其中该低光学损耗在光束的总功率的大约0.5 %、 0·2%、0·1%或0.05% 以下。16. 根据权利要求1所述的设备，其中该光学增益纤维和该多模纤维是纤维放大器。17. 根据权利要求1所述的设备，其中该光学增益纤维芯数值孔径和该多模纤维芯数值 孔径被选择以在对应的纤维参数公差内的纤维参数变化上提供光束的光束参数乘积的低 变化增加。18. 根据权利要求2所述的设备，其中该低光学损耗与通过该多模纤维的较高阶模式的 光束进行的激发相关联。19. 根据权利要求1所述的设备，其中该多模纤维中的光束的光束半径与相对于该光学 增益纤维中的光束的光束半径的稳定增加相关联。20. 根据权利要求2所述的设备，其中较大的多模纤维芯数值孔径被选择以具有在对应 的纤维参数公差内的纤维参数变化上提供低光学损耗的损耗裕度。21. -种方法，包括： 选择一个增益纤维的芯直径和数值孔径以及一个接收多模纤维的较大的芯直径和较 大的数值孔径，以使得从该增益纤维耦合到该接收多模纤维的光束的光束参数乘积在一个 不稳定的阈值以上且是稳定的；以及 光学地耦合该增益纤维和该接收多模纤维。22. 根据权利要求21所述的方法，其中该增益纤维是主控振荡器，且该接收多模纤维是 多模纤维放大器。23. 根据权利要求21所述的方法，其中该光束被耦合以使得与耦合相关联的光学损耗 在耦合的光束的总功率的大约0.5%以下。24. 根据权利要求21所述的方法，其中该接收多模纤维是递送纤维。25. -种纤维激光系统，包括： 一个纤维振荡器种子源，用于生成光束，该纤维振荡器种子源具有一个芯直径和数值 孔径； 至少一个栗浦源，其被光学地耦合到该纤维振荡器种子源，用于光学地栗浦该纤维振 荡器种子源；以及 一个多模纤维放大器，其具有一个芯直径和数值孔径，该多模纤维放大器通过一个光 学拼接头光学地耦合到该纤维振荡器种子源以便接收光束； 其中该多模纤维放大器芯直径和数值孔径大于该纤维振荡器种子源芯直径和数值孔 径，以便限定芯直径差和数值孔径差，所述差被选择以提供大幅减少的光学损耗和稳定的 光束参数乘积。
【文档编号】H01S3/067GK106025775SQ201610182805
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月28日
【发明人】R·L·法罗, D·A·V·克莱纳
【申请人】恩耐公司