[发明专利]光学纤维簇加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及制备光学纤维接头的过程，并且涉及利用所述纤维接头工艺制备包含有光学纤维的光学纤维簇的过程。包含光学设备的簇在纤维激光器和放大器中是有用的，特别是当从多模泵浦源向一个或者多个双包覆纤维耦合光的时候，所述纤维包括位于纤维芯部的活性元件。

背景技术

从双包覆纤维激光器输出的功率近来已经显著提高。在近来的实验中，已经从基本上单模设备中实现了数百瓦的功率，使得纤维激光器成为例如材料加工领域的灯和二极管泵浦(ND：玻璃)Nd:YAG的重要竞争对手。除了连续波操作，在纤维激光器中还说明了脉冲操作和低到毫微微秒范围且峰值功率大大超过100kW的脉冲放大。

基于双包覆纤维的纤维激光器相对于固体激光器提供了几个好处。双包覆纤维激光器的主要性能优势在于容易管理设备内的热能载荷。这种纤维的表面对活性体积比较高，保证了优良的热耗散性。而且，光束模态质量较大程度上由活性芯部和周围材料的尺寸和折射系数曲线确定，并且因此独立于泵浦功率和热能载荷。与之相较，固态激光器采用大块晶体作为它们的增益介质，已知这对于诸如热透镜的效应是敏感的，在设计激光腔的时候，这种效应必须加以考虑。在这方面，纤维提供了非常稳定的增益元件。另外，纤维激光器诸如空间紧凑、高度整合、操作简单、耐用和操作可靠的进一步益处促使高功率纤维激光器和纤维放大器适用到几种商业和军事应用场合，例如作为微加工、热打印、焊接、打标、医疗应用和遥感的能源。

传统双包覆活性纤维包括掺杂稀土的单模或者多模芯部、直径为几百微米的石英内包覆层和第二低系数外包覆层，所述外包覆层包括低系数聚合物，诸如硅树脂。内外包覆层之间的数值孔径(NA)在0.35-0.47范围内，取决于涂覆材料的折射系数。内包覆层用来耦合来自诸如高功率二极管激光器、二极管激光器条和阵列的低亮度多模泵浦源的泵浦辐射，用于在活性芯部吸收。典型地，泵浦区域和掺杂的芯部较小，该芯部要求较长的设备长度来吸收泵浦辐射的主要部分。芯部材料的泵浦吸收可以通过纤维结构设计来提高，其中单模芯部从圆形包覆层中心偏离，或者内包覆层的圆形对称被打破。

与双包覆纤维设备相关的通病是如何有效地将足够数量的低亮度源耦合到内包覆层，且不会显著增加纤维激光器的成本。通过要求信号光同步耦合入和耦合出活性芯部，改善了泵浦耦合问题。能单独将光耦合到双包覆纤维结构内而不影响信号耦合，允许使用双向泵浦的包覆泵浦纤维激光器和纤维放大器。双向泵浦的纤维激光器和放大器的输出功率定标(scaling)更为直接，因为多个泵浦点沿着纤维长度添加进来。另外，双向泵浦结构的热能管理得到了简化。但是，因为大模面积(LMA)或者多模纤维适合高功率CW纤维激光器和短脉冲纤维放大器，所以将信号仔细和稳定地耦合入和耦合出双包覆纤维的问题变得更加重要。LMA纤维需要克服由纤维的非线性导致的输出功率(短脉冲应用场合的峰值功率)限制。对于这些纤维来说，基模激励对获得近乎单模的操作来说是关键性的。(例如见US5818630)。

已经研发出纤维结构，其能将泵浦光耦合进信号纤维。大多数这种结构进行了优化以操作在具有单模芯部的低功率水平。在kW水平，为了增大输出功率，信号纤维的芯部尺寸需要加大。加大芯部尺寸需要克服纤维芯部的热能限制并且需要增大非线性阈值，所述非线性诸如受激Raman散射，受激Brillouin散射和自相(self-phase)调制。在具有衍射受限的输出光束质量的高功率纤维激光器中，减少光学纤维的微弯曲对于消除信号芯部的模式混合是关键性的。另外，拼接点的数目需要最小化，因为它们也可能是模式混合的点，并且它们增大纤维的背景损失(因此降低纤维激光器的效率)。

光子纤维

最近，“光子纤维”出现在市场上，这些纤维还已知为“光子晶体纤维”(PCF)(见US6778562)。类似于传统纤维，这些纤维不能完全由诸如掺杂的石英的固态透明材料组成。作为截面示出，光子纤维呈现出许多其他气体的气孔，甚至是真空气孔。这些孔仅知的功能是引起纤维系数的较大变化，这种变化，类似于在纤维中由掺杂试剂引起的变化，有助于在纤维中引导光(见US6778562，FR2822242，CA2362992，WO00/49435，US2004/07 1423，US20040052484和CA2368778)。