[发明专利]包括泵浦光导向光纤的光学装置

说明书

技术领域

本发明涉及实现诸如高功率光纤激光器与放大器之类的光纤激光器与放大器的侧面泵浦的方法及材料。

背景技术

高功率光纤激光器由于其高效性、简易性及可靠性而已经变得越来越受欢迎。另外，鉴于其简单的布置结构，因此非常容易耐用。

高功率应用通常使用双包层光纤。这种光纤包括：通常掺杂了诸如稀土离子或其他离子的激光材料的纤芯；包裹着该掺杂纤芯的内包层，泵浦功率通过该掺杂纤芯进行传输并逐步在该掺杂纤芯中被吸收；包裹着内包层的外包层，并形成用于泵浦信号的介质波导。内包层的光学特性与通常用于固态激光器泵浦的高功率二极管激光器非常匹配。因此，通过使用双包层光纤作为增益材料可以实现高效泵浦。

用于高功率光纤激光器应用的双包层光纤的问题之一是：用于注入光学泵浦功率的端面泵浦方法。端面泵浦为该激光器系统中的每根光纤提供至多仅仅2个输入端，全部注入功率都通过其进入光纤。这个物理限制约束了可被用于注入光功率的泵浦源的数量和类型。另外，当双包层光纤用作功率放大器时，端面泵浦禁止将被放大的信号的简单注入，并使得耦合光学器件变得笨重和昂贵。

用于商业光纤激光器与放大器的现代高功率泵浦技术通常基于由二极管激光器执行的端面泵浦。用于光纤激光器应用的一般光纤为可调输出在980纳米-1200纳米之间(由915纳米或980纳米二极管泵浦)的掺杂镱离子Yb³⁺的二氧化硅光纤、用于1550纳米人眼安全(eye-safe)及通讯应用(由980纳米或1480纳米二极管泵浦)的掺杂铒离子Er³⁺的二氧化硅光纤、也用于1550纳米应用的Yb³⁺：Er³⁺二氧化硅光纤，但是在高功率范围，广泛应用的掺铒光纤并不合适。主要用于2微米遥感及医疗应用的其他光纤激光器为掺杂铥离子Tm³⁺及共同掺杂钬离子Ho³⁺和铥离子Tm³⁺的二氧化硅光纤。

用于标记、钻孔及其他工业应用的最常用光纤是Yb³⁺光纤，其特性为高效和耐用。另外，可靠并有效的泵浦二极管可适用于这种镱离子Yb³⁺激发，同时其较宽的吸收带(25纳米)使得可以使用不需要专门冷却的泵浦二极管。该光纤的高效率及较高的面积/体积比使可以通过空气冷却，而不用像固态激光器中麻烦的液体冷却。

然而，如今使用高功率光纤激光器与放大器的主要限制之一是泵浦耦合技术。参考图1，其示出了高功率光纤放大器中的现有技术的端面耦合。高功率二极管10通过耦合光学器件12及端面光纤耦合部分14将光功率泵浦至掺杂稀土的双包层光纤18(例如，掺镱Yb³⁺光纤)。诸如1.064微米的二极管之类的种光源(seeder)16可以注入低功率信号至耦合部分14。耦合部分14可为了抗反射泵浦波长而被包覆起来，并且可以对信号波长有高反射率。该双包层光纤18可以连接至输出耦合光学器件20。

然而，由于需要复杂的光学对准及严格的允许误差，端面泵浦技术限制了耦合效率，降低了光纤激光器系统的坚固性，并且由于使用昂贵的光学器件，增加了系统成本。当需要进行高功率光纤放大时，问题变得更加严重。复杂的光学对准及严格的允许误差连同光纤输入端的高功率通量，使得此结构复杂、低效、昂贵并且对环境变化非常敏感。

在现有技术中已经提出了对这些问题的解决方案。例如，Samartsev等人的美国专利5,999,673描述了在一个多模光纤尾纤与双包层光纤之间的耦合，即这样一种光纤，该包层光纤包括直径在几微米的内纤芯(单模或多模)、第一包层(多模)和第二包层。Samartsev等人试图沿着非同轴的方向将多模光源功率传输至光纤。

Samartsev等人的耦合包括双包层光纤内包层与泵浦源之间的锥形环状泵浦导向多模光纤。泵浦导向光纤是锥形的，然后被熔入双包层光纤的内包层，其中，该熔融区域刚好充分包含了泵浦导向光纤的全部锥形区域而无其他。然而，泵浦导向光纤的发散角αs以及双包层光纤的多模内包层的发散角αf必须满足以下关系：

αf＝k·αs

其中k是大于1的常数。