[发明专利]高功率钕纤维激光器和放大器

说明书

技术领域

本公开涉及可操作以在主波长和寄生波长处发射辐射线的高功率纤维激光器系统(“HPFLS”)。更特别地，本公开涉及具有Nd掺杂纤维的增益块，所述增益块可操作以产生/放大期望波长的辐射线，同时限制寄生波长处的增益。本公开还涉及具有Nd掺杂纤维的增益块，所述增益块可操作以产生高次谐波。

背景技术

近来已经加强了对在880-960nm的发光范围内发射光的纤维激光器系统的开发和功率标定，因为发现这些系统可应用于各种工业中。例如，这些系统可用作Yb掺杂型纤维激光器的强力泵送件。可选择地，这些纤维激光器系统用于实现二次谐波的产生，即，与双频产生相关的非线性光学过程，因此实现了半波长，即，450-470nm。在该范围内工作的激光器系统被称为“蓝色”激光器。

公知的是，与880-960nm的发光波谱范围相对应的钕离子的⁴F_3/2-⁴I_9/2变换终止于接地状态。因此，在该波谱范围内的信号经过接地状态吸收，结果，需要高粒子数反转来实现该波谱范围内的合理增益，使得在寄生的1060nm波长的周围具有极高的增益。两个最常见的方法通常用于解决该问题。

一种已知的方法基于减少纤维中有源离子的浓度和有源纤维的长度。该方法的实现通常需要使用具有极大芯直径的纤维，以便于泵送辐射线的有效吸收。这反过来使得较高次模的增益的大幅度增加成为必需。应当注意的是，1060nm范围内的高寄生增益的效果和较高次模放大率的增长彼此叠加并且使得对于1060nm的较高次模增益灾难性增长。可以通过减小芯/包覆层折射率差并且对于高次模甚至在长波长波谱范围内的基模引发弯曲损耗来克服这种限制。

在实践中另一宽泛使用的方法基于通过使用w轮廓的有源纤维在长波长范围内抑制有源纤维的基模。通常，该方法需要使用极小的芯直径的有源纤维。这使得使用具有合理泵送吸收率所需的高浓度的有源离子以及因此使得能够达到数百dB的在1060nm波谱范围内的高寄生增益成为必需。这意味着，w轮廓有源纤维的抑制应当超过数百dB，这点极难实施或监控。除此之外，这种高浓度的钕离子将使得泵送转换效率降低。除此之外，与小芯直径相对应的模场直径的压缩将降低非线性现象的阈值。所有上述原因阻碍了900nm范围内的高性能和高功率钕纤维激光器的实现。

总之，基于Nd掺杂纤维的增益块以各个信号波长和寄生波长处的放大率为特征。在900nm范围内信号波长处的增益的期望值处在1060nm范围内寄生波长处的增益为Nd掺杂纤维的总长度和有源离子的浓度的函数。通常，随着纤维长度和浓度的增加，寄生范围内的增益也增大。

在Nd掺杂纤维中增益块中的泵送吸收率也与Nd掺杂纤维的长度和有源离子的浓度成比例。因此，通过具有较大的长度和较高的Nd离子浓度来增加泵送吸收率必然地使得寄生放大率增长。

因此，对于基于Nd掺杂纤维的增益块以及制造所述块的方法存在需求，无需增大掺杂剂浓度和增加有源纤维长度来提高泵送光吸收率。

另外，对于设置有钕纤维增益块的高性能和高功率纤维激光器系统存在需求。

此外，对于基于用于产生增益块的辐射线的二次或更高次谐波的钕掺杂纤维增益块的纤维激光器系统存在需求。

发明内容

所公开的Nd掺杂增益块的构造和在各个创造性光学方案中的块的应用满足了这些需求。所公开的增益块被构造为具有侧泵送(“SP”)构造，所述SP构造包括沿着相应的相对侧边彼此光学耦合的固定长度的Nd掺杂有源纤维和被动泵送输送纤维。SP构造被构造为具有有源纤维的芯面积Ac与总泵送引导包覆层面积Aclad之间的高比率。所公知的是，比率越大，泵送光吸收越高。因此，相应的有源纤维和输送纤维的构造提供了泵送光的高效吸收以及在900nm范围内的期望波长处的高增益。同时，1060nm范围内的寄生增益不超过合理阈值。

特别地，细长的有源纤维具有由两个间隔开的小面积端区域和大面积中央区域限定的双瓶颈形状，而输送纤维具有哑铃形状，所述哑铃形状具有在相对的大面积端区域之间延伸的小面积中央区域。各种纤维的中央区域被构造为使得芯面积和总包覆层面积之间的比率被选择以允许增大泵送光吸收率。因此，与上面讨论的技术不同的所公开的增益块和用于制造所述增益块的方法不必然地具有用于提高泵送光吸收率的较大的纤维长度和较高的浓度。