[发明专利]超大功率单模光纤激光系统

说明书

一种超大功率光纤激光系统包括：单个光纤升压器，配置为具有光纤和直线型短棒状光纤部，所述棒状光纤部通常具有数值孔径等于或高于0.1的纤芯并在其整个横截面上掺杂有一种或更多种稀土元素的离子。棒状光纤部被构造为具有不超过约几十厘米的较短长度，并具有大体上截头锥体的横截面，所述截头锥体横截面从均匀配置的光纤部扩展。沿着光纤部延伸的纤芯能够支持SM或非常少数量的HOM，其中所述HOM沿着纤芯在传播方向上传导的并被耦合到棒状光纤的锥形纤芯的较小直径端。相反，锥状纤芯的大直径端支持多个模式，其中基模重叠所述纤芯的沿着其整个长度的横截面的至少约0.65²。所公开的功率系统还包括：泵浦源，发射大功率多模泵浦光，其中所述泵浦光沿反向传播方向被耦接到纤芯的大直径端，其NA几乎与纤芯的NA相同。泵浦源配置为发射具有如下密度的泵浦光：在纤芯的重叠区域中继续对基模进行放大的同时，使纤芯外围的非交叠区域褪色。因此，所公开的系统发射实质上基模的信号光，该信号光在系统操作的CW制式下的平均功率为几kW，在系统操作的脉冲制式下的峰值功率约1MW或更多MW。

技术领域

本公开涉及单模(“SM”)超大功率光纤激光系统，所述光纤激光系统发射基本为基模的具有MW级峰值功率和kW级平均功率的输出。具体地，所公开的SM光纤系统包括：具有泵浦源和种子源的固定外壳；激光头，与所述外壳间隔开；无约束(unconfined)的传输光纤，在所述外壳和激光头之间；以及升压器，至少部分地延伸通过所述传输光纤并且下游端直接与所述激光头相连。

背景技术

对来自稀土掺杂光纤源的输出功率的显著提升追溯到过去几十年，通过使用双包层光纤使得许多光纤激光系统在输出功率、光束质量、整体效率和波长灵活性方面具备卓越的性能。然而，现代大功率光纤激光系统的功率量程仍然无法满足日益增加的工业需求。

目前，该领域的发展主要受限于最大可提取能量的极限和非线性效应的发生。增益介质的饱和能量是用于确定可以将多少能量存储在放大器中的关键参数，可以通过下式给出：

其中es、as是信号波长的发射横截面和吸收横截面；h1/2s是在频率1/2s下的信号能量；Aeff是有源掺杂区域的面积；以及s是与有源区域相重叠的信号。

有害的非线性效应(具体地，受激布里渊散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)从信号抢夺能量，且可以导致灾难性损伤。光纤激光器领域的技术人员应知道，通过增加模态面积并减小光纤长度，有可能缓解这种现象。由于纤芯越大占据总光纤横截面的部分就越大，因此具有较高的泵浦吸收，优选的光纤长度反比于Aeff改变。因此，增加纤芯面积自然而然地导致较短的长度。

然而，纤芯不能无限制地增加。对于单模操作，当纤芯直径增加时，纤芯和包层之间的折射系数差n必须减小，并且在特定阈值之后，变得弯曲敏感。此外，当将n固定为最小值时，进一步增加纤芯直径会导致多模操作。尽管这是可允许的，然而纤芯尺寸受限于不可避免的但却不希望发生的模式之间的能量变换。通过下式给出在多模光纤中模式之间的模式耦合效率：

η～(λ²k²)/(Δn^2peff)(2)

其中k是由于折射系数(index)和微弯波动(microbend fluctu ations)引起的扰动幅度，neff是不同模式之间的有效折射系数差，以及p是考虑光纤上的机械扰动的拟合参数(其中值>0)。因此，对于低模式耦合需要的是较大的neff。不幸的是，随着Aeff增加，neff减小，并且无法减小在特定点的模式耦合。

在大功率激光器和放大器的所有应用中采用较大Aeff设计的附加问题在于空间变换和对器件输出的聚焦。通过高斯光束来最佳地实现。因此，大功率器件的重要量度是与完美高斯空间分布M²的偏离值(M²＝1是纯高斯模式)。