[发明专利]具有非均匀配置的光纤-光纤棒多模放大器的超大功率单模光纤激光器系统

说明书

一种大功率单模(“SM”)激光器系统包括配置有单片光纤‑棒状光纤波导的放大器，所述单片光纤‑棒状光纤波导具有多模(“MM”)纤芯以及围绕所述纤芯的至少一个包层。所述MM纤芯配置有以下结构：较小直径的均匀输入区域，接收并导引SM信号光；模式转换锥形纤芯区域，从输入区域向外扩展；以及相对较大直径的均匀输出部分。所述大功率激光器系统还配置有数值孔径为NA₂的MM泵浦光传输光纤，NA₂最大等于输出纤芯部分的数值孔径。放大器和泵浦光输出光纤横穿未约束的传输线缆，并终止于反射镜的上游面，所述反射镜配置用于将入射泵浦光沿反向传播方向聚焦到放大器的芯区内。所述反射镜还配置有与放大器的光轴相对准并配置为使被放大的信号光沿传播方向进行无损传播的开口。

技术领域

本公开涉及一种设置有单片光纤-棒光纤放大器的超大功率光纤激光器系统，在自由空间上直接向激光头传送实质上基模的信号光。

背景技术

过去几十年，来自掺杂稀土元素的光纤源的输出功率显著增加，通过使用双包层光纤导致大量光纤激光器在输出功率、光束质量、整体效率和波长适应性方面具有优秀的性能。然而，对现代大功率光纤激光器系统的功率缩放(power scaling)还远不能满足日益增加的工业需求。

如本领域技术人员所理解的，构成大功率单模或低模(“SM/LM”)光纤放大器的前提非常简单：最大程度地放大SM/LM有源光纤的芯径，并且最小化导引光的MM有源纤芯的长度。容易理解的是较大芯径和较短长度的原因是出于对高峰值功率、高平均功率等级、以及实质上衍射极限的激光输出的需要。

然而，增加波导的芯径导致增加导出的高阶模的数量，这样降低了光束质量。可以通过大幅减小纤芯的数值孔径(“NA”)来消除对光束质量的影响，然而这样做将严重限制可以耦合进入纤芯的泵浦光的量。因此，现有技术中用于实现大功率的唯一可行办法是包层泵浦。使用包层泵浦需要增加有源光纤的有效长度，这是由于对耦合进入包层的泵浦光的吸收效率大约比对耦合进入纤芯的泵浦光的吸收效率低8倍。因此，发生NLE的阈值径向地降低。研究了用于改善能够发射SM/LM输出的大功率激光器系统的可缩放性的大量技术，下文将进行简要描述。

明显影响可缩放性的一个重要发展包括光纤激光领域技术人员公知的双包层光纤。例如，美国专利5,818,630及其扩展的专利族公开了一种包括双包层MM有源光纤放大器的大功率光纤激光器系统。通过将模式匹配元件(所谓的模式转换器，光学领域的技术人员公知为扩束器)布置在SM无源和MM有源光纤之间，来实现良好质量的输出光束。将转换器配置为将SM扩展为有源光纤的基模大小，其中如本领域技术人员公知，将有源光纤的基模近似描述为高斯形状。

这种设计不能毫无代价地实现。明显地，它体积较大并且并非坚固耐用，因此它的使用被限制在相对无应力的环境中，其中在现场中不易于产生和维护这样的环境。如果将锥状光纤用作模式匹配元件，则将它与相应的SM和MM光纤的端部熔接。在这种配置下，功率在光纤之间接合部处损耗，明显增加了衍射受限光射线的失真。此外，由于双包层配置，泵浦技术包括将泵浦光耦合进入内包层，这样增加放大器的长度并提升NLE的阈值。

目前，光纤激光产业转向晶体光纤棒，晶体光纤棒通常用于放大器链的输出级以解决光纤放大器的可缩放性。基于空气孔包层技术(clad technology)，晶体光纤棒包括具有掺杂纤芯、较大直径的泵浦纤芯或内包层及外包层的双包层结构。

棒状光纤的SM掺杂纤芯具有非常小的NA，并由熔融的硅石/石英制成，通常具有低掺杂浓度。低数值孔径将可以耦合进入纤芯的大功率泵浦光的量限制为用于实现kW-MW范围内(根据激光器系统操作在CW模式下或是脉冲模式下)的超大功率所需的量。因此，仅可以将充分量的泵浦光耦合进入泵浦纤芯或内包层。因此，为了完全利用包层耦合的泵浦光，光纤棒应具有在几十(通常超过50)厘米到几米之间改变的长度。因此即使最短的可用光纤棒仍受到NLE存在的不利影响。当然，NLE严重限制了激光的功率可缩放性。