具有級聯(lián)增益級的纖維源和/或低拼接損耗的多模纖維的制作方法
【專利摘要】一種設備包括：一個光學增益纖維，其具有一個芯、一個圍繞該芯的包層，該芯和該包層限定一個光學增益纖維數(shù)值孔徑；以及一個多模纖維，其具有一個半徑大于該光學增益纖維的芯的半徑的芯、一個圍繞該芯的包層，該多模纖維的芯和包層限定一個比該光學增益纖維數(shù)值孔徑大的多模纖維穩(wěn)定數(shù)值孔徑，該多模纖維被光學地耦合到該光學增益纖維，以便接收在該光學增益纖維中傳播的光束且使接收到的光束在多模纖維芯內以與光學耦合相關聯(lián)的低光學損耗穩(wěn)定地傳播。
【專利說明】具有級聯(lián)増益級的纖維源和/或低拼接損耗的多模纖維
[0001] 對相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求享有2015年3月26日提交的美國臨時專利申請No. 62/138,926的權益， 該美國臨時專利申請以引用的方式被整體納入本文。
技術領域
[0003] 本公開內容涉及高功率光源中的低損耗光學耦合。
【背景技術】
[0004] 常規(guī)連續(xù)波纖維源典型地被設計成在表現(xiàn)出優(yōu)良光束質量的輸出光束中實現(xiàn)高 平均功率，諸如數(shù)百W到數(shù)千W。在大多數(shù)情況下，在衍射極限處或附近的輸出光束是高度期 望的，因為該輸出光束可以被聚焦到導致更高輻照度能力的更小光斑。由于多種實際益處， 典型地通過使用級聯(lián)纖維增益級的單模纖維激光系統(tǒng)架構獲得這樣的光束。然而，即使對 于級聯(lián)纖維激光系統(tǒng)，只能通過關于成本、可靠性以及性能做出多種權衡來實現(xiàn)單模性能。
[0005] 級聯(lián)系統(tǒng)典型地包括:一個單模種子源，諸如，單模纖維振蕩器，一個或多個纖維 振蕩器或纖維放大器級，其耦合到種子光束以縮放其功率；以及一個遞送纖維，用于將光束 遞送到目標。在典型的系統(tǒng)中，種子光束在雙包層纖維的芯中傳播同時耦合到該纖維的包 層內的栗浦光提供用于放大該種子光束的能量源。隨后的放大或遞送纖維級使用較大的纖 維芯來防止與光束相關聯(lián)的不利的非線性效應發(fā)生且增加栗浦吸收，但是增加纖維芯尺寸 不利地允許光束以比優(yōu)選的單個基模更高的多種橫模傳播。因此，采用多種技術來維持大 模面積(LMA)纖維中的單模光束性能。
[0006] 維持增益級之間的單模性能的一種方式是，卷繞一個或多個級一一包括當前的、 先前的或隨后的級，以使得較高階模被抑制。增益級還可以小心地耦合至彼此一一諸如通 過絕熱纖維錐體(taper)、模場適配器或精密對準，以使得在前的增益級中的光束的基模被 小心地匹配到或發(fā)射到隨后的增益級的基模內。芯直徑簡單增加而沒有其他纖維參數(shù)改變 的設計因為纖維之間的模態(tài)失配而可以導致過量的拼接損耗。另外，增加的芯直徑可以支 持附加模式，促進多模傳播，除非減小數(shù)值孔徑以進行補償。一般而言，功率耦合效率退化 或與多種增益級耦合相關聯(lián)的其他光學損耗是實現(xiàn)單模性能的必然阻礙，盡管由于附加部 件以及有損連接造成部件(MFA，熱管理）的成本增加以及伴隨的可靠性降低。因此，需要在 高功率連續(xù)波系統(tǒng)中進行創(chuàng)新而避免上述缺點。

【發(fā)明內容】

[0007] 根據(jù)所公開的技術的一些實施例，一種設備包括:一個光學增益纖維，其具有一個 芯、一個圍繞該芯的包層，該芯和該包層限定一個光學增益纖維數(shù)值孔徑；以及，一個多模 纖維，其具有一個半徑大于該光學增益纖維的芯的半徑的芯、一個圍繞該芯的包層，該多模 纖維的芯和包層限定一個比該光學增益纖維數(shù)值孔徑大的多模纖維穩(wěn)定數(shù)值孔徑，該多模 纖維被光學地耦合到該光學增益纖維以便接收在該光學增益纖維中傳播的光束且使接收 到的光束在多模纖維芯內穩(wěn)定地傳播。
[0008] 根據(jù)所公開的技術的附加的實施例，一種方法包括:選擇一個增益纖維的芯直徑 和數(shù)值孔徑以及一個接收多模纖維的較大的芯直徑和較大的數(shù)值孔徑，以使得從該增益纖 維耦合到該接收多模纖維的光束的光束參數(shù)乘積在不穩(wěn)定的閾值以上且是穩(wěn)定的；以及光 學地耦合該增益纖維和該接收多模纖維。
[0009] 根據(jù)所公開的技術的另一方面，一種纖維激光系統(tǒng)包括:一個纖維振蕩器種子源， 用于生成光束，該纖維振蕩器種子源具有一個芯直徑和數(shù)值孔徑;至少一個栗浦源，其被光 學地耦合到該纖維振蕩器種子源，用于光學地栗浦該纖維振蕩器種子源；以及一個多模纖 維放大器，其具有一個芯直徑和數(shù)值孔徑，該多模纖維放大器通過一個光學拼接頭 (splice)光學地耦合到該纖維振蕩器種子源以便接收光束，其中該多模纖維放大器芯直徑 和數(shù)值孔徑大于該纖維振蕩器種子源芯直徑和數(shù)值孔徑以便限定芯直徑差和數(shù)值孔徑差， 這些差被選擇以提供大幅減少的光學損耗和穩(wěn)定的光束參數(shù)乘積。
[0010]根據(jù)下面參考附圖進行的詳細描述，發(fā)明的前述和其他的目的、特征和優(yōu)點將變 得更加明了，附圖可以包括未按比例繪制的特征。
【附圖說明】
[0011]圖1是包括通過拼接頭光學地耦合的光學纖維的設備的示意圖。
[0012] 圖2是包括通過拼接頭光學地耦合的光學纖維的設備的另一個示意圖。
[0013] 圖3是包括通過自由空間光學器件光學地耦合的光學纖維的設備的示意圖。
[0014] 圖4是減少光學纖維之間的光學耦合中的損耗的方法的流程圖。
[0015] 圖5是模式功率含量對接收光學纖維的數(shù)值孔徑的繪圖。
[0016] 圖6是光束參數(shù)乘積和光束半徑對接收纖維的數(shù)值孔徑的繪圖。
[0017]圖7是纖維激光系統(tǒng)的示意圖。
【具體實施方式】
[0018] 如在本申請和權利要求書中使用的，單數(shù)形式的"一"、"一個"以及"所述"包含復 數(shù)形式，除非上下文另有明確指示。此外，術語"包含"意指"包括"。另外，術語"親合"不排除 在耦合項之間存在中間元件。
[0019] 本文描述的系統(tǒng)、設備和方法不應被理解為以任何方式進行限制。而是，本公開內 容指向多個公開的實施方案(單獨地以及彼此間以多種組合和子組合的方式）的所有新穎 的且非顯而易見的特征和方面。所公開的系統(tǒng)、方法和設備既不限于任何具體的方面或特 征或其組合，也不需要呈現(xiàn)任何一個或多個具體的優(yōu)勢或解決任何一個或多個具體的問 題。任何操作理論都是為了便于解釋，但是所公開的系統(tǒng)、方法和設備不限于這樣的操作理 論。
[0020] 盡管為了方便呈現(xiàn)而對一些公開的方法的操作以特定的順次次序進行了描述，但 是應理解，這種描述方式包含了重新排列，除非下面陳述的具體的語言需要特定的次序。例 如，在一些情況下，順次描述的操作可以被重新排列或被同時地執(zhí)行。此外，為了簡單起見， 附圖可能未示出公開的系統(tǒng)、方法和設備可以與其他系統(tǒng)、方法和設備結合使用的多種方 式。此外，本說明書有時使用術語比如"產生"和"提供"來描述公開的方法。這些術語是對執(zhí) 行的實際操作的高水平抽象。對應于這些術語的實際操作將依賴于具體的實施方式而變 化，且可容易被本領域的普通技術人員識別。
[0021 ]在一些實施例中，值、程序或設備被稱作"最低"、"最好"、"最小"或諸如此類。將理 解，這樣的描述旨在表明可以在許多使用的功能替代方案間進行選擇，且這樣的選擇不必 更好、更小或以其他方式優(yōu)于其他選擇。參考一些被表示為"在…以上(above)"、"在…以下 (below)"、"上(upper)"、"下（lower)"和諸如此類的方向描述實施例。這些術語是出于方便 描述而使用的，而且不暗示任何特定的空間定向。
[0022]如在本文中使用的，光學輻射指波長在大約100nm到ΙΟμπι之間、且典型地在大約 500nm到2μπι之間的電磁輻射。基于可獲得的激光二極管源和光學纖維的實施例通常與在大 約800nm到1700nm之間的波長相關聯(lián)。在一些實施例中，傳播的光學輻射被稱為一個或多個 光束，所述一個或多個光束具有可以取決于光束波長和用于光束成形的光學系統(tǒng)的直徑、 光束橫截面面積以及光束散度。為了方便起見，光學輻射在一些實施例中被稱為光，且不必 是可見波長的光。
[0023]參考光學纖維描述代表性實施方案，但是可以使用具有正方形橫截面、矩形橫截 面、多邊形橫截面、卵形橫截面、橢圓形橫截面或其他橫截面的其他類型的光學波導。光學 纖維典型地由被摻雜(或未被摻雜）以提供預定折射率或折射率差的二氧化硅(玻璃)形成。 在一些實施例中，取決于感興趣的波長，纖維或其他波導由其他材料諸如氟鋯酸鹽、氟鋁酸 鹽、氟化物或磷酸鹽玻璃、硫族化物玻璃、或者結晶材料諸如藍寶石制成。二氧化硅和氟化 物玻璃的折射率典型地是大約1.5,但是其他材料諸如硫族化物的折射率可以是3或更大。 在再一些實施例中，光學纖維可以部分由塑料形成。在典型的實施例中，摻雜的波導芯諸如 纖維芯響應于栗浦提供光學增益，且芯和包層是近似同軸的。在其他實施例中，芯和包層中 的一個或多個是偏心的，且在一些實施例中，芯和包層定向和/或位移沿著波導長度變化。 [0024]如在本文使用的，數(shù)值孔徑(NA)指如下的光學波導所限定的相對于傳播軸線的最 大入射角度:對于該角度，傳播的光學輻射大體上被限制。在光學纖維中，纖維芯和纖維包 層可以具有相關聯(lián)的NA，典型地分別由芯和包層之間的折射率差限定或者由相鄰的包層之 間的折射率差限定。當以這樣的NA傳播的光學輻射被大致良好地限制時，相關聯(lián)的電磁場 諸如漸逝場典型地延伸到相鄰的包層內。在一些實施例中，芯NA與芯/內包層折射率相關 聯(lián)，且包層NA與內包層/外包層折射率差相關聯(lián)。對于具有芯折射率和包層折射率n clad 的光學纖維，纖維芯ΝΑ是
（寸于具有一個內芯和一個與該內芯相鄰的 外芯的光學纖維，包層ΝΑ是
，其中ninne^Prwer分別是內包層的折 射率和外包層的折射率。如上文所討論的光束還可以被稱為具有與光束角半徑相關聯(lián)的光 束NA。雖然下文描述了多芯階躍折射率纖維，但是也可以使用梯度折射率設計。
[0025]在本文公開的實施例中，波導芯諸如光學纖維芯摻雜有稀土元素(諸如Nd、Yb、Ho、 Er)或其他活性摻雜劑或其組合。這樣的活性摻雜的芯可以響應于光學栗浦或其他栗浦提 供光學增益。如下文所公開的，具有這樣的活性摻雜劑的波導可以被用來形成光學放大器， 或如果被設置有合適的光學反饋(諸如，反射層、鏡、布拉格光柵或其他反饋機構），這樣的 波導可以生成激光發(fā)射。光學栗浦輻射可以被安排以在波導內相對于發(fā)射的激光束或放大 的光束的傳播方向同向傳播和/或反向傳播。在一些實施例中，摻雜的單模光學纖維或摻雜 的多模光學纖維可以被稱為增益纖維、纖維振蕩器或纖維放大器，盡管將理解，這樣的纖維 典型地還包括附加部件，諸如栗浦源、栗浦耦合器和光學反饋元件諸如纖維布拉格光柵。
[0026] 在此使用術語"亮度"來指每立體角（solid angle)每單位面積的光束功率。光束 面積和光束立體角的選擇可以產生將選擇的栗浦光束功率耦合到雙包層光學纖維、三包層 光學纖維或其他多包層光學纖維的一個或多個芯或包層內的栗浦光束。
[0027] 圖1示出了具有通過光學拼接頭光學地耦合到多模纖維104的光學增益纖維102的 級聯(lián)纖維激光設備100的橫截面示意圖。光學增益纖維102具有位于光學傳播軸線108周圍 的芯106和圍繞芯106的包層110。該芯和該包層具有限定對應的橫截面面積的預定直徑或 形狀。該芯和該包層還具有彼此不同的預定折射率，以便限定與芯106相關聯(lián)的數(shù)值孔徑。 多模纖維104包括具有限定橫截面面積的預定直徑或形狀的芯112和包層114,其中芯112大 于光學增益纖維102的芯106。多模纖維104的芯和包層具有彼此不同的預定折射率，以便限 定與芯112相關聯(lián)的數(shù)值孔徑，該數(shù)值孔徑大于芯106的數(shù)值孔徑。光學增益纖維102和多模 纖維104可以包括圍繞包層110、114的一個或多個附加包層或層。
[0028] 在芯106中傳播的光束116擴大以填充較大的芯112并且激發(fā)與多模纖維104相關 聯(lián)的附加橫模。多模纖維104的芯112的數(shù)值孔徑超過光學增益纖維102的芯106的數(shù)值孔徑 的量被選擇，使得與拼接的纖維102、104的光學耦合相關聯(lián)的光學損耗大幅減少。在合適的 實施例中，這樣的大幅減少對應于在通過光學親合的光束的總光學功率的0.5%以下的低 光學損耗，但是在附加實施例中這樣的光學損耗可以被減少到0.2%以下、0.05%以下或更 低。設備一一諸如具有的光學增益纖維數(shù)值孔徑大于或等于多模纖維數(shù)值孔徑的設備 100一一可以產生多種期望的光束特征(諸如基模傳播的保留），而且表現(xiàn)出與光學耦合相 關聯(lián)的光學損耗一一其根據(jù)選擇的纖維參數(shù)變化但是通常是從百分之幾到百分之幾。對于 高功率光束，包括例如數(shù)百瓦到數(shù)千瓦的光束功率，百分之幾的損耗可以導致激光系統(tǒng)部 件的過早退化或故障以及不期望的性能下降，特別是對于光學損耗在多個拼接頭上累積并 且復合的級聯(lián)系統(tǒng)。
[0029] 設備(諸如設備100)的光學損耗可以基于選擇的纖維參數(shù)變化，諸如通過(但不限 制于)光束116的波長、不同的光學纖維組成和結構的使用，或通過用來生成光學耦合拼接 頭的不同的拼接工具。一般而言，在多模纖維到增益纖維的光學耦合中，在增益纖維數(shù)值孔 徑以上的多模纖維數(shù)值孔徑的增加與光學損耗的最小限度減少相關聯(lián)，除非超過閾值多模 數(shù)值孔徑或多模纖維與增益纖維數(shù)值孔徑差。在這樣的損耗閾值處，典型地實現(xiàn)光學損耗 的大幅減少。可以通過進一步增加多模纖維數(shù)值孔徑來獲得光學損耗的附加減少，但是通 常具有減少的收益。將理解，還可以選擇低損耗多模纖維數(shù)值孔徑，且可以相對于選擇的較 大的多模纖維數(shù)值孔徑調整光學增益纖維芯數(shù)值孔徑，以實現(xiàn)合適的低損耗光學耦合。
[0030] 芯112的數(shù)值孔徑還被選擇以使得與光束相關聯(lián)的光束參數(shù)乘積(bpp)是穩(wěn)定的， 而非是不穩(wěn)定的。不穩(wěn)定數(shù)值孔徑產生具有不穩(wěn)定bpp的光束，該不穩(wěn)定bpp從設備到設備 是可變的，因為光學增益纖維、多模纖維或其他部件的纖維參數(shù)(諸如折射率、形狀、直徑、 拼接位置等)根據(jù)正常公差變化。一般而言，與具有穩(wěn)定芯數(shù)值孔徑的多模纖維104中的光 束116的bpp相比，與不穩(wěn)定數(shù)值孔徑相關聯(lián)的這樣的可變或不穩(wěn)定bpp也較高，且因此是不 太期望的。在合適的實施例中，根據(jù)正常制造公差，與穩(wěn)定數(shù)值孔徑相關聯(lián)的穩(wěn)定bpp或恒 定bpp從設備到設備變化小于大約5%、2%、1%或0.5%?？梢杂^察到如下不穩(wěn)定數(shù)值孔徑： 基于目標bpp，不穩(wěn)定數(shù)值孔徑產生的bpp在設備之間變化大于大約5 %、10 %、20 %、50 %或 更多。不穩(wěn)定數(shù)值孔徑還可以產生在特定設備的操作期間一一包括在選擇的輸出功率或輸 出功率范圍下一一不期望地或不可預測地變化的不穩(wěn)定bpp。在一些實施例中，在激光設備 的操作期間，不穩(wěn)定bpp可以變化大于大約5%、10%、20%、50%或更多。
[0031] 一旦獲得穩(wěn)定的低損耗數(shù)值孔徑或數(shù)值孔徑差，如上文所提及的，就會實現(xiàn)光學 損耗的較小減小，因為對于多模纖維數(shù)值孔徑或對應的數(shù)值孔徑差的每單位增加，光學耦 合的光學損耗接近零或其他損耗最低點。增加多模纖維的數(shù)值孔徑(或減小光學增益纖維 的數(shù)值孔徑)也傾向于變得不那么實際。例如，可用于變化數(shù)值孔徑的材料可以限制折射率 可以被增加或減小的程度，或其他纖維參數(shù)諸如與光學增益纖維110或多模纖維包層114相 關聯(lián)的數(shù)值孔徑可以限制光學地耦合的芯數(shù)值孔徑之間的選擇的差的程度?？梢澡b于多種 激光參數(shù)或約束選擇可實現(xiàn)的穩(wěn)定多模纖維數(shù)值孔徑。
[0032] 穩(wěn)定多模纖維數(shù)值孔徑或數(shù)值孔徑差還可以被選擇，以使得提供一個數(shù)值孔徑裕 度，在纖維參數(shù)根據(jù)正常公差變化時，該數(shù)值孔徑裕度允許設備100維持穩(wěn)定bpp或光束116 的與光學耦合相關聯(lián)的其他穩(wěn)定特性。在一些實施例中，穩(wěn)定多模纖維數(shù)值孔徑被選擇具 有一個在穩(wěn)定多模纖維數(shù)值孔徑的0.5%、1%、2%、5%、10%、20%或50%內的數(shù)值孔徑裕 度。在其他實施例中，穩(wěn)定多模纖維數(shù)值孔徑被選擇具有一個在邊界線穩(wěn)定的或恰好變得 穩(wěn)定的多模纖維數(shù)值孔徑值以上〇. 01 A NA、0.1 Δ ΝΑ、0.5 Δ NA、1 Δ NA或5 Δ NA的裕度。將理 解，還可以通過調整一個光學增益纖維芯數(shù)值孔徑、兩個芯數(shù)值孔徑或芯數(shù)值孔徑之間的 差來獲得具有數(shù)值孔徑裕度的穩(wěn)定光學耦合。
[0033] 在代表性實施例中，光學增益纖維102是單模纖維，該單模纖維具有僅允許光束 116以基本橫向LP(n模式傳播的芯直徑。在一個具體實施例中，光學增益纖維102具有摻雜有 鐿的芯106,光束116的對應的激光波長可以是大約1080nm。對于0.06NA的對應的芯數(shù)值孔 徑，對于小于大約10M1的直徑出現(xiàn)單模行為。在其他實施例中，光學增益纖維102具有一個 少模芯(few mode core)或一個LMA芯，所述芯具有的直徑大于單模纖維以使得芯106可以 能夠支持較高階模式?？梢砸圆煌绞揭种戚^高階模式，諸如通過纖維102的卷繞、光子晶 體微結構、手性耦合芯微結構等，以便允許光束116大體上僅以基本橫向LP Q1模式傳播。還可 以允許較高階模式進行傳播以使得在光學增益纖維102中傳播的光束116是多模的。
[0034] 在一個具體實施例中，光學增益纖維102具有摻雜有鐿的芯106,該芯具有大約 1080nm的對應的激光波長。利用0.0805NA的芯數(shù)值孔徑和13.2μπι的芯直徑，可以通過光學 增益纖維102的卷繞獲得單模LP Q1光束特性。取決于與設備100相關聯(lián)的激光系統(tǒng)的特性，光 學增益纖維可以被設置作為纖維振蕩器，通過反射元件之間的反饋提供光學增益，或被設 置作為纖維放大器，在沒有大幅反饋的情況下生成光學增益。將理解，光學增益纖維102可 以包括一個或多個光學纖維元件，所述一個或多個光學纖維元件被光學地耦合或拼接在一 起使得光學地耦合到多模纖維104的光學纖維元件可以是光學增益纖維102的一個無源部 分。
[0035] 在設備100的代表性實施例中，多模纖維104是多模增益纖維，或不具有活性摻雜 劑的多模纖維，諸如多模遞送纖維?；钚該诫s的多模纖維104包括芯110,該芯110具有的直 徑大于與光學增益纖維102的芯106相關聯(lián)的直徑。多模增益纖維的芯110被摻雜以為從光 學增益纖維102接收的光束116提供光學增益。將理解，活性摻雜的多模纖維104可以包括一 個或多個光學纖維元件，所述一個或多個光學纖維元件被光學地耦合或拼接在一起使得光 學地耦合到光學增益纖維102的光學纖維元件可以是活性摻雜的多模纖維104的一個無源 部分。多模纖維104實施例可以包括典型地沿著整個長度缺少活性摻雜劑的多模遞送纖維。 遞送纖維典型地用來將高功率光束116指引到一個目標工作表面。
[0036]在一個具體實施例中，多模纖維104的芯110摻雜有鐿以提供1080nm下的激光放 大，且芯110的直徑是大約39.2μπι。關于芯106的數(shù)值孔徑選擇芯110的數(shù)值孔徑，以使得光 學增益纖維和多模纖維的光學耦合被設置有低光學損耗，且使得在多模增益纖維中傳播的 光束116的bpp是穩(wěn)定的。可以提供數(shù)值孔徑裕度，以使得在纖維參數(shù)變化在公差內時，設備 100的不同的實施方式不傾向于以不穩(wěn)定的bpp操作。還可以調整芯106、110的直徑以實現(xiàn) 合適的數(shù)值孔徑或數(shù)值孔徑差。
[0037] 在一個具體實施例中，當光學增益纖維102具有0.0805NA的芯數(shù)值孔徑和13.2μπι 的芯直徑且提供大約1080nm的波長的光束116時，具有0.10的芯數(shù)值孔徑和39.2μπι的芯直 徑的多模纖維104與一個熔接拼接頭光學地耦合，以接收光束116且放大1080nm的光束。對 于小于大約0.09的多模纖維芯數(shù)值孔徑，觀察到微小的與該光學拼接頭相關聯(lián)的光學損耗 減少或未觀察到與該光學拼接頭相關聯(lián)的光學損耗減少，該光學損耗是總光束功率的大約 2%。對于大于大約0.09的多模纖維芯數(shù)值孔徑，發(fā)現(xiàn)光學損耗的大幅減少，但是在光束116 中發(fā)現(xiàn)可變bpp和其他性能特性。在大約0.095處，該多模纖維芯數(shù)值孔徑為光束116提供穩(wěn) 定bpp，但是從設備到設備的在公差內的纖維參數(shù)的正常變化可以導致設備具有不穩(wěn)定bpp 或其他光束特性。在大約0.10處，該多模纖維芯數(shù)值孔徑提供非常接近零的損耗，具有穩(wěn)定 bpp且具有足夠的數(shù)值孔徑裕度或緩沖，以使得對于光學增益纖維102、多模纖維104或其他 系統(tǒng)部件或操作特性，纖維參數(shù)的正常變化不導致大量的可變地執(zhí)行的設備。
[0038]圖2示出了纖維設備200的橫截面示意圖，纖維設備200通常包括光學增益纖維 202,該光學增益纖維202通過熔接拼接頭光學地耦合到多模光學增益纖維204,該光學增益 纖維204通過熔接拼接頭光學地耦合到多模纖維206。通過傳播通過設備200,光束208被生 成或被放大或既被生成又被放大。光學增益纖維202包括活性芯210,該活性芯具有選擇的 直徑和數(shù)值孔徑以用于生成或放大光束208以及還傳播光束208。多模光學增益纖維204包 括活性芯212,該活性芯212具有選擇的直徑和數(shù)值孔徑，該直徑和數(shù)值孔徑大于與光學增 益纖維202相關聯(lián)的芯直徑和數(shù)值孔徑。多模纖維206包括芯214,該芯具有選擇的直徑和數(shù) 值孔徑，該直徑和數(shù)值孔徑大于與多模光學增益纖維204相關聯(lián)的芯直徑和數(shù)值孔徑。相鄰 地光學地耦合的纖維之間的每個芯直徑和數(shù)值孔徑增加被選擇，以使得與光學耦合相關聯(lián) 的光學損耗大幅減少，且在下游相鄰的纖維中以穩(wěn)定配置提供光束208的bpp。鑒于根據(jù)同 樣的設備200的制造中的正常公差的纖維參數(shù)變化，芯和數(shù)值孔徑的選擇還可以提供防止 光束208漂移到不穩(wěn)定bpp范圍內的可變性裕度。
[0039]在一個代表性實施例中，光學增益纖維202是被設置以大體上以基模生成光束的 纖維振蕩器，多模光學增益纖維204是被設置以放大從光學增益纖維202接收的光束208的 多模纖維放大器，且多模纖維206是被設置以接收已通過光學增益纖維204放大的光束208 并且將光束208遞送到目標的多模遞送纖維。在多個實施例中，光學增益纖維202可以具有 單模芯、少模芯或多模芯。在其他實施例中，多模纖維206可以是活性摻雜的多模纖維放大 器。
[0040]圖3示出了纖維設備300的橫截面示意圖，該纖維設備300包括:光學增益纖維302， 該光學增益纖維302被設置以在其芯306中傳播光束304;多模光學纖維308,該多模光學纖 維308被設置以接收光束304且在多模芯310中傳播光束304;以及自由空間光學器件312,該 自由空間光學器件312被設置以從光學增益纖維302接收光束304并且將該光束耦合到多模 光學纖維308的多模芯310內。芯306、310的直徑和數(shù)值孔徑被選擇，以大幅減少可與光束 304同自由空間光學器件312的光學耦合相關聯(lián)的光學損耗，且進一步提供具有穩(wěn)定bpp的 光束304,考慮到根據(jù)規(guī)格公差的纖維參數(shù)的正常變化，該穩(wěn)定bpp在設備300之間最低限度 地變化。
[0041 ]在圖4中，用于提供高功率光束的示例性方法400包括，在402處，選擇在前的增益 級芯直徑和芯數(shù)值孔徑。在404處，選擇隨后的多模級芯直徑和數(shù)值孔徑，該隨后的多模級 芯直徑和數(shù)值孔徑大于在前的增益級的芯直徑和芯數(shù)值孔徑。選擇芯直徑和數(shù)值孔徑以提 供親合損耗的大幅減少和穩(wěn)定的光束特性，包括bpp。在406處，可以進一步選擇芯直徑和數(shù) 值孔徑以提供允許可重復的低損耗和穩(wěn)定光束特性的穩(wěn)定性裕度，因為纖維參數(shù)可以根據(jù) 正常公差變化。在408處，在前的增益級和隨后的多模級通過熔接拼接頭或自由空間光學器 件光學地耦合以使得產生高功率光束。
[0042]圖5是描繪了對于拼接到在前的光學纖維且從該在前的光學纖維接收光束功率的 多模纖維的不同數(shù)值孔徑的光束功率的圖表500。具體而言，在前的纖維使1550nm的光束以 基模LPoi傳播通過具有13.2μπι的直徑和0.0805的芯數(shù)值孔徑的芯。標繪出具有39.2μπι的芯 直徑的多模纖維中的總光束功率502相對該多模纖維的數(shù)值孔徑的曲線。當在前的纖維的 0.0805的芯數(shù)值孔徑被匹配到接收光束的拼接的多模纖維的數(shù)值孔徑時，觀察到約7%的 光學耦合損耗。應注意，對于更短的波長，這樣的光學耦合損耗通常更低諸如約2%，且因此 更難以檢測或更可能被認為在制造公差內。
[0043]當接收多模纖維的芯數(shù)值孔徑穩(wěn)定地增加到0.090ΝΑ附近時，看到光學損耗的小 的減少，然后從〇. 090ΝΑ到大約0.095ΝΑ看到光學損耗的大的減少。在閾值數(shù)值孔徑處光學 損耗的突然減小可能與模式耦合閾值相關聯(lián)，因為可以具有較少模式的在前的纖維中的光 束耦合到多模纖維的支持模式中。對于在約0.095ΝΑ以上的多模纖維芯數(shù)值孔徑，減少到接 近0%的光學損耗。另外，在圖5中描繪了對于不同的多模芯數(shù)值孔徑在多模纖維芯中傳播 的光束的模式的多個模態(tài)功率含量。
[0044]圖6是描繪了在多模纖維的類似的芯數(shù)值孔徑范圍內一一如對于圖5所描述 的--多模纖維中的光束的bpp 602和光束半徑604的圖表600。當多模纖維芯的數(shù)值孔徑 增加經過與在前的纖維的數(shù)值孔徑匹配的數(shù)值孔徑時，bpp保持不變直至達到模式耦合閾 值。當數(shù)值孔徑增加經過該閾值時，觀察到高度可變的bpp和光束半徑波動直到達到穩(wěn)定的 數(shù)值孔徑。一旦穩(wěn)定的數(shù)值孔徑被選擇，光束半徑就開始更平滑地減小而沒有波動行為，且 bpp變得與增加的多模纖維芯數(shù)值孔徑一致。
[0045]圖7是纖維激光系統(tǒng)700的示意圖，纖維激光系統(tǒng)700包括纖維振蕩器702、多個栗 浦源704、多模纖維放大器706以及遞送纖維708。纖維振蕩器702增益纖維包括通過拼接頭 712光學地耦合到活性摻雜的纖維部分714的一端的高度反射(HR)纖維部分710和通過拼接 頭718光學地耦合到活性摻雜的纖維部分714的相對端的部分反射(PR)纖維部分716。冊纖 維部分710包括寫入其芯內的纖維布拉格光柵(FBG)720,該纖維布拉格光柵可以是有源的 或無源的，且該纖維布拉格光柵主要反射與活性摻雜的纖維部分714相關聯(lián)的激光波長的 光。HR反射率典型地是至少大約80%、95%、99%、99.9%或更高。PR纖維部分716包括寫入 其芯內的FBG 722,該FBG 722可以是有源的或無源的，且該FBG 722既反射又透射激光波長 的光。PR反射率可以根據(jù)系統(tǒng)增益要求相當大地變化，諸如，在20%、50%、80%、95%或 99 %以下。栗浦源704被光學地耦合到栗浦組合器724，該栗浦組合器將來自栗浦源的光組 合并耦合到栗浦遞送纖維726內。栗浦遞送纖維726通過光學拼接頭728耦合到HR纖維部分 710。栗浦光提供能量用于纖維振蕩器702和放大器706中的激光反饋和放大。
[0046] 纖維振蕩器702的PR纖維部分716通過光學拼接頭730光學地耦合到纖維放大器 706。在纖維振蕩器702中生成的種子光束從而被耦合到纖維放大器706內用于大幅放大。纖 維放大器706在光學拼接頭732處光學地耦合到遞送纖維708。遞送纖維708接收來自纖維放 大器706的經放大的光束且將該光束指引到目標(未示出）。在光學拼接頭730、732處，光學 纖維芯的直徑增加，典型地導致一定量的不期望的光學損耗。這樣的光學拼接頭處的鄰接 的纖維的數(shù)值孔徑被選擇成具有預定差，其中較大芯的下游纖維具有大于上游纖維的數(shù)值 孔徑。數(shù)值孔徑差被選擇以便以大幅減少的損耗提供光學地耦合的光束，以使得在一些實 施例中傳播的光束經歷0.5%或更少的光學功率減少。數(shù)值孔徑差還可以被選擇以使得光 學地耦合的光束的bpp不經歷大幅可變性。數(shù)值孔徑裕度可以被提供，以使得由于制造公差 而引起的制造的纖維激光系統(tǒng)700之間的變化可以緩沖以抵抗系統(tǒng)700的光束特性(諸如， bpp或光束半徑)可變或超出公差的可能性。這樣的裕度可以被選擇成在可以導致將使非線 性效應惡化的光束半徑減少的數(shù)值孔徑差以下，或在由于與實現(xiàn)不同的數(shù)值孔徑的纖維摻 雜相關聯(lián)的限制或其他系統(tǒng)約束或纖維約束(諸如，包層數(shù)值孔徑)而不實際的數(shù)值孔徑差 以下。
[0047]鑒于所公開的技術的原理可以應用到許多可能的實施方案，應認識到，例示的實 施方案僅是代表性的實施例，且不應被認為限制本公開內容的范圍。在這些部分中具體提 到的替代方案僅僅是示例性的，且不構成在此描述的實施方案的所有可能替代方案。例如， 在本文中所描述的系統(tǒng)的多個部件可以在功能和用途上相組合。因此，我們主張所有落在 這些權利要求的范圍和精神內的為我們的發(fā)明。
【主權項】
1. 一種設備，包括： 一個光學增益纖維，其具有一個芯、一個圍繞該芯的包層，該芯和該包層限定一個光學 增益纖維數(shù)值孔徑；以及 一個多模纖維，其具有一個半徑大于光學增益纖維芯的半徑的芯、一個圍繞該芯的包 層，該多模纖維的芯和包層限定一個比該光學增益纖維數(shù)值孔徑大的多模纖維穩(wěn)定數(shù)值孔 徑，該多模纖維被光學地耦合到該光學增益纖維，以便接收在該光學增益纖維中傳播的光 束且使接收到的光束在多模纖維芯內以與光學耦合相關聯(lián)的低光學損耗穩(wěn)定地傳播。2. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中該光學耦合與低光學損耗相關聯(lián)。3. 根據(jù)權利要求2所述的設備，其中該光學增益纖維數(shù)值孔徑和該多模纖維穩(wěn)定數(shù)值 孔徑被選擇以使得:與光束的從該光學增益纖維到該多模纖維的光學耦合相關聯(lián)的低光學 損耗低于與光束的從該光學增益纖維到具有一個與該光學增益纖維數(shù)值孔徑相等的芯數(shù) 值孔徑的多模纖維的光學耦合相關聯(lián)的光學損耗。4. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中該光學增益纖維數(shù)值孔徑和該多模纖維穩(wěn)定數(shù)值 孔徑被選擇以使得它們的差超過與在該多模纖維中傳播的光束的可變光束參數(shù)乘積相關 聯(lián)的數(shù)值孔徑差。5. 根據(jù)權利要求4所述的設備，其中超過的數(shù)值孔徑差小于該光學增益纖維數(shù)值孔徑 的大約 5%、10%、20%、50%、100% 或 200%。6. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中該多模纖維通過一個熔接光學拼接頭光學地耦合 到該光學增益纖維。7. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中該多模纖維通過自由空間光學器件耦合到該光學 增益纖維。8. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中該光學增益纖維是纖維振蕩器。9. 根據(jù)權利要求8所述的設備，其中該纖維振蕩器包括:一個無源高度反射FBG纖維部 分;一個有源振蕩器纖維部分，該有源振蕩器纖維部分在其一個上游端處拼接到該無源高 度反射FBG纖維部分；以及，一個無源部分反射FBG纖維部分，該無源部分反射FBG纖維部分 在其一個上游端處拼接到該有源振蕩器纖維部分的一個下游端且在其一個下游端處拼接 到該多模纖維。10. 根據(jù)權利要求8所述的設備，其中該纖維振蕩器是單模纖維振蕩器。11. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中該多模纖維是多模纖維放大器。12. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中該多模纖維是多模光束遞送纖維。13. 根據(jù)權利要求1所述的設備，還包括： 其中該多模纖維包括第一多模纖維和第二多模纖維，其中該第二多模纖維具有一個直 徑比該第一多模纖維的芯的直徑大的芯、一個圍繞該第二多模纖維的芯的包層、以及一個 相關聯(lián)的比該第一多模纖維的多模纖維芯數(shù)值孔徑大的芯數(shù)值孔徑，該第二多模纖維被光 學地耦合到該第一多模纖維，以便接收光束和使光束在該第二多模纖維的較大的芯中以與 該第一多模纖維和該第二多模纖維的光學耦合相關聯(lián)的低光學損耗傳播。14. 根據(jù)權利要求13所述的設備，其中該光學增益纖維是單模纖維振蕩器，該第一多模 纖維是多模纖維放大器，且該第二多模纖維是多模光束遞送纖維。15. 根據(jù)權利要求2所述的設備，其中該低光學損耗在光束的總功率的大約0.5 %、 0·2%、0·1%或0.05% 以下。16. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中該光學增益纖維和該多模纖維是纖維放大器。17. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中該光學增益纖維芯數(shù)值孔徑和該多模纖維芯數(shù)值 孔徑被選擇以在對應的纖維參數(shù)公差內的纖維參數(shù)變化上提供光束的光束參數(shù)乘積的低 變化增加。18. 根據(jù)權利要求2所述的設備，其中該低光學損耗與通過該多模纖維的較高階模式的 光束進行的激發(fā)相關聯(lián)。19. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中該多模纖維中的光束的光束半徑與相對于該光學 增益纖維中的光束的光束半徑的穩(wěn)定增加相關聯(lián)。20. 根據(jù)權利要求2所述的設備，其中較大的多模纖維芯數(shù)值孔徑被選擇以具有在對應 的纖維參數(shù)公差內的纖維參數(shù)變化上提供低光學損耗的損耗裕度。21. -種方法，包括： 選擇一個增益纖維的芯直徑和數(shù)值孔徑以及一個接收多模纖維的較大的芯直徑和較 大的數(shù)值孔徑，以使得從該增益纖維耦合到該接收多模纖維的光束的光束參數(shù)乘積在一個 不穩(wěn)定的閾值以上且是穩(wěn)定的；以及 光學地耦合該增益纖維和該接收多模纖維。22. 根據(jù)權利要求21所述的方法，其中該增益纖維是主控振蕩器，且該接收多模纖維是 多模纖維放大器。23. 根據(jù)權利要求21所述的方法，其中該光束被耦合以使得與耦合相關聯(lián)的光學損耗 在耦合的光束的總功率的大約0.5%以下。24. 根據(jù)權利要求21所述的方法，其中該接收多模纖維是遞送纖維。25. -種纖維激光系統(tǒng)，包括： 一個纖維振蕩器種子源，用于生成光束，該纖維振蕩器種子源具有一個芯直徑和數(shù)值 孔徑； 至少一個栗浦源，其被光學地耦合到該纖維振蕩器種子源，用于光學地栗浦該纖維振 蕩器種子源；以及 一個多模纖維放大器，其具有一個芯直徑和數(shù)值孔徑，該多模纖維放大器通過一個光 學拼接頭光學地耦合到該纖維振蕩器種子源以便接收光束； 其中該多模纖維放大器芯直徑和數(shù)值孔徑大于該纖維振蕩器種子源芯直徑和數(shù)值孔 徑，以便限定芯直徑差和數(shù)值孔徑差，所述差被選擇以提供大幅減少的光學損耗和穩(wěn)定的 光束參數(shù)乘積。
【文檔編號】H01S3/067GK106025775SQ201610182805
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年3月28日
【發(fā)明人】R·L·法羅, D·A·V·克萊納
【申請人】恩耐公司