[發明專利]超大功率單模光纖激光系統

有效

• 申請號: 201380079028.2
• 申請日: 2013-08-20
• 公開（公告）號: CN105659446B
• 公開（公告）日: 2019-11-05
• 發明（設計）人: 瓦倫丁·蓋龐特瑟夫;伊格爾·山馬爾特瑟夫
• 申請（專利權）人: IPG光子公司
• 主分類號: H01S3/067
• 分類號: H01S3/067;H01S3/098
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 倪斌

一種超大功率光纖激光系統包括：單個光纖升壓器，配置為具有光纖和直線型短棒狀光纖部，所述棒狀光纖部通常具有數值孔徑等于或高于0.1的纖芯并在其整個橫截面上摻雜有一種或更多種稀土元素的離子。棒狀光纖部被構造為具有不超過約幾十厘米的較短長度，并具有大體上截頭錐體的橫截面，所述截頭錐體橫截面從均勻配置的光纖部擴展。沿著光纖部延伸的纖芯能夠支持SM或非常少數量的HOM，其中所述HOM沿著纖芯在傳播方向上傳導的并被耦合到棒狀光纖的錐形纖芯的較小直徑端。相反，錐狀纖芯的大直徑端支持多個模式，其中基模重疊所述纖芯的沿著其整個長度的橫截面的至少約0.65²。所公開的功率系統還包括：泵浦源，發射大功率多模泵浦光，其中所述泵浦光沿反向傳播方向被耦接到纖芯的大直徑端，其NA幾乎與纖芯的NA相同。泵浦源配置為發射具有如下密度的泵浦光：在纖芯的重疊區域中繼續對基模進行放大的同時，使纖芯外圍的非交疊區域褪色。因此，所公開的系統發射實質上基模的信號光，該信號光在系統操作的CW制式下的平均功率為幾kW，在系統操作的脈沖制式下的峰值功率約1MW或更多MW。

技術領域

本公開涉及單模(“SM”)超大功率光纖激光系統，所述光纖激光系統發射基本為基模的具有MW級峰值功率和kW級平均功率的輸出。具體地，所公開的SM光纖系統包括：具有泵浦源和種子源的固定外殼；激光頭，與所述外殼間隔開；無約束(unconfined)的傳輸光纖，在所述外殼和激光頭之間；以及升壓器，至少部分地延伸通過所述傳輸光纖并且下游端直接與所述激光頭相連。

背景技術

對來自稀土摻雜光纖源的輸出功率的顯著提升追溯到過去幾十年，通過使用雙包層光纖使得許多光纖激光系統在輸出功率、光束質量、整體效率和波長靈活性方面具備卓越的性能。然而，現代大功率光纖激光系統的功率量程仍然無法滿足日益增加的工業需求。

目前，該領域的發展主要受限于最大可提取能量的極限和非線性效應的發生。增益介質的飽和能量是用于確定可以將多少能量存儲在放大器中的關鍵參數，可以通過下式給出：

其中es、as是信號波長的發射橫截面和吸收橫截面；h1/2s是在頻率1/2s下的信號能量；Aeff是有源摻雜區域的面積；以及s是與有源區域相重疊的信號。

有害的非線性效應(具體地，受激布里淵散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)從信號搶奪能量，且可以導致災難性損傷。光纖激光器領域的技術人員應知道，通過增加模態面積并減小光纖長度，有可能緩解這種現象。由于纖芯越大占據總光纖橫截面的部分就越大，因此具有較高的泵浦吸收，優選的光纖長度反比于Aeff改變。因此，增加纖芯面積自然而然地導致較短的長度。

然而，纖芯不能無限制地增加。對于單模操作，當纖芯直徑增加時，纖芯和包層之間的折射系數差n必須減小，并且在特定閾值之后，變得彎曲敏感。此外，當將n固定為最小值時，進一步增加纖芯直徑會導致多模操作。盡管這是可允許的，然而纖芯尺寸受限于不可避免的但卻不希望發生的模式之間的能量變換。通過下式給出在多模光纖中模式之間的模式耦合效率：

η～(λ²k²)/(Δn^2peff)(2)

其中k是由于折射系數(index)和微彎波動(microbend fluctu ations)引起的擾動幅度，neff是不同模式之間的有效折射系數差，以及p是考慮光纖上的機械擾動的擬合參數(其中值>0)。因此，對于低模式耦合需要的是較大的neff。不幸的是，隨著Aeff增加，neff減小，并且無法減小在特定點的模式耦合。

在大功率激光器和放大器的所有應用中采用較大Aeff設計的附加問題在于空間變換和對器件輸出的聚焦。通過高斯光束來最佳地實現。因此，大功率器件的重要量度是與完美高斯空間分布M²的偏離值(M²＝1是純高斯模式)。