光学管波导发射激光介质以及相关方法技术

提供了激光波导、用于形成激光波导的方法和系统。该波导包括围绕中心轴的内包层和围绕内包层并位于内包层的外部的玻璃芯。玻璃芯包括激光活性材料。该波导包括围绕玻璃芯并位于玻璃芯的外部的外包层。内包层、外包层和/或芯可以围绕中空中心通道或孔并且可以是环形形状。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学管波导发射激光介质以及相关方法本申请根据35U.S.C.§119要求于2016年5月13日提交的美国临时申请序列第62/336,140号的优先权，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整体结合于此。
技术介绍
本公开大体涉及激光器领域，特别地涉及玻璃激光波导以及用于形成玻璃器激光波导的相关方法。二氧化硅烟灰(soot)可通过诸如火焰水解法的工艺来生成。二氧化硅烟灰然后可以被烧结以形成诸如波导的玻璃制品。一些固态激光器利用包括支持激光活性材料的固体材料的波导，该激光活性材料当用诸如二极管的能量源刺激时生成相干光。
技术实现思路
本公开的一个实施例涉及一种激光波导发射激光介质。该激光波导发射激光介质包括围绕中心轴的内包层和围绕内包层并位于内包层外部的玻璃芯。玻璃芯包括激光活性材料。激光波导发射激光介质包括围绕玻璃芯并位于玻璃芯外部的外包层。本公开的另一个实施例涉及一种激光波导，其包括围绕中空中心孔的内包层，该中空孔沿着波导的长度在相对的第一端和第二端之间延伸。激光波导包括围绕内包层并位于内包层外部的激光增益介质，并且激光增益介质包括掺杂有激光活性材料的玻璃材料。激光波导包括围绕激光增益介质并位于激光增益介质外部的外包层。内包层材料的折射率小于激光增益介质的折射率，外包层材料的折射率小于激光增益介质的折射率。本公开的附加实施例涉及一种形成激光波导的方法。该方法包括将第一玻璃烟灰颗粒流从烟灰生成设备递送到目标杆，使得围绕目标杆形成第一玻璃烟灰颗粒层。该方法包括在形成第一玻璃烟灰颗粒层之后将第二玻璃烟灰颗粒流从烟灰生成设备朝向目标杆递送，并且第二玻璃烟灰颗粒流形成第二玻璃烟灰颗粒层并包括激光活性材料。该方法包括在形成第二玻璃烟灰颗粒层之后将第三玻璃烟灰颗粒流从烟灰生成设备朝向目标杆递送，使得形成第三玻璃烟灰颗粒层。该方法包括烧结第一、第二和第三玻璃烟灰颗粒层，使得第一、第二和第三经烧结的玻璃层分别地从第一、第二和第三玻璃烟灰层形成。本公开的附加实施例涉及一种包括激光波导的激光器系统。激光波导包括围绕中心轴的内包层，包括激光活性材料、围绕内包层并位于内包层外部的玻璃芯，以及围绕玻璃芯并位于玻璃芯外部的外包层。激光器系统包括功率源和将功率源耦合到激光波导的输入耦合光学器件。激光器系统包括耦合到激光波导的光学反馈系统，以及耦合到激光波导的输出耦合器。本公开的附加实施例涉及一种用于形成激光波导的方法。该方法包括形成玻璃波导管。该波导管包括围绕中空中心通道的内包层，该中心通道沿着波导的长度在相对的第一端和第二端之间延伸；以及围绕内包层并位于内包层的外部的激光增益介质。激光增益介质包括掺杂有激光活性材料的玻璃材料。该方法包括从玻璃波导管切割段。该段包括内包层的一部分，激光增益介质的一部分和在垂直于段的纵轴的平面中测量的周向的曲率。该方法包括将玻璃波导管的段加热到高于玻璃材料的软化温度的温度。该方法包括在高于玻璃转变温度的同时使玻璃波导的弯曲段成形，并且在成形期间减小周向上的曲率。附加特征以及优点将在以下详细描述中予以阐明，并且部分地从所述描述中对本领域的技术人员而言将变得非常明显或者通过实践如所写描述中描述的实施例和其权利要求书以及所附附图很容易被认识。应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者仅为示例性的，并且它们旨在提供用于理解权利要求书的本质和特性的概观或框架。包括附图以便用于提供进一步的理解，且附图被结合到本说明书中并构成其一部分。附图展示了一个或多个实施例，并且与说明书一起用于解释各个实施例的原理和操作。附图说明图1示出了根据示例性实施例的激光波导。图2示出了根据另一个示例性实施例的激光波导。图3示出了根据示例性实施例的用于沉积烟灰层以形成激光波导的系统。图4示出了根据示例性实施例的用于形成激光波导的过程。图5示出了根据示例性实施例的包括激光波导的激光器系统。图6A-图6C示出了根据示例性实施例的用于形成平面激光波导的过程。具体实施方式通常地参考附图，示出了激光波导以及用于形成激光波导的相关系统和方法的各种实施例。在本文讨论的各种实施例中，激光波导包括内包层，包括围绕内包层的激光活性材料(例如，钕、镱、铒等)的玻璃芯，以及围绕玻璃芯的外包层。在一些实施例中，内包层围绕延伸波导长度的中空区域(例如，中空孔、中心通道等)，并且在一些这样的实施例中，内包层和玻璃芯可具有环形横截面形状。在各种实施例中，据信本文所讨论的内包层、激光芯和外包层布置可提供多种益处，包括用于泵浦激光二极管以将光递送到波导中并增加在最低阶模式中发射的输出光的分数的改进能力。另外，中空中心通道可提供各种益处，包括提供中心区域以接收冷却流体以在激光器操作期间从激光活性玻璃芯传递热量。此外，本公开的各种实施例涉及一种形成激光波导的方法。如本文所讨论的，玻璃烟灰生成设备被定位成将玻璃烟灰颗粒(例如，二氧化硅烟灰颗粒)递送到目标杆(例如，氧化铝目标杆)上。包括用于每层的适当的材料或掺杂剂的不同的烟灰层被依次沉积以用于形成内包层、激光芯和外包层。每个烟灰层被烧结，形成经烧结的内包层、经烧结的玻璃芯和经烧结的外包层。烧结之后，经烧结的多层制品被加热和伸展(例如，经由再拉制工艺)以形成细长的环形波导，其具有内包层、在内包层外部的激光活性芯和围绕激光活性芯的外包层，所有这些都围绕去除目标杆所产生的中空中心区域。在特定实施例中，在烟灰沉积期间，目标杆围绕其中心轴旋转，并且提供烟灰生成设备和目标杆之间的相对平移运动。此外，在特定实施例中，与目标杆的直径和/或正形成的烟灰层的直径相比，烟灰流的尺寸相对较小。据信，沉积系统/工艺的至少这些特征导致沿着目标杆的长度的沉积层中的每层中的高水平的尺度一致性(例如，高度地一致的厚度)，这进而导致伸展后的最终激光波导中的高水平的尺度控制/容差。特别地，据信与其他波导形成工艺(诸如涉及平面气相沉积目标的那些工艺)相比，利用本文所讨论的沉积可以实现较高水平的尺度一致性。参考图1，根据示例性实施例示出了激光波导，诸如激光光学管体10。激光光学管体10包括内包层12、外包层14和位于内包层12和外包层14之间的芯16。通常，包层12和包层14以及芯16各自由玻璃材料形成，且每层包括为该层提供本文所讨论的性质的材料或掺杂剂。在特定实施例中，包层12和包层14以及芯16由无定形二氧化硅玻璃材料(例如，经烧结的二氧化硅玻璃材料)形成，该无定形二氧化硅玻璃材料包括掺杂剂以便为每层提供本文所述的性质。在各种实施例中，包层12和包层14和/或芯16可以是至少50重量％的SiO2，至少60重量％的SiO2，至少70重量％的SiO2，至少80重量％的SiO2，至少90重量％的SiO2，至少99重量％的SiO2，至少99.9重量％的SiO2，或至少99.99重量％的SiO2。通常，激光光学管体10是光波导，其通过全内反射(TIR)在芯16内沿着激光光学管体10的长度传输光。如将理解的，通过其中芯16内的材料的折射率大于内包层12的材料的折射率并且大于外包层14的材料的折射率的布置来实现全内反射。在这种布置中，光在芯16内由包层12和包层14引导，包层12和包层14通过芯和包层之间的折射率差导致的全内反射将光捕获在芯16中。在特定实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光波导发射激光介质，包括：内包层，围绕中心轴；玻璃芯，围绕所述内包层并位于所述内包层的外部，所述玻璃芯包括激光活性材料；和外包层，围绕所述玻璃芯并位于所述玻璃芯的外部。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.13 US 62/336,1401.一种激光波导发射激光介质，包括：内包层，围绕中心轴；玻璃芯，围绕所述内包层并位于所述内包层的外部，所述玻璃芯包括激光活性材料；和外包层，围绕所述玻璃芯并位于所述玻璃芯的外部。2.如权利要求1所述的激光波导发射激光介质，其中所述内包层围绕中空区域，所述中空区域沿着所述激光波导发射激光介质的整个长度在相对的第一端和第二端之间延伸。3.如权利要求2所述的激光波导发射激光介质，其中所述中空区域是中空中心通道，其中所述内包层是外接所述中空中心通道的环形包层，其中所述玻璃芯是外接所述内包层的环形芯。4.如权利要求3所述的激光波导发射激光介质，其中所述内包层的径向上的平均厚度大于所述玻璃芯的径向上的平均厚度，其中所述外包层的径向上的平均厚度大于所述内包层的径向上的平均厚度。5.如权利要求4所述的激光波导发射激光介质，其中所述外包层的径向上的平均厚度至少是所述内包层的径向上的平均厚度的两倍，其中所述中空中心通道的半径是所述外包层的最外半径的至少10％。6.如权利要求5所述的激光波导发射激光介质，其中所述内包层的内表面限定所述中空中心通道，其中所述玻璃芯的内部分接触并过渡到所述内包层的外部分，其中所述外包层的内部分接触并过渡到所述玻璃芯的外部分。7.如权利要求1-6中任一项所述的激光波导发射激光介质，其中所述内包层、所述玻璃芯和所述外包层中的至少一个包括一种或多种掺杂材料，使得所述玻璃芯的折射率大于所述内包层的折射率并且大于所述外包层的折射率。8.如权利要求1-7中任一项所述的激光波导发射激光介质，其中所述内包层、所述玻璃芯和所述外包层由二氧化硅材料形成。9.如权利要求8所述的激光波导发射激光介质，其中所述内包层、所述玻璃芯和所述外包层的二氧化硅材料是经烧结的含无定形二氧化硅材料。10.如权利要求9所述的激光波导发射激光介质，其中所述激光活性材料是位于所述玻璃芯的所述二氧化硅材料内的激光活性稀土材料掺杂剂。11.一种激光波导，包括：内包层，围绕中空中心孔，所述中心孔沿着所述波导的长度在相对的第一端和第二端之间延伸；激光增益介质，围绕所述内包层并位于所述内包层的外部，所述激光增益介质包括掺杂有激光活性材料的玻璃材料；以及外包层，围绕所述激光增益介质并位于所述激光增益介质的外部；其中，所述内包层材料的折射率小于所述激光增益介质的折射率，且所述外包层材料的折射率小于所述激光增益介质的折射率。12.如权利要求11所述的激光波导，其中所述内包层是外接所述中空中心孔的环形层，其中所述激光增益介质是外接所述内包层的环形层。13.如权利要求11或12所述的激光波导，其中所述激光增益介质的玻璃材料是经烧结的二氧化硅玻璃材料。14.如权利要求11-13中任一项所述的激光波导，其中所述激光增益介质的玻璃材料包括0.1ppm和100ppm之间的氯。15.如权利要求1-14中任一项所述的激光波导，其中所述激光活性材料包括稀土元素和过渡元素中的至少一种。16.一种形成激光波导的方法，包括：将第一玻璃烟灰颗粒流从烟灰生成设备递送到目标杆，使得围绕所述目标杆形成第一玻璃烟灰颗粒层；在形成所述第一玻璃烟灰颗粒层之后将第二玻璃烟灰颗粒流从所述烟灰生成设备朝向所述目标杆递送，其中所述第二玻璃烟灰颗粒流形成第二玻璃烟灰颗粒层并包括激光活性材料；在形成所述第二玻璃烟灰颗粒层之后将第三玻璃烟灰颗粒流从所述烟灰生成设备朝向所述目标杆递送，使得形成第三玻璃烟灰颗粒层；以及烧结所述第一、第二和第三玻璃烟灰颗粒层，使得第一、第二和第三经烧结的玻璃层分别地由所述第一、第二和第三玻璃烟灰层形成。17.如权利要求16所述的方法，其中烧结包括在形成所述第二玻璃烟灰颗粒层之前烧结所述第一玻璃烟灰颗粒层。18.如权利要求16或17所述的方法，其中烧结包括在形成所述第三玻璃烟灰颗粒层之前烧结所述第二玻璃烟灰颗粒层。19.如权利要求16所述的方法，其中围绕所述第一玻璃烟灰颗粒层形成所述第二玻璃烟灰颗粒层，并且围绕所述第二玻璃烟灰颗粒层形成所述第三玻璃烟灰颗粒层，其中在形成所述第一、第二和第三玻璃烟灰颗粒层之后，所述第一、第二和第三玻璃烟灰颗粒层被烧结在一起。20.如权利要求16-19中任一项所述的方法，进一步包括：在递送所述第一、第二和第三玻璃烟灰颗粒流期间，使所述目标杆围绕所述目标杆的中心纵轴旋转；以及在递送所述第一、第二和第三玻璃烟灰颗粒流期间，引起所述目标杆和所述烟灰生成设备之间的相对平移。21.如权利要求16-20中任一项所述的方法，进一步包括：加热经烧结的第一、第二和第三经烧结的玻璃层；以及在加热后拉长所述经烧结的第一、第二和第三玻璃层以形成细长...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·L·巴特勒，D·W·霍托夫，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US