高功率空间滤光器制造技术

一种改进的高功率空间滤光器、系统和方法。在该系统中，光纤被设置在套管通道结构内部，并且通道结构与聚焦透镜系统对准。光纤的端部与面对透镜系统的通道开口相距距离D，并且D通过系统的数值孔径因数和光纤的保持厚度而确定。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高功率空间滤光器
本专利技术涉及一种光学系统，其操作以从传播通过自由空间的激光中过滤掉高数值孔径或数值口径射线。
技术介绍
为了满足现在的工业需求，一般包括固体激光器和光纤激光器的激光器变得越来越高效能。然而，通常应当在不劣化激光的质量的情况下得到高的光能量。在不同结构或配置的光纤激光系统中激光传播通过自由空间是经常遇到的。例如，光纤激光系统的诸如隔离器、环行器等的带有引出端的光学部件被构造有要求光经由自由空间传播的光路连续段。而另一种要求光经由自由空间传播的光学构造包括通常操作为泵浦源的激光二极管模块。激光二极管模块典型地具有多个发出各自的光束的激光二极管。光束被进一步校准和聚焦在多模(MM)传送光纤的入口承接口(faucet)，该多模传送光纤进一步将泵浦光引导到光纤增益组件。将被聚焦的光线耦合到光纤一般地是重要的，特别是当激光二极管模块用作用于能够发出激光的光纤激光系统的泵浦时。通常，在多种工业中观察到的进展是越来越多地需要具有高质量高功率的激光束。满足这种需求的是典型地包括一个或多个二极管泵浦模块的所谓的高功率光纤激光系统。产生的泵浦光然后被耦合到一个或多个增益组件。增益组件被构造有典型地具有多模(“MM”)芯部的主动光纤或激活光纤，该多模芯部被构型为在想要的波长基本上只承载基础模式(FM)。分别耦合到主动光纤的相对两端的输入和输出单模式(SM)被动光纤典型地组成了增益组件的一个光纤单元。用于高功率激光系统的泵浦激光二极管模块被构造为带有引出端的光学元件，即，带有耦合到其上的光纤的元件。因此，来自多个发光器的被聚焦的MM光线被耦合到MM被动光纤，该MM被动光纤忠于其定义支持包括最强效的基础模式的多个横向模式。这些模式“竞争”给定的功率。在MM被动光纤中激发了更多的高阶模式(HOM)的情况下，基础模式的功率降低。被传送的基础模式的功率损失极大地影响了上述公开的高功率光纤激光系统的总体效率。因此，期望由MM被动光纤传送的基础模式是最有效的或最强的，这可以通过降低高阶模式的数量实现。存在几个影响激发的HOM(高阶模式)的数量的因素。例如，在将被聚焦光线耦合到MM被动光纤的过程中，大多数光线进入到MM芯部。这种光主要激发中心芯部模式，其中，光功率强度围绕光纤的主要被基础模式和少数中心HOM所占据的芯部区域对准。但是具有各自的大数值孔径的一些激光光线，即以相对于光纤的光轴的较大角度传播的光线，从MM芯部偏离杂散并且没有很好地与MM芯部对准。此种杂散光线可能激发光纤的大量的包层模式和通常沿着芯部/包层界面传播的外围芯部HOM(高阶模式)。这些外围HOM也降低了基础模式的功率和质量，并且附加地，经常趋于不能耦接到光纤，从而出现对环境的危害。特别是，使得光纤免受机械应力的保护性聚合物层很容易被破坏，这样经常导致光纤自身的不可修复的损坏。另外，解耦光对光纤系统的其他光学部件而言是危险的。传统地，光圈止挡件或孔阑或光圈被用于过滤掉杂散的激光以防止其进入到光纤。这种直接的解决方案通常对常规的自由空间光学器件而言是有效的。然而，在与高功率泵浦模块相关的微型光学器件中，孔阑更难以处理。因此，不能一直满足在相对于光纤轴线安装和对准过程中对高精度的要求。继而，对于大规模生产而言，后者降低了激光模块的可靠性和可复制性。外围模式的激发导致上述的不想要的后果不仅仅限于泵浦光传送系统。光纤激光系统也经常具有校准光传播通过自由空间然后耦合至光纤的光路。例如，终端组件具有准直透镜，或者多级联高功率光纤激光系统经常包括隔离器、环行器和其他大型部件，这些部件配置有在光线被耦合到光纤之前的自由空间光路。在很多情况下，传播进入到光纤的光的耦合也具有与上述关于泵浦光传送系统的相同的问题。因此，在接收通过自由空间传播的MM光线的被动MM光纤中，存在减小或最小化外围HOM和包层HOM的激发的改进的方法的需求。还存在对执行改进的方法的光学系统的需求。
技术实现思路
本公开的光学系统满足了上述的需求。具体地，所述系统构造有发光的光源，所述光进一步经由自由空间传播并且入射在聚焦光学部件上。被聚焦的光进一步入射在与上述部件对准的光纤上，并且被聚焦的光包括相对于部件的光学轴线以相应的角度延伸的小数值孔径光线和高数值孔径光线。在下文公开的是一个改进的方法，该方法通过从入射到光纤上的光中过滤掉高数值孔径的杂散光线而减小较高阶模式和包层模式的激发。通过将光纤尖端设置在套管通道中而实现上述的目的，其中光纤的上游端向内与通道的开口边缘间隔一定距离。入射有会聚的高数值孔径光线的通道端部被涂覆有一层高反射涂层材料，例如，电介质材料或金属材料，该材料反射入射在其上的高数值孔径光线并因此防止这些光线耦合到光纤的芯部。在光线耦合交会位置处，光纤的用于光线进入的光纤琢面与套管通道的开口端之间的距离可理解为由如下的公式确定：D＝t/tan(arcsin(NA/n))，其中D是光纤琢面从开口边缘进入到套管通道的深度，t是光纤的包层区域的厚度，NA是期望的数值孔径，n是光线行进到光纤入口琢面而经过的介质的反射率。利用该简单的设计改进，可消除对安装和对准孔阑的需求，这不仅增加了激光二极管泵浦系统的可靠性并且也降低了制造激光二极管泵浦系统的总成本。结合附图在阅读以下的说明的基础上，本专利技术的上述和其他方面、特征和优点将变得显而易见，其中，类似的附图标记表示相同的元件。附图说明图1示意地图示了光纤光学器件中的高功率激光二极管泵浦模块中的总体激光耦合过程。图2是激光光纤光学器件中的激光耦合用以减少进入光纤中的杂散光线的传统机构的截面示意图。图3是根据本申请的用于光纤光学器件中的激光二极管泵浦模块的改进激光耦合机构的截面示意图。图4是根据本申请的在示例改进的高功率激光二极管泵浦模块中的激光耦合过程的交会结构的分解图。图5是图3和图4的激光耦合机构的一个实施方式的示意图。具体实施方式以下将对本专利技术的实施方式进行详细地说明。只要有可能，相同的或类似的附图标记用在附图和说明书中指示相同的或类似的部件或步骤。附图是简化的形式并且并不是精确的比例。仅仅为了方便和清楚的目的，针对附图中使用了方向(上下等)或者运动(向前/向后)术语。这些类似的方向术语不应被理解为以任何方式限定本专利技术的范围。光纤是由并不比人类头发粗太多的玻璃硅制成的柔性的、透明光纤。光纤典型地包括透明芯部，该透明芯部被具有较小折射率的透明包层材料包围。光通过内部全反射被保持在芯部中。多个芯部支持很多横向传播路径的光纤被称为多模(MM)光纤，而芯部只支持单一模式的光纤被称为单模(SM)光纤。SM光纤发出高质量的且具有小光点直径的但是功率较小的光束。MM光纤一般地具有比SM光纤大的芯部直径，并且用于必须传输高功率但是光束质量要求某种程度上不如SM光纤的光束质量要求严格的应用中。因此，当激光束的功率和质量要求都高时，希望使用只支持少数高阶模式的MM光纤。多种模式的激发依赖于多个因素，其中包括数值孔径(“NA”)在内。数值孔径(NA)通常用在光纤光学器件中以描述接收到光纤中的或者从光纤中逸出的光线相对于一个点的圆锥体，NA＝nsinθ其中，n是透镜工作所处的介质的折射率，θ是光能够从一个点进入或逸出光纤的最大圆锥体的半角。参考图1，将说明包括光源的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学系统，包括：聚焦部件，构造为对入射在其上的光束聚焦，从而被聚焦的光束包括多条光线，所述多条光线以包括小数值孔径(“NA”)光线的一个角度范围和以包括高数值孔径光线的另一角度范围朝向一轴线会聚，所述小数值孔径光线最多等于目标数值孔径，所述高数值孔径光线至少等于所述目标数值孔径；套管，具有限定内部中心通道的内表面；光纤，其与所述中心通道同轴地延伸并且被设置在所述中心通道中，其中所述光纤的上游端向内与所述套管的上游端隔开一预定距离“D”从而在所述套管的末端形成一空隙，其中实质上只有小数值孔径光线进入到所述末端并且被耦合到所述光纤的芯部。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.05.30 US 61/653,0891.一种光学系统，包括：聚焦部件，构造为对入射在其上的光束聚焦，从而被聚焦的光束包括多条光线，所述多条光线以包括小数值孔径光线的一个角度范围和以包括高数值孔径光线的另一角度范围朝向一轴线会聚，所述小数值孔径光线最多等于目标数值孔径，所述高数值孔径光线至少等于所述目标数值孔径；套管，具有限定内部中心通道的内表面；光纤，其与所述中心通道同轴地延伸并且被设置在所述中心通道中，其中所述光纤的上游端向内与所述套管的上游端隔开一预定距离“D”从而在所述套管的末端形成一空隙，其中实质上只有小数值孔径光线进入到所述末端并且被耦合到所述光纤的芯部。2.如权利要求1所述的光学系统，其中，所述套管的上游端的末端表面被涂覆有一层反射材料。3.如权利要求2所述的光学系统，其中，所述反射材料包括电介质材料或金属材料或陶瓷材料或它们的组合。4.如权利要求1所述的光学系统，其中，相应的套管的上游端和光纤的上游端彼此间隔开距离D，该距离D根据如下的关系式而确定：D＝t/tan(arcsinNA)，其中NA是目标数值孔径，t是光纤包层的厚度。5.如权利要求4所述的光学系统，其中，间隔确定距离D的所述光纤的上游端位于被聚焦的光束的瑞利区域。6.如权利要求1所述的光学系统，还包括光源，该光源包括构造有多个发光器的高功率激光二极管模块，所述多个发光器输出各自的入射在聚焦部件上的平行的输出光束，所述聚焦部件是聚焦透镜。7.一种将光束耦合到多模光纤的方法，包括如下的步骤：通过聚焦透镜把所述光束向所述聚焦透镜的轴线会聚，由此提供具有最多等于目标数值孔径的较小数值孔径的多条光线以及具有最少等于目标数值孔径的较大数值孔径的多条光线；将所述多模光纤插入到套管中并将所述套管和透镜相对于彼此移开一预定距离“D”以在所述套管的末端形成一空隙，由此实质上只将具有相应的小数值孔径的光线耦合到所述光纤的芯部，同时从所述套管的末端表面上反射具有相应的较大数值孔径的光线，从而最小化外围芯部高阶模式和包层高阶模式的激发。8.如权利要求7所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊格尔·贝尔谢夫，瓦迪姆·丘亚诺夫，阿列克谢·科米萨诺夫，尼古拉·什特夫，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：美国;US