超大功率光纤激光器系统包括多模式合束器，所述多模式合束器配置有多个低模式光纤，所述多个低模式光纤捆扎在一起并且朝着光纤束的下游端部成锥形。所述系统还包括包层模式吸收器，所述包层模式吸收器沿合束器的锥形下游端部延伸并且在合束器的输出光纤的一部分上延伸。所述吸收器配置有具有相应折射率的位置连续的区域。沿光信号的正向传播方向，上游区域包括聚合物材料，所述聚合物材料的折射率大于所述合束器端光纤的包层的折射率。这一区域配置为去除通过所述合束器端部和输出光纤之间的接合部渗透到所述合束器包层中的反向反射芯区导引光。中间区域包括聚合物材料，所述聚合物材料的折射率小于所述合束器输出光纤的包层的折射率，因此可以防止包层导引信号光在材料下方去耦合包层。下游区域配置有聚合物材料，所述聚合物材料的折射率小于所述合束器输出光纤的折射率。下游区域的聚合物材料填充有多个光漫射体，所述光漫射体对包层导引信号光的高数值孔径射线进行散射。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】具有多模-多模光纤合束器的超大功率光纤激光器系统相关申请的交叉引用本专利技术涉及与本申请人共同递交的美国临时申请N0.61/770，599，将其全部合并在此作为参考。
本公开涉及超大功率光纤激光器系统。具体地，本公开涉及超大功率多模光纤系统，所述光纤系统发射几十kW级别的MM激光输出并且配置有操作为有效地滤除不想要的正向传播包层光和反向反射包层光的机制。
技术介绍
几个kW的光纤激光器系统用于多种应用中。随着光纤激光器的商业部署逐渐成熟，要求对于光纤激光器及其部件的功率、质量和可靠性的强烈关注。为了支持所需的功率级别，在LM-MM合束器(combiner)中将多个低模式(“LM”)光纤激光器系统光学和机械地耦接在一起。为了在较高的kW功率级别处有效地执行，合束器应该成功地解决结构性难题，其中这里尤其感兴趣的一些是例如光纤的机械耦合以及沿正向和反向反射方向的功率损耗。通常，制造大功率合束器的工艺包括:熔融光纤束中相应光纤激光器/放大器的已对准输出光纤；锥形化光纤束；将锥形光纤束解理并接合到系统输出传输光纤。合束器的制造(初始假设为拦腰切割的领结结构)会导致包层的结构性缺陷(毛边)，在合束器的部署期间毛边可能进一步不利地影响输出激光束的质量及其功率。在光纤激光器系统的输出达到数十kW的情况下，正向传播和反向反射传播的芯区引导光在传播通过系统时趋向于渗透至空气-石英界面处的相邻包层以及各种光纤之间的接合部。一旦处于包层中，大功率信号光在围绕包层的聚合物涂层上引入热负荷。所述涂层配置为将作为施加至光纤的外部机械负荷的结果光纤所经历的结构损坏最小化。正向传播信号光以及特别是反向反射光(从要进行激光处理的表面反射的光)两者都可能渗透到包层中，也会损坏合束器本身和合束器上游的系统部件，当合束器和合束器上游的系统部件暴露到反向反射光时特别容易损坏。因此，需要从波导中去除正向和反向传播的包层光。总之，为了在LM波导的输出处获得高达数十kW的光功率，合束器需要满足以下条件的特定结构:(I)将输入光纤可靠地固定在一起，而不会恶化输出光束的质量并且损失光功率;(2)有效地分配和利用正向和反向传播光的功耗；以及(3)保护光纤免受由于热引入变形导致的环境污染。因此需要一种满足上述条件的超大功率MM光纤激光器系统。
技术实现思路
根据本公开的一个方面，相应的各个低模式光纤激光器系统的光纤导引输出每一个均具有多层结构，以便改进输出光纤之间的可靠耦合，并且最小化LM-MM合束器的制造期间损坏光纤的相应芯区的可能性。每一个双包层光纤(也称作输入光纤)的多层结构包括内部层和外部层。内部层包括二氧化硅(S12),而外部层由掺杂有氟(“F”)离子并且具有相对较低的熔化温度的S12制成。外部层的存在实质上最小化了合束器的制造期间对各个光纤部件的损坏。根据本公开的另一个方面，LM/MM合束器配置有吸收器，所述吸收器能够有效地去除沿所公开系统的包层区域导引的不想要的正向传播光和反向反射光。吸收器配置有上游、中间和下游连续区域，负责去除具有两个起始源的不想要的光。一个源包括当导引正向传播的信号光通过光纤之间的接合部区域时正向传播信号光的损耗。另一个源涉及反向反射光，在沿反向传播方向从工件反射时将反向反射光耦合到馈送光纤的芯区和包层中。沿信号光的正向传播方向观看，上游区域配置为主要防止反向反射光到达各个LM光纤激光器系统。所述区域由折射率比石英的折射率高的聚合物来限定。中间区域配置为防止在上游接合部处损耗并且沿正向传播方向沿包层导引的信号光的大孔径射线逃离合束器。构成这一区域的聚合物配置有与石英折射率实质上相同或者小于石英折射率的折射率。最后，下游区域与上游区域类似地配置，但是操作为去除在中间区域中没有处理的正向传播信号光。另一个方面涉及包括所公开的合束器在内的MM大功率光纤激光器系统。所述系统配置有包层模式吸收器，配置为将耦合到系统的输出光纤的包层中的反向反射光最小化并且提供反向反射光的去除。【附图说明】根据结合附图的以下特定描述，所公开结构的以上和其他特征和优点将变得更加清楚明白，其中:图1是所公开的大功率光纤激光器系统的正式图；图2是图1的系统的LM/MM-LM合束器部件的示意图；图2a_2d是沿图2的相应线得到的相应截面图；图3是图1的系统的包层模式吸收器的示意图。【具体实施方式】现在对本公开的优选实施例提供详细参考。在可能的情况下，相同或类似的参考数字在附图和说明书中用于表示相同或类似的部分或步骤。附图是按照非常简化的形式并且没有精确按比例绘制。图1示出了能够发射高达约50kW高质量光束的大功率光纤激光器系统10的示意图。所述系统10配置有多个低模式(“SM-LM/MM)光纤合束器12，每一个光纤合束器操作为按照低模式或多横模系统输出发射辐射。在同时递交的美国临时申请中公开了 SM-LM/MM合束器的结构，将其全部合并在此作为参考。SM-LM/MM激光器合束器12配置有相应的LM/MM输出无源光纤16，每一个SM/MM输出无源光纤16与输入MM无源光纤19直接接合或者经由中间无源光纤与输入MM无源光纤19接合。因此，熔融区域形成由接合光纤20围绕的上游接合部。然后，LM输入光纤19在LM/MM-MM合束器22中彼此对准并且进一步地机械和光学耦合。利用下游系统包层模式吸收器80完善了系统10。参考图2和图2a，初始通过将多个LM/MM无源输入光纤19彼此对准以便限定如图2a所示的光纤束的大直径输入端来形成LM-MM合束器22，所述LM/MM无源输入光纤19的每一个均配置有大直径MM芯区32 (图2a)和输出包层34。随后，将对准的LM/MM输入光纤19同时熔融和拉伸成锥形光纤束的小直径下游端部24。光纤束的下游端部24包括在熔融和拉伸各个输入光纤19时形成的单一芯区。执行拉伸，使得恪融光纤束的下游端部24和MM合束器输出无源光纤26的直径实质上而并非完全地彼此相匹配。结果，熔融这些元件形成了接合区域30，所述接合区域30配置为使得当光传播通过这一接合区域30时经历较低的接合损耗。依赖于LM/MM输入光纤19的个数，合束的输出可以达到高达约50kW，并例如具有小于20并且低至10的光束乘积参数BPP。锥形光纤束的下游端部24和合束器的输出光纤26的上游部分放置在外壳23中，外壳进而耦合至这里未示出的热沉。通过任意合适的粘合剂将进入外壳23的输入光纤19彼此固定。由于大功率以及由此而来的升高温度，粘合剂包括耐高温部件，例如所述耐高温部件可以是UV-15-TK。合束器22的缩放比例(scaling)严格地依赖于如何有效地利用沿合束器沿相反方向传播的不想要的包层导引光。典型地，将与从波导的包层去除光相关的机制称作光剥离器或包层模式吸收器(“CMA”)。将CMA设置在包括锥形光纤束的一部分和合束器的输出光纤26的一部分在内的长度上。CMA配置有三个连续的上游、中间和下游区域38、40和42，并且操作为将包层光的量最小化。包层光沿相反的传播方向和反向传播波方向传播，并且光纤激光器领域的普通技术人员已知地，包层光不利地影响光纤以及激光器系统10的其他光学部件。甚至几百瓦的反向反射光(在本专利技术的系统中可以容易地达到kW)会损坏合束器2本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多模式“MM”大功率合束器，包括：多个无源低模式“LM”光纤，导引相应的输出，所述LM光纤捆扎在一起以限定光纤束的锥形下游端部，所述下游端部具有至少一个包层以及将合束的MM信号光沿传播方向导引的芯区；多模MM合束器输出光纤，对接至所述下游端部以限定接合部，所述输出光纤具有包围导引MM光的芯区的包层，所述MM光入射到工件上，所述工件部分地反射入射MM光以将反射的MM光沿相反传播方向耦合到输出光纤的芯区和包层；以及包层模式吸收器“CMA”，包围所述光纤束的下游端部，并且在所述合束器输出光纤的一部分上延伸，所述CMA配置有：下游区域，在所述输出光纤上延伸并且终止于到所述输出光纤的下游端部一定距离处，所述下游区域配置为对从输出光纤渗透到包层上游中的MM光进行散射；中间区域，在所述接合部以及与所述接合部邻接的相应的端光纤和输出光纤的区域上延伸，并且所述中间区域配置为防止去耦合MM光；以及上游区域，沿所述光纤束的下游端部延伸，所述上游区域配置为剥离耦合到所述合束器输出光纤的芯区并且通过所述接合部渗透进入端光纤的包层中的反射光。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：瓦伦丁·弗明，德米特里·莫恰洛夫，安德雷·阿布拉莫夫，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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