高功率钕纤维激光器和放大器制造技术

提供了一种纤维块，所述纤维块被构造为具有包括Nd掺杂有源纤维和泵送光输送纤维的纤维块，所述输送纤维具有以并排构造沿着有源纤维延伸的延伸部，从而将泵送光发射到所述有源纤维的Nd掺杂芯中。有源纤维的芯由至少一个或多个包覆层围绕，所述包覆层与芯相似，具有双瓶颈形截面，双瓶颈形截面具有相对大面积的中央区域和相对小的输入和输出区域。泵送光输送纤维被构造为具有大致哑铃形截面，哑铃形截面具有与有源纤维的中央区域共同延伸的相对小面积的中央区域。有源纤维的尺寸设计为使得有源纤维的总长度被构造为提供在900nm范围内的激光信号的最大放大率，同时将1060nm范围内的放大率限制为预设阈值。纤维块被进一步构造为使得在被动纤维的相对大面积的输出端区域中支撑的未吸收光的主要部分进一步用于泵送相邻的纤维块。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及可操作以在主波长和寄生波长处发射辐射线的高功率纤维激光器系统(“HPFLS”)。更特别地，本公开涉及具有Nd掺杂纤维的增益块，所述增益块可操作以产生/放大期望波长的辐射线，同时限制寄生波长处的增益。本公开还涉及具有Nd掺杂纤维的增益块，所述增益块可操作以产生高次谐波。
技术介绍
近来已经加强了对在880_960nm的发光范围内发射光的纤维激光器系统的开发和功率标定，因为发现这些系统可应用于各种工业中。例如，这些系统可用作Yb掺杂型纤维激光器的强力泵送件。可选择地，这些纤维激光器系统用于实现二次谐波的产生，即，与双频产生相关的非线性光学过程，因此实现了半波长，即，450-470nm。在该范围内工作的激光器系统被称为“蓝色”激光器。公知的是，与880_960nm的发光波谱范围相对应的钕离子的4F3/2_4I9/2变换终止于接地状态。因此，在该波谱范围内的信号经过接地状态吸收，结果，需要高粒子数反转来实现该波谱范围内的合理增益，使得在寄生的1060nm波长的周围具有极高的增益。两个最常见的方法通常用于解决该问题。一种已知的方法基于减少纤维中有源离子的浓度和有源纤维的长度。该方法的实现通常需要使用具有极大芯直径的纤维，以便于泵送辐射线的有效吸收。这反过来使得较高次模的增益的大幅度增加成为必需。应当注意的是，1060nm范围内的高寄生增益的效果和较高次模放大率的增长彼此叠加并且使得对于1060nm的较高次模增益灾难性增长。可以通过减小芯/包覆层折射率差并且对于高次模甚至在长波长波谱范围内的基模引发弯曲损耗来克服这种限制。在实践中另一宽泛使用的方法基于通过使用w轮廓的有源纤维在长波长范围内抑制有源纤维的基模。通常，该方法需要使用极小的芯直径的有源纤维。这使得使用具有合理泵送吸收率所需的高浓度的有源离子以及因此使得能够达到数百dB的在1060nm波谱范围内的高寄生增益成为必需。这意味着，w轮廓有源纤维的抑制应当超过数百dB,这点极难实施或监控。除此之外，这种高浓度的钕离子将使得泵送转换效率降低。除此之外，与小芯直径相对应的模场直径的压缩将降低非线性现象的阈值。所有上述原因阻碍了 900nm范围内的高性能和高功率钕纤维激光器的实现。总之，基于Nd掺杂纤维的增益块以各个信号波长和寄生波长处的放大率为特征。在900nm范围内信号波长处的增益的期望值处在1060nm范围内寄生波长处的增益为Nd掺杂纤维的总长度和有源离子的浓度的函数。通常，随着纤维长度和浓度的增加，寄生范围内的增益也增大。在Nd掺杂纤维中增益块中的泵送吸收率也与Nd掺杂纤维的长度和有源离子的浓度成比例。因此，通过具有较大的长度和较高的Nd离子浓度来增加泵送吸收率必然地使得寄生放大率增长。因此，对于基于Nd掺杂纤维的增益块以及制造所述块的方法存在需求，无需增大掺杂剂浓度和增加有源纤维长度来提高泵送光吸收率。另外，对于设置有钕纤维增益块的高性能和高功率纤维激光器系统存在需求。 此外，对于基于用于产生增益块的辐射线的二次或更高次谐波的钕掺杂纤维增益块的纤维激光器系统存在需求。
技术实现思路
所公开的Nd掺杂增益块的构造和在各个创造性光学方案中的块的应用满足了这些需求。所公开的增益块被构造为具有侧泵送(“SP”)构造，所述SP构造包括沿着相应的相对侧边彼此光学耦合的固定长度的Nd掺杂有源纤维和被动泵送输送纤维。SP构造被构造为具有有源纤维的芯面积Ac与总泵送引导包覆层面积Aclad之间的高比率。所公知的是，比率越大，泵送光吸收越高。因此，相应的有源纤维和输送纤维的构造提供了泵送光的高效吸收以及在900nm范围内的期望波长处的高增益。同时，1060nm范围内的寄生增益不超过合理阈值。特别地，细长的有源纤维具有由两个间隔开的小面积端区域和大面积中央区域限定的双瓶颈形状，而输送纤维具有哑铃形状，所述哑铃形状具有在相对的大面积端区域之间延伸的小面积中央区域。各种纤维的中央区域被构造为使得芯面积和总包覆层面积之间的比率被选择以允许增大泵送光吸收率。因此，与上面讨论的技术不同的所公开的增益块和用于制造所述增益块的方法不必然地具有用于提高泵送光吸收率的较大的纤维长度和较高的浓度。然而，即使芯面积和总包覆层面积之间的比率增大，泵送光的部分通常未被吸收并且因此未被充分利用。当然，后者降低了增益块的效率。因此，所公开的泵送布置被构造为使得未吸收的泵送光在首先通过芯的中央吸收区之后被利用。所公开的泵送布置中的一种被构造为将未吸收的光返回到相同的吸收区域，但是沿着与最初的方向相反的方向。另一种构造提供了 在用于泵送的情况下，将未吸收的泵送光引导到相邻的增益块。附图说明上述和其它的特征以及优点将从下面的附图所伴随的具体描述中变得更加显而易见，其中图I为公开的纤维块的示意图；图2为图I的纤维块的SP布置的一种构造；图3为图I的纤维块的有源纤维的改进构造；图4为图I的块的SP布置的另一构造；图4A为图4的纤维块的另 一种构造的示意图；图4B为图4的纤维块的又一种构造的图；图5为构造为具有图I的纤维增益块的公开的管线式纤维激光器系统的示意图；图6为构造为具有图I的纤维块的公开的高功率激光器系统的另一种构造的示意图；图7为图5和图6的激光器系统的输出信号的波谱；图8为构造为具有图1-4的公开的纤维块的蓝色激光器的示意图；以及图9为构造为具有图1-4的纤维块的具有泵送的高功率纤维激光器系统的图解图。具体实施例方式现在将详细参照在附图中所示的本专利技术的多个实施方案。在附图和说明书中尽可能使用相同或相似的附图标记来指代相同或相似的部件或步骤。附图为简化的形式且不是精确的比例。用语“耦合”、“可操作地连接”以及类似术语不一定表示直接和紧接着的连接，而且包括通过中间元件或器件的连接。图I示意性地示出了纤维块10，纤维块10被构造为纤维放大器或纤维激光器并且包括例如多模(MM)、多包覆层的有源纤维24，有源纤维24的相对端与相应的单模(SM)输入和输出被动纤维14和16毗邻拼接。构造为具有一个或多个光源的泵送25可操作以依照SP布置辐射耦合到有源纤维24中的泵送光。无芯MM泵送光输送被动纤维28具有与有源纤维24的延伸部可操作地连接的延伸部以使耦合的延伸部限定耦合区。泵送光被发射到有源纤维24中并且至少部分地由纤维掺杂芯的增益介质沿着耦合区吸收。如果需要，连接的纤维可以响应于施加到其上的外力而彼此分离。Nd离子按既定浓度被导入有源纤维的芯中，提供在900nm波长范围内的期望增益和1060nm范围内的合理增益。聚合套筒26环绕纤维24和28并且沿着大致整个耦合区与纤维24和28可操作地连接。分别与套筒26结合的纤维24和28为SP构造的主要部件。图2示出了纤维块10的相应的纤维24和泵送光输送被动纤维28的所公开的几何形状的一个方案。有源纤维24的芯12可通过与芯共同延伸的多个包覆层42 (仅示出了一个)环绕。有源纤维24的几何形状，即相应的芯12和包覆层42沿着纤维纵轴的截面，具有双瓶颈形截面。双瓶颈形截面包括窄的均匀尺寸的输入端区域36、具有比输入区域的面积大的面积Acore的均匀尺寸的吸收中央区域或中部区域38以及桥接端区域和中央区域的截头锥形输入变换区域46。为了使双瓶颈区段完整，芯本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种包括至少一个纤维块的纤维激光器系统，其构造为具有 有源纤维，其沿着纵轴延伸并且设置有同心外包覆层和内双瓶颈形Nd掺杂芯，所述内双瓶颈形Nd掺杂芯可操作以在工作波长和寄生波长处辐射激光信号；以及 至少一个哑铃形无芯输送纤维，其将泵送光引导到所述有源纤维，所述有源纤维和所述输送纤维具有构造为在扩大面积的中央区域中提供这样的泵送光吸收率以使所述有源纤维被构造为具有最短可能的长度的相应的轴向共同延伸的所述扩大面积的中央区域和缩小面积的中央区域，所述最短可能的长度允许在工作波长处的期望增益，同时将所述寄生波长处的增益限制为预设阈值。2.如权利要求I所述的纤维激光器系统，其中，所述有源纤维和所述输送纤维被构造为使得对于所述有源纤维的所述最短可能的长度和导入所述有源纤维的所述芯中的稀土族掺杂剂的既定浓度，选择相应的大面积中央区域和相应的所述有源纤维和所述输送纤维的所述中央区域的总包覆面积之间的比率以便为所述有源纤维提供在所述工作波长处的期望增益和在所述寄生波长处的所述预设增益。3.如权利要求I所述的纤维激光器系统，其中，所述输送纤维的输出端区域构造为包含比所述有源纤维的输出端区域多N倍的未吸收泵送光，N为所述输送纤维的所述输出端区域的面积与所述有源纤维所述输出端区域的包覆层面积之间的比率。4.如权利要求3所述的纤维激光器，进一步包括反射部件，其与所述输送纤维的所述输出端区域耦合；以及泵送单元，其辐射耦合到所述输送纤维的输入端中的所述泵送光，其中，所述反射部件被构造为朝向所述输送纤维的所述输入端区域背反射沿着所述有源纤维的所述最短可能的长度未吸收的所述泵送光，从而所述未吸收的泵送光重新发射到所述有源纤维的所述中央区域中。5.如权利要求2所述的纤维激光器系统，其中，所述中央区域的所述总包覆层面积和相应的所述有源纤维和所述输送纤维的输入端区域的总面积彼此基本相等。6.如权利要求2所述的纤维激光器系统，进一步包括围绕相应的所述有源纤维和所述输送纤维的所述中央区域的保护性纤维套筒，相应的所述有源纤维和所述输送纤维的所述中央区域的所述总包覆层面积按与相应的保护性套筒和输送纤维的数值孔径之间的比率至少相等的系数减小。7.如权利要求I所述的纤维激光器系统，进一步包括另一哑铃形输送纤维，所述另一哑铃形输送纤维构造与所述一个输送纤维基本相同并且被定位为使得中央减小面积的相应的一个和其它的所述输送纤维沿着所述激光器系统的纵轴与所述有源纤维的中央区域基本共同延伸并且在横向于对称轴延伸的平面中与所述中央区域对准。8.如权利要求7所述的纤维激光器系统，进一步包括泵送光源，所述泵送光源辐射耦合到输送纤维中的一个的输入端中的所述泵送光，相应的输送纤维的输出区域在与所述一个输送纤维的所述输入端轴向间隔开的所述中央区域的端附近彼此融合，其中所述融合的输送纤维限定U形构造。9.如权利要求7所述的纤维激光器，其中，所述泵送光源具有两个泵送单元，每个所述泵送单元均辐射所述泵送光，辐射的泵送光耦合到所述U形输送纤维的相应的输入区域中从而沿相反的方向传播。10.如权利要求I所述的纤维激光器系统，进一步包括另一哑铃形输送纤维，所述另一哑铃形输送纤维与所述一个输送纤维基本相同并且被定位为使得相应的所述输送纤维的中央小面积中央区域与所述有源纤维的所述扩大面积的中央区域轴向共同延伸，相应的有源纤维和输送纤维在横向于所述轴延伸的平面中限定三角形构造。11.如权利要求I所述的纤维激光器系统，进一步包括另一个纤维块，所述纤维块构造为与所述一个纤维块相似并且在所述主波长和所述寄生波长处可操作所述激光信号，相应的一个或另一个增益块的所述泵送光输送纤维彼此光学接触，以使保留在所述一个纤维块的所述输送纤维的所述输出区域中的未吸收光被引导到所述另一个纤维块的所述输送纤维，这将...

【专利技术属性】
技术研发人员：瓦伦丁·盖庞特瑟夫，艾廉·扎特斯蒂夫，米克哈伊尔·维亚特金，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：