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1、10申请公布号CN104112973A43申请公布日20141022CN104112973A21申请号201410384285322申请日2010090812/559,28420090914US201080036256820100908H01S3/067200601G02B6/03620060171申请人IPG光子公司地址美国马萨诸塞州72发明人瓦伦丁盖庞特瑟夫迈克尔弗亚特金瓦伦丁弗明尼古拉普拉特诺夫74专利代理机构中科专利商标代理有限责任公司11021代理人吕雁葭54发明名称多模光纤57摘要一种整体光纤被构造成具有双瓶颈形多模MM纤芯，其能够在给定波长下实质上只支持基模，并具有相对的端区、从。
2、相应的端区向内延伸的锥台形状的转换器区和桥接所述转换器区的尺寸均匀的中心区。MM纤芯具有阶跃折射率分布，所述阶跃折射率分布被构造成具有居中的下凹，所述下凹具有沿光纤长度可变的宽度。下凹的宽度在MM纤芯的端区较小，以便只支持具有高斯分布的基模。随着下凹沿输入转换器区变大，其逐渐使高斯分布形成为基模的环分布，其沿MM纤芯的中心区被导引。下凹沿输出转变区逐渐变小，以便使环分布的形状回到从MM纤芯的输出端区辐射的基模的实质上的高斯分布。折射率分布具有掺杂一种或多种稀土元素的环区域，并被构造成实质上只是放大基模。30优先权数据62分案原申请数据51INTCL权利要求书1页说明书6页附图3页19中华人民共。
3、和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书6页附图3页10申请公布号CN104112973ACN104112973A1/1页21一种高功率单模SM光纤激光器系统，包括输入无源光纤，具有引导高斯形状的SM光的纤芯；有源光纤，具有整体多模MM纤芯，所述整体多模MM纤芯配置为沿纤芯的整个长度引导基模和多个高阶横模HOM并且具有双瓶颈形横截面，所述双瓶颈形横截面包括分离的输入端区和输出端区；中心区，所述中心区的内径大于输入端区和输出端区的内径；以及输入锥台形区和输出锥台形区，分别将输入端区和输出端区与中心区的相应端桥接，其中输入无源光纤的纤芯耦合到整体多模MM纤芯的输入区，并配置为在接收到。
4、所需波长的SM光时，使得SM光的模场直径MFD和高斯形状与在整体多模MM纤芯的输入端区中激发的基模的相应MFD和基模形状相匹配，而不会激发HOM。2根据权利要求1所述的高功率SM光纤激光器，还包括SM输出无源传输光纤，所述SM输出无源传输光纤的纤芯接收来自整体多模MM纤芯的输出端区的基模，并配置为引导具有与基模的相应形状和MFD相匹配的高斯形状和MFD的SM。3根据权利要求2所述的高功率SM光纤激光器系统，其中SM输出无源传输光纤的纤芯具有双瓶颈形状。4根据权利要求3所述的高功率SM光纤激光器系统，其中有源光纤的MM纤芯配置为具有如下的基模折射率分布，该分布具有沿MM纤芯的整个长度的中心下凹，。
5、在有源光纤的整体多模MM纤芯的彼此相对的输入端区和输出端区处的该下凹远小于有源光纤的整体多模MM纤芯的中心区处的该下凹，该下凹配置为将基模从高斯形状整形为环形，再整形回高斯形状。权利要求书CN104112973A1/6页3多模光纤0001本申请是申请日为2010年9月8日，申请号为2010800362568的发明专利申请“多模光纤”的分案申请。背景技术0002技术领域0003本发明涉及多模MM光纤，其几何配置可实现实质上的基模在MM光纤输入端的激发，并且导引激发的基模而不使之与高阶模耦合。0004已知技术0005许多光纤激光器的应用需要高功率、高品质的光束。利用SM有源光纤的光纤激光器由于出现。
6、光学非线性的原因在功率方面受到限制。一种常见的解决方案是使用能够支持一些高阶模HOM但配置成可防止这些HOM的激发和放大的MM有源光纤。0006然而，由于非线性的存在，所述非线性包括但不限于受激拉曼散射SRS，这种MM光纤的功率缩放也有些受到限制。也许产生相对高的光学非线性阈值的最有效的切实可行办法是通过增大纤芯直径、减小数值孔径并且还缩短非线性相互作用的有效长度的方式来减少MM光纤的纤芯内部的功率密度。遗憾的是，由于以下原因，这种几何形状是难以达到的。首先，纤芯直径的增大导致HOM数增多，而HOM易被激发，这可能会不利地影响输出光束的品质。其次，制造具有真正极低N的高品质光纤是非常具有挑战性。
7、的。第三，这种光纤对弯曲载荷是敏感的。0007光纤激光器领域的技术人员已知的技术之一包括用占据纤芯中心区的掺杂剂分布来构造MM光纤的纤芯，这将在下文讨论。中心掺杂区有效地将周边非零方位角编号HOM如LP11的激发减到最少，而所述激发在常规上被认为是起自MM光纤的输入端或者是模耦合的结果。然而，中心掺杂区促进在MM光纤的输入端具有零方位角编号的中心对称HOM如LP02的激发。如同任何其它的激发HOM，激发的中心模倾向于从基模中抽取能量，因此这产生了严重的问题。0008因此，需要被构造成具有这样的轴向截面的MM光纤，所述轴向截面提供对实质上只激发基模最有利的条件。0009还需要具有这样的纤芯的MM。
8、光纤，所述纤芯被构造成具有这样的折射率，所述折射率提供激发基模的增大的有效面积和对于非线性而言较高的阈值，其可使MM光纤输出实质上集中于基模的数十KW数量级的辐射。0010又需要具有这样的掺杂剂分布的MM光纤纤芯，所述掺杂剂分布被构造成增益实质上导引基模LP01而不使之与中心对称模如LP02耦合。0011进一步需要用上述MM光纤放大器构造的高功率光纤激光器系统，所述MM光纤放大器被构造成提供基模与高阶模之间的显著增益差异。发明内容0012一种MM光纤可满足所有上述指定的需求，所述MM光纤具有以光纤纵向轴为中心说明书CN104112973A2/6页4的纤芯，并被构造成具有双瓶颈形轴向截面和折射率。
9、的可控凹区，所述凹区以穿过纵向轴延伸的纤芯轴为中心。所公开的MM光纤放大器的每一特点解决相应一种上面讨论的已知现有技术的特性问题，并改进放大器的实质上单模SM操作的特性。0013根据本发明的一个方面，光纤系统的MM有源光纤具有被构造成将光纤的相对两窄端的耦合损失减到最少的双瓶颈形状。通常情况下，在高功率光纤系统中，输入的SM光束由与MM有源光纤的输入端接合的SM无源光纤来传输。如果相应光纤的折射率和纤芯几何形状不同，也就是相应单模与基模的模场直径MFD和形状或分布相互不匹配，则HOM激发的可能性很高。因此，这样构造纤芯的相对窄输入瓶颈形端部，使得MFD和相应的输入SM及激发基模的形状实质匹配。。
10、0014考虑到数十KW数量级的高功率，沿标准均匀构造的纤芯传播的光的功率密度高，非线性的阈值低。非线性效应的存在对高功率光纤激光器或放大器是限制性因素。因此，所公开的MM光纤的小端区对于非线性的产生来说是足够短的，而光纤的中心区具有扩大的均匀直径，因此能实现功率密度的减少，并从而提高非线性的阈值。0015连接MM光纤放大器的相应的相对端和中心区的相应端部的转换器区各自具有锥台形截面。因此，转换器区沿光路分别逐渐扩张并逐渐变窄。因此转换器区的几何形状允许激发基模的膨胀和压缩，这将沿所述路径的基模与HOM之间的耦合减到最少。因此，由于在输入端主要只是基模受激发，所公开的MM光纤的形状提供对这种模的。
11、保持和放大，以便在实质上的基模中具有大功率的输出。0016本发明进一步的方面涉及除了具有双瓶颈截面外还有助于得到对非线性的高阈值的光纤构造。特别是，所公开的MM光纤被构造成增加激发基模的模场直径，并因此能更进一步地提高对非线性的阈值。0017在MM光纤的相对端的激发基模具有实质上的高斯分布，所述实质上的高斯分布分别对应于输入及传输SM无源光纤的相应高斯分布。高斯形基模的MFD的增加是通过所公开的具有折射率分布的光纤实现的，所述折射率分布提供由高斯分布向环分布的转换，所述转换由MM有源光纤的中心厚区支持。从结构上来说，这是通过在折射率分布的中心区内提供下凹实现的。0018通过沿所公开的MM光纤的。
12、整个长度的下凹的几何形状来解决基模的高斯分布与环分布之间的错配问题。为了分别保持MFD与SM和MM光纤的相应单模和基模的分布之间的所需匹配，下凹的构造小到足以防止模分布失真。因此，相应SM光纤和有源MM的接合端均具有实质上的高斯分布。0019下凹1的宽度沿MM光纤的扩张的输入转换区渐增并达到其最大尺寸，该最大尺寸对应于在中心区的输入端的基模的环分布。模的有效面积越大，对非线性的阈值就越高。将输出转换器区构造成具有渐减的下凹宽度，这有助于由环分布向高斯分布的反向转换。后者的MFD与SM传输光纤的高斯分布的MFD相匹配。总的来说，上面公开的有源MM光纤放大器使HOM在接合区的激发和放大的可能性降到。
13、最低。0020在本发明进一步的方面中，所公开的光纤MM光纤放大器具有这样的结构，所述结构被构造成提供对基模的显著增益，但防止中心对称模如LP02的放大。这是通过提供具有环形截面的掺杂剂分布实现的，即，环形的掺杂剂分布不提供在折射率的中心区和周边区内的任何增益。然而，可构造环形的掺杂剂分布，使之在基模的强度分布具有其峰值的说明书CN104112973A3/6页5纤芯区中提供显著的增益，所述峰值位于中心纤芯区与周边纤芯区之间。附图说明0021参考以下的描述、所附权利要求和附图可以更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，其中0022图1示出根据本发明构造的具有双瓶颈形截面的MM有源光纤。1US。
14、7,400,807和6,018,533各自公开了尺寸均匀的下凹。0023图2示出图1的MM光纤的折射率分布。0024图3示出相应的中心对称模和基模沿所公开的MM光纤的端区的折射率及强度场分布。0025图4示出相应的中心对称模和基模沿MM光纤的中心区的折射率及强度场分布。0026图5示出在已知现有技术的高功率光纤系统中观察到的折射率及模分布。0027图6示出具有折射率分布的图1的MM光纤，其被构造成具有能够提供主要针对基模的增益导引的掺杂剂环分布。0028图7示出作为光纤放大器和作为无源传输光纤装配到SM高功率光纤激光器系统中的所公开的MM光纤的图解视图。0029图8A示出装配了图1的MM光纤的。
15、SM光纤系统的侧泵浦布置，特别显示了泵浦布置沿MM光纤的端区延伸的一部分。0030图8B示出沿图1的MM光纤的中心区的侧泵浦布置的一个实施例。0031图8C示出沿图1的MM光纤的中心区的侧泵浦布置的另一实施例。0032图8D和8E示出图1的MM光纤的端泵浦技术。具体实施方案0033现在要详细叙述所公开的特种光纤的生产方法、特种光纤本身以及装配了所公开的特种光纤的高功率光纤激光器系统。在可能的情况下，在附图及说明书中使用相同或类似的辅助标号指代相同或类似的部件。附图是简化形式的而非精确的比例。0034根据本发明的一个方面，构造整体MM光纤以提供主要是基模在给定波长处的激发。所公开的MM光纤的构造。
16、对纤芯输入端处实质上只是基模的激发创造了有利的条件，下面紧接着公开其沿纤芯的未失真传播。0035图1示出MM光纤10，其包括MM纤芯12和至少一个包层14。包层14可具有多种构造，所示的一个仅仅是示例性截面。如果沿纵向轴AA观察，则M纤芯12是根据本发明的各方面中有关双瓶颈形截面的一方面构造的。因此构成的MM纤芯12具有若干区，包括相对的尺寸均匀的输入端区及输出端区36、中心区或放大器38直径大于端区36的直径和两个锥台形模转换器39各自分别位于端区与中心区36、38之间。0036端区36每个都实质上比中心区38短，并且端区36形成为可防止表现出非线性效应的尺寸。构造纤芯12的输入端区36，使。
17、得由射入的SM输入激发的基模的MFD和场分布实质上与射入的SM输入的相应MFD及分布相匹配。特别是，基模及SM模两者均具有相应的实质上的高斯场分布，所述高斯场分布具有实质上匹配的MFD。类似地，将MM光纤10的输出端36构造成以基模发射输出光束，所述基模的MFD及形状实质上与同光纤10的输出说明书CN104112973A4/6页6端接合的传输SM光纤的相应MFD及形状相匹配。0037相应基模及单模的实质上匹配的MFD及分布可防止HOM在输入端区的激发。因此，如果将光纤10构造为有源放大光纤，即纤芯12掺杂以稀土元素，则激发模沿其通过纤芯12的路径被放大。相比之下，如果HOM不在输入端区36被激。
18、发，则其不会沿光纤10被放大。否则如果HOM实质上被放大到基模放大的程度，则后者会由于所谓的模耦合而造成功率损耗。当然可以将光纤10构造为具有上文所公开的相同机制但没有放大功能的无源光纤。0038中心放大器38的扩大的纤芯直径能实现更好的功率处理特性，因为纤芯直径的增大使功率密度减小，并因此提高了对非线性如SRS的阈值。然而，纤芯直径增大通常伴有HOM激发的可能性增加，这种可能性是极不可取的。因此希望的是增大基模LP01的MFD，这将提供对非线性的相对高的阈值，同时将HOM激发的可能性降到最低。0039如与图1一起讨论的图2所示，通过在纤芯12的折射率分布中提供中心下凹18来实现MFD的增大。。
19、一般来说，从制造过程来看，下凹是MM光纤中的相当典型的构造，其在常规上被认为是HOM模的激发及其与基模LP01耦合的原因。由于以下原因，与已知的现有技术相比，所公开的下凹18被有意地并以可控的方式沿中心区38扩大了。0040构造下凹18以将在输入区36的激发基模的实质上的高斯分布转换成更大的环形分布，相比扩展的高斯分布来说，所述环形分布沿中心区38与更大的纤芯面积相重叠。基模的MFD越大，对非线性的阈值就越高。然而，高斯分布与环分布明显不匹配，这在MM光纤10的相对端区36处尤其麻烦，因为在通常情况下，这些端区与相应的SM输入及传输光纤接合。0041将SM光纤构造成支持通常具有实质上的高斯分布。
20、的单模。如果将MM光纤10的端区36构造成支持基模的环分布，则光功率的耦合损失可能是相当大的。因此根据本发明，将下凹18构造成具有沿MM光纤10可控变化的构造，如下文所公开的那样。0042在图1背景下讨论的图3示出所公开的纤芯12沿设有下凹18的端区36的阶跃折射率，所述下凹18被构造成使激发基模的高斯模失真最小。换句话说，使沿端区36的下凹18的尺寸不扰乱基模的高斯分布。优选的是，下凹18沿端区36的宽度在约1至约5之间的范围内变化，其中是给定的波长，在该给定波长下纤芯12能够实质上只支持基模。随着基模沿输入转换器区39继续传播，由于下凹18逐渐扩大，高斯分布逐渐转换成环分布。下凹越大，基模。
21、就越像环。0043图4示出与基模LP01的铰接环分布关联的下凹18的最大尺寸，所述铰接环分布出现在基模LP01进入MM光纤10的中心区38之时。基模LP01的环分布包括两个能量峰分别为20和22和位于中心的能谷，所述能谷桥接峰区并展开，与高斯分布相比，其占据更大的纤芯12的面积。可以通过以可控的方式掺杂纤芯12的中心区来得到下凹18，优选用氟化物的离子进行掺杂。作为另外的选择，可以使用硼的离子，但硼可能具有本文中未予考虑的一些影响，这些影响使此元素与受控浓度的氟化物相比而言就不那么有利。还有另一种可能是以可控的方式用浓度不同于纤芯12的周边区中的磷酸盐浓度的磷酸盐掺杂中心区32。0044如果是。
22、有源光纤10，纤芯12充分掺杂以一种或多种选自以下的稀土离子YB、ER、ND、TM、PR、CE和/或HO离子以及它们的组合。纤芯12的主体材料可以包括二氧化硅，但优选的是，纤芯的主体材料包括磷酸盐。后者是有利的，因为掺杂剂在磷酸盐中的浓度可显说明书CN104112973A5/6页7著地高于在二氧化硅中的浓度而不会产生簇CLUSTER，而簇会导致波导的劣化。通常情况下，当离子如YB的浓度达到约10002000PPM时观察到SI中簇的产生。相比之下，磷酸盐主体材料允许稀土离子浓度高达约5000PPM及更高。0045分别参考图3、4和5，与图5中所示的已知现有技术的示例性标准MM光纤相比，可以很容易。
23、地意识到图3和4中所示公开的光纤的优点。0046图5示出尺寸均匀的MM光纤100的折射率分布和强度分布。多年来，生产的MM光纤如MM光纤100具有不完善的构造，如较差的纤芯包层同心度及纤芯圆度。因此，光纤10与任何SM光纤的熔合通常可能会导致相应的HOMLP11和LP02的激发，在各种不同的HOM中，这两者最有可能在接合区中被激发。如果光纤是不完善的，LP110占据周边纤芯区且易被激发。因此，大多数已知技术大多致力于防止或最大程度地减少此模的激发2。对包括LP02在内的对称中心模的激发少有研究，并且许多有源光纤构造如具有中心掺杂区3的那些甚至放大中心HOM。0047随着光纤制造方法的出现，MM。
24、光纤特别是有源光纤的构造趋于接近“理想”特性，包括纤芯包层同心度05M，及纤芯圆度099。此外，熔合光纤之间的接合也不断地得到改善。因此，在这些“理想”的光纤中，非对称模以及最为显著的LP11模可能不在接合区中被激发，因此由于对称原则之故不会在“理想”的MM光纤的输入端区被激发。类似地，总的来说，熔合在一起时的无源“理想”光纤的特征也在于只是中心对称高阶模如LP02的激发。0048回到图3中来，所公开的MM光纤10的构造被认为具有实质上是理想的构造，该图示出在MM光纤10的输入端被激发的HOM。可以看到，实质上只是中心高阶模LP02连同基模LP01被激发。因此，所公开的光纤10沿中心区38的构。
25、造应该是这样的，即不仅可防止此中心HOM的强度的进一步增加，而且理想的是，还可使其强度有所减少。0049参考图4，可以很容易地观察到，沿光纤的28区存在的下凹18将中心纤芯折射率区32中的LP02的峰强度降到最低。此外，基模LP01的侧翼部分抽取离开中心HOMLP02的侧翼部分的泵浦功率的最大份额而几乎没有增益。然而要注意的是，下凹18的扩大不是没有限制的，因为某种下凹几何形状会导致LP02的强度分布呈现出类似于基模LP01中的环形状。如果发生HOMLP02的这种转换，则所公开的下2美国专利5,818,6303同上凹18的构造其导致只是基模的有效面积增大，这转而促使对非线性的阈值更高不再能提供。
26、所公开的优点。0050参考结合图3和4讨论的图6，虽然下凹18与充分掺杂的纤芯12的组合可得到所需的结果，即基模LP01的实质上未失真的传播和放大，但有源光纤可以具有能够获得相同结果的不同构造。近来的光纤设计已集中于定制增益掺杂剂的横向分布以提供模态辨别。例如，如上所述，一种设计4包括纤芯的中心掺杂区。这种技术提供中心HOMLP02的放大，其实质上相当于基模LP01所获得的增益，在MM光纤的输出端导致基模中的能量损失。0051因此，纤芯12可以被构造成具有不覆盖整个纤芯面积的环掺杂区16。特别是，增益区或掺杂剂分布16环绕纤芯12的中心区32，并终止于与纤芯12的周边相隔一定距离处。构造增益区。
27、16，以便包括20和22区，即见于图4中的基模的峰值功率区。作为结果，这些峰值功率区的放大对基模提供显著的增益，而中心HOM如LP02不获得增益或所获增益微不足道。说明书CN104112973A6/6页80052现在集中来看图6的折射率分布的中心区32，相应中心HOM如LP02的强度峰保持在中心，与环形掺杂区16的存在与否无关。然而，这些峰没获得任何增益。因此，见于图4中的LP02的峰不被放大，这相当于这种模在MM光纤10的输出端强度低。因此，除了MM光纤10的双瓶颈截面与尺寸可控的下凹18相结合之外，环形增益区16也可进一步提高基模的输出功率。0053可以按脉冲及CW构造装配光纤10。因此，。
28、可以提高对其它非线性效应如自相位调制、4波混频、SRS和SBS的阈值。0054图7以图解的方式示出示例的包括一个或多个增益模块的高功率光纤激光器系统50。每个增益模块50被构造成具有所公开的在相对的端部36与相应的SM无源光纤42熔合的MM有源光纤10。构4美国专利5,818,630造相应的无源光纤42的输出和输入区它们每个耦合于光纤10的端部36的几何形状，使得由SM光纤支持的SM光的MFD和分布实质上与MM光纤10的基模的MFD和分布相匹配。作为结果，构造具有下凹18图3、4与双瓶颈形状相结合的光纤有源MM10不但将耦合功率损失减到最少，而且还放大基模。由于激光器系统50可处理KW数量级的。
29、高功率，SM无源光纤42各自也可以具有双瓶颈形状，由于大直径区内相对较低的功率密度的原因而使无源传输光纤42中非线性效应的发生最少。0055示例形式的系统50可包括YB掺杂的MM有源光纤10。其被拉制成相应的相对端部36的外径各为125M，中心部分或放大器38的外径为约150250M，且纤芯12在端部36的直径为约18M。构造具有约125M端部和所需模场直径的无源光纤42，可以使MM光纤10与无源光纤42之间的熔合几乎没有损失。0056图8A8C示出用在包括有源MM光纤10的HP光纤激光器系统中的相应侧泵浦布置。优选的是，泵浦传输光纤55操作性地连接于有源MM光纤10的包层14沿实质上有源MM。
30、光纤10的长度。因此，图8A示出侧泵浦布置的端部，MM光纤10的端区36沿其延伸。所连接的光纤10和55分别包封在由折射率比包层14低的材料制成的套管60中，以便防止泵浦光耦合离开光纤10和55。要注意的是，耦合的光纤10和55沿图8A的端区具有实质上相同的外径。图8B示出侧布置的中心部分，特征在于光纤10和55具有实质上相同的直径，该直径大于图8A的输入端的直径。图8C也表示沿所述布置的中心区的耦合，其中泵浦传输光纤55的外径实质上比MM光纤10的外径要小。图8C中所示的构造是特别有利的，因为相当部分的泵浦辐射在MM光纤10的纤芯12中被吸收。图8D和8E示出端泵浦技术的相应构造。图8D的构造包括进入端区36的耦合泵浦辐射，而图8E示出泵浦中心区38的可能性，如共同待决申请NO中的讨论。0057本领域技术人员显而易见的是，可以对本文中公开的激光器功率系统进行各种修改和变动。因此，本发明旨在涵盖对本发明进行的修改和变动，条件是这些修改和变动处于所附权利要求及其等同表述的范围以内。说明书CN104112973A1/3页9图1图2说明书附图CN104112973A2/3页10图6说明书附图CN104112973A103/3页11图7图8A图8D图8E说明书附图CN104112973A11。