[发明专利]利用大模面积的多模的增益产生光学光纤的高功率光学设备

说明书

技术领域

本发明涉及利用大模面积(LMA)的、多模的增益产生光纤的高功率光学设备，更具体地，涉及利用这种光纤的高功率光学放大器和激光器。

背景技术

为了放大在光纤的芯中传播的光信号，通常在该芯中掺杂有增益产生物质，然后在由该物质吸收的波长处由光泵浦抽运。在二氧化硅光纤中该芯示例性地掺杂有稀土元素(例如，Er、Yb、Er-Yb、Nd、Tm、Ho等)或铬(Cr)，其能使近红外范围内的波长(例如，～1000-1600nm)的信号被放大。Er和Er-Yb二氧化硅光纤通常被用于放大约1500nm以上波长的信号并且通常在或接近980nm或1480nm处被抽运。

增益产生光纤(GPF)的应用范围从相对较低功率的应用如电信到很高功率的应用如材料处理、光谱学、以及测距。此处我们关注的是后者。

基于GPF的激光和放大系统是紧凑的和坚固的高功率辐射源(例如，＞数十kW的峰值功率)。出于安全的原因，理想的是在大于1500nm的人眼安全波长处操作这样的系统。使用公知的Er-Yb共掺的双包层光纤(DCF)的放大器通常被用于这些波长。它们由低亮度二极管激光器阵列抽运。由于该阵列的光学输出具有大的角度分布，它仅仅可被有效耦合入具有大数值孔径(NA)的多模光纤中。为了有效利用二极管能量，DCF几何形状被用于GPF，其中中心芯(信号在其中传播)被掺杂有增益产生物质并被高NA波导包围。该波导包括：未掺杂的内包层，该内包层包围上述芯并引导二极管阵列泵浦光；以及低折射率的外包层，该外包层包围该内包层。这种双包层几何形状减少了每单位长度的泵浦吸收，该减少是以与内包层面积和芯面积之比近似成比例的因数进行的。从而，需要相对较高浓度的芯掺杂以获得短光纤长度上的高泵浦吸收，理想的是使非线性影响、放大的自发辐射(ASE)、以及信号再吸收最小化。

然而，二氧化硅中的Er浓度受双诱导淬灭(pair-induced quenching)限制。Er-Yb共掺光纤，其中泵浦能量被高浓度的Yb吸收并转移给Er，克服了这种限制并提供了高泵浦吸收和单位长度增益。[见，A.Galvanauskas，“Mode-Scalable Fiber-Based Chirped Pulse Amplification Systems”，IEEEJ.Selected Topics in Quant.Electr.，Vol.7，No.4，pp.504-517(2001)，此处将其引入作为参考。]这种方法引起了具有262μJ能量(在非线性特性开始之前)的脉冲的形成，但是具有M²＝2.1的劣变光束。[见，M.Savage-Leuchs，et al.，“High pulseenergy extraction with high peak power from short-pulse，eye safe all-fiber lasersystem，”Proc.of SPIE，Vol.6102，pp610207-(1-8)(2006)，此处也将其引入作为参考。]然而，Er-Yb共掺光纤具有一定的缺陷。为了获得有效的从Yb向Er能量的转移，它们被共掺有大量的磷(P)，其提高了芯的折射率，从而限制了可获得的最大模场面积(MFA)并且使它们高度多模化。由于在预制过程中P被烧掉，芯的折射率分布通常具有大的中心锐减(dip)，其使空间模变形。它们在900nm和1000nm之间的波长处被抽运，从而1500nm处的增益的量子效率很低。由此产生大量的热，可能需要冷却以防止对包围内包层的聚合物涂层的损伤。