[发明专利]垂直腔面发射激光器泵浦的光纤增益系统

说明书

技术领域

本发明涉及光纤增益系统，更特别地，涉及包括垂直腔面发射激光器（VCSEL）光学泵的光纤激光器和放大器。

背景技术

光纤激光器和放大器（以下分别称为光纤激光器和光纤放大器）由于它们极好的转换效率、光束质量、体积小、重量轻以及成本低而为大家所熟知。主要是，光纤激光器和光纤放大器具有光学增益介质，通常包括在由包层区域包围的芯区域掺杂了光学活性离子的光纤。例如，芯可以掺杂有选择性稀土离子，其在从诸如高功率光学泵之类的强光源吸收光功率时被激励到高能态，当受激离子返回到其基态时，它们提供光学增益或放大。在掺杂光纤中生成的光被反射回到腔中供共振放大。

低功率激光器和放大器（例如在10-100mW（毫瓦）范围内）的主要应用是在电信中放大光学信号。对于激光器的非常不同的其他工业和军事应用，例如切割、焊接、做标记等，则需要高输出功率。输出可以是多模或单模的，并且在聚焦光束中导致非常高的功率密度。另外，还可以生成光纤激光器或放大器输出以在连续模式下进行操作，或利用各种脉冲宽度和重复频率来进行脉冲操作。在最近的题为“110W Fiber Laser”的非专利文献公开Conference on Laser and Electro Optics(paper CPD11-1,at CLEO'99,23-28May1999,Baltimore,MD),Dominic et al.中描述了一种高功率光纤激光器，其使用Yb（镱）掺杂的双包层光纤，专门设计为具有矩形横截面包层和单模芯部。在其中描述的配置中，双包层光纤通过偏振组合两个激光二极管条封装而在两端被泵浦，每个封装具有45W的输出功率，以实现总共180W的光学泵功率。

大多数现有技术的光纤激光器和放大器专注于优化光纤设计，特别是光纤芯部的设计，以便最佳地耦合泵辐射。芯区域设计的进步在耦合使用不同类型的高功率光源（包括边缘发射激光二极管条、拉曼泵、铒掺杂光纤放大器（EDFA）泵和垂直腔面发射激光器（VCSEL）（特别是单VCSEL或VCSEL的线性阵列）等）的泵浦光方面作出了显著的改善。在实现光纤激光器和放大器中的高功率方面的显著进度可以归因于新型光纤（特别是双包层光纤）的进展。在双包层光纤中，内包层用作泵浦腔，外包层防止泵辐射泄漏。更具体而言，泵辐射耦合到内包层中，随着它沿光纤传播，它进出芯区域传播，但是始终限制在内包层与外包层的边界以内。

在若干现有技术光纤激光器中，构建了具有不同形状的内包层以用于将泵辐射最佳地耦合到芯区域。例如，在1989年3月21日颁发给Snitzer等人的美国专利No.4815079中，从具有相对于多模内包层和外包层偏离中心地设置的单模芯部的双包层光纤构建光纤激光器和放大器。泵辐射在内包层中启动。另外，光纤被配置成稍微弯曲，以便通常将不会与单模芯部耦合的模将会把泵功率耦合到芯部，以确保泵功率的有效耦合。

在分别于1999年9月7日和1999年10月12日颁发给DiGiovanni的美国专利No.5949941和No.5966491中描述了用于将泵功率有效耦合到双包层光纤的不同配置。在此设计中，内包层区域包括在芯部周围的不对称的应力诱发区域，接下来是第二包层。应力诱发区域用于生成折射率调制以提高泵辐射模多样性，从而提高通过芯区域的泵辐射传播。在2002年11月5日颁发给Tankala等人的另一美国专利No.6477307中也描述了类似的设计，具有带多个部分的内包层区域，其被设计来提高芯区域中的泵辐射传播量。

光纤激光器或放大器中的输出功率由来自泵源的输入功率以及与芯区域中的活性离子的吸收带线宽对准的波长带的比例来确定。在2009年9月9日颁发给Gapontsev等人的美国专利No.7593435中，描述了能够在单模光束中传输20kW输出功率的光纤激光器。然而，这是非常复杂的布局，其中使用拉曼泵的多个单模Er掺杂光纤放大器被用作泵源。多个光纤放大器以单模组合到多模光纤组合器，以生成高功率泵源。接近于发射波长的窄波长带准确地对准掺杂芯部光纤的吸收线，由于高功率、窄线宽和低的光子缺陷，导致非常有效率的光学泵浦。

作为替选，通常使用以与光纤芯部中的掺杂离子的吸收波长对应的波长进行发射的边缘发射半导体激光器、多个这种激光器的线性阵列（或激光器条）和扩展发射器激光二极管（或阵列）作为泵源。在1989年5月9日颁发给Kafka的美国专利No.4829529中描述了一种这样的泵配置。更具体而言，单模光纤嵌入在多模包层和外包层中以形成泵浦腔，以便来自泵源的光通过全内反射被限制在泵浦腔内。至芯部的泵辐射沿光纤长度被耦合。