專利名稱：雙級(jí)亮度變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本說(shuō)明書(shū)涉及光信號(hào)的產(chǎn)生，更具體而言，涉及亮度變換。
背景技術(shù)：
如今，光纖激光器由于其緊湊性、可靠性、操作效率及其高輸出功率水平而發(fā)展成為最強(qiáng)有力的固態(tài)激光器技術(shù)。光纖激光器可被視為單級(jí)亮度變換器。設(shè)計(jì)亮度變換器的一種途徑使用激光腔(參見(jiàn)例如A.Liem等人的“1.3kW Yb-doped fiber laser with excellent beam quality"Proc. of CLEO 2004, CPDD2, Vol. 2, pp. 1067-1068, (2004) ) 0在這樣的亮度變換器中，使用錐形光纖束(TFB)將大量多模泵浦二極管耦合到稀土摻雜的雙包層光纖(DCOF)中，其中公知TFB也是泵浦合波器。通過(guò)在DCOF的每一端處使用光纖布拉格光柵(FBG)形成激光腔以產(chǎn)生激光效應(yīng)。通常，在激光腔的輸入處使用高反射率FBG，并在激光腔的輸出處使用低反射率FBG，以僅僅部分地反射信號(hào)并允許從該腔提取部分功率。通過(guò)DCOF的摻雜芯部吸收泵浦功率，并產(chǎn)生高亮度光信號(hào)。理論上，激光的輸出功率與泵浦功率成正比。設(shè)計(jì)亮度變換器的另一種途徑使用主振蕩功率放大器(MOPA)(參見(jiàn)例如 Y. Jeong, J. K. Sahu 等人的“Ytterbium-doped large-core fiberlaser with 1. 36kff continuous-wave output power,，，Optics Express, V.12no.25, pp 6088-6092, (2004))。 由于需要更多部件，ΜΟΡΑ配置是更復(fù)雜的亮度變換器。MOPA由激光二極管構(gòu)成，該激光二極管公知為種子(seed)，被耦合到給定數(shù)目的級(jí)聯(lián)光放大器級(jí)。典型地在激光二極管與第一光放大器級(jí)之間以及各光放大器級(jí)之間插入光學(xué)隔離器，以保護(hù)激光二極管和每個(gè)放大器級(jí)免受任何會(huì)導(dǎo)致?lián)p傷的背反射。MOPA的原理不依賴于激光效應(yīng)。來(lái)自激光二極管的光信號(hào)通過(guò)放大器級(jí)的級(jí)聯(lián)而被放大，直到獲得希望的輸出功率。每個(gè)光放大器級(jí)典型地由使用多個(gè)泵浦二極管泵浦的摻雜光波導(dǎo)構(gòu)成，使用TFB而將所述多個(gè)泵浦二極管耦合到光波導(dǎo)。這兩種配置已被用于制造光纖激光器，并且，如今，具有數(shù)千瓦的輸出功率的光纖激光器已成為現(xiàn)實(shí)。然而，這些配置具有一些限制。關(guān)于基于激光腔的配置，該技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)涉及可用于該系統(tǒng)的最大泵浦功率的實(shí)際限制，這在高功率光纖激光器中是決定性的。該限制有兩個(gè)起因TFB以及由單個(gè)發(fā)射泵浦二極管產(chǎn)生的最大亮度。TFB是實(shí)現(xiàn)將在多個(gè)光纖(稱為泵浦臂)中傳播的泵浦功率耦合到單個(gè)光纖(稱為信號(hào)光纖)中的光學(xué)部件。然而，對(duì)可使用的泵浦臂的數(shù)目有理論限制?，F(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)將該值設(shè)定為31。雖然可以通過(guò)級(jí)聯(lián)兩個(gè)TFB而增加泵浦臂的數(shù)目， 但可用的泵浦臂的最大值此時(shí)被限制為49。對(duì)泵浦臂的數(shù)目的該限制導(dǎo)致對(duì)可用的最大泵浦功率的限制，考慮到現(xiàn)有技術(shù)的單個(gè)發(fā)射泵浦二極管的狀態(tài)，該可用的最大泵浦功率接近lkW。與TFB有關(guān)的另一限制是其熱限制。TFB導(dǎo)致插入損耗。損耗的泵浦功率接著被封裝吸收并導(dǎo)致溫度升高，而溫度升高導(dǎo)致部件失效。通常，當(dāng)TFB的插入損耗為約0. IdB 時(shí)，可用于安全操作的最大泵浦功率為約lkW。最后，泵浦二極管的亮度也限制了最大泵浦功率。泵浦二極管的初始亮度應(yīng)被仔細(xì)選擇為具有高效的且大功率的系統(tǒng)。能夠交付大功率的一些泵浦二極管是商業(yè)可得的，但在具有相當(dāng)大的(即，600μπι或更高)的傳送光纖， 這些泵浦二極管的亮度低。這使高效的且大功率的光纖激光器的發(fā)展復(fù)雜化?；诩す馇坏呐渲玫牧硪蝗秉c(diǎn)是可得的束品質(zhì)。在DCOF的內(nèi)包層中傳播的泵浦功率的吸收與其芯部的面積和其內(nèi)包層的面積之間的比率成比例。為了適應(yīng)對(duì)低亮度泵浦二極管的使用，內(nèi)包層的半徑應(yīng)增加，這因而降低了泵浦光吸收。為了抗衡該效應(yīng)，可以增加光纖芯部的半徑。不幸地，該解決方案導(dǎo)致信號(hào)的束品質(zhì)的劣化。最后，基于激光腔的配置的另一缺點(diǎn)涉及熱管理。實(shí)際上，在DCOF中存在傳播損耗，這產(chǎn)生熱。在激光腔亮度變換器中，通常在DCOF的外包層中使用低折射率聚合物以實(shí)現(xiàn)不能用二氧化硅實(shí)現(xiàn)的適當(dāng)?shù)臄?shù)值孔徑(NA)。雖然純二氧化硅能夠處理高至1500°C和更高的溫度，但低折射率聚合物僅僅可處理最高約120°C的溫度。因此，不能將泵浦功率提高為超過(guò)聚合物的特定限制以不經(jīng)受由熱引起的損傷。上述關(guān)于基于激光腔的配置的所有限制也適用于基于MOPA的亮度變換器配置。 此外，存在來(lái)自體系的復(fù)雜性的其他限制。首先，由于MOPA由放大器級(jí)的級(jí)聯(lián)構(gòu)成，與激光腔配置相比，其通常更昂貴。其次，應(yīng)當(dāng)特別仔細(xì)以完全控制每個(gè)放大器級(jí)的增益，以便獲得最優(yōu)且高效的操作。第三，還應(yīng)使用光學(xué)隔離器使每個(gè)放大器級(jí)彼此隔離。然而，目前，不存在能夠處理超過(guò)幾十瓦特的光學(xué)功率的商業(yè)可用的隔離器。當(dāng)達(dá)到這樣的功率水平時(shí)， MOPA不利用隔離器而工作，這最終會(huì)導(dǎo)致顯著的失效?？紤]到上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，存在對(duì)允許使用低亮度泵浦二極管實(shí)現(xiàn)良好束品質(zhì)的亮度變換器的需求。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一方面，提供一種雙級(jí)亮度變換器。第一亮度變換級(jí)具有第一激光腔，所述第一激光腔具有摻雜有活性離子的第一光波導(dǎo)，所述活性離子限定具有光吸收的第一光波段、具有光吸收和光增益的第二光波段以及具有光增益的第三光波段。用具有所述第一光波段中的波長(zhǎng)的泵浦功率泵浦所述第一激光腔，以產(chǎn)生所述第二光波段中的居間光信號(hào)。 與所述第一亮度變換級(jí)級(jí)聯(lián)的第二亮度變換級(jí)包括摻雜有相同活性離子的第二光波導(dǎo)。用所述居間光信號(hào)泵浦所述第二亮度變換級(jí)，以獲得所述第三光波段中的高亮度光信號(hào)。根據(jù)另一方面，提供一種亮度變換器，其包括第一亮度變換級(jí)，具有激光腔以提高低亮度泵浦信號(hào)的束品質(zhì)，從而提供具有高效率和良好熱管理的居間光信號(hào)；以及第二亮度變換級(jí)，用于將所述居間光信號(hào)變換成具有高效率和良好熱管理的高亮度光信號(hào)。所提供的雙級(jí)亮度變換器允許在保持高效熱管理的同時(shí)利用低亮度泵浦二極管產(chǎn)生具有良好束品質(zhì)的光信號(hào)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述雙級(jí)亮度變換器的所述第二級(jí)為激光腔，并且根據(jù)另一實(shí)施例，所述雙級(jí)亮度變換器的所述第二級(jí)使用基于主振蕩功率放大器(MOPA)的配置。
在特定情況下，所述雙級(jí)亮度變換器使用全玻璃雙包層光纖(DCOF)。由于在DCOF 中不使用低折射率聚合物，因此它們能夠耐受高溫。此外，所提供的雙級(jí)亮度變換器允許使用極低亮度泵浦二極管。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，雙級(jí)亮度變換器允許增加最大可用的泵浦功率。所提供的亮度變換器還允許使用單個(gè)泵浦源，從而僅僅需要一個(gè)用于泵浦功率的發(fā)射點(diǎn)并消除了對(duì)錐形光纖束(TFB)或任何其他泵浦合波器的需要。根據(jù)另一方面，提供一種用于產(chǎn)生二級(jí)泵浦功率的泵浦發(fā)生器。所述泵浦發(fā)生器包括激光腔，所述激光腔具有摻雜有活性離子的光波導(dǎo)。所述光波導(dǎo)含有具有光吸收的第一光波段、具有光吸收和光增益的第二光波段以及具有光增益的第三光波段。所述泵浦發(fā)生器還包括被耦合到所述激光腔的泵浦源，所述泵浦源用于產(chǎn)生所述第一光波段中的主泵浦功率以泵浦所述激光腔，以便產(chǎn)生所述第二光波段中的二級(jí)泵浦功率。所述光波導(dǎo)在對(duì)應(yīng)于所述二級(jí)泵浦功率的波長(zhǎng)處為多模，以便所述二級(jí)泵浦功率以多模在所述光波導(dǎo)中傳播。根據(jù)又一方面，提供一種用于產(chǎn)生高亮度光信號(hào)的方法。所述方法包括i)用泵浦功率泵浦具有摻雜有活性離子的第一光波導(dǎo)的激光腔，所述活性離子限定具有光吸收的第一光波段、具有光吸收和光增益的第二光波段以及具有光增益的第三光波段。所述泵浦功率具有所述第一光波段中的波長(zhǎng)；ii)作為所述泵浦的結(jié)果而在所述激光腔中產(chǎn)生所述第二光波段中的居間光信號(hào)；iii)用所述居間光信號(hào)泵浦摻雜有相同活性離子的第二光波導(dǎo)；iv)作為用所述居間光信號(hào)泵浦的結(jié)果，在所述第二光波導(dǎo)內(nèi)獲得所述第三光波段中的高亮度光信號(hào)；以及ν)從所述第二光波導(dǎo)輸出所述高亮度光信號(hào)。


圖1是示例出基于兩個(gè)激光腔的級(jí)聯(lián)的雙級(jí)亮度變換器的示意圖；圖2是雙包層光纖(DCOF)的一般實(shí)例的截面圖；圖3是示例出圖1的亮度變換器的泵浦二極管的輸送光纖、第一級(jí)的光波導(dǎo)和第二級(jí)的光波導(dǎo)的相對(duì)尺寸的示意圖；圖4是示出發(fā)射截面圖以及稀土離子鐿的發(fā)射截面和吸收截面的圖；圖5是示出沿示例性亮度變換器的第一級(jí)的摻雜的光波導(dǎo)的功率分布的圖；圖6是示出沿著示例性亮度變換器的第一級(jí)的摻雜的光波導(dǎo)的粒子束反轉(zhuǎn)的圖；圖7是示出沿著示例性亮度變換器的第一級(jí)的摻雜的光波導(dǎo)的本征增益光譜密度的圖；圖8是示出沿著示例性亮度變換器的第二級(jí)的摻雜的光波導(dǎo)的功率分布的圖；圖9A是示例出基于通過(guò)模場(chǎng)適配器(MFA)分隔的兩個(gè)激光腔的級(jí)聯(lián)的雙級(jí)亮度變換器的示意圖；圖9B是示例出模場(chǎng)適配器(MFA)的實(shí)例的示意圖；圖IOA是示例出使用級(jí)聯(lián)放大器的基于MOPA的亮度變換器的示意圖；以及圖IOB是更詳細(xì)地示例出圖IOA的變換器的級(jí)聯(lián)的放大器之一的示意圖。注意，在所有附圖種，相似的參考標(biāo)號(hào)表示相似的特征。
具體實(shí)施例方式在描述具體實(shí)施例之前，應(yīng)回顧亮度的定義。光源的亮度以W/(sr. m2)為單位表示，且被定義如下B = ~-( 1 )
NA ·π ■ A其中P為來(lái)自尺寸A的面積的發(fā)射功率，NA為數(shù)值孔徑?，F(xiàn)有技術(shù)的泵浦二極管的狀態(tài)典型地向具有約100 μ m的芯部直徑和約0. 15的NA 的光纖中輸送20W量級(jí)的功率。這導(dǎo)致對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)泵浦二極管的狀態(tài)典型的3. 6 X IOltlW/ (sr. m2)的亮度B。對(duì)于向具有約600 μ m的直徑和約0. 22的NA的光纖中輸送約500W的低亮度泵浦二極管，亮度為1. IX IO10W/(sr. m2)。低亮度泵浦二極管典型地輸送更大的功率但具有對(duì)亮度的折衷，這在使用單級(jí)亮度變換器時(shí)是主要的問(wèn)題。現(xiàn)在參考附圖，圖1示出了基于第一級(jí)102和第二級(jí)104的級(jí)聯(lián)的雙級(jí)亮度變換器100，第一級(jí)102和第二級(jí)104各自包括激光腔。注意在圖1中的不同位置處放置的符號(hào)“X”表示部件之間的熔接。使用低亮度泵浦二極管106泵浦第一級(jí)102，該低亮度泵浦二極管106在輸送光纖 108處產(chǎn)生可用的泵浦功率A。第一級(jí)102使用稀土摻雜的雙包層光纖(DCOF) 110作為增益介質(zhì)，更具體地，鐿摻雜的二氧化硅DC0F。高反射率光纖布拉格光柵(FBG)112被熔接在 DCOF 110的輸入處，并且低反射率FBG 114被熔接在DCOF 110的輸出處，以形成激光腔。 輸送光纖108被熔接到FBG 112以向第一級(jí)102注入泵浦功率A。第一級(jí)102使用泵浦功率A產(chǎn)生居間光學(xué)信號(hào)B。在FBG 114的輸出處可得到居間光學(xué)信號(hào)B。 第二級(jí)104接收來(lái)自第一級(jí)102的居間光信號(hào)B，并使用居間光信號(hào)B作為泵浦來(lái)產(chǎn)生高亮度光信號(hào)C。與第一級(jí)102—樣，第二級(jí)104包括被用作增益介質(zhì)的稀土摻雜的 DCOF 120。在DCOF 120中使用的稀土離子與在DCOF 110中使用的稀土離子相同，S卩，鐿。 DCOF 120同樣是基于二氧化硅。高反射率FBG 122被熔接在DCOF 120的輸入處，并且低反射率FBG IM被熔接在DCOF 120的輸出處，以形成激光腔。第二級(jí)104被熔接到第一級(jí) 102以接收來(lái)自第一級(jí)102的居間光學(xué)信號(hào)B。在FBG IM的輸出處可得到所產(chǎn)生的高亮度光信號(hào)C。在整個(gè)說(shuō)明中，涉及被用作增益介質(zhì)中的摻雜劑的稀土離子鐿。然而，注意本文中使用鐿作為實(shí)例，同樣可以使用諸如鉺或任何其他活性離子的其他離子。低亮度泵浦二極管106典型地在具有諸如600 μ m或更大的大芯部直徑的光纖中產(chǎn)生數(shù)百瓦特的泵浦功率A。通過(guò)使用這樣的低亮度泵浦二極管，在該二級(jí)亮度變換器100 中僅僅需要一個(gè)泵浦二極管106，因此不需要錐形光纖束(TFB)。這同時(shí)解決了在背景技術(shù)中討論的該部件固有的問(wèn)題中的至少一些問(wèn)題?？紤]摻雜有鐿的二氧化硅光纖，泵浦二極管106的波長(zhǎng)在915到976nm的波段中。注意雖然915-976nm波段中的泵浦更有效，但在鐿摻雜的光纖中的泵浦吸收在從約880到985nm的波段也是可能的。第一級(jí)102被設(shè)計(jì)為在波長(zhǎng)λ工處產(chǎn)生被稱為居間光信號(hào)B的激光發(fā)射。如下所述，在該情況下，居間光信號(hào)B的波長(zhǎng)λ工被選擇為處于約1020到1030nm的居間光波段中。 FGB 112和FGB 114在λ工處都具有峰值反射率以使激光腔在該波長(zhǎng)處穩(wěn)定，并且，在FGB 112和FGB 114的設(shè)計(jì)中特別注意以確保由多模DCOF 110保持的所有光模式都被TOB 112和FGBl 14反射。注意由于第一級(jí)102被用于產(chǎn)生用作第二級(jí)104中的泵浦的光信號(hào)，因此第一級(jí) 102也被稱為泵浦發(fā)生器。第二級(jí)104接收在第一級(jí)102的輸出處可得的居間光信號(hào)并使用該居間光信號(hào)作為泵浦。第二級(jí)104被設(shè)計(jì)為在波長(zhǎng)λ 2處產(chǎn)生激光發(fā)射。該高亮度且高束品質(zhì)的激光發(fā)射在本文中被稱為高亮度光信號(hào)C。如下所述，在該情況下波長(zhǎng)λ 2被選擇在1080nm。FGB 122和FGB IM在λ 2處都具有峰值反射率以形成激光腔并將激光波長(zhǎng)穩(wěn)定到λ2。注意 雖然第一級(jí)102和第二級(jí)104都使用鐿摻雜的二氧化硅DCOF作為增益介質(zhì)，但DCOF 110 和DCOF 120的尺寸和特性彼此不同。在討論DCOF 110和DCOF 120的具體尺寸之前，在圖2中示例了一般DCOF的示意圖。DCOF可被認(rèn)為是兩個(gè)波導(dǎo)的疊加，S卩，信號(hào)波導(dǎo)和多模泵浦波導(dǎo)的疊加。DCOF包括摻雜有活性離子的芯部202、內(nèi)包層204、外包層206和護(hù)套208。信號(hào)波導(dǎo)由芯部202和內(nèi)包層204構(gòu)成，以便使用內(nèi)包層204在芯部202中導(dǎo)引信號(hào)。多模泵浦波導(dǎo)由內(nèi)包層204和外包層206構(gòu)成。使用外包層206在內(nèi)包層204中導(dǎo)引泵浦功率。護(hù)套208圍繞外包層206。 DCOF于是能夠?qū)⒃诒闷植▽?dǎo)中傳播的亮度低且束品質(zhì)差的多模泵浦功率變換成在信號(hào)波導(dǎo)中傳播的亮度高且束品質(zhì)高的信號(hào)。泵浦功率被注入泵浦波導(dǎo)中，并且在其傳播期間，泵浦功率在被活性離子吸收的位置與信號(hào)波導(dǎo)重疊。最后，在信號(hào)波導(dǎo)中發(fā)生受激發(fā)射。圖3示出了泵浦二極管106(在圖3中未示出)的輸送光纖108、第一級(jí)102(在圖3中未示出)的DCOF 110和第二級(jí)104(在圖3中未示出)的DCOF 120的相對(duì)尺寸。 輸送光纖108具有芯部302和包層304。DCOFl 10具有芯部312、內(nèi)包層314和外包層316。 DCOF 120具有芯部322、內(nèi)包層3 和外包層326。注意FBG 112和FBG 114具有與DCOF 110匹配的尺寸，且FBG 122和FBG IM具有與DCOF 120匹配的尺寸。為了清楚起見(jiàn)，在圖 3 中未示出 FBG 112、114、122 和 124。在輸送光纖108處可得的泵浦功率A被耦合到DCOF 110的內(nèi)包層314。DCOF 110 被設(shè)計(jì)為使內(nèi)包層314的直徑匹配輸送光纖108的芯部302的直徑，以便獲得最優(yōu)耦合。 在一個(gè)實(shí)施例中，該直徑為600 μ m。芯部312的直徑為IOOym的量級(jí)或更高。因此DCOF 110以多模操作。由于DC0F110的芯部312的直徑小于輸送光纖108的芯部302的直徑，居間光信號(hào)B的亮度與泵浦功率A相比得到改善。另外，DCOF 120的內(nèi)包層3M的直徑被設(shè)計(jì)為匹配DCOF 110的芯部312的直徑。 通過(guò)使內(nèi)包層324的面積與芯部322的面積之間的比率在百分之幾十的范圍，可以使芯部 322的直徑保持為足夠小以確保DCOF 120的單模操作。單模操作提供了亮度高的衍射受限制的光信號(hào)C。注意可以使用多模DCOF 120，但此時(shí)應(yīng)特別注意以單模狀態(tài)操作DCOF 120以在其輸出處獲得衍射受限制的束。第二級(jí)的輕微多模操作也是可能的。注意上述實(shí)施例的DCOF 110和120的參數(shù)允許將全玻璃光纖用于DCOF 110和 DCOF 120 二者。然而，注意仍可采用使用低折射率聚合物或聚硅氧烷的DC0F。還應(yīng)注意 上述尺寸作為實(shí)例而給出，并且這些尺寸可變化以適于任何其他實(shí)際應(yīng)用。所提供的亮度變換器允許在所使用的光波導(dǎo)的特性的選擇方面的靈活性。當(dāng)使用 DCOF時(shí)，第一級(jí)的DCOF 110的芯部312的數(shù)值孔徑(NA)和直徑可被仔細(xì)選擇為使第二級(jí)的DCOF 120中的芯部吸收最大并同時(shí)保持第二級(jí)的DCOF 120的內(nèi)包層3M足夠小。第二級(jí)的DCOF 120的芯部322于是可保持足夠小以在第二級(jí)中單模操作，從而提供衍射受限制的輸出束。圖4示出了稀土離子鐿的吸收截面410和發(fā)射截面420，并被用于描述圖1的雙級(jí)亮度變換器100的操作。吸收截面410和發(fā)射截面420與光增益有關(guān)，對(duì)其的研究使我們了解在激光腔內(nèi)部信號(hào)如何被放大。圖4還示出了將在下面描述的、對(duì)應(yīng)于第一光波段431、 第二光波段432和第三光波段433的三個(gè)光譜波段。第一光波段431在約915與976nm之間延伸，并對(duì)應(yīng)于光吸收波段。第二光波段432在約1020與1030nm之間延伸，其中吸收和增益二者都發(fā)生。第三光波段433在對(duì)應(yīng)于光增益波段的IOSOnm附近延伸。在單級(jí)亮度變換器中，典型地在吸收截面最高的915與976nm之間延伸的第一光波段431中進(jìn)行泵浦。然后在第三光波段433中，S卩，IOSOnm附近設(shè)定穩(wěn)定波長(zhǎng)。然而，可以注意到，在1020與1030nm之間延伸的第二光波段432中吸收截面不可忽略，這與在IOSOnm附近的第三光波段的情況一樣。在第二光波段432中，吸收和增益二者都是可能的。對(duì)于特別地使用該波段的雙級(jí)亮度變換器100而言，該觀測(cè)結(jié)果是重要的。在第一光波段431中，S卩，在915與976nm之間，使用低亮度泵浦二極管106泵浦第一級(jí)102，并將第一級(jí)102設(shè)計(jì)為產(chǎn)生具有第二光波段432 (即約1020與1030nm之間)的波長(zhǎng)的居間光信號(hào)B。泵浦功率A在摻雜的DCOF 110的內(nèi)包層314(參見(jiàn)圖3)中傳播。在第二光波段432中產(chǎn)生的居間光信號(hào)B在芯部312(參見(jiàn)圖幻中傳播。第二光波段432中的居間光信號(hào)B具有與泵浦功率A相比改善的亮度。由于第二光波段432中的吸收不可忽略，由第一級(jí)102產(chǎn)生的居間光信號(hào)B可被用于泵浦第二級(jí)104以產(chǎn)生第三光波段433中的高亮度光信號(hào)C。此外，第一級(jí)102中的亮度改善允許將DCOF 120的廣信芯部保持足夠小以具有在第三光波段433中(S卩，在IOSOnm處)的單模操作。因此，由于DCOF 120的單模操作，第二級(jí)104在IOSOnm處產(chǎn)生具有衍射受限制的束的激光信號(hào)。如上所述，雖然在915到976nm波段中的泵浦更有效，但鐿摻雜的光纖中的泵浦吸收在從約880nm延伸到985nm的較大波段內(nèi)也是可能的。因此，第一光波段431還被擴(kuò)展到該范圍。類似地，第二光波段432還可被擴(kuò)展到從約IOOOnm到1050nm，在該范圍中吸收和增益都存在。第三光波段433還被擴(kuò)展到從約lOeOnm到llOOnm，在該范圍中有效增益是可能的。雙級(jí)亮度變換器100解決了與光纖激光器的熱管理有關(guān)的限制中的至少部分限制。首先，在多數(shù)情況下，摻雜的DCOF 110和120可以被制造為全玻璃的，其中不需要任何低折射率聚合物。在基于激光腔的單級(jí)亮度變換器中，摻雜的DCOF典型地使用低折射率聚合物以增加泵浦波導(dǎo)的NA來(lái)匹配錐形光纖束(TFB)的輸送光纖的NA(其為約0.46)。然而，多數(shù)商業(yè)可得的低亮度泵浦二極管具有接近0. 22的NA的輸送光纖，并且，由于在該實(shí)施例中沒(méi)有使用TFB，可以使用低折射率玻璃在DCOF 110中實(shí)現(xiàn)0. 22的NA。通過(guò)在DCOF 110和120的設(shè)計(jì)中避免使用低折射率聚合物，消除了與熱失效有關(guān)的問(wèn)題。此外，雙級(jí)亮度變換器100提供了與上述現(xiàn)有技術(shù)配置相比改善的熱管理。單級(jí)亮度變換器的量子效率在85%與90%之間變化。利用圖1的雙級(jí)亮度變換器100，第一級(jí) 102的量子效率典型地在88%與95%之間變化，第二級(jí)104的量子效率典型地在88 %與 94%之間變化。由于較高的量子效率導(dǎo)致較低的熱產(chǎn)生，因此在各級(jí)102和104中都實(shí)現(xiàn)了低熱產(chǎn)生。由于DCOF 410的典型地接近或大于100 μ m的大芯部直徑，在第一級(jí)102中實(shí)現(xiàn)了更低的熱產(chǎn)生。由于熱產(chǎn)生反比于芯部半徑的平方，因此在第一級(jí)102中實(shí)現(xiàn)了低的熱產(chǎn)生。注意用于制造FBG 112和114的光纖的芯部的直徑應(yīng)匹配DCOF 110的芯部的直徑，即，典型地為100 μ m的量級(jí)。應(yīng)注意跨過(guò)這樣的大芯部均勻地進(jìn)行FBG的寫(xiě)入會(huì)是困難的。然而，注意到，由于不均勻的記入引起各種模式的不均等反射而僅僅導(dǎo)致較低效的 FBG,因此跨過(guò)該芯部均勻地寫(xiě)入FBG不是強(qiáng)制性的。實(shí)例現(xiàn)在給出根據(jù)圖1的雙級(jí)亮度變換器的具體設(shè)計(jì)的實(shí)例。應(yīng)理解，下面規(guī)定的變換器的參數(shù)僅僅為了示例而給出，存在許多其他可能的對(duì)這樣的雙級(jí)亮度變換器的設(shè)計(jì)。應(yīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)亮度變換器的第一級(jí)102，以便在第二光波段內(nèi)(即1020與1030nm之間)獲得激光發(fā)射。應(yīng)以在第二光波段內(nèi)具有最大增益光譜密度為目的設(shè)計(jì)第一級(jí)102，以便獲得有效的激光發(fā)射。利用在第一級(jí)102的DCOF 102內(nèi)的強(qiáng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，獲得在第二光波段內(nèi)(即， 1020與1030nm之間)的這樣有效的激光發(fā)射。為了獲得所希望的強(qiáng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使用短腔以及芯部直徑與內(nèi)包層直徑的大比率，以便獲得泵浦功率的強(qiáng)吸收。為了獲得泵浦功率的強(qiáng)吸收，希望使用重?fù)诫s的DC0F。然而，注意到，在玻璃基質(zhì)中包含過(guò)多的稀土離子會(huì)導(dǎo)致玻璃基質(zhì)的晶體化，結(jié)果，增加背景損耗。在鐿的情況下， 3X IO26到6X IO26離子/m3的濃度是可接受的。在該實(shí)例中，使用3X IOai離子/m3的濃度， 光纖長(zhǎng)度為1米。接下來(lái)，為了獲得有效的激光腔，對(duì)泵浦功率的波長(zhǎng)的選擇是重要的。如圖4所示，對(duì)應(yīng)于鐿摻雜的光纖的典型泵浦波段的第一光波段431在915與976nm之間延伸。應(yīng)注意泵浦的波長(zhǎng)越接近激光發(fā)射的波長(zhǎng)，該激光越有效。然而，由于吸收帶寬在該波長(zhǎng)下非常窄，接近976nm的泵浦波長(zhǎng)需要波長(zhǎng)非常穩(wěn)定的泵浦激光二極管。由于該原因，更確切地選擇965nm的泵浦波長(zhǎng)?？梢岳鐝奈挥诘聡?guó)的Laserline GmbH獲得在具有400 μ m的芯部直徑和0. 22 的NA的輸送光纖中在965nm處輸送1000W的功率的低亮度泵浦二極管。這樣的泵浦二極管的亮度為 5 X IOiqW/(sr. m2)。然后，為了匹配典型的低亮度激光二極管的輸送光纖的直徑，內(nèi)包層的直徑為 400 μ m且芯部的直徑為100 μ m,以使芯部對(duì)內(nèi)包層的直徑比率為0. 25。最后，激光波長(zhǎng)被設(shè)定為1027nm。圖5到圖7示出了根據(jù)上述設(shè)計(jì)的第一級(jí)102的模擬結(jié)果。使用變化率方程模型(rate equation modeling)進(jìn)行該模擬(參見(jiàn) Rare-Earth-Doped Fiber Lasers and Amplifiers,2nd Edition,Michel J. F. Digonnet,Marcel Dekker Inc.，2001，p.341-344)。·)·圖5示出了沿第一級(jí)102的DCOF 110的功率分布；圖6示出了沿DCOF 110的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；以及圖7示出了 DCOF 110的固有增益光譜密度。在圖6中可以看出，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)接近50%，這比典型地用于傳統(tǒng)的在IOSOnm附近的波長(zhǎng)處發(fā)射的雙包層光纖激光器的反轉(zhuǎn)強(qiáng)二到三倍。如圖7所示，在接近1027nm的激射波長(zhǎng)的約1020nm的波長(zhǎng)處達(dá)到第一級(jí)102的最大固有增益。最大固有增益與激光波長(zhǎng)之間的良好匹配導(dǎo)致93%的良好激光效率，這在圖5中可以觀察到。
現(xiàn)在，第二級(jí)104將1027nm處的居間光信號(hào)B變換成高亮度光信號(hào)C。第二級(jí)104 的DCOF 120的內(nèi)包層的直徑被選擇為匹配第一級(jí)102的DCOF 110的芯部的直徑。相應(yīng)地， 第二級(jí)104的內(nèi)包層的直徑為100 μ m。為了獲得衍射受限制的高亮度光信號(hào)C，DCOF 104 被設(shè)計(jì)為單模。芯部的直徑為15 μ m，且數(shù)值孔徑為0.08，這導(dǎo)致與對(duì)于DCOF 120的單模操作的2. 405足夠接近的3. 5的ν數(shù)目。鐿濃度等于3 X IO26離子/m3，以在將背景損耗保持在可接受的水平的同時(shí)獲得良好的激光效率。圖8示出了根據(jù)上述設(shè)計(jì)的第二級(jí)104的模擬結(jié)果。再次地，使用變化率方程模型進(jìn)行該模擬。其示出了沿DCOF 120的功率分布。在第二級(jí)120中觀察到80%的效率，這導(dǎo)致75%的總激光效率。該實(shí)例的雙級(jí)亮度變換器產(chǎn)生750W的功率，這為0. 08的NA提供了大于2 X IO14W/ (sr. m2)的亮度。這對(duì)應(yīng)于從泵浦功率A到高亮度光信號(hào)C的大于4000倍的亮度改善。圖9A示出了圖1的雙級(jí)亮度變換器100的變型。圖9A的雙級(jí)亮度變換器900與圖1的雙級(jí)亮度變換器100幾乎相同，因此不重復(fù)描述相似的部件。雙級(jí)亮度變換器900 包括泵浦二極管906、具有DCOF 910的第一級(jí)902和具有DCOF 920的第二級(jí)904。雙級(jí)亮度變換器900包括附加的部件，即，插入在第一級(jí)902與第二級(jí)904之間的模場(chǎng)適配器 (MFA)930。在一些實(shí)施例中，泵浦二極管906的亮度很差，以致需要增加第一級(jí)902的DCOF 910的內(nèi)包層的直徑以在第二光波段中獲得最優(yōu)的激光效應(yīng)。在該特定情境中，DCOF 910 的內(nèi)包層的面積與DCOF 920的芯部的面積之間的比率將減小，以便其變?yōu)樾∮谝?，并?DCOF 920中的功率的吸收將因此減小。一種解決方案是增大DCOF 920的芯部的直徑，但這將因此導(dǎo)致DCOF 920的不希望的多模操作。為了克服該問(wèn)題，在各級(jí)902和904之間插入 MFA 930。在畫(huà)出MFA 930的細(xì)節(jié)的圖9B中可以看出，MFA是直徑逐漸減小的光纖的部分。 其可比作具有大直徑的光纖與具有較小直徑的光纖之間的緩沖。通常，如果兩個(gè)直徑足夠接近，則可以沒(méi)有嚴(yán)重插入損耗地實(shí)現(xiàn)該適配。注意在泵浦二極管具有大直徑輸送光纖的情況下，可以備選地或附加地在第一級(jí)的泵浦二極管與DCOF之間插入MFA。這允許保持第一級(jí)的DCOF的內(nèi)包層的小直徑。圖IOA和IOB示出了基于級(jí)聯(lián)主振蕩功率放大器(MOPA)的亮度變換器1000的另一實(shí)施例。在圖IOA的亮度變換器中，通過(guò)被光學(xué)隔離器1008分隔的放大器1004、1006 的級(jí)聯(lián)而放大在IOSOnm處的激光種1002。注意放大器的數(shù)目可以變化。亮度變換器 100基本上主要通過(guò)用于如圖IOB所示的每個(gè)放大器1004和1006的配置而與現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)不同。每個(gè)放大器1004和1006具有第一級(jí)1010和第二級(jí)1020。第一級(jí)1010產(chǎn)生在 1020-1030nm波段的波長(zhǎng)下的泵浦功率，其用于泵浦第二級(jí)1020。第二級(jí)1020由使用在第一級(jí)1010中產(chǎn)生的泵浦功率放大種激光1002的放大器構(gòu)成。第一級(jí)1010包括摻雜有活性離子(在該情況下為鐿)，使用低亮度泵浦二極管 1014對(duì)其進(jìn)行泵浦。使用高反射率FBG 1016和低反射率FBG1018形成激光腔并將激光的發(fā)射波長(zhǎng)穩(wěn)定為位于1020-1030nm波段中的λ1()由于在波長(zhǎng)λ i處的激光效應(yīng)，在第一級(jí) 1010中獲得束亮度改善，這與圖1的亮度變換器100的第一級(jí)相同。在第一級(jí)1010中產(chǎn)生的泵浦功率被用于泵浦第二級(jí)1020。第二級(jí)1020為MOPA并且由摻雜有活性離子(在該情況下為鐿)的DCOF 1022構(gòu)成。泵浦功率被耦合到DCOF 1022、泵浦合波器10M。由于從第一級(jí)1010獲得的改善的束亮度，DCOF 1022可以以單模操作，導(dǎo)致激光種1002的最優(yōu)放大。與圖1的實(shí)施例一樣，圖IOA的MOPA配置中的雙級(jí)亮度變換器的使用允許克服泵浦功率限制，這是因?yàn)槠涫褂玫土炼缺闷侄O管，該低亮度泵浦二極管可以典型地輸送比以具有較好亮度的泵浦二極管高的功率。此外，與圖1的實(shí)施例一樣，可以在圖IOA的亮度變換器中使用全玻璃DC0F，從而與現(xiàn)有技術(shù)的配置相比改善熱管理。最后，圖IOA的配置同樣不需要使用TFB。更確切地使用簡(jiǎn)單的泵浦合波器，這解決了與TFB的使用有關(guān)的限制中的至少部分限制。雖然本文中描述的實(shí)施例使用光纖作為波導(dǎo)，但應(yīng)注意還可以使用任何其他類型的光波導(dǎo)，例如平面光波導(dǎo)。還可以用其他波長(zhǎng)專用鏡，例如薄膜濾波器，替代光纖布拉格光柵(FBG)。還應(yīng)注意雖然本文中參考摻雜有鐿的光纖，但還可以使用其他活性離子作為摻雜劑。例如，鉺是可使用的一種離子，這是因?yàn)槠涑尸F(xiàn)在980nm處或1480nm附近的具有吸收的第一光波段、在吸收和增益都發(fā)生的1520與1550nm之間的第二光波段、以及在1550 與ieOOnm之間的具有增益的第三光波段。鉺可被用于第一級(jí)中以從980nm處的低亮度泵浦二極管產(chǎn)生在1520-1550nm波段的居間泵浦，并可被用于通過(guò)居間泵浦而被泵浦的第二級(jí)中以產(chǎn)生1550-1600nm波段中的信號(hào)。本文中描述的實(shí)施例使用單個(gè)高功率低亮度泵浦二極管作為泵浦源。然而，應(yīng)注意替代地使用各自具有低泵浦功率且使用泵浦合波器組合的多個(gè)泵浦二極管也是可能的。上述實(shí)施例僅僅旨在示例性的。因此，本發(fā)明的范圍旨在僅僅受到所附權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.一種亮度變換器，包括第一亮度變換級(jí)，其具有激光腔，所述激光腔具有第一光波導(dǎo)，所述第一光波導(dǎo)具有摻雜有活性離子的第一芯部，所述活性離子限定具有光吸收的第一光波段、具有光吸收和光增益的第二光波段以及具有光增益的第三光波段，用具有所述第一光波段中的波長(zhǎng)的泵浦功率泵浦所述第一激光腔，以產(chǎn)生所述第二光波段中的居間光信號(hào)；以及第二亮度變換級(jí)，其與所述第一亮度變換級(jí)級(jí)聯(lián)并具有第二光波導(dǎo)，所述第二光波導(dǎo)具有摻雜有所述活性離子的第二芯部，用所述居間光信號(hào)泵浦所述第二亮度變換級(jí)，以獲得所述第三光波段中的高亮度光信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的亮度變換器，其中所述第二亮度變換級(jí)包括第二激光腔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的亮度變換器，其中所述活性離子為鐿。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的亮度變換器，其中所述第一光波段包括915nm與976nm之間的波長(zhǎng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的亮度變換器，其中所述第二光波段包括1020與1030nm之間的波長(zhǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的亮度變換器，其中所述第三光波段包括IOSOnm的波長(zhǎng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一項(xiàng)的亮度變換器，其中所述第一光波導(dǎo)和所述第二光波導(dǎo)各自包括全玻璃雙包層光纖(DCOF)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一項(xiàng)的亮度變換器，其中所述第一光波導(dǎo)包括用于傳播所述居間光信號(hào)的第一芯部和用于傳播所述泵浦功率的第一內(nèi)包層；其中所述第二光波導(dǎo)包括用于傳播所述高亮度光信號(hào)的第二芯部和用于傳播所述居間光信號(hào)的第二內(nèi)包層；并且其中所述第二內(nèi)包層的直徑基本上等于所述第一芯部的直徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8中任一項(xiàng)的亮度變換器，其中所述第一光波導(dǎo)在傳播所述居間光信號(hào)時(shí)為多模，并且其中所述第二光波導(dǎo)在傳播所述高亮度光信號(hào)時(shí)為單模。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中任一項(xiàng)的亮度變換器，其中所述第一激光腔包括位于所述第一光波導(dǎo)的輸入處的高反射率光纖布拉格光柵和位于所述第一光波導(dǎo)的輸出處的低反射率光纖布拉格光柵。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到10中任一項(xiàng)的亮度變換器，進(jìn)一步包括被耦合到所述第一激光腔的低亮度泵浦源，其用于產(chǎn)生所述泵浦功率。
12.一種用于產(chǎn)生二級(jí)泵浦功率的泵浦發(fā)生器，所述泵浦發(fā)生器包括激光腔，其具有摻雜有活性離子的光波導(dǎo)，所述光波導(dǎo)具有具有光吸收的第一光波段、具有光吸收和光增益的第二光波段以及具有光增益的第三光波段；以及被耦合到所述激光腔的泵浦源，其用于產(chǎn)生所述第一光波段中的主泵浦功率以泵浦所述激光腔，以便產(chǎn)生所述第二光波段中的二級(jí)泵浦功率；其中所述光波導(dǎo)在對(duì)應(yīng)于所述二級(jí)泵浦功率的波長(zhǎng)處為多模，以便所述二級(jí)泵浦功率以多模在所述光波導(dǎo)中傳播。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的泵浦發(fā)生器，其中所述光波導(dǎo)包括全玻璃雙包層光纖(DCOF)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13的泵浦發(fā)生器，其中所述活性離子為鐿。
15.根據(jù)權(quán)利要求12到14中任一項(xiàng)的泵浦發(fā)生器，其中所述第一光波段包括915nm與 976nm之間的波長(zhǎng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的泵浦發(fā)生器，其中所述第二光波段包括1020與1030nm之間的波長(zhǎng)。
17.一種用于產(chǎn)生高亮度光信號(hào)的方法，所述方法包括用泵浦功率泵浦具有摻雜有活性離子的第一光波導(dǎo)的激光腔，所述活性離子限定具有光吸收的第一光波段、具有光吸收和光增益的第二光波段以及具有光增益的第三光波段， 所述泵浦功率具有所述第一光波段中的波長(zhǎng)；作為所述用泵浦功率泵浦的結(jié)果而在所述激光腔中產(chǎn)生所述第二光波段中的居間光信號(hào)；用所述居間光信號(hào)泵浦摻雜有所述活性離子的第二光波導(dǎo)；以及作為所述用所述居間光信號(hào)泵浦的結(jié)果，在所述第二光波導(dǎo)內(nèi)獲得所述第三光波段中的高亮度光信號(hào)；以及從所述第二光波導(dǎo)輸出所述高亮度光信號(hào)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，進(jìn)一步包括在所述第一光波導(dǎo)內(nèi)以多模傳播所述居間光信號(hào)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18的方法，進(jìn)一步包括在所述第二光波導(dǎo)內(nèi)以單模傳播所述高亮度光信號(hào)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17到19中任一項(xiàng)的方法，其中所述第一光波導(dǎo)包括具有第一芯部、 第一內(nèi)包層和第一外包層的全玻璃雙包層光纖(DCOF)，并且其中所述第二光波導(dǎo)包括具有第二芯部、第二內(nèi)包層和第二外包層的全玻璃DC0F，其中所述方法進(jìn)一步包括在所述第一內(nèi)包層中傳播所述泵浦功率，在所述第一芯部中傳播所述居間光信號(hào)，在所述第二內(nèi)包層中傳播所述居間光信號(hào)以及在所述第二芯部中傳播所述高亮度光信號(hào)。
全文摘要
提供一種雙級(jí)亮度變換器。第一亮度變換級(jí)具有激光腔，所述激光腔具有摻雜有活性離子的第一光波導(dǎo)，所述活性離子限定具有光吸收的第一光波段、具有光吸收和光增益的第二光波段以及具有光增益的第三光波段。用具有所述第一光波段中的波長(zhǎng)的泵浦功率泵浦所述第一激光腔，以產(chǎn)生所述第二光波段中的居間光信號(hào)。與所述第一亮度變換級(jí)級(jí)聯(lián)的第二亮度變換級(jí)包括摻雜有相同活性離子的第二光波導(dǎo)。用所述居間光信號(hào)泵浦所述第二亮度變換級(jí)，以獲得所述第三光波段中的高亮度光信號(hào)。
文檔編號(hào)H01S3/0941GK102292883SQ201080005278
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2010年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月23日
發(fā)明者J-N·馬蘭, S·沙蒂格尼 申請(qǐng)人:科拉克蒂夫高科技公司