在大模式面积环光纤中增加高阶模抑制的方法及其系统

摘要

本公开的实施例通常涉及在大模式面积环光纤中增加高阶模抑制的方法。该方法可以提高横向模式不稳定性(TMI)阈值并且允许为了较高功率的进一步模场直径(MFD)扩展。本文中所公开的是具有一组纤芯属性的纤芯、围绕纤芯的包层环、其中光纤具有14微米和40微米之间的基模有效MFD；以及其中光纤展现高阶模损耗LHOM。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年4月6日提交的标题为“Increasing higher-order modesuppression in large-mode area ring fibers”的美国临时专利申请No.63/171,441的优先权，该临时专利申请的公开内容以引用方式整体并入本文。

背景技术

本公开的实施例一般地涉及高阶模抑制。一般而言，光纤激光器可以是其中主动增益介质是掺杂有诸如铒、镱、钕、镝、镨、铥、钬等稀土元素的光纤的激光器。光纤激光器涉及掺杂的光纤放大器，掺杂的光纤放大器在不产生激光的情况下提供光放大。光纤激光器的发展创造了在不同应用和实施方式中使用的机会。光纤激光器被大量使用在既需要高功率又需要高光束质量的工业激光加工应用中。例如，金属和金属合金的激光切割和激光焊接等。纤芯(core)一般用由多个二极管激光器提供的泵浦辐射供给能量。二极管激光器有效地将电功率转化到光功率，光功率可以被导向到增益光纤中。在“包层泵浦”布置中，泵浦辐射被沿着套在纤芯上的泵浦包层中的增益光纤引导。外包层套在泵浦包层上。

光纤激光器的某些应用要求特定的功率水平。为了实现某些光纤激光器应用需要的要求功率水平，可以组合若干激光器以增加功率。光纤激光器可以使用光谱组合或相干组合来组合。对光纤激光器的输出功率进行扩展受到诸如受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)，自相位调制(SPM)等非线性的限制。特别地，对于为窄线宽操作设计的光纤激光器而言，SBS是主要的非线性。相比而言，针对不需要窄线宽的商业应用设计的光纤激光器一般受SRS限制。

减少非线性并且增加输出功率的一个方法是增加光纤的基模的有效面积。然而，当光纤的有效面积增加时，维持光纤的单模式操作变得更加困难。在特定点，当有效面积增加并且高阶模(HOM)损耗减少时，横向模式不稳定性(TMI)成为增加输出功率的限制因素，而不是非线性。

TMI发生在通过量子缺陷加热生成的热致折射率光栅将基模耦合到高阶模时。通常地，线偏振(LP)LP11模式是关注的主要HOM。当模式耦合到一起时，激光器的输出以kHz频率在基模和HOM之间随机地波动，导致显著的噪声和降低的光束质量。TMI阈值通常通过增加HOM的弯曲损耗来增加，但是这也会增加基模信号的损耗并且减少光效率，限制了可实现的HOM损耗。

因此，在用于高功率光纤激光器的光纤的设计中存在天然取舍。增加有效面积会增加非线性的阈值，但是降低TMI的阈值。而且，通过增加HOM弯曲损耗增加TMI阈值会降低光效率。各种简单阶跃折射率分布已经被优化以平衡这些限制。这些光纤的基模的有效模场直径(MFD)(定义为2*(有效面积/π)^0.5)通常小于20微米、LP01弯曲导致的损耗被保持在小于2dB/m、并且高阶模损耗>200dB/m。然而，这些设计是极其敏感的，导致光纤制造中的低产量。超出用现有设计目前可实现的输出功率的进一步扩展是不可实现的。存在对用于增加这些光纤的高阶模损耗的新方法的需求。

发明内容

本公开的实施例通常涉及在具有包层中的环的大模式面积光纤中增加高阶模抑制的方法。该方法可以提高横向模式不稳定性(TMI)阈值并且允许为了较高功率的进一步模场直径(MFD)扩展。此外，该方法也可以通过加宽能够得到期望的非线性和TMI阈值的折射率分布的范围来增加光纤制造产量。

本公开的实施例也可以包括光纤，光纤可以包括具有一组纤芯属性的纤芯；围绕纤芯的包层环；其中光纤具有在14微米和40微米之间的基模有效模场直径(MFD)；并且其中光纤展现高阶模损耗L

本公开的实施例也可以包括光纤，光纤包括：具有一组纤芯属性的纤芯；围绕纤芯的包层环，包层环在距纤芯的边缘3微米到15微米之间开始；其中光纤具有在14微米和40微米之间的基模有效模场直径(MFD)；其中光纤展现高阶模损耗L

本公开的实施例也可以包括在大模式面积环光纤中增加高阶模抑制的方法，包括：提供光纤，光纤包括：具有小于2e-3的Δn的纤芯；围绕纤芯的包层环，包层环在距纤芯的边缘3微米到15微米之间开始；其中光纤具有在14微米和40微米之间的基模有效模场直径(MFD)；其中光纤展现高阶模损耗L

附图说明

因此，为了能够详细理解本公开的上述特征，可以参考附图得到对本公开实施例更具体的描述。然而，要注意的是，附图仅例示包括在本公开的范围之内的示例性实施例，而不应被考虑为限制，因为本公开可以允许其他等同有效的实施例，其中：

图1A是例示掺镱(Yb-doped)光纤的设计的图；

图1B是例示根据本公开的实施例的掺镱光纤的示例性设计的图；

图2A是例示根据本公开的实施例的模式损耗与弯曲直径之间的关系的图；

图2B是例示根据本公开的实施例的对于具有环特征的光纤的模式损耗和弯曲直径之间的关系的图；

图3A是例示根据本公开的实施例在没有环的情况下基模和高阶模(HOM)与纤芯的模式功率重叠的图；

图3B是例示根据本公开的实施例在有环的情况下基模和HOM与纤芯的模式功率重叠的图；

图4是例示根据本公开的实施例的环光纤的分布的绘图；

图5是例示根据本公开的实施例在螺旋端处的LP11损耗和MFD之间的关系的图；以及

图6是例示根据本公开的实施例在大模式面积环光纤中增加高阶模抑制的方法的流程图。

本文所使用的标题仅为组织目的，并不意味着用于限制说明书或权利要求的范围。如本申请通篇所使用的，术语“可以”是在允许的意义上使用的(即，意味着具有潜力)，而不是强制性的意义上(即，意味着必须)。类似地，术语“包括”意味着包括但不限于。为了便于理解，在可以的情况下，使用了相似的附图标记，以表示附图中共用的相似元素。

具体实施方式

本公开的实施例通常涉及在大模式面积环光纤中增加高阶模抑制的方法。该方法可以提高横向模式不稳定性(TMI)阈值，并且允许为了较高功率的进一步模场直径(MFD)扩展。此外，该方法也可以通过加宽可以得到期望的非线性和TMI阈值的折射率分布的范围来增加制造产量。

本文中描述的示例性实施例涉及被添加到高功率光纤激光器光纤的设计的包层特征。根据本文所描述的实施例，对于具有在14微米到40微米范围中的模场直径的光纤，该包层特征可以显著地增加高阶模损耗，同时减少与稀土掺杂的光纤纤芯的高阶模重叠，允许了较高功率操作。在一些实施方式中，光纤可以包括在14微米和37微米之间的MFD。

TMI通常阻碍在光纤激光器中的功率扩展。TMI包括通过热致折射率光栅促进的基模与LP11高阶模(HOM)之间的功率转移。增加模场直径(MFD)可以导致较高的非线性阈值、较低的HOM损耗、以及相关联的较低TMI阈值。非线性阈值可以包括受激布里渊散射(SBS)、拉曼、四波混频(FWM)阈值等。四波混频(FWM)可以是在非线性光学中的互调现象，即两个或三个波长之间的反应产生两个或一个新的波长。TMI影响商业光纤激光器和定向能量光纤激光器程序两者。抑制TMI的一个方法是增加HOM损耗。对于大模场直径，增加HOM损耗变得更加困难。增加HOM损耗的同时保持MFD允许对于目前操作功率水平增加制造产量，并且通过在以较低LP01损耗操作的同时保持高LP11损耗来增加效率。它也允许扩展到更大的有效面积、降低非线性、以及增加操作功率水平。增加增益掺杂物浓度可以通过减少光纤长度减少非线性，但是由于增加光暗化(photodarkening)，这可能是有害的，光暗化降低了TMI阈值。

根据示例性实施例，包层环等可以被添加到折射率分布。添加包层环可以通过共振等增加HOM弯曲损耗。LP11模式相对于弯曲的对称可以包括平行对称、正交对称。在平行对称的情况下，一般存在较高的弯曲损耗。在正交对称的情况下，一般存在较低的弯曲损耗。在一些实施方式中，在共振的情况下，平行对称LP11模式在一些弯曲直径具有比正交对称更低的损耗。在一些实施方式中，放大器中在操作期间产生的量子缺陷导致的加热可以最大化环的优势，因为光纤的折射率分布通过热光系数被改变。

在一些实施方式中，例如，在19微米MFD掺镱光纤和具有渐变折射率纤芯的16微米MFD光纤中，保持纤芯相同并且添加环在宽的弯曲直径范围内增加HOM弯曲损耗。添加环可以在不影响基模重叠的情况下显著地降低纤芯的HOM模式重叠。在一些实施例中，针对给定的折射率分布的环设计可以被优化并且然后被施加到其他测定的光纤折射率分布。环设计可以针对单个分布进行优化，但是它也可以在宽范围的光纤设计和MFD中带来HOM弯曲损耗的增加。环设计可以对纤芯改变具有鲁棒性。

图1A是例示对于掺镱光纤的设计100a的图。图1B是例示对于根据本公开的实施例的掺镱光纤的示例性设计100b的图。在本公开的一些实施例中，在不增加基模损耗的情况下增加HOM的损耗的方案是添加额外的结构到纤芯附近的包层中。该结构可以被称为环。图1A例示对于高功率掺镱光纤的设计，而图1B示出用于HOM抑制的附加的环结构。图1B中例示的示例性设计参数是开始半径、Δn、宽度等。可以进行优化，以主要与高阶模相互作用，同时环的折射率被保持足够低，以避免对基模的显著扰动。此外，可以使用一个或多个环。

图2A是例示根据本公开的实施例的在没有环特征的情况下模式损耗和弯曲直径之间的关系的图200a。图2B是例示根据本公开的实施例的对于具有环特征的光纤的模式损耗和弯曲直径之间的关系的图200b。图中的曲线示出了依据弯曲直径变化的基模损耗以及平行和正交对称LP11模式。如图2B所示，添加环增加了HOM损耗。LP01损耗也增加并且LP11/LP01损耗比率增加。在一些实施方式中，较高的LP01弯曲损耗可以通过移动操作点到较大弯曲直径来调节。纤芯和环设计也可以提供期望的弯曲半径。

下述表1示出了在LP01损耗＝1dB/m的弯曲直径处计算的LP11损耗。当添加环时，LP01损耗＝1dB/m的弯曲直径从7.7cm增加到9cm。然而，在该直径处，随着环的添加，LP11损耗从59dB/m增加到1380dB/m。随着环的添加，光纤的模场直径基本上不变。

表1：在具有和没有环的光纤中的模场损耗

环可以增加光纤的计算的HOM损耗，并且导致增加的TMI阈值。弯曲损耗可以基于光纤的折射率通过模式解算器计算。在低折射率涂层光纤中，纤芯的高弯曲损耗暗示到包层模式的高耦合，但是耦合到那些包层模式的功率保持被光纤引导。计算的损耗是HOM对玻璃涂层界面采样多少的代表。

由于在低折射率涂层光纤中的弯曲损耗的问题，还考虑HOM与光纤的增益掺杂区域重叠多少是有用的。环可能导致LP11将其能量延伸到包层中。如此，当环被添加到折射率分布时，HOM与光纤的纤芯的重叠减少。这是对光纤激光器的另一个优势，因为与增益掺杂区域的重叠越低，HOM将具有的增益越少，进一步增加了TMI阈值。在许多情况下，增益掺杂物仅存在于纤芯的全部范围内。对于其中增益掺杂物被限制在纤芯的一部分或者延伸超出纤芯的情况，模式功率重叠应该考虑光纤的增益掺杂区域。

图3A是例示在没有环的情况下基模和高阶模(HOM)与纤芯的模式功率重叠的图300a。图3B是例示根据本公开的实施例，在具有环的情况下基模和HOM与纤芯的模式功率重叠的图300b。图3A和图3B示出了对于特定折射率分布设计在具有环和没有环的情况下所计算的基模和HOM与纤芯的模式重叠。图的阴影区域例示当10m长的掺镱光纤被以螺旋卷绕铺设时一般使用的操作直径。在期望的操作直径范围内，与纤芯重叠的基模是不变的，但是与纤芯重叠的高阶模大幅减少。随着环的添加，操作直径可以偏移到稍微较高的直径，这可以在纤芯的设计阶段被补偿。

在一些实施方式中，通过环提供的优点对环折射率分布的细节是稳健的。尽管HOM和环之间的相互作用基于共振并且对于在内环直径、环宽度、以及Δn方面的特定环设计被最大化，但在设计的宽范围内保持了损耗的显著提升和纤芯重叠的降低。这使得环设计是稳健的并且可以增加光纤产量。在设计空间中可以存在对于高LP11损耗和与纤芯的低模式重叠两者最佳化的区域。

在本公开的一些实施例中，环起作用是因为光纤展现了低NA，导致相对弱的纤芯限制以及对于LP11模式的高损耗，即使在没有环的情况下。添加环到这种敏感设计提升了HOM到包层中的渗漏。

图1A、图1B、图2A、图2B、图3A、以及图3B例示了与具有折射率阶跃型纤芯(step-index like cores)的光纤有关的数据。利用诸如商业光纤激光器等中使用的折射率渐变型纤芯(graded-index cores)，环可以同样很好地起作用。利用从理想的折射率阶跃型光纤偏离并且在分布中示出波峰或波谷的纤芯，环可以同样很好地起作用。

可以在例如室温处测量的光纤的折射率分布上执行本文中所描述的计算。当在放大器中操作时，泵浦和信号之间的量子缺陷导致的加热可以由于热光效应而导致折射率分布的重大改变。在设计阶段考虑到这个效应可以进一步提高光纤在高功率放大器中的性能。

上述讨论考虑了在线圈中卷绕的光纤的弯曲直径，其中弯曲直径沿着光纤长度变化。在一些实施方式中，这是有利的，因为TMI在光纤的信号输入端处可以是最严重的，而HOM弯曲损耗可以在局部更高的LP01损耗的代价下甚至更高。在一些实施方式中，期望的是管理沿增益光纤长度平均的HOM弯曲损耗或纤芯重叠。在一些实施方式中，可以使用基于路径平均属性的光功率。这在施加到不产生增益和必须避免非线性效应等的无源光纤时可以是相关的。

虽然本文描述了线圈配置，但在一些实例中，光纤可以用基本均匀的弯曲直径进行卷绕，诸如被保持在环中或被卷绕在圆柱上。这可以通过基于环的设计的特征实现，其中HOM损耗和LP11/LP01损耗比率随弯曲直径的变化小于无环设计。对于低NA、大光纤设计，弯曲损耗对弯曲直径的相对不敏感性可以对高性能和改进的可封装性两者都非常有利。

在对于类似非线性和TMI的有害效应的阈值附近，本文中所描述的属性可以是重要的，有害效应发生在设备以高功率操作并且因此处于高热负荷时。因为光纤的折射率随着温度变化，所以可能重要的是补偿光纤设计以在目标操作温度范围中操作时产生期望的属性。

一些光纤可以具有环状结构以及具有低于泵浦包层的剩余部分的折射率的沟槽。环和沟槽结构的组合可以被用于进一步增加HOM损耗。

本发明的示例性实施例可以包括与高功率光纤激光器相关的设计参数。在用于商业和能量导向应用的高功率光纤激光器的情景中，这些参数可以包括，例如：固体纤芯以及固体包层光纤，以区分微结构光纤方法；大于14微米的MFD；小于大约40微米的MFD。在一些实施例中，设计可以包括具有一些优点的25微米的MFD。超过40微米，用于HOM抑制的环方法可能会更加困难。

在本公开的一些实施例中，可以使用低Δn光纤。如本文中所描述的，环可以起作用是因为光纤纤芯设计可以被调整到LP11弯曲损耗是显著的并且可以与环相互作用的点。例如，纤芯Δn可以被限制到<2e-3等。在一些实施例中，可以使用Δn显著小于纤芯的环。在环Δn接近纤芯Δn时，基模可能变得失真。在这个示例中，环Δn可以被限制到<纤芯Δn的70％。另一个参数可以包括环在距离纤芯的边缘至少2微米，并且不超过距离纤芯的边缘15微米开始等。如果环距离纤芯太远，设计空间变窄，并且变得更难同时实现高损耗和低HOM纤芯重叠。如果环与纤芯太近，可能会变得难以制造。另一个参数可以包括高HOM损耗，例如，LP11>300dB/m。

在一些实施方式中，基于多维度最优化路线的光纤设计发现了具有超过具有高至23.5微米的MFD的19微米光纤的HOM损耗的基于环的设计。根据本文中所描述的示例性实施例，设计算法确定在25微米MFD处的设计具有>200dB/m的HOM损耗。在一些实施方式中，设计允许在较大的MFD处的HOM损耗的较高值，对于超过25微米或甚至30微米的MFD，HOM损耗>200dB/m或甚至>300dB/m。

这里讨论的设计可以示出单个矩形环。尽管环的外表是矩形的，环的边可以在牵拉期间由于扩散而获得斜率。其他环形状，诸如三角形或渐变的折射率也可以提供益处。在包层中使用多个环也可以有益处。环可以是连续的、具有恒定的或方位角变化的内外半径、或者包括离散的段。

根据本公开的示例性实施例，光纤可以被设计和生产。在一些实施方式中，光纤可以包括纤芯和环。光纤的属性可以包括：包括Δn<2e-3的纤芯；在距纤芯的边缘3微米和15微米之间开始的环，环包括Δn，该Δn<0.7*环的Δn；其中光纤具有在14微米和30微米之间的基模有效MFD，光纤具有在5cm和30cm之间的弯曲直径处发生的<1dB/m的基模损耗，并且光纤具有在基模损耗＝1dB/m的弯曲直径处的>300dB/m的高阶模损耗。

图4是例示根据本公开的实施例的环光纤的分布的绘图400。绘图400显示根据本公开的实施例的环光纤的Δn和半径(微米)的关系。光纤可以包括根据本公开的实施例的包层环。包层环可以被添加以增加TMI阈值等。根据示例性实施例，所制造的环光纤可以被使用。

图5是例示根据本公开的实施例在螺旋端处的LP11损耗和MFD之间的关系的图500。在一些实施方式中，用于脉冲Yb(镱)光纤放大器的环光纤的设计可扩展到大至37微米等的模场。图500示出根据本公开的实施例的所制造的光纤的汇编，示出了在较大的模场处，环光纤实现了相比于常规阶跃折射率设计显著更高的HOM损耗。例如，在25微米MFD处，设计具有相比于19微米MFD的折射率阶跃型光纤更高的HOM损耗。在37微米MFD处，设计具有高于40dB/m损耗，这可以足够支撑大于1kw的无TMI信号功率等。随着MFD扩展，Δn可以减少，并且操作直径可以增加。在一些实施方式中，在37微米MFD处，操作直径可以是大约30cm等。

图6是例示根据本公开的实施例在大模式面积环光纤中增加高阶模抑制的方法600的流程图。方法600可以在步骤602处开始，纤芯属性或参数被设定。纤芯属性可以包括，例如，Δn<2e-3。方法可以在步骤604处继续，其中环参数被设定。环参数可以包括，例如，环在距纤芯的边缘3微米和15微米之间开始，环的Δn<0.7*环的Δn。步骤602中在Δn和纤芯半径方面限定纤芯设计可以基本上限定MFD和操作弯曲直径。在步骤604中，限定环设计可以限定HOM损耗和精调操作直径。光纤参数可以包括，例如：光纤具有在14微米和30微米之间的基模有效MFD；在5cm和30cm之间的弯曲直径处发生的基模损耗<1dB/m；在基模损耗＝1dB/m的弯曲直径处的高阶模损耗>300dB/m。在步骤606，可以通过光纤传播光等。

为了例示的简化和清晰，在附图中例示一般配置方案，并且为了防止本公开的示例性实施例的讨论被不必要地模糊，对于本领域中众所周知的技术和特征的细节的描述被省略。此外，附图中的组件不一定按比例绘制。例如，为了帮助理解本公开的示例性实施例，尺寸可能会被夸大。

将理解的是本文公开的本公开的示例性实施例可以在与本文所描述或例示的顺序不同的顺序被操作。在本文中所描述的方法包括一系列步骤的情况下，本文提议的这些步骤的顺序不一定是这些步骤可以被执行的顺序。

本公开使用的术语是为了解释示例性实施例，而不是限制本公开。在本公开中，单数形式包括复数形式，除非有明确相反的描述。本公开使用的术语“包括“所提及的组件、步骤、操作、和/或元素不排除存在或添加一个或多个其他组件、步骤、操作、和/或元素。

上文中，本公开已经参考其示例性实施例进行了描述。已经描述了本公开中所公开的所有示例性实施例和有条件的例示，以意图帮助本公开所属领域中的技术人员理解本公开的概念和原理。因此，本公开所属领域中的技术人员将理解的是，本公开可以按照修改的方式实现，而不偏离本公开的范围和精神。尽管本文描述了具有不同特征的许多实施例，但是在本公开的实施例的范围内，可以考虑在这里未讨论的其他组合中这种不同特征的组合。