ВЫСОКОМОЩНЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ИСТОЧНИК НАКАЧКИ С ВЫСОКОЯРКИМ МАЛОШУМЯЩИМ ВЫХОДНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ В ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН 974-1030 нм Российский патент 2016 года по МПК H01S3/67 H01S3/941 G02B6/36 

Предпосылки раскрытия предмета изобретения

Область раскрытия предмета изобретения

Данное раскрытие предмета изобретения относится к волоконному источнику накачки, образованному мультимодовым затравочным источником, излучающим ровный малошумящий световой сигнал, который соединен с иттербиевым (Yb) мультимодовым преобразователем длин волн излучения полупроводниковых лазерных диодов с получением сверхъяркого малошумящего излучения накачки в диапазоне длин волн от примерно 974 до примерно 1030 нм.

Уровень техники

Волоконные лазеры, содержащие легированные Yb усилительные волокна, являются высокоэффективными, экономичными, компактными и надежными светогенерирующими и светоусиливающими устройствами. Волоконные лазеры на основе легированных Yb волокон преобладают на рынке промышленных волоконных лазеров по существу благодаря их превосходной эффективности и долговременной стабильности.

Максимальное поглощение в легированной Yb среде происходит приблизительно при 974-976 нм в зависимости от легирующих примесей, которые добавлены к основному материалу. Соответственно, накачивание легированной Yb среды с длиной волны, как можно более близкой к длине волны максимального поглощения, такой как 975 нм, имеет два заметных преимущества над другими длинами волн накачки: меньшая длина волокна и более высокая эффективность усилительных блоков из легированного Yb волокна. Первое имеет особое значение, так как меньшая длина волокна накачиваемого Yb усилительного блока является ключом к ограничению вредных нелинейных эффектов, оказывающих влияние на увеличение их мощности. Нелинейные эффекты и другие затруднения, описанные ниже, таким образом, могут препятствовать увеличению мощности высокомощных Yb волоконных лазеров с высоким качеством луча, то есть высокой яркостью.

Для успешного преодоления, по меньшей мере, нескольких из этих затруднений необходимо, чтобы источник накачки для высокомощного Yb усилительного блока был выполнен так, чтобы излучать свет накачки не только с наивысшей возможной мощностью накачки, то также с наивысшей яркостью и плотностью энергии и наименьшим возможным уровнем шумов с длиной волны максимального поглощения.

Эффективным решением для увеличения мощности накачки мог бы быть принцип сложения лучей, который по существу означает сложение выходного излучения большого числа лазерных диодов в мультимодовом объединителе, чтобы получить один выходной луч, непосредственно связанный с накачиваемым Yb усилительным блоком. Источники накачки, основанные на этом принципе, далее будут называться источниками накачки с мультимодовым объединителем. В то время как мощность, вырабатываемая мультимодовым источником накачки, может быть очень высокой, ни яркость, ни плотность энергии, ни уровень шумов обычно заметно не улучшаются, если вообще улучшаются.

Для улучшения яркости света источника накачки его расхождение должно быть уменьшено или/и размер луча должен быть уменьшен до конца, увеличивая энергию на каждый мод в мультимодовом излучении света источника накачки. Однако яркость большого числа лазерных диодов в источнике накачки с мультимодовым объединителем сохраняется, не улучшается, поскольку при этом нет никакого дополнительного усиления светового излучения накачки, излучаемого полупроводниковыми лазерами.

Увеличенное число лазерных диодов, которое необходимо для увеличения мощности источника накачки с мультимодовым объединителем, не происходит без определенных нежелательных последствий. Диаметр сердцевины транспортировочного волокна, который направляет выходное излучение объединителя к усилительному блоку, с повышением мощности должен быть увеличен, иначе ввод светового излучения накачки в транспортировочное волокно вызовет чрезмерно высокую потерю мощности. После того как диаметр сердцевины увеличен, плотность энергии по существу остается такой же, как и перед увеличением мощности. Это приводит в лучшем случае к одному и тому же поглощению излучения накачки, то есть перекрывание светового излучении накачки и активной сердцевины в накачиваемом Yb усилительном волокне (в дальнейшем называемым усилительным блоком) остается по существу одинаковым. Без уменьшения длины легированного Yb активного волокна пороговые значения для нелинейных эффектов, которые ограничивают усиление и качество луча, не увеличиваются.

Основанный на вышеописанном мультимодовый объединенный источник накачки предоставляет высокие и очень высокие мощности светового излучения накачки. Однако яркость и плотность мощности светового излучения накачки не выигрывают от увеличенной мощности светового излучения накачки. Следовательно, требуется улучшенный волоконный источник накачки, вырабатывающий высокомощное световое излучение в диапазоне 974-1030 нм с высокой яркостью и большой плотностью мощности, чтобы обеспечить дальнейшее увеличение мощности и качества луча в Yb усилительных блоках.

Альтернативно, всегда существует возможность сконфигурировать источник накачки, содержащий высокомощный мультимодовый волоконный лазер, который может генерировать высокомощное световое излучение накачки с требуемой длиной волны. Однако нежелательные всплески мощности, которые генерируются в резонаторе вследствие того, что несколько возбужденных мод интерферируют друг с другом (так называемый пятнистый шум), могут быть достаточно мощными, чтобы разрушить лазер. Однако даже если лазер не разрушен, его выходное излучение колеблется и имеет высокий уровень шумов, который явно нежелателен.

Таким образом, существует потребность в разработке волоконного источника накачки, вырабатывающего стабильную высокую мощность, сверхъяркое световое излучение накачки в диапазоне 974-1030 нм и, прежде всего, с длиной волны 975 нм.

Существует также потребность в высокомощном источнике накачки, вырабатывающем высокомощное, стабильное световое излучение накачки в диапазоне 974-1030 нм со значительно улучшенной яркостью по сравнению с известными мультимодовыми объединенными источниками накачки.

Существует дополнительная потребность в высокомощном сверхъярком волоконном источнике накачки, вырабатывающем световое излучение накачки в диапазоне 974-1030 нм, который отливается:

- плотностью мощности в транспортировочном волокне накачки, которая по меньшей мере в 10 раз выше, чем имеющиеся в настоящее время плотности энергии в большинстве мощных источников накачки с мультимодовым объединителем, и

- уровни мощности светового излучения накачки превышают имеющиеся в настоящее время уровни мощности.

Существует еще одна потребность в высокомощном волоконном источнике накачки с мультимодовым затравочным источником, вырабатывающем ровный малошумящий световой сигнал, и в легированном Yb преобразователе длины волны, который выполнен для усиления светового сигнала так, чтобы вырабатывать световое излучения накачки с уровнем шумов, который не превышает уровень шумов светового сигнала, и яркостью, которая значительно превышает яркость светового сигнала.

Существует еще дополнительная потребность в высокомощном сверхъярком источнике накачки, выполненном с затравочным источником и преобразователем длин волн, который работает так, чтобы преобразовывать излучение множества высокомощных полупроводниковых вспомогательных лазерных диодов накачки с длиной волны λsp в сигнал накачки с длиной волны λр так, что Δλ=λр-λsp<0,1λsp.

Краткое изложение раскрытия предмета изобретения

Этим потребностям удовлетворяет раскрытый здесь высокомощный, сверхъяркий источник накачки, выполненный для усиления ровного (без выбросов) малошумящего светового сигнала и выработки высокомощного, сверхъяркого малошумящего светового излучения накачки высокой плотности. В частности, раскрытый источник накачки работает так, чтобы вырабатывать высокомощное, сверхъяркое малошумящее световое излучение накачки высокой плотности в диапазоне длин волн 974 и 1030 нм, и более предпочтительно, с длиной волны 975 нм.

Раскрытый мультимодовый высокомощный, сверхъяркий источник накачки выполнен с одним или более объединенными мультимодовыми затравочными источниками, который вырабатывает ровный световой сигнал λр, предпочтительно с длиной волны 975 нм или любой другой желаемой длиной волны в диапазоне 974-1030 нм. Мультимодовый затравочный источник может быть выполнен в виде волоконного компонента или в виде мультимодового лазерного диода, и выходной световой сигнал может достигать мощности в нескольких сотен ватт.

Кроме того, мультимодовый источник накачки имеет легированный Yb мультимодовый волоконный преобразователь длин волн, работающий так, чтобы преобразовывать излучение вспомогательной накачки с длиной волны λsp от множества мультимодовых полупроводниковых лазерных диодов в световое излучение накачки с длиной волны λр, где Δλ=λр-λsp<0,1λsp.

Мультимодовый преобразователь длин волн также выполнен для получения и усиления малошумящего мультимодового светового сигнала таким образом, чтобы вырабатывать яркое световое излучение накачки с длиной волны λр светового сигнала, которое может достигать киловаттного уровня, но иметь коэффициент шума, равный по существу 1. Другими словами, мультимодовый Yb элемент не добавляет дополнительный шум к световому сигналу. Таким образом, легированный Yb мультимодовый преобразователь длин волн выполнен в виде легированного Yb волоконного усилителя, который не добавляет никакого количественного усиления к уровню шумов затравочного светового сигнала, но значительно улучшает его яркость.

Количество мультимодовых Yb полупроводниковых лазерных диодов, объединенных для получения блока, который излучает вспомогательное световое излучение накачки с длиной волны λsp, может составлять десятки таких диодов. Каждый полупроводниковый вспомогательный диод накачки может вырабатывать вспомогательное световое излучение накачки мощностью до нескольких сотен ватт. Таким образом, вспомогательный источник накачки выполнен так, чтобы поставлять очень мощное вспомогательное световое излучение накачки к мультимодовому Yb преобразователю длин волн, который, таким образом, может вырабатывать сверхъяркое малошумящее световое излучение накачки при очень высоких уровнях мощности.

Сигнал накачки от мультимодового Yb преобразователя длин волн вводится в транспортировочное волокно, которое имеет сечение меньшее, чем диаметр сердцевины транспортировочных волокон объединителя мультимодовых лазерных диодов известного уровня техники при условии, что мощность светового излучения накачки одинакова. Соответственно, световое излучение накачки, подводимое к Yb усилительному блоку, имеет плотность мощности, которая в десять и более раз выше, чем поставляемая источниками накачки с мультимодовым объединителем известного уровня техники в одинаковых условиях. Как следствие, мультимодовое световое излучение накачки раскрытого сейчас источника накачки является не только чрезвычайно мощным, сверхъярким и малошумящим, но также имеет высокую плотность.

Раскрытый источник накачки также может быть выполнен для выработки высокомощного, яркого одномодового светового излучения накачки. Эта конфигурация также включает в себя первый каскад, выполненный в соответствии с раскрытым выше источником, и одномодовый волоконный лазер с легированным Yb волокном. Таким образом, источник накачки вырабатывает высокомощное, высокояркое и одномодовое световое излучение накачки.

Краткое описание чертежей

Вышеописанные и другие отличительные особенности раскрытого устройства будут более понятными из нижеследующего конкретного описания, сопровожденного чертежами, на которых:

Фиг. 1 иллюстрирует оптическую схему раскрытого мультимодового источника накачки, вырабатывающего высокомощное, сверхъяркое мультимодовое световое излучение накачки в диапазоне длин волн 974-1030 нм.

Фиг. 2А иллюстрирует раскрытый источник накачки согласно фиг. 1, но объединенный с одномодовым Yb лазером так, чтобы вырабатывать высокомощное, сверхъяркое одномодовое световое излучение накачки в диапазоне 974-1030 нм.

Фиг.2Б иллюстрирует подробную конфигурацию Yb волоконного лазера согласно фиг. 2А.

Фиг. 3 иллюстрирует высокомощную волоконную лазерную систему, включающую в себя множество систем накачки согласно фиг. 1 или 2А, которые связаны друг с другом в конфигурацию с торцевой накачкой.

Фиг. 4 иллюстрирует высокомощную волоконную лазерную систему, включающую в себя волоконную систему накачки согласно фиг. 1 или 2, расположенную в соответствии с техникой боковой накачки.

Подробное описание

Согласно фиг. 1, волоконный источник 10 накачки включает в себя по меньшей мере один или более объединенных затравочных источников 12, вырабатывающих световой сигнал между примерно 974 нм и 1030 нм, и мультимодовый преобразователь 14 длин волн, получающий и усиливающий световой сигнал так, чтобы вырабатывать высокомощное, высокояркое световое излучение накачки. Преобразователь 14 длин волн включает в себя активное волокно, которое имеет мультимодовую сердцевину, легированную ионами Yb, и накачивается сбоку вспомогательной системой 16 накачки, которая включает в себя множество объединенных полупроводниковых лазерных диодов 18. Последняя генерирует вспомогательное световое излучение накачки, связанное с преобразователем 14 на длине волны λsp вспомогательной накачки, которая выбрана так, что Δλ=λр-λsp<0,1λsp., где λр является длиной волны выходного излучения накачки (такой же, как длина волны светового сигнала). Близость длин волн вносит вклад в высокую квантовую эффективность, что, в свою очередь, превращается в низкие связанные с теплом потери и высокое усиление накачиваемых Yb волоконных блоков. Таким образом, как описано, преобразователь 14 длин волн может работать так, чтобы преобразовывать излучение вспомогательной накачки с длиной волны λsp в длину волны λр накачки.

Затравочный источник 12, например, выполнен в виде одного или нескольких мощных мультимодовых лазерных диодов с волоконными выводами или затравочных источников на основе волокон, генерирующих ровный световой сигнал без выбросов в диапазоне длин волн 974-1030 нм и, предпочтительно, 975 нм, и со среднеквадратичным значением уровня шумов (r.m.s.) по меньшей мере около 0,1 r.m.s. Диод имеет также числовую апертуру между 0,1 и 0,13. Световой сигнал может иметь выходную мощность, которая изменяется между десятками и сотнями ватт. Пассивное мультимодовое волокно 20 получает выработанный световой сигнал и направляет его к мультимодовому Yb преобразователю 14 длин волн. Пассивное волокно 20 выполнено, например, с диаметром мультимодовой сердцевины в 100 микрон и более. Конкретная длина волны светового сигнала, которая является, таким образом, длиной волны выходного излучения накачки источника 10, выбрана так, чтобы накачивать Yb усилительный блок 100 с длиной волны, ближайшей к максимуму поглощения усилителя 100. Последний может работать в диапазоне 1030-1070 нм. Альтернативно, затравочный источник 12 может включать в себя один или более объединенных одномодовых волоконных лазеров.

Мультимодовое легированное Yb активное волокно преобразователя 14 длин волн может иметь двойную оболочку или обычную конфигурацию и диаметр сердцевины, который может изменяться, например, в диапазоне от примерно 50 до 150 микрон (или более). Наружный диаметр всех волокон может быть одинаковым или изменяться, например от примерно 110 до примерно 300 нм. Легированное Yb волокно преобразователя 14, кроме того, выполнено с небольшой цифровой апертурой, изменяющейся между 0,05 и 0,13.

Выходная мощность светового излучения Ро накачки из преобразователя 14 длин волн может быть очень высокой и зависит от числа высокомощных полупроводниковых лазерных диодов 18, объединенных во вспомогательный узел накачки, например, с накачиваемым сбоку преобразователем 14 и, конечно, их количества. Таким образом, мощность светового излучения накачки Ро~NxPld, где N - число высокомощных лазерных диодов и Pld - мощность каждого отдельного диода. Конечно, выходная мощность Ро светового излучения накачки зависит также от мощности светового сигнала, который может быть добавлен к объединенной мощности высокомощных лазерных диодов. Световое излучение накачки может излучаться, например, с длиной волны 920 нм и распространяться как вместе, так и против направления распространения светового сигнала. Количество лазерных диодов может составлять до 90 диодов, объединенных вместе. Каждый диод может вырабатывать, например, световое излучение накачки мощностью 100 Вт.Соответственно, источник 10 накачки может вырабатывать световое излучение накачки мощностью в несколько кВт с длиной волны, изменяющейся между примерно 974 нм и 1030 нм. Обратите внимание на то, что в то время как показанный блок вспомогательного источника накачки показан для преобразователя 14 длин волн с боковой накачкой, конфигурация с торцевой накачкой, включающая множество лазерных диодов 18, может быть легко реализована средним специалистов в данной области техники.

Высокие уровни мощности светового излучения накачки Ро вносят значительный вклад в улучшенную яркость («В») светового излучения накачки по сравнению с вкладом высокомощных лазерных диодов и светового сигнала, соответственно. Яркость В может быть обычно равна Ро/ВРР, где ВРР является произведением параметров луча, которое в свою очередь может быть определено как 1/2DcxNA, где Dc - диаметр сердцевины, a NA - цифровая апертура. Поскольку NA практически такая же или меньше, чем NA светового сигнала, яркость выходного излучения накачки может быть по меньшей мере в 10 раз больше, чем у большинства мощных мультимодовых объединителей современного уровня техники, при условии, что выходная мощность по существу одинакова.

Концентрация легирующей примеси Yb³⁺ в сердцевине, предпочтительно, относительно низкая. В соответствии с данным раскрытием предмета изобретения, концентрация Yb, предпочтительно, изменяется между 50 и 100 ч/млн (частей на миллион). Однако этот диапазон может быть расширен до диапазона примерно 10-200 ч/млн.

Преобразователь 14 длин волн может также иметь входные и выходные пассивные волокна (не показаны), соединенные с соответствующими концами легированного Yb волокна и транспортировочного волокна 15, направляющего световое излучение накачки к усилительному блоку 100. Транспортировочное волокно обычно выполнено с размером сердцевины, подобным размеру сердцевины пассивного выходного волокна преобразователя 14, чтобы предотвратить нежелательные потери. Специалист в области волоконных лазеров сразу понимает, что сердцевина, направляющая световое излучение накачки в открытую систему, значительно меньше, чем сердцевина транспортировочного волокна известных источников накачки с мультимодовым объединителем при условии, что вырабатываемые мощности накачки по существу одинаковы. Это приводит к очень высокой плотности мощности светового излучения накачки, подаваемого к усилительном блоку 100, которая может быть по меньшей мере в десять и более раз выше, чем известные плотности мощности, имеющие отношение к наиболее совершенными современными источниками накачки, известными заявителям. Желательная частота и высокая плотность светового излучения накачки позволяют значительно уменьшить длину активного волокна в Yb блоке 100, что оказывает благоприятное действие на его усиление и качества выходного луча.

Таким образом, мультимодовый преобразователь 14 длин волн выполнен в виде мультимодового волоконного усилителя. Уровень шумов усиленного сигнала накачки преобразователя 14, таким образом, не больше, чем уровень шумов затравочного источника 12, который является низким. Такой малошумящий сигнал накачки с малыми шумами также вносит вклад в улучшенный усилительный блок 100.

Длина волны выходного излучения накачки в 976 нм не является единственно возможной длиной волны. Могут быть легко реализованы другие длины волн, большие, чем 976 нм. Однако накачка при 976 нм делает возможной меньшую длину Yb блока 100, что является ключом к ограничению нелинейных эффектов и его более высокой эффективности.

Множество источников 10 могут быть объединены и использованы в виде автономных устройств. Однако преимущества раскрытого источника 10 становятся особенно значительными в контексте волоконных лазерных систем, объединяющих источник или источники 10 в качестве источников накачки в разных конфигурациях накачки, как описано ниже.

Фиг. 2А и 2Б иллюстрируют конфигурацию высокомощного одномодового источника 25 накачки, объединяющего два или более каскадов. Первый каскад выполнен в соответствии с источником 10 накачки согласно фиг. 1, и дополнительный каскад оснащен легированный Yb одномодовым волоконным лазером 24. Каскады оптически связаны друг с другом так, чтобы вырабатывать одномодовое световое излучение накачки, например, с длиной волны 1030 нм. Лазер 24 выполнен с активным кварцевым волокном 30, которое имеет диаметр сердцевины около 10-20 микрон и оболочку диаметром 50-100 микрон. Сердцевина 30с волокна 30 легирована ионами Yb и, предпочтительно, имеет мультимодовую сердцевину, которая способна поддерживать, прежде всего, основную моду в желательном диапазоне длин волн, таком как 1-микронном диапазоне. Кроме того, лазер 24 имеет пару пассивных волокон 26, 28 с двойной оболочкой, каждое из которых состыковано с концом активного волокна 30. Одинаково выполненные входное и выходное пассивные волокна 26, 28 имеют, соответственно, одномодовую сердцевину и волноводную оболочку. Выбор длины волны обеспечивается парой волоконных решеток Брэгга 46, записанных в соответствующих сердцевинах пассивных волокон 26 и 28 лазера 24.

Источник накачки 25 работает следующим образом. Высокомощный, сверхъяркий световой сигнал в диапазоне длин волн 974-976 нм из преобразователя 14 далее направляется в большую мультимодовую сердцевину 32с (фиг. 2Б) выходного пассивного волокна 32, которое доставляет этот свет к входному пассивному волокну 26 лазера 24. Волноводная оболочка волокна 26 имеет диаметр, по существу равный размеру сердцевины пассивного волокна 32, такой как 100 микрон, в то время как одномодовая сердцевина 26с имеет диаметр меньший, чем диаметр сердцевины 32с. Соответственно, выходной световой сигнал при 974-976 нм от источника 10 накачки распространяется дальше вдоль оболочки и сердцевины 26с входного волокна 26. Затем направленный свет вводится в активное легированное Yb волокно 30 с двойной оболочкой, которое имеет мультимодовую сердцевину 30с с диаметром обычно большим, чем размер сердцевины 26с, и волноводная внутренняя оболочка 30с1 имеет такие размеры, чтобы быть по существу такой же, как и волноводная оболочка входного волокна 26. Длина активного легированного Yb волокна 30 выбрана так, что свет, распространяющийся вдоль оболочки 30с1, по существу поглощается в сердцевине 30с. Таким образом, высокомощный волоконный источник накачки 25 может генерировать мономодовое высокомощное сверхъяркое световое излучение накачки с желательной длиной волны, такой как 1030 нм.

Сердцевины 26с и 30с соответствующих входного пассивного мономодового волокна 26 и активного легированного Yb мультимодового волокна 30 выполнены с диаметрами модового поля (MFD), которые по существу согласуются друг с другом. Когда свет, направляемый сердцевиной 26с, вводится в сердцевину 30с, он возбуждает только основную моду, как раскрыто в патентах США 5422897 и 5774484, которые вместе с настоящим раскрытием принадлежат одному патентовладельцу и полностью включены в него по ссылке.

В зависимости от диаметра сердцевины 32с мультимодового выходного волокна 32 и сердцевины 26с одномодового входного волокна 26 вместо раскрытой выше конфигурации можно использовать обычные оптические волокна для генерирования одномодового светового излучения накачки с ультравысокой яркостью и высокой мощностью. Для реализации последнего необходимо свести на конус конец пассивного волокна 32 так, чтобы конический конец имел геометрический диаметр, по существу согласующийся с диаметром одномодового пассивного входного волокна 26. Затем, конечно, можно использовать активное волокно 30, имеющее настоящую одномодовую сердцевину. Раскрытая выше длина волны 1030 нм лазера 24 является приведенной только в качестве примера и зависит от параметров фильтрации волоконной решетки Брэгга.

Фиг. 3 иллюстрирует возможные применения источника 10 накачки согласно фиг. 1 или 25 согласно фиг. 2А в сверхмощной волоконной лазерной системе 35, оснащенной усовершенствованным легированным Yb усилителем 40. В частности, высокомощная волоконная лазерная система 35 включает в себя множество источников 10 накачки, объединенных в один модуль. Центральное волокно 38 для транспортировки одномодового сигнала, направляющее сигнал в диапазоне длин волн 1015-1070 нм, проходит через модуль и оптически соединено с окружающими системами 10 накачки. Выходное волокно 42 объединенных источников накачки и центральное сигнальное волокно доставляют световой сигнал к усовершенствованному Yb волоконному усилителю 40 в соответствии с техникой торцевой накачки. Усовершенствованный волоконный усилитель 40 выполнен так, чтобы вырабатывать высокомощный луч по существу в основной моде в желательном диапазоне длин волн 1015 и 1070 нм. При желании в описанной системе может быть использовано сохраняющее поляризацию волокно.

Фиг. 4 иллюстрирует другую конфигурацию раскрытой системы 10 накачки в высокомощной волоконной лазерной системе 45. Здесь множество групп накачки, каждая включающая в себя множество высокомощных сверхъярких волоконных лазерных систем 10 накачки согласно фиг. 1 или 25 согласно фиг. 2А, и усовершенствованный Yb усилитель 44 определяют размещение элементов для боковой накачки. Например, системы 10 накачки каждой группы объединены так, чтобы иметь одно выходное волокно, направляющее световое излучение накачки с желательной длиной волны от объединителя к усовершенствованному волоконному усилителю 44. Усовершенствованный Yb волоконный усилитель может вырабатывать сверхъяркий свет по существу в одиночной, основной или низкой моде в диапазоне 1015-1070 нм. Оба примера, показанные соответственно на фиг. 3 и 4, демонстрируют усовершенствованные высокомощные усилители, которые накачиваются высокомощным ярким сигналом накачки, длина волны излучения которого по существу совпадает с заданным пиком поглощения. Вследствие последнего, как легко понимает средний специалист в области лазерной техники, в схемах, показанных соответственно на фиг. 3 и 4, длина активного волокна усовершенствованного усилителя существенно уменьшена, в то время как пороговое значение нелинейных эффектов повышено.

Имея описание по меньшей мере одного предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, следует понимать, что изобретение не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления. Например, раскрытые источники накачки могут быть неотъемлемой частью лазерных систем, работающих в непрерывном или пульсирующем режиме. Различные изменения, модификации и адаптации, включая разные длины волн, параметры волокна и легирующие редкоземельные элементы, могут осуществляться в них специалистом в этой области без отклонения от объема или сущности изобретения, раскрытого выше.

Высокомощный сверхъяркий малошумящий источник накачки содержит затравочный источник, который генерирует малошумящий световой сигнал, множество высокомощных полупроводниковых лазерных диодов, объединенных для испускания излучения вспомогательной накачки, и легированный Yb мультимодовый волоконный преобразователь длин волн излучения вспомогательной накачки. При этом излучение накачки имеет уровень шумов, идентичный уровню шумов малошумящего светового сигнала, яркость равна n×В, где n - число высокомощных полупроводниковых лазерных диодов, а B - яркость каждого высокомощного лазерного диода, выходная мощность (Ро), по существу равную nPd, где Pd - мощность каждого высокомощного лазерного диода, а n - их число. Технический результат заключается в устранении нелинейных эффектов, которые ограничивают усиление и качество луча. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Высокомощный сверхъяркий малошумящий источник накачки (HPUBLNPS), содержащий:
- по меньшей мере один затравочный источник, генерирующий малошумящий световой сигнал с длиной волны λр,
- множество высокомощных (HP) полупроводниковых лазерных диодов, объединенных для испускания излучения вспомогательной накачки с длиной волны λsp вспомогательной накачки, и
- легированный Yb мультимодовый (ММ) волоконный преобразователь длин волн излучения вспомогательной накачки с длиной волны λsp вспомогательной накачки в выходное излучение накачки с длиной волны λр, причем выходное излучение накачки имеет:
- уровень шумов, по существу идентичный уровню шумов малошумящего светового сигнала,
- яркость (В), по существу равную n×В, где n - число высокомощных полупроводниковых лазерных диодов, а B - яркость каждого высокомощного лазерного диода, и
- выходную мощность (Ро), по существу равную nPd, где Pd - мощность каждого высокомощного лазерного диода, а n - их число.

2. HPUBLNPS по п. 1, также содержащий транспортировочное волокно с сердцевиной, получающей и направляющей усиленное малошумящее выходное излучение накачки, причем сердцевина транспортировочного волокна выполнена с диаметром сердцевины меньшим, чем диаметр источника накачки с мультимодовым объединителем, причем яркость выходного излучения накачки по меньшей мере в 10 или более раз выше, чем яркость выходного света мультимодового объединителя.

3. HPUBLNPS по п. 1, в котором преобразователь длин волн выполнен так, что усиленное малошумящее выходное излучение накачки имеет среднеквадратичное значение (r.m.s.) не более 0,1% r.m.s.

4. HPUBLNPS по п. 2, в котором затравочный источник имеет конфигурацию, выбранную из группы, состоящей из одного или более объединенных мультимодовых лазерных диодов с волоконными выводами и одного или более одномодовых волоконных генераторов.

5. HPUBLNPS по п. 1, в котором длина волны λsp вспомогательной накачки изменяется в диапазоне длин волн между приблизительно 910-975 нм.

6. HPUBLNPS по п. 4, в котором преобразователь длин волн выполнен с мультимодовым легированным Yb волокном и входным и выходным пассивными мультимодовыми волокнами, которые соединены с соответственно противоположными концами легированного Yb волокна и имеют постоянный диаметр сердцевины, который по существу равен диаметру сердцевины транспортировочного волокна, присоединенного к выходному пассивному волокну, при этом легированное Yb волокно, входное пассивное волокно присоединено к выходному волокну лазерного диода с волоконными выводами.

7. HPUBLNPS по п. 1, в котором полупроводниковые лазерные диоды выполнены так, чтобы накачивать с торца волоконный преобразователь длин волн или накачивать сбоку волоконный преобразователь длин волн.

8. HPUBLNPS по п. 1, в котором цифровая апертура Yb преобразователя длин волн находится в диапазоне от примерно 0,05 до примерно 0,13, в то время как цифровая апертура мультимодового затравочного источника изменяется между примерно 0,1 и примерно 0,13.

9. HPUBLNPS по п. 1, также содержащий одномодовый легированный Yb оптический волоконный генератор, получающий усиленное малошумящее световое излучение накачки и работающий так, чтобы генерировать одномодовый выходной свет с длиной волны большей, чем длина волны λр выходного излучения накачки.

10. HPUBLNPS по п. 9, в котором одномодовый Yb оптический генератор включает в себя:
- легированное Yb волокно с двойной оболочкой с мультимодовой сердцевиной, которое выполнено для поддержки по существу одиночной, основной моды в желательном диапазоне длин волн,
- расположенные на расстоянии друг от друга входное и выходное пассивные волокна с двойной оболочкой, подсоединенные к соответственно противоположным концам легированного Yb волокна и имеющие соответственно одномодовые сердцевины, и
- пару волоконных решеток Брэгга, каждую расположенную в одномодовой сердцевине пассивного волокна так, что Yb лазер вырабатывает одномодовое световое излучение накачки в основной моде в диапазоне длин волн примерно 1015-1030 нм.

11. HPUBLNPS по п. 6, в котором сердцевина легированного Yb волокна мультимодового преобразователя длин волн имеет диаметр до примерно 300 мкм.

12. HPUBLNPS по п. 1, также содержащий по меньшей мере один дополнительный высокомощный источник накачки, причем множество высокомощных сверхъярких малошумящих источников накачки оптически объединены для торцевой накачки в Yb усилительный блок.

13. HPUBLNPS по п. 1, также содержащий по меньшей мере один дополнительный высокомощный источник накачки, причем множество высокомощных сверхъярких малошумящих источников накачки оптически объединены для боковой накачки в Yb усилительный блок.

14. HPUBLNPS по п. 1, в котором преобразователь длин волн имеет легированное Yb мультимодовое волокно, выполненное с концентрацией ионов Yb в диапазоне между примерно 10 и 200 ч./млн.

15. HPUBLNPS по п. 2, в котором сердцевина транспортировочного волокна имеет диаметр по меньшей мере 50 мкм.

16. HPUBLNPS по п. 1, в котором Δλ=λр-λsp<0,1λsp, где λр - длина волны выходного излучения накачки, a λsp - длина волны вспомогательной накачки.

17. Высокомощный сверхъяркий малошумящий источник накачки (HPUBLNPS), содержащий:
- по меньшей мере один затравочный источник, генерирующий малошумящий световой сигнал без выбросов на длине волны λр, и
- легированный Yb мультимодовый (ММ) волоконный преобразователь длин волн излучения множества лазерных диодов накачки с длиной волны λsp вспомогательной накачки в выходное излучения накачки с длиной волны λр, причем λsp≠λр, причем мультимодовый преобразователь длин волн выполнен для усиления светового сигнала так, что выходное излучение накачки имеет яркость, существенно превышающую яркость, и уровень шумов, самое большее равный уровню шумов, малошумящего светового сигнала.

18. HPUBLNPS по п. 17, также содержащий одномодовый легированный Yb оптический волоконный генератор, получающий усиленное выходное излучение накачки и работающий так, чтобы генерировать одномодовый выходной свет с длиной волны большей, чем длина волны λр выходного излучения накачки.

19. HPUBLNPS по п. 18, в котором одномодовый Yb оптический генератор включает в себя:
- легированное Yb волокно с двойной оболочкой с мультимодовой сердцевиной, которое выполнено для поддержки по существу одиночной, основной моды в желательном диапазоне длин волн,
- расположенные на расстоянии друг от друга входное и выходное пассивные волокна с двойной оболочкой, подсоединенные к соответственно противоположным концам легированного Yb волокна и имеющие соответственно одномодовые сердцевины, и
- пару волоконных решеток Брэгга, каждую расположенную в одномодовой сердцевине пассивного волокна так, что Yb лазер вырабатывает одномодовое световое излучение накачки в основной моде в диапазоне длин волн примерно 1015-1030 нм.

20. HPUBLNPS по п. 18, в котором затравочный источник имеет конфигурацию, выбранную из лазерных диодов с волоконными выводами или одного или более одномодовых волоконных генераторов.