專利名稱：用于提供光輻射的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于提供光輻射的設(shè)備。該設(shè)備可以形成用于材料加工的設(shè)備的 ■石出。
背景技術(shù)：
脈沖光纖激光器越來越多地被采用作為許多工業(yè)應(yīng)用(例如，顯微機(jī)械加工、鉆孔和打標(biāo)(marking))中所選擇的激光器。在受峰值功率驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用(例如，打標(biāo))中，為了實(shí)現(xiàn)較快的字符打標(biāo)及產(chǎn)量的增加，以高重復(fù)頻率保持高峰值功率(超過2. 5kff至5kW) 是必要的。傳統(tǒng)的單級(jí)調(diào)Q激光器在存儲(chǔ)能量方面非常有效。然而，它們由可變平均功率來表征，并且實(shí)際的峰值功率隨重復(fù)頻率的增加而下降。在大多數(shù)情況下，峰值功率可以下降到加工(例如，打標(biāo))閾值以下，對(duì)速度和產(chǎn)量造成不利影響。另一方面，主振功率放大器 (MOPA)結(jié)構(gòu)可以對(duì)脈沖激光器的脈沖特性和功率性能提供更多的可控性，并將打標(biāo)單元的操作空間延伸到較高的重復(fù)頻率從而提供增加的打標(biāo)速度。需要以超過200kHz的重復(fù)頻率將峰值功率保持在5kW以上的水平的脈沖激光器。平均功率應(yīng)當(dāng)超過10W，脈沖能量在 0. ImJ至0. 5mJ的范圍中或更高，脈沖持續(xù)時(shí)間在IOns與200ns之間變化，而脈沖功率應(yīng)當(dāng)以IOkHz至大于200kHz的范圍中的重復(fù)頻率在約5kW或IOkW的水平保持大致恒定。附加要求是良好的光束質(zhì)量(例如，可以由低模或單模光纖激光器來提供的光束質(zhì)量)。在這些強(qiáng)度和峰值功率水平，需要特別關(guān)注脈沖系統(tǒng)，以避免發(fā)生光學(xué)非線性以及光學(xué)損傷。另外，在所得到的高增益、高反轉(zhuǎn)操作條件下，有源光纖不應(yīng)當(dāng)遭受光暗化效應(yīng)，因?yàn)檫@將導(dǎo)致脈沖系統(tǒng)效率降低且壽命縮短。已經(jīng)提出了許多不同的脈沖光纖激光器結(jié)構(gòu)，以單獨(dú)的方式使用它們或者將其作為主振功率放大器(MOPA)結(jié)構(gòu)的一部分來使用。特別是，調(diào)Q光纖激光器由于其可以以相對(duì)簡(jiǎn)單且穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生高峰值功率和幾mj的脈沖能量而特別引人注目。要以多種多樣的方式在工業(yè)應(yīng)用中使用以增加應(yīng)用空間的獨(dú)立的調(diào)Q激光器的主要缺點(diǎn)之一在于，所有感興趣的參數(shù)(例如，脈沖重復(fù)頻率(PRR)、能量、峰值功率和脈沖寬度)是相互關(guān)聯(lián)的而不能單獨(dú)地控制。具體地說，峰值功率隨脈沖重復(fù)頻率的增加而減小。通過使用多級(jí)放大MOPA結(jié)構(gòu)，可以解決許多這些性能問題，并且可以在高PRR狀況下延伸所需的高峰值功率性能。在這種情況下，脈沖種子可以是低功率調(diào)Q激光器或直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器。 后者可以直接受到控制并在定義脈沖形狀和PRR時(shí)提供多得多的自由度，并且，其提供了隨意改變它們以更好地滿足應(yīng)用需要的可能性。另外，其基于針對(duì)電信產(chǎn)業(yè)而發(fā)展了多年的充分發(fā)展且極可靠的半導(dǎo)體技術(shù)。通過控制沿放大鏈的增益分布來精確地定義放大的脈沖序列的不同的參數(shù)。在朝向放大器的輸出端的脈沖到達(dá)之前，光纖放大器中的局部反轉(zhuǎn)顯著增加。在使用傾向于該性能劣化效應(yīng)的光纖的情況下，在定義光暗化速率時(shí)反轉(zhuǎn)分布的知識(shí)是非常重要的。在脈沖傳播時(shí)，它耗盡反轉(zhuǎn)并增大其強(qiáng)度。放大處理還導(dǎo)致嚴(yán)重的脈沖整形和前端銳化。這在定義脈沖寬度和峰值功率時(shí)極其重要，并且作為結(jié)果，限定了諸如受激拉曼散射(SRQ和受激布里淵散射(SBS)的各種非線性的發(fā)生。在特定能級(jí)以上，所有的脈沖顯著地整形(銳化)并減小了它們的脈沖寬度。這是由于脈沖獲取了足以使放大器開始飽和的能量的事實(shí)。已知在這種情況下主要通過脈沖的前沿來提取能量，導(dǎo)致了脈沖整形和畸變。峰值功率隨脈沖能量而非線性地增加，并且不可避免地超過取決于光纖設(shè)計(jì)和脈沖形狀的SRS閾值(通常為5kW至IOkW左右)。限制脈沖光纖激光器的輸出功率的另一重要效應(yīng)是巨脈沖的形成。這可以災(zāi)難性地?fù)p壞系統(tǒng)中的光學(xué)元件。該效應(yīng)被認(rèn)為高度地取決于激光器的峰值功率和光譜性質(zhì)，并被認(rèn)為由受激布里淵散射(SBS)引起。當(dāng)達(dá)到非線性閾值時(shí)，向前行進(jìn)的脈沖被反射。觀察到巨脈沖，并且這些可以災(zāi)難性地?fù)p壞脈沖激光器系統(tǒng)中的放大器(及其他器件)。不幸的是，該效應(yīng)本質(zhì)上是隨機(jī)的，并且本身完全不可預(yù)知。種子激光器(例如，激光二極管) 的瞬時(shí)光譜性質(zhì)的使線寬變窄的單個(gè)變化可以導(dǎo)致SBS事件，并觸發(fā)巨脈沖形成以及隨后的災(zāi)難性損壞。已在將激光器安裝在工業(yè)加工裝備中之后的數(shù)月中觀察到這種損壞。光纖激光器通常由激光二極管來泵浦。從激光器向這些激光二極管傳播的非期望的光輻射可以損壞這些二極管。該效應(yīng)在脈沖激光器中尤其嚴(yán)重，這是因?yàn)榧す舛O管是被峰值功率(而不是脈沖的能量)損壞。脈沖激光器的峰值功率比連續(xù)波激光器高得多。 因此，在脈沖激光器中將泵浦與激光器隔離開的要求比在連續(xù)波激光器中更迫切。與摻光纖激光器和放大器的長(zhǎng)期行為有關(guān)的一個(gè)非常重要的問題是光暗化效應(yīng)。該效應(yīng)表現(xiàn)為光纖背景損耗隨時(shí)間而逐漸增加，這降低了光學(xué)系統(tǒng)的輸出功率和總效率。認(rèn)為這與預(yù)先存在的光纖色心的光學(xué)活化有關(guān)，其吸收帶主要在UV光譜區(qū)。然而， 吸收帶的高端延伸到近頂中，對(duì)光學(xué)性能造成不利影響。光暗化導(dǎo)致逐漸劣化，并且未知其導(dǎo)致災(zāi)難性的突然的光纖故障。光暗化速率和最終水平取決于有源光纖反轉(zhuǎn)程度，作為結(jié)果，不同的放大系統(tǒng)將表現(xiàn)出不同的劣化。光纖的許多應(yīng)用需要生成和發(fā)送以下光學(xué)信號(hào)在該光學(xué)信號(hào)的強(qiáng)度下，光纖的透明度隨時(shí)間而降低。該效應(yīng)已知為光暗化，是光誘發(fā)的玻璃的吸收的改變。認(rèn)為吸收的增加是由于在光譜的UV和可見部分很強(qiáng)地吸收光的色心的形成或活化。在譜域中，光暗化表現(xiàn)為在約SOOnm的波長(zhǎng)以下的急劇的損耗增加。該強(qiáng)吸收帶的高端延伸到1微米至1. 5微米區(qū)域中，并對(duì)泵浦波長(zhǎng)和信號(hào)波長(zhǎng)的損耗都造成不利影響。 這對(duì)于在該波長(zhǎng)區(qū)域中操作的光纖激光器和放大器的性能和總效率具有嚴(yán)重的限制作用。在時(shí)域中，光暗化表現(xiàn)為激光器或放大器輸出功率逐漸偽指數(shù)地下降到漸近值。 最終功率下降和有關(guān)的時(shí)間尺度似乎取決于光纖激光器或放大器操作條件，最顯著的是泵浦能級(jí)和平均反轉(zhuǎn)能級(jí)，以及操作溫度。輸出功率下降可以通過提供附加泵浦源和/或增加驅(qū)動(dòng)泵浦電流來補(bǔ)償。兩種措施都是非常不理想，這是因?yàn)榍罢邔?dǎo)致單元成本增加，而后者導(dǎo)致泵浦單元老化加速以及災(zāi)難性故障的可能性增加。光纖激光器和放大器通常包括可以經(jīng)由多光子作用而導(dǎo)致光暗化的稀土摻雜劑。至少在摻雜有Tm3+、Yb3\ Ce3+、Pr3+和Eu3+的二氧化硅玻璃中看到該效應(yīng)。當(dāng)在工業(yè)材料加工中使用光纖時(shí)，光暗化是成問題的。光暗化可以使光纖中用于將激光輻射從激光器(例如，倍頻棒狀激光器、三倍頻棒狀激光器、盤形激光器、以及光纖激光器)傳送到工件的傳輸劣化。它還會(huì)嚴(yán)重地限制光纖激光器中可以生成的或者光放大器可以放大的光功率的量。用于減小玻璃中的光暗化的傳統(tǒng)方法是使用氫氧基(OH)含量高的二氧化硅(所謂的“濕二氧化硅”)。其可以裝載氘并由紫外(UV)光來照射。然而，這些方法并非很好地適合于光纖激光器，這是因?yàn)镺H將增加光纖的背景損耗。需要在寬的重復(fù)頻率范圍上保持其峰值功率并且其中非線性效應(yīng)受到控制的脈沖激光器。需要抗泵浦損壞的光纖激光器。需要抗來自巨脈沖形成的災(zāi)難性損壞的光纖激光器。需要抗光暗化的光纖。相關(guān)地需要抗光暗化的光纖激光器和放大器。光暗化是指任何光誘發(fā)的玻璃中的傳輸?shù)臏p小，無論是暫時(shí)性的還是永久性的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的非限制性的實(shí)施方式，提供了一種用于提供光輻射的設(shè)備，該設(shè)備包括種子激光器，其用于提供播種輻射；至少一個(gè)放大器，其用于對(duì)所述播種輻射進(jìn)行放大；以及反射器，其中，所述種子激光器是法布里珀羅半導(dǎo)體激光器，所述種子激光器經(jīng)由所述反射器而連接到所述放大器，所述反射器被布置成將由所述種子激光器所發(fā)出的所述播種輻射中的某一比率的播種輻射反射回到所述種子激光器中，并且，所述放大器包括光纖，該光纖包括折射率為nl的芯和折射率為n2的基座(pedestal)，并且其中，所述光纖包括包圍所述基座的由折射率為n3的玻璃制成的第一包層，其中，nl大于π2，η2大于η3。令人驚訝的是，發(fā)現(xiàn)使用這種反射器有效地去除了被認(rèn)為是作為受激布里淵散射的結(jié)果而發(fā)生的巨脈沖的出現(xiàn)。加入基座是有利的，這是因?yàn)槠錅p小了信號(hào)功率對(duì)第一包層的交叉耦合。已發(fā)現(xiàn)這顯著地減小了包層泵浦光纖激光器和放大器中的泵浦二極管故障。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于光纖能夠以高強(qiáng)度傳輸光輻射。如果芯的數(shù)值孔徑低，則光纖可以被構(gòu)造成所謂的大模面積光纖，其與高強(qiáng)度相結(jié)合，使得光纖激光器和放大器的輸出功率和/或產(chǎn)品壽命增加。光纖激光器和放大器的設(shè)計(jì)中的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)在于需要較少的泵浦二極管，這是由于光纖在產(chǎn)品壽命上保持傳輸質(zhì)量。所述反射器可以是色散反射器。所述種子激光器可以由有效光渡越時(shí)間來表征。所述反射器可以由帶寬和該帶寬上的往返反射時(shí)間延遲變化來表征。所述往返反射時(shí)間延遲變化可以大于所述有效光渡越時(shí)間。由所述種子激光器發(fā)出的所述播種輻射的被反射回到所述種子激光器中的所述比率可以小于20%。該比率可以在與10%之間。所述反射器可以位于與所述種子激光器小于5m的距離。該距離可以小于an。該距離可以在0. 5m與1. 5m之間。
所述反射器可以位于與所述種子激光器相距5mm與50cm之間的距離處。從所述設(shè)備發(fā)出的峰值功率可以超過lkW。所述芯可以包括二氧化硅、濃度在0. 1摩爾百分比至4摩爾百分比的范圍中的氧化鋁、濃度在2摩爾百分比至20摩爾百分比的范圍中的磷酸鹽，并且所述基座可以包括二氧化硅、磷酸鹽和氧化鍺。所述光纖可以摻雜有布置在所述芯和所述基座中的至少一個(gè)中的至少一種稀土摻雜劑。所述稀土摻雜劑可以是濃度在2000ppm至60000ppm的范圍中的鐿。鐿的所述濃度可以在約15000ppm至50000ppm之間。鐿的所述濃度可以在約20000ppm至45000ppm之間。所述芯可以包含濃度在約12摩爾百分比至17摩爾百分比之間的磷酸鹽。磷酸鹽在所述芯中的所述濃度可以約為15摩爾百分比。所述芯可以包含濃度在約0. 20摩爾百分比至1摩爾百分比之間的氧化鋁。氧化鋁的所述濃度可以在約0. 3摩爾百分比至0. 8摩爾百分比之間。所述光纖可以是信號(hào)波長(zhǎng)處的多模波導(dǎo)。所述光纖可以被構(gòu)造成在相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度上無顯著畸變地傳播單模光。所述光纖可以是單模波導(dǎo)。所述光纖可以包括至少一個(gè)用于在所述芯中弓I起雙折射的應(yīng)力產(chǎn)生區(qū)。所述光纖可以包括數(shù)值孔徑小于0. 15的波導(dǎo)。所述光纖可以是包括數(shù)值孔徑小于0. 15的波導(dǎo)的抗光暗化光纖。所述芯可以包括二氧化硅、濃度在約0. 3摩爾百分比與0. 8摩爾百分比之間的氧化鋁、濃度大致為15摩爾百分比的磷酸鹽、以及濃度大致在20000ppm至45000ppm的范圍中的鐿。所述基座可以
包括二氧化硅、磷酸鹽及氧化鍺。所述波導(dǎo)可以是信號(hào)波長(zhǎng)處的多模波導(dǎo)，并且其中，所述波導(dǎo)被構(gòu)造成在相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度上無顯著畸變地傳播單模光。所述波導(dǎo)可以是單模波導(dǎo)。所述反射器可以是光纖布拉格光柵。所述光纖布拉格光柵可以是啁啾的。所述帶寬可以大于lnm。往返反射時(shí)間延遲變化可以在約50ps與lOOOps之間。所述往返反射時(shí)間延遲變化可以在IOOps與600ps之間。所述有效光渡越時(shí)間可以在IOps與50ps之間。所述有效光渡越時(shí)間可以在25ps 與40ps之間。所述設(shè)備可以包括激光輸送光纖以及加工頭，所述設(shè)備是用于加工材料的激光器的形式。所述設(shè)備可以包括被構(gòu)造成對(duì)所述種子激光器和所述放大器進(jìn)行控制以使得所述光輻射的平均功率和峰值功率足以在脈沖重復(fù)頻率的范圍上對(duì)所述材料進(jìn)行加工的控制器。所述設(shè)備可以包括控制器，其中，所述光輻射由具有脈沖寬度的脈沖來表征，并且所述控制器隨所述脈沖重復(fù)頻率的改變而改變所述脈沖寬度。本發(fā)明可以包括一種用于提供光輻射的設(shè)備，該設(shè)備包括種子激光器、至少一個(gè)放大器、以及反射器，其中，所述種子激光器經(jīng)由所述反射器而連接到所述放大器，所述放大器包括具有基座的光纖；所述種子激光器包括由有效光渡越時(shí)間所表征的激光二極管； 所述反射器被布置成將由所述種子激光器發(fā)出的播種輻射中的某一比率的播種輻射反射回到所述種子激光器中；所述反射器由帶寬和該帶寬上的往返反射時(shí)間延遲變化來表征； 并且所述往返反射時(shí)間延遲變化比所述有效光渡越時(shí)間大。本發(fā)明可以包括打標(biāo)方法，該方法包括在提供光輻射的打標(biāo)激光器內(nèi)提供反射器的步驟，該打標(biāo)激光器包括種子激光器、至少一個(gè)放大器、以及反射器，其中，所述種子激光器經(jīng)由所述反射器而連接到所述放大器，所述放大器包括包層泵浦的光纖，所述種子激光器包括由有效光渡越時(shí)間所表征的激光二極管，所述反射器被布置成將所述種子激光器所發(fā)出的播種輻射中的某一比率的播種輻射反射回到所述種子激光器中，所述反射器由帶寬和該帶寬上的往返時(shí)間延遲變化來表征，并且所述往返時(shí)間延遲變化比所述有效光渡越時(shí)間大。選擇所述基座中磷酸鹽和氧化鍺的濃度以實(shí)現(xiàn)期望的數(shù)值孔徑。加入氧化鍺的優(yōu)點(diǎn)在于增加基座的假想溫度，因此在光纖制造過程中有助于保持環(huán)形以及芯與基座的同心從而有助于芯與第一包層的同心。芯的同心在低損耗熔接的生產(chǎn)中很重要。優(yōu)選的是，所述芯中銩摻雜劑大致為零。優(yōu)選的是，也應(yīng)當(dāng)避免其他微量稀土摻雜劑。去除銩摻雜劑在設(shè)計(jì)光纖激光器和放大器中很重要，這是由于已發(fā)現(xiàn)含有銩摻雜劑的光纖特別易受光暗化的影響。因此，使用銩的量極低的稀土摻雜劑是重要的。銩的濃度應(yīng)當(dāng)小于約lOppm，并且優(yōu)選地小于lppm。所述光纖可以包括至少一個(gè)用于在所述芯中產(chǎn)生雙折射的應(yīng)力產(chǎn)生區(qū)。所述抗光暗化光纖可以包括數(shù)值孔徑小于0. 15的波導(dǎo)，其中，該波導(dǎo)包括折射率為nl的芯和折射率為π2的基座，并且其中，所述光纖包括包圍所述基座的折射率為π3的第一包層，其中，nl大于η2，η2大于η3。所述芯包括二氧化硅、濃度在約0. 3摩爾百分比至0. 8摩爾百分比之間的氧化鋁、濃度大致為15摩爾百分比的磷酸鹽、以及濃度大致在 20000ppm至45000ppm的范圍中的鐿。所述基座可以包括二氧化硅、磷酸鹽和氧化鍺。優(yōu)選的是，所述芯基本上不包括銩摻雜劑。所述光纖可以用在按照包括至少一個(gè)泵浦能量源的包層泵浦放大光學(xué)裝置的形式的設(shè)備中。這是特別有利的，因?yàn)閺臄?shù)值孔徑低的芯中散射或泄露的信號(hào)光優(yōu)選地被所述基座捕捉和引導(dǎo)，因此不被送回到泵浦中。因此，該設(shè)備去除了包層泵浦激光器的主要故障機(jī)制之一，即，由不期望的信號(hào)光所導(dǎo)致的泵浦二極管的災(zāi)難性故障。所述光纖可以用在按照包括至少一個(gè)泵浦能量源的放大器、激光器、主振功率放大器、調(diào)Q激光器或超快激光器的形式的設(shè)備中。本發(fā)明可以是以下設(shè)備的形式該設(shè)備是用于材料加工的激光器的形式，其包括至少一個(gè)泵浦能量源、光纖、激光輸送光纖以及加工頭。本發(fā)明可以是一種打標(biāo)方法，該方法包括在打標(biāo)激光器內(nèi)提供反射器的步驟。本發(fā)明可以是一種使用根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備來加工的材料。 所述材料可以是半導(dǎo)體封裝(塑料或陶瓷)、移動(dòng)電話上的小鍵盤、IP0D、計(jì)算機(jī)、組件、包裝、或者商業(yè)或工業(yè)產(chǎn)品。本發(fā)明的另一方面是用表面發(fā)射發(fā)光二極管(SLED)來替代所述種子激光器和所述反射器。SLED可以被放大，使得其使用也顯著地降低SBS的發(fā)生。所述設(shè)備優(yōu)選地包括如上所述的光纖。


下面將參照附圖僅通過示例的方式來描述本發(fā)明的實(shí)施方式，在附圖中
圖l示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備；
圖2示出了光纖的折射率分布；
圖3示出了包括用于在芯中引起雙折射的應(yīng)力產(chǎn)生區(qū)的光纖；
圖4示出了包層泵浦放大光學(xué)裝置；
圖5示出了用于材料加工的激光器的形式的設(shè)備；
圖6示出了四個(gè)連續(xù)波激光器中的光暗化效應(yīng)；
圖7示出了摻氧化鋁的二氧化硅中的光暗化效應(yīng)；
圖8至圖lo示出了三個(gè)不同的光纖中的加速老化測(cè)試的結(jié)果；
圖11示出了發(fā)出12w平均功率且具有脈沖能量為o．6mI1脈沖寬度為35nS的20kHZ的脈沖的主振功率放大器M。PA中的光暗化效應(yīng)的去除；
圖12示出了在lokHZ處受到調(diào)制的光纖激光器中的光暗化效應(yīng)的去除；
圖13示出了優(yōu)選實(shí)施方式的折射率分布；
圖14示出了具有橢圓形基座的光纖；
圖15和圖16示出了200W連續(xù)波光纖激光器中的輸出功率的測(cè)量；
圖17示出了主振功率放大器(MP。A)；
圖18示出了其中種子是表面發(fā)射發(fā)光二極管(SLED)的M。PA；
圖19示出了包括反射器的M。PA；
圖20示出了正常操作中的脈沖形狀；
圖2l示出了包含附加尖峰的脈沖形狀；
圖22示出了巨脈沖的示例；
圖23示出了來自激光二極管的典型的譜；
圖24示出了在適當(dāng)位置有反射器的激光二極管的譜；
圖25示出了用作反射器的光纖布拉格光柵的設(shè)計(jì)；
圖26示出了測(cè)得的光纖布拉格光柵的反射率；
圖27示出了不同的重復(fù)頻率的輸出脈沖；
圖28示出了種子激光器所發(fā)出的相對(duì)應(yīng)的脈沖；
圖29和圖30示出了圖27和圖28中分別示出的脈沖的交疊；
圖3l示出了峰值功率和脈沖能量隨重復(fù)頻率的變化；
圖32示出了當(dāng)泵浦功率增加時(shí)來自M。PA的輸出功率；
圖33示出了圖32中所示的脈沖的光譜；
圖34至圖37示出了改變脈沖重復(fù)頻率和脈沖寬度對(duì)輸出脈沖的形狀的影響；以及
圖38示出了包括反射器和基座的設(shè)備。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D38，提供了用于提供光輻射381的設(shè)備380，該設(shè)備包括用于提供播種輻射 387的種子激光器382、至少一個(gè)用于對(duì)播種輻射387進(jìn)行放大的放大器383、以及反射器 384，其中，種子激光器382是法布里珀羅半導(dǎo)體激光器，種子激光器382經(jīng)由反射器384而連接到放大器383，放大器383包括光纖1，光纖1包括由玻璃制成的基座4(如參照?qǐng)D1所示的)。反射器384被布置成將由種子激光器382發(fā)出的播種輻射387的某一比率的播種輻射388反射回到種子激光器382中。基座4保護(hù)設(shè)備380免于被從光纖1泄露的光輻射381損壞。反射器384保護(hù)設(shè)備380免于損壞。反射器384被認(rèn)為阻止種子激光器382發(fā)出單縱模(或少量縱模)的播種輻射387，由此抑制受激布里淵散射的發(fā)生。優(yōu)選的是，反射器384是色散反射器。優(yōu)選的是，種子激光器382由有效光渡越時(shí)間386來表征，反射器384由帶寬3810 和帶寬3810上的往返反射時(shí)間延遲變化389來表征，并且往返反射時(shí)間延遲變化389比有效光渡越時(shí)間386大。比率388可以小于20%。該比率優(yōu)選地為1 %至10%。反射器384位于距種子激光器382距離3811處。Im的距離與光纖中約IOns的往返延遲相對(duì)應(yīng)。取決于材料成分，受激布里淵散射在光纖中的建立時(shí)間約為20ns至40ns。 重要的是，反射器384放置為使得反饋有時(shí)間影響來自種子激光器382的發(fā)射。距離3811 應(yīng)當(dāng)小于5m。距離3811理想地應(yīng)當(dāng)小于an。該距離優(yōu)選地在0. 5m與1. 5m之間。另選的是，反射器384可以與種子激光器382封裝在一起，距離3811可以在5mm與50cm之間。本發(fā)明對(duì)于被構(gòu)造為峰值功率在打開的最初200ns內(nèi)可能大于IkW的脈沖光纖激光器的設(shè)備380最為有用?？梢詫?duì)以上距離3811進(jìn)行選擇來確保在設(shè)備380發(fā)出高于IkW 的功率的同時(shí)出現(xiàn)來自反射器384的反饋。有效光渡越時(shí)間386是指光沿正向傳播通過種子激光器382所花費(fèi)的時(shí)間。圖1示出了包含波導(dǎo)2的光纖1。波導(dǎo)2包括折射率為nl的芯3和折射率為n2 的基座4，以及由玻璃制成且折射率為π3的第一包層5。優(yōu)選的是，nl >n2> n3。光纖1 優(yōu)選地包覆有折射率小于η3的涂層。于是，可以通過將泵浦輻射耦合到至少第一包層5中來對(duì)光纖1進(jìn)行包層泵浦。涂層優(yōu)選地是聚合物。已發(fā)現(xiàn)當(dāng)在放大器內(nèi)使用如圖1所示的基座光纖時(shí)，包層泵浦光纖激光器對(duì)于損壞泵浦二極管的光輻射有較小的抵抗力。優(yōu)選的是，光纖1是側(cè)面泵浦的。光纖1優(yōu)選地是抗光暗化光纖?！翱埂笔侵冈诓僮鬟^程中光纖1的衰減的增加應(yīng)當(dāng)不大于10%。優(yōu)選的是，衰減的增加在2000小時(shí)中應(yīng)當(dāng)不大于5%。優(yōu)選的是，該增加在 2000小時(shí)中應(yīng)當(dāng)小于1%。下面詳細(xì)描述光暗化的測(cè)量數(shù)據(jù)。光纖1的數(shù)值孔徑優(yōu)選地小于0. 15。下文中，頻繁提及諸如二氧化硅、磷酸鹽、氧化鋁和氧化鍺的材料。二氧化硅是指純二氧化硅、摻雜的二氧化硅、以及重?fù)诫s的二氧化硅玻璃，該玻璃有時(shí)候稱為硅酸鹽玻璃或硅玻璃。磷酸鹽是指磷的氧化物(例如，五氧化二磷(P2O5))。氧化鋁是指鋁(aluminum) 的氧化物(在歐洲稱作“aluminium”)(例如，Al2O3)。氧化鍺是指鍺的氧化物，具體是指 Ge02。鐿是指將鐿作為氧化物加入到玻璃中，并且以ppm為單位的濃度是鐿的離子的濃度，具體是指％3+。相似的是，提及的其他稀土金屬(例如，銩、鉺等)是指作為氧化物加入到玻璃中的稀土金屬，并且以PPm為單位的濃度是指稀土金屬的離子的濃度。圖2示出了光纖1的折射率分布20。芯3、基座4及第一包層5的折射率分別為 nl、n2和n3。優(yōu)選的是，nl大于n2且n2大于n3。優(yōu)選實(shí)施方式的芯3包括氧化鋁的濃度在約0. 3摩爾百分比與0. 8摩爾百分比之間、且磷酸鹽的濃度大致為15摩爾百分比的二氧化硅玻璃。優(yōu)選的是，基本上不存在銩摻雜劑。優(yōu)選的是，基座4包括二氧化硅、磷酸鹽和氧化鍺。第一包層5可以是純二氧化硅、 摻氟二氧化硅、或在光纖的制造中使用的其他包層材料(包括聚合物)。在第一包層5是玻璃的情況下，光纖1優(yōu)選地包覆有折射率可以低于第一包層5的折射率的聚合物，以在放大器和激光器中引導(dǎo)泵浦光。對(duì)于作為光纖激光器和放大器中的增益介質(zhì)的應(yīng)用，芯3和基座4中的至少一個(gè)摻雜有稀土摻雜劑。該稀土摻雜劑可以是濃度優(yōu)選地大致在20000ppm 至45000ppm的范圍中的鐿。使用抗光暗化光纖的優(yōu)點(diǎn)在于，光纖1能夠在高泵浦和反轉(zhuǎn)條件以及高強(qiáng)度下傳輸光輻射。低數(shù)值孔徑意味著光纖1可以被構(gòu)造成所謂的大模面積光纖，其與高泵浦和反轉(zhuǎn)條件相結(jié)合時(shí)，使得光纖激光器和放大器的輸出功率和/或產(chǎn)品壽命增加。美國專利第 6614975號(hào)中描述了大模面積光纖的設(shè)計(jì)。光纖激光器和放大器的設(shè)計(jì)中的另一優(yōu)點(diǎn)在于， 由于光纖在產(chǎn)品壽命上保持其傳輸質(zhì)量，因此需要較少的泵浦二極管。盡管以上附圖呈現(xiàn)了優(yōu)選的實(shí)施方式，但是芯3可以包括氧化鋁的濃度在0. 1摩爾百分比至4摩爾百分比的范圍中、且磷酸鹽的濃度在2摩爾百分比至20摩爾百分比的范圍中的二氧化硅。摻氧化鋁的芯與摻鍺-磷的基座相結(jié)合使得可以以與現(xiàn)有技術(shù)相比有所增加的可重復(fù)性來制造低數(shù)值孔徑光纖。可以容易地實(shí)現(xiàn)低至0. 06至0. 1、或者優(yōu)選地約 0. 08的數(shù)值孔徑?；?可以包括二氧化硅、磷酸鹽和氧化鍺。對(duì)磷酸鹽和氧化鍺的濃度進(jìn)行選擇以實(shí)現(xiàn)期望的數(shù)值孔徑。加入氧化鍺的優(yōu)點(diǎn)是增加了基座4的假想溫度，因此在光纖制造過程中有助于保持環(huán)形以及芯3與基座4的同心從而有助于芯3與第一包層5的同心。芯的同心在低損耗熔接的生產(chǎn)中很重要。優(yōu)選的是，在芯3中基本上不存在銩摻雜劑。去除銩摻雜劑的重要性在光纖激光器和放大器的設(shè)計(jì)中很顯著，這是由于已發(fā)現(xiàn)包含銩摻雜劑的光纖特別易受光暗化的影響。因此，使用銩的量極低的稀土摻雜劑是重要的。銩的濃度應(yīng)當(dāng)小于約lOppm，優(yōu)選地小于lppm。光纖1可以摻雜有布置在芯3和基座4中的至少一個(gè)中的至少一種稀土摻雜劑。該稀土摻雜劑可以是濃度在2000ppm至60000ppm的范圍中的鐿。鐿的濃度可以在約 15000ppm至50000ppm之間。鐿的濃度優(yōu)選地在約20000ppm至45000ppm之間。芯3中的磷酸鹽的濃度可以在約12摩爾百分比至17摩爾百分比之間。芯3中的磷酸鹽的濃度優(yōu)選地約為15摩爾百分比。氧化鋁的濃度可以在約0. 20摩爾百分比至1摩爾百分比之間。氧化鋁的濃度優(yōu)選地在約0. 3摩爾百分比至0. 8摩爾百分比之間。光纖1可以使用化學(xué)汽相淀積和溶液摻雜來制造。美國專利第4787927、4815079、 4826288,5047076和5151117號(hào)中描述了該技術(shù)。波導(dǎo)2可以是信號(hào)波長(zhǎng)處的多模波導(dǎo)。波導(dǎo)2可以被構(gòu)造成在充分長(zhǎng)的長(zhǎng)度上無顯著畸變和/或模式耦合地傳播單模光。這種設(shè)計(jì)對(duì)于高功率光纖激光器和放大器的設(shè)計(jì)，特別是對(duì)于光譜學(xué)、工業(yè)材料加工、激光手術(shù)和宇航應(yīng)用中的應(yīng)用來說是重要的。美國專利第5818630、6496301、6614975和6卯4575號(hào)中描述了芯設(shè)計(jì)的示例、傳播單模光的技術(shù)、以及使用彎曲損耗來(至少部分地)去除非期望的更高階模。波導(dǎo)2可以是單模波導(dǎo)。圖3示出了包括用于在芯3中引起雙折射的應(yīng)力產(chǎn)生區(qū)31的光纖30。芯3可以是圓形或橢圓形的。另選的或附加的是，可以通過使基座4和芯3中的至少一個(gè)成為橢圓形來引起雙折射。圖14示出了具有用于引起雙折射的橢圓形的基座4的光纖140。光纖 140還包括被設(shè)計(jì)成粘性比基座4的粘性高的內(nèi)包層141。例如，這可以通過使基座4中包括硼摻雜劑以降低其折射率來實(shí)現(xiàn)。美國專利第42748M和44261 號(hào)中描述了用于制造這種雙折射光纖的技術(shù)。應(yīng)當(dāng)注意，在這種光纖中，降低或去除基座中氧化鍺的摻雜劑濃度以使得基座可以重新成形為橢圓形護(hù)套可能是有利的。另選的或附加的是，光纖1中可以包括摻雜有硼的氧化物的附加包層(未示出)以形成橢圓形的護(hù)套，如以上專利號(hào)所教示的。光纖30和140也可以是單偏振光纖，其可以是美國專利第6496301號(hào)以及共同未決且共同擁有的美國專利申請(qǐng)第10/528895號(hào)中描述的單?；蚨嗄?。圖4示出了以包括泵浦44和光纖41的包層泵浦放大光學(xué)裝置40的形式的設(shè)備。 光纖41可以是光纖1、30或140。包層泵浦光學(xué)裝置40利用在公共涂層46內(nèi)包括光纖41 和泵浦光纖43的復(fù)合光纖42。美國專利第6擬6335號(hào)中描述了復(fù)合光纖42。其他包層泵浦光纖和布置也是可行的，例如，美國專利第4815079、5邪4865、5864644和6731837號(hào)中所描述的那些。本發(fā)明因?yàn)閺牡蛿?shù)值孔徑的芯3散射或泄露的信號(hào)光優(yōu)選地被基座4捕捉和引導(dǎo)因此不送回到泵浦44中而特別有利。因此，該設(shè)備去除了包層泵浦激光器的主要故障機(jī)制之一，即，由非期望的信號(hào)光所導(dǎo)致的泵浦二極管的災(zāi)難性的故障。包層泵浦光學(xué)裝置40 可以是包括至少一個(gè)泵浦能量源的放大器、激光器、主振功率放大器、調(diào)Q激光器或超快激光器。超快激光器是指例如包括以鎖模激光器和/或主振功率放大器的形式的激光器的、 發(fā)射的脈沖的脈沖寬度小于Ins并且更優(yōu)選地小于IOps的激光器。美國專利第6885683、 6275512、5627848、5696782號(hào)中公開了超快激光器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。圖5示出了以用于材料加工的激光器50的形式的設(shè)備。激光器50包括放大光學(xué)裝置40、激光輸送光纖51及加工頭52。加工頭52可以是掃描儀、檢流計(jì)或聚焦透鏡。激光器50對(duì)于金屬、塑料和其他材料的打標(biāo)、微焊接、印刷、微機(jī)械加工、以及切割特別有用。圖6示出了分別包括摻雜有鐿、氧化鋁、氧化鍺及硼的氧化物的芯3的四個(gè)連續(xù)波光纖激光器中的光暗化效應(yīng)。該圖示出了四個(gè)不同的光纖激光器的輸出功率61相對(duì)于時(shí)間66的測(cè)量。這些光纖激光器中的每一個(gè)的芯3摻雜有標(biāo)準(zhǔn)市售的鐿摻雜劑源。線62示出了來自摻雜有銩含量高的標(biāo)準(zhǔn)市售鐿摻雜劑的光纖激光器的測(cè)量。觀察到輸出功率61 的快速下降。線63示出了在30°C進(jìn)行的來自輸出60W的連續(xù)波輸出功率的光纖激光器的測(cè)量。光纖芯1摻雜有標(biāo)準(zhǔn)市售的鐿。再次，可以觀察到輸出功率61的快速下降。線64示出了在70°C進(jìn)行的來自輸出IlOW的連續(xù)波輸出功率的光纖激光器的測(cè)量。最后，線65示出了在30°C進(jìn)行的來自輸出60W的連續(xù)波輸出功率的光纖激光器的測(cè)量。鐿摻雜劑是高純度的，規(guī)定的雜質(zhì)水平小于IO8分之一。鐿摻雜劑是高純度的，規(guī)定的雜質(zhì)水平小于IO6分之一(Ippm)。將線63與65進(jìn)行比較，當(dāng)在相同的輸出功率水平和溫度水平下測(cè)量時(shí)，高純度的鐿的使用減小了光暗化效應(yīng)。將線64與65進(jìn)行比較，將溫度從30°C增加到70°C導(dǎo)致光暗化的增大。顯然，通過利用銩和其他雜質(zhì)水平很低的％摻雜劑實(shí)現(xiàn)了對(duì)光暗化的抵抗力的顯著增加。認(rèn)為剩余的光暗化效應(yīng)歸因于其他折射率控制芯共同摻雜劑，即，氧化鋁、 氧化鍺、及硼的氧化物。Kitabayashi 等人在砠^ 的H為 “Population inversion factor dependence of photodarkening of Yb-doped fibers and its suppression by highly aluminum doping，，(發(fā)表在 Proceedings of Optical Fiber Communications 2006Conference 上) 的文章中公開了以下內(nèi)容通過加入氧化鋁摻雜，摻Y(jié)d光纖中的光暗化可以減小，但不能完全去除。這里通過引用來并入該文章。令人驚奇的是，本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)通過從光纖1的芯3中去除氧化鍺并通過包括磷酸鹽摻雜劑可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改善。圖7示出了通過在已摻雜有氧化鋁的芯1中包括磷酸鹽摻雜劑而獲得的改善。芯1不包含氧化鍺和硼摻雜劑。芯1摻雜有高純度的鐿的氧化物 (總雜質(zhì)含量規(guī)定為好于lppm)，以將歸因于銩及其他稀土的污染物保持到最小。曲線67 示出了氧化鋁摻雜劑的結(jié)果，曲線68示出了氧化鋁和磷酸鹽摻雜劑的結(jié)果。顯示出根據(jù) Kitabayashi等人的結(jié)果，氧化鋁依靠其自身不能完全抑制光暗化效應(yīng)。然而，已發(fā)現(xiàn)，除氧化鋁之外還包括磷酸鹽共同摻雜劑會(huì)導(dǎo)致急劇的改善并顯著減小摻鐿光纖中的光暗化效應(yīng)。重要的是，在芯中使用氧化鋁摻雜劑還使得能夠以比單獨(dú)利用磷酸鹽摻雜劑時(shí)高的重復(fù)性來制造數(shù)值孔徑低的波導(dǎo)。光纖的光暗化也可以通過對(duì)經(jīng)受加速老化測(cè)試的光纖的吸收(在感興趣的1微米的區(qū)域左右)的增加進(jìn)行監(jiān)視來表征。通過對(duì)摻鐿的芯進(jìn)行泵浦以實(shí)現(xiàn)最大可能的反轉(zhuǎn)來加速老化。通過利用約400mW的976nm處的泵浦光對(duì)約0. Im至Im長(zhǎng)的光纖進(jìn)行芯泵浦并將白光從鎢絲耦合到芯中，獲得了參照?qǐng)D8至圖10所示的測(cè)量結(jié)果。然后，通過截?cái)鄿y(cè)量來測(cè)量光譜吸收。該測(cè)量方法遵循L. L. Koponen等人在文章“Wiotodarkening in ytterbium-doped silica fibers "(Proceedings of SPIE Volume 5990)中所發(fā)表的方法， 這里通過引用并入該文章。在加速老化之前和之后進(jìn)行損耗81相對(duì)于波長(zhǎng)83的測(cè)量。圖 8示出了芯中摻雜有高純度的％、氧化鍺和硼的光纖激光器中的加速老化之前對(duì)損耗81的測(cè)量結(jié)果84和之后對(duì)損耗81的測(cè)量結(jié)果85。圖9示出了使用市售的抗光暗化摻％光纖的同樣的測(cè)量的結(jié)果。圖10示出了針對(duì)包含圖1中所示的光纖1的光纖激光器的同樣的測(cè)量的結(jié)果。在圖8至圖10的各圖中，從約850nm至1050nm的鐿吸收峰是明顯的。由于該原因，衰減曲線84和85由曲線86和87來外推(在圖8和圖9中)，而在圖10中由曲線101來外推(這是由于在曲線84與85之間不存在可辨認(rèn)的差別)。在圖8中，損耗81 隨波長(zhǎng)83的減小而增大，光暗化很明顯。在圖8和圖9中利用陰影區(qū)域示出了感興趣的區(qū) 88，該區(qū)示出了損耗81在IOOOnm與IlOOnm之間的增加。與圖9相對(duì)應(yīng)的光纖清楚地表現(xiàn)出損耗的增加比圖8所對(duì)應(yīng)的光纖小得多。然而，如從圖10顯而易見的，根據(jù)由突出的區(qū)域102所顯示的，在該波段不存在明顯的光暗化。因此，根據(jù)本發(fā)明的該方面的光纖設(shè)計(jì)去除了光暗化。圖11和圖12示出了來自利用圖1的光纖的光纖激光器的相對(duì)于時(shí)間111的輸出功率110，該光纖具有與圖10的加速老化測(cè)試中所使用的摻雜劑相似的摻雜劑。各圖中上面的測(cè)量線是輸出功率110，而下面的線是進(jìn)行測(cè)量的環(huán)境溫度112。用于獲得圖11中所示的結(jié)果的光纖激光器是主振功率放大器Μ0ΡΑ(未示出)，其發(fā)出脈沖能量為0. 6mJ且脈沖寬度為35ns的12W的平均功率的20kHz的脈沖。用于獲得圖12中所示的結(jié)果的光纖激光器是通過以70%的占空因子、以IOkHz重復(fù)地打開和關(guān)閉用作泵浦源的激光二極管而受到IOkHz的調(diào)制的連續(xù)波激光器。在高峰值功率脈沖MOPA和連續(xù)波激光器的二至三個(gè)月的連續(xù)操作中，在圖11或圖12中，均未能觀察到輸出功率110隨時(shí)間111的下降。圖13示出了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的折射率分布130。分布130與圖2的理想分布的不同之處在于，其在芯3中包含在塌陷中由于摻雜劑(具體地說是磷酸鹽)的蒸發(fā)而導(dǎo)致的中心凹陷130。芯3與基座4之間的折射率差131給出，其約為0.0032。這與約0. 096的數(shù)值孔徑相對(duì)應(yīng)。相似的是，基座4與第一包層5之間的折射率差132約為 0. 0097，其與約0. 17的數(shù)值孔徑相對(duì)應(yīng)。芯3摻雜有摻雜劑濃度約為0. 70摩爾百分比的氧化鋁、摻雜劑濃度約為15摩爾百分比的磷酸鹽、以及摻雜劑濃度約為25000ppm的鐿。鐿摻雜劑由雜質(zhì)含量小于Ippm的鐿的氧化物來提供，因此芯3中基本上不包括銩摻雜劑?；?摻雜有足以提供約為0. 0032的期望的芯3到基座4的折射率131的水平的磷酸鹽和氧化鍺。應(yīng)當(dāng)注意，因?yàn)榛?中的磷酸鹽在由于淀積芯3的預(yù)成型的塌陷的過程中不會(huì)蒸發(fā)，所以可以高精度地制造出基座折射率差132。相似的是，因?yàn)榕c磷酸鹽有所不同，氧化鋁摻雜劑在預(yù)成型的塌陷的過程中相對(duì)地免于蒸發(fā)，因此也可以高精度地制造出芯折射率差131。因此，優(yōu)選實(shí)施方式提供了對(duì)光暗化問題的解決方案，使得可以以高精度進(jìn)行制造，并且在制造過程中摻雜劑未從芯3中顯著地蒸發(fā)?？梢詫㈣O摻雜劑的25000ppm的濃度改變成在約20000ppm與40000ppm內(nèi)。較高的值使得光纖激光器或放大器內(nèi)的泵浦吸收可以增加。這具有減小所使用的有源光纖的所需的長(zhǎng)度的附加優(yōu)點(diǎn)。可以通過在制造過程中過解(oversleaving)執(zhí)行、或者通過產(chǎn)業(yè)中所知的其他技術(shù)來改變芯3的直徑133，以生產(chǎn)出直徑在5 μ m至50 μ m的范圍中或更高(例如，用于功率非常高的激光器和放大器時(shí)的 IOOym)的芯。芯3可以是單?；蚨嗄?，可以通過調(diào)節(jié)芯3和/或基座4的摻雜劑濃度來改變折射率差131，使得等同的數(shù)值孔徑在約0. 06至0. 15的范圍中，優(yōu)選地在0. 08至0. 15 的范圍中?；?的直徑134可以在芯4的直徑133的約1. 5至5倍的范圍中，優(yōu)選 地在芯4的直徑133的1. 5至4倍的范圍中，更優(yōu)選地在芯4的直徑133的約2. 0與4倍之間。 圖13中所示的設(shè)計(jì)可以用作這里描述的光纖1、30、41或140的芯3和基座4的設(shè)計(jì)的基石出。已發(fā)現(xiàn)，在MOPA脈沖激光器的最末放大級(jí)中使用具有中心凹陷(如圖13所示) 的有源光纖在包括跟隨有低功率前置放大器級(jí)的半導(dǎo)體種子激光器的MOPA結(jié)構(gòu)中非常有利。因?yàn)橄鄬?duì)于平頂折射率情況下的模式而言，由中心凹陷的存在而導(dǎo)致的非高斯模式分布與光纖尾纖的匹配較差，所以這是不期望的。認(rèn)為信號(hào)接頭損耗的增加會(huì)導(dǎo)致放大器效率(定義為放大器中所使用的泵浦功率與輸出信號(hào)功率之間的比率)的降低。相反的是，通過在有源光纖芯中引入凹陷來獲得放大器效率的增加。由于需要較少的泵浦二極管來達(dá)到期望的激光器輸出功率，因此高效率提供了顯著的優(yōu)點(diǎn)。在不同的有源光纖的特性中使用300mW的輸入信號(hào)功率。這對(duì)于所考慮的具有來自半導(dǎo)體種子激光器的5mW至IOmW的平均輸出功率以及前置放大器級(jí)中的約25dB的放大的MOPA結(jié)構(gòu)而言是典型的。
當(dāng)在有源光纖中激勵(lì)多個(gè)橫模時(shí)，測(cè)得的具有平頂折射率分布的光纖的效率為 50%至55% (多模效率)，而當(dāng)僅激勵(lì)較低階模時(shí)，效率低至25%至35% (簡(jiǎn)稱為單模效率)。由于目的是較好的輸出光束質(zhì)量，因此后者在光纖激光器中更合適。
作為替代，具有中心凹陷的光纖顯示出65 %至70 %的多模效率及高至50 %至的單模效率。這些結(jié)果是針對(duì)在芯的中心呈現(xiàn)出不同的凹陷(凹陷折射率改變的范圍從-0. 003至-0. 010)的多種光纖而獲得的。這可以通過考慮不同的設(shè)計(jì)的不同的能量提取效率來解釋，該效率定義為從激光器介質(zhì)中提取的能量與介質(zhì)中可得的最大能量的比率?？梢酝ㄟ^增加激活介質(zhì)的輸入飽和度，即，通過使用較大的信號(hào)輸入功率或增加光纖模式與激活介質(zhì)的交疊，來增加能量提取效率。可以從半導(dǎo)體種子+1前置放大級(jí)獲得的相對(duì)低的功率意味著必需以好的交疊為目標(biāo)。在平頂光纖中，較低階模式集中在芯的中心的周圍，阻止了存儲(chǔ)在芯邊緣附近的大量％離子中的能量的有效使用。實(shí)際上，由于％離子的高摩爾反射率，假定％摻雜劑分布大致上跟隨芯的折射率分布是合理的。相反的是，在具有中心凹陷的光纖中，較低階模的分布與％分布相匹配。輸入信號(hào)有效地使用摻雜劑的所有部分，得到較好的平均飽和水平和較好的提取效率。當(dāng)在折射率中引入小至-0. 003的凹陷時(shí)，理論上發(fā)現(xiàn)以下顯著的優(yōu)點(diǎn)當(dāng)凹陷進(jìn)一步增加時(shí)，變化可忽略。另外的好處是放松了光纖加工中的制造容差(這是由于凹陷與預(yù)成型塌陷處理中的難以控制的摻雜劑蒸發(fā)有關(guān))，并且中心凹陷降低了給定的輸出能量處的基級(jí)的峰值功率，這會(huì)降低非線性效應(yīng)。放大器中脈沖整形的增加可能導(dǎo)致缺點(diǎn)。較好的提取效率導(dǎo)致放大器中的脈沖變形更差，并且對(duì)于相同的總脈沖能量，脈沖前沿處的峰值功率增加。這對(duì)于非線性效應(yīng)和脈沖形狀控制都是有害的。利用小的凹陷(折射率改變約為0.00 來獲得效率與整形之間的最佳平衡，而以更嚴(yán)格的制造要求為代價(jià)。圖15示出了針對(duì)200W的連續(xù)波激光器的相對(duì)于時(shí)間111的輸出功率110。200W 的激光器包括其輸出由200W的光纖放大器來放大的20W的光纖激光器。該200W的光纖放大器使用折射率分布與圖13中所示的折射率分布相似的光纖。芯3摻雜有氧化鋁、磷酸鹽和鐿。在70小時(shí)中，輸出功率110減小約2W(0.7%)。這樣小的減小可能是由除光暗化之外的其他原因?qū)е碌?。相比而言，圖16示出了具有凹陷的內(nèi)包層的更傳統(tǒng)的階躍折射率光纖用于200W的光放大器中的等同的結(jié)果。芯摻雜有氧化鋁、硼和鐿。在35小時(shí)中，觀察到輸出功率110降低約25W(10% )。清楚地表明了通過在芯中使用氧化鋁和磷酸鹽摻雜劑所獲得的改善。已經(jīng)呈現(xiàn)了對(duì)在mW功率水平至幾百瓦特處發(fā)生的光暗化進(jìn)行展示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 關(guān)鍵起作用的是摻雜劑成分，并且光纖中的反轉(zhuǎn)的量應(yīng)當(dāng)盡可能地減小?？梢酝ㄟ^減小貫穿光放大系統(tǒng)的各級(jí)處的小的信號(hào)增益來實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)的減小。光暗化看起來對(duì)大于IOdB的光增益是成問題的，對(duì)大于20dB的光增益尤其成問題。認(rèn)為這里描述的解決方案適用于從瓦特的幾分之一到幾千瓦特的功率水平，適用于連續(xù)波激光器及脈沖寬度從幾十飛秒至幾百毫秒的脈沖激光器，適用于單模輸出和多模輸出，并適用于隨機(jī)偏振輸出和偏振輸出。盡管所描述的工作集中在鐿摻雜上，但是本發(fā)明人認(rèn)為這些結(jié)果也適用于基于受激拉曼散射的光纖激光器和放大器，以及包含釹、鐿、鉺、 釹、鐠、銩、釤、鈥和鏑、共同摻雜有鐿的鉺、或共同摻雜有鐿的釹的光纖激光器和放大器。這些解決方案對(duì)于在小于約1350nm的波長(zhǎng)操作的光纖激光器和放大器很重要，對(duì)于在小于 IlOOnm的波長(zhǎng)操作的光纖激光器和放大器尤其重要。這些結(jié)果也適用于光束輸送光纖(例如，圖5中的光纖51)的設(shè)計(jì)，特別是當(dāng)來自光纖激光器的輸出的波長(zhǎng)小于SOOnm時(shí)。這可以通過倍頻或三倍頻來實(shí)現(xiàn)，例如，使用非線性晶體、波導(dǎo)、或光纖、或諸如啁啾周期柱狀鈮酸鋰的材料。這些解決方案可以與用于減小光暗化的傳統(tǒng)方法(例如，使用氫氧基(OH)含量高的二氧化硅(所謂的“濕二氧化硅”))相結(jié)合地使用。其可以裝載氘并由紫外(UV)光來照射。圖17示出了用于提供光輻射1713的設(shè)備171，其包括光源172、至少一個(gè)放大器 173、以及控制器174。光源172發(fā)出光脈沖175，放大器173對(duì)光脈沖175進(jìn)行放大以產(chǎn)生輸出脈沖1719。輸出脈沖1719由脈沖重復(fù)頻率176、脈沖持續(xù)時(shí)間177、峰值功率179、平均功率178、及脈沖能量1710來表征。在圖17中，脈沖能量1710示出為脈沖1719下面的陰影面積。設(shè)備171在放大器173與可選的將光輻射1713導(dǎo)向材料1714的加工頭1712 之間具有可選的光纖光纜1711?？刂破?74對(duì)光源172和放大器173中的至少一個(gè)進(jìn)行控制，以使得設(shè)備171可以加工材料1714。在圖17中，將加工描述為打標(biāo)1715。光源172可以包括圖38的種子激光器382。光源172可以包括圖38的反射器384。放大器173可以包括圖38的放大器383。加工還可以包括打標(biāo)、印刷、切割、鉆孔、焊接、微焊接、釬焊、退火、以及其他材料加工應(yīng)用。加工還可以包括諸如組織(例如，皮膚)治療、牙科及外科手術(shù)的生物處理。加工頭1712可以包括用于對(duì)光輻射1713進(jìn)行掃描的掃描頭或檢流計(jì)。另選的或附加的是，加工頭1712可以包括至少一個(gè)用于對(duì)光輻射1713進(jìn)行準(zhǔn)直和/或聚焦的透鏡。 優(yōu)選的是，加工頭1712可以包括利用源自材料1714的回反射來防止放大器173的擾動(dòng)的高功率光隔離器。使用設(shè)備171來加工的材料1714可以是諸如半導(dǎo)體封裝(塑料或陶瓷)、移動(dòng)電話上的小鍵盤、IP0D、計(jì)算機(jī)、組件、包裝、或者商業(yè)或工業(yè)產(chǎn)品的物品。美國專利第6433306號(hào)中描述了可以在圖17的設(shè)備中使用的前置放大器、功率放大器、及光學(xué)裝置，只是沒有反射器196，這里通過引用將其并入于此。根據(jù)該專利的描述， 隨著設(shè)備171的峰值功率179的增加，非線性效應(yīng)開始出現(xiàn)。所提出的用于避免受激布里淵散射的解決方案是使用激光二極管作為光源2，該激光二極管具有多個(gè)波長(zhǎng)，以使得通過所存在的縱模的數(shù)量來增加SBS閾值，從而使得放大級(jí)相對(duì)地免于SBS。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)， 該方法通常適合于小于約IkW至5kW的峰值功率179。然而，如下面看到的，基于該解決方案的MOPA傾向于隨機(jī)地產(chǎn)生可以損壞激光器的脈沖。認(rèn)為該效應(yīng)歸因于SBS。諸如增加光纖的模面積的解決方案增加SBS閾值，但是已被證實(shí)難以可靠地將其增加到約5kW以上。 美國專利第6433306號(hào)未公開或提出使用反射器196來增加SBS閾值或避免隨機(jī)地產(chǎn)生脈沖。作為由SBS所造成的問題的示例，在發(fā)出12kW的峰值功率的設(shè)備中使用具有多于 50個(gè)模的激光二極管。當(dāng)以20kHz調(diào)制延長(zhǎng)的時(shí)間段(例如，1小時(shí)至幾個(gè)月)時(shí)，在輸出處觀察到導(dǎo)致放大器173的波導(dǎo)的內(nèi)部損壞的瞬時(shí)脈沖。認(rèn)為該效應(yīng)的發(fā)生歸因于半導(dǎo)體激光器內(nèi)的導(dǎo)致臨時(shí)線寬變窄并且作為結(jié)果而觸發(fā)SBS的隨機(jī)效應(yīng)。然而，盡管看起來非常有可能，卻未能證實(shí)該效應(yīng)是由SBS造成的。然而，已發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)脈沖損壞非常難于量化以及將其從這些裝置中去除，特別是當(dāng)其極少發(fā)生時(shí)。令人驚奇的是，本發(fā)明人設(shè)法使用圖18的設(shè)備180來解決該問題。半導(dǎo)體激光器由超輻射發(fā)光二極管(SLED) 181、隔離器186和前置放大器182來替代。前置放大器182由泵浦189來泵浦。前置放大器182的輸出經(jīng)由光隔離器186而耦合到放大器183，然后經(jīng)由另一光隔離器186而耦合到功率放大器1810。放大器183和功率放大器1810分別由泵浦 184和1811來泵浦。泵浦189、184和1811優(yōu)選地是半導(dǎo)體激光器。用SLED 181來替代半導(dǎo)體激光器是反直觀的方法。這是因?yàn)镾LED 181的功率比半導(dǎo)體激光器小得多。結(jié)果是，前置放大器182未飽和，并且在脈沖1719之間產(chǎn)生使放大器183和功率放大器1810的增益飽和的ASE。如果泵浦189 —直打開，則產(chǎn)生ASE。這是因?yàn)槠鋵?duì)前置放大器182進(jìn)行泵浦，產(chǎn)生反轉(zhuǎn)并接著產(chǎn)生ASE?？梢酝ㄟ^對(duì)泵浦189進(jìn)行調(diào)制使得其在脈沖之間被關(guān)閉并在來自SLED 181的脈沖到達(dá)之前被打開來減小ASE的影響。 精確的定時(shí)取決于前置放大器182的設(shè)計(jì)，并且具體地取決于可從泵浦189獲得的功率，泵浦功率越高，使泵浦189打開所需的時(shí)間越少。另選的或附加的是，可以在前置放大器182 與功率放大器1810之間插入光開關(guān)1812。優(yōu)選的是，在前置放大器182與放大器183之間插入光開關(guān)1812。另選的或附加的是，可以使用濾波器(未示出)來對(duì)ASE進(jìn)行濾波，但是不認(rèn)為這與調(diào)制泵浦或使用光開關(guān)1812 —樣有效。光開關(guān)1812可以是聲電調(diào)制器、波導(dǎo)開關(guān)、克爾盒或普克耳斯盒。SLED 181和泵浦189、184和1811受到控制器25的控制，如果安裝了光開關(guān)1812 則控制器25還控制光開關(guān)1812。這些裝置將同步地受到控制并減小非線性效應(yīng)和損壞影響。前置放大器182、放大器183和功率放大器1810可以是芯泵浦的或包層泵浦的。 優(yōu)選的是，前置放大器182是芯泵浦前置放大器。這是因?yàn)樾颈闷智爸梅糯笃魇歉痰母行У难b置。優(yōu)選的是，放大器183和功率放大器1810是包層泵浦的。這種布置提供了可以以低成本生產(chǎn)的有效的裝置。前置放大器182、放大器183及功率放大器1810內(nèi)所包含的光纖分別可以為實(shí)芯光纖或所謂的多孔光纖。它們優(yōu)選地?fù)诫s有諸如鐿、鉺、釹、鈥、銩或鐠的稀土摻雜劑。優(yōu)選的是，光纖抗光暗化。參照?qǐng)D1至圖16描述了這種光纖。優(yōu)選的是，SLED 181的帶寬大于10nm，優(yōu)選地在20nm與40nm之間，或更大。帶寬越大，SBS閾值越高，本發(fā)明的設(shè)備越可靠。其他寬帶源可以用作圖17中的光源172以替代SLED 181，例如，其他形式的 LED (例如，邊發(fā)射LED)，超輻射發(fā)光光纖源(例如，經(jīng)光柵濾波的ASE源)。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，可以通過使用圖19中所示的設(shè)備來防止SBS事件。種子激光器 192優(yōu)選地是種子激光器382。反射器196優(yōu)選地是反射器384。放大器193優(yōu)選地是放大器383。在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)備190包括消偏振器191、隔離器186、由泵浦199來泵浦的前置放大器192、以及由泵浦194來泵浦的功率放大器193?？刂破?74控制光源172、以及泵浦199 禾 P 194。
種子激光器192是在約lOeOnm的中心波長(zhǎng)處發(fā)出約50至100個(gè)縱模的單橫模法布里珀羅半導(dǎo)體激光器。反射器196是帶寬約為2nm且啁啾的光纖布拉格光柵。其反射率約為4%。消偏振器191包括彼此成45度接合的兩個(gè)長(zhǎng)度的偏振保持光纖。消偏振器191 的使用在許多材料加工應(yīng)用(不是全部)中是優(yōu)選的，以減小由偏振波動(dòng)引起的加工條件的變化。因此，重要的是，種子激光器192的光帶寬足以使得其發(fā)射能夠被消偏振。隔離器 186是被選擇用于防止放大的自發(fā)發(fā)射被重定向而回到種子激光器192中的商用現(xiàn)貨隔離器。前置放大器192和功率放大器193是摻鐿包層泵浦光纖放大器。泵浦194、199包括許多結(jié)合在一起的單發(fā)射器半導(dǎo)體激光二極管。設(shè)置抽頭耦合器197以監(jiān)視來自功率放大器 193的向后行進(jìn)的光輻射。為了診斷的目的而包括抽頭耦合器197和回反射檢測(cè)器198，它們不必形成成品設(shè)備的一部分。在正常操作中，種子激光器192發(fā)出脈沖，以IkHz與500kHz之間的頻率提供IOns 至250ns的脈沖175。在25kHz，來自種子激光器的峰值功率約為300mW，來自前置放大器 192的峰值功率約為100W，來自功率放大器193的峰值功率約為IOkW至15kW。在不使用反射器196的情況下，發(fā)現(xiàn)設(shè)備190會(huì)遭受災(zāi)難性故障。故障機(jī)制由功率放大器193內(nèi)的短長(zhǎng)度(長(zhǎng)至100mm)的摻鐿光纖的破壞來表征。該短長(zhǎng)度的光纖變成白粉。另一故障機(jī)制是功率放大器的一端處的熔接失敗。這些和其他故障不僅在制造和測(cè)試過程中可能發(fā)生，而且在經(jīng)充分測(cè)試的產(chǎn)品中在幾個(gè)月的操作之后也可能發(fā)生。圖20示出了正常操作中向前行進(jìn)的脈沖1719的光功率201 (在功率放大器193 的輸出處測(cè)量)和由回反射檢測(cè)器198測(cè)量的輸出功率202。由于輸出功率201比光功率 202的功率高得多，因此按不同的尺度繪制光功率201和202。輸出功率202包括第一反射203和第二反射204。第一反射203源自抽頭197與功率放大器193之間的接頭(未示出)。第二反射204源自來自光纖光纜1711的輸出的反射。圖20中所示的脈沖形狀是從設(shè)備190出現(xiàn)的大量脈沖的代表。圖21示出了后向行進(jìn)的脈沖的兩個(gè)示例211、212。脈沖211和212如前地包括光功率203和204，但是還包含附加的尖峰213和214。這些附加的尖峰213和214不頻繁地出現(xiàn)，其出現(xiàn)和量級(jí)都是隨機(jī)的?？梢酝ㄟ^改變種子激光器192的操作條件(例如，溫度、 驅(qū)動(dòng)電流和脈沖形狀)來改變出現(xiàn)的頻率。在25kHz的脈沖重復(fù)頻率，以一周末約一次測(cè)量直到五分鐘時(shí)間段上30000次測(cè)量之間的頻率觀察到附加的尖峰。另外，可以通過使用不同的或同一制造商所提供的不同的種子激光器192來改變發(fā)生率。盡管在向后行進(jìn)的方向上觀察到附加的尖峰213、214，但是在向前行進(jìn)的脈沖形狀201中沒能明顯地觀察到。認(rèn)為尖峰213和214是受激布里淵散射(SBS)的表象。圖22示出了在正向中發(fā)生的疊加在外觀正常的脈沖201上的巨脈沖221的示例。 由回反射檢測(cè)器198測(cè)量的有關(guān)的脈沖222的形狀復(fù)雜，并且量級(jí)比圖20中所示的脈沖 202高若干級(jí)。實(shí)際上，在該尺度上看不到光功率203和204。脈沖222具有尖峰223、后沿2 和凹陷225。通過建立設(shè)備190來獲得這些數(shù)據(jù)，使得在約IOOHz處出現(xiàn)向后的尖峰 213和214。在該重復(fù)頻率，觀察到巨脈沖221和相關(guān)聯(lián)的脈沖222約每五分鐘出現(xiàn)1次。 換言之，巨脈沖221出現(xiàn)的頻率比向后行進(jìn)的脈沖213和214小得多，并隨機(jī)出現(xiàn)。認(rèn)為凹陷225是SBS的又一表象。向后行進(jìn)的脈沖222的能量足以經(jīng)由SBS而泵浦向前行進(jìn)的脈沖。這導(dǎo)致向前行進(jìn)的方向上的巨脈沖221，其因此從向后行進(jìn)的脈沖222中提取能量，從而導(dǎo)致凹陷225。所有以上脈沖又被功率放大器193中的有源增益介質(zhì)放大。參照?qǐng)D22，所示出的巨脈沖221的振幅2 約是脈沖201的振幅227的兩倍(在沒有疊加巨脈沖221的情況下)。振幅2 隨機(jī)地改變，可以是脈沖201的振幅227的若干倍。認(rèn)為巨脈沖221的振幅可以足以超過功率放大器193內(nèi)的光纖的光損壞閾值，并且其可能與由SBS傳播所關(guān)聯(lián)的聲波所引起的附加能量一起導(dǎo)致上述隨機(jī)的和不可預(yù)測(cè)的災(zāi)難性故障。然而，該解釋僅是理論性的，要描述可能的故障機(jī)制的企圖并不旨在限制本發(fā)明的范圍。圖23示出了來自種子激光器192的典型的譜230。中心波長(zhǎng)231約為1062nm，其總帶寬232約為6nm。譜230包括相隔約0. 045nm的約150根激光線233 (未全部示出)。 譜230包括被觀察到隨脈沖1719的演變而變化的三族激光線233(即，234、235、236)。具體地說，第一族234在脈沖持續(xù)時(shí)間177(在該過程中脈沖1719啁啾)的第一階段是占優(yōu)勢(shì)的，其后，中心族235變得更占優(yōu)勢(shì)。圖25示出了用作圖19的設(shè)備中的反射器196的光纖布拉格光柵250 (未示出)的設(shè)計(jì)。圖25示出了作為波長(zhǎng)253的函數(shù)而繪制的反射率251 (左軸)和群時(shí)延252 (右軸)。 群時(shí)延252從零偏移開。由于群時(shí)延252取決于測(cè)量的位置，因此該偏移是任意的。在反射率251曲線和群時(shí)延252曲線上都有噪聲，這本質(zhì)上是數(shù)學(xué)上的問題，是因?yàn)橛?jì)算涉及非常小的數(shù)量的緣故。光柵250以約4nm的帶寬255啁啾。中心波長(zhǎng)2M被設(shè)計(jì)成1061nm，大致對(duì)準(zhǔn)圖23的中心族235內(nèi)。圖沈示出了測(cè)得的光柵250的反射率沈1。中心波長(zhǎng)262 約為1060. 7nm，帶寬263約為2nm。帶寬沈3小于設(shè)計(jì)帶寬255，這是因?yàn)楣鈻?50的制造中的失調(diào)現(xiàn)象。光纖光柵制造領(lǐng)域中的技術(shù)人員已知這些現(xiàn)象。美國專利第6445852及 6072926號(hào)中描述了設(shè)計(jì)和制造這種光柵的技術(shù)，通過引用將這些專利并入于此。這里應(yīng)當(dāng)注意，加入光柵250的目的不是使來自激光二極管2的發(fā)射穩(wěn)定化。經(jīng)常將窄帶光柵(帶寬小于約0. 5nm，并且通常小于約0. Inm)安裝到激光二極管封裝中，以鎖定發(fā)射波長(zhǎng)，防止模分配噪聲，減小邊模的振幅(所謂的邊模抑制)，并且/或者使線寬變窄。所有這些目的趨向于得到更穩(wěn)定的發(fā)射，其(被認(rèn)為)將促進(jìn)SBS并增大巨脈沖的出現(xiàn)頻率，因此將不能避免設(shè)備190的災(zāi)難性故障。圖M示出了利用適當(dāng)位置處的光柵250而測(cè)得的激光二極管2的譜M0。中心波長(zhǎng)241約為1061nm。譜MO的帶寬242小于譜230的帶寬232。帶寬242約為2nm，由來自光柵250的光反饋確定。根據(jù)美國專利第6433306號(hào)的教示，這樣使帶寬變窄有望降低 SBS性能。令人驚奇的是，光柵250的使用不僅去除了向后行進(jìn)的隨機(jī)脈沖213和214，而且去除了相關(guān)聯(lián)的且更隨機(jī)的向前行進(jìn)的巨脈沖221。已發(fā)現(xiàn)設(shè)備190無故障。利用其他激光二極管以及利用和不利用消偏振器的其他實(shí)驗(yàn)已確認(rèn)了在設(shè)備190中包括反射器196 的有益效果。光柵250顯示出為在單橫模中有至少10%的光輻射且峰值功率在IkW至40kW 的范圍中的脈沖激光器提供可靠的操作。認(rèn)為可以實(shí)現(xiàn)高至IOOkW或以上的較高的峰值功率，而不存在SBS引起的問題。認(rèn)為光柵250使種子激光器192(在該情況下是激光二極管)不穩(wěn)定。即，各激光線233被展寬、啁啾或調(diào)制，使得避免在功率放大器193中產(chǎn)生SBS的條件。其他用于避免 SBS產(chǎn)生的方法是將反射器196實(shí)現(xiàn)為寬帶反射器，例如，可以經(jīng)由光纖耦合器而耦合進(jìn)來的部分反射鏡或表面，或者帶寬大于0. 5nm的光柵，優(yōu)選地大于lnm，更優(yōu)選地大于2nm。光柵250優(yōu)選地是啁啾的，但不必是啁啾的。啁啾光柵250將提供取決于波長(zhǎng)的有效外部腔長(zhǎng)，其被認(rèn)為進(jìn)一步促進(jìn)種子激光器192的譜展寬。啁啾光柵250優(yōu)選地內(nèi)接在偏振保持光纖中，該偏振保持光纖的偏振軸對(duì)準(zhǔn)種子激光器192的偏振保持尾纖的偏振軸或與其成一角度。光柵250可以同樣地內(nèi)接在非偏振保持光纖中。并且，種子激光器192的尾纖不必是偏振保持光纖。反射器196可以位于將激光輻射反射到種子激光器192的前面或背面 (未示出)中的位置。反射器196還可以包括電介質(zhì)涂層。反射器196的反射率可以在約 0. 與10%之間。獲得了反射率高至34%的沒有脈沖213、214的結(jié)果；然而，在這些水平觀察到脈沖畸變。優(yōu)選的是，反射率約為2%至6%。準(zhǔn)確的數(shù)量將取決于所使用的特定的激光二極管，并通過實(shí)驗(yàn)而得到。認(rèn)為反射器196的反射率應(yīng)當(dāng)高于種子激光器192的前面中所使用的反射率。還認(rèn)為種子激光器192的帶寬優(yōu)選地與反射器196的帶寬可比或更小。在上述實(shí)驗(yàn)中不是這種情況，因此需要針對(duì)種子激光器192的不同批次而建立種子激 光器192的操作條件(溫度和驅(qū)動(dòng)電流)。另選的或附加的是，可以增加光柵反射器196的帶寬，以包括種子激光器192的整個(gè)帶寬以及發(fā)射波長(zhǎng)的制造容差。還應(yīng)當(dāng)注意，抽頭197 的設(shè)置使得能夠?qū)崿F(xiàn)這種裝置，這是因?yàn)橥耆珱]有反向行進(jìn)的脈沖是可靠的操作的可靠的指示。光柵250位于距種子激光器192在40cm與Im之間。未觀察到性能的差別。因此， 認(rèn)為準(zhǔn)確的位置并不關(guān)鍵，只要距離不太大而導(dǎo)致利用反射反饋來使種子激光器192穩(wěn)定化的時(shí)間不足即可。種子激光器192以及泵浦199和194受到控制器25的控制。下面將描述關(guān)于使用控制器來控制光脈沖1719的脈沖形狀的其他信息，以及設(shè)備在材料加工中的應(yīng)用和使用。前置放大器192和功率放大器193可以是芯泵浦或包層泵浦的。前置放大器192 可以是芯泵浦前置放大器。芯泵浦前置放大器是比包層泵浦前置放大器短的裝置，并且更有效。另選的是，前置放大器192可以是包層泵浦前置放大器。為了降低成本，這是優(yōu)選的。 優(yōu)選的是，功率放大器193是包層泵浦的。這種布置提供了可以以低成本來生產(chǎn)的有效的裝置。美國專利第6826335號(hào)中描述了包層泵浦放大器的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，這里通過引用將其并入于此。前置放大器192和功率放大器192內(nèi)包含的光纖分別可以是實(shí)芯光纖或所謂的多孔光纖。它們優(yōu)選地?fù)诫s有諸如鐿、鉺、釹、鈥、銩或鐠的稀土摻雜劑。優(yōu)選的是，光纖是抗光暗化的。共同未決的專利申請(qǐng)代理人卷號(hào)S001-P20中描述了這種光纖，這里通過引用將其并入于此。圖19可以用于替代圖19的光源172和放大器173。如下面詳述的，控制器174控制種子激光器192以及對(duì)前置放大器192和放大器193進(jìn)行泵浦的泵浦194，使得平均功率 178和峰值功率179在脈沖重復(fù)頻率176的范圍上保持在足以加工材料1714的水平。圖27示出了分別針對(duì)115kHz、46kHz、30kHz和24kHz的脈沖重復(fù)頻率的相對(duì)于時(shí)間275的輸出脈沖271、272、273和274。由種子激光器192發(fā)出的相對(duì)應(yīng)的光脈沖175在圖28中分別示出為脈沖281、282、283和284。輸出脈沖271至274以及光脈沖281至284 分別在其中各個(gè)脈沖相交疊的圖29和圖30中再現(xiàn)。圖31示出了峰值功率179和脈沖能量 1710隨脈沖重復(fù)頻率176的變化。對(duì)于24kHz與115kHz之間的脈沖重復(fù)頻率176，峰值功率179保持在5kW以上，脈沖能量1710保持在0. ImJ以上。而且，由于平均功率178是脈沖重復(fù)頻率176與脈沖能量1710的乘積，因此對(duì)于24kHz與115kHz之間的脈沖重復(fù)頻率 176，平均功率178可以看起來大于約10W。圖27至圖31中所示的結(jié)果是非常顯著的，這是因?yàn)橐炎C實(shí)可以僅利用兩級(jí)放大而以大于IOOkHz的脈沖重復(fù)頻率實(shí)現(xiàn)脈沖能量為0. ImJ 的5kW的峰值功率。與具有可比的平均輸出功率178的其他光纖光學(xué)脈沖激光系統(tǒng)相比， MOPA 190在增加加工速度中非常有用。 圖32示出了在來自泵浦194的功率增加的情況下來自M0PA190的輸出功率320。 在約IOns的脈沖寬度(在峰值功率的一半處測(cè)量)的情況下，獲得了 35kW的峰值功率。圖 33示出了相對(duì)于波長(zhǎng)332繪制的脈沖的光譜331。來自種子激光器192的脈沖的信號(hào)波長(zhǎng) 333約為1062nm。在比信號(hào)波長(zhǎng)333長(zhǎng)的波長(zhǎng)處存在功率的相當(dāng)大的比率，該功率由于諸如受激拉曼散射的非線性過程而波長(zhǎng)偏移。參照回圖32，使用對(duì)大于1070nm的波長(zhǎng)進(jìn)行衰減的光濾波器來測(cè)量輸出功率321。從圖32和圖33看到，大于約SkW的輸出功率波長(zhǎng)偏移。 因此，可以將SkW的輸出功率定義為非線性閾值322。使用M0PA190來加工材料可能需要在圖17的加工頭1712內(nèi)使用寬帶光學(xué)器件?！皩拵Ч鈱W(xué)器件”是指可以對(duì)帶寬大于約IOOnm 的信號(hào)波長(zhǎng)進(jìn)行傳輸和聚焦的光學(xué)器件。然而，在該模式操作的MOPA 190對(duì)于需要峰值功率179大于約8kW的材料加工很有用?？刂破?74可以用于通過減小泵浦194和199所發(fā)出的功率或者通過控制輸出脈沖1719的形狀來減小輸出脈沖1719中波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的比率。可以將波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的比率減小到少于50%，優(yōu)選的是小于10%。優(yōu)選的是，如同參照?qǐng)D27至圖31所表明的，在脈沖重復(fù)頻率 176的寬范圍上基本上沒有波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的輸出脈沖1719。控制器174的控制函數(shù)或者可以通過開環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)(例如，通過實(shí)驗(yàn)和特性來實(shí)現(xiàn))，或者是閉環(huán)控制，在該閉環(huán)控制中，從 MOPA 190內(nèi)的一點(diǎn)(例如，在放大器193的輸入或輸出或其他地方)取得功率的測(cè)量結(jié)果 (平均功率或峰值功率或波長(zhǎng)偏移功率)，將其與期望值相比較，并且測(cè)量結(jié)果與期望值之間的差異用于對(duì)控制器174所提供的控制函數(shù)進(jìn)行修正。圖34至圖37示出了改變脈沖重復(fù)頻率(prf) 176和脈沖寬度177對(duì)MOPA 190中的輸出脈沖1719的形狀的效果。全部四個(gè)圖繪制在同一尺度上，輸出功率以任意單位繪制?？刂破?74控制泵浦194和199，使得平均功率178保持在12W?？刂破?74還將脈沖重復(fù)頻率176設(shè)定成其期望值。然后，控制器174改變脈沖寬度177(即，各脈沖1719的總脈沖寬度)以將峰值功率179設(shè)定在期望值。圖34示出了以25kHz的脈沖重復(fù)頻率176、0. 6mJ的脈沖能量1710、以及12W的平均功率測(cè)量的相對(duì)于時(shí)間275的輸出功率340。脈沖寬度343(即，控制器174控制的總脈寬)約為200ns。輸出功率340具有峰值功率341以及約35ns的半峰全寬脈沖寬度342。圖35示出了分別針對(duì)兩個(gè)不同的脈沖寬度355和356而測(cè)量的相對(duì)于時(shí)間275 的輸出功率350和351。脈沖重復(fù)頻率176為50kHz，脈沖能量1710為0. 24mJ，平均功率 178為12W。輸出功率350的半峰全寬脈沖寬度354約為35ns。峰值功率352、353隨脈沖寬度355、356的增加而減小。圖36示出了分別針對(duì)三個(gè)不同的脈沖寬度367、368和369而測(cè)量的相對(duì)于時(shí)間 275的輸出功率360,361和362。脈沖重復(fù)頻率176為100kHz，脈沖能量1710為0. 12mJ， 平均功率178為12W。輸出功率360的半峰全寬脈沖寬度126約為35ns。峰值功率363、364和365隨脈沖寬度367、368和369的增加而減小。圖37示出了分別針對(duì)兩個(gè)不同的脈沖寬度375和376而測(cè)量的相對(duì)于時(shí)間275 的輸出功率370和371。脈沖重復(fù)頻率176為200kHz，脈沖能量1710為0. 06mJ，平均功率 178為12W。輸出功率370的半峰全寬脈沖寬度374約為20ns。峰值功率372和373隨脈沖寬度375和376的增加而減小。通過改 變圖19的設(shè)備中的種子激光脈沖175的形狀，將峰值功率179在從IHz至 200kHz的脈沖重復(fù)頻率176的范圍上保持在5kW水平以上，同時(shí)提供超過0. ImJ的脈沖能量1710。將峰值功率179在從IHz至500kHz的脈沖重復(fù)頻率176的范圍上保持在3kW以上，同時(shí)提供超過0. 04mJ的脈沖能量1710。值得注意的是，這些結(jié)果是在沒有任何SBS的跡象且僅利用兩個(gè)放大級(jí)的情況下獲得的。通過控制圖19的設(shè)備中的種子激光脈沖175的形狀、增加放大器192、193的增益、并控制它們的相對(duì)增益，進(jìn)一步表明了 20W至25W之間的平均功率178、在0. 8mJ至ImJ 的范圍中的脈沖能量1710、在15ns至20ns的范圍中的半峰全寬脈沖寬度374、在18kW至 26kff的范圍中的峰值功率179、在IHz至25kHz的脈沖重復(fù)頻率176。值得注意的是，這些結(jié)果也是在沒有任何SBS的跡象且僅利用兩個(gè)放大級(jí)的情況下獲得的。本發(fā)明還可以是包括一個(gè)或更多個(gè)上述激光器和控制器的材料加工機(jī)的形式 (例如，用于切割、焊接、鉆孔、打標(biāo)或加工材料的材料加工機(jī))。應(yīng)當(dāng)理解，參照附圖，僅通過示例的方式給出了上述本發(fā)明的實(shí)施方式，可以提供變型例和附加組件以增強(qiáng)性能。本發(fā)明擴(kuò)展至具有上述特征中的一個(gè)或其任意組合。
權(quán)利要求
1.一種用于提供光輻射的設(shè)備，該設(shè)備包括種子激光器，其用于發(fā)出播種輻射；至少一個(gè)光學(xué)放大器；反射器；以及控制器，其中，所述種子激光器是法布里珀羅半導(dǎo)體激光器，所述播種輻射包括多個(gè)種子激光器脈沖，所述種子激光器經(jīng)由所述反射器而連接到所述光學(xué)放大器，所述種子激光器脈沖由所述光學(xué)放大器放大，以產(chǎn)生光學(xué)輻射，所述光學(xué)輻射包括輸出脈沖，所述輸出脈沖由峰值功率、脈沖能量和脈沖重復(fù)頻率來表征，并且所述設(shè)備的特征在于所述反射器被布置成將由所述種子激光器發(fā)出的所述播種輻射中的某一比率的播種輻射反射回到所述種子激光器中，并且，所述控制器控制所述種子激光器來改變種子激光器脈沖的形狀，以將峰值功率保持在 3kff以上、脈沖能量超過0. 04mJ并且脈沖重復(fù)頻率在IHz至500kHz。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述控制器使得它改變種子激光器脈沖的形狀， 以將峰值功率保持在5kW以上、脈沖能量超過0. ImJ并且脈沖重復(fù)頻率在IHz至200kHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述控制器使得它改變種子激光器脈沖的形狀， 以將峰值功率保持在18kW至^kW、脈沖能量保持在0. 8mJ至ImJ并且脈沖重復(fù)頻率在IHz 至 2^Hz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備包括兩個(gè)光學(xué)放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述反射器被布置為將少于20%的由所述種子激光器發(fā)出的所述播種輻射反射回到所述種子激光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述反射器被布置為將至10%之間的由所述種子激光器發(fā)出的所述播種輻射反射回到所述種子激光器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述反射器的特征在于具有大于Inm的帶寬。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的設(shè)備，其中，所述反射器位于距所述種子激光器小于an 的距離處。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中，所述距離在0.5m與1. 5m之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中，所述距離在5mm與50cm之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述光學(xué)放大器包括包層泵浦光學(xué)放大器，該包層泵浦光學(xué)放大器還包括光纖。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，所述光纖是信號(hào)波長(zhǎng)處的多模波導(dǎo)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，所述光纖是單模波導(dǎo)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，所述光纖包括數(shù)值孔徑小于0.15的波導(dǎo)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，所述光纖的特征在于，當(dāng)利用約400mW的 976nm波長(zhǎng)處的光對(duì)0. Im至Im長(zhǎng)的光纖進(jìn)行芯泵浦時(shí)，在IOOOnm與IlOOnm之間的波長(zhǎng)處，光纖的衰減的增加在2000小時(shí)中不大于5%。
16.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的設(shè)備，其中，所述反射器是光纖布拉格光柵。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中，所述光纖布拉格光柵是啁啾的。
18.根據(jù)權(quán)利要求1或15所述的設(shè)備，該設(shè)備包括激光輸送光纖以及加工頭，該設(shè)備是用于加工材料的激光器的形式。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中，所述控制器對(duì)所述種子激光器和所述光學(xué)放大器進(jìn)行控制，使得所述輸出脈沖的平均功率和峰值功率足以在脈沖重復(fù)頻率的范圍上對(duì)所述材料進(jìn)行加工。
20.根據(jù)權(quán)利要求1或15所述的設(shè)備，其中，所述輸出脈沖由脈沖寬度來表征，并且所述控制器隨所述脈沖重復(fù)頻率的改變而改變所述脈沖寬度。
21.根據(jù)權(quán)利要求11或15所述的設(shè)備，其中，所述光纖包括折射率為nl的芯和折射率為n2的基座，并且其中，所述光纖包括包圍所述基座的由折射率為η3的玻璃制成的第一包層，其中，nl大于n2，n2大于n3。所述基座引導(dǎo)從所述芯逸出的光輻射，并且所述放大器是通過將泵浦輻射從泵浦耦合到所述第一包層而包層泵浦的。
22.根據(jù)權(quán)利要求1或11所述的設(shè)備，該設(shè)備包括用于泵浦所述光學(xué)放大器的泵浦，并且其中，所述控制器減小由所述泵浦發(fā)出的功率。
全文摘要
一種用于提供光輻射(381)的設(shè)備(380)，該設(shè)備包括種子激光器(382)，其用于提供播種輻射(387)；至少一個(gè)放大器(383)，其用于對(duì)所述播種輻射(387)進(jìn)行放大；以及反射器(384)，其中，所述種子激光器(382)是法布里珀羅半導(dǎo)體激光器，所述種子激光器(382)經(jīng)由所述反射器(384)而連接到所述放大器(383)，所述反射器(384)被布置成將由所述種子激光器(382)所發(fā)出的所述播種輻射(387)的某一比率的播種輻射(388)反射回到所述種子激光器(382)中，并且所述放大器(383)包括光纖(1)，該光纖(1)包括折射率為n1的芯(3)和折射率為n2的基座(4)，并且其中，所述光纖(1)包括包圍所述基座(4)的由折射率為n3的玻璃制成的第一包層(5)，其中，n1大于n2，且n2大于n3。
文檔編號(hào)G02B6/024GK102157887SQ20111005956
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月11日
發(fā)明者A·M·吉洛利, A·派柏, D·N·佩恩, F·吉林蓋利, J·K·撒胡, L·M·B·赫基, M·K·德金, M·N·澤爾維斯, S·R·諾曼 申請(qǐng)人:Spi激光器英國有限公司