CN103765705B - 在约974nm‑1030nm波长范围内具有高亮度低噪声输出的高功率光纤泵浦源 - Google Patents

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Abstract

高功率超亮泵浦源配置有：多模(“MM”)种子源，所述MM种子源输出在约974和1030nm之间的波长范围内的所需波长处输出MM平滑低噪声信号光，MMYb光纤波长转换器，操作用于将副泵浦波长λsp处的多个高功率(“HP”)半导体激光二极管的发射转换为在所需波长λp处的泵浦输出，其中Δλ＝λp‑λsp＜0.1λsp。Yb掺杂MM波长转换器配置有与低噪声信号光实质上相同的噪声级别，实质上等于n x B的亮度(“B”)，其中n是HP半导体激光二极管的个数，并且B是每一个HP激光二极管的亮度，以及实质上等于nPd的输出功率(“Po”)，其中Pd是每一个HP激光二极管的功率，并且n是HP激光二极管的个数。

Description

在约974nm-1030nm波长范围内具有高亮度低噪声输出的高功 率光纤泵浦源
本发明的背景技术
技术领域
本公开涉及光纤泵浦源，所述光纤泵浦源配置有发射平滑低信号光的MM种子源，所述MM种子源耦合至Yb多模MM波长转换器，所述Yb MM波长转换器将半导体激光二极管发射的光转换为在从约974nm至约1030nm波段内放大的超亮度且低噪声的泵浦输出。
已知技术
包括镱掺杂增益光纤的光纤激光器是高效率、低沉本、紧凑且结实的发光和光放大装置。基于镱的光纤激光器统治了工业光纤激光器市场，主要是由于其卓越的效率和长期稳定性。
依赖于向芯区材料添加的掺杂剂，镱掺杂介质中的最高吸收峰出现在约974nm-976nm。因此，在尽可能接近峰值吸收波长(例如975nm)的波长处泵浦镱掺杂介质相对于其他泵浦波长具有两个明显的优势：镱光纤增益模块的短光纤波长和高效率。前者特别重要，因为泵浦的Yb增益模块的短光纤长度是限制影响功率缩放的不利非线性效应的关键。因此，非线性效应和下面解释的其他缺陷可能妨碍具有高光束质量的高功率Yb光纤激光器结构的功率缩放，例如高亮度。
为了成功地克服这些缺陷的至少一个，需要将用于HP Yb增益模块的泵浦源配置为发射在峰值吸收波长处不但具有最高可能泵浦功率、而且具有最高亮度和功率密度、以及最低可能噪声级别的泵浦光。
对于泵浦功率增加的可变解决方案可以是波束组合的原理，其实质上意味着将MM组合器中的多个激光二极管的输出进行组合以便获得直接耦合到泵浦Yb增益模块的单一输出束。将基于这种原理的泵浦源进一步称作MM组合器泵浦源。尽管MM泵浦源输出的功率可以非常高，亮度和功率密度以及噪声级别通常都不会显著改善，如果不是根本没改善的话。
为了改进泵浦光的亮度，应该通过增加泵浦光的MM辐射中每个模式的能量来降低泵浦光的发散性和／或应该降低光束尺寸。然而，MM组合器泵浦源中的多个激光二极管的亮度是守恒的，不会得到改善，因为不存在由半导体激光器发射的泵浦光的进一步放大。
在没有不良后果的情况下，对于增加MM组合器泵浦输出的功率所必须的增加激光二极管的个数不会有效。将组合器的输出导引至增益模块的传输光纤的芯区直径应该随着增加的功率而扩大，否则将泵浦光耦合到传输光纤中禁止地引起高功率损耗。一旦增加芯区直径，即使对于较大的泵浦功率，功率密度保持与增加功率之前实质上相同。这导致了最多在泵浦的Yb增益光纤(也称作增益模块)中相同的泵浦吸收(即泵浦光与有源芯区的重叠)保持实质上相同。无需减小Yb掺杂有源光纤的长度，不会增加限制增益和光束质量的非线性效应的阈值。
基于上述内容，MM组合的泵浦源提供高和极高泵浦光功率。然而，泵浦光的亮度和功率密度不是增加的泵浦光功率的受益者。因此，需要输出在974-1030nm范围内具有高亮度和高功率密度的高功率光的改进光纤泵浦源，以便在Yb增益模块中提供进一步的功率缩放和光束质量。
替代地，总是存在配置包括高功率多模光纤激光器的泵浦源的概率，所述高功率多模光纤激光器将能够在所需的波长处产生高功率泵浦光。然而，因为几个出射模式彼此干扰，在谐振器中产生的不想要的功率峰值(所谓的斑纹效应)可能大到足以损坏激光器。但是，即使不会损坏激光器，其输出波动，并且具有明显不希望的较高噪声。
因此，需要提供一种在974nm-1030nm范围内输出稳定的高功率超亮泵浦光的光纤泵浦源，具体地在975nm的波长。
另外需要一种高功率泵浦源，所述高功率泵浦源操作用于在974nm-1030nm的范围内输出与已知MM组合的泵浦源相比具有相当大改进的亮度的高功率稳定泵浦光。
还需要提供一种输出974-1030nm范围内的泵浦光的高功率超亮光纤泵浦源，其特征在于：
泵浦传输光纤中的功率密度比大多数大功率的MM组合器泵浦源中可用的当前可用功率密度高至少10倍；以及
泵浦光功率级别超过当前可用的功率级别。
仍然需要一种高功率光纤泵浦源，具有：多模式种子源，输出平滑的低噪声信号光；以及Yb掺杂波长转换器，所述Yb掺杂波长转换器配置为对信号光进行放大，以便输出噪声级别不会超过光信号并且亮度极大地超过光信号亮度的泵浦光。
还需要一种高功率超亮泵浦源，配置有种子源和波长转换器，所述波长转换器操作用于将在波长λsp处的多个高功率半导体副泵浦激光二极管的发射转换为在波长λp处的泵浦信号，使得△λ=λp-λsp<0／1λsp。
发明内容
通过这里公开的高功率超亮泵浦源来满足这些需求，所述高功率超亮泵浦源配置为对平滑的(无尖峰)低噪声信号光进行放大，并且输出高功率超亮低噪声高密度的泵浦光。具体地，所公开的泵浦源操作用于在974nm和1030nm的波长范围内输出高功率超亮低噪声高密度的泵浦光，并且更优选地在975nm的波长处。
所公开的MM高功率超亮泵浦源配置有一个或多个组合的MM种子源，所述组合的MM种子源在974nm-1030nm范围内输出平滑信号光，优选地在975nm波长或者任意其他所需波长处。MM种子源可以配置为光纤部件或者MM激光二极管，并且输出能够达到几百瓦特的信号光。
MM泵浦源还具有Yb掺杂MM波长光纤转换器，所述Yb掺杂MM波长光纤转换器操作用于将来自多个MM半导体激光二极管的λsp波长处的副泵浦发射转换为泵浦光λp，其中△λ=λp-λsp<0／1λsp。
MM波长转换器也配置为接收和放大低噪声MM信号光，以便输出信号光波长λp处的明亮泵浦光，所述泵浦光可以达到kW级别但是具有实质上等于1的噪声指数。换句话说，MMYb元件不会向信号光增加任意附加的噪声。因此，将Yb掺杂的MM波长转换器配置为Yb掺杂的MM光纤放大器，所述Yb掺杂的MM波长放大器不会向种子信号光的噪声级别添加任意增益指数，而是相当大地改进了其亮度。
MM Yb半导体激光二极管(组合用于限定发射在波长λsp处的副泵浦光的泵浦子组件)的个数可以多到几十个这些二极管。每一个半导体副泵浦二极管能够输出最高至几百瓦特的副泵浦光。因此，副泵浦配置用于将非常大功率的副泵浦光传输至MM Yb波长转换器，从而所述MM Yb波长转换器能够在非常高的功率级别下输出超亮低噪声泵浦光。
将来自MM Yb波长转换器的泵浦信号耦合到传输光纤中，假设泵浦光功率是均匀的，所述传输光纤的横截面小于现有技术的MM激光二极管组合器的传输光纤的芯区直径。因此，传输至Yb增益模块的泵浦光具有较高的功率密度，所述较高的功率密度在相同条件下是现有技术的基于MM组合器的泵浦源中传输的功率密度的十倍或以上。因此，这里公开的泵浦源的MM泵浦光不但是非常大功率、超亮的且低噪声的，而且具有高密度。
所公开的泵浦源也可以配置为输出高功率明亮的单模(SM)泵浦光。这种结构也包括：根据以上公开的源以及具有Yb掺杂光纤的SM光纤激光器配置的第一级联结构。因此，泵浦源输出高功率、高亮度和SM泵浦光。
附图说明
根据伴随附图的以下具体描述，所公开器件的以上和其他特征将变得更加易于明白，其中：
图1说明了所公开的MM泵浦源的光学示意图，所述MM泵浦源输出在974nm-1030nm波长范围内的高功率超亮MM泵浦光。
图2A说明了图1所公开的泵浦源，但是与单模Yb激光器相结合以便输出在974nm-1030nm波长范围内的高功率超亮SM泵浦光。
图2B说明了图2A的Yb光纤激光器的详细结构。
图3说明了包括图1或2A的多个泵浦***的高功率光纤激光器***，所述泵浦***按照端泵浦(end pump)结构彼此耦合。
图4说明了包括图1或2所公开的光纤泵浦***的高功率光纤激光器***，所述光纤泵浦***根据侧泵浦技术来设置。
具体实施方式
参考图1，光纤泵浦源10包括：至少一个或多个组合的种子12，产生在约974nm和约1030nm之间的信号光；以及MM波长组合器14，接收并且放大信号光以便输出高功率高亮度泵浦光。波长转换器14包括：有源光纤，所述有源光纤具有用Yb离子掺杂、并且用副泵浦***16进行侧泵浦的多模芯区，所述副泵浦***包括多个组合的半导体激光二极管18。后者产生副泵浦波长λsp的副泵浦光，将所述副泵浦光耦合到转换器14中，选择所述副泵浦光，使得Δλ=λp-λsp<0／1λsp，其中λp是泵浦输出波长(与信号光的波长相同)。波长的狭窄性(closeness)对于高量子效率有贡献，所述高量子效率进而转换成泵浦的Yb光纤模块的低热相关损耗和高增益。因此如这里所公开的，波长转换器14操作用于将λsp波长处的副泵浦发射转换为泵浦波长λp。
例如，将种子12配置为单模或多模组合的大功率带尾纤(pigtailed)MM激光二极管或基于光纤的种子，所述种子产出在974nm-1030nm波长范围的平滑无尖峰信号光，并且优选地975nm波长，并且具有至少约0.1m.r.s的均方根(r.m.s)噪声级别。二极管也具有范围在约0.1和0.13之间的NA。信号光可以具有在几十瓦至几百瓦之间变化的输出功率。无源MM光纤20接收所产生的信号光，并且将其进一步导引至MM Yb波长转换器14。例如，无源光纤20配置有100微米或更大的MM芯区直径。选择信号光的具体波长(因此是源10的泵浦输出的波长)以在最靠近放大器100的吸收峰的波长处对Yb增益模块100进行泵浦。放大器可以在1030-1070nm的范围内操作。替代地，种子102可以包括一个或多个组合的SM光纤激光器。
波长转换器14的MM Yb掺杂的有源光纤可以具有双包层或者规则的结构以及例如可以在约50至150微米(或更大)的范围内变化的芯区直径。所有光纤的外径可以是均匀的并且例如从约110至约300微米变化。转换器14的Yb掺杂光纤还配置有在约0.05至0.13之间变化的小NA。
从波长转换器14输出的泵浦光的输出功率Po可以非常高，并且依赖于在副泵浦组件中组合的HP半导体激光二极管18的个数，例如侧泵浦转换器以及当然其个数。因此，泵浦光的功率P0～NxPld，其中N是HP激光二极管的个数，并且Pld是每一个单独二极管的功率。当然，泵浦光的输出功率Po也依赖于信号光的功率，可以将所述信号光的功率叠加到H0激光二极管的组合功率。例如，可以在920nm波长处发射泵浦光，并且泵浦光和信号光两者一起传播并且与信号光的传播相反地传播。激光二极管的个数可以包括最高90个组合在一起的二极管。例如，每一个二极管可以输出100瓦的泵浦光。因此，泵浦源10可以输出在约974nm至1030nm之间变化的波长下的几kW的泵浦光。注意：尽管将副泵浦组件示出为是侧泵浦波长转换器14，本领域普通技术人员易于实现包括多个激光二极管18在内的端泵浦结构。
分别与HP激光二极管和信号光的功率级别相比，泵浦光的高功率级别Po对于泵浦光改进的亮度(“B”)有显著的贡献。亮度B通常可以等于Po／BPP，其中BPP是波束参数乘积，进而可以确定为是1／2DcxNA，其中Dc是芯区直径，并且NA是数值孔径。因为所述NA实际上与信号光的NA相同或者更小，假设输出功率实质上均匀，泵浦输出的亮度可以是现有技术的功率最大MM组合器的亮度的至少10倍。
芯区中Yb3+掺杂剂的浓度有利地是相当低。根据本公开，优选地，Yb的浓度在50ppm和100ppm之间变化。但是这一范围可以扩展到约10～200ppm的范围。
波长转换器14也具有：输入和输出无源光纤(未示出)，耦合至Yb掺杂光纤的相应端面；以及传输光纤15，将泵浦光导引至增益模块100。传输光纤典型地配置有与转换器14的输出无源光纤的芯区尺寸类似的芯区尺寸，以防止不必要的损耗。在光纤激光器领域的普通技术人员应该理解的是假设泵浦功率实质上相同，将泵浦光导引至本公开的***中的芯区比已知的MM耦合器泵浦源的传输光纤的芯区小很多。这导致了传输至增益模块100的泵浦光的非常高的功率密度，功率密度是与申请人所知的最先进的当前泵浦源相关联的已知功率密度的至少10倍和以上。泵浦光的所需频率和高密度可以相当大地减小Yb模块100中的有源光纤的长度，所述有源光纤的长度有利地影响其增益和输出光束的质量。
因此，将MM波长转换器14配置作为MM光纤放大器。因此，转换器14的已放大泵浦信号的噪声级别不会大于种子源12的噪声级别(较低)。这种低噪声泵浦信号对于改进的增益模块100也有贡献。
泵浦输出的976nm波长不是唯一可能的波长。可以容易地实现比976nm波长更长的其他波长。然而，在976nm处进行泵浦允许Yb模块100的较短光纤长度，是限制非线性效应及实现高效率的关键因素。
可以将多个源10组合在一起，并且用作独立的装置。然而，本公开的源10的优势在合并了源或多个源10作为不同泵浦结构中的泵的光纤激光器***的场景下是特别显著的，如下所述。
图2A和2B说明了合并两个或更多个级联结构的高功率SM泵浦源25的结构。第一级联结构根据图1的泵浦源10进行配置，并且附加的级联结构配置有Yb掺杂的SM光纤激光器24。将所述级联结构光学地彼此耦合以便输出例如在约1030nm的单模泵浦光。激光器24配置了有源石英光纤30，所述有源石英光纤具有约10-20微米的芯区直径和50-100微米直径的包层。光纤30的芯区30c掺杂有Yb离子，并且优选地具有MM芯区，所述MM芯区能够支持在所需波长范围内的基本模式，例如在1微米范围内。激光器24还具有一对双包层无源光纤26、28，每一个均接合至有源光纤30的端面。均匀配置的输入和输出无源光纤26、28每一个均具有单模(“SM”)芯区和波导包层。通过在激光器24的无源光纤26和28的相应芯区中写入的两个光纤布拉格光栅46来提供波长选择。
泵浦源25按照以下方式操作。将来自转换器14的974-976nm波长范围的高功率、超亮信号光进一步在输出无源光纤32的较大MM芯区32c中导引(图2B)，所述输出无源光纤将这种光传输至激光器24的输入无源光纤26。光纤26的波导包层具有实质上等于无源光纤32的芯区尺寸的直径，例如100微米，而SM芯区26c配置有小于芯区32c的芯区尺寸的直径。因此，来自泵浦源10的974-976nm的输出信号光进一步沿输入光纤26的包层和芯区26c两者传播。然而，将导引的光耦合到有源双包层Yb掺杂的光纤30中，所述光纤30具有：MM芯区30c，所述MM芯区的直径典型地大于芯区尺寸26c；以及波导内包层30cl，其尺寸实质上与输入光纤26的波导包层相同。有源Yb掺杂光纤30的长度配置为使得在芯区30c中实质上吸收沿包层30c1传播的光。因此，高功率光纤泵浦源25可以产生在所需波长处的SM高功率超亮泵浦光，例如1030nm。
各个输入无源SM光纤26和有源Yb掺杂MM光纤30的芯区26c和30c配置有实质上彼此匹配的模场直径(“MFD”，Mode Field Diameter)。当将芯区26导引的光耦合到芯区30c中时，其只激励基模，如美国专利5，422，897和5，774，484中所公开的，所述美国专利共同属于本公开的相同受让人并且全部合并在此作为参考。
依赖于MM输出光纤32的芯区32c以及SM输入光纤26的芯区26c的直径，代替以上公开的结构，可以使用普通光纤来产生SM超高亮度和高功率泵浦光。为了实现后一种情况，需要使无源光纤32的端面变成锥形，使得锥形端面的几何直径与SM无源输入光纤26之一实质上匹配。那么，当然可以利用具有真实的SM芯区的有源光纤30。以上公开的1030(nm)波长的激光器24只是示例性的，并且依赖于FBG的滤波参数。
图3说明了将图1的泵浦源10或图2A的泵浦源25应用于配置有加固的Yb掺杂放大器40的超高功率光纤激光器***35中的一种可能应用。具体地，高功率光纤激光器***35包括组合在一起成束的多个泵浦源10。导引在1015-1070nm波长范围内的信号的中心SM信号传输光纤38延伸通过所述束，并且与周围的泵浦***10光学地连接。组合的泵浦源的输出光纤42以及中心信号光纤根据端泵浦技术将信号光传输到加固的Yb光纤放大器40中。加固的光纤放大器40配置为在所需的1015和1070nm波长范围内输出实质上基模的高功率束。如果需要，可以在所示***中使用保偏光纤。
图4说明了高功率光纤激光器***45中所公开的泵浦***10的另一种结构。这里，多个泵浦组限定了侧泵浦结构，每一个泵浦组包括多个的图1的高功率超亮光纤激光器泵浦***10或者图2A的泵浦***25，并且加固的Yb放大器44限定了侧泵浦结构。例如，将每一组的泵浦***10组合在一起以便让单一的输出光纤将泵浦光在所需波长处从组合器导引至加固的光纤放大器44。加固的Yb光纤放大器可以输出在1015-1070nm范围内的实质上基模或者低模式输出的超高光。相应的图3和图4中示出的示例特征在于加固的高功率放大器，所述高功率放大器用高功率明亮的泵浦光进行泵浦，所述泵浦信号的发射波长与给定的吸收峰实质上一致。由于后一种情况，本领域普通技术人员将认识到实质上减小了加固的放大器的有源光纤的长度，而增加了非线性效应的阈值。
已经参考附图描述了本发明优选实施例的至少一个，应该理解的本发明不限于那些精确的实施例。例如，所公开的泵浦源可以是CW和脉冲激光***的主要部分。在不脱离这里公开的本发明范围的情况下，本领域普通技术人员可以实现包括不同波长、光纤参数和稀土掺杂剂的各种变化、改进和适应。

Claims (13)

1.一种高功率激光器***，包括：
至少一个超亮低噪声泵浦源HPUBLNS，配置有：
至少一个种子源，产生波长λp的低噪声信号光，并且配置有输出光纤；
多个高功率半导体激光二极管，组合在一起以在副泵浦波长λsp处辐射副泵浦发射；以及
Yb掺杂多模光纤波长转换器，物理地连接至输出光纤，并且配置为将副泵浦波长λsp处的副泵浦发射转换为在泵浦波长λp处的泵浦输出，以便在泵浦波长λp处发射kW范围的泵浦输出，所述Yb掺杂多模光纤波长转换器配置有纤芯直径在50至150微米之间并且掺杂有范围在10ppm至200ppm之间的Yb离子浓度的多模纤芯，所述Yb掺杂多模光纤波长转换器的数值孔径范围在0.05和0.13之间，其中所述泵浦输出具有：
与低噪声信号光的噪声级别相同的低噪声级别，
等于nxB的亮度，其中n是高功率半导体激光二极管的个数，并且B是每一个高功率半导体激光二极管的亮度，以及
等于nPd的输出功率“Po”，其中Pd是每一个高功率半导体激光二极管的功率，并且n是高功率半导体激光二极管的个数；以及
通过多模泵浦输出进行端泵浦或侧泵浦的增益块，以便输出基模的超亮***输出。
2.根据权利要求1所述的高功率激光器***，还包括具有芯区的传输光纤，所述传输光纤接收和导引放大的低噪声泵浦输出，所述传输光纤的芯区的芯区直径配置为小于发射具有等于泵浦输出的功率的输出光的多模组合器泵浦源的芯区直径。
3.根据权利要求1所述的高功率激光器***，其中所述Yb掺杂多模光纤波长转换器配置为使得放大的低噪声泵浦输出的均方根最多是0.1％。
4.根据权利要求2所述的高功率激光器***，其中所述种子源具有从以下组选择的配置，所述组包括：一个或多个组合的多模带尾纤激光二极管，以及一个或多个单模光纤振荡器。
5.根据权利要求1所述的高功率激光器***，其中所述副泵浦波长λsp在910nm-975nm波长范围之间变化。
6.根据权利要求4所述的高功率激光器***，其中所述Yb掺杂多模光纤波长转换器配置有多模Yb掺杂光纤以及输入和输出无源多模光纤，将所述输入和输出无源多模光纤接合至Yb掺杂光纤的相应相对端面，并且所述输入和输出无源多模光纤具有等于接合至输出无源多模光纤、Yb掺杂光纤的传输光纤的芯区直径的均匀芯区直径，将输入无源多模光纤接合至带尾纤激光二极管的输出光纤。
7.根据权利要求1所述的高功率激光器***，其中所述高功率半导体激光二极管配置为对所述Yb掺杂多模光纤波长转换器进行端泵浦或侧泵浦。
8.根据权利要求1所述的高功率激光器***，其中多模种子源的数值孔径在0.1和0.13之间变化。
9.根据权利要求1所述的高功率激光器***，还包括单模Yb掺杂光纤振荡器，所述单模Yb掺杂光纤振荡器接收放大的低噪声泵浦光，并且操作用于产生在大于泵浦输出波长λp的波长处的单模光输出。
10.根据权利要求9所述的高功率激光器***，其中所述单模Yb掺杂光纤振荡器包括：
具有多模芯区的双包层Yb掺杂光纤，配置为支持在所需波长范围内的单一基模，
间隔开的双包层输入和输出无源光纤，接合至Yb掺杂光纤的相应相对端面、并且具有相应的单模芯区，以及
一对光纤布拉格光栅，一个光纤布拉格光栅设置在输入无源光纤的单模芯区中，另一个光纤布拉格光栅设置在输出无源光纤的单模芯区中，使得Yb激光器在1015-1030nm波长范围内输出基模单模泵浦光。
11.根据权利要求6所述的高功率激光器***，其中所述Yb掺杂多模光纤波长转换器的Yb掺杂光纤的芯区具有最高至300μm的芯区直径。
12.根据权利要求2所述的高功率激光器***，其中所述传输光纤的芯区的芯区直径至少是50μm。
13.根据权利要求1所述的高功率激光器***，其中Δλ＝λp-λsp＜0.1λsp，其中λp是泵浦输出的波长，而λsp是副泵浦波长。
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6279484B2 (ja) 2011-12-19 2018-02-14 アイピージー フォトニクス コーポレーション ９８０ｎｍ高出力シングルモードファイバポンプレーザシステム
US9031099B2 (en) * 2013-04-19 2015-05-12 Ipg Photonics Corporation Fiber with asymmetrical core and method for manufacturing same
CN105359356B (zh) * 2013-06-03 2019-11-15 Ipg光子公司 多模法布里-珀罗光纤激光器
EP3036804B1 (en) * 2013-08-20 2024-05-01 IPG Photonics Corporation Ultra high power single mode fiber laser system
CN105814757B (zh) * 2013-12-02 2019-12-13 Ipg光子公司 大功率高效率光纤激光器和用于优化其墙插效率的方法
US9397464B2 (en) * 2014-12-19 2016-07-19 Lumentum Operations Llc Fiber laser assembly and method of generating light
CN110494253B (zh) 2016-09-23 2022-03-22 Ipg光子公司 焊前分析和相关激光焊接方法以及利用避免金属/合金蒸汽的电子跃迁的光谱的预选择光谱带宽的光纤激光器
CN110036542B (zh) * 2016-12-01 2021-09-28 Ipg光子公司 利用单模或低阶模光纤激光器基于超低量子缺陷泵浦方案的大功率稀土掺杂晶体放大器
WO2019013862A2 (en) * 2017-05-15 2019-01-17 Ipg Photonics Corporation RAMAN LASER FIBER MONOMODE PUMP WITH HIGH POWER SENSING
IT201800021544A1 (it) * 2018-12-31 2020-07-01 Ipg Photonics Corp Sistema laser a pompa in fibra e metodo per un ripetitore ottico sottomarino
CN113745954A (zh) * 2020-05-27 2021-12-03 山东大学 一种光束指向稳定***
JP2022035696A (ja) * 2020-08-21 2022-03-04 浜松ホトニクス株式会社 ファイバレーザ装置
CN111934179A (zh) * 2020-09-03 2020-11-13 中国人民解放军国防科技大学 一种使用特定波长段泵浦的掺镱光纤激光器

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5422897A (en) * 1994-01-28 1995-06-06 British Telecommunications Public Limited Company Two-stage mono-mode optical fibre laser
CN102136669A (zh) * 2009-12-08 2011-07-27 韩国电子通信研究院 双包层光纤装置

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4689797A (en) 1985-08-19 1987-08-25 Gte Laboratories Incorporated High power single spatial mode semiconductor laser
US5761234A (en) * 1996-07-09 1998-06-02 Sdl, Inc. High power, reliable optical fiber pumping system with high redundancy for use in lightwave communication systems
US6275512B1 (en) 1998-11-25 2001-08-14 Imra America, Inc. Mode-locked multimode fiber laser pulse source
KR100326119B1 (ko) * 1999-06-23 2002-03-07 윤종용 씨드-빔을 이용한 엘-밴드 광섬유 증폭기
US6885683B1 (en) 2000-05-23 2005-04-26 Imra America, Inc. Modular, high energy, widely-tunable ultrafast fiber source
EP1586145B1 (en) * 2003-01-24 2006-06-07 Trumpf, Inc. Side-pumped fiber laser
JP4893306B2 (ja) 2004-08-13 2012-03-07 日本電気株式会社 半導体レーザ、半導体光アンプ、及び光通信装置
US7539231B1 (en) * 2005-07-15 2009-05-26 Lockheed Martin Corporation Apparatus and method for generating controlled-linewidth laser-seed-signals for high-powered fiber-laser amplifier systems
US7940453B2 (en) * 2006-08-07 2011-05-10 Pyrophotonics Lasers Inc. Fiber amplifiers and fiber lasers with reduced out-of-band gain
WO2008143084A1 (ja) 2007-05-18 2008-11-27 Fujikura Ltd. ファイバレーザ
JP2009290203A (ja) * 2008-04-30 2009-12-10 Sumitomo Electric Ind Ltd 光増幅モジュールおよびレーザ光源装置
JP5293252B2 (ja) * 2009-02-19 2013-09-18 パナソニック株式会社 光ファイバカプラおよびファイバレーザ
JP4663804B2 (ja) * 2009-09-04 2011-04-06 株式会社フジクラ ファイバレーザ装置
US8934509B2 (en) * 2009-11-23 2015-01-13 Lockheed Martin Corporation Q-switched oscillator seed-source for MOPA laser illuminator method and apparatus
US8441718B2 (en) * 2009-11-23 2013-05-14 Lockheed Martin Corporation Spectrally beam combined laser system and method at eye-safer wavelengths
JP2012238781A (ja) * 2011-05-13 2012-12-06 Mitsubishi Electric Corp Ｙｂ添加ガラスファイバを用いるファイバレーザ発振器およびファイバレーザ増幅器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5422897A (en) * 1994-01-28 1995-06-06 British Telecommunications Public Limited Company Two-stage mono-mode optical fibre laser
CN102136669A (zh) * 2009-12-08 2011-07-27 韩国电子通信研究院 双包层光纤装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A 980-nm Yb-Doped Fiber MOPA Source and Its Frequency Doubling;D.B.S.Soh et al.;《IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS》;20040430;第16卷(第4期);第1032～1034页 *
Developments of a fibre-MOPA system for the light source of the gravitational wave antenna;Mitsuru Musha et al.;《Class.Quantum Grav.》;20060328;第23卷(第8期);第S287页，第S289页第1段至第S292页第1段及附图1和2 *

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Publication number Publication date
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