CN1894832A - 包层泵浦式准三能级光纤激光器/放大器 - Google Patents

Abstract

揭示了一种光学有源光纤(30)，这种光纤可制造光纤激光器(18)或放大器(16)，它们都是用工作波带为1.5微米的大面积激光二极管来进行光学泵浦的。这种双包层结构的有源光纤(30)具有纤芯(34)，纤芯(34)中掺杂有可以光学的方式激发的铒离子，铒离子具有准三能级跃迁。纤芯(34)具有纤芯折射率和纤芯横截面面积。内包层(32)围绕着纤芯(34)。内包层(32)具有比纤芯折射率要小的内包层折射率，内包层横截面面积比纤芯横截面面积大2到25倍，并且内包层(32)的纵横比大于1.5∶1。外包层(36)围绕着内包层(32)，并且外包层折射率小于内包层折射率。

Description

包层泵浦式准三能级光纤激光器/放大器

技术领域

本发明一般涉及用作高功率光放大器和激光器的有源掺铒光纤的波带内、直接的、匹配的或谐振的泵浦，这类高功率光放大器和激光器可应用于激光加工、医疗领域、远程通信等。本发明尤其涉及准三能级双包层光纤激光器和准三能级双包层光纤放大器，它们在电磁波谱中对人眼安全的区域内可有效地产生高功率1.5微米波带辐射。

背景技术

激光器或放大器中的增益介质由具有各种能级的原子或离子组成。跃迁是量子力学***借此从一个能级变为另一个能级的过程。这种能级也被称为用于表示分子中电子跃迁的谱线带，它们形成电子带谱。在该跃迁过程中，能量被发射或被吸收，并且通常采用的形式是光子、或作为热能释放掉的声子(粒子动能)。仅与光子有关的跃迁被称为直接的辐射跃迁，而产生光子和声子的那种复合被称为非辐射跃迁。非辐射跃迁是当***从一个能级变到另一个能级而没有辐射的吸收或发射的时候原子或离子所经历的一种变化。基本的能量由振动提供或由振动带走，比如，在固态物质中形式为热能的动能，或等离子体中原子或电子的运动。

光泵浦是这样一种过程，其中通过吸收落在材料上的光，便改变了一组能级中原子或原子***的数目。光泵浦过程将原子提高到特定的更高能级，并且可以导致在某些中间能级之间的粒子数反转分布。粒子数反转分布是这样一种条件，其中在两能级的上能级中的原子***比下能级中的要多，这样与受激吸收相比受激发射将占主导。

通常，激光放大器由振荡器、放大器和透镜构成。放大器包含具有增益介质的泵浦腔，该增益介质的几何形状可以是棒状、板状或其它形状。泵浦腔将能量赋给增益介质，增益介质转而产生光子。这些光子被包括在该增益介质中穿行的相干能量束中。

有源的增益或激光介质是激光器内的材料，作为受激电子或分子跃迁以降低能态的结果，该材料发出相干辐射。受激发射而非光线吸收有可能将发生在给定的波长处，该给定波长提供了有源激光介质中的增益。该介质必须具有粒子数反转分布这种条件；即至少一个量子跃迁，其中与低能级相比高能级的粒子布居数要多。

激发势是一个术语，指提高原子能级所要求的能量，即如果该原子要辐射能量所必需的量。高激发势是产生给定谱线过程中所涉及的跃迁的高能态中的能量。低激发势是将原子激发到它可以吸收给定波长的光线那种状态所需的用电子伏特表示的能量。

泵浦带是当泵浦辐射被加在激光介质上时最初将基态离子激发到其上的那些能级的组。泵浦带通常位于能量比要被反转的能级还要高的地方。当用来自光子的光能来泵浦增益介质时，增益介质的原子中的电子从基态被激发到激发态。该差异被称为泵浦波长。基态和激光上能态之间的能量差异被称为跃迁波长。在激发能态和激光上能态之间的能量差异被称为量子数亏损。当电子从激发能态跃迁到激光上能态时，发出了以光子为形式的热能。量子数亏损导致在增益介质中产生了热量。所产生的热量限制了激光器的效率。

当用波长比跃迁波长短的光子来泵浦增益介质时，增益介质的电子被激发到比激光上能态更高的能态。结果，在该更高的能态与激光上能态之间产生了量子数亏损。电子从该更高的能态弛豫到激光上能态并不产生受激发射。相反，从更高的能级到激光上能态的跃迁导致了热量的产生。能级之间的空隙越大，产生的热量就越多。

激光辐射通常产生于三能级或四能级跃迁***的材料中。三能级激光器具有的材料可以是固态红宝石，它具有三个能级的能态结构：基态(1)，其中加在材料上的激发将材料中的离子提高到宽带能级(2)处，这些离子自发地从能级(2)转移到较低的、布居数更密集的能级(3)，辐射(荧光)的发射表示自发地返回基态能级。在三能级***中，荧光所对应的低能级是基态能级，即能量最低的能级，而在四能级***中该低能级位于基态能级之上。

四能级激光器也可以是固态激光器，它们是由嵌入晶体或玻璃材料(通常是石榴石)的过渡金属、稀土金属或锕系元素的有源原子或离子构成。激发与转移到不同能级的过程与三能级激光器相似。不过，存在第四个在基态能级上的、通常未被占据的能级，其中在自发衰变使它返回基态能级之前激光就终止了。

三能级***通常不如四能级***那样有效率。为产生激光发射所必需的粒子数反转分布，我们必须“泵浦”原子、离子或分子等粒子，使它们从一个或多个能级到达更高的能级。既然基态能级上的粒子布居数显著比更高能级要多，那么在三能级***中获得所需的能量布居反转通常是非常困难的。另一方面，在四能级***中，用于激光跃迁的低激光能级通常比基态能级要出许多，因此几乎可以完全处于布居数为零的状况，甚至在室温时也是这样。换句话说，与三能级***相比，在四能级跃迁***中任何特定温度下用于引起布居数反转的能量阈值或激发势都更低，从而导致更高的激光跃迁几率。自发跃迁几率是某一能态中的原子在给定的单位时间内自发地跃迁到更低的能态中的几率。与三能级跃迁***相比，因为有更高的自发跃迁几率，四能级激光跃迁***更为有效并且更广泛地用于产生激光辐射。

“准三能级”激光跃迁***也是已知的。在准三能级***中，激光跃迁的低能态接近基态，但仍然是热布居态(因热运动而存在粒子布居)。较低的、热布居态通常处于基态多重态中。在这种情况中，能态多重态是由固态激光材料中的掺杂物质来确定的，而结晶或玻璃主体在确定此类多重态中每一种多重态所含能级的数目和位置的过程中扮演重要的角色。用于准三能级泵浦的另一个术语是谐振泵浦，它包括谐振吸收和谐振辐射。谐振吸收是被吸收的能量因材料内能级跃迁而在任意方向上从粒子处重新发射(具有与入射能量相同的波长)的过程。相似的是，谐振辐射是由原子或分子发出的、与入射粒子(比如，光子)具有相同频率的辐射。通常，它涉及向原子或分子的最低能级跃迁。

尽管在室温下已经观察到准三能级跃迁，但是通常在所有之前的装置中都要求很高的能量阈值以提供必需的布居反转。这已经大大降低了效率。

在光通信、军事***和医疗***中，高功率1.5微米波带辐射特别吸引人们的兴趣。该波长对人眼是安全的并符合二氧化硅光纤的低损窗口，这有利于那些要求在电磁波谱中对人眼安全的区域内使用高功率激光的应用。当配置成放大器时，本发明可应用于那些要求高输出功率的光传输***，比如，共用天线电视(CATV)和自由空间光学(FSO)通信。对于包括FSO通信和大气传感的许多应用而言，也要求在对人眼安全的光谱区域中使用高功率光纤激光器。

过去对于提供1.5微米波带内的辐射(即，波长介于1.4到1.6微米之间的辐射)所做出的最大努力都集中在主结晶或玻璃材料在掺稀土的双包层光纤激光器(比如，带有铒：镱共掺杂光纤)中的共掺杂过程。在掺稀土的光纤中，稀土元素的离子(比如，Nd、Yb、Er或Ho)已经被包括在玻璃纤芯基质中了，从而在可见光和近红外光谱区域中产生具有低损耗的高吸收。在掺稀土的光纤激光器中，激光介质是用低能级的稀土卤化物来掺杂以使其能够把光放大。输出在很宽的范围中是可调的并且可以是宽带的。激光二极管可以被用于泵浦，因为光纤激光器具有低阈值功率，从而消除了对冷却的需要。

从需要提供离子间的能量转移的角度看，与依赖于单种离子既能吸收泵浦辐射又能发出激光的方法相比，会发现共掺杂方法的效率本来就偏低。例如，据报道Er:Yb共掺杂光纤吸收功率的最高效率是50％，因为能量从Yb转移到Er以激发发出激光的铒离子这一过程的效率相对较低。

其它已知的1.5微米波带辐射光源是半导体二极管激光器和固体激光器，比如Er YAG激光器。固体激光器使用透明物质(晶体、陶瓷或玻璃)作为有源介质，对其进行掺杂以提供发射激光所需的能态。泵浦手段是强光源的辐射，比如，闪光灯。红宝石、石榴石和Nd:YAG激光器便是固体激光器的一些示例。尽管半导体二极管具有体积较小的优点，但是它们的光束质量不能满足许多应用，并且目前商用的二极管不具有足够的功率且强度不及闪光灯。

发明内容

一种光学有源光纤被用于制造光纤激光器或放大器，它们是由1.5微米波带内工作的大面积激光二极管来泵浦的。这种双包层结构的有源光纤的纤芯是用具有准三能级跃迁、可以光学的方式激发的铒离子来掺杂的。该纤芯具有纤芯折射率和纤芯横截面面积。内包层围绕该纤芯。内包层具有比纤芯折射率要小的内包层折射率，内包层横截面面积比纤芯横截面面积大2到25倍，并且纵横比大于1.5∶1。外包层围绕内包层，并且外包层折射率小于内包层折射率。

附图说明

图1a-b是根据本发明在掺铒玻璃中有关4f-4f吸收和激光跃迁的简化能级图，用于比较(a)中典型的980纳米泵浦铒和(b)中波带内泵浦；

图2是根据本发明由工作在1.5微米波带中的大面积激光二极管来进行光泵浦的光学有源光纤的示意性横截面图；

图3是根据本发明在1605纳米处的输出功率(毫瓦)对1535纳米处的输入功率(毫瓦)的图；以及

图4是根据本发明图2的有源光纤30的内包层32的椭圆体或椭圆形323的横截面表示。

具体实施方式

对于远程通信，光纤是有利的传输介质，因为其容量大且免受电噪声的影响。二氧化硅光纤相对不贵，并且当被制作成单横模光纤时，它可以将1550纳米波带的信号传输数千米而不用放大或再生。不过，在许多光纤网络中仍然需要光放大，因为所涉及的传输距离很大，或因为光学信号被分到许多通路之中。已经发现，掺铒光纤放大器(EDFA)在提供所需光增益方面相当有效。现在普遍知道EDFA是一种能够用于放大光输入的光纤。铒稀土离子作为掺杂剂被添加到光纤纤芯材料中，典型的掺杂水平是每百万中掺杂几百个。在铒激光波长1.5微米处，该光纤是高度透明的。当用激光二极管来泵浦时，产生了光增益，便实现了放大。众所周知，如图1所述，当由980纳米波长116来泵浦时，在纯粹的三能级模式中运行的铒光纤放大器能够放大波长为1550纳米的光信号。

参照图1，示出了掺有三价铒玻璃的能级图。所示的能态多重态是基态⁴I_15/2多重态(用参考数字11来指代)、下一个较高能量多重态⁴I_13/2(用参考数字12来表示)、以及激光上能态⁴I_11/2(用参考数字13来表示)。尽管在掺铒激光器中有许多能量多重态，但是基态多重态11和紧相邻的较高能态12在它们之间定义了激光辐射所感兴趣的波带以及适当的吸收光谱。吸收光谱也被称为光谱的吸收窗口，它是由已经通过材料介质过滤过的辐射所形成的，与发射光谱相对。可以理解，基态11多重态不仅包括基态能级(被标识为能级1)，还包括若干其它的能级(准基态，未示出)。在室温下，大多数铒离子都处于基态能级11中。较高的能量多重态12与基态多重态相似，相同多重态中的多个能级形成两个不同的又靠近的组，第一组能级在第一组中，第二组能级在另一组中。当基态组在基态多重态中时，是这两组中较低的那一组定义了所感兴趣的辐射波长和吸收光谱，以保证用单一类型的掺杂剂来实现布居数反转和接下来的激光发射。相对于多重态11中的那些能级，多重态12中的能级也具有非常长的寿命，大约几个毫秒的量级。已经发现，0.1掺铒玻璃在室温下对1.51-1.54微米的波带具有很大的吸收。尽管该波带包括两个吸收峰，分别位于1.528±0.001微米和1.533±0.001微米处，但是所选的泵浦光源具有的输出能量要集中在这些吸收峰中的至少一个之中。

图1a中传统的纯粹三能级泵浦所提供的光子处于比跃迁波长高出许多的能级上(即波长更短)。常规的二极管将增益介质泵浦到比激光下能态之上的激光上能态要高的能态。激光上能态或较高的激发能是⁴I_11/2能态13。激光下能态是⁴I_13/2能态。较高的激发能态13和激光下能态12之间的能量差异会随着电子非辐射地弛豫到⁴I_13/2激光下能级12而产生热量130。热量130的产生导致了施加在增益介质上的热负荷。

参照图1b，本发明用直接将增益介质原子激发到激光下能态12上所对应波长的光子来对增益介质进行泵浦。既然光子泵浦并不将增益介质激发到更高的激发能态中，那么所产生的热量就减少了。增益介质电子并不从更高的激发能态13弛豫到激光下能态，用闪光灯或传统的二极管泵浦便是这种情况。通过控制施加到增益介质上的光子的波长，本发明由此减少了增益介质上的热负荷。根据本发明的宗旨，当用强烈的1.5微米波带光源16来泵浦所定义的掺铒玻璃时，基态组11中的铒离子被激发到上多重态12中较低的能级。尽管在典型的三能级跃迁***中布居数反转是通过将粒子布居从基态能级11的第一能级泵浦到激光上能态13中较高的能级上而实现的，但是对于符合本发明标准的掺铒固体材料的波带内泵浦而言，也可以通过对被标识为基态能级11中第二和第四能级的基态多重态中的能级中的布居粒子进行泵浦从而实现布居数反转。它们被泵浦到下一个较高能态多重态12中较高的能级上。这由线16在图1中表示。在室温下，尽管基态多重态中铒离子布居数的26％都位于基态11的第一能级上，但是还有总共48％位于基态11的第二和第四能级上。此外，基态多重态中离子能量的重新分布，泵浦过程耗尽了所有这些能级。这在减小泵浦阈值方面相当重要，泵浦阈值是实现激光发射所必需的。这也对激光器的效率贡献甚大，下文会对此作进一步的讨论。

从图1的能级图中可以看出，泵浦波长16与激光发射波长范围26之间的差异非常小。这导致泵浦高度有效地转变为输出光，图3对此给出证实，其中所示的1530纳米光要求最低的量以在双包层光纤的几何结构中实现透明并因此实现增益。此外，对于吸收和发射而言，波长16和26之间的差异涉及在该***中以热量的形式损失的泵浦能量。因为该差异很小，尤其是与图1a中传统的纯粹980纳米泵浦相比，所以在图1b中热量相应地也很小。

参照图2，示出了使用本发明的一种双包层光纤激光器装置。图2示出了本发明的光有源光纤、亮度转换器、光纤放大器、光纤激光器、电介质波导激光器或放大器，参照若干示例性实施例对它们进行了描述，其中相同的数字指代相同的或功能相似的部件。

参照该图，通常用参考数字30来指代符合本发明标准的双包层光纤结构中的固体激光材料、掺铒硅酸盐玻璃。其两端都用电介质涂覆，留下的是光纤/空气接口，或者其两端放置光纤布拉格光栅以具有适合于激光和泵浦辐射的低反射率。该双包层光纤位于由镜子60和62所定义的激光谐振腔46之内，镜子62具有适当减小的反射率以便所感兴趣的激光辐射向输出光纤20提供激光输出66，比如用于向放大器输入的单模光纤。用于放大器的光纤可以简单地与双包层光纤30相同但没有镜子60和62。

泵浦光源、大面积半导体激光(BAL)二极管是作为72示出的，以便在泵浦波长约为1530纳米处进行泵浦。应该理解，通过使用形式为二极管棒或堆的BAL阵列，便可以增大到更高的功率。

泵浦光源72的输出经透镜70聚焦到双包层光学掺杂光纤30的内包层32之中，放置该双包层光学掺杂光纤30以将二极管泵浦64的输出耦合到谐振腔或激光器结构中。激光材料或光学有源双包层光纤30具有用外包层36来围绕的纤芯34，纤芯34是用光学有源离子或掺杂剂90来掺杂的。

当受激离子从图1上方的多重态12中较低的组弛豫到图1中较低的多重态11的基态组时，这种掺铒双包层光纤将发射1550-1620纳米的相干辐射。当谐振使1550-1620纳米波带辐射的增益高于每一次往返之后的损失时，激光材料将发出1550-1620纳米波带中的激光束。

激光器的效率被定义为输出功率与输入功率的比例。它取决于量子效率(每个吸收的泵浦光子所产生的激光光子的数目)、量子数亏损(泵浦光子和激光光子之间的能量差异)和泵浦效率，泵浦效率包括激光材料的泵浦吸收效率和泵浦光源的电光效率。我们可以假设本发明的量子效率是1，因为在较高的多重态中激光能级的寿命很长。本发明的突出特征之一是其较小的量子数亏损，这允许量子能量效率可以达到99％。(激光器的量子能量效率是激光光子能量与泵浦光子能量的比例，由λ_P/λ_S决定，其中λ_p是泵浦波长而λ_s是激光波长。)该99％量子能量效率是异常之高。该较小的量子数亏损和相伴产生的少量热量能够使输出功率增大到几瓦的水平。

有效的泵浦源是InGaAsP/InP或AlGaInAs/InP二极管激光器，它们通常具有30-45％的量子效率(单位是瓦特/安培)，并且电光转换效率为25-40％。作为示例，用多模InGaAsP二极管泵浦，泵浦功率吸收效率可以超过90％。因此，在理论上可以实现90％的光转换效率和22-36％的整体转换效率。

不过，大面积激光二极管具有约50-200微米的宽度，这比单模运行相关的宽度要大许多。例如，根据其它芯片和光纤匹配条件，大面积激光器二极管产生多模光纤输出所对应的120微米条纹宽度能够被用于非常高的功率运行情况中。它们的大尺寸允许它们产生更高的光功率，同时仍然以相当低的功率密度来运行。不过，极难实现具有基(零阶)横模的稳定运行，该模式是泵浦单模光纤或放大器的过程中所用的模式。

因此，双包层结构执行亮度转换器的功能，它允许在双包层结构的纤芯34中由单模波导的低亮度多横模大面积泵浦二极管72来进行有效的泵浦以便输出高亮度输出光线66。

通过使用同轴波导(图2示意性地示出了这种所谓的双包层光纤结构，图4示出了其较佳的拉长的内包层32横截面)，来自大面积二极管72的多横模光线有效地耦合到掺铒玻璃激光材料中。该双包层结构和较佳的拉长内包层32比标准类型2双包层光纤要小，允许多模泵浦光被有效地耦合成单模输出光。

为实现激光振荡，要求在掺铒光纤30中必须有反馈。因为该***中的增益很高，所以可以通过光纤末端“空气-玻璃”界面的菲涅珥反射来实现反馈。反馈也可以通过下列来实现：使用反射镜60或62，比如，光纤末端的电介质镜子；或将布拉格光栅制造到光纤纤芯34中或横跨内包层32作为多模光栅。由此，本发明提供了用于有效地耦合多模输入的掺铒双包层光纤激光器，它由高功率1535纳米大面积激光器来进行波带内泵浦。

即便不使用反馈，当被配置成单通光放大器时，波带内泵浦式掺铒双包层光纤30也是有用的。通过1535纳米大面积激光器72的激发，该放大器是高度有效并能够产生高输出功率等级。当被配置成单通放大器时，本发明将提供一种有效的高功率放大器，用于像CATV这种应用。

因此，本发明提供了一种高功率掺铒光纤激光器和放大器，它们处于对人眼安全的光谱区域中。通过使用高功率1535纳米大面积激光器72和双包层掺铒光纤30，便可以在对人眼安全的电磁波谱区域中实现几个瓦特等级的单横模光线的有效产出。波带内泵浦方案因热损耗减小而产生更大的功率可缩放性。该结构也具有低量子数亏损的好处以及相应很高的功率转换效率。

对于1.5微米波带内泵浦而言，需要强大的泵浦源以提供所要求的激发势。单条纹大面积二极管激光器仍然是最有效的并且最便宜的泵浦源。半导体激光器技术最近的进展已经产生了一种单条纹大面积激光器二极管，其在短波长处输出高达16瓦的功率。慢轴数值孔径(NA)小于0.1并且在920和980纳米处的输出功率为2瓦的100微米宽的器件目前正在通过远程通信应用的质量测试，但是目前在1.5微米处还没有高功率的商用器件。使用适当的耦合光学器件，这种激光二极管的光束能够被聚焦成一个斑点，小至30×5微米，在两个横向方向上其数值孔径小于0.35。该斑点中的光功率密度约为1.3MW/cm²，它应该足够高以在准三能级激光***中实现透明，如果在1.5微米波带处高功率的情况下可以获得这样一个激光***的话。

为使双包层掺铒光纤结构30对大面积激光二极管72最佳化，包层与纤芯面积比例的推荐值介于2∶1到8∶1之间，这是因为阈值应该尽可能地小以便有效地进行泵浦，这在下文中会从理论上进行解释。

一种利用便宜的高功率大面积泵浦激光器的方法包括包层泵浦式、或双包层光纤设计。包层泵浦式光纤激光器和放大器的优点是公知的。这种器件有效地用作亮度转换器，用于将多模泵浦光中的大部分转变为单模输出。

包层泵浦可以用在光纤放大器自身之中，或被用于构建单独的高功率单模光纤泵浦激光器。不过，在实践中已经确定包层泵浦技术并不能有效用于泵浦纯粹的三能级光纤激光器。

实用的双包层放大器和激光器大多限于4能级***。与三能级激光***相比(其中激光发射跃迁是在激发能态和基态之间)，四能级激光***的双包层光纤激光器(其中激光发射发生在两个激发态之间)可提供更好的性能。

在竞争且增益更高的四能级跃迁情况下，当不被泵浦时掺杂纤芯仍然对激光信号波长透明。结果，激光发射的功率阈值基本上取决于双包层光纤结构中掺杂纤芯和内包层的大小，还取决于双包层光纤在泵浦吸收长度上的背景损耗。

众所周知，双包层光纤允许来自二极管棒和其它相似的有源结构中的耦合。不过，通过用与信号重叠有关的掺杂分布极大地减小泵浦重叠，便可按常规方式实现上述这一点，这是因为掺杂需要被限制在信号纤芯中或接近信号纤芯处以获得足够的用于信号波长处纤芯模式的光增益。通常，纤芯是均匀掺杂的，并且对于常规的双包层光纤激光器而言，在泵浦波长和信号纤芯之间包层与纤芯的面积比(CCR)是100∶1。

不可避免地，竞争的四能级跃迁的更高增益导致高水平的放大自发发射(ASE)，这使反转饱和。即便使用弱泵浦，四能级跃迁处的ASE也会使放大器饱和并耗尽，或者防止三能级跃迁处激光发射所必需的粒子数反转的增强。事实上，即便没有光学腔体，仅从向后散射过程中，在较长四能级波长处的激光发射也是可能的。因此，高泵浦吸收将对四能级跃迁处的增益有利，即使用于定义该腔体的激光镜子被调整用于三能级跃迁。

由此，在准三能级或三能级包层泵浦式光纤激光器中，泵浦功率空间分布与掺杂区域的重叠导致竞争的四能级激光跃迁(要求相对较低的反转水平，＜5％)的甚高增益。因此，有必要抑制这些竞争的跃迁的增益，以在所要求的反转水平上实现期望的三能级或准三能级振荡。

因为对于固定的泵浦功率而言使光纤长度足够长就等价于减小平均反转，所以光纤长度可以故意做得足够短以避免在准四能级跃迁处发射激光，但最好在三能级跃迁处发射激光。不过，短光纤激光器效率不高。

根据本发明的宗旨，在1.5微米波带中铒准三能级跃迁的特定情况下，使用较佳的硅酸盐主体玻璃(比如，硅酸锑)时，对于铒双包层光纤激光器，已发现期望的包层与纤芯比例(A_clad/A_core)小于8。

有多少泵浦光可以耦合到双包层光纤内包层中则取决于包层尺寸和NA。众所周知，光纤的“聚光本领”(数值孔径乘以孔径大小或斑点大小)应该等于或大于泵浦光源的聚光本领以便有效耦合。数值孔径和斑点大小在两个轴上是不同的，所以有一个在x和y方向上必须保持或超越的聚光本领。

通常，期望高数值孔径，它与第一和第二包层之间的折射率差异有关。在公知的设计中，第一包层由玻璃制成，第二包层由折射率相对低的塑料(氟化聚合物)制成，从而增大数值孔径NA_clad。这种塑料可能不具有许多应用中所期望的热稳定性，可能从第一包层上脱落下来，并且可能易受湿气损坏。此外，用三能级跃迁时，已知的大包层双包层概念并不有效。

即便已知常规的包层泵浦式高功率三能级光纤激光器的无效性，也不知道通过使用特殊的设计规则有可能克服该无效性。

通常，可以用作光纤激光器或放大器的双包层结构包括两个包层。第一(内)多模包层32充当多模泵浦芯。第一包层32与单模纤芯34紧邻，第二包层36围绕第一包层32。第一多模包层或内包层32充当具有高数值孔径(NA_clad)的波导，用于输入泵浦光。第一多模包层32的横截面(Dclad是内包层的较长的尺寸44，图4和图2中都可以看到)可以被设计成具有期望的形状，例如，该形状与泵浦源的近场形状相匹配(D_laser是慢轴中大面积激光器发光孔径42的大小，图2中可以看到)或与任何其它图案或形状匹配，从而增大泵浦光束的耦合效率。第一和第二包层之间的数值孔径(NA_clad)必须足够大以俘获泵浦激光二极管的输出。所实现的实际亮度增大取决于泵浦包层面积与纤芯面积的包层与纤芯比(CCR)，其中该比例(CCR)越高，亮度就越大。不过，纤芯和包层横截面之间的这种面积不一致使器件长度必须很长，这是因为泵浦辐射的吸收反比于该比例(CCR)。按照常规，泵浦包层面积与纤芯面积的高比例(CCR)可导致实现高水平的反转变得很困难，这是因为通常该比例(CCR)越高，在给定泵浦功率下可以实现的反转水平就越低。因此，泵浦吸收和反转相互关联。

因此，在包层与纤芯比例(CCR)很高的双包层光纤放大器/激光器的纤芯中使用稀土元素铒作为掺杂剂是有问题的。即使从二极管激光棒中可以获得非常高的功率，也很难达到激光器或放大器所对应的准三能级***工作所需的高水平反转。

三能级跃迁要求大于50％的高反转以获得增益。与四能级激光器相比，准三能级跃迁要求更低的但显著的反转能级，四能级激光器在小反转的情况下获得增益。在三能级***中，激光发射出现在从激发能级到基态或与基态分开但不超过几个kT(即，工作温度下的热混合)的能态这一过程中。结果，未泵浦的掺杂纤芯在激光波长处强烈地吸收，并且激光发射功率阈值会因布居数反转不充分而变为一个问题。

参照图2，双包层结构有源光纤30具有掺杂的中心部分或纤芯34，掺杂所用的是可光激发的离子90，离子90具有准三能级跃迁，要求高水平的反转。纤芯34具有纤芯折射率(n_core)和纤芯横截面面积。横截面面积可以从纤芯的尺寸42中计算出来。围绕着纤芯34的是内包层32，内包层32具有比纤芯折射率小的内包层折射率(n_内包层)以及比纤芯横截面面积大2到25倍的内包层横截面面积(2＜CCR＜25)，并且纵横比大于1.5∶1。这种关于双包层有源光纤30的较佳设计和尺寸允许大于6dB的强泵浦吸收，同时可抑制长波长ASE。内包层横截面面积可以从内包层的尺寸(这包括较长的尺寸44)中计算出来，本发明对此有描述并且图4会给出示例。

参照图2，外包层36围绕内包层32并具有小于内包层折射率的外包层折射率。

作为用于双包层有源掺铒光纤30的一个示例，图2示出了一种激光器结构。在有源光纤30的泵浦端，放置了一个100％信号反射和泵浦透明的镜子60。约4％的信号反射位于输出端，该输出端具有可选的输出镜62。可以找出较佳的包层与纤芯面积比或Γ_S/Γ_P的重叠率，对于在1.5微米波带的铒光纤激光器中使用的稀土元素掺杂剂铒而言，本发明所找出并给出的最大比例是7.6。

通常，图2的有源光纤30可以用作放大器或光纤激光器。本发明对掺铒的双包层结构给出了最大的可允许内包层面积。通常，在给定泵浦吸收横截面(σ_ap)、亚稳能级寿命(τ)和期望的平均反转水平( n₂)、以及从任何类型的激光二极管中可以获得的泵浦功率(比如，假定特定的功率吸收)的情况下，输入和输出(未吸收的)泵浦功率值可以分别估计为P_in和P_out，使用下面的方程可以得到最大可允许的横截面包层面积(对于任何稀土和主材料***，本发明都这样给出)：

$A_{\mathrm{clad}}\≤\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ap}}\mathrm{\τ}(1-{\stackrel{\‾}{n}}_2)(P_{\mathrm{in}}-P_{\mathrm{out}})}{\mathrm{hv}{\stackrel{\‾}{n}}_2\ln (P_{\mathrm{in}}/P_{\mathrm{out}})}---\left(1\right)$

其中h_υ是泵浦光子能量。

不管在离子和主材料之间所有的差异，方程(1)都是普遍适用的，并且尤其适用于饱和之下工作良好的放大器。通常，对有效的激光器和放大器工作而言，最关键的不是包层与纤芯的比例(CCR)而是内包层的绝对大小。因此，纤芯34可以是符合到图2的内包层32之内的任何尺寸。

不过，纤芯34在大小和NA方面最好与标准单模光纤20相似，这将有利于与输出光纤20进行激光耦合，或有利于与放大器的输入和输出进行耦合。典型的单模纤芯半径约为3到4微米。

在计算双包层光纤放大器(它基于用非有源掺杂剂Ge和Al(类型II)进行共掺杂的二氧化硅玻璃)的内包层的较佳尺寸的过程中，内包层的横截面面积是A_clad≈780平方微米。这意味着，对于大于780平方微米的内包层横截面面积而言，平均反转0.6将不可实现，除非使用更强大的泵浦激光器(比2W还要大的功率)。实践中，无源损耗将内包层的可用尺寸限制到更低的值，约500平方微米或更少的量级。

如果在激光二极管中可获得的功率翻倍成4W泵浦二极管，则推荐值也翻倍，使得内包层面积小于2000平方微米并最好小于1500平方微米。

当使用小波导尺寸和较佳的全玻璃设计时，直接的末端泵浦是较佳的选择。本发明另外给出对于准三能级器件(比如，激光器或放大器)而言重要的是可以在内包层中产生的泵浦功率密度水平(它定义了可实现的反转)。根据本发明的示出，为找出内包层的最大期望面积，较为方便的是使用激光器所对应的功率阈值估算方程。

对于任何三能级器件，激光器中的阈值泵浦功率P_th总是要高于饱和功率P_sat。换句话说，光纤激光器必须沿其长度的相当一部分“被漂白”(即，约一半激光发射原子已经被激发到激发态。P_sat是如下定义的饱和功率：

$P_{\mathrm{sat}}==\frac{\mathrm{hv}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ap}}\mathrm{\τ}}{A}_{\mathrm{clad}}---\left(2\right)$

因此，内包层面积越小，饱和功率就越低，因为它们直接与方程(2)相关。可以看出，饱和功率越小，反转越大，因为它们反关联，因此，更高的反转可以实现以使准三能级激光器工作。

阈值功率P_t与包层面积和激光器的长度成正比。用下面的方程可以很好地估算阈值泵浦功率，其中可以看出当光纤激光器被漂白时阈值泵浦功率比饱和功率高出一个因子a_p/4.343：

$P_{\mathrm{th}}=P_{\mathrm{sat}}({\mathrm{\α}}_p/4.343)=\frac{\mathrm{hv}{A}_{\mathrm{vlad}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ap}}\mathrm{\τ}}({\mathrm{\α}}_P/4.343)---\left(3\right)$

其中σ_a是泵浦吸收横截面，τ是荧光或亚稳能级寿命，A_clad是内包层的横截面面积，并且α_P是单位为dB的泵浦吸收。因此，从方程(3)中，激光发射的功率阈值基本上取决于内包层的大小和有源光纤在泵浦吸收波长处的背景损耗。

不过，内包层的最小面积的实际大小将受限于材料选择(NA_clad和折射率对比度或折射率差)和泵浦聚焦光学元件的质量。当包层纵横比为2或更高时，包层与纤芯面积比例CCR将不可能小于2，除非纤芯也是椭圆的。此外，用常规的光学元件很难将100微米或更宽的大面积激光器72聚焦到尺寸小于20微米的斑点，并且使单模纤芯大于10微米不是实际的，因为所要求的折射率对比度或折射率差将太低。这又规定了最小CCR约为2。

在其包层与纤芯面积比(CCR)较小的双包层放大器中，信号的包层模式将与掺杂的纤芯重叠到足够的程度以在更高阶模式(HOM)中获得增益。波导的任何模式都具有确定的光场分布。波导模式只在光场与掺杂区域重叠的那部分中被放大(对于此处的描述，我们假定只对纤芯进行了掺杂，尽管对包层进行部分掺杂也是可能的)。纤芯基模的大部分光场都在纤芯34之内，并且如果达到了所要求的反转水平则该模式显然会被放大。不过，内包层支持许多不同的模式，因为其较大的尺寸。一些离子总是自发跃迁，从而向每一种模式、纤芯和包层给出等量的光子。如果包层在尺寸上与纤芯可比，则更高阶内包层信号模式中的至少一些将具有足够的光场重叠，同时纤芯中的离子也被放大。该重叠会使激光器或放大器效率下降，因为更高阶包层模式(ASE)中累积的光能将不会耦合到单模输出光纤中。

对于放大器而言，一种解决方法是使输入和输出单模光纤20进行最佳地模式匹配，光纤20与用作放大器的有源光纤30的双包层光纤纤芯模式交界，所以非常少的光线被发射到放大器的包层模式中。否则，将任何光线发射到放大器的包层模式中都会使其效率下降，因为一些泵浦能量将浪费在包层模式的放大过程中并将无法转变为有用的输出。为了使输入光纤与双包层光纤的纤芯模式进行模式匹配，当光纤在接合时，要保证模场直径(MFD)与输入光纤和双包层纤芯相同。即使实际的折射率差异或折射率差与纤芯直径可能不同，所需的也仍然是使MFD匹配并对准纤芯。

对于激光器而言，本发明所给出的另一种解决方法是使用模式选择性反馈以保证只有基模激光运行。为提供模式选择性反馈，使输出单模光纤与双包层光纤纤芯模式模式匹配，并且在输出光纤中提供了形如布拉格光栅的可选信号反射器52或另一种类型的反射器，以保证只对纤芯模式提供更强的光反馈。如果内部损耗足够小，则激光效率相对而言对外部反射不敏感。因此，4-15％的外部反射器将并不显著使效率下降。不过，一旦将反射器52放入单模输出光纤20并且光纤都已模式匹配，则只有双包层光纤激光器30的纤芯模式才能接收到反馈，包层模式都不能接收到。因此，反射器52反射信号以执行模式选择功能。反射器52的存在和模式匹配将保证包层模式不会发出激光。

或者，输出镜62较佳地采用合适的薄膜堆形式，它可以取代并消除对布拉格反射镜52和附加可选泵浦反射镜56的需要。因为本发明示出了在准三能级激光器或放大器的全部长度中应该保持高反转水平，所以相当大的泵浦功率将通过并从另一端出来。因此，为使激光器/放大器效率最大，最好使用附加的多模泵浦反射器56，以将剩余功率反射到图2所示的器件中。离光纤末端一小段距离的平面反射镜充当泵浦反射器，如果它被设计成在泵浦波长处反射100％在信号波长处反射5-15％，它也可以提供某些用于信号的模式选择性反馈。

对于激光器，充当泵浦反射器56的输出平面镜可以简单地是沉积在光纤的解理端或磨光端上的电介质镜子，对于信号透明而对于泵浦则高反。

然而，对于使用有源光纤30作为放大器的情况，即使是非常小的信号反射量也可能引起不想要的多路干涉效应。如果内包层32的材料是感光性的，则放大器16所对应的有利的解决方法是在有源光纤30的未泵浦一端写入多模啁啾光纤布拉格光栅(FBG)56，设计用于反射所有的或大多数泵浦模式。

通常，使泵浦光和掺杂光纤纤芯之间的重叠最大化是有利的。由此，使纤芯更大内包层更小是所期望的。更大的纤芯提高泵浦吸收，而更小的包层可在泵浦功率更少的情况下产生更高的反转。然而，已经讨论或将要看到的其它因素会将最佳纤芯尺寸限制到与近两模式纤芯相对应的一个尺寸。因为物理原因，需要包层与纤芯面积比(CCR)大于5或6。鉴于目前的材料选择和耦合光学元件的功能，关于在泵浦耦合效率将开始变糟之前可以使包层尺寸减小到什么程度存在一个限制。鉴于该最小包层尺寸，将包层与纤芯面积比(CCR)减小到5或6以下的唯一方法是开始使纤芯更大。

不过，纤芯和内包层之间的折射率之差不能太小，或者不能简单地将光场限制在纤芯中，并且纤芯波导将具有太多弯曲损耗。因此，在给定折射率差异的情况下，只能在纤芯变为多模之前增大图2和图4的纤芯直径42(在实践中，可增大到约10微米)，除非使纤芯具有梯度折射率。普遍知道，对于给定的折射率之差Δ，如果纤芯具有梯度折射率则稍微大一点的纤芯仍然可以是单模的。如果内包层波导具有值得注意的无源损耗量，则更大尺寸的梯度折射率纤芯允许它在更短的光纤长度中吸收相同量的泵浦功率，从而增大器件效率。通过使纤芯内包层预制棒退火或在更高的温度下拉伸它，从而允许显著的掺杂剂扩散，由此便可以实现纤芯折射率梯度分布。当纤芯熔化并且包层软化时，扩散过程相对很快，所以可以在原处产生梯度折射率分布。

梯度折射率的最终版本是这样一种纤芯，其折射率沿中心到外包层的边缘一直不断下降。然后，在纤芯和内包层之间便没有定义过的边界，它们成为一体。这种波导的零阶或基模被限制在其非常靠近中心处同时具有相对小的MFD，并且更高阶模式更为均匀地填充整个波导区域。因此，本发明也示出了面积比例(CCR)的模拟，其中是模面积比被指定而非玻璃层面积比。

如上所述，许多因素都对用作波导结构的双包层光纤的最佳设计有影响。在波导内许多模式及其强度(场)分布都取决于波导形状、折射率对比度或折射率差Δ以及尺寸。

对于当很难在纤芯和内包层(梯度折射率)之间画出界线的情况而言，无法简单地定义物理上的横截面面积比(CCR)。在高Δ梯度波导被用作“双包层”光纤的纤芯和内包层这种独特的情况中，模面积被定义为物理面积，其中模式的光强度高于其最大值的1/e²(或电场振幅大于其最大值的1/e)。换句话说，当纤芯和内包层形成一个单波导时，其构成材料具有连续变化的组分，使得折射率从中心部分到波导边缘逐渐下降形成梯度，该波导的中心部分是用具有三能级跃迁的光学有源离子进行掺杂的以形成掺杂区域，然后，波导的基(零阶)信号模与掺杂区域的重叠被设计成最好不大于该波导所有泵浦模组合起来与掺杂区域的重叠的7倍。

物理横截面面积比(CCR)所对应的直接模拟将是a/b的比例，其中“a”是所有组合起来的传播泵浦模式的横截面面积，“b”是基(零阶)信号模式的横截面面积。这种情况下，所有模式都是渐变波导的模式，渐变波导是纤芯和内包层。不过，泵浦将使用所有这些模式，并且信号在理想情况下将只在零阶中传播，从而为合理高的Δ给出约3∶1到5∶1的期望比例。所有组合传播泵浦模式的横截面面积与单信号模式的横截面面积的模式比3∶1到5∶1尤其有益于铒准三能级激光器。

对于标准情况，可以给出相似的定义，当纤芯和内包层具有清晰的边界时，因为泵浦又一次使用了包层的许多模式并且信号只使用纤芯的一个模式。不过，对于标准情况，该定义将给出与物理横截面比(CCR)几乎完全相同的数字值。

为了使“聚光本领”不变，双包层光纤30的NA_clad和斑点尺寸的乘积必须等于或大于图2的激光二极管72的数值孔径NA_laser和斑点尺寸的乘积。如果光学元件被用于使激光发射区域的图像减小，则相同的光学元件将自动使光束更发散，或增大其NA。内包层32(用作泵浦波导)NA、NA_clad必须等于或高于入射光束的数值孔径，以收集所有的光线。对于NA的一般定义是指最大发散角，在该角度处光束可以进入波导并仍然获得波导所需的全内反射。对于典型的100微米大面积激光器或二极管而言，平行于条纹(慢轴)的发散角对应于约为0.1的数值孔径。然后，期望光纤NA大于0.35以便泵浦光有效地耦合到30微米的纤芯中。对于15微米的纤芯，需要NA是0.7。

这些NA值表示非常高的折射率对比度，或内包层和外包层之间的Δ，并且高于标准二氧化硅光纤中可以获得的。不过，它们可以用多组分玻璃来实现。相对于二氧化硅而言，硅酸钽和硅酸镧铝光纤具有更高的折射率。将不同组分用于纤芯和内包层的硅酸锑也具有比二氧化硅相对高的折射率。几乎任何多组分光纤都将给出高折射率，例如，那些基于磷酸盐、硅酸铅和锗酸盐合成物的光纤，不过，纤芯的化学和物理特性必须与内包层一致，并且必须保存掺杂剂的光谱特性。

光纤波导的NA也与最小尺寸有关，因此，如上所述，也与特定纵横比所对应的阈值功率有关。延长的内包层32可以是各种形状，例如，矩形而非椭圆。随着矩形多模内包层的纵横比下降，用于激光发射的阈值功率显著减小了。对于大于4/π或1.27的矩形纵横比，矩形内包层具有比圆形要小的激光发射阈值功率。例如，对于数值孔径为0.6的波导，激光发射的阈值功率从直径为33微米的圆形内包层所对应的900mW减小到纵横比为3(33微米×11微米)的光纤波导的矩形内包层所对应的200mW。这些尺寸与宽条纹二极管激光器72的图像尺寸一致。如果2-4W二极管是宽条纹泵浦源72的限制，则该激光发射阈值功率减小是极有利的。

普遍知道，为了有效地耦合泵浦光，双包层光纤的内包层几何尺寸应该与泵浦二极管的几何尺寸匹配。不幸的是，大面积半导体激光器72的发光斑点是强不对称的，其纵横比至少为100∶1。光束在快轴方向上(垂直于水平面)通常是单模的(高斯的)，在慢轴方向上(平行于水平面)是强多模的。慢轴方向是最关键的，最终定义了可允许的泵浦波导或光纤激光器的尺寸。

本发明示出了可以用于图2的内包层32的多种延长的形状，除了图4的椭圆内包层32之外，技术上最便利的是矩形内包层、“轨道”内包层。较长的(慢轴)维度44应该至少比二极管激光器孔径的宽度(图2的D_laser42)乘以二极管慢轴NA_laser与光纤NA的比例的值大10-20％。例如，如果具有0.1NA的100微米激光器用于泵浦并且光纤内包层NA是0.3，则该包层较长的维度应该至少是1.2×100/3＝40微米。为了尽可能使包层的横截面面积变小，更短的(快轴)包层维度应该足够大以包容单模纤芯。所得的包层纵横比将是1.5∶1或更高。通过使泵浦模式与掺杂纤芯的重叠均衡化，长方形、椭圆形或其它延长的内包层形状(其包层与纤芯面积比(CCR)相对较小)将保证均匀的泵浦吸收。其它可能的延长形状包括菱形的内包层、像“土星”的内包层，它们在比纤芯圆周大的圆周的中间具有延长的中心椭圆扩展，它们将具有给定纤芯大小所对应的最小可能的包层与纤芯面积比(CCR)。

参照图2，双包层有源光纤30的较佳设计和尺寸允许强泵浦吸收同时抑制长波长ASE，并允许足够强的泵浦强度以获得准三能级运行，从而总结了本发明的示出。为了用作放大器或激光器，准三能级或准三能级双包层有源光纤或亮度转换器30的输入侧被波长为λ_P的泵浦信号64照射。内包层32是针对多模运行而构建的。较佳地，单横模纤芯34位于内包层32的中心处，是由具有足够组分差异的玻璃制成的，该足够的组分差异来自内包层32以提供折射率的适当差别。纤芯34并非必须严格是单模，2模的纤芯仍然有效。出于上述目的，纤芯34是用铒(Er³⁺)离子来掺杂的。双包层有源光纤30也包括内包层36，它最好是由其折射率比内包层32的折射率要低的玻璃制成的，所得NA_clad大于0.3。全玻璃设计允许这些类型的折射率，并且这些玻璃类型包括硅铝酸镧玻璃、锗酸锑、硫化物、镓酸铅铋等。用于外包的较佳材料也是玻璃，例如，硅酸硼铝的碱。

在图4的有源光纤30的横截面面积表示中，没有尝试过精确地示出它们的相对直径。不过，内包层32的面积较佳地比纤芯34的面积大不到25倍。

超过了与所牵涉的波长相比非常长这一点之后，有源光纤30的长度便相对不重要了，所以任何高阶模式都足够地被衰减了。实际上，该长度是由纤芯中稀土掺杂的水平和所期望的泵浦吸收效率所决定的。在某些情况下，1cm的长度就早已足够了。

作为使用单独的聚焦元件70的替代，宽条纹激光器72的光学特性可以足够好以便允许直接耦合到多模内包层32中。不过，如果需要聚焦元件70，已经开发了许多技术能够将泵浦功率有效地从大面积激光二极管(其典型的发射孔径是100×1平方微米，慢轴和快轴中的NA比为0.1/0.55)耦合到具有矩形纤芯横截面的光纤(其横截面为30×10平方微米，有效的数值孔径大于0.42)中。术语“慢”、“快”是指分别“平行于”和“垂直于”激光二极管结平面的平面。为了有效地耦合来自大面积半导体激光器72(其发射极尺寸为100×1平方微米，慢轴和快轴中的NA比为0.1/0.55，在最大远场强度点的5％处测得的)的光线，耦合光学元件或其它光束整形器70可以设计成产生发射极近场的图像(其尺寸为30×10平方微米，并且在慢轴和快轴中5％的NA是0.35/0.12)。

在图2和4的示意图中，二极管或大面积激光器72的相似的椭圆、矩形或其它延长的纵横比以及多模包层32的输入中的纵横比(两者垂直或水平对齐)允许透镜或光纤光学耦合器、光激发器、或其它光束整形器或聚焦元件70将相对大尺寸的宽条纹或“大面积”激光二极管72甚至二极管棒的输出聚焦到光纤激光器/放大器或其它类型的亮度转换器30的宽多模包层32中。较佳地，内包层32具有大于1.5的纵横比并且尺寸足够小以至于允许耦合来自大面积激光二极管72的泵浦光，从而产生足够高的泵浦功率密度。双包层光纤的内包层可以通过各种方法被拉长成许多形状，例如，椭圆形或矩形。许多方法包括三坩埚拉伸和棒中管子技术，同时许多部件被制造成期望的形状。CVD、溶胶-凝胶、和管中软玻璃都是其它可以使用的方法。

图4的多模包层32的矩形、椭圆或其它延长的横截面特别有利，因为其入口面323可以更容易地匹配于宽条纹激光器72的发射图案，它可能具有100∶1的宽度比高度的纵横比(AR)。即，波导入口面323的宽度可以比其高度大许多，这被定义为高纵横比。即使耦合光学元件被设计成形成光束，当该光束被从原始的100×1微米大小缩小时，它在正交方向上具有大约等于NA(对保存高功率密度有利)所得的光束光腰在二极管芯片的平面中比其在垂直方向上仍将宽相当多，例如，30×5微米。如果包层波导横截面匹配该形状，则几乎所有的激光二极管功率都可以很容易地耦合到波导中，同时保持高光泵浦功率密度。与圆形或正方形波导中可以获得的相比，高功率密度允许更低的激光发射功率阈值。其它延长形状的内包层横截面，例如，矩形、“轨道”、菱形、“土星”或其它任何光束匹配形状可以用于匹配泵浦发射面积的形状。不过，对于光纤激光器/放大器或亮度转换器30的输出而言，具有基本上圆形的单模横场作为纤芯34的输出是所期望的。对于使用光纤30的光纤激光器/放大器的输出而言，具有基本上圆形的模场是所期望的，因为常规光纤20也具有圆形模场，并且该模场尺寸和形状匹配得越好耦合损耗就越低。

对于内包层的任何给定NA而言，通过要求耦合所有可得的泵浦光而将固定双包层光纤的较长维度(因为大面积激光发射器的尺寸被固定并且可以仅被缩小由相对于大面积激光器NA的光纤NA来定义的量值)。第二或更短的维度可以被改变。不过，如果较长的维度相同，则其纵横比为3∶1的延长后的形状将具有比纵横比为1∶1的要少3倍的表面面积。因此，具有这种更小的表面或包层面积的相应激光器可以具有大致低3倍的阈值。在设计最佳准三能级双包层光纤激光器或放大器的过程中许多因素都与包层与纤芯面积比(CCR)有关。在给定光纤NA和泵浦激光器NA的情况下，内包层的维度之一不可以减小到某一尺寸以下。但为了更高程度的反转尽可能地减小表面面积，根据本发明的示出，其它维度可以被挤压。由此，本发明示出了无论是面积还是纵横比规格其自身都足够用于构建一个有效的器件，并且只有同时遵守这两个规格才可以提供足够的反转和低阈值。

对于激光器而言，用作放大器的有源光纤30使用多模内包层来接收泵浦光64以便耦合到纤芯，该纤芯提供了大部分的光放大。单模光纤输出光纤通过接合或其它连接邻接着耦合在有源光纤30的输出结处，并且有效地输出激光发射信号66，该信号66是基模。较佳地，各自最低价模式所对应的模场直径(MFD)横跨有源光纤30的输出端和单模光纤之间的结而匹配。如果不是梯度折射率，则纤芯尺寸被制造得足够小使得纤芯在输出信号波长处只能支持一个横模，这样该单横模具有一个与最佳耦合所对应的标准单模的模场直径相等的模场直径。

作为一个示例，多组分硅酸盐玻璃作为内包层32位于其直径为125微米的外包层36之内，并具有其纤芯直径42为6微米的纤芯34，以提供一个与CS980单模光纤20接近匹配的输出模式。较佳地，使用硅酸锑玻璃。另一个多组分硅酸盐玻璃是60SiO₂28Al₂O₃12La₂O₃(摩尔百分比)。尽管其它单模光纤是可以使用的，但是单模光纤20是康宁公司制造的CS980单模光纤，用于传播980纳米波长并具有标准的125微米外直径。

为了提高光纤可靠性并利于光纤的劈开和末端抛光，使温度膨胀系数(CTE)的失配最小化是很重要的。在内包层和外包层之间，整个0-200℃ CTE失配范围中小于+/-30×10^-7/℃是较佳的。最重要的失配点在内包层和外包层之间，尽管纤芯与包层CTE失配对于抛光很重要。因此，纤芯最好有这样一种玻璃制成，该玻璃的热膨胀系数(CTE)与内包层材料的失配在整个0-200℃的范围内小于+/-30×10^-7/℃。使用硅酸锑、硅酸铝镧、锗硅酸铝磷和许多其它氧化物玻璃，这些要求相对容易满足。对于某些光纤制造技术，比如，三坩锅拉伸，使纤芯、内包层玻璃和外包层玻璃的粘性匹配也很重要，以便更好地控制波导形状。

示例

单掺杂铒双包层光纤激光器是用1535纳米处的高功率大面积激光器72来泵浦的。该技术产生70％的斜率效率，主要受限于非最佳光纤30中更高的背景损耗。双包层掺铒光纤30具有椭圆形的内包层32，其尺寸为37.8微米×12微米。圆形纤芯34具有8微米的直径。在内包层32和外包层36之间的数值孔径以及在纤芯34和内包层32之间的数值孔径分别是0.45和0.1。铒浓度是1000ppm(摩尔)，这是掺杂剂浓度0.1％(1000/1000000)。光纤30的10米部分用在激光器中。硅酸锑光纤30是用三坩锅方法生产的。

泵浦激光器72是单条纹大面积激光器，工作在1535纳米处。有源区域由MOCVD所生长的梯度折射率分离限制结构之内的AlGaInAs多量子阱构成。注入电流是由氮化层来限制的。使用铟焊接将1535纳米大面积激光器72安装到铜散热片上。发射极尺寸是80×1平方微米。为提供更高的功率，条纹可以增大到大约120微米宽。泵浦波长是1535纳米。最大输出功率是4W。快轴和慢轴所对应的数值孔径分别是0.4和0.1。通过使用3∶1缩小微透镜70(从LIMO中可获得)，大面积激光器72耦合到双包层光纤30的内包层32。泵浦的发射效率是70％。

各光纤磨光面处空气与玻璃界面的5％菲涅珥反射提供了激光腔反馈。图5描绘了激光腔的输出功率特性。最大单侧输出功率在1605纳米处是600mW。通过使用3米长的光纤(它具有完全相同的内包层尺寸，但没有纤芯)，来确定70％的最大发射效率。因透射表面上没有防反射涂层，所以微透镜的透射率是83％。在大面积激光器72和透镜70之间的工作距离是30微米。透镜和光纤抛光面之间的距离是125微米。这些严格的限制排除了体分光镜的使用以直接确定光纤泵浦发射端的输出功率量。涂有电介质的抛光面和布拉格光栅被直接导入纤芯或横跨内包层以在发射端提供反馈，如此可进一步实现最佳化。通过涂有电介质的高反镜或纤芯内或内包层内光纤布拉格光栅可增大光纤泵浦端处的反馈，如此可进一步实现些许改进。

因此，根据本发明的示出，确定纤芯横截面面积的大小，使得内包层的更高阶模式和基模相比与掺杂区域重叠的更少。

对于本领域一般技术人员，很明显可以对双包层结构的选项和设计标准做出各种修改和变化，比如在不背离本发明的精神和范围的情况下可以向本发明做出透镜、耦合***、光纤激光器、放大器和其它光学包组件。由此，本发明旨在覆盖对其做出的修改和变化，只要它们落在所附的权利要求书及其等价方案之内。

Claims (10)

1.一种准三能级光学器件，它包括：

固体激射材料，它由硅酸盐玻璃主材料和所述硅酸盐玻璃内多个单三价铒(Er)光学有源离子的掺杂颗粒构成，所述掺杂颗粒浓度不够高以致无法提供显著的掺杂颗粒间的能量转移，所述激射材料具有单基态能量多重态和至少一个其它的更高能态多重态，所述两类多重态都具有多个能级，这些能级在所述多重态中定义了一个或多个波长，在这些波长处可吸收光能，所述一个或多个波长构成期望的辐射；

光泵浦能量源，它具有集中在一个或多个波长处的光输出，这些波长通常与所述可吸收的一个或多个波长相同；以及

光学元件，用于将光泵浦能量从所述光泵浦能量源耦合到所述固体激射材料以引起所述两个多重态的能级之间的粒子数反转。

2.如权利要求1所述的光学器件，还包括装入所述固体激射材料的谐振腔，选定所述谐振腔以使所期望的辐射在所述材料内振荡并从所述谐振腔中产生输出辐射。

3.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，光能可以被吸收的所述一个或多个波长以及所述一个或多个期望的辐射都具有介于约1530纳米到1620纳米范围中的波长。

4.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述光泵浦能量源是半导体二极管，其泵浦输出与所述两个多重态的能级所定义的吸收光谱大致匹配。

5.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述固体激射材料是双包层光纤中的单掺Er³⁺硅酸锑。

6.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述基态能量多重态和所述一个其它的更高能态多重态分别是所述材料的⁴I_15/2和⁴I_13/2多重态。

7.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述光泵浦能量集中处的波长介于1450纳米和1600纳米之间。

8.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述材料具有约1000ppm(摩尔)的铒掺杂。

9.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述材料包括用于制造光纤激光器或放大器的光学有源双包层光纤，所述光纤包括：

纤芯，所述纤芯掺杂有可光激发的铒离子，所述铒离子具有三能级跃迁，所述纤芯具有纤芯折射率和纤芯横截面面积；

内包层，所述内包层围绕所述纤芯，所述内包层具有比所述纤芯折射率要小的内包层折射率，所述内包层具有比所述纤芯横截面面积大2到25倍的内包层横截面面积，并且所述内包层具有大于1.5∶1的纵横比；以及

围绕所述内包层的外包层，所述外包层具有比所述内包层折射率要小的外包层折射率。

10.如权利要求9所述的光学器件，其特征在于，使所述纤芯足够小，从而使得所述纤芯在所述输出信号波长处仅支持一个横模，并且所述仅有的那个横模具有与标准单模光纤的模场直径相等的模场直径以便进行最佳耦合。

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