CN1084532C - 有效使用泵激功率的光纤结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于增益应用的光纤(130)结构，具有至少一个掺有激活增益物质的纤心(134)和包围纤心的内包层(132)，这里内包层用于接受来自外部功率源的多模泵激能量，限制此能量，并在泵激能量沿光纤结构的长度传播时利用能量与纤心内的激活掺杂剂之间反复的相互作用把能量传递到纤心。内包层的剖面形状为非矩形的凸多边形，从而引入泵激能量，以形成一基本上均匀的辐射场，其中构成泵激能量的各种辐射模式各向同性地分布。

Description

有效使用泵激功率的光纤结构及利用它的光学增益系统
相关申请
本发明与同时递交的第08/283,225和第08/283,381号美国专利申请，现在是第5,418,880号美国专利有关。
技术领域
本发明涉及具有一个或多个增益纤芯(诸如光放大器或光纤激光器中所出现的)的多包层光纤结构，尤其涉及用于把泵激辐射有效地耦合入光纤增益纤芯的光纤。
背景技术
现在已建立起光纤放大器和激光器作为一种在过去的几年内的发展中经过显著改进的技术。早先它们具有简单的形状，包括一分散在被包层包围的纤芯中的增益物质(species)。用作增益物质基质的纤芯常常是石英玻璃，但已报告有氟化物或磷基玻璃的基质材料和基质。如此设定增益物质的浓度、光纤长度，以及泵激功率，从而由增益克服损耗，以提供放大或激光动作，这里光纤设有合适的反馈。输出功率开始在毫瓦的数量级。
开始，用闪光管从纤芯的侧面进行泵激，但这被对纤芯的端部泵激(即，“端射”)所替代。然而，端部泵激的问题是由于即使使用激光二极管，端部泵激也不是非常有效，从而把输出功率限制在相当低的毫瓦数量级，因为源和光纤的实际可实现物理和光学特性使得不能完全利用所有可获得的泵激功率。随着在适用于泵激一些稀土离子的波长下工作的激光二极管阵列的出现，这些源成了实现较高输出功率的自然的候选对象。但，由于其光线质量，以及对光纤数值孔径(即，立体接收锥)固有的实际限制，实际上仍不可能把这些较高功率的源耦合入纤芯中，特别是需要用于有效耦合的单模泵激的单模纤芯。
然而，Snitzer等人在第4,815,079号美国专利中揭示对此问题的较好解决办法，并明显地改进了Maurer在第3,808,549号美国专利中描述的先前的方法。在Snitzer等人的方案(现在叫做“包层泵激”)中，包含激活离子的单模纤芯被折射率低于纤芯的不掺杂的多模内包层所包围，并具有用于有效泵激的特殊几何形状。该内包层又被折射率更低的外包层所包围。泵激的光射入内包层，并被包层间界面处的全内反射所限制，以在相对于外包层为纤芯状结构的内包层内传播。多模内包层物理上明显地大于纤芯，因此呈现更好的目标，并使得作为内包层和外包层折射率函数的数值孔径尽量变大，以更有效地接受泵激功率。当泵激功率沿内包层传播时，它逐步被纤芯吸收，以使用合适的反馈提供增益和随后的激光动作所需的粒子数反转。此方案是一个具有纵向和横向泵激性质的混合体，并具有把从非相干源获得的泵激功率有效地耦合到单模纤芯以提供单模输出这一大优点。已发现有效的内包层几何形状包括象矩形的伸长板状结构，以及纤芯偏心地位于内包层中的结构。
虽然Snitzer等人的结构表示用于以光纤格式提供单模输出的泵激功率增强耦合的显著方法，但本发明的主要目的是提供用于光纤放大器和激光器的有效包层泵激的各种包层形状。
本发明的另一个目的是提供与各种泵激辐射分布方式一起使用的各种有效包层形状。
本发明的另一个目的是提供与可得泵激特性匹配的有效包层形状。
本发明的另一个目的是提供一种具有最佳辐射耦合效率的光纤。
本发明的另一个目的是提供这样一种光纤，其纤芯是单模的。
本发明的另一个目的是提供这样一种光纤，它将在光纤内包层中提供平均的辐射模式分布。
本发明的另一个目的是提供这样一种光纤，其中光纤辐射耦合效率不是光纤纤芯位置的函数。
在结合附图阅读以下详细描述时，将使本发明的部分其它目的更明显，它们也将部分地在以下出现。
发明内容
一种用于增益应用的光纤结构，包括至少一个选择性地掺有活性增益物质的纤芯，以及包围此纤芯的内包层。内包层用于接受来自外部功率源的多模泵激能量，限制该能量，并在泵激能量沿光纤结构的长度传播时利用能量和激活掺杂剂之间重复的相互作用把此能量传递到纤芯。内包层的剖面具有几个所揭示凸多边形中的一个凸多边形的形状。包层剖面形状的性质引起泵激能量传播，以形成一基本上均匀的辐射场，其中各向同性地分布着构成泵激能量的各种辐射模式。每个多边形具有的特性是，(i)如果通过平铺一些相同的多边形来覆盖一平面区域，则所有的多边形适合于平铺排列，而在邻近多边形之间没有空隙，以及(ii)所有的多边形将关于任一公共边互为镜像。在所揭示的几个包层剖面形状中是三边、四边和六边的凸多边形。
附图概述
这里特别提出了作为本发明的特征的新特性。在结合附图阅读时，从以下对所示实施例的描述将更好地理解本发明的结构和操作方法，及其其它目的和优点：
图1是已有技术光纤的剖面略图，它具有掺有增益物质的纤芯，该纤芯被内包层所包围，此内包层又被外包层所包围；
图2是与光波导对准并耦合到辐射源的已有技术光纤的纵向剖面略图；
图3是已有技术光纤激光器的纵向剖面图，并包括在光纤激光器纤芯中传播的激光光线；
图4A是具有表示波导中不同模式光线的线段的光纤的简化的剖面略图；
图4B是图4A光纤的剖面略图，示出弹射角(bounce angle)大约为10°的低次模的光线；
图4C是图4A光纤的剖面略图，示出弹射角大约为40°的高次模的光线；
图5是已有技术激光器的剖面略图，此激光器具有偏心地位于内包层内的掺杂激活纤芯；
图6是一光纤的剖面略图，此光纤具有依据本发明的波导，示出一系列光线线段在剖面内的投影，这些光线线段表示沿光纤长度传播的光线；
图7是示出一条光线在沿光纤传播时在波导中经过内反射的两种图示法的图；
图8是示出一多边形所需的“空间填充平铺”性质的图，此多边形的形状用于依据本发明的波导；
图9是一部分一般的多边形；
图10A到10D是用于依据本发明的三边波导剖面的光纤实施例的图；
图11A到11D是用于依据本发明的四边波导剖面的光纤实施例的图；
图12是用于依据本发明的六边波导剖面的光纤实施例的图；以及
图13是用于依据本发明的光纤的典型应用的透视略图，示出激光器条、光线旋转装置、聚焦光学器件和光纤。
本发明较佳实施方式
光纤放大器和激光器通常具有在光纤部件纤芯内进行光辐射的传播的功能。在放大器或激光器工作期间，信号或泵激辐射射入到光纤的一端，被光纤限定和引导，并从光纤的另一端射出作为被放大的信号或作为激光辐射。
图1是圆对称的多包层光纤10的剖面图，光纤10包括纤芯14、包围纤芯14的内包层12和包围内包层12的外包层16。为了产生单模，纤芯14的直径从2到大约10μm。在低功率应用中，泵激辐射一般为单模并可直接射入纤芯14。当纤芯14的折射率n1大于内包层12的折射率n2时，藉助于全内反射可把辐射极大地限制在纤芯14中。如在已有技术中所公知的，当辐射以小于临界角θc的角度入射到纤芯边界时，将产生全内反射。从sinθc＝sin-1(n2/n1)的关系式求出从纤芯边界的法线量起的θc角。
然而，因为大多数可得的单模辐射源的功率很低，所以即使采用有效的耦合，这些源对于需要高功率电平的应用也将不够用。对于这些应用，需要较高功率的输入源，但这些源一般为多模的而不能亮度无损耗地直接入射到光纤的纤芯。对此问题的一个早先的解决办法是间接地把多模辐射入射到内包层，这里内包层用作包容和传导此入射辐射的波导区域。
对于一光纤，诸如光纤10，藉助于内包层12(具有折射率n2)与外包层16(具有更小的折射率n3)之间界面18处所产生的辐射的内反射，内包层12用作波导。内包层12的作用是限制射入的辐射，从而辐射在沿光纤10的长度传播时反复与纤芯14相交。随着每次与纤芯14的相交，泵激辐射的一部分被包含在纤芯14中的激活增益掺杂剂所吸收。光纤的长度一般是几十米，从而产生大量这样的相互作用，并使得纤芯尽量吸收泵激辐射。
光放大器可利用诸如图1所示的光纤结构，以把放大的辐射耦合到在光纤纤芯中传播的信号中。授予Maurer的第3,808,549号美国专利中揭示了一种光通信器件，包括与光纤对准的辐射源。此通信器件包括光纤20和光波导32，如该专利图1的纵向剖面图所示，在这里如图2所示。光纤20包括位于纤芯24表面的内透光包层22，以及位于内包层22表面上薄的外包层26。光纤20的输出端25与光波导32的输入端35对准。把纤芯24中产生的辐射耦合到光波导32。
该参考专利称，外包层26的折射率必须足够低于内包层22的折射率，从而纤芯24接受来自光源34的适量辐射，且辐射沿纤芯24传播。当辐射被界面28多次来回反射时，纤芯24吸收此辐射。参考文献还指出，应使光纤20的长度足够大，以使大多数辐射被纤芯24所吸收。
授予Kafka的第4,829,529号美国专利中揭示了一种多包层光纤，可用作光纤激光器的激光腔。该参考专利的图2提供一种具有相关多模光纤泵激腔的单模光纤的剖面侧视图。在这里此图作为图3。为便于讨论还包括xyz坐标系统39。
光纤激光器40包括被多模包层42和外层46所包围的单模光纤44，后两个确定了泵激腔。选择包层42和外层46的折射率，从而泵激辐射将在界面48处被全内反射。只要辐射处于表现出此方式的模式中，则当辐射沿包层42传播时，辐射可与纤芯44相交多次，并耦合到纤芯44内的激光增益媒体。然而，并非此结构中激发的每一个模式都将沿与纤芯相交的路径传播。事实上，携有大部分泵激能量的不交轴光线集中在包围纤芯的环形区域，因此不与纤芯交叉。因为纤芯位于中心并远离大部分泵激能量的位置，所以此圆对称光纤结构是对可得泵激功率使用得相当不足的使用者，因此没有多少实际意义。圆对称光纤中的不均匀模式的分布是几何形状的结果，圆形几何形状和中央纤芯放置不适于有效地使用泵激功率。
现在，可知相对于包层面积增加纤芯面积可提高耦合效率。然而，纤芯和包层的尺寸一般由激光器和放大器系统的实际需要所规定。纤芯直径一般是10μm或更小，此直径必须足够小，以把纤芯14中的辐射传播限定在单模工作。包层直径一般是125到1100μm，此直径必须足够大，以有效地获得来自多模源的辐射。需要一种可提高耦合效率而不增加光纤纤芯尺寸的光纤结构。
在授予Hanna的第5,291,501号美国专利中揭示了一种提高光纤耦合效率而不改变光纤纤芯直径的方法，其中描述了利用“包层泵激”来把多模辐射输入光纤纤芯。在此参考专利文献中，内包层用第一种激活材料掺杂，而单模纤芯以第二种不同的激光激活材料掺杂，从而当泵激内包层时，获得的激光发射作为用于光纤纤芯中激光激活掺杂剂的泵激辐射。参考文献指出，与由泄漏而被纤芯所吸收的辐射相比，辐射更容易被内包层的激活材料所吸收。从而被吸收的泵激辐射的长度比采用透明内包层的其它包层泵激布局的吸收长度短得多。然而，此方法需要内包层包含有激活杂质。
常规的光纤放大器和光纤系统，诸如以上所述的那些系统包含有具有圆形剖面的光纤。这些系统试图在内包层是旋转对称波导的形式时提高光纤的耦合效率而不完全增加加到耦合过程上的限制。当使用圆形波导来把辐射包含并耦合到中央纤芯时，在波导内获得的辐射分布不是各向同性的，因此，并非每一个辐射模都与纤芯相交。结果，并非位于光纤中的所有辐射都适于被光纤纤芯吸收。
参考图4A到4C可很好地示出此限制。光纤60是多包层光纤剖面的简化表示。传播的辐射由限制在内包层62内的多根光线61来表示。因为不可用图示来表示存在于所示多模式光纤结构中的成百甚至上千根光线，所以在图4A中只示出一些辐射光线。
在已有技术中公知，如在x-y平面中可见，一种辐射模式的弹射角一般将不同于另一种辐射模式的弹射角。如图4B所示，高次模光线61a以较小的弹射角(例如10°)沿光纤60传播，而如图4C所示，低次模的光线61b以较大的弹射角(例如40°)传播。相应地，因为内包层62的剖面为圆形，所以特定辐射模式的弹射角将不随辐射沿光纤传播而改变。
从图4B可看出，具有较小的弹射角(即，入射光线和反射光线之间的角)的高次模的光线61a通过光纤60的纤芯区域，并可与位于中央的纤芯相交。与其相比，具有较大弹射角的低次模的光线61b不与位于光纤60中央的纤芯64相交。此外，因为不改变光线61的弹射角，所以无论光纤60的长度如何，光线61b产生的任何反射光线都不通过纤芯64。换句话说，圆形波导内各种辐射模式的传播不是各向同性分布的。
已知光纤的剖面几何形状确定其模式分布，Snitzer等人对先前提出的纯圆形双包层光纤结构进行了显著的改进。在授予Snitzer等人的第4,815,079号美国专利中揭示了这些几何形状。相应于参考专利文献中图1的图5示出了一种光纤激光器70的剖面，它包括被内包层72所包围的单模纤芯74。内包层72又被外包层76所包围，外包层76的折射率n3低于内包层72的折射率n2。也可设有一保护层77。在所示的激光器结构中，纤芯74偏心地位于内包层72中。
依据参考专利文献，由在内包层72中辐射传播的实际量耦合到纤芯74的条件确定所需的偏移量。当内包层72中传播的辐射在偏置位置处的纤芯74相交并被纤芯74吸收时，就可产生此耦合。在该专利中所述装置已获得大约为27％的已改进的耦合效率。
由于存在于圆波导(诸如内包层72)内的辐射在光纤70的剖面中并不各向同性地分布，而是留在围绕纤芯的环形区域内这一事实，使得纤芯74与光纤70中央的偏移引起耦合效率的变化。由Snitzer等人揭示的第二实施例具有伸长板状的内包层，它最好为矩形，以使大多数模式通过置有纤芯的结构最窄部分。与已有技术相比，此结构的明显成功之处在于其呈现出超出70％的效率。
根据上述理由，可看到产生不均匀场并把各种辐射模式“集中”在内包层某一剖面区域内的光纤结构将成为解决耦合问题的一般途径。可以明白通过把纤芯置于此模式集中区域内，较多数目的模式将与纤芯相交，同样也将增加耦合效率。然而，不是所有的模式都可进出位于波导内的纤芯，该波导对于模式不是各向同性的。为了实现最佳的耦合效率，包含在光纤内所有模式的辐射必须通过光纤的纤芯。否则，相应于那些不通过纤芯的功率将不被纤芯中的激活掺杂剂吸收，因而耦合效率也降低。
这可再参考图4B和4C来示出。可看到随着弹射角增加，相应的辐射集中于内包层62中更小的环形区域62’中。为了与弹射角接近180°的辐射模式相交，必须把纤芯64放置得接近于界面68。然而，随着纤芯64放置得离界面68更近时，具有较大弹射角的辐射将优先被吸收，因为它以较大的频度将通过纤芯64。具有较小弹射角的辐射花去较大部分的传播通过内包层62的中心，结果此辐射在偏置的纤芯64中具有按比例的较小吸收几率。此外，纤芯64限制辐射的能力因辐射场的影响而降低。结果，在纤芯64和界面68之间必须保持最小的隔离距离。于是，实际的限制将不允许如此将纤芯置于环形波导中，从而使所有的辐射模式与纤芯相交。
本发明利用了辐射模式在内包层内形成均匀分布的双包层光纤结构。此结构把纤芯暴露于所有的辐射模式。此外，基本上可把纤芯置于内包层中的任何位置，而不影响光纤的耦合效率。已发现当光纤的波导区域或内包层具有满足将要讨论的某些准则的几何形状时，可产生均匀辐射场。
在已有技术中众所周知，由泵激辐射的功率(P)、波导的数值孔径(NA)，以及泵激源的“亮度”(B)(即，单位立体角的源强度)来确定内包层的剖面面积A多模。以下给出用于内包层剖面面积的表达式：
A多模＝P/[B(NA)2]
很明显，输入泵激源的角分布是各向同性和均匀的(因此在其两维剖面投影中也是各向同性和均匀的)，亮度法则规定泵激源最多只能在内包层的整个剖面上保持相同的辐射强度，且辐射强度不能以它在别处的降低为代价而局部增加。由此得出；由纤芯剖面面积对内包层剖面面积的比值(即，A纤芯/A多模)来给出从内包层进入纤芯的最高可得耦合效率。此揭示内容给出的分析表明在光纤波导或内包层的剖面为本说明书中揭示的几个多边形中一个多边形的形状时，可实现此最佳效率。
图6示出依据本发明的光纤130的剖面结构和几何形状。光纤130的纵向尺寸一般沿xyz坐标系统129的z轴延伸。光纤130包括被内包层132包围的纤芯134。纤芯134包括合适的光学基质(optical host)，诸如石英玻璃，以公知的方式对它掺入增益材料，诸如熔化的硅土。在较佳实施例中，把掺有稀土元素离子诸如钕(Nd3+)或钇(呈现的浓度最高达0.5重量百分比或更低)的硅土用作纤芯掺杂剂。虽然也可使用其它形状诸如椭圆形，但纤芯134的剖面一般为圆形。
内包层132包括具有折射率n2的材料，此折射率小于纤芯材料的折射率n1。内包层132的剖面形状是凸多边形。光纤130也包括外包层136，外包层136包括具有折射率n3的材料，此折射率小于内包层的折射率n2，从而内包层接受面的数值孔径为0.4。藉助于内包层132与包层136之间界面处的全内反射把光辐射限制于内包层132。内包层132用作相对于外包层136的纤芯，以把辐射耦合入纤芯134。外包层136的剖面最好为圆形，且外包层136最好由低折射率的氟化聚合物制成。
虽然这里把多边形描述成左右对称的四边形，这只是为了随之而来分析的目的，不应认为内包层132只限于具有此特殊的剖面形状。依据本发明，在以下揭示了几个可选择的剖面形状。具有所揭示剖面形状中任一形状的光纤波导将引入入射的多模光辐射，以在光纤中形成一个基本上均匀的辐射场。均匀的辐射场意味着，此辐射场在光纤波导的整个剖面内将具有基本上恒定的强度。因内包层132剖面形状的几何特性，而使通过光纤130传播的辐射形成均匀辐射场。
因为产生的辐射场是均匀的，且在光纤130中传播的所有光线将花费基本上相同份额的在纤芯134中传播时间(大约是A纤芯/A多模)，所以无论纤芯134在包层132内的位置如何，光线在继续传播时将有相同的数量被纤芯134吸收。结果，可实现由比值A纤芯/A多模给出的光纤130的最佳耦合效率。与之相比，因为如果使用圆波导，则并非所有的传播辐射都与纤芯相交，所以圆波导不能实现最佳的耦合效率。只有在光纤波导中呈现均匀辐射场时才能获得最佳耦合效率。
将利用图示的光纤130中传播的光辐射来说明本发明。为了作这一揭示，假定内包层132支持大量模式(即，多于1000种模式)来简化此描述。则辐射场的传播可由经典光线的非相干叠加来表示。于是均匀辐射场将被描述成位于x-y投影平面内光线的均匀分布，该x-y投影平面由光纤130的平坦的剖面构成。
作为举例，第一光线142和第二光线142’沿图6所示z方向的光纤130传播，并在包层132处界面处经受一系列反射。每根反射光线由其光路在剖面x-y平面上的两维投影所表示。因为光线在不同位置并以不同的入射角进入内包层132以实现不同的模式，所以第一光线142和第二光线142’一般将不具有沿界面138的相同的反射角。
光线142或任意其它光线142’累积的x-y投影将均匀地覆盖投影平面，因为由光线形成的场在内包层132的剖面上均匀地分布。从物理的观点来看，这意味着当光线142沿光纤130传播时必定与纤芯134相交。光线142’将同样地与纤芯134相交，虽然不必与光线142位于相同的相交位置。
如果以图表示任意传播光线所有的后续反射，则内包层132将被表示所产生的反射光线的线互相交叉。这样做将不能清晰地示出所有的后续反射，且不容易确定特殊的内包层形状是否会产生均匀的辐射场。为了以可进行这一确定的方式描述后续反射，使用另一种图示方法。
如本领域内的熟练技术人员所公知，多重折叠路径继之以在波导内表面界面处连续反射的光线也可被描述成在连续毗邻“虚拟”波导的界面上延伸的直线路径。通过在两个波导的公共界面上对前一个波导进行镜面反射来构成每个相继的虚拟波导。
图7示出一波导纤芯110，它包括右表面114、上表面112和下表面116。沿着由一系列内反射构成的折叠路径，光线121(即，光线的x-y投影)沿波导纤芯110传播。由上表面112的反射产生第一反射光线段123。反射角α等于入射角。由右表面114的反射产生第二反射光线段125，该光线段以β角反射。
也可利用以下三部分构成的直线来表示传播的光线121和反射的光线段123和1254光线121、第一虚拟反射光线段123a，以及第二虚拟反射光线段125b。光线段123a出现在第一虚拟波导110a中，并相应于第一反射光线段123。由上表面112构成的公共界面上波导纤芯110的镜面反射构成虚拟波导110a。光线段123a也是公共界面上光线段123的镜面反射。光线段123a的反射角α’与光线段123的反射角α相同。
光线段123a入射到右虚拟表面114a，并产生出现在第二虚拟波导110b中的第二虚拟反射光线125b。由右表面114a构成的公共界面上虚拟波导110a的镜面反射构成虚拟波导110b。光线125b相应于波导纤芯110中的光线125，其反射角β’等于光线125的反射角β。对于在波导纤芯110中产生后续的反射继续此构成过程。在以下揭示的内容中使用把光辐射传播表示为折线的方法和把光辐射表示为直线传播的另一方法。
传播光线142由图6中折叠线表示。在内包层132的内表面处产生反射，这些界面由边152、154、156和158表示。边152和154形成顶点162，边154和156形成顶点164，边156和158形成顶点166，而边158和152形成顶点168。
在内包层132内，光线142所采用的光路表示为由直线和箭头来表示的一系列反射光线段。例如，光线142以相对于表面法线144的φ角入射到多边形的边152。第一反射光线段142a以相对于表面法线144的φ’角离开边152，这里φ’等于φ。第一反射光线段142a又从边154反射，产生第二反射光线段142b。以同样的方式，由离开边156、158和152的反射分别产生第三反射光线段142c、第四反射光线段142d和第五反射光线段142e。
可看出，因为第四反射光线段142d入射到边152上与光线142的入射点152a不同的位置152b处，所以从边152上在与产生第一反射光线段142a不同的点处开始第五反射光线段142e。结果，即使第一反射光线段142a不与纤芯134相交，但后续的反射光线段，即第五反射光线段142e却与纤芯134相交，因为相继的反射光线段在不同位置穿过两维剖面平面。此性质保证纤芯134最终将与光纤130内传播的每根光线相交，如上所述，这是用于内包层132剖面形状的较佳几何形状的结果。
此外，随着反射的继续，基本上投影平面内的任意区域将被光线142产生的反射光线序列中的一条光线穿过。这是因为相继的反射不重复投影平面内由前一反射所沿的同一路径才产生的。于是相继的反射将在投影平面内“迁移”。此描述对第二光线142’或射入光纤130的任何其它光线都同样适用。所有这些光线将具有基本上相同的通过投影平面中特定区域的几率，且所有的光线将在纤芯的长度上与其相交多次。
在图8中示出以直线表示光线142所沿光路的另一方法。在提供的例子中，以两条线段示出光线142和第一反射光线段142a，它们形成连续通过由边152和相邻虚拟多边形140a的边152a所示反射界面的直线。入射角φ和反射角φ’出现在反射界面的相对两边。由对于边152上的镜面反射构成多边形140a。于是多边形140a的边和顶点的相对位置从与原来多边形相应的边和顶点的位置处倒转。
接着，第一反射光线段142a入射到边154a。这在虚拟多边形140b内产生第二反射光线段142b，该光线段是由光线142和第一反射光线段142a形成的直线的继续。由多边形140a对于边154a作镜面反射构成多边形140b。于是多边形140b的边和顶点从多边形140a的边和顶点倒转，于是与原来的多边形的边和顶点对称。剩下的光线路径(是直线的延伸)包括通过虚拟多边形140c的第三反射光线段142c、通过虚拟多边形140d的第四反射光线段142d，以及通过虚拟多边形140e的第五反射光线段142e。由对于边156b、边157c和边154d确定的反射界面依次进行一系列连续镜面反射构成此虚拟多边形序列。注意多边形140d也可由多边形140b对于边158b作镜面反射构成。
穿过一个镜面反射多边形(诸如多边形140a)的每条反射光线段，(诸如第一反射光线段142a)表示限制在图6的内包层132内的一根反射光线。相反，内包层132内任意反射光线段(例如，第一反射光线段142a)的相对位置与图8的多边形阵列中一个多边形内相应光线(即，多边形140a中的第一反射光线段142a)的相对位置相同。由于每条相继的光线段被描述成穿过相邻的多边形，随着各个多边形内不同位置处产生的每个相继的通道，所以相应的反射光线段被描述成穿过内包层132剖面内的不同位置。
因为多边形的几何形状是为一连续无限的、其间没有“空隙”或未填充的空间的多边形阵列而设，所以传播光线的光路可沿所有的方向无限延伸，产生数目无限的反射光线段。如上所述，如果这些反射光线被画在图6的投影平面上，则投影平面将被所得的线所均匀覆盖。于是，确定传播光线所沿路径的反射光线段在整个投影平面上形成均匀的空间分布。
应注意，可能有平行于多边形边的某些传播光线。这些光线将产生对其自身“重复”的反射光线，因此这些反射光线将不在投影平面的表面内迁移。在此分析中不考虑这些光线，因为它们代表存在于光纤中的所有光线中极小的一部分。从实际观点来看，衍射和装置缺陷保证了实际上不能使光线完全平行于多边形的边。
可对从边156传播并射入边154的第二光线142’所沿的光路进行同样的描述。此光路出现在多边形中，但与光线142所取的光路不同的是，该光路穿入多边形140f，穿入多边形140g，并继续穿入多边形140h。由第二光线142’产生的反射也将同样地均匀覆盖投影平面，但其图形不同于由光线142产生的反射序列获得的反射光线的图形。
总的来说，引入作为大量光线在光纤130内传播的多模光辐射，以形成一基本上均匀的辐射场。这是由于用作内包层132剖面形状的凸多边形性质的结果。当把每条光线的反射段产生的空间分布图形看成在包括内包层132剖面的平面上的两维投影时，此空间分布图形是均匀分布。
如果传播辐射中的所有功率都要被纤芯掺杂剂吸收，则需要一均匀辐射场。此均匀场引起每个辐射模式与纤芯周期性地相交，并把其功率中的一部分传递给掺杂剂。耦合入纤芯的功率总量相应于耦合过程中所使用光纤的长度，以及可以公知方式调节的浓度-长度积，从而在所需的长度处实现基本上全吸收。
也可把这些空间分布图形中的每一个表示成沿凸多边形的无限平面阵列延伸的直线光线，这些凸多边形用于内包层132的剖面形状。对于任意特殊传播光线，内包层132中的每根反射光线段等价于在排成阵列的多边形中的一个多边形中出现的一根光线段。
当光线的直线表示穿过由相同多边形排成的无限阵列时，光线将在光纤内包层内产生反射光线的均匀空间分布。当此多边形的无限阵列填充或平铺阵列平面时，所有光线的直线表示将穿过此排成阵列的多边形的无限序列。于是，当多边形阵列平铺该平面，从而在相邻多边形之间没有空隙时，其剖面为此多边形形状的内包层将对于受限制辐射产生均匀场。
不是所有的凸多边形都具有多边形镜面反射的平面阵列将完全填满一平面这一性质。非平铺多边形将在平面内留下未覆盖的空隙。不是所有的直线都将总是通过多边形。其剖面形状为非平铺多边形的波导将不会引入入射辐射来形成均匀场。结果，本发明与具有满足两条准则的所需性质的一类形状有关。
从剖面形状重复的镜面反射形成的平面阵列完全填满该平面这一需要得出用于较佳多边形形状的第一准则。满足此准则保证了入射光线的后续反射将允许传播沿任何初始方向取向的光线。这需要邻近多边形之间没有“未填充的空隙”。此第一准则的第一推论是不考虑任何具有弯曲边和凸顶角的形状。相应地，所需的剖面形状是具有三条或更多条边的凸多边形。
第二推论是每个顶角必须360°除以整数。这可由邻近多边形共用一公共点的第一要点来说明。例如，顶点162、162a、162b、162h、162g和162f都在图8的多边形阵列中‘A’所代表的公共点处相遇。同样，顶点166b、166c和166d都在阵列中的公共点‘B’处相遇，顶点168b、168d、168j和168h都在公共点
‘C’处相遇。此外，公共点处的每个顶角与同一公共点处的每个其它的顶角相等。因此，如果多边形之间没有未填充的空隙，则任意公共点处顶角的和必须等于360°。于是得出顶角必须是360°除以整数。经观察，公共点A处六个顶角的每一个都必须等于60°，公共点B处三个顶点的每一个必须等于120°，公共点C处四个顶点的每一个必须等于90°。
通过进一步观察可找到三个或更多顶点的公共点可得出第二准则。可把包围一公共点的多边形看作是一系列多重反射所产生的，这些反射从一初始多边形开始并把此公共点作为用于此系列反射的旋转中心。例如，可把包围公共点B的三个多边形中的两个看作，对于边156b作第一镜面反射从多边形140b产生多边形140c，以及对于边157c作第二镜面反射从多边形140b产生多边形140d。对于边158d作第三镜面反射将产生初始多边形140b。即，初始多边形140b绕公共点B的三个反射把初始多边形140b映射到它本身。此外，进行此映射所需的反射数目等于包围公共点的顶角数目。在给出的例子中，需要三个反射，因为360°被120°除等于三。于是，用于一多边形形状的第二准则需要该多边形在绕一顶点进行一系列kj个镜面反射时被映射到它本身，这里顶角等于360°被kj除。
可参考图9的图更一般地描述以上讨论的两条准则，在图中示出N条边的凸多边形170。多边形170具有边si和顶点Vi，这里1≤i≤N。此外，由边si和Si+1形成顶点Vi+1。经观察可看出，因为多边形170是闭合的，所以由边sN和边s1形成顶点V1。依据上述第一准则，N条边的凸多边形170每个顶点Vi的顶角θi必须满足以下条件：
θi＝360°/ki，这里ki≤3
满足以上条件的顶角是360°除以整数，例如120°、90°、72°、60°、45°…。
依据第二准则，N条边的凸多边形170还具有在绕任意顶点Vj进行一系列kj个反射时映射到它本身的性质。此反射序列将包括对于边sj的第一反射、对于边sj+1的第二反射、对于边sj的第三反射，以及交替地对于边sj+1和sj进行的后续反射，直到实现此kj个反射序列。
总之，本发明涉及具有满足以下要求的凸多边形剖面形状的那一类波导，这些要求是如果使用一些这样的多边形来镶嵌或平铺一平面，则所有的多边形将填满可得的空间，并在邻近多边形之间不交叠或留下插入的空隙，且所有的多边形将对于任一公共边互为镜像。
通过把预制件加工成所需的剖面，然后以本领域内的技术人员公知的方法拉伸预制件来制造依据本发明的光缆。
可以证明至少有八个不同的凸多边形的形状可满足以上两个准则。
依据本发明用于双包层光纤结构的内包层的较佳实施例具有形状为三、四或六条边的多边形剖面。例如，剖面形状为三边多边形的实施例包括如图10A所示的等边三角形182、如图10B所示的直角等边三角形184、如图10C所示30°-60°-90°的三角形186，以及如图10D所示30°-30°-120°的三角形188。
剖面形状为四边多边形的实施例包括如图11A所示的矩形192、如图11B所示的正方形192’、如图11C所示60°的菱形，以及如图11D所示对顶角为60°和120°的对称四边形196。剖面形状为六边多边形的实施例是如图12所示的正六边形198。即使矩形192在这里满足具有创造性的准则，也不特别把它作为提出权利要求的本发明的一部分。
将依据一些因素选择特殊用途的特殊剖面，这些因素包括具有所选特殊剖面的波导的物理属性，以及来自泵激源的辐射图形的性质。例如，剖面为矩形192的波导最易沿一方向弯曲。剖面为正方形192’的波导比剖面为六边形198的波导更容易制造，但形成六边形198比形成正方形192’需要从圆形预制件中去除更少的材料。对于需要特殊波导堆叠排列的其它应用，具有三角形剖面的波导可能是最佳的。
在一般应用中，可使用激光二极管阵列210来对图13所示光纤130提供泵激功率。一般利用中间的光学系统220把激光二极管阵列210的输出从分立的激光光线212的阵列转换成单个输出光线232。光学系统220可以是如授予Po等人的第5,268,978号美国专利中揭示的光纤激光器和几何形状耦合器。把光学系统220设计成获得用于单个输出光线232的数值孔径，该光线232适合于从光纤130的输入端131看到的内包层132的数值孔径。
光学系统220包括束准直仪222，用于减少沿一方位的光线212的增大。经准直后，激光光线212通过多个波导225。把每个波导225置于接近于相应的激光光线212，因为激光光线212是利用准直块224从束准直仪222出射的。波导225的输出端埋入构成提供特殊光线几何形状的叠层226。可以是单个或多个复合多元件形式的缩影镜头228将波导叠层226成像的尺寸等于或稍小于内包层132的剖面形状。在示出的例子中，波导叠层226的光线输出为圆形。结果，用于内包层132的剖面的较佳形状是正方形。
虽然已描述了本发明的较佳实施例，但对本领域内的那些熟练技术人员很明显的是可在较佳实施例中作各种改变和变化而不背离本发明，附加权利要求书的措词中将包括被本发明真实精神和范围所包含的这些改变和变化。

Claims (32)

1.一种用于增益应用的光纤结构，其特征在于所述结构包括：
至少一个选择性地掺有激活增益物质的纤芯；以及
包围所述纤芯的内包层，用于接受泵激能量，并在泵激能量沿所述内包层的长度传播时把此泵激能量传递给所述纤芯，所述内包层具有非矩形的凸多边形的剖面形状，所述多边形具有以下特性，即所述多边形适合于平铺一平面，从而邻近多边形之间不存在空隙，再者，所有的所述多边形都将关于任何公共边互为镜像。
2.如权利要求1所述的光纤结构，其特征在于所述纤芯包括单模纤芯。
3.如权利要求1所述的光纤结构，其特征在于所述纤芯包括重量百分比高达0.5的稀土掺杂剂。
4.如权利要求1所述的光纤结构，其特征在于所述多边形的一个顶角是360°的整因子。
5.如权利要求4所述的光纤结构，其特征在于所述一个顶角为120度。
6.如权利要求5所述的光纤结构，其特征在于所述多边形的另一个顶角为120度。
7.如权利要求6所述的光纤结构，其特征在于所述多边形是正六边形。
8.如权利要求5所述的光纤结构，其特征在于所述多边形的另一个顶角为60度。
9.如权利要求8所述的光纤结构，其特征在于所述多边形是菱形。
10.如权利要求8所述的光纤结构，其特征在于所述多边形是关于一对角线对称的四边形。
11.如权利要求4所述的光纤结构，其特征在于所述一个顶角为90度。
12.如权利要求11所述的光纤结构，其特征在于所述多边形的另一个顶角为90度。
13.如权利要求11所述的光纤结构，其特征在于所述多边形的另一个顶角为60度。
14.如权利要求13所述的光纤结构，其特征在于所述多边形是三角形。
15.如权利要求4所述的光纤结构，其特征在于所述一个顶角为60度。
16.如权利要求15所述的光纤结构，其特征在于所述多边形的另一个顶角为60度。
17.如权利要求16所述的光纤结构，其特征在于所述多边形是三角形。
18.如权利要求4所述的光纤结构，其特征在于所述一个顶角为45度。
19.如权利要求18所述的光纤结构，其特征在于所述多边形的另一个顶角为90度。
20.如权利要求19所述的光纤结构，其特征在于所述多边形是三角形。
21.如权利要求4所述的光纤结构，其特征在于所述一个顶角为30度。
22.如权利要求21所述的光纤结构，其特征在于所述多边形的另一个顶角为30度。
23.如权利要求22所述的光纤结构，其特征在于所述多边形是三角形。
24.如权利要求1所述的光纤结构，其特征在于还包括外包层，所述外包层包围所述内包层。
25.如权利要求24所述的光纤结构，其特征在于所述外包层包括折射率低的氟化聚合物。
26.如权利要求24所述的光纤结构，其特征在于所述内包层的折射率大于所述外包层的折射率，从而所述内包层接受面的数值孔径为0.4。
27.如权利要求1所述的光纤结构，其特征在于调节所述纤芯的浓度-长度积，从而相对于光纤结构的耦合效率沿所述纤芯实现净增益。
28.一种光学增益系统，包括
泵激源；
如权利要求1所述的光纤结构；以及
用于把泵激源辐射映射到所述内包层上的装置，所述用于映射的装置位于所述光纤结构和所述泵激源中间，用于会聚所述泵激源产生的辐射，从而辐射的数值孔径与所述光纤结构的光学特性接近匹配。
29.如权利要求28所述的光学增益系统，其特征在于所述泵激源是激光二极管阵列，且所述光学增益系统还包括位于所述光纤结构和所述激光二极管阵列中间的光学耦合装置，用于把所述激光二极管阵列的输出转换成组合的辐射输出。
30.一种用于增益应用的光纤结构，其特征在于所述光纤结构包括：
至少一个选择性地掺有激活增益物质的纤芯；以及包围所述纤芯的内包层，用于接受泵激能量，并在泵激能量沿所述内包层的长度传播时把此泵激能量传递给所述纤芯，所述内包层具有正方形的平面形状。
31.一种光学增益系统，包括
泵激源；
如权利要求30所述的光纤结构；以及
用于把泵激源辐射映射到所述内包层上的装置，所述用于映射的装置位于所述光纤结构和所述泵激源中间，用于会聚所述泵激源产生的辐射，从而辐射的数值孔径与所述光纤结构的光学特性接近匹配。
32.如权利要求31所述的光学增益系统，其特征在于所述泵激源是激光二极管阵列，且所述光学增益系统还包括位于所述光纤结构和所述激光二极管阵列中间光学耦合装置，用于把所述激光二极管阵列的输出转换成组合的辐射输出。
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