CN101122651A - 包层增益导引微结构空芯光纤 - Google Patents
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Abstract
一种包层增益导引微结构空芯光纤，包括纤芯区和包层区，其特征在于所述的纤芯区是空芯的，由空气填充；所述的包层区包括内包层区和外包层区，包层区包绕纤芯区，内包层区中引入激光材料，外包层区由折射率均匀分布的固体材料形成，所述的中空的纤芯区与内包层区第一圈空气孔或空气隙之间的固体材料厚度小于一个波长。本发明光纤具有很大的模面积。使用这种光纤的光纤激光器，更有利于实现高功率，而且具有增益高、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、结构简单、可靠性高等特性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤，特别是一种包层增益导引微结构空芯光纤。
背景技术
高功率光纤激光器以其卓越的性能和超值的价格，在激光加工、激光医疗、激光雷达、激光测距等多方面得到了日益广泛的应用。在同样的输出功率下，光纤激光器的光束质量、可靠性和体积等都占有优势，此外由于光纤成本的降低和易于实现流水线大批量生产等特点，这不仅引起科学家们的兴趣，而且更吸引产业界专家们的极大关注。
光纤激光器最初在上世纪60年代提出，但一直进展缓慢，直至低损耗光纤制造技术和半导体激光器的发展与应用，方为光纤激光器带来了新的前景。光纤激光器以掺杂光纤作为激光介质，与块状激光介质相比，具有以下显著的优点：介质细长易于散热；光纤的波导结构易于达到单横模；利用双包层技术易于达到高效率和高功率。近年来，对以双包层光纤为基础的包层泵浦技术的研发，使光纤激光器的输出功率已经突破kW，在工业及通信等领域具有广阔的应用前景。
微结构光纤(Microstructured fiber，简称为MF)是由晶格常数为光波长量级的二维光子晶体构成的，即规则排列着空气孔的二氧化硅光纤阵列构成光纤的包层，光纤的核心是由一个破坏了包层结构周期性的缺陷构成。这个缺陷可以是固体二氧化硅，也可以是空气孔。根据纤芯结构不同，MF可以分为实芯MF和空芯MF两大类。空芯MF按照光子带隙效应(PBG)导光，即光纤包层结构对一定频率范围内的光子存在着禁带效应，光束只能在纤芯中传导，它对包层中空气孔排列的周期性要求比较严格。实芯MF依赖于全内反射效应(TIR)导光，纤芯折射率比包层的有效折射率高，纤芯中的光束将按照改进的全内反射原理进行传输，它对包层中空气孔排列的周期性要求不严格。微结构光纤与传统光纤相比有许多特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域。
光纤纤芯的大小与输出功率有很大关系。纤芯越大可传输的功率就越大，纤芯越小传输的功率过大会产生非线性效应，影响光纤输出功率，甚至会对光纤造成损伤。因此在双包层光纤中，在保证输出光束质量的前提下要尽量增大光纤的纤芯，但在一般的双包层掺稀土光纤中，纤芯的增大会影响光束质量，造成光纤激光器和放大器的多模输出，因此纤芯的增大程度是有限的。微结构光纤的出现为光纤激光功率的进一步提升创造了条件。实芯微结构光纤具有“无尽单模”特性，但是随着芯径增大，弯曲损耗也相应增大。空芯微结构光纤中，低阶模式的损耗低于高阶模式的损耗，所以可以实现渐近单模传输。相对于空芯微结构光纤的中空纤芯，实芯微结构光纤的纤芯是石英等材料。而石英等材料的激光损伤阈值比空气低得多，所以空芯微结构光纤在高功率领域具有其他光纤无法比拟的优势，但是由于空芯微结构光纤不易于引入掺杂，所以其发展受到一些制约。
实际工作中，我们可以在空芯微结构光纤的包层引入激光介质，利用倏逝波进行放大，这为获得高功率光纤放大器和激光器提供了另外一种途径。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有实芯光纤的不足，提供一种包层增益导引微结构空芯光纤，要求其具有大纤芯，增益由包层来提供，通过倏逝波放大来实现传导光的放大。
本发明的技术解决方案如下：
一种包层增益导引微结构空芯光纤，包括纤芯区和包层区，其特征在于所述的纤芯区是空芯的，由空气填充；所述的包层区包括内包层区和外包层区，包层区包绕纤芯区，内包层区中引入激光材料，外包层区由折射率均匀分布的固体材料形成，所述的中空的纤芯区与内包层区第一圈空气孔或空气隙之间的固体材料厚度小于一个波长。
所述的包层区中的基质材料是石英玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃，或碲酸盐玻璃。
所述的内包层区具有类似蜘蛛网的折射率分布，或者具有分布规则的小孔或者介电管。
所述的蜘蛛网内包层区是由固体材料和空气组成，固体材料之间的空气隙靠固体材料支撑条来支撑。
所述的内包层区中的小孔排列组成三角晶格、环形、或其他有规则且保证有光子带隙的几何形状。
所述的内包层区中的介电管排列组成三角晶格、环形、或其他有规则且保证有光子带隙的几何形状。
所述的内包层区(3)的全部小孔或部分小孔中引入激光材料是液体激光材料：若丹明6G(Rhodamine 6G)、4-(二氰亚甲基)-2-甲基-6-(4-二甲氨基苯乙烯基)-4H-吡喃(简称为DCM)、其他染料溶液，或掺钕的有机或无机溶液。
所述的纤芯区是空芯的，由空气填充，用于传导光；所述的内包层区中引入了激光材料，用来为光提供增益，外包层区由折射率均匀分布的固体材料形成。为保证倏逝波有效耦合至内包层小孔中的激光材料，中空纤芯区与内包层区第一圈空气孔或空气隙之间的固体材料厚度小于一个波长。本发明光纤具有很大的模面积。使用这种光纤的光纤激光器，更有利于实现高功率，而且具有增益高、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、结构简单、可靠性高等特性。
附图说明
图1为本发明实施例1的光纤截面示意图。
图2为本发明实施例8的光纤截面示意图。
图3为本发明实施例9的光纤截面示意图。
图4为本发明实施例10的光纤截面示意图。
图5为本发明实施例11的光纤截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：
图1为本发明实施例1的光纤截面示意图。这是内包层区3具有类似蜘蛛网折射率分布的微结构空芯光纤，这种微结构光纤是在纤芯区2上覆盖内包层区3，在内包层区3上覆盖外包层区4制成。纤芯区2为空芯，其直径为10μm，在纤芯区2和外包层区4之间是内包层区3，内包层区3具有类似蜘蛛网的折射率分布，其中支撑条6厚度为0.25μm，材料为石英玻璃，支撑条6之间空气隙的厚度为5μm，外包层区4材料是石英玻璃。在最靠近纤芯区2的内包层区3中的空气隙5中注入Rhodamine 6G和乙二醇的溶液，染料的浓度是5×10-3mol/L，光纤两端进行封装。
实施例2：
实施例2与实施例1的不同点是：在最靠近纤芯区2的内包层区3中的空气隙5中注入以染料DCM为溶质的溶液，溶剂采用苯甲醇和乙二醇，溶液浓度为10-2mol/L，光纤两端进行封装。
实施例3：
实施例3与实施例1的不同点是：在最靠近纤芯区2的内包层区3中的空气隙5中注入以奇通红(Kiton red，C 27 H 30 N 2 O 7 S 2)为溶质的溶液，溶剂采用乙二醇和甘油，溶液浓度为10-2mol/L，光纤两端进行封装。
实施例4：
实施例4与实施例1的不同点是：在最靠近纤芯区2的内包层区3中的空气隙5中注入以染料DCM为溶质的溶液，溶剂采用甲醇和二甲基亚砜(DMSO)，溶液浓度为10-4mol/L，光纤两端进行封装。
实施例5：
实施例5与实施例1的不同点是：在最靠近纤芯区2的内包层区3中的空气隙5中注入以DOTCI(diethyloxatricarbocyanine iodide)为溶质的溶液，溶剂采用二甲基亚砜(DMSO)和甲醇，溶液浓度为1.2×10-4mol/L，光纤两端进行封装。
实施例6：
实施例6与实施例1的不同点是：在最靠近纤芯区2的内包层区3中的空气隙5中注入Nd2O3溶于SeOCl2和SnCl4的溶液，离子浓度为0.16mol/L，光纤两端进行封装。
实施例7：
实施例7与实施例1的不同点是：在最靠近纤芯区2的内包层区3中的空气隙5中注入含钕的有机溶液，溶质为五氟丙酸钕的o-菲洛琳加合物，溶剂为DMSO-d6(DMSO中H完全置换用D代替)。Nd3+浓度为0.2mol/L，光纤两端进行封装。
实施例8：
图2为本发明实施例8的光纤截面示意图。这是内包层区3具有三角晶格分布小孔的微结构空芯光纤，这种微结构光纤是在纤芯区2上覆盖内包层区3，在内包层区3上覆盖外包层区4制成。纤芯区2为空气，在纤芯区2和外包层区4之间是内包层区3，内包层区3具有多个排列成三角晶格的空气孔，小孔直径为2μm。所述的内包层区3和外包层区4均采用磷酸盐玻璃。在本实施例中，引入激光材料可参照实施例1至实施例7。
实施例9：
图3为本发明实施例9的光纤截面示意图。这是内包层区具有三角晶格分布小孔的微结构空芯光纤，这种微结构光纤是在纤芯区2上覆盖内包层区3，在内包层区3上覆盖外包层区4制成。纤芯区2为空气，芯径为10μm，在纤芯区2和外包层区4之间是内包层区3，内包层区3具有排成环形的空气孔，小孔直径为2μm。所述的内包层区3和外包层区4均采用石英玻璃。在本实施例中，引入激光材料可参照实施例1至实施例7。
实施例10：
图4为本发明实施例10的光纤截面示意图。与实施例8类似，本实施例中纤芯区2结构与实施例8所示纤芯部分相同。两实施例的区别仅仅在于本实施例中，所述的的内包层区3分布的是介电管，介电管外径为2μm，内径为1.75μm，而且内包层中介电管排列呈现三角晶格规律。在本实施例中，引入激光材料可参照实施例1至实施例7。
实施例11：
图5为本发明实施例11的光纤截面示意图。与实施例9类似，本实施例中纤芯区2结构与图3所示纤芯部分相同。两实施例的区别仅仅在于本实例中光纤的内包层区3分布的是介电管，介电管外径为2μm，内径为1.75μm，而且内包层中介电管排列呈现环形。在本实施例中，引入激光材料可参照实施例1至实施例7。
Claims (9)
1.一种包层增益导引微结构空芯光纤，包括纤芯区(2)和包层区，其特征在于所述的纤芯区(2)是空芯的，由空气填充；所述的包层区包括内包层区(3)和外包层区(4)，包层区包绕纤芯区(2)，内包层区(3)中引入激光材料，外包层区(4)由折射率均匀分布的固体材料形成，所述的中空的纤芯区(2)与内包层区(3)第一圈空气孔或空气隙之间的固体材料厚度小于 个波长。
2.所述的外包层区(4)所用材料的折射率等于或小于内包层区(3)非小孔区域材料的折射率。
3.根据权利要求1所述的包层增益导引微结构空芯光纤，其特征在于所述的包层区(3、4)中的基质材料是石英玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃，或碲酸盐玻璃。
4.根据权利要求1所述的包层增益导引微结构空芯光纤，其特征在于内包层区(3)具有类似蜘蛛网的折射率分布，或者具有分布规则的小孔或者介电管。
5.根据权利要求3所述的包层增益导引微结构空芯光纤，其特征在于蜘蛛网内包层区(3)是由固体材料和空气组成，固体材料之间的空气隙靠固体材料支撑条(6)来支撑。
6.根据权利要求3所述的包层增益导引微结构空芯光纤，其特征在于内包层区(3)中的小孔排列成三角品格、环形、或其他有规则且保证有光子带隙的几何形状。
7.根据权利要求3所述的包层增益导引微结构空芯光纤，其特征在于所述的内包层区(3)中的介电管排列组成三角晶格、环形、或其他有规则且保证有光子带隙的几何形状。
8.根据权利要求1所述的包层增益导引微结构空芯光纤，其特征在于所述的内包层区(3)的全部小孔或部分小孔中引入激光材料。
9.根据权利要求8所述的包层增益导引微结构空芯光纤，其特征在于内包层区(3)中引入的激光材料是液体激光材料：若丹明6G、4-(二氰亚甲基)-2-甲基-6-(4-二甲氨基苯乙烯基)-4H-吡喃、其他染料溶液，或掺钕的有机或无机溶液。
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