CN101201429A - 一种大模场直径负折射率单模玻璃光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大模场直径负折射率单模玻璃光纤，该玻璃光纤由纤芯、内包层和外包层构成，纤芯的折射率为N₁，内外包层的折射率分别为N₂、N₃，且满足关系：N₂≥N₁和N₂＞N₃，纤芯掺杂发光离子，发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或几种的组合体，其掺杂浓度要＞1×10¹⁹ions/cm³。本发明的玻璃光纤，由增益折射率和波导折射率共同作用，在纤芯和内包层间形成波导结构，使激光在纤芯中稳定振荡。在光纤中实现大模场直径单模激光输出。

Description

一种大模场直径负折射率单模玻璃光纤

技术领域

本发明涉及玻璃光纤，特别是一种大模场直径负折射率单模玻璃光纤。

背景技术

光纤激光以其优异的模式在工业、农业、军事、医疗等领域具有广泛的应用前景，尤其在激光切割、焊接等领域，高功率、大能量的激光显得尤为重要。要提高光纤输出激光的功率或能量，需要使用大模场直径光纤。一般单模光纤的纤芯直径仅有8～10μm，很难实现较高功率的输出。

目前常用的大模场直径光纤多采用高阶模泄漏方案，即通过弯曲光纤或对光纤结构进行设计使光纤中产生的高阶模泄漏出光纤，如光子晶体光纤[Birks T A，Knight J C，Russell P St J.Endlesslysingle-mode photonic crystal fiber(无截止单模光子晶体光纤)，Opt.Lett.，1997，22：961-963]，基模具有较小的模场直径，而高阶模具有较大的模场面积，通过纤芯周围小孔将高阶模泄漏出去，实现光纤的单模运转。其它实现单模运转的大模场直径光纤还有分块扇形光纤[Rastogi V，Chiang K S.Propagation characteristics of a segmented cladding fiber(分块扇形包层光纤的传输特性).Opt.Lett.，2001，26：491-493]目前通过高阶模泄漏方式制作的大模场直径光纤的纤芯直径一般小于60μm。

光纤导波结构是通过纤芯和包层折射率差实现，即纤芯具有比包层高的折射率，通过全内反射将光束缚在纤芯内。这种结构属于折射率导波结构，目前使用的光纤都属于折射率导波光纤。另外，通过增益也可以形成波导结构，高功率激光的自聚焦效应很大程度上源于增益波导的形成。因此可以利用增益波导制作大模场直径单模光纤。

发明内容

本发明的目的是提供一种大模场直径负折射率单模玻璃光纤，利用光纤材料的高掺杂和高增益特性，通过控制增益波导和折射率波导共同作用实现光纤的单模运转。

本发明采用如下技术方案实现该目的：一种大模场直径负折射率单模玻璃光纤由纤芯、内包层和外包层构成，纤芯的折射率为N₁，内外包层的折射率分别为N₂、N₃，且满足关系：N₂≥N₁和N₂＞N₃，纤芯和内包层间形成一种负折射率结构(不同于目前光纤的折射率波导结构)。

所述纤芯和内包层由单一组分玻璃或多组分软玻璃制成。

所述外包层由单一组分玻璃、多组分软玻璃或高分子塑料制成。

所述内、外包层的横截面是圆形、矩形或D型。

纤芯掺杂浓度大于1×10¹⁹ions/cm³的发光离子(，发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或几种的组合体。

本发明的效果是：纤芯和包层之间折射率差是负值，不能形成有效折射率导波结构，抑制纤芯中高阶模的产生，随着泵浦激光功率的增大，纤芯中发光离子被激发，形成激光振荡。纤芯中的增益改变了折射率在纤芯中的分布。随着增益的增大，由增益产生的折射庇为( ${\mathrm{\Δn}}^2=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{4{\mathrm{\π}}^2}{g}^2,$ 其中λ表示激光发射的峰值波长，g表示线性增益系数(cm^-1))。由增益折射率和波导折射率共同作用，在纤芯和内包层间形成波导结构，使激光在纤芯中稳定振荡。在这种结构中，纤芯内的高阶模式无法形成振荡，最终在光纤中实现大模场直径单模激光输出。

附图说明

图1为光纤横截面折射率分布和稀土离子分布图，实线表示折射率沿光纤截面的分布，虚线表示稀土离子掺杂浓度沿光纤半径的变化。

图2为光纤横截面折射率分布和稀土离子分布图，实线表示折射率沿光纤截面的分布，虚线表示稀土离子掺杂浓度沿光纤半径的变化。

具体实施方式

实施例1：图1为本发明大模场直径双包层单模光纤的横截面折射率分布示意图，光纤的纤芯折射率为N₁，内外包层的折射率分布分别为N₂和N₃，且满足关系：N₂≥N₁和N₂＞N₃，在纤芯与内包层以及内包层与外包层的界面上折射率阶跃变化。光纤纤芯成分为磷酸盐玻璃，其组成为：70P₂O₅-8Al₂O₃-15BaO-4La₂O₃-3Nd₂O₃，其中，Nd³⁺浓度为8.4×10¹⁹ions/cm³。稀土离子的掺杂浓度随纤芯半径方向的变化如图1中虚线所示。光纤的纤芯及内外包层材料可以是磷酸盐玻璃也可以是其它种类的单一组分玻璃或多组分玻璃或软玻璃制成，外包层还可以由高分子塑料制成。但需满足上面所述的折射率条件，以形成所设计的波导结构。另外还需要满足与纤芯磷酸盐玻璃在热膨胀系数、软化温度以及拉丝粘度等方面的匹配条件，以保证能成功拉制出玻璃光纤。在本实施例l中，光纤的内外包层均采用磷酸盐玻璃材料，其组成是在纤芯玻璃基础上，通过调节BaO和Al₂O₃的不同含量实现调节折射率的目的。光纤的内外包层横截面形状可以是圆形，也可以是其它任意形状，比如圆形、矩形、D型，主要由激光泵浦方案确定。在本实施例1，光纤的内外包层横截面都为圆形结构。

通过管棒法将纤芯玻璃和内外包层玻璃制作成光纤预制棒，在光纤拉丝塔上进行光纤拉制，本实施例1中的光纤拉丝温度为690℃。将拉制的光纤切成长度为7cm的光纤段，放入V形槽中固定，将其两个端面进行研磨抛光，在其中一端镀1.053μm高反膜，反射率大于99％，另一端作为激光输出端，利用端面反射形成激光反馈。将研磨、镀膜后的光纤置于带有冷却装置的激光腔中，通过氙灯对光纤进行侧面泵浦，随着氙灯泵浦能量的提高，在光纤中逐渐形成激光振荡。通过对激光输出模式的观察，发现在纤芯直径为100μm时仍可实现单模激光输出。

实施例2：图2为本发明大模场直径双包层单模光纤的横截面折射率分布示意图，与实施例1相近，并且满足关系N₂≥N₁和N₂＞N₃。掺杂离子的浓度沿半径方向呈逐渐变化，在纤芯中心处浓度最高，如图2中虚线所示。这种结构的优点在于：由于离子在纤芯和内包层界面处的浓度低，因此增益系数小，由增益引起的折射率变化小。在光纤中，高阶模式一般分布在光纤纤芯和包层的界面处，在此区域由于不能形成有效波导结构，进一步抑制了高阶模式的产生。在这种结构中能实现比实施例1更大模场直径的单模激光输出。

Claims (6)

1.一种大模场直径负折射率单模玻璃光纤，由纤芯、内包层和外包层构成，其特征在于，所述纤芯的折射率为N₁，所述内包层的折射率为N₂，所述外包层的折射率为N₃，且满足关系：N₂≥N₁和N₂≥N₃。

2.根据权利要求1所述的玻璃光纤，其特征在于，所述纤芯和内包层由单一组分玻璃或多组分软玻璃制成。

3.根据权利要求1所述的玻璃光纤，其特征在于，所述外包层由单一组分玻璃、多组分软玻璃或高分子塑料制成。

4.根据权利要求1所述的玻璃光纤，其特征在于，所述内、外包层的横截面是圆形、矩形或D型。

5.根据权利要求1所述的玻璃光纤，其特征在于，所述纤芯掺杂发光离子的浓度大于1×10¹⁹ions/cm³。

6.根据权利要求5所述的玻璃光纤，其特征在于，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或几种的组合体。

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