CN101764343A - 一种单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤 - Google Patents
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Abstract
一种单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤,属于大功率光纤放大器、激光器、特种光纤。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1),由内到外分布第一硅环芯(21)、第一掺稀土离子环芯(41)、...第N+1硅环芯(2,N+1),外包层(3),2≤N≤50;掺稀土离子芯区、第一掺稀土离子环芯、...第N掺稀土离子环芯(4N)的折射率相等,第一硅环芯、...第N+1硅环芯的折射率相等,第一硅环芯(21)、...第N+1硅环芯的折射率低于掺稀土离子芯区、第一掺稀土离子环芯、...第N掺稀土离子环芯的折射率;外包层的折射率低于第一硅环芯、...第N+1硅环芯(2,N+1)的折射率,降低了光纤的制作难度,实现光纤大的有效模场面积。
Description
技术领域
本发明涉及一种单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤,属于大功率光纤放大器、激光器、特种光纤领域。
背景技术
掺稀土光纤放大器或激光器采用掺稀土元素(Nd,Sm,Ho,Er,Pr,Tm,Yb等)离子光纤,利用受激辐射机制实现光的直接放大。
光纤激光器以其卓越的性能和低廉的价格,在光纤通信、工业加工、医疗、军事等领域取得了日益广泛的应用。尽管在实验室已经实现单个光纤输出超过1kW的单模激光,而且实现这种激光需要严格的条件,难以工程应用;但是随着激光技术应用的发展,以及材料加工、空间通信、激光雷达、光电对抗、激光武器等的发展,需要高功率、高质量、高强度和超亮度的激光,要求单模输出功率达到MW甚至GW量级。仅仅采用单模有源纤芯的双包层掺稀土光纤激光器,由于单模有源纤芯芯径小于10μm,受到非线性、结构因素和衍射极限的限制,承受的光功率密度有限,单模有源光纤纤芯连续波损坏阈值约为1W/μm2[J.Nilsson,J.K.Sahu,Y.Jeong,W.A.Clarkson,R.Selvas,A.B.Grudinin,and S.U.Alam,“High Power Fiber Lasers:New Developments”,Proceedings of SPIEVol.4974,50-59(2003)],其光学损坏危险成为实现大功率单模光纤激光器的一大挑战。除了光学损坏外,由于大功率光产生的热也会损坏光纤,甚至会最终融化纤芯。有文献报道,铒镱共掺光纤激光器每米可产生100W热[J.Nilsson,S.U.Alam,J.A.Alvarez-Chavez,P.W.Turner,W.A.Clarkson,andA.B.Grudinin,”High-power and tunable operation of erbium-ytterbium co-dopedcladding-pumped fiber laser”,IEEE J.Quantum Electron.39,987-994(2003)]。
多芯光纤激光器实现单模输出,已经得到实验证实。文献中采用的多芯光纤有效模场面积达到465μm2,比普通单模光纤模场面积大得多,因此这种多芯光纤激光器能输出更高的功率。[Vogel,Moritz M,Abdou-Ahmed,Marwan,Voss,Andreas,Graf,Thomas,“Very-large-mode-area,single-mode multicore fiber”,Opt.Lett.34(18),2876-2878(2009)]。然而这种单模激光器采用的多芯光纤,对光纤纤芯的芯径以及相邻纤芯之间的距离得精确的设计,对光纤纤芯的芯径一致性要求高,对光纤纤芯的芯径以及相邻纤芯之间的距离的容许误差小,批量生产成品率低。而且这种多芯光纤的每个纤芯的模场面积有限,限制了光纤激光器输出单模激光功率的提高。虽然通过多芯光子晶体光纤可实现达4240μm2模场面积的单模光纤[Michaille,L.;Bennett,C.R.;Taylor,D.M.;Shepherd,T.J.“MulticorePhotonic Crystal Fiber Lasers for High Power/Energy Applications”,IEEE Journalof Selected Topics in Quantum Electronics,15(2),328-336(2009)],然而这种光纤空气孔尺寸很难制作一致,成品率低,只能端面泵浦且与普通光纤连接损耗大。
发明内容
为了克服现有单模光纤与多芯光纤输出单模激光功率有限以及随着光功率的增加,其抗热等方面的缺陷,以及现有大模场光纤工艺要求高、成品率低,以及与普通光纤连接损耗大等缺陷,本发明提供一种单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤。
单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤,该光纤中心为掺稀土离子芯区,掺稀土离子芯区外由内到外分布第一硅环芯、第一掺稀土离子环芯、...第N硅环芯、第N掺稀土离子环芯,第N+1硅环芯,外包层,2≤N≤50;
掺稀土离子芯区、第一掺稀土离子环芯、...第N掺稀土离子环芯的折射率相等,第一硅环芯、...第N硅环芯、第N+1硅环芯的折射率相等,第一硅环芯、...第N硅环芯、第N+1硅环芯的折射率低于掺稀土离子芯区、第一掺稀土离子环芯、...第N掺稀土离子环芯的折射率;外包层的折射率低于第一硅环芯、...第N硅环芯、第N+1硅环芯的折射率。
第一掺稀土离子环芯、...第N掺稀土离子环芯形状为圆环形、长方环形、椭圆环形,六边环形;
掺稀土离子芯区、第一掺稀土离子环芯、...第N掺稀土离子环芯的掺稀土离子类型包括钕离子、铒离子、镱离子、钍离子、镨离子、钬离子、钐离子、钕镱共掺离子、铒镱共掺离子。
掺稀土离子芯区、第一掺稀土离子环芯、...第N掺稀土离子环芯的掺稀土离子类型相同。
掺稀土离子芯区的纤芯直径小于等于5μm。第一掺稀土离子环芯、第二掺稀土离子环芯...第N掺稀土离子环芯的各环芯厚度小于等于5μm。
掺稀土离子芯区表面与第一掺稀土离子环芯表面的最小距离小于等于5μm,第K掺稀土离子环芯表面与第K-1掺稀土离子环芯表面的最小距离小于等于5μm,2≤K≤N。
本发明的有益效果具体如下:一种单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤,能实现大功率的激光输出,通过调整光纤中心掺稀土离子芯区的面积,以及掺稀土离子芯区与各层掺稀土环形纤芯之间的距离,调节掺稀土离子芯区与各层掺稀土环形纤芯之间的耦合,实现光纤大的有效模场面积,能实现大功率单模激光输出。由于掺稀土离子芯区与各层掺稀土环形纤芯之间保持一定距离,从而有利于实现纤芯的热的扩散,有效地提高了光纤的抗热能力。由于这种光纤制作工艺上光纤环的厚度与单模纤芯直径容许误差大,降低了光纤的制作难度,降低了光纤与普通光纤熔接损耗,能采用侧面泵浦。
附图说明
图1为单模纤芯耦合二层掺稀土离子长方环芯的光纤截面图。
图2为单模纤芯耦合三层掺稀土离子椭圆环芯的光纤截面图。
图3为单模纤芯耦合五层掺稀土离子圆环芯的光纤截面图。
图4为单模纤芯耦合五十层掺稀土离子圆环芯的光纤截面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例一
单模纤芯耦合二层掺稀土离子长方环芯的光纤,参见图1。该光纤中心为掺稀土离子芯区1,掺稀土离子芯区1外由内到外分布第一硅环芯21、第一掺稀土离子环芯41、第二硅环芯22、第二掺稀土离子环芯42、第三硅环芯23、外包层3;本实施例中N层掺稀土离子长方环芯的光纤N=2。
掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42的掺稀土离子类型均为铒离子。
掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42的折射率相等。第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯23的折射率相等,第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯23的折射率低于掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42的折射率。外包层3的折射率低于第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯23的折射率。
第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42形状为长方环形;
掺稀土离子芯区1的纤芯直径等于2μm。第一掺稀土离子环芯41厚度等于3μm。
掺稀土离子芯区1表面与第一掺稀土离子环芯41表面的最小距离为4μm,第二掺稀土离子环芯42表面与第一掺稀土离子环芯41表面的最小距离等于5μm。
实施例二
单模纤芯耦合三层掺稀土离子椭圆环芯的光纤,参见图2。该光纤中心为掺稀土离子芯区1,掺稀土离子芯区1外由内到外分布第一硅环芯21、第一掺稀土离子环芯41、第二硅环芯22、第二掺稀土离子环芯42、第三硅环芯23、第三掺稀土离子环芯43、第四硅环芯24、外包层3;本实施例中N层掺稀土离子椭圆环芯的光纤N=3。
掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43的掺稀土离子类型均为钬离子。
掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43的折射率相等。第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯23、第四硅环芯24的折射率相等。第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯23、第四硅环芯24的折射率低于掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43的折射率。外包层3的折射率低于第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯23、第四硅环芯24的折射率。
第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43形状为椭圆环形。
掺稀土离子芯区1的纤芯直径等于4μm。第一掺稀土离子环芯41厚度等于2μm。
掺稀土离子芯区1表面与第一掺稀土离子环芯41表面的最小距离为2μm,第二掺稀土离子环芯42表面与第一掺稀土离子环芯41表面的最小距离为5μm,第三掺稀土离子环芯43表面与第二稀土离子环芯42面的最小距离为3μm。
实施例三
单模纤芯耦合五层掺稀土离子圆环芯的光纤,参见图3。该光纤中心为掺稀土离子芯区1,掺稀土离子芯区1外由内到外分布第一硅环芯21、第一掺稀土离子环芯41、第二硅环芯22、第二掺稀土离子环芯42、第三硅环芯23、第三掺稀土离子环芯43、第四硅环芯24、第四掺稀土离子环芯44、第五硅环芯25、第五掺稀土离子环芯45、第六硅环芯26、外包层3;本实施例中N层掺稀土离子圆环芯的光纤N=5。
掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45的折射率相等,第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯23、第四硅环芯24、第五硅环芯25、第六硅环芯26的折射率相等,第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯23、第四硅环芯24、第五硅环芯25、第六硅环芯26的折射率低于掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45的折射率;外包层3的折射率低于第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯23、第四硅环芯24、第五硅环芯25、第六硅环芯26的折射率。
第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45形状为圆环形。
掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45的掺稀土离子类型为钕离子或铒离子或镱离子或钍离子或镨离子或钬离子或钐离子或钕镱共掺离子或铒镱共掺离子。
掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45的掺稀土离子类型相同。
掺稀土离子芯区1的纤芯直径小于等于5μm。第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45的各环芯厚度小于等于5μm。
掺稀土离子芯区1表面与第一掺稀土离子环芯41表面的最小距离小于等于5μm,第K掺稀土离子环芯4K表面与第K-1掺稀土离子环芯4,K-1表面的最小距离小于等于5μm,2≤K≤5。
实施例四
单模纤芯耦合五十层掺稀土离子圆环芯的光纤,参见图4。该光纤中心为掺稀土离子芯区1,掺稀土离子芯区1外由内到外分布第一硅环芯21、第一掺稀土离子环芯41、第二硅环芯22、第二掺稀土离子环芯42、第三硅环芯23、第三掺稀土离子环芯43、第四硅环芯24、第四掺稀土离子环芯44、第五硅环芯25、第五掺稀土离子环芯45、...第五十硅环芯250、第五十掺稀土离子环芯450、第五十一硅环芯251、外包层3;本实施例中N层掺稀土离子圆环芯的光纤N=50。
掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45...第五十掺稀土离子环芯450的折射率相等。第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯23、第四硅环芯24、第五硅环芯25、...第五十硅环芯250、第五十一硅环芯251的折射率相等。第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯23、第四硅环芯24、第五硅环芯25、...第五十硅环芯250、第五十一硅环芯251的折射率低于掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45...第五十掺稀土离子环芯450的折射率。外包层3的折射率低于第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯23、第四硅环芯24、第五硅环芯25、...第五十硅环芯250、第五十一硅环芯251的折射率。
第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45...第五十掺稀土离子环芯450形状为圆环形。
掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45...第五十掺稀土离子环芯450的掺稀土离子类型为钕离子或铒离子或镱离子或钍离子或镨离子或钬离子或钐离子或钕镱共掺离子或铒镱共掺离子。
掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45...第五十掺稀土离子环芯450的掺稀土离子类型相同。
掺稀土离子芯区1的纤芯直径为5μm。第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45...第五十掺稀土离子环芯450的各环芯厚度均为2μm。
掺稀土离子芯区1表面与第一掺稀土离子环芯41表面的最小距离为2μm,第K掺稀土离子环芯4K表面与第K-1掺稀土离子环芯4,K-1表面的最小距离均为2μm,2≤K≤50。
Claims (4)
1.单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤,其特征为:该光纤中心为掺稀土离子芯区(1),掺稀土离子芯区(1)外由内到外分布第一硅环芯(21)、第一掺稀土离子环芯(41)、...第N硅环芯(2N)、第N掺稀土离子环芯(4N),第N+1硅环芯(2,N+1),外包层(3),2≤N≤50;
掺稀土离子芯区(1)、第一掺稀土离子环芯(41)、...第N掺稀土离子环芯(4N)的折射率相等,第一硅环芯(21)、...第N硅环芯(2N)、第N+1硅环芯(2,N+1)的折射率相等,第一硅环芯(21)、...第N硅环芯(2N)、第N+1硅环芯(2,N+1)的折射率低于掺稀土离子芯区(1)、第一掺稀土离子环芯(41)、...第N掺稀土离子环芯(4N)的折射率;外包层(3)的折射率低于第一硅环芯(21)、...第N硅环芯(2N)、第N+1硅环芯(2,N+1)的折射率。
2.根据权利要求1所述的单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤,其特征为:掺稀土离子芯区(1)、第一掺稀土离子环芯(41)、...第N掺稀土离子环芯(4N)的掺稀土离子类型包括钕离子、铒离子、镱离子、钍离子、镨离子、钬离子、钐离子、钕镱共掺离子、铒镱共掺离子;掺稀土离子芯区(1)、第一掺稀土离子环芯(41)、...第N掺稀土离子环芯(4N)的掺稀土离子类型相同。
3.根据权利要求1所述的单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤,其特征为:掺稀土离子芯区(1)的纤芯直径小于等于5μm;第一掺稀土离子环芯(41)、...第N掺稀土离子环芯(4N)的各环芯厚度小于等于5μm。
4.根据权利要求1所述的单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤,其特征为:掺稀土离子芯区(1)表面与第一掺稀土离子环芯(41)表面的最小距离小于等于5μm,第K掺稀土离子环芯(4,K)表面与第K-1掺稀土离子环芯(4,K-1)表面的最小距离小于等于5μm,2≤K≤N。
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Legal Events
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
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CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20120425 Termination date: 20130108 |