CN101969173A - 带布拉格结构的双包层光纤，光纤放大器和光纤激光器 - Google Patents

带布拉格结构的双包层光纤，光纤放大器和光纤激光器 Download PDF

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王智勇
王璞
代京京
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Shanxi Feihong Laser Technology Co., Ltd.
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Beijing University of Technology
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Abstract

本发明涉及带布拉格结构的双包层光纤，包括纤芯1、内包层2、外包层3，保护层4，在内包层2上具有高低折射率层周期性交叠分布的径向同轴布拉格结构区。本发明所述的双包层光纤，具有大芯径、低NA值，通过给该光纤提供泵浦光，放大传播通过该光纤的信号，可在不增大内包层尺寸的情况下，实现高功率激光基模输出，且有利于高功率激光输出时热量管理，适于制作高功率高光束质量光纤激光器及光纤放大器。

Description

带布拉格结构的双包层光纤，光纤放大器和光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤放大器，光纤激光器，和作为光放大媒体的带布拉格结构的双包层光纤，属于光纤放大器、光纤激光器、特种光纤领域。
背景技术
光纤激光器及光纤放大器通常采用纤芯泵浦技术，最初的增益光纤采用普通的单包层结构，在纤芯中掺入激活离子作为增益介质，泵浦光与信号光均在光纤纤芯中传输，因此必须把泵浦光高效耦合到光纤纤芯中。由于纤芯直径只有几个微米，与泵浦源耦合效率低，从而使激光输出功率也很低，限制了其使用范围。为了提高光纤激光器的输出功率，人们提出了双包层结构光纤，即在普通单包层结构光纤的纤芯和包层之间引入一个内包层，使整个光纤包括三个部分：纤芯、内包层和外包层。包含激活离子的单模纤芯被折射率低于纤芯的多模圆形内包层所包围，该内包层又被折射率更低的外包层所包围，泵浦光注入到内包层中，并被内包层界面处的全内反射所限制，当在内包层中传输的泵浦光经过纤芯时，被纤芯中激活离子吸收，从而实现包层泵浦。在制作光纤时，使内包层的几何尺寸比纤芯大很多，同时使内包层和外包层折射率函数的数值孔径也尽量大这样可以有效的接受多模泵浦光的功率，从而提高激光输出功率。尽管掺镱双包层光纤激光器具有如此多的优点及如此巨大的应用价值，但其单纤输出功率仍然较低，其存在于光纤的原因主要是(1)双包层光纤激光器纤芯增益介质中储存的能量受限于纤芯截面积；(2)由于纤芯截面积较小，高功率运转时会出现诸如受激喇曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)等非线性光学效应；(3)高能量密度对光纤端面的破坏作用也使得输出功率难以提高。而且现有工艺设计制造的光纤在提高输出功率和光束质量两者之间存在着矛盾，因此为了获得更高功率的输出，常规的“小芯径、大数值孔径”的光纤设计已经不适合大功率输出的应用。而具有高稀土元素掺杂浓度，同时其芯径相对较大而数值孔径相对较小的所谓“大模场面积”(LMA)光纤却能够克服这些限制。因此大模场面积双包层光纤成为目前有源光纤研制的热点。为了实现更大功率光纤激光器的基模激光输出，受光纤内部损伤阈值和非线性效应的影响，需要进一步降低纤芯的功率密度，进而需要增加纤芯的直径，但是增加纤芯的直径后就会存在多模激光振荡输出。为保证激光基模输出，就要降低纤芯的NA值。但是NA值的降低使得在纤芯对其激发的光的模式的约束力大大降低，激光模式会延伸到内包层，这将导致内包层的尺寸扩大，会造成以下问题：(1)导热性降低，失去光纤激光器导热性好的最大优势；(2)光纤柔韧性降低，增加制造成本；(3)光纤在受到挤压和弯曲的状态下，易发生模式的泄漏，影响输出激光的稳定性，为光纤激光器和光纤放大器的实际应用带来问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有的双包层光纤在制作大功率光纤激光器及光纤放大器时存在的上述问题，对双包层光纤的结构进行改进，提供一种具有大芯径、低NA值，既能保证激光基模输出，又不会增大内包层尺寸的带布拉格结构的双包层光纤，且其可用于制作低成本的光纤放大器和光纤激光器。
本发明采用的技术方案是，所述的一种带布拉格结构的双包层光纤，包括：纤芯1、内包层2、外包层3、保护层4，其中内包层2上具有高低折射率层多层呈周期性交叠分布的径向同轴布拉格结构区。且布拉格结构区由高低折射率周期性交叠的径向同轴异质材料构成。
本发明中的一种光纤放大器，包括：前述的带布拉格结构的双包层光纤；和一个或多个泵浦光源，用于给所述带布拉格结构的双包层光纤提供泵浦光。
本发明中的一种光纤激光器，包括：前述的带布拉格结构的双包层光纤；一个或多个泵浦光源，用于给所述带布拉格结构的双包层光纤提供泵浦光；和谐振器，用于谐振来自所述带布拉格结构的双包层光纤的放大信号。
采用上述技术方案，本发明具有下列优点：
本发明所述带布拉格结构的双包层光纤具有大芯径、低NA值，由于泵浦光与信号光的波长不同，可以设计布拉格结构区参数使得布拉格波长与信号光波长相一致，使得泵浦光能够无损耗通过布拉格区入射到纤芯中，而信号光在经过布拉格区域时信号光基模发生全向发射，进而将信号光基模限制在纤芯区传输。因此可以在不扩大内包层尺寸的情况下，实现大功率激光基模稳定输出。且有利于大功率激光输出时热量管理。所以用本发明带布拉格结构的双包层光纤，适合于制作低成本的高功率高光束质量光纤放大器和光纤激光器。
附图说明
图1是本发明所述带布拉格结构的双包层光纤横截面结构示意图；
图2是本发明所述带布拉格结构的双包层光纤沿纤芯剖面结构示意图；
图3是本发明所述光纤放大器和光纤激光器中泵浦光侧面耦合效应图；
图中：1.纤芯，2.内包层，3.外包层，4.保护层，5.泵浦光
具体实施方式
为进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例，对本发明提出的所述带布拉格结构的双包层光纤，光纤放大器和光纤激光器，进行详细说明。
本发明用于大功率光纤激光器的双包层光纤如图1所示，包括纤芯1、内包层2、外包层3和保护层4。纤芯1由磷酸盐玻璃材料掺杂激光激活离子构成，内包层2是由与纤芯基体材料可匹配熔接的无机材料构成，内包层上具有高低折射率层多层呈周期性交叠分布的径向同轴布拉格结构区。其中，布拉格结构区由高低折射率周期性交叠的径向同轴异质材料构成，可用于制作布拉格结构区的材料及嵌入材料具有多样性，石英、玻璃、晶体、半导体-聚合物基等材料均可用用于制作布拉格结构区，且包层的周期数可根据实际情况设定。外包层3与内包层2同为泵浦光通道，外包层是双包层光纤的最外层，通常采用聚合物光学材料。如图3所示将泵浦光侧面耦合入双包层光纤，在包层中传输，入射到纤芯中，对掺杂纤芯的掺杂离子进行泵浦，可以设计布拉格结构区参数使得布拉格波长与信号光波长相一致，使得泵浦光能够无损耗通过布拉格区入射到纤芯中，而信号光在经过布拉格区域时信号光基模发生全向发射，进而将信号光基模限制在纤芯区传输。经过上述过程，将信号光放大得到高功率高光束质量光纤放大器。在双包层光纤两端加上谐振器便可得到高功率高光束质量光纤激光器。
根据以下描述可以进一步清楚本发明的应用范围。然而应当明白，虽然给出了本发明的优选实施例，但仅仅为了说明的目的。根据这些详细的描述，本领域专业人员显然知道，在本发明的精神和范围内可以作各种变化和改动。

Claims (4)

1.一种带布拉格结构的双包层光纤，包括：纤芯(1)、内包层(2)、外包层(3)、保护层(4)，其特征在于：内包层(2)上具有高低折射率层多层呈周期性交叠分布的径向同轴布拉格结构区。
2.根据权利要求1所述的一种带布拉格结构的双包层光纤，其特征在于：内包层(2)中布拉格结构区由高低折射率周期性交叠的径向同轴异质材料构成。
3.一种光纤放大器，其特征在于：包括：按照权利要求1所述的带布拉格结构的双包层光纤；和一个或多个泵浦光源，用于给所述带布拉格结构的双包层光纤提供泵浦光。
4.一种光纤激光器，其特征在于：包括：按照权利要求1所述的带布拉格结构的双包层光纤；一个或多个泵浦光源，用于给所述带布拉格结构的双包层光纤提供泵浦光；和谐振器，用于谐振来自所述带布拉格结构的双包层光纤的放大信号。
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Applicant after: Shanxi Feihong Laser Technology Co., Ltd.

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