CN102207580A - 防自聚焦损伤的激光放大光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤激光传输技术领域，特别涉及一种防自聚焦损伤的激光放大光纤，所述防自聚焦损伤的激光放大光纤包括：空芯光纤和增益光纤，沿激光传输方向，所述增益光纤的后端连接有所述空芯光纤。本发明通过增益光纤连接空芯光纤，实现了在提高光纤传输激光的功率的情况下，防止增益光纤传输、放大、振荡过程中产生的自聚焦效应导致光场汇聚而引起的光纤损伤，以提高增益光纤的单纤功率放大极限能力，所获得单脉冲能量也大大提升。

Description

防自聚焦损伤的激光放大光纤
技术领域
本发明涉及光纤激光传输放大技术领域，特别涉及一种防自聚焦损伤的激光放大光纤。
背景技术
在稀土掺杂激光增益光纤介质中，当激光强度超过一定水平之后，会诱发介质中的克尔效应，即介质的折射率与光强成线性关系，此线性比例系数由非线性折射率系数表征。由于实际应用中通常采用基模光场分布(近似高斯分布)，在非线性折射率系数为正的材料中，中心光强大的区域感受的折射率较大，周围光强小的区域感受的折射率较小，由此导致光束向中心光轴汇聚，当此汇聚效应超过光束的衍射效应时，即发生自聚焦，导致焦点处光强极大，从而诱发材料的光损伤。对熔石英材料，对1微米激光波长，其典型的非线性折射率系数所得到的自聚焦阈值约为4.3MW，在光纤波导结构中，虽然折射率导引会对光束传输产生一定的影响，但是数值模拟和实验结果都表明，光纤的自聚焦阈值功率与熔石英块状材料基本相同，由此限制了在光纤激光放大器中，10ns脉宽内至多获得43mJ的脉冲能量，相比于固体激光系统所能获得的脉冲峰值功率和能量仍有相当差距。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何在提高光纤激光输出功率的情况下，防止增益光纤传输、放大、振荡过程中产生的自聚焦效应导致光场汇聚而引起的光纤损伤。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种防自聚焦损伤的激光放大光纤，所述防自聚焦损伤的激光放大光纤包括：空芯光纤和增益光纤，沿激光传输方向，所述增益光纤的后端连接有所述空芯光纤。
优选地，所述防自聚焦损伤的激光放大光纤包括一段空芯光纤和一段增益光纤。
优选地，所述防自聚焦损伤的激光放大光纤包括间隔设置的一段空芯光纤和两段增益光纤。
优选地，所述防自聚焦损伤的激光放大光纤包括间隔设置的两段空芯光纤和三段增益光纤。
优选地，所述防自聚焦损伤的激光放大光纤包括间隔设置的多段空芯光纤和多段增益光纤
优选地，所述空芯光纤与增益光纤的光波模场相匹配。
优选地，所述增益光纤为熔石英基质增益光纤。
优选地，所述空芯光纤为光子晶体光纤或者微结构光纤。
优选地，增益光纤与空芯光纤结构采用光纤熔接工艺相连接。
(三)有益效果
本发明通过增益光纤连接空芯光纤，实现了在提高光纤传输激光的功率的情况下，防止增益光纤传输、放大、振荡过程中产生的自聚焦效应导致光场汇聚而引起的光纤损伤，以提高增益光纤的单纤功率放大极限能力，所获得单脉冲能量也大大提升。
附图说明
图1是按照本发明一种实施方式的防自聚焦损伤的激光放大光纤的结构示意图；
图2是按照本发明一种实施方式的第二种防自聚焦损伤的激光放大光纤的结构示意图；
图3是按照本发明第三种实施方式的防自聚焦损伤的激光放大光纤的结构示意图；
图4是图1～3的所示的防自聚焦损伤的激光放大光纤中的空芯光纤的截面示意图。
其中，1：增益光纤；2：空芯光纤；3：空芯光纤包层，4：空芯光纤纤芯孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图4所示，空芯光纤是一种周期性多孔光子晶体光纤或者微结构光纤，其中心是作为周期排布缺陷的空心孔。无论是光子晶体光纤所传输光子带隙缺陷模式，还是微结构光纤所传输的光波模场，均与增益光纤的光波模场基本相匹配。若空心孔内抽成真空，即无介质存在的条件下，自聚焦不会发生。即使空心孔中有空气或者其他气体，由于气体的非线性折射率系数比熔石英介质小三个数量级以上，因此自聚焦阈值功率也大了三个数量级，达到数GW。自聚焦的发生是有过程的，以自聚焦长度表征，自聚焦长度与激光功率有关，对超过自聚焦阈值不是很大的条件下，自聚焦长度可以长达数cm，在考虑放大过程的横向增益饱和效应的情况下，自聚焦长度可以进一步增加到数十cm。对高峰值功率脉冲放大，为了抑制各种非线性效应，需要采用超、高增益光纤，光纤长度也较短，如1m左右。采用空芯光纤可以在光束发生自聚焦损伤之前，打断自聚焦过程，然后继续放大，以获得超过自聚焦阈值功率的脉冲峰值功率输出。
实施例1
图1是按照本发明一种实施方式的防自聚焦损伤的激光放大光纤结构示意图，包括增益光纤1和一段空芯光纤2，空芯光纤2的输入端与所述增益光纤1的输出端通过熔接的方式相连，所述增益光纤1为熔石英基质增益光纤。
本实施例的防自聚焦损伤的激光放大光纤结构包括两部分：第一部分为熔石英基质增益光纤。此部分将输入脉冲放大到峰值功率超过其自聚焦阈值功率的水平，从而诱发自聚焦过程，导致光束口径收缩，其长度尚不足以达到发生自聚焦损伤的程度。
第二部分为空芯光纤2。此部分采用空芯光纤2与前一段增益光纤1相连，收缩的光束进入空芯光纤2进入之后，由于其峰值功率远小于空芯光纤中自聚焦阈值，衍射扩散效应占优，光束口径扩大，同时由于光纤波导结构或者光子带隙缺陷模式传输的限制，实现稳定传输，避免自聚焦损伤发生。
实施例2
图1是按照本发明一种实施方式的防自聚焦损伤的激光放大光纤的结构示意图，包括增益光纤1和一段空芯光纤2，每段空芯光纤2的两端均连接所述增益光纤1，所述增益光纤1为熔石英基质增益光纤。
本实施例的防自聚焦损伤的激光放大光纤包括三部分：第一部分为熔石英基质增益光纤。此部分将输入脉冲放大到峰值功率超过其自聚焦阈值功率的水平，从而诱发自聚焦过程，导致光束口径收缩，其长度尚不足以达到发生自聚焦损伤的程度。
第二部分为空芯光纤2。此部分采用空芯光纤2与前一段增益光纤1相连，收缩的光束进入空芯光纤2进入之后，由于其峰值功率远小于空芯光纤中自聚焦阈值，衍射扩散效应占优，光束口径扩大，同时由于光纤波导结构或者光子带隙缺陷模式传输的限制，实现稳定传输。
第三部分为熔石英基质增益光纤。此部分采用熔石英增益光纤与空芯光纤2相连，超过其自聚焦阈值功率的脉冲进入增益光纤后继续放大，并同时伴有自聚焦过程。设计此段光纤的长度，使之显著小于其自聚焦长度，在激光脉冲输出之前不会发生自聚焦损伤。
实施例3
图2是按照本发明另一种实施方式的防自聚焦损伤的激光放大光纤的结构示意图，包括：增益光纤1和两段空芯光纤2，每段空芯光纤2的两端均连接所述增益光纤，随激光传输方向，越靠后所述增益光纤的长度越短，所述增益光纤为熔石英基质增益光纤。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种防自聚焦损伤的激光放大光纤，其特征在于，所述防自聚焦损伤的激光放大光纤包括：空芯光纤和增益光纤，沿激光传输方向，所述增益光纤的后端连接有所述空芯光纤。
2.如权利要求1所述的防自聚焦损伤的激光放大光纤，其特征在于，所述防自聚焦损伤的激光放大光纤包括一段空芯光纤和一段增益光纤。
3.如权利要求1所述的防自聚焦损伤的激光放大光纤，其特征在于，所述防自聚焦损伤的激光放大光纤包括间隔设置的一段空芯光纤和两段增益光纤。
4.如权利要求1所述的防自聚焦损伤的激光放大光纤，其特征在于，所述防自聚焦损伤的激光放大光纤包括间隔设置的两段空芯光纤和三段增益光纤。
5.如权利要求1所述的防自聚焦损伤的激光放大光纤，其特征在于，所述防自聚焦损伤的激光放大光纤包括间隔设置的多段空芯光纤和多段增益光纤。
6.如权利要求1～5任一项所述的防自聚焦损伤的激光放大光纤，其特征在于，所述空芯光纤与增益光纤的光波模场相匹配。
7.如权利要求1～5任一项所述的防自聚焦损伤的激光放大光纤，其特征在于，所述增益光纤为熔石英基质增益光纤。
8.如权利要求1～5任一项所述的防自聚焦损伤的激光放大光纤，其特征在于，所述空芯光纤为光子晶体光纤或者微结构光纤。
9.如权利要求1～5任一项所述的防自聚焦损伤的激光放大光纤，其特征在于，增益光纤与空芯光纤结构采用光纤熔接工艺相连接。
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