CN104316991B - 平顶光子带隙光纤 - Google Patents

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Abstract

一种平顶光子带隙光纤，纤芯由基质材料和排布在正三角网格中的低折射率介质柱所组成，包层由基质材料和排布在正三角网格中的高折射率介质柱组成，包层围绕纤芯；且材料的折射率满足nh＞nb＞nl；所述高折射率介质柱形成正六边形结构高折射率介质柱层；所述低折射率介质柱形成正六边形结构低折射率介质柱层；最外层低折射率介质柱的直径和其它低折射率介质柱的直径之间满足dm＜dl。本发明通过引入低折射率介质柱，采用不同尺寸的低折射率介质柱形成平顶光束所需的折射率分布，并有效增大基模的面积。利用包层的高折射率介质柱形成带隙，对纤芯模式形成强的束缚。可以将本发明光纤运用于光纤激光器输出端，以实现大模场的平顶光束输出。

Description

平顶光子带隙光纤
技术领域
本发明涉及光纤激光器，尤其是一种平顶光子带隙光纤。
背景技术
平顶型光束在激光加工领域中有着重要的应用。例如，在激光焊接中，为了获得较好的焊接效果，通常需要使焊点受热均匀，这就要求激光束的光场分布为平顶型，平顶型光束在激光冲击强化应用中能形成更好的强化效果。获得平顶激光束的方法很多，采用光学系统进行变换虽然可以获得平顶光束，但系统稳定性差；另一种方法是利用平顶光纤将入射激光束整形为具有平顶型光场分布的激光束。所谓平顶光纤，即经它输出的激光束具有平顶型的模场结构。众所周知，从普通光纤输出的激光束在光纤横截面上的光场是呈类高斯型分布。要获得平顶型的光场，就要采用特殊的光纤结构。
发明内容
本发明的目的就是提供一种具有大模场面积，且能够实现平顶光束输出的平顶光子带隙光纤。
本发明的平顶光子带隙光纤，包括纤芯和包层，其特征在于，所述纤芯位于光纤中心，由基质材料和排布在正三角网格中的低折射率介质柱组成，所述包层由基质材料和排布在正三角网格中的高折射率介质柱组成，包层围绕纤芯，且材料的折射率满足nh＞nb＞nl，nb为基质材料的折射率，nl为低折射率介质柱的折射率，nh为高折射率介质柱的折射率；所述高折射率介质柱形成正六边形结构高折射率介质柱层；所述低折射率介质柱形成正六边形结构低折射率介质柱层，最外一层低折射率介质柱的直径和其它低折射率介质柱的直径之间满足dm＜dl，dm为最外一层的低折射率介质柱的直径，dl为内层的低折射率介质柱的直径。
本发明的平顶光子带隙光纤，作为进一步的改进，低折射率介质柱的周期Λl与高折射率介质柱的周期Λh满足：Λh/Λl=2；低折射率介质柱的周期Λl与内层低折射率介质柱的直径dl满足： dl/Λl＞0.5，内层低折射率介质柱的直径dl与最外层低折射率介质柱的直径dm满足：dl/dm =3.5-4.5；高折射率介质柱的周期Λh与高折射率介质柱的直径dh满足：0.2<dh/Λh<0.4，周期Λ是两个相邻介质柱中心之间的间距。
作为本发明的进一步改进，所述高折射率介质柱与基质材料的折射率差满足：0.02<nh-nb<0.05；基质材料与所述低折射率介质柱的折射率差满足：0.0005<nb-nl<0.002。
作为本发明的进一步改进，所述高折射率介质柱层的层数Y满足，3≤Y≤5；纤芯中心与最内层的高折射率介质柱中心之间的距离的最大值为2Λh；。
本发明的平顶光子带隙光纤的技术效果：引入低折射率介质柱，采用不同尺寸的低折射率介质柱形成平顶光束所需的折射率分布，并有效增大基模的模场面积，同时利用包层的高折射率介质柱形成带隙，对纤芯模式形成强的束缚。本发明的光纤运用于光纤激光器输出端，可以实现大模场的平顶光束输出。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明光纤的模场分布图；
图3为纤芯由纯石英组成时的全固态带隙光纤的模场分布图；
图4 为本发明的光纤基模的弯曲损耗曲线；
其中，1为基质材料，2为低折射率介质柱，3为高折射率介质柱。
具体实施方式
一种平顶光子带隙光纤由两种直径不同的低折射率介质柱2组成，其中内部的低折射率介质柱2直径较大，而最外层的低折射率介质柱2的直径较小，从而获得效果更好的折射率分布。通过调整介质柱直径即可调节纤芯不同区域的等效折射率，从而使纤芯区的折射率分布可以得到精确控制。在制作时，低折射率介质柱的折射率相同，也减小了制作工艺的复杂度。
图1给出了本发明的一种实施例的横截面示意图，该光纤包括纤芯和包层，该纤芯由低折射率介质柱2和其所包围区域的基质材料1构成；该包层由基质材料1和高折射率介质柱3构成。
要求高折射率介质柱层数为3-5层。为保证光纤基模具有低束缚损耗，高折射率介质柱层数不能太少，而为了有效去除光纤中的高阶模，其层数又不能太多，高折射率介质柱以3-5层为宜。
低折射率介质柱2并非可以任意放置，研究结果表明，非规则排布会导致模场的不均匀，使模场发生畸变，即低折射率介质柱2排布要均匀且与包层形成良好衔接。为此，要求低折射率介质柱2与高折射率介质柱3的排布相同，即排布在正三角网格中。同时，低折射率介质柱2的周期Λl与高折射率介质柱3的周期Λh应满足：Λl=Λh/2，此周期选择保证纤芯模式均匀分布，利于平顶光场的形成。此组成结构可有效克服局域模的影响。
为保证光纤包层对纤芯模式具有足够的束缚能力，一般取高折射率介质柱3与基质材料的折射率差为：0.02<nh-nb<0.05。由于高折射率介质柱3的折射率大于基质材料的折射率，即这是一种光子带隙光纤。
为使纤芯区形成足够的折射率差，内层低折射率介质柱2的直径需要较大，而最外层低折射率介质柱2的直径要满足一定比例，从而形成从纤芯中心向外：低-高-低-高的折射率分布。要求低折射率介质柱2的周期Λl与内层低折射率介质柱2的直径dl满足： dl/Λl＞0.5；低折射率介质柱2的周期Λl与最外层低折射率介质柱2的直径dm满足：dl/dm =3.5-4.5；最外层低折射率介质柱2与内层低折射率介质柱2之间通过介质柱尺寸的不同形成一定的折射率差，从而使基模模场更为平坦。
低折射率介质柱2引入的目的是使纤芯形成满足要求的折射率分布。理论上，采用均匀低折射率纤芯的方法，也可以实现同样的效果。但采用均匀低折射率纤芯会出现由局部高折射率区引起的局域模效应，从而增大了光纤的模式损耗，影响其实际使用。需要指出的是，纤芯区需采用低折射率介质柱的组合形成满足要求的折射率分布。在纤芯中引入低折射率介质柱的优点包括：不会形成多芯光纤结构，有效抑制光纤中高阶模的出现，在较大的折射率变化条件下仍然具有均匀的模场分布。而采用高折射率介质柱组成纤芯，不可避免地会出现能够集中在高折射率介质柱区域，而高折射率介质柱区域需要掺杂较多高损耗材料，导致光纤更易发生光损伤。为得到更为均匀的模场分布，基质材料1与所述低折射率介质柱2的折射率差应较小，同时，又有足够的可调整区间，以便形成满足要求的纤芯折射率分布，一般地有：0.0005<nb-nl<0.002。
下面以石英光纤，以工作波长为1064 nm为例，进行说明：
如图1，基质材料采用纯石英，高折射率介质柱和低折射率介质柱的材料采用掺杂的石英材料。其中低折射率介质柱的周期Λl=5.5μm，直径dl=4 μm，dm=1μm，折射率nl=1.449；高折射率介质柱3的周期Λh=11μm ，直径dh=1.8μm ，折射率nh=1.48；基质材料1的折射率为nb=1.45。光纤基模的模场面积1037 μm2，相对比的，若纤芯由基质材料组成，即不存在低折射率介质柱，则其模场面积仅为633μm2。可见，平顶型模场可以有效地增大光纤的模场面积，从而减小纤芯的光功率密度。光纤的模场分布如图2所示，可见纤芯中模场分布呈平顶形式，且带隙的存在，使其具有很陡的边缘，因而，其能量集中于纤芯且分布均匀。而相对比的，纤芯中没有低折射率介质柱时，其模场呈现高斯型分布，如图3所示。如图4所示，在带隙和纤芯作用下，光纤基模具有低的弯曲损耗，在弯曲半径为15cm时，弯曲损耗仍小于0.1 dB/m，保证了光纤运用的灵活性和稳定性。光纤制作时，可采用分步堆积法制作光纤预制棒。即首先用堆积法制作光纤纤芯，然后将经拉丝获得的纤芯与石英管或掺杂石英棒组合，再经拉丝获得所需的光纤结构。

Claims (3)

1.一种平顶光子带隙光纤，包括纤芯和包层，其特征在于：所述纤芯位于光纤中心，由基质材料（1）和排布在正三角网格中的低折射率介质柱（2）组成，所述包层由基质材料（1）和排布在正三角网格中的高折射率介质柱（3）组成，包层围绕纤芯，且材料的折射率满足nh＞nb＞nl，nb为基质材料的折射率，nl为低折射率介质柱（2）的折射率，nh为高折射率介质柱（3）的折射率；所述高折射率介质柱（3）形成正六边形结构高折射率介质柱层；所述低折射率介质柱（2）形成正六边形结构低折射率介质柱层；最外一层低折射率介质柱（2）的直径和其它低折射率介质柱（2）的直径之间满足dm＜dl，dm为最外一层的低折射率介质柱（2）的直径，dl为内层低折射率介质柱（2）的直径。
2.根据权利要求1所述的平顶光子带隙光纤，其特征在于：低折射率介质柱（2）的周期Λl与高折射率介质柱（3）的周期Λh满足：Λh/Λl=2；低折射率介质柱（2）的周期Λl与内层低折射率介质柱（2）的直径dl满足： dl/Λl＞0.5；内层低折射率介质柱（2）的直径dl与最外层低折射率介质柱（2）的直径dm满足：dl/dm=3.5-4.5；高折射率介质柱（3）的周期Λh与高折射率介质柱（3）的直径dh满足：0.2<dh/Λh<0.4。
3.根据权利要求1所述的平顶光子带隙光纤，其特征在于：所述高折射率介质柱（3）与基质材料（1）的折射率差满足：0.02<nh-nb<0.05；基质材料（1）与所述低折射率介质柱（2）的折射率差满足：0.0005<nb-nl<0.002。
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