CN105068179A - 含金属的光纤结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含金属的光纤结构，在光纤的纤芯里埋入一恨金属芯，位于中心或偏心，该结构适用于普通光纤、双包层光纤、光子晶体光纤，实心和空心光纤均适用。本发明能够提高增益光纤的自聚焦阈值功率，减少对材料的光损伤，提高单纤激光系统的放大能力。

Description

含金属的光纤结构
技术领域
本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种可避免大功率光束在光纤里传输导致的自聚焦现象的光纤结构。
背景技术
随着激光应用技术的发展，在激光武器、材料加工、空间光通讯、遥感、激光雷达和光电对抗等诸多领域都需要高功率、高质量和高亮度的激光束。对于大能量高功率的激光传输，对光纤承受的传输阈值强度要求也越来越高。
光纤是一种能够使光在玻璃或塑料反的物料制成的纤维，以全反射原理传输的光传导工具。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。在光纤波导结构中，光纤的自聚焦阈值功率限制了在光纤激光放大器中获得更高的冲峰值功率和能量。
传统的光纤结构如图1所示，光纤传输的大部分能量分布在纤芯内，光纤的损伤阈值低。光纤的自聚焦效应使得传统的光纤激光放大能力受限。近些年涌现出的光子晶体光纤(如图2，左图为实心光子晶体光纤，右图是空心光子晶体光纤)采用大模场面积，使得光纤的损伤阈值有了提高，但光子晶体光纤不易弯曲、成本高、制作工艺也较为复杂。其中，专利CN102207580A：防自聚焦损伤的激光放大光纤，采用空芯光纤和增益光纤的方案。专利CN102289031A：提高光纤自聚焦阈值功率的方法及光纤，采用使光纤的掺杂纤芯的掺杂浓度由中心向外递增。
发明内容
本发明提出一种含金属的光纤结构，在光纤的纤芯里埋入一根金属芯，位于中心或偏心，该结构适用于普通光纤、双包层光纤、光子晶体光纤，实心和空心光纤均。金属芯使得光纤中光束向中心光轴汇聚时，损耗增大，从而破坏了自聚焦产生的条件，因此可避免大功率光束在光纤里传输导致的自聚焦现象，从而避免光纤的损伤。
本发明能够提高增益光纤的自聚焦阈值功率，减少对材料的光损伤，提高单纤激光系统的放大能力。同时金属芯还可以传输电信号，进行信号传输、以及进行温度传导监控等。当光纤发生断裂时，金属芯传输信号中断，可判断光纤不能正常工作。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是传统的光纤结构；
图2是光子晶体光纤的横截面(左图为实心光子晶体光纤，右图是空心光子晶体光纤)；
图3本发明的光纤结构(金属芯位于纤芯的中心位置)；
图4本发明的光纤结构(金属芯位于纤芯的偏心位置)。
具体实施方式
本发明提出一种新型光纤结构，在光纤的纤芯里埋入一根金属芯，位于中心或偏心(如图3和图4所示)。该结构适用于普通光纤、双包层光纤、光子晶体光纤，实心和空心光纤均。金属芯使得光纤中光束向中心光轴汇聚时，损耗增大，从而破坏了自聚焦产生的条件，因此可避免大功率光束在光纤里传输导致的自聚焦现象，从而避免光纤的损伤。
光纤一般的材质为玻璃、石英、塑料或者复合材料。结构为图1所示。光纤的典型结构是一种细长多层同轴圆柱形实体复合纤维。自内向外为：纤芯(芯层)-→包层-→涂覆层(被覆层)。核心部分为纤芯和包层，二者共同构成介质光波导，形成对光信号的传导和约束，实现光的传输。涂覆层又主要对裸光纤提供机械保护。光纤的纤芯主要由具有高折射率(n1)的导光材料制成，如：SiO2光纤芯层材料多为SiO2--GeO2。它的作用是传导光，使光信号在芯层内部沿轴向向前传输；光纤的包层由低折射率(n2)导光材料制成(折射率较纤芯低)，如：SiO2光纤包层材料多为SiO2-B2O3或SiO2-P2O5。它的作用是约束光。由于纤芯和包层的折射率，满足n1＞n2光传导条件，光波在芯包界面上可发生全反射，使大部分的光能量被阻止在芯层中，从而导致光信号沿芯层轴向向前传输。
金属芯的材质为：单一金属材料或者合金，如金、银、铜、铝或其合金等，其直径小于光纤纤芯的直径。
金属芯位于光纤纤芯，会破坏其原先的光场分布，使靠近纤芯的光场能量衰减，达到破坏自聚焦产生条件的目的。金属芯越粗，破坏自聚焦的效果越好，但缺点是会大大降低光纤中传输的能量，所以要根据具体使用情况选择金属芯的粗细。
本发明能够提高增益光纤的自聚焦阈值功率，减少对材料的光损伤，提高单纤激光系统的放大能力。同时金属芯还可以传输电信号，进行信号传输、以及进行温度传导监控等。当光纤发生断裂时，金属芯传输信号中断，可判断光纤不能正常工作。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种含金属的光纤结构，包括涂覆层、包层、纤芯、纤芯内的金属芯，该金属芯的材质为：单一元素的金属或者合金。
2.如权利要求1所述的含金属的光纤结构，其特征在于，其中所述金属芯为金、银、铜、铝或其合金。
3.如权利要求1所述的含金属的光纤结构，其特征在于，其中所述金属芯位于光纤的中心或偏心位置。
4.如权利要求1所述的含金属的光纤结构，其特征在于，其中所述光纤为普通光纤、双包层光纤或光子晶体光纤，以及实心或空心光纤。
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