CN105158844B - 用于提升1.5μm波段激光效率的Er,Yb共掺光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于提升~1.5μm激光效率的Er,Yb共掺光纤。适用于激光通信领域。该光纤由内到外依次包括纤芯、内包层、外包层和涂覆层，纤芯由直的纤芯和一段螺旋芯组成，通过调整螺旋芯的螺距和中心轴偏移量可以改变光纤损耗，使1μm波段的光纤损耗大于1.5μm波段的光纤损耗。这种特性使其能应用于高功率Er,Yb共掺光纤激光器中，有效地解决1μm寄生振荡的问题，提高1.5μm激光输出功率。

Description

用于提升1.5μm波段激光效率的Er,Yb共掺光纤
技术领域
本发明涉及一种Er, Yb共掺光纤，尤其适用于激光通信技术领域的用于提升~1.5μm激光效率的Er, Yb共掺光纤。
背景技术
~1.5 μm波段属于人眼安全波段，且处于大气窗口，因此该波段激光器在激光通信、测距、医疗、工业加工等领域有广泛的应用。目前产生~1.5 μm波段的主要方法是掺杂Er3+光纤激光器和体块增益介质固体激光器。光纤激光器与传统体块激光增益介质固体激光器相比，具有结构紧凑、光束质量好、高激光效率、简单的热管理等优点。现有的光纤结构由内到外依次包含纤芯、内包层、外包层和涂覆层，纤芯就是直的纤芯，单掺Er3+的增益光纤，其对泵浦光的吸收效率低，具有严重的浓度猝灭效应，因此单掺Er光纤激光器的效率低。为了提高掺Er光纤激光器的功率水平，通常选择在纤芯中掺入一定浓度的Yb3+作为敏化离子。由于Yb3+在980 nm附近具有较大的吸收系数，通过Er3+和Yb3+间的共振能量转移，可以提高Er3+对泵浦光的吸收效率，同时可以选择已商用的915~980 nm半导体激光器作为泵浦源。但是，这同时也带来问题：在2007年Y. Jeong等人在IEEE Journal of SelectedTopics in Quantum Electronics, vol. 13, No. 3, 573到579页的文章“Erbium:Ytterbium Codoped Large-Core Fiber Laser With 297-W Continuous-Wave OutputPower”中表明，虽然~1.5 μm激光输出的最大功率为297 W，~1 μm激光的输出功率也高达338W，超过了~1.5 μm激光的输出功率，并且，当出现~1 μm波段的寄生振荡后，~1.5 μm激光输出的斜效率从40%下降到19%。目前报道的Er: Yb共掺光纤激光器的最高输出功率为297W，远低于掺Yb光纤激光器获得的最大输出功率。造成这一现象的主要原因是高功率运转时，Yb3+产生~1 μm波段的寄生振荡限制了~1.5 μm波段激光输出功率的进一步提高。
发明内容
针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单，抑制1 μm寄生振荡效果好，~1.5 μm激光转换效率高的用于提升~1.5μm激光效率的Er, Yb共掺光纤。
为实现上述技术目的，本发明的用于提升~1.5μm激光效率的Er, Yb共掺光纤，包括光纤纤芯，光纤纤芯外顺序设有内包层和外包层，外包层外设有涂覆层，其特征在于：所述光纤纤芯由直线结构的纤芯和螺旋结构的螺旋芯（5）构成，所述光纤纤芯的折射率大于内包层的折射率，内包层的折射率大于外包层的折射率；
所述纤芯和螺旋芯的直径为25 μm~40 μm，数值孔径(NA)为0.08~0.3，
所述螺旋芯的螺距>1 mm，螺旋芯距离整个共掺光纤的中心轴偏移量最小距离为10μm，最大距离不超过光纤内包层的半径，螺旋芯长度为1 cm~10 cm。
所述的纤芯和螺旋芯由掺杂Er3+, Yb3+的二氧化硅组成，横截面为圆型、矩形、椭圆型或者D型等其他形状；所述的纤芯和螺旋芯纤芯的最优直径为30 μm，最优数值孔径(NA)为0.08；所述的内包层为折射率比纤芯小的二氧化硅构成，内包层的横截面为圆型，内包层的直径为250 μm~400 μm，有效折射率为1.536，数值孔径(NA)为0.4~0.5；所述的外包层为折射率比内包层小的聚合物构成，外包层的横截面为圆型，外包层的直径为400 μm~550 μm；所述的涂覆层（4）为丙烯酸酯和硅橡胶构成，涂覆层的横截面为圆型，涂覆层的直径为550 μm~700 μm。
有益效果：通过在直线结构的光纤纤芯的一端加入长度为1cm～10cm的螺旋芯，通过调节螺旋芯与光纤的中心轴偏移量和螺旋芯的参数螺距来改变光纤损耗，使1μm波段的光纤损耗大于1.5μm波段的光纤损耗，由于1μm波段的光纤损耗大，从而在激光过程中1μm不能振荡或者1μm激光很小，因此达到抑制1μm寄生振荡的作用，有效提升~1.5 μm激光的转换效率，其工艺简单，使用效果好，具有广泛的实用性。
说明书附图
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的螺旋芯光纤的截面图。
图3是本发明的螺旋芯光纤中心轴偏移量时，波长为1 μm和1.5 μm的光纤损耗随螺距变化的理论模拟图。
图4是本发明的螺旋芯光纤中心轴偏移量时，波长为1 μm和1.5 μm的光纤损耗随螺距变化的理论模拟图。
图5是本发明的螺旋芯光纤中心轴偏移量时，波长为1 μm和1.5 μm的光纤损耗随螺距变化的理论模拟图。
图中：1-纤芯，2-内包层，3-外包层，4-涂覆层，5-螺旋芯。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
如图1和图2所示，本发明的用于提升~1.5μm激光效率的Er, Yb共掺光纤，包括光纤纤芯，光纤纤芯外顺序设有内包层2和外包层3，外包层3外设有涂覆层4，其中所述光纤纤芯由直线结构的纤芯1和螺旋结构的螺旋芯5构成，所述的纤芯1和螺旋芯5由掺杂Er3+, Yb3 +的二氧化硅组成，横截面为圆型、矩形、椭圆型或者D型等其他形状，所述光纤纤芯的折射率大于内包层2的折射率，内包层2的折射率大于外包层3的折射率；
正常情况下，光在光纤中沿轴向的传播常数β应满足：，其中和分别为纤芯和内包层的折射率；为波数。当光纤弯曲时，光在弯曲部分中进行传输，远离弯曲中心的消逝场的外侧部分的速度需增加才能保持与内侧部分能量速度同步。当相速度大于光速时，导模变成辐射模，能量的一部分会损耗掉。螺旋芯光纤的弯曲损耗可表示为：
(1)
其中为纤芯半径；为第二类虚宗量Bessel函数。
为等效弯曲半径，，为螺距，为中心轴偏移量；
分别为归一化工作频率，归一化横向相位参数和归一化横向衰减参数。
代表基模，代表高阶模。
从表达式(1)中可以看出，对于一特定等效弯曲半径，不同波长处的弯曲损耗不同。通过选取合适的光纤参数、，可以使得1.5 μm处的光纤弯曲损耗小于1μm处的光纤弯曲损耗，达到抑制1μm寄生振荡的作用。
所述纤芯1和螺旋芯5的直径为25 μm~40 μm，数值孔径(NA)为0.08~0.3，所述的纤芯1和螺旋芯5纤芯的最优直径为30 μm，最优数值孔径(NA)为0.08。
所述螺旋芯5的螺距P>1 mm，螺旋芯5长度为1 cm~10 cm，螺旋芯5距离整个共掺光纤的中心轴偏移量最小距离为10μm，最大距离不超过光纤内包层的半径，其中螺距P>1mm，但是要小于公式（1）当中螺距P对应的模拟值，例如当光纤内包层的直径为400μm时，中心轴偏移量为10μm～200μm，当Q=0.15mm（150μm）时，螺距<10mm；当Q=0.1mm（100μm）时，螺距<8.1mm；当Q=0.05mm（50μm）时，螺距<5.8mm。
所述的内包层2为折射率比纤芯1小的二氧化硅构成，内包层2的横截面为圆型，内包层2的直径为250 μm~400 μm，有效折射率为1.536，数值孔径(NA)为0.4~0.5，所述的外包层3为折射率比内包层2小的聚合物构成，外包层3的横截面为圆型，外包层3的直径为400 μm~550 μm，所述的涂覆层4为丙烯酸酯和硅橡胶构成，涂覆层4的横截面为圆型，涂覆层4的直径为550 μm~700 μm。
实施案例1：
各项技术指标和基本性能参数如下：
1. 中心轴偏移量。
2.纤芯的直径为30 μm，有效折射率为1.538，数值孔径(NA)为0.08。
3.内包层的直径为400 μm，有效折射率为1.536，数值孔径(NA)为0.4。
4.外包层的直径为550 μm。
5.涂覆层的直径为700 μm。
此时，光纤在1 μm和1.5 μm处的弯曲损耗随螺距变化的理论模拟图如图3所示，从中可以清楚的看出，当时，1 μm波段的光纤损耗大于1.5 μm波段的光纤损耗，能够有效地抑制1 μm波段的寄生振荡。
实施案例2：
螺旋芯光纤的结构如图1和图2所示，中心轴偏移量，此时，光纤在1 μm和1.5 μm处的弯曲损耗随螺距变化的理论模拟图如图4所示，从中可以清楚的看出，当时，1 μm波段的光纤损耗大于1.5 μm波段的光纤损耗，能够有效地抑制1 μm波段的寄生振荡。
实施案例3：
螺旋芯光纤的结构如图1和图2所示，中心轴偏移量，此时，光纤在1 μm和1.5 μm处的弯曲损耗随螺距变化的理论模拟图如图4所示，从中可以清楚的看出，当时，1 μm波段的光纤损耗大于1.5 μm波段的光纤损耗，能够有效地抑制1 μm波段的寄生振荡。
综上所述，本发明提出一种Er, Yb共掺螺旋芯光纤，通过调节中心轴偏移量Q和螺距P，可以改变不同波长所对应的光纤损耗，从而使1 μm波段的光纤损耗大于1.5 μm波段的光纤损耗，达到抑制1 μm寄生振荡的作用。

Claims (5)

1.一种用于提升1.5μm波段激光效率的Er,Yb共掺光纤，包括光纤纤芯，光纤纤芯外顺序设有内包层（2）和外包层（3），外包层（3）外设有涂覆层（4），其特征在于：所述光纤纤芯由直线结构的纤芯（1）和螺旋结构的螺旋芯（5）构成，所述光纤纤芯的折射率大于内包层（2）的折射率，内包层（2）的折射率大于外包层（3）的折射率；所述纤芯（1）和螺旋芯（5）的直径为25μm~40μm，数值孔径(NA)为0.08~0.3，所述螺旋芯（5）的螺距>1mm，螺旋芯（5）距离整个共掺光纤的中心轴偏移量最小距离为10μm，最大距离不超过光纤内包层的半径，螺旋芯（5）长度为1cm~10cm；所述的纤芯（1）和螺旋芯（5）由掺杂Er3+,Yb3+的二氧化硅组成，横截面为圆型、矩形、椭圆型或者D型形状。
2.根据权利要求1所述的用于提升1.5μm波段激光效率的Er,Yb共掺光纤，其特征在于：所述的纤芯（1）和螺旋芯（5）纤芯的最优直径为30μm，最优数值孔径(NA)为0.08。
3.根据权利要求1所述的用于提升1.5μm波段激光效率的Er,Yb共掺光纤，其特征在于：所述的内包层（2）为折射率比纤芯（1）小的二氧化硅构成，内包层（2）的横截面为圆型，内包层（2）的直径为250μm~400μm，有效折射率为1.536，数值孔径(NA)为0.4~0.5。
4.根据权利要求1所述的用于提升1.5μm波段激光效率的Er,Yb共掺光纤，其特征在于：所述的外包层（3）为折射率比内包层（2）小的聚合物构成，外包层（3）的横截面为圆型，外包层（3）的直径为400μm~550μm。
5.根据权利要求1所述的用于提升1.5μm波段激光效率的Er,Yb共掺光纤，其特征在于：所述的涂覆层（4）为丙烯酸酯和硅橡胶构成，涂覆层（4）的横截面为圆型，涂覆层（4）的直径为550μm~700μm。
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