CN105572793B - 带损耗伴芯的大模场光纤 - Google Patents

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Abstract

一种带损耗伴芯的大模场光纤，包括增益纤芯、内包层和外包层，其特征是在所述的增益纤芯的周围引入与所述的增益纤芯平行的损耗伴芯，所述的增益纤芯、内包层、外包层和损耗伴芯的折射率分别为n1、n2、n3和n4且n1>n2>n3，n4≥n2，所述的增益纤芯的直径为a,损耗伴芯中的直径为b，20μm≤a<4.25(n1 2‑n2 2)‑1/2，且0.12a<b<a，所述的损耗伴芯与所述的增益纤芯的芯间距为Λ，0.5(a+b)<Λ<(a+b)，所述的增益纤芯的增益为α，所述的损耗伴芯的损耗为γ,α＜γ<200α。本发明带损耗伴芯的大模场光纤可实现对增益纤芯中的高阶模的分离及滤除功能，从而大幅提高增益光纤的光束质量，提高输出激光的亮度。

Description

带损耗伴芯的大模场光纤
技术领域
本发明涉及光纤，特别是一种带损耗伴芯的大模场光纤。
技术背景
对于归一化频率>2.405的光纤纤芯，除了支持基模(LP01)传输外，还会支持一些高阶模(如LP11、LP21等)的传输。高阶模的发散角要较基模的大许多，因此高阶模的存在会降低光斑的亮度。此外，对于纤芯是稀土激活的情况，高阶模还会引起模式竞争的问题，进而降低激光的光束质量和稳定性。高亮度光纤激光器一直是各国关注的焦点，因其在工业、科学研究和国防等领域的重要应用。受非线性效应(如受激拉曼散射、受激布里渊散射、自聚焦等)的制约，当前该领域的研究热点是增大纤芯传导模式的模场面积(即大模场光纤)，以此来提高非线性效应的阈值。目前大模场光纤的研究方向可分为以下两类：一类是通过降低纤芯的数值孔径来增大纤芯直径，其代表是光子晶体光纤(photonic crystal fiber,PCF)、大跨度光子晶体光纤(large pitch fiber,LPF)、泄露通道光纤(leakage channelfiber,LCF)等；另一类是直接增大纤芯直径，但通过模式耦合作用将高阶模从纤芯中分离出来，其代表是手性耦合光纤(chirally-coupled-core fiber,CCC)。
PCF等光纤的特点是增益纤芯的折射率与邻近内包层的折射率几乎相同，即数值孔径极低。这类光纤结构的主要特点是其增益纤芯对光的束缚能力很弱，因此该类光纤的弯曲损耗很大，失去了光纤灵活性的优势。此外，制备这类光纤的关键是调控增益纤芯折射率，使之与包层的折射率相同，工艺难度极大。CCC光纤是借助手性耦合结构将多模纤芯的高阶模从增益纤芯中分离出来，从而大幅提高高阶模的阈值，使得基模起振产生高亮度激光。该种光纤保留了传统双包层光纤的柔性特点，使用灵活性高，此外还兼有PCF等光纤的纤芯模场面积大、光束质量高的优点。然而CCC光纤在制备工艺和高阶模损耗问题上存在难点。(1)CCC光纤的制备工艺要求很高，一般的科研单位或企业很难制备。这种光纤的制备，需要将光纤预制棒进行高速旋转，易留下界面问题。当光纤在高功率下运转时，这些界面问题会导致严重的发热问题。(2)CCC光纤的手性结构能够将高阶模从增益纤芯中分离出来，但不能对高阶模产生损耗。分离出来的高阶模会进入包层形成包层模，这会给全光纤的使用带来麻烦。此外，该包层模在一定情况下会回到增益纤芯，造成模式竞争，从而影响激光的稳定性。中国专利(201410798980.4)对CCC光纤进行了改进，即通过采用两种以上的伴芯(该专利称侧芯)来进一步增大增益纤芯的模场直径，但高阶模导入包层形成包层模的问题并没有解决。
发明内容
本发明旨在克服上述CCC光纤现有技术的不足，提供一种带损耗伴芯的大模场光纤，该大模场光纤大大降低了制备工艺的难度，解决CCC光纤高阶模导入包层的问题。能获得光束质量好的光纤。
本发明的技术解决方案如下：
一种带损耗伴芯的大模场光纤，包括玻璃材料的增益纤芯、内包层和外包层，其特点是在所述的增益纤芯的周围引入与所述的增益纤芯平行的k根损耗伴芯，k≥2，所述的增益纤芯、内包层、外包层和损耗伴芯的折射率分别为n1、n2、n3和n4且n1>n2>n3，n4≥n2，所述的损耗伴芯的最大折射率与所述的增益纤芯的折射率之差为Δ,-4×10-4<Δ＝n4max-n1<1.2×10-3,所述的增益纤芯的直径为a,所述的损耗伴芯的直径为b，20μm≤a<4.25(n1 2-n2 2)-1/2,且0.12a<b<a，所述的损耗伴芯与所述的增益纤芯的芯间距为Λ，0.5(a+b)<Λ<(a+b)，所述的近邻损耗伴芯之间的芯间距为d，0.52Λ<d<1.74Λ，所述的增益纤芯的增益为α，所述的损耗伴芯的损耗为γ,α＜γ<200α。
所述的内包层的结构为圆形、D型、六角型、八角型、矩形或梅花型。
所述的增益纤芯是钕掺杂或镱掺杂的玻璃材料，所述的损耗伴芯是铜掺杂或钐掺杂的玻璃材料。
所述的损耗伴芯是具有m种相同或不同的直径、折射率或损耗的损耗伴芯，1≤m≤k。
所述的损耗伴芯的材料是石英玻璃、磷酸盐玻璃或硅酸盐玻璃。
本发明的技术效果：
借鉴多芯光纤的模式耦合特性，可通过光纤设计(材料损耗、材料折射率、几何尺寸和芯间距)，选择合适的损耗伴芯来实现对增益纤芯高阶模的分离和损耗，从而大幅提升激光的亮度，我们称这种光纤为异质多芯调控大模场光纤。其优点在于该光纤具备类似于CCC光纤的高阶模分离作用，区别在于用无手性的损耗伴芯(即直的伴芯)来代替CCC光纤的手性耦合结构，从而大大降低了光纤的制备难度。此外，该光纤的损耗伴芯还具有损耗高阶模的作用，不会有高阶模导入包层的问题存在，增大了实用性。
本发明带损耗伴芯的大模场光纤，能够使得增益纤芯的高阶模从增益纤芯中耦合到损耗伴芯中传输并被损耗掉，从而可大幅提升输出激光的亮度。
本发明带损耗伴芯的大模场光纤，可利用类似于多芯光纤的制备方法拉制，在较大增益纤芯直径(≥20μm)下，且不采取小半径弯曲、拉锥等任何限模措施，仍能获得较高亮度的激光输出。
附图说明
图1是本发明带损耗伴芯的大模场光纤一个实施例的横截面示意图。
具体实施方案
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不因以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明带损耗伴芯的大模场光纤一个实施例的横截面示意图。由图可见，本发明带损耗伴芯的大模场光纤，包括增益纤芯1、内包层2和外包层3，其特点是在所述的增益纤芯1的周围引入与所述的增益纤芯1平行的k根损耗伴芯4，k≥2，所述的增益纤芯1、内包层2、外包层3和损耗伴芯4的折射率分别为n1、n2、n3和n4且n1>n2>n3，n4≥n2，所述的损耗伴芯4中的最大折射率与所述的增益纤芯1折射率之差为Δ，-4×10-4<Δ＝n4max-n1<1.2×10-3,所述增益纤芯1的直径为a,损耗伴芯4的直径为b，20μm≤a<4.25(n1 2-n2 2)-1/2，且0.12a<b<a，所述的损耗伴芯1和所述的增益纤芯4的芯间距为Λ，0.5(a+b)<Λ<(a+b)，所述的近邻损耗伴芯4之间的芯间距为d，0.52Λ<d<1.74Λ，所述的增益纤芯1的增益为α，所述的损耗伴芯4的损耗为γ,α＜γ<200α。
本发明带损耗伴芯的大模场光纤，可采用类似于多芯光纤的制备方法拉制，在较大增益纤芯直径(≥20μm)下，且不采取小半径弯曲、拉锥等任何限模措施，仍能获得较高亮度的激光输出。
实施例1
钕离子掺杂磷酸盐大模场光纤，增益纤芯n1、内包层n2、外包层n3和损耗伴芯n4的折射率分别为：1.5460、1.5454、1.5212和1.5460。当增益纤芯的直径a为35μm时，增益纤芯为多模纤芯，将支持除基模LP01传输外，还支持高阶模LP11、LP21和LP02。不同的传输模式具有不同的传播常数(或等有效折射率)，四种模式的传播常数分别记为β01、β11、β21和β02。此时在增益纤芯的周围引入损耗伴芯，损耗伴芯也会存在传输模式，如LP01'、LP11'和LP02'(对应的传播常数分别为β01'、β11'和β02')等。选择合适的损耗伴芯的直径(b)和芯间距(Λ)，可使得损耗伴芯的基模LP01'和增益纤芯高阶模LP11、LP21和LP02产生耦合(即传输常数相同)，从而增益纤芯的高阶模导入到损耗伴芯中传输。例如当损耗伴芯的直径为18.6μm时，增益纤芯的LP11与损耗伴芯的LP01'满足耦合条件(β11＝β01')。当在损耗伴芯中引入合适的损耗时，可使得增益纤芯的高阶模LP11、LP21和LP02受到抑制而不能起振产生激光。本实施例，选取损耗伴芯的数量k为6，按逆时针方向构成六角排布，其直径b分别为18.6μm、11μm、18.6μm、11μm、18.6μm和11μm，芯间距Λ为30μm，芯间距d为30μm，激光波长为1.053μm，损耗伴芯是钐离子掺杂的磷酸盐玻璃，增益纤芯的增益α为0.08dB/cm，损耗伴芯的损耗γ为0.2dB/cm。
计算结果表明，在该光纤结构下增益纤芯的高阶模LP11、LP21和LP02将从纤芯中耦合到损耗伴芯中传输并获得损耗，其损耗分别为0.04dB/cm、0.02dB/cm和0.074dB/cm，因此增益纤芯的高阶模受到抑制，不能起振产生激光。基模LP01则继续在纤芯中传输，并获得0.07dB/cm的增益而起振产生激光。该结构下，输出激光的光束质量能够得到改善，激光的亮度得到提升。
实施例2
钕离子掺杂硅酸盐大模场光纤，主要参数：n1＝1.5248，n2＝1.5240，n4＝1.5244，a＝b＝24μm，k＝2，Λ＝28μm，d＝39.6μm，α＝0.04dB/cm，γ＝0.2dB/cm，损耗伴芯按逆时针方向成直角排布，激光波长为1.064μm，损耗伴芯是铜离子掺杂的硅酸盐玻璃。
计算结果表明，在该光纤结构下，增益纤芯的高阶模LP11、LP21和LP02将从纤芯中耦合到损耗伴芯中传输而获得损耗，其损耗是0.0035dB/cm、0.07dB/m和0.05dB/m，因此高阶模模式受到抑制，不能起振产生激光，此时纤芯的基模LP01继续在纤芯中传输，获得0.0354dB/cm的增益而起振产生激光。该结构下，输出激光的光束质量能够得到改善，进而提高激光的亮度。
实施例3
钕离子掺杂石英大模场光纤，主要参数：n1＝1.4511，n2＝1.4497，n4＝1.4523，a＝40μm，k＝12，Λ＝28μm，d＝14.5μm，α＝1.2dB/m，γ＝12dB/m，损耗伴芯按逆时针方向构成圆环排布，其直径b分别为8.2μm、8.2μm、8.2μm、7.1μm、7.1μm、7.1μm、6.0μm、6.0μm、6.0μm、5.0μm、5.0μm和5.0μm，激光波长为1.08μm，损耗伴芯是钐离子掺杂的石英玻璃。
计算结果表明，增益纤芯的主要高阶模LP11、LP21、LP02、LP31、LP12和LP41将从纤芯中耦合到损耗伴芯中传输并获得损耗，其损耗分别为2.48dB/m、2.5dB/m、2.4dB/m、0.93dB/m、0.39dB/m和1.1dB/m，因此增益纤芯的主要高阶模受到抑制，不能起振产生激光。基模LP01则继续在纤芯中传输，并获得1.09dB/m的增益而起振产生激光。该结构下，输出激光的光束质量能够得到改善，激光的亮度得到提升。
实施例4
镱离子掺杂石英大模场光纤，主要参数：n1＝1.4520，n2＝1.4497，n4＝1.4520，a＝20μm，b＝10μm，k＝3，Λ＝18μm，d＝31.2μm，α＝1.2dB/m，γ＝36dB/m，损耗伴芯按逆时针方向构成三角排布，激光波长为1.06μm，损耗伴芯是铜离子掺杂的石英玻璃。
计算结果表明，增益纤芯的高阶模LP11、LP21和LP02将从纤芯中耦合到损耗伴芯中传输并获得损耗，其损耗分别为3.26dB/m、0.08dB/m和1.09dB/m，因此增益纤芯的高阶模受到抑制，不能起振产生激光。基模LP01则继续在纤芯中传输，并获得1.06dB/m的增益而起振产生激光。该结构下，激光的光束质量得到改善，激光的亮度得到提升。
实施例5
钕离子掺杂硅酸盐大模场光纤，主要参数：n1＝1.5248，n2＝1.5240，a＝32μm，b＝12μm，k＝6，Λ＝d＝22μm，α＝0.053dB/cm，损耗伴芯按逆时针方向构成六角排布，其折射率n4分别为1.5247、1.5247、1.5247、1.5240、1.5240和1.5240,其损耗γ分别为0.42dB/cm、0.42dB/cm、0.42dB/cm、0.053dB/cm、0.053dB/cm和0.053dB/cm，激光波长为1.064μm，损耗伴芯是铜离子掺杂的硅酸盐玻璃。
计算结果表明，增益纤芯的高阶LP11、LP21和LP02将从纤芯中耦合到损耗伴芯中传输并获得损耗，其损耗分别为0.0005dB/cm、0.085dB/cm和0.01dB/cm，因此增益纤芯的高阶模受到抑制，不能起振产生激光。基模LP01则继续在纤芯中传输，并获得0.036dB/cm的增益而起振产生激光。该结构下，输出激光的光束质量能够得到改善，激光的亮度得到提升。
实施例6
钕离子掺杂石英大模场光纤，主要参数：n1＝1.4511，n2＝1.4497，n4＝1.4511，a＝70μm，k＝8，d＝40.6μm，α＝1.2dB/m，γ＝36dB/m，损耗伴芯按逆时针方向构成八角排布，其直径b分别为36μm、31μm、36μm、31μm、36μm、31μm、36μm和31μm，其芯间距Λ分别为54μm、52μm、54μm、52μm、54μm、52μm、54μm和52μm，激光波长为1.06μm，损耗伴芯是铜离子掺杂的石英玻璃。
计算结果表明，增益纤芯的主要高阶模LP11、LP21、LP02、LP31、LP12、LP41和LP22将从纤芯中耦合到损耗伴芯中传输并获得损耗，其损耗分别为0.36dB/m、1.58dB/m、2.02dB/m、3.54dB/m、13.10dB/m、16.23dB/m和5.31dB/m，因此增益纤芯的主要高阶模受到抑制，不能起振产生激光。基模LP01则继续在纤芯中传输，并获得1.02dB/m的增益而起振产生激光。该结构下，输出激光的光束质量得到改善，激光的亮度得到提升。
实施例7
镱离子掺杂磷酸盐大模场光纤，主要参数：n1＝1.5354，n2＝1.5350，n4＝1.5356，a＝35μm，b＝12μm，k＝6，Λ＝d＝47μm，α＝0.05dB/cm，γ＝10dB/cm，损耗伴芯按逆时针方向构成六角排布，激光波长为1.08μm，损耗伴芯是钐离子掺杂的磷酸盐玻璃。
计算结果表明，增益纤芯的高阶模LP11和LP21将从纤芯中耦合到损耗伴芯中传输并获得损耗，其损耗是1.13dB/cm和0.1dB/cm，因此增益纤芯的高阶模受到抑制，不能起振产生激光。纤芯的基模LP01则继续在纤芯中传输，并获得0.045dB/cm的增益而起振产生激光。该结构下，输出激光的光束质量能够得到改善，激光的亮度得到提升。
实施例8
镱离子掺杂磷酸盐大模场光纤，主要参数：n1＝1.5356，n2＝1.5350，n4＝1.5355，a＝40μm，k＝5，α＝0.05dB/cm，损耗伴芯按逆时针方向构成五角排布，其直径b分别为30μm、28μm、16μm、18.8μm和22μm，其芯间距Λ分别为38.0μm、36.3μm、30.3μm、40.0μm和33.0μm，其芯间距d分别为48.30μm、38.35μm、34.06μm、35.80μm和42.90μm，其损耗γ分别为0.1dB/cm、0.15dB/cm、0.25dB/cm、0.6dB/cm和0.5dB/cm，激光波长为1.07μm，损耗伴芯是钐离子掺杂的磷酸盐玻璃。
计算结果表明，增益纤芯的高阶模LP11、LP21、LP02和LP31将从纤芯中耦合到损耗伴芯中传输并获得损耗，其损耗分别为0.004dB/cm、0.07dB/cm、0.07dB/cm和0.08dB/cm。纤芯的基模LP01则继续在纤芯中传输，并获得0.04dB/cm的增益而起振产生激光。该结构下，输出激光的光束质量能够得到改善，激光的亮度得到提升。
实施例9
钕离子掺杂磷酸盐大模场光纤，主要参数：n1＝1.5460，n2＝1.5454，n4＝1.5460，a＝35μm，k＝6，Λ＝d＝30μm，α＝0.08dB/cm，γ＝0.32dB/cm，损耗伴芯按逆时针方向构成六角排布，其直径b分别为18.6μm、15.4μm、13.2μm、9.6μm、16μm和4.2μm，激光波长为1.053μm，损耗伴芯是钐离子掺杂的磷酸盐玻璃。
计算结果表明，增益纤芯的高阶模LP11、LP21和LP02将从纤芯中耦合到损耗伴芯中传输并获得损耗，其损耗分别为0.08dB/cm、0.05dB/cm和0.03dB/cm，因此增益纤芯的高阶模受到抑制，不能起振产生激光。基模LP01则继续在纤芯中传输，并获得0.07dB/cm的增益而起振产生激光。该结构下，输出激光的光束质量能够得到改善，激光的亮度得到提升。
实施例10
钕离子掺杂石英大模场光纤，主要参数：n1＝1.4511，n2＝1.4497，n4＝1.4511，a＝35μm，k＝8，Λ＝d＝32μm，α＝1.2dB/m，γ＝36dB/m，损耗伴芯按逆时针方向构成六角排布，其直径b分别为19.6μm、19.6μm、19.6μm、13μm、13μm和13μm，激光波长为1.06μm，损耗伴芯是铜离子掺杂的石英玻璃。
计算结果表明，增益纤芯的主要高阶模LP11、LP21、LP02、LP31、LP12和LP41将从纤芯中耦合到损耗伴芯中传输并获得损耗，其损耗分别为8.5dB/m、1.8dB/m、0.72dB/m、0.76dB/m和1.6dB/m，因此增益纤芯的主要高阶模受到抑制，不能起振产生激光。基模LP01则继续在纤芯中传输，并获得1.14dB/m的增益而起振产生激光。该结构下，输出激光的光束质量得到改善，激光的亮度得到提升。
实施例11
钕离子掺杂磷酸盐大模场光纤，主要参数：n1＝1.5460，n2＝1.5454，n4＝1.5458，a＝b＝35μm，k＝2，Λ＝51.6μm，α＝0.08dB/cm，γ＝0.32dB/cm，损耗伴芯按逆时针方向构成直角排布，其芯间距d分别为37μm和36μm，激光波长为1.053μm，损耗伴芯是钐离子掺杂的磷酸盐玻璃。
计算结果表明，增益纤芯的高阶模LP11、LP21和LP02将从纤芯中耦合到损耗伴芯中传输并获得损耗，其损耗分别为0.01dB/cm、0.11dB/cm和0.05dB/cm，因此增益纤芯的高阶模受到抑制，不能起振产生激光。基模LP01则继续在纤芯中传输，并获得0.07dB/cm的增益而起振产生激光。该结构下，输出激光的光束质量能够得到改善，激光的亮度得到提升。
实施例12
钕离子掺杂石英大模场光纤，主要参数：n1＝1.4507，n2＝1.4497，n4＝1.4509，a＝35μm，k＝6，Λ＝d＝30μm，α＝1.2dB/m，γ＝12dB/m，损耗伴芯按逆时针方向构成六角排布，其直径b分别为7.2μm、7.2μm、7.2μm、5.0μm、7.2μm和5.0μm，激光波长为1.06μm，损耗伴芯是铜离子掺杂的石英玻璃。
计算结果表明，增益纤芯的主要高阶模LP11、LP21、LP02、LP31、LP12和LP41将从纤芯中耦合到损耗伴芯中传输并获得损耗，其损耗分别为4.2dB/m、0.9dB/m、0.2dB/m、0.5dB/m和3.1dB/m，因此增益纤芯的主要高阶模受到抑制，不能起振产生激光。基模LP01则继续在纤芯中传输，并获得1.12dB/m的增益而起振产生激光。该结构下，输出激光的光束质量能够得到改善，激光的亮度得到提升。

Claims (6)

1.一种带损耗伴芯的大模场光纤，包括玻璃材料的增益纤芯(1)、内包层(2)和外包层(3)，其特征是在所述的增益纤芯(1)的周围引入与所述的增益纤芯(1)平行的k根损耗伴芯(4)，k≥2，所述损耗伴芯为直的，所述的增益纤芯(1)、内包层(2)、外包层(3)和损耗伴芯(4)的折射率分别为n1、n2、n3和n4且n1>n2>n3，n4≥n2，所述的损耗伴芯(4)中的最大折射率与所述的增益纤芯(1)的折射率之差为Δ,-4×10-4<Δ＝n4max-n1<1.2×10-3,所述的增益纤芯(1)的直径为a,所述的损耗伴芯(4)的直径为b，20μm≤a<4.25(n1 2-n2 2)-1/2,且0.12a<b<a，所述的损耗伴芯(4)与所述的增益纤芯(1)的芯间距为Λ，0.5(a+b)<Λ<(a+b)，所述的损耗伴芯(4)近邻之间的芯间距为d，0.52Λ<d<1.74Λ，所述的增益纤芯(1)的增益为α，所述的损耗伴芯(4)的损耗为γ,α＜γ<200α。
2.根据权利要求1所述的带损耗伴芯的大模场光纤，其特征在于所述的增益纤芯(1)是钕掺杂或镱掺杂的玻璃材料。
3.根据权利要求1所述的带损耗伴芯的大模场光纤，其特征在于所述的内包层(2)的结构为圆形、D型、六角型、八角型、矩形或梅花型。
4.根据权利要求1所述的带损耗伴芯的大模场光纤，其特征在于所述的损耗伴芯(4)是铜掺杂或钐掺杂的玻璃材料。
5.根据权利要求1所述的带损耗伴芯的大模场光纤，其特征在于所述的损耗伴芯(4)是具有m种相同或不同的直径、折射率和损耗的损耗伴芯，m的取值范围是1～k。
6.根据权利要求1至5任一项所述的带损耗伴芯的大模场光纤，其特征在于所述的玻璃材料是石英玻璃、磷酸盐玻璃或硅酸盐玻璃。
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