CN108152883A

CN108152883A - 负双包层锥形有源光纤

Info

Publication number: CN108152883A
Application number: CN201810017543.2A
Authority: CN
Inventors: 宁提纲; 裴丽; 谢彩健; 郑晶晶
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2018-01-09
Filing date: 2018-01-09
Publication date: 2018-06-12

Abstract

一种负双包层锥形有源光纤，包括有源掺稀土纤芯(1)、凹陷层(2)、内包层(3)及外包层(4)。所述光纤的纤芯、凹陷层、内包层及外包层的折射率分别为n₁、n₂、n₃、n₄，且n₁>n₃>n₂，n₁>n₃>n₄；纤芯、凹陷层、内包层及外包层的半径分别为a、b、c、d，且a<b<c<d；所述光纤呈锥形结构，光纤面积沿光纤长度逐渐增大，当光束沿着光纤粗端方向进行放大时，可有效降低光功率密度，抑制光束传输过程发生的非线性效应；光纤尖端采用单模结构时，可与标准单模光纤进行更有效的熔接，减少光束从单模光纤耦合进入有源光纤所产生的损耗；所述光纤的凹陷层可使得光束在传输过程所激发的高阶模有效地耦合到内包层，保证了光束的单模传输以及优良的光束质量；本发明可采用普通光纤的制作方法以及传统光纤锥的拉制方法进行制作，制作工艺成熟，成品率高。

Description

负双包层锥形有源光纤

技术领域

本发明涉及一种负双包层锥形有源光纤，可用于制作光纤放大器、光纤激光器或其它基于稀土掺杂的光纤器件以及光电子器件。

背景技术

普通有源光纤一般都为单模光纤，纤芯很细，芯径一般在10um左右。采用单模有源光纤作为光纤激光器的增益介质，需要将抽运源的泵浦光耦合进入半径只有数微米的光纤纤芯中，由于纤芯很细，能承受的功率密度有限，其连续波损坏阈值约为1W/um²[N ilssonJ,Sahu J K,Jeong Y,et al.“High-power fiber lasers:new developments”,2003,4974:50-59]。此外，小纤芯结构还限制了耦合进入纤芯的泵浦光功率，因此单模光纤激光器的输出功率较低。随着激光在工业加工、医疗辅助、雷达、国防等应用领域的发展，由此也对激光的输出功率、光束质量等提出了更高的要求。以双包层有源光纤为基础同时应用包层泵浦技术，有效解决了光纤激光器中泵浦光功率与增益光纤之间的耦合效率问题，使光纤激光器输出功率得到了迅速提高，大大推动了高输出功率激光器的发展。相比单模有源光纤，双包层有源光纤具有许多突出的性能。采用双包层有源光纤作为光纤激光器的增益介质不再要求泵浦光是单模激光，可以使用大功率多模半导体激光器泵浦。泵浦光在双包层有源光纤的内包层中传输时，能够多次横穿掺杂了增益介质的光纤纤芯，因此能被增益介质充分吸收并转换成激光，由此提高了泵浦光的转换效率。由于双包层有源光纤的面积/体积比很大，使其具有非常好的散热性能，这有利于长时间高功率的运转。此外双包层有源光纤还有光束质量好、抽运带宽大等优点。然而，采用普通双包层有源光纤制作的光纤激光器和放大器，其斜率效率难以进一步提高，如掺镱双包层光纤激光器和放大器，其斜率效率的理论极限值在90％以上，而实际值却低于80％。为了克服传统双包层单模光纤激光器随着泵浦功率的增加其输出光束质量变差、非线性效应变强等缺陷，授权公开号：CN101067671A，公开日：2007年11月7日，提供了一种“泄露结构大模场双包层单模掺镱光纤”，实现了光纤具有大芯径时仍能保持高功率单模运行的功能。但由于光暗化效应以及背景损耗的影响，即便是高浓度的掺稀土双包层有源光纤，其泵浦吸收率和转换率也难以得到进一步提高。为了克服这一缺陷，有文献提出了一种锥形光纤[Filippov V,Chamorovskii Y,Kerttula J,et al.“Double clad tapered fiber for high powerapplications”，Optics Express,2008,16(3):1929]，相对比传统的双包层单模有源光纤，具有锥形结构的有源光纤可使其在具有低掺杂浓度时仍能实现更高的泵浦吸收率和转换率。然而，当光纤材料及结构确定之后，光纤的芯径与数值孔径即为定值，泵浦光的输入波长则受到了截止波长的限制。

随着新型激光技术的不断发展，为了满足更高激光功率密度的激光材料加工、国防应用等方面的需求，新型高功率、高光束质量的大功率光纤激光器成为重要研究方向。大功率光纤激光的输出功率提升主要受限于热效应、光效应、非线性效应和泵浦亮度。在千瓦级(以上)高功率光纤激光系统中，一般采用大模场面积掺杂光纤，它可以支持多个模式，以利于更高功率输出。近年来，研究人员发现在大模场面积掺杂光纤中容易产生模式不稳定效应[Smith A V,Smith J J.“Overview of a Steady-Periodic Model of ModalInstability in Fiber Amplifiers”，IEEE Journal of Selected Topics in QuantumElectronics，2014，20(5):472-483]。光纤中的模式不稳定效应使得光纤激光的输出模式由稳定的基模变为能量在基模和高阶模之间动态耦合的非稳态模式，导致了输出光束的光束质量退化，限制了光纤激光器和光纤放大器的输出功率，因此需要设计适用于大功率光纤激光器和光纤放大器的新型有源光纤。

发明内容

为了扩大入射泵浦光输入波长的范围、克服已有双包层有源光纤因光暗化效应以及背景损耗导致泵浦吸收率和转换率难以提高、输出光束质量因模式不稳定效应或随着光功率的增加而变差的缺陷，提出了一种负双包层锥形有源光纤。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种负双包层锥形有源光纤，包括有源纤芯、凹陷层、内包层及外包层，其特征是所述光纤为锥形结构，在纤芯与内包层之间增加了凹陷层，凹陷层的折射率小于纤芯和内包层的折射率；本发明采用了非圆形的内包层结构，即内包层为D形、矩形、六边形、八边形、偏芯圆形、星形或梅花形；本发明所述光纤端面可采用平端面或倾斜端面。

普遍采用的光纤制作方法有：改进的化学汽相沉积法(MCVD)，汽相轴向沉积法(VAD)，外部汽相沉积法(OVD)，等离子体化学汽相沉积法(PCVD)。光纤锥的制作主要有两种方法：熔拉法和腐蚀法。用熔拉法制作的光纤锥，其包层和纤芯的直径沿光纤轴向均逐渐变细。一般可认为在整个锥区，包层和纤芯的直径之比保持恒定。而腐蚀法制作的光纤锥，其包层直径沿z方向逐渐减小，而纤芯直径基本不变，只在接近锥的尖端时,芯径才逐渐变小。根据有源光纤的实际使用情况，本发明所述的光纤可通过将普通光纤的制作方法与拉锥方法相结合制作而成。

本发明的有益效果具体如下：所述负双包层锥形有源光纤，可采用传统的光纤制作方法及拉锥方法进行拉制，制作工艺成熟，成品率高。所述光纤为锥形结构，具有抗光暗化效应的性能，在低掺杂浓度时仍具有较高的泵浦吸收率和转化率。所述光纤的尖端可与前一阶段的单模光纤进行更有效的熔接，降低了耦合损耗；而光纤粗端横截面积大，当采用高功率端面泵浦技术时，可有效减小光纤端面的光学损伤以及非线性效应。所述光纤采用了非圆形的内包层结构可使得泵浦光多次横穿纤芯，因此稀土离子被更有效的吸收，从而提高耦合效率。所述光纤在纤芯外设置了凹陷层，可以使得光传输过程所激发的高阶模更有效的耦合到内包层，因此可使得入射泵浦光的波长适当往短波长方向移动，同时还能够在一定程度上抑制模式不稳定效应，保持优良的光束质量。

附图说明

图1-10为本发明负双包层锥形有源光纤的纵截面、横截面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例中，光纤纵截面、横截面如图1、2所示。负双包层锥形有源光纤掺稀土纤芯1的掺杂离子为镱离子，内包层采用D形结构，光纤锥采用熔拉法进行拉制。本实施例的主要参数：在光纤尖端，纤芯1的半径a＝1um，凹陷层2的半径b＝4um，内包层3的半径c＝20um，弦心距c₁＝10um，外包层4的半径d＝30um；在光纤粗端，纤芯1的半径a＝150um，凹陷层2的半径b＝600um，内包层3的半径c＝3000um，外包层4的半径d＝4500um；纤芯1的折射率n₁＝1.453，纤芯-内包层的折射率差Δ₁＝0.2％；外包层-内包层的折射率差Δ₂＝-2％，凹陷层-内包层的折射率差Δ₃＝-0.5％；光纤粗端采用平端面。

实施例2

本实施例中，光纤纵截面、横截面如图3、4所示。负双包层锥形有源光纤掺稀土纤芯1的掺杂离子为铒离子，内包层为矩形结构，光纤锥采用腐蚀法进行拉制。本实施例的主要参数：在光纤尖端，纤芯1的半径a＝5um，凹陷层2的半径b＝10um，矩形内包层3的长c₁＝30um，宽c₂＝25um，外包层4半径d＝60um；在光纤粗端，纤芯1半径a＝8um，凹陷层2半径b＝120um，矩形内包层3的长c₁＝360um，宽c₂＝300um，外包层4半径d＝720um；纤芯1折射率n₁＝1.46，纤芯-内包层折射率差Δ₁＝0.3％；外包层-内包层的折射率差Δ₂＝-3.5％，凹陷层-内包层的折射率差Δ₃＝-4％；光纤粗端采用平端面。

实施例3

本实施例中，光纤纵截面、横截面如图5、6所示。负双包层锥形有源光纤掺稀土纤芯1的掺杂离子为铥离子，内包层采用正六边形结构，光纤锥采用熔拉法进行拉制。本实施例的主要参数：在光纤尖端，纤芯1半径a＝20um，凹陷层2半径b＝25um，正六边形内包层3的边长c＝50um，外包层4半径d＝80um；在光纤粗端，纤芯1半径a＝400um，凹陷层2半径b＝500um，正六边形内包层3的边长c＝1000um，外包层4半径d＝1600um；纤芯1折射率n₁＝1.465，纤芯-内包层折射率差Δ₁＝0.5％；外包层-内包层的折射率差Δ₂＝-3.5％，凹陷层-内包层的折射率差Δ₃＝-0.35％；光纤粗端采用倾斜端面。

实施例4

本实施例中，光纤纵截面、横截面如图7、8所示。负双包层锥形有源光纤掺稀土纤芯1的掺杂离子为饵镱共掺离子，内包层采用偏芯圆结构，光纤锥采用腐蚀法进行拉制。本实施例的主要参数：在光纤尖端，纤芯1半径a＝45um，凹陷层2半径b＝55um，内包层3的半径c＝70um，外包层4半径d＝85um；在光纤粗端，纤芯1半径a＝50um，凹陷层2半径b＝165um，内包层3的半径c＝210um，外包层4半径d＝255um；纤芯1折射率n₁＝1.473，纤芯-内包层折射率差Δ₁＝1％；外包层-内包层的折射率差Δ₂＝-5％，凹陷层-内包层的折射率差Δ₃＝-0.6％；光纤粗端采用倾斜端面。

实施例5

本实施例中，光纤纵截面、横截面如图9、10所示。负双包层锥形有源光纤掺稀土纤芯1的掺杂离子为钬离子，内包层为正八边形结构，采用腐蚀法对光纤进行部分拉锥，整根光纤分为锥形区与非锥形区，如图9所示。本实施例光纤锥形区的主要参数：在光纤尖端，纤芯1半径a＝100um，凹陷层2半径b＝120um，八边形内包层3的边长c＝130um，外包层4半径d＝170um；在光纤粗端，纤芯1半径a＝120um，凹陷层2半径b＝600um，八边形内包层3的边长c＝450um，外包层4半径d＝850um；纤芯1折射率n₁＝1.47，纤芯-内包层折射率差Δ₁＝0.5％；外包层-内包层的折射率差Δ₂＝-3.5％，凹陷层-内包层的折射率差Δ₃＝-4％。

Claims

1.一种负双包层锥形有源光纤，沿光纤长度呈锥形结构。所述光纤包括有源纤芯、凹陷层、内包层及外包层，纤芯掺稀土的离子类型包括铒离子、镱离子、铥离子、钬离子、钕离子或铒镱共掺离子；内包层的结构可为D形、矩形、六边形、八边形、偏芯圆形、星形或梅花形；光纤的纤芯、凹陷层、内包层、外包层的折射率分别为n₁、n₂、n₃、n₄，且n₁>n₃>n₂，n₁>n₃>n₄；纤芯、凹陷层、内包层及外包层的半径分别为a、b、c、d，在光纤尖端，纤芯半径a大于1微米，且a<b<c<d；以内包层折射率n₃为参照标准，纤芯与内包层的折射率差Δ₁＝(n₁-n₃)/n₁，且有Δ₁>0，外包层与内包层的折射率差Δ₂＝(n₄-n₂)/n₂，且有Δ₂<0，凹陷层与内包层的折射率差Δ₃＝(n₂-n₃)/n₂，且有Δ₃<0；光纤两端端面都经过研磨抛光处理，可为平端面或倾斜端面。