CN108614323B - 一种纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤 - Google Patents
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Abstract
一种纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤，包括纤芯(1‑1)、内包层(1‑2)和外包层(1‑3)，内包层(1‑2)包裹住纤芯(1‑1)，外包层(1‑3)包在内包层(1‑2)外，整体构成增益光纤，其中，纤芯和外包层的横截面为圆形、内包层的横截面为圆形或正八边形，内包层横截面及其对应外接圆直径沿光纤长度方向恒定不变，外包层直径沿光纤长度方向恒定不变，纤芯包括直径沿光纤长度方向恒定的两个小直径区域、一个直径沿光纤长度方向恒定的大直径区域和两个直径渐变的过渡直径区域；第一小直径区域、第一过渡区域、大直径区域、第二过渡区域、第二小直径区域依次连接，形成纤芯的尺寸沿光纤长度方向先变大后变小而的增益光纤。
Description
技术领域
本发明总体地涉及光纤技术领域，具体地涉及一种纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤。
背景技术
在光纤激光、光纤传感等领域，目前使用的增益光纤一般为纤芯尺寸沿光纤长度方向恒定不变的增益光纤，该类光纤制作工艺简单、易批量生产，在相关领域得到了广泛的应用。
当前，有两类纤芯尺寸沿着光纤长度方向变化的光纤，一类是光纤纤芯直径沿着光纤长度方向单周期渐变的光纤，一类是是光纤纤芯直径沿着光纤长度方向多周期渐变的光纤。
专利“一种基于拉锥光纤的湿度传感器”(CN201320141604)、“一种抗弯曲拉锥光纤及其制造方法”(CN201310641596)、“一种在拉锥光纤侧面高效沉积硫化钨的方法”(CN201410810484)、“一种硫系玻璃拉锥光纤的制备方法”(CN201510021302)、“一种在拉锥光纤上沉积二维材料的方法”(CN201610423416)、“一种拉锥光纤多参数辨识系统及其方法”(CN201611103462)、“基于拉锥光纤的相移光栅及其制作方法”(CN201710334994)等，提出一类单周期渐变的光纤，该类光纤中纤芯直径沿着光纤长度方向单调递增/递减，或者沿着光纤长度方向单周期的先减小再增大，在纤芯直径变化过程中，包层直径随着纤芯直径的变化而变化，纤芯直径与包层直径的比例不变。
专利“用于制作超窄线宽光纤激光器的微拉锥光纤及激光器(CN201310069242.1)”，提出利用一种拉锥区域轴向长度为1.5～2厘米、相邻两个拉锥区的轴向中心之间间隔4～6米的、总长度大于或等于80米的周期性多锥段光纤，在环形腔激光器中实现稳定的单频激光运转。专利“基于拉锥光纤的多波长可转换可调谐光纤激光器(CN201410106212.8)”，提出利用一种拉锥光纤锥区直径为4～10微米、长度为0.5～2厘米的周期性锥形光纤在环形激光器中实现不同波长的调谐输出。专利“基于拉锥光纤的可调谐双波长锁模光纤激光器(CN201610567283.7)”，提出利用一种调制周期为6.8～7.2纳米，锥腰为7.0～7.5微米的周期性拉锥光纤实现可调谐2微米波段双波长锁模光纤激光输出。在该类光纤的各个周期性的纤芯直径变化过程中，纤芯直径与包层直径的比例也保持不变。
上述两类尺寸渐变光纤中，光纤的纤芯直径与包层直径的比例沿着光纤长度方向保持不变，即纤芯减小时、包层也等比例减小，纤芯增大时、包层也等比例增大。然而，在高功率激光器等特定领域中，由于光纤的包层或内包层需要传输高功率的泵浦光，如果沿着光纤长度方向包层或内包层的直径变化、尤其是直径减小，会导致泵浦光从光纤的包层泄露和损耗，严重时会烧毁增益光纤。在某些特定领域，需要利用纤芯直径渐变的增益光纤。比如，在高功率全光纤振荡器中，为了抑制模式不稳定，一般需要采用纤芯直径和模场面积较小、归一化频率较低的增益光纤来抑制高阶模式的产生，从而提高激光器输出功率；但是，为了抑制非线性效应、提升受激拉曼散射的阈值，需要采用纤芯直径和模场面积较大的增益光纤。因此，一般而言，普通结构的尺寸均匀增益光纤难以平衡非线性效应抑制和模式不稳定抑制的矛盾；普通包层随着长度变化的增益光纤又难以解决泵浦无损耗传输的问题。
发明内容
针对上述已有技术的不足，本发明提供了一种纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤，能够克服现有增益光纤难以同时兼顾非线性效应抑制、模式不稳定抑制的问题，并能保证泵浦激光在包层中无损传输。
本发明的技术方案为，一种纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤，它包括纤芯、内包层和外包层，所述内包层包裹住纤芯，外包层包在内包层外，整体构成增益光纤，所述纤芯和外包层横截面为圆形，所述内包层沿光纤长度方向的横截面及横截面的外接圆直径沿光纤长度方向恒定不变，比如内包层沿光纤长度方向的横截面为圆形，则圆形的直径沿光纤长度方向恒定不变，若内包层沿光纤长度方向的横截面为正八边形，所述正八边形的外接圆的直径沿光纤长度方向恒定不变，所述纤芯的直径沿光纤长度方向先增大后减小，所述内包层和外包层的直径沿光纤长度方向恒定不变。
更进一步的，上述纤芯包括两个小直径区域、一个大直径区域和两个过渡直径区域；所述第一小直径区域、第一过渡区域、大直径区域、第二过渡区域、第二小直径区域依次连接，形成纤芯尺寸沿光纤长度方向先变大后变小的增益光纤。
更进一步的，上述纤芯的两个小直径区域的直径相同，沿光纤长度方向恒定且不大于20微米；所述两个小直径区域的数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变且在0.03～0.1之间。
更进一步的，上述纤芯的大直径区域的直径沿光纤长度方向恒定且大于20微米；所述大直径区域的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03～0.1之间。
更进一步的，上述纤芯的两个过渡区域的直径渐变率相同，直径均沿光纤长度方向逐渐变化，其小端的直径不小于与之连接的所述小直径区域的直径，其大端的直径不大于所述大直径区域的直径；所述过渡区域的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03～0.1之间。
更进一步的，上述纤芯的每个单独区域的数值孔径相同。即小直径区域内每一处的数值孔径相同、过渡区域内的每一处的数值孔径相同、大直径区域内每一处的数值孔径相同；而小直径区域、过渡区域、大直径区域的数值孔径根据应用需求，可以相同，也可以不同。
更进一步的，上述纤芯采用掺杂离子的石英材料制作，所述掺杂离子是镱离子、铥离子、铒离子、钬离子中的一种或多种。
进一步的，上述内包层的直径或外接圆直径在100～1000微米之间；外包层的直径在250～2000微米之间。
本发明还提供了上述增益光纤在全光纤激光振荡器中的应用，其中纤芯的小直径区域的长度1～10米，直径小于20微米，数值孔径在0.03～0.1之间；所述大直径区域的长度1～10米，直径大于30微米，数值孔径在0.03～0.1之间；所述过渡区域的长度0.01～1米，数值孔径在0.03～0.1之间。
本发明能够达到以下技术效果：
1、能够兼顾现有普通纤芯直径恒定增益光纤难以同时抑制高阶模式和非线性效应的缺点：在高功率全光纤振荡器中抑制模式不稳定，需要纤芯直径和模场面积较小的增益光纤来抑制高阶模式的产生；为了抑制非线性效应、提升受激拉曼散射的阈值，需要采用纤芯直径和模场面积较大的增益光纤；普通纤芯直径沿着光纤长度方向恒定不变，难以兼顾二者的矛盾；本发明通过将小尺寸纤芯和大尺寸纤芯结合，能够一定程度平衡此矛盾。
2、能够保证泵浦光在包层中无损耗传输：光纤的包层/内包层和涂覆层的直径不变，不存在普通纤芯尺寸渐变增益光纤因包层尺寸变化导致的泵浦光损耗甚至烧毁等问题。
附图说明
从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
图1是本发明一种纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤沿着光纤长度方向结构示意图；
图2是本发明一种纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤用于全光纤激光振荡器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤，其结构示意图如图1所示，包括纤芯1-1、内包层1-2和外包层1-3，内包层1-2包裹住纤芯1-1，外包层1-3包在内包层1-2外，整体构成增益光纤。纤芯1-1和外包层1-3横截面为圆形，内包层1-2沿光纤长度方向的横截面及该横截面的外接圆直径沿光纤长度方向恒定不变，内包层1-2沿光纤长度方向的横截面可以为圆形或正八边形，外包层(1-3)直径沿光纤长度方向恒定不变。其中，纤芯1-1包括两个小直径区域1-4、1-8、一个大直径区域1-5和两个过渡直径区域1-6、1-7；所述第一小直径区域1-4、第一过渡区域1-6、大直径区域1-5、第二过渡区域1-7、第二小直径区域1-8依次连接，形成纤芯1-1尺寸沿光纤长度方向先变大后变小而内包层1-2和外包层1-3直径恒定不变的增益光纤。
在根据实际应用的设计中，纤芯1-1的两个小直径区域1-4、1-8的直径相同，沿光纤长度方向恒定且不大于20微米，其数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变且在0.03～0.1之间；大直径区域1-5的直径沿光纤长度方向恒定且大于20微米，其数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03～0.1之间；两个过渡区域1-6、1-7的直径均沿光纤长度方向逐渐变化，在本实施例中两者的直径渐变率相同，作为过渡区域，为了实现与两端纤芯区域的很好过渡和衔接(即纤芯不同区域连接部的横截面尺寸大小相同)，过渡区域1-6、1-7直径变化的趋向和变化率大小可以根据连接其两端的纤芯的长度尺寸和横截面尺寸的具体调整，本实施例中，因为两个过渡区域1-6、1-7的小端的直径不小于与之连接的所述小直径区域1-4、1-8的直径，其大端的直径不大于所述大直径区域1-5的直径；过渡区域1-6、1-7的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03～0.1之间；纤芯采用掺杂离子的材料制作，所述掺杂离子是镱离子、铥离子、铒离子、钬离子中的一种或多种；纤芯每个单独区域的数值孔径相同，即小直径区域内每一处的数值孔径相同、过渡区域内的每一处的数值孔径相同、大直径区域内每一处的数值孔径相同；而小直径区域、过渡区域、大直径区域的数值孔径根据应用需求，可以相同，也可以不同。
实施例2
一种纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤用于全光纤激光振荡器的结构示意图，其结构如图2所示，其中包括纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤1、高反射光纤光栅2、低反射光纤光栅3、光纤耦合半导体激光器4、泵浦合束器5、信号传能光纤6、泵浦传能光纤7、包层光滤除器8、光纤端帽9；其中泵浦合束器5包括一个或多个泵浦输入臂、一个信号输出臂；高反射光纤光栅2、纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤1、低反射光纤光栅3依次通过信号传能光纤6连接构成光纤激光谐振腔，光纤耦合半导体激光器4输出激光经过泵浦传能光纤7注入泵浦合束器5的泵浦臂；泵浦合束器5输出的泵浦光通过信号传能光纤6注入到光纤激光谐振腔中；谐振腔输出激光经过包层光滤除器8后，由光纤端帽9扩束输出；其中的纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤1使用实施例1中的纤芯直径纵向渐变增益光纤，即：该纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤包括纤芯1-1、内包层1-2和外包层1-3，内包层1-2包裹住纤芯1-1，外包层1-3包在内包层1-2外，整体构成增益光纤，纤芯1-1包括两个小直径区域1-4、1-8、一个大直径区域1-5和两个过渡直径区域1-6、1-7；所述第一小直径区域1-4、第一过渡区域1-6、大直径区域1-5、第二过渡区域1-7、第二小直径区域1-8依次连接，形成纤芯1-1尺寸沿光纤长度方向先变大后变小，而内包层1-2和外包层1-3横截面大小沿光纤长度方向恒定不变的增益光纤，更具体地，纤芯1-1的两个小直径区域1-4、1-8的直径相同，沿光纤长度方向恒定且不大于20微米，优选不大于15微米，其数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变且在0.03～0.1之间，优选0.06，其长度1～10米；纤芯1-1的大直径区域1-5的直径沿光纤长度方向恒定且大于20微米，优选大于30微米，其数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03～0.1之间，优选0.065，其长度1～10米；纤芯1-1的两个过渡区域1-6、1-7的直径渐变率相同，直径均沿光纤长度方向逐渐变化，其小端的直径不小于与之连接的所述小直径区域1-4、1-8的直径，其大端的直径不大于所述大直径区域1-5的直径；其数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.1之间，其长度0.01～1米；且上述每个单独区域1-4、1-5、1-6、1-7、1-8内的数值孔径相同，每个单独区域采用掺杂离子种类相同的材料制作，其中掺杂离子是镱离子、铥离子、铒离子、钬离子中的一种或多种。由此，小直径区域1-4、1-8、大直径区域1-5、过渡区域1-6、1-7的直径和数值孔径决定的归一化频率不同，其中小直径区域1-4、1-8的归一化频率小于3.8，大直径区域1-5的归一化频率大于3.8，过渡区域1-6、1-7小端的归一化频率不小于小直径区域1-4、1-8的归一化频率，大端的归一化频率不大于大直径区域1-5的归一化频率。
由于本实施例的振荡器使用了实施例1中的纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤，其小直径区域1-4、1-8一般支持不到2个光纤模式、有利于模式不稳定的抑制，大直径区域1-5纤芯直径和模场面积较大、可以提高受激拉曼散射的阈值；它能够同时兼顾模式不稳定抑制和受激拉曼散射的抑制，突破纤芯尺寸沿光纤长度恒定不变光纤激光振荡器中的功率限制，在提高全光纤激光振荡器的输出功率的同时保持良好的光束质量。
当然，在其他应用中，上述纤芯1-1的每个单独区域内的数值孔径可以不同，同是小直径区域1-4、1-8的直径和长度也可以不同，同是过渡区域1-6、1-7的直径渐变率也可以不同，总体上满足直径先变大再变小即可。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤，它包括纤芯(1-1)、内包层(1-2)和外包层(1-3)，所述内包层(1-2)包裹住纤芯(1-1)，外包层(1-3)包在内包层(1-2)外，整体构成增益光纤，其特征在于，所述纤芯(1-1)和外包层(1-3)横截面为圆形、内包层(1-2)横截面为圆形或正八边形，所述纤芯(1-1)的直径沿光纤长度方向先增大后减小，所述内包层(1-2)沿光纤长度方向的横截面及所述横截面的外接圆直径沿光纤长度方向恒定不变，所述外包层(1-3)直径沿光纤长度方向恒定不变；
所述纤芯(1-1)包括第一小直径区域(1-4)、第二小直径区域(1-8)、大直径区域(1-5)和第一过渡直径区域(1-6)、第二过渡直径区域(1-7)；所述第一小直径区域(1-4)、第一过渡直径区域(1-6)、大直径区域(1-5)、第二过渡直径区域(1-7)、第二小直径区域(1-8)依次连接，形成纤芯(1-1)尺寸沿光纤长度方向先变大后变小的增益光纤；
所述纤芯(1-1)的第一小直径区域(1-4)、第二小直径区域(1-8)的直径相同，沿光纤长度方向恒定且不大于20微米；所述第一小直径区域(1-4)、第二小直径区域(1-8)的数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变且在0.03～0.1之间；
所述纤芯(1-1)的大直径区域(1-5)的直径沿光纤长度方向恒定且大于20微米；所述大直径区域(1-5)的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03～0.1之间；
所述纤芯(1-1)的第一过渡直径区域(1-6)、第二过渡直径区域(1-7)的直径渐变率相同，直径均沿光纤长度方向逐渐变化，其小端的直径不小于与之连接的所述第一小直径区域(1-4)、第二小直径区域(1-8)的直径，其大端的直径不大于所述大直径区域(1-5)的直径；所述第一过渡直径区域(1-6)、第二过渡直径区域(1-7)的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03～0.1之间；
所述内包层(1-2)的直径或外接圆直径在100～1000微米之间；外包层(1-3)的直径在250～2000微米之间。
2.如权利要求1所述的纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤，其特征在于，所述纤芯(1-1)的每个单独区域内的数值孔径相同。
3.如权利要求2所述的纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤，其特征在于，所述纤芯(1-1)采用掺杂离子的石英材料制作，所述掺杂离子是镱离子、铥离子、铒离子、钬离子中的一种或多种的组合。
4.如权利要求1-3中任一权利要求所述的纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤的应用，其特征在于，应用于全光纤激光振荡器，所述纤芯(1-1)的第一小直径区域(1-4)、第二小直径区域(1-8)的长度1～10米，直径小于20微米，数值孔径在0.03～0.1之间；所述大直径区域(1-5)的长度1～10米，直径大于30微米，数值孔径在0.03～0.1之间；所述第一过渡直径区域(1-6)、第二过渡直径区域(1-7)的长度0.01～1m。
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