CN109459815A - Kdp单轴晶体包层特种光纤 - Google Patents

Abstract

一种KDP单轴晶体包层特种光纤，包括纤芯1、KDP包层2，其特征是所述特种光纤的包层2为KDP单轴晶体材料；纤芯1可为无源纤芯或有源纤芯，纤芯材料可为各种掺杂石英晶体材料。纤芯1的折射率为n₁；KDP包层2的三个主折射率分别为n_x、n_y、n_z，主折射率的大小可为n_x＝n_y≠n_z、n_x≠n_y＝n_z或n_y≠n_x＝n_z；纤芯与包层的折射率大小满足关系：n₁>n_x、n₁>n_y或n₁>n_z；纤芯1的半径a与KDP包层2的半径b满足关系：b>a。KDP单轴晶体包层可以采用圆形或非圆形的结构，纵截面可为杆形或锥形结构(包括凹面锥形、线性锥形、凸面锥形)。本发明所述KDP单轴晶体包层特种光纤可用于光传输以及制作光纤传感器、光纤偏振器、光纤激光器等光纤器件。本发明所述KDP单轴晶体包层特种光纤可以采用溶液降温法制作，传统KDP晶体生长技术以及快速生长技术都很成熟，成品率高。

Description

KDP单轴晶体包层特种光纤

技术领域

本发明涉及到以KDP单轴晶体为包层的特种光纤，可用于光通信或其它光纤器件以及光电子器件。

背景技术

随着人们对信息需求量的急剧增加、对更优异性能光器件的需要，普通单模光纤已不能满足需求，特殊的光纤结构或特种材料制作而成的特种光纤为光传输和光器件设计拓宽了道路。这些特种光纤及由其制作而成的器件在光纤通信、光电器件等领域有非常广泛的应用。例如，在超长距离、超高速通信方面，尤其是400G及以上的光传输系统，需要采用超低损耗、大模场面积特种光纤来实现超长距离、超高速系统的光信号传输[Hayashi T,Tamura Y,Hasegawa T,et al.“Record-Low Spatial Mode Dispersion and Ultra-LowLoss Coupled Multi-Core Fiber for Ultra-Long-Haul Transmission”，Journal ofLightwave Technology,2017,35(3):450-457]。在光器件方面，由于光纤激光器、光纤放大器中的普通有源光纤一般都为单模光纤，芯径一般在10um左右，由于纤芯很细，所以普通单模有源光纤的输出功率受到光功率损伤、非线性效应和热效应等因素的限制，因此单模有源光纤的激光输出功率存在极限[Sridharan A K,Barty C P J,Siders C W,et al.“Analysis of the scalability of diffraction-limited fiber lasers andamplifiers to high average power”，Optics Express,2008,16(17):13240-13266]。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，对激光的输出功率、光束质量等提出了更高的要求。随着近些年的发展，为了实现高功率、高光束质量的激光输出，授权公开号：CN202522729U，公开日：2012年11月07日，提出了一种“近单模准渐变折射率大模场增益光纤”，该特种光纤可实现高光束质量的激光输出，同时还能够获得较大的模场面积以及有效提高光纤激光器的输出功率水平。而采用锥形增益特种光纤可抑制非线性效应以实现高功率激光输出[Shi C,Zhang H,Wang X,et al.“kW-class high power fiber laserenabled by active long tapered fiber”，High Power Laser Science andEngineering,2018,6(2)]。为了满足不同的应用需求，除了对全石英光纤的光纤结构与折射率分布进行更深入、更充分的研究之外，非石英材料光纤也成为了研究的热点[J.W.Dawson,M.J.Messerly,J.E.Heebner,A.K.Sridharan,R.J.Beach,C.W.Siders,etal.,"Power scaling analysis of fiber lasers and amplifiers based on non-silica materials,"Office of Scientific&Technical Information TechnicalReports,2010，7686,768611-768611-12]，如塑包光纤(塑料包层、石英纤芯)、硫化物光纤、单晶光纤等。

单轴晶体材料仅含一个光轴，属于四方晶系、三方晶系和六方晶系的晶体都是光学单轴晶体。单轴晶体折射率椭球为旋转椭球体，由于其折射率椭球独特的性质，具有不同的空间对称性，表现出诸如双折射、电光效应、弹光效应等光学特性。此外，单轴晶体材料大都具有高非线性系数、电光系数且具有较高的热稳定性、化学稳定性，这些光学特性可被广泛应用于光传输控制、电光调制、光开关等领域[Wakaki M,Komachi Y,Machida H,et al.“Fiber-optic polarizer using birefringent crystal as a cladding”,AppliedOptics,1996,35(15):2591]。磷酸二氢钾(KH₂PO₄)晶体，简称为KDP晶体，透光波段为178nm～1.6um，在室温下属于四方晶系，是负单轴晶体。KDP晶体没有极性轴和对称中心，因而没有一阶张量的物理性质，如铁电性，热释电性等，但具有二阶，三阶，四阶张量描述的物理性质，如压电性，电光效应，弹光效应等。KDP作为性能优良的压电晶体材料，于上世纪50年代已被广泛应用于制造声纳和民用压电换能器。随着激光技术出现，由于KDP晶体具有较大的非线性光学系数和较高的激光损伤阈值，而且该晶体从近红外到紫外波段都有很高的透过率，可对1.064μm激光实现二倍频。此外，该晶体在高功率激光系统受控热核反应、核爆模拟等重大技术上更显现出它的应用前景。KDP晶体具有多功能性，因此提出了一种以KDP晶体为光纤包层的特种光纤。

发明内容

KDP单轴晶体具有电光、弹光、双折射效应，可以用于制作电光、弹光器件以及偏振器。此外，KDP还具有较高的激光损失阈值，可用于高功率激光器。KDP晶体的多功能性可以满足不同的应用需求，因此提出一种以KDP晶体为包层的特种光纤。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种KDP单轴晶体包层特种光纤，包括纤芯、包层，其特征是所述特种光纤的包层为KDP晶体材料；纤芯可为无源纤芯或有源纤芯，纤芯材料可为各种掺杂二氧化硅，纤芯与包层的折射率大小满足全反射定律；本发明的KDP包层可以采用圆形或非圆形的结构，即包层可为圆形、D形、矩形、六边形、八边形、偏芯圆形、星形或梅花形；本发明所述特种光纤的纵截面可为杆形或锥形结构(包括凹面锥形、线性锥形、凸面锥形)。

基于KDP晶体的特种光纤包层可采用KDP晶体的溶液降温生长法制作，其基本原理是利用物质较大的正溶解度温度系数，在晶体生长过程中逐渐降低温度，使析出的溶质不断在晶体上生长。KDP晶体的生长受到溶液稳定性和降温速度的影响，在生长KDP晶体包层时，通过严格控制KDP过饱和溶液的初始温度、降温速率以及降温时长就可以使放置在KDP过饱和溶液中的纤芯生长出不同常规结构以及不同直径大小的KDP晶体包层，而不规则的特殊包层结构(如星形、梅花形)可以通过腐蚀法对常规KDP包层结构进行腐蚀制作。

本发明的有益效果具体如下：所述KDP单轴晶体包层特种光纤可以采用溶液降温法使过饱和KDP溶液在纤芯上生长出KDP包层。传统KDP晶体生长技术以及快速生长技术都很成熟，成品率高。所述特种光纤的包层为KDP单轴晶体，当光纤受到电压或应力作用时，所述特种光纤包层的KDP晶体会产生电光、弹光效应，根据这些效应的基本原理，所述特种光纤可用于制作光纤传感器；KDP为单轴晶体，选取不同的光轴方向，根据单轴晶体中寻常光与非寻常的传输原理，所述特种光纤可以用于制作光纤偏振器；KDP晶体激光损失阈值高，所述特种光纤可用于制作高功率光纤激光器件。根据KDP晶体的性能，所述特种光纤还可用于光传输以及制作其它光纤器件。

附图说明

图1-10为本发明KDP单轴晶体包层特种光纤的横、纵截面图。

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，所述特种光纤的横截面、纵截面如图1、2所示。纤芯1为杆形掺锗石英纤芯，纤芯半径a＝4um，折射率n₁＝1.481。KDP包层2的三个主轴折射率为n_x＝1.478、n_y＝1.478、n_z＝1.55，选取z轴为光轴方向，即光轴方向与光纤轴线方向一致，光束沿z轴方向传输。KDP包层半径为62.5um，包层结构为圆形，光纤沿纵向为直杆形。

实施例2

本实施例中，所述特种光纤的横截面、纵截面如图3、4所示。纤芯1为线性锥形掺磷石英纤芯，纤芯细端半径a＝1um，粗端半径a＝60um，折射率n₁＝1.485。KDP包层2的三个主轴折射率为n_x＝1.477、n_y＝1.477、n_z＝1.454，选取z轴为光轴方向，即光轴方向与光纤轴线方向一致,光束沿z轴方向传输。KDP包层细端半径b＝20um，粗端半径b＝1200um。KDP包层结构为偏芯圆形，光纤沿纵向为线性锥形。

实施例3

本实施例中，所述特种光纤的横截面、纵截面如图5、6所示。纤芯1为线性锥形掺镱石英纤芯，折射率n₁＝1.482，纤芯细端半径a＝5um，粗端半径a＝200um。KDP包层2的三个主轴折射率为n_x＝1.478、n_y＝1.454、n_z＝1.478，选取y轴为光轴方向，即光轴垂直于z轴，光束沿z轴方向传输。KDP包层细端半径b＝20um，粗端半径b＝700um，包层结构为D形，包层沿纵向为凸面锥形。

实施例4

本实施例中，所制作特种光纤的横截面、纵截面如图7、8所示。纤芯1为线性锥形掺铥石英纤芯，纤芯细端半径a＝10um，粗端半径a＝1000um，纤芯折射率n₁＝1.482。KDP包层2的三个主轴折射率为n_x＝1.455、n_y＝1.479、n_z＝1.479，选取x轴为光轴方向，即光轴垂直于z轴，光束沿z轴方向传输。KDP包层细端半径b＝100um，粗端半径b＝6000um，包层结构为圆形，包层沿纵向为凹面锥形。

实施例5

本实施例中，所制作特种光纤的横截面、纵截面如图9、10所示。纤芯1为杆形掺钬石英纤芯，纤芯半径a＝15um，纤芯折射率为n_z＝1.49。KDP包层2的三个主轴折射率为n_x＝1.481、n_y＝1.481、n_z＝1.456，选取z轴为光轴方向，即光轴方向与光纤轴线方向一致,光束沿z轴方向传输。KDP包层为六边形结构，包层边心距为b＝150um，光纤沿纵向为杆形。

Claims (1)

1.一种以KDP单轴晶体为包层的特种光纤，所述特种光纤的包层材料为KDP晶体，纤芯材料可为各种掺杂二氧化硅，纤芯类型可以是无源纤芯或有源纤芯。纤芯的折射率为n₁；KDP单轴晶体包层主折射率分别为n_x、n_y、n_z，主折射率的大小可为n_x＝n_y≠n_z、n_x≠n_y＝n_z或n_y≠n_x＝n_z；纤芯与包层的折射率大小满足关系：n₁>n_x、n₁>n_y或n₁>n_z；纤芯和KDP包层的半径分别为a、b，且b>a。