CN109633808A - 一种抗弯曲超大模场光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗弯曲超大模场高增益单模光子晶体光纤，其中光纤的横截面从内到外依次包括掺镱增益的纤芯、由直径大小相同均匀分布的的空气孔形成的包层以及圆形基底材料、空气孔外密集分布空气孔外包层和聚合物涂覆层。本发明采用石英基底折射率单向分布的光子晶体光纤，在弯曲过程中有效抵消光弹效应造成的光纤横截面折射率分布，可有效地矫正模场畸变。

Description

一种抗弯曲超大模场光子晶体光纤

技术领域

本发明涉及一种光子晶体光纤，具体涉及一种可实现单一基模放大和传输的大模场抗弯曲光子晶体光纤。

背景技术

高功率光纤激光器在工业生产、医疗和国防等关系国计民生的相关领域具有广泛的应用价值，更是引起了国家的重视。但是，随着对输出激光功率需求的提高，研制万瓦级平均功率和兆瓦级峰值功率的光纤激光器仍面临着一些科学难题，例如光纤激光输出功率与输出光束质量之间的矛盾，光纤激光输出功率受非线性效应的制约等。尽管采用传统的大芯径阶跃光纤可以实现高功率激光放大输出，但是是以降低光束质量为代价，得不偿失。而大模场光纤作为一种特种光纤既扩大模场面积的同时又可以保证输出激光具有很高的光束质量。研究表明，大模场光纤是解决光纤激光放大中存在的瓶颈最直接最有效的途径。目前光纤激光器输出功率的迅速增长正是得益于大模场光纤的实现。因此，大模场光纤的研究成为高功率光纤激光领域的热点。

大模场微结构光纤尽管优势明显，但是存在抗弯曲性能差的弱点。利用超大模场微结构光纤放大和传输的激光会因光纤轻微的弯曲产生严重的模场畸变和过高的传输损耗，造成输出激光光束质量恶化和因激光过分偏离纤芯而增益下降等问题。面对这个难题，Napierala等人对微结构光纤结构进行优化，通过提高纤芯其中一个侧面数值孔径的方法，降低因这一侧面弯曲造成的模场畸变及传输损耗。这种方法可有效实现光纤弯曲下高光束质量激光的放大和传输。但是，这种光纤结构设计会因光纤纤芯因弯曲造成的模场畸变而很难应用到高功率光纤激光器中。国内北京交通大学针对全内反射波导型微结构光纤，降低弯曲损耗及扩大弯曲方向角方面做了一些研究，但是设计的单模微结构光纤仍然停留在较小的模场面积范围内。

发明内容

针对上述技术问题，单模传输光纤模场面积小、储能低，大模场微结构光纤抗弯曲能力低及模场畸变等等问题，本发明提供了一种抗弯曲超大模场高增益单模光子晶体光纤，不仅储能高，而且有效的提高了光纤抗弯曲性能及有效改善模场畸变问题，可应用于高能量高功率光纤激光放大输出，有效提高高功率光纤激光器的性能，扩大其在工业加工领域的应用。

本发明的技术方案：一种抗弯曲超大模场高增益单模光子晶体光纤，其中光纤的横截面从内到外依次包括掺镱增益的纤芯、由直径大小相同均匀分布的的空气孔形成的包层以及圆形基底材料、空气孔外密集分布空气孔外包层和聚合物涂覆层。

优选的所述增益纤芯直径取值范围190～210微米，掺镱离子浓度其取值范围2.7×10²⁵～3.2×10²⁵个/立方米；

优选的，所述的纤芯和圆形的基底材料为高折射率石英材料，其折射率分布根据公式n_b＝n(r,θ)/(1+rcosθ/(1.28R_b))为单向递减或递增分布，

其中，(r,θ)为横截面上的场点位置坐标，n为1.45～1.46范围之间的折射率，n_b为设计的光纤基底的单向折射率分布，R_b为弯曲直径，取值范围0.2～1米。

优选的，所述的直径大小相同均匀分布的空气孔呈六边形结构分布在高折射率石英圆柱基底中，空气孔内外排列2～3层，空气孔直径大小范围18微米～22微米，空气孔分布间距100～120微米。

优选的，所述密集分布的空气孔外包层是一层接近折射率为1的空气层，保证泵浦光限制在包层中；所述的涂覆层是光纤最外层，用来保护光纤不被损伤的高分子材料涂层。

本发明的有益效果：本发明的光纤采用石英基底折射率单向分布的光子晶体光纤，在弯曲过程中有效抵消光弹效应造成的光纤横截面折射率分布，可有效地矫正模场畸变；包层空气孔的大小和分布可有效地对高阶模式损耗，保持基模的放大输出，从而获得高光束质量激光放大输出，光束质量M平方因子可小于1.7；本发明光纤在实现基模激光放大传输过程中，其模场面积大小在25000μm²～30000μm²，可实现有效放大脉冲能量70mJ/m。本发明光纤可应用于高功率光纤激光器和高能脉冲光纤激光器中。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出本发明抗弯曲超大模场光子晶体光纤的光纤结构截面示意图；

图2示意性示出本发明抗弯曲超大模场光子晶体光纤的沿弯曲方向玻璃基底折射率分布示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

一种抗弯曲超大模场高增益单模光子晶体光纤，所述光纤横截面包括一个掺镱增益的纤芯、一个由直径大小相同的空气孔形成的包层以及圆形基底材料、一个空气孔外密集分布空气孔外包层、一个聚合物涂覆层。

所述增益纤芯直径取值范围190～210微米，掺镱离子浓度其取值范围2.7×10²⁵～3.2×10²⁵个/立方米；

所述的纤芯和空气包层基底材料为高折射率石英材料，其折射率分布根据公式n_b＝n(r,θ)/(1+rcosθ/(1.28R_b))为单向递减或递增分布，其中，(r,θ)为横截面上的场点位置坐标，n为1.45～1.46范围之间的折射率，n_b为设计的光纤基底的单向折射率分布，R_b为弯曲直径，取值范围0.2～1米；

所述的直径大小相同的空气孔呈六边形结构分布在高折射率石英圆柱基底中，空气孔内外排列2～3层，空气孔直径大小范围18微米～22微米，空气孔分布间距100～120微米；

所述密集分布的空气孔外包层是一层接近折射率为1的空气层，保证泵浦光限制在包层中；所述的涂覆层是该光纤最外层，用来保护光纤不被损伤的高分子材料涂层。

实施例

本发明一种抗弯曲超大模场光子晶体光纤，采用与现有拉制普通光纤的类似技术，将石英管和芯棒按照设计的周期性结构堆积并熔合成形，再经过多次拉丝制备成本发明的截面结构的光子晶体光纤。

图1所示为本发明实施的光纤截面示意图，所述光纤横截面包括增益纤芯1、包层成六边形排列的空气孔2、密集分布的空气孔柱3、高折射率石英基底4、涂覆层5；

所述的增益纤芯1区域石英基底4采用一样的材料，增益离子是高掺杂的镱离子，均匀分布于纤芯区域；空气孔5均匀分布于纤芯区域周围，构成包层区，用于泄露激光高阶模式，限制基模，实现单一基模放大传输；

密集分布的空气孔柱3构成了折射率较低的区域，用于实现泵浦光全反射，限制泵浦光的泄露；

涂覆层5是涂覆在拉制完成后光纤玻璃基底上的保护层，是较软的高分子材料。

图2所示本发明抗弯曲超大模场光子晶体光纤的沿弯曲方向玻璃基底折射率分布示意图。玻璃基底折射率分布采用沿弯曲方向单一递减，根据实施的弯曲半径R_b和弯曲取向，沿着弯曲取向，纤芯和包层的基底折射率分布根据函数关系n_b＝n(r,θ)/(1+rcosθ/(1.28R_b))形成外低内高的渐变分布。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (5)

1.一种抗弯曲超大模场高增益单模光子晶体光纤，其中光纤的横截面从内到外依次包括掺镱增益的纤芯、由直径大小相同均匀分布的的空气孔形成的包层以及圆形基底材料、空气孔外密集分布空气孔外包层和聚合物涂覆层。

2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述增益纤芯直径取值范围190～210微米，掺镱离子浓度其取值范围2.7×10²⁵～3.2×10²⁵个/立方米。

3.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述的纤芯和圆形的基底材料为高折射率石英材料，其折射率分布根据公式n_b＝n(r,θ)/(1+rcosθ/(1.28R_b))为单向递减或递增分布，

其中，(r,θ)为横截面上的场点位置坐标，n为1.45～1.46范围之间的折射率，n_b为设计的光纤基底的单向折射率分布，R_b为弯曲直径，取值范围0.2～1米。

4.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述的直径大小相同均匀分布的空气孔呈六边形结构分布在高折射率石英圆柱基底中，空气孔内外排列2～3层，空气孔直径大小范围18微米～22微米，空气孔分布间距100～120微米。

5.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述密集分布的空气孔外包层是一层接近折射率为1的空气层，保证泵浦光限制在包层中；所述的涂覆层是光纤最外层，用来保护光纤不被损伤的高分子材料涂层。