CN110109220A - 一种纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤 - Google Patents
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Abstract
一种纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤，从内到外依次为折射率梯次减小的纤芯(1‑1)、内包层(1‑2)和外包层(1‑3)；纤芯和内包层的横截面的外围尺寸均沿光纤长度方向同步地先变大后变小，外包层横截面的外围尺寸沿光纤长度方向恒定不变；纤芯包括依次连接的纤芯第一小尺寸区域(1‑4)、纤芯第一过渡区域(1‑5)、纤芯大尺寸区域(1‑6)、纤芯第二过渡区域(1‑7)、纤芯第二小尺寸区域(1‑8)；内包层包括依次连接的内包层第一小尺寸区域(1‑9)、内包层第一过渡尺寸区域(1‑10)、内包层大尺寸区域(1‑11)、内包层第二过渡尺寸区域(1‑12)、内包层第二小尺寸区域(1‑13)。
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包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤。
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均匀且其包层尺寸沿着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，主要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来降低光纤中的功率密度。因此，上述纤芯包层单调变化的光纤难以同时平衡模式不稳定以及受激拉曼散射的影响，纤芯包层先减小后增大的增益光纤会使得纤芯中央过高的功率密度，极易引起受激拉曼散射。纤芯包层先增大后减小的增益光纤能够有效降低纤芯中的光功率密度，两端的小直径区域能够很好的控制模式的产生，有利于同时抑制模式不稳定以及受激拉曼散射。
针对以上问题，专利(CN201810801515)提出了一种纤芯尺寸沿着光纤长度方向先增大后减小，内包层和外包层尺寸沿光纤长度方向恒定不变的增益光纤，能够达到同时抑制模式不稳定和受激拉曼散射的效果。但该专利中的增益光纤在直径渐变的区域以及大直径区域芯包比显著增大，因为泵浦吸收系数与光纤芯包比的平方成正比，所以变化的芯包比使得增益光纤的吸收系数可测性、可实施性较差。同时，芯包比改变的增益光纤无法用常规的预制棒拉制出来，其生产过程需要在预制棒的制作上做出改变，生产难度大。
发明内容
针对上述现有技术中增益光纤的吸收系数可测性、可实施性较差，且生产和制作工艺难度高的不足，本发明提供了一种纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤，其沿光纤方向具有恒定的芯包比，既能够实现沿着增益光纤纵向有着恒定不变的泵浦吸收系数，同时可以利用普通的均匀的预制棒通过控制拉丝速度拉制，能够降低光纤制作的难度。
本发明的技术方案是，一种纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤，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，所述纤芯和内包层横截面的外围尺寸沿光纤长度方向同步地依次分为5个区域，第一个区域为横截面外围尺寸不变的小区域，第二个区域为横截面外围尺寸从小逐渐变大的过渡区域，第三个区域为横截面外围尺寸不变的大尺寸区域，第四区域为横截面外围尺寸从大逐渐变小的过渡区域，第五个区域为横截面外围尺寸不变的小区域，整体以分区域渐变方式先增大后减小，纤芯和内包层同步变化。所述外包层横截面的外围尺寸沿光纤长度方向恒定不变；所述纤芯的折射率大于内包层的折射率，所述内包层的折射率大于外包层的折射率。
进一步的，上述纤芯和内包层在整个光纤长度方向上对应位置的横截面的外围尺寸比恒定。这样能够保证沿光纤纵向恒定的吸收系数以及降低光纤制作的难度。
进一步的，上述纤芯的横截面为圆形、正多边形、椭圆形、半圆形中的一种但不限于所述形状；所述内包层的横截面和外包层的横截面为圆框、正多边形框、椭圆形框、半圆形框中的一种但不限于所述形状；纤芯、内包层和外包层三者横截面的几何中心重合。横截面采用多边形能够避免传播过程中泵浦光出现螺旋光而导致吸收减弱。
进一步的，上述纤芯包括依次连接的纤芯第一小尺寸区域、纤芯第一过渡尺寸区域、大尺寸区域、纤芯第二过渡尺寸区域和纤芯第二小尺寸区域；所述内包层包括依次连接的内包层第一小尺寸区域、内包层第一过渡尺寸区域、内包层大尺寸区域、内包层第二过渡尺寸区域、内包层第二小尺寸区域；所述纤芯的横截面为圆形，所述内包层的横截面为圆框；所述纤芯的纤芯第一小尺寸区域和纤芯第二小尺寸区域横截面的直径相同，沿光纤长度方向恒定不变且不大于20微米，两者的数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间；所述内包层的内包层第一小尺寸区域和内包层第二小尺寸区域的外直径相同，其外直径沿光纤长度方向恒定不变且不大于400微米，两者的数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变为0.46。
更进一步的，上述纤芯的纤芯大尺寸区域的直径沿光纤长度方向恒定不变且大于30微米；所述纤芯大尺寸区域的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间；所述内包层的内包层大尺寸区域的外直径沿光纤长度方向恒定不变且不大于600微米，其数值孔径沿光纤长度方向恒定不变为0.46。
还进一步的，上述纤芯的纤芯第一过渡尺寸区域和纤芯第二过渡尺寸区域的直径渐变率相同，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纤芯第一小尺寸区域和纤芯第二小尺寸区域的直径，其大端的直径不大于所述纤芯大尺寸区域的直径；所述纤芯第一过渡尺寸区域和纤芯第二过渡尺寸区域的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间；所述内包层的内包层第一过渡尺寸区域和内包层第二过渡尺寸区域的外直径渐变率相同，均沿光纤长度方向逐渐变化；其小端的外直径不小于与之连接的所述内包层第一小尺寸区域和内包层第二小尺寸区域的外直径，其大端的外直径不大于所述内包层大尺寸区域的外直径。
光纤中能够存在的模式和纤芯直径、数值孔径有关，较小的两端的尺寸以及合适的数值孔径能够限制光纤中能够激发的激光模式不到两个，对于模式不稳定有较好的抑制作用，如果光纤的直径参数取得太大，则会产生很多的高阶模式，限制光纤的实用性；纤芯中部的较大直径能够降低纤芯中的功率密度，能够抑制受激拉曼散射，此区域的直径太小会降低受激拉曼散射阈值。
进一步的，纤芯第一过渡尺寸区域和纤芯第二过渡尺寸区域的直径沿光纤长度方向的变化方式是凸形函数、凹形函数、线形函数中的一种。
例如以抛物线函数为例，可使其沿光纤长度方向的直径d与小端直径d1，大端直径d2、渐变区长度L和增益光纤纵向的位置z之间满足如下函数关系：d＝d1+bz+(b0-b)z2/L，b0＝d2-d1/L，改变参数b的取值就可以得到不同的凸形，凹形，线形的变化函数。尺寸变化的函数关系不限于此。
与此同时，本发明中渐变区域的变化函数可以根据需要进行优化设计提高受激拉曼散射的阈值。根据受激拉曼散射地典型阈值功率估算公式：其中Aeff为增益光纤有效面积，gR是拉曼增益，Leff是光纤的有效长度。Leff等效于增益光纤内部功率纵向分布曲线下方的面积，可以通过参数的改变，得到使得这一面积最小时对应的变化函数。通过进行数值仿真，将光纤沿纵向的变化参数设为一个变量，计算恒定输入条件下的输出激光中的拉曼光功率，对不同的变化参数得到的结果进行比较，选择得到的拉曼功率最小的参数即可实现针对提高受激拉曼散射阈值的光纤设计。
进一步的，上述纤芯采用掺杂离子的石英材料制作，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；所述内包层采用掺杂离子的石英材料制作；所述外包层采用聚丙烯酸酯类材料制作。
本发明还提供了上述纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤在全光纤激光振荡器中的应用，所述纤芯为横截面为圆形，其纤芯第一小尺寸区域和纤芯第二小尺寸区域的长度1-10m，直径小于20微米，数值孔径在0.03-0.08之间；所述纤芯大尺寸区域的长度1-10m，直径大于30微米，数值孔径在0.03-0.08之间；所述纤芯第一过渡尺寸区域和第二过渡尺寸区域的长度均在0.1-1m；所述内包层随纤芯同步变化，内包层与纤芯的横截面外围尺寸比在整个光纤长度方向上保持恒定。各区域合适的长度能够大大增加增益光纤的实用性，实际应用中往往要根据泵浦波长和吸收系数来确定需要的光纤长度，若大尺寸区域太长，则应用中有可能需要剪掉小尺寸区域，若大尺寸区域较短，则需要的小尺寸区域太长，不利于抑制受激拉曼散射，因此各区域的长度要合适，可以根据实际应用的需求确定各区域的长度。
本发明的增益光纤的内包层尺寸在沿着光纤长度方向上与纤芯保持同步变化，整体尺寸先增大后减小，芯包比始终保持不变。恒定的掺杂浓度，恒定的芯包比，使得增益光纤的吸收系数为一恒定值，具有较好的参数可测性和可实施性；同时，可以利用普通均匀的预制棒，通过改变拉丝速度来进行拉制，光纤的生产制作较为容易；同时恒定的芯包比，保证了沿着光纤轴向恒定的泵浦吸收系数，保证了较好的参数可测性和可实施性。
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是本发明实施例的纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤沿着光纤长度方向结构示意图；
图2是本发明实施例的纤芯第一过渡尺寸区域和纤芯第二过渡尺寸区域的直径沿光纤长度方向变化的函数曲线。
图3是本发明实施例的纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形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
一种纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤，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的横截面形状为圆形、正多边形、椭圆形、半圆形中的一种但不限于所述形状；所述内包层1-2和外包层1-3的横截面形状为圆框、正多边形框、椭圆形框、半圆形框中的一种但不限于所述形状。纤芯1-1、内包层1-2和外包层1-3三者横截面形状的几何中心重合。所述纤芯1-1和内包层1-2的横截面外围尺寸同步沿光纤长度方向先增大后减小，所述外包层1-3的横截面外围尺寸沿光纤长度方向恒定不变；所述纤芯1-1的折射率大于内包层1-2的折射率，所述内包层1-2的折射率大于外包层1-3的折射率。其中，纤芯1-1包括依次连接的纤芯第一小尺寸区域1-4、纤芯第一过渡尺寸区域1-5、纤芯大尺寸区域1-6、纤芯第二过渡尺寸区域1-7和纤芯第二小尺寸区域1-8，这些依次连接的不同区域形成横截面外围尺寸沿光纤长度方向先变大后变小的纤芯1-1；内包层1-2包括依次连接的内包层第一小尺寸区域1-9、内包层第一过渡尺寸区域1-10、内包层大尺寸区域1-11、内包层第二过渡尺寸区域1-12和内包层第二小尺寸区域1-13，这些依次连接的不同尺寸区域形成沿光纤长度方向先变大后变小的内包层1-2。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，形成纤芯1-1和内包层1-2的尺寸沿光纤长度方向先变大后变小而的增益光纤。
在根据实际应用的设计中，优选设计纤芯1-1的横截面为圆形、内包层的横截面为圆框形，纤芯1-1的纤芯第一小尺寸区域1-4和纤芯第二小尺寸区域1-8的直径相同，沿光纤长度方向恒定且不大于20微米，其数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间；内包层1-2的内包层第一小尺寸区域1-9和内包层第二小尺寸区域1-13的外直径相同，沿光纤长度方向恒定不变且不大于400微米，其数值孔径沿光纤长度方向恒定不变为0.46。纤芯1-1的纤芯大尺寸区域1-6的直径沿光纤长度方向恒定且大于30微米，其数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间；内包层1-2的大尺寸区域1-11的直径沿光纤长度方向恒定不变且不大于600微米，其数值孔径沿光纤长度方向恒定不变为0.46。纤芯1-1的纤芯第一过渡尺寸区域1-5、纤芯第二过渡尺寸区域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纤芯第一小尺寸区域1-4、纤芯第二小尺寸区域1-8的直径，其大端的直径不大于所述纤芯大尺寸区域1-6的直径；纤芯第一过渡尺寸区域1-5和纤芯第二过渡尺寸区域1-7的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间；内包层1-2的内包层第一过渡尺寸区域1-10和内包层第二过渡尺寸区域1-12的外直径渐变率相同，外直径均沿光纤长度方向逐渐变化；其小端的外直径不小于与之连接的所述内包层第一小尺寸区域1-9和内包层第二小尺寸区域1-13的外直径，其大端的直径不大于所述内包层大尺寸区域1-11的外直径。所述内包层第一过渡尺寸区域1-10和第二过渡尺寸区域1-12的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变为0.46。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1-1中包括的每个单独区域的数值孔径相同，即纤芯第一小尺寸区域内和纤芯第二小尺寸区域中每一处的数值孔径相同、纤芯过渡尺寸区域中的每一处的数值孔径相同、纤芯第一大尺寸区域和纤芯第二大尺寸区域内每一处的数值孔径相同；当然，纤芯第一小尺寸区域内和纤芯第二小尺寸区域、纤芯过渡尺寸区域、纤芯第一大尺寸区域和纤芯第二大尺寸区域的数值孔径根据应用需求，也可以不同。
其中纤芯第一过渡尺寸区域和纤芯第二过渡尺寸区域的直径沿光纤长度方向的变化方式是凸形函数、凹形函数、线形函数中的一种，例如以抛物线函数为例，可使其沿光纤长度方向的直径d与小端直径d1，大端直径d2、渐变区长度L和增益光纤纵向的位置z之间满足如下函数关系：d＝d1+bz+(b0-b)z2/L，b0＝d2-d1/L，改变参数b的取值就可以得到不同的变化方式，b取几个特殊值时的曲线如图2所示。
光纤的制造可以利用现有的光纤制作技术，先制作出常规均匀的掺杂预制棒，在拉制过程中控制拉丝速度来控制光纤各处的尺寸，实现尺寸渐变的光纤。且光纤的吸收系数沿光纤纵向恒定，参数的可测性较好，具体应用当中的可实施性较强。设计制造前可以优化渐变区域，来提高受激拉曼散射阈值或者模式不稳定阈值，满足多样化的应用需求。
实施例2
一种纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形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3所示，其中包括纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤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。更具体地，纤芯1-1为圆形，纤芯1-1的纤芯第一小尺寸区域1-4、纤芯第二小尺寸区域1-8的直径相同，沿光纤长度方向恒定且不大于20微米，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0.03-0.08之间，优选0.06，其长度1-10m；内包层1-2为圆框，其内包层第一小尺寸区域1-9、内包层第二小尺寸区域1-13的外直径相同，沿光纤长度方向恒定不变且不大于400微米，其数值孔径沿光纤长度方向恒定不变为0.46，长度与对应纤芯小尺寸区域一致。纤芯1-1的纤芯大尺寸区域1-6的直径沿光纤长度方向恒定且大于30微米，其数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间，优选0.065，其长度1-10m；内包层1-2的内包层大尺寸区域1-11的外直径沿光纤长度方向恒定不变且不大于600微米，其数值孔径沿光纤长度方向恒定不变为0.46，长度与对应的纤芯大尺寸区域6一致。纤芯1-1的第一过渡尺寸区域1-5、第二过渡尺寸区域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纤芯第一小尺寸区域1-4、纤芯第二小尺寸区域1-8的直径，其大端的直径不大于所述纤芯大尺寸区域1-6的直径，其数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间，其长度0.1-1m；内包层1-2的内包层第一过渡尺寸区域1-10、内包层第二过渡尺寸区域1-12的外直径渐变率相同，外直径均沿光纤长度方向逐渐变化，其小端的外直径不小于与之连接的所述内包层第一小尺寸区域1-9和内包层第二小尺寸区域1-13的外直径，其大端的外直径不大于所述内包层大尺寸区域1-11的外直径。所述内包层第一小尺寸区域1-9和内包层第二小尺寸区域1-13的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变为0.46，长度与对应纤芯过渡区域一致。
且上述纤芯每个单独区域内的数值孔径相同，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，纤芯第一小尺寸区域1-4、纤芯第二小尺寸区域1-8、纤芯大尺寸区域1-6、纤芯第一过渡尺寸区域1-5、纤芯第二过渡尺寸区域1-7的直径和数值孔径决定的归一化频率不同，其中纤芯第一小尺寸区域1-4和纤芯第二小尺寸区域1-8的归一化频率小于3.8，纤芯大尺寸区域1-6的归一化频率大于3.8，纤芯第一过渡尺寸区域1-5和纤芯第二过渡尺寸区域1-7小端的归一化频率不小于纤芯第一小尺寸区域1-4和纤芯第二小尺寸区域1-8的归一化频率，大端的归一化频率不大于纤芯大尺寸区域1-6的归一化频率。
由于本实施例的振荡器使用了实施例1中的纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤，其沿着光纤纵向有着恒定明确的吸收系数，便于根据实际的应用要求选择合适的光纤长度等参数。其纤芯第一小尺寸区域1-4和纤芯第二小尺寸区域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，纤芯大尺寸区域1-6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，比如小尺寸区域的纤芯第一小尺寸区域1-4和纤芯第二小尺寸区域1-8的直径和长度也可以不同，同是过渡区域的纤芯第一过渡尺寸区域1-5和纤芯第二过渡尺寸区域1-7的直径渐变率也可以不同，总体上满足尺寸先变大再变小即可。
此例应用中的光纤在选取长度时，既要保证对泵浦光有足够的吸收，又不能造成吸收过度产生不良影响。纤芯包层尺寸纵向分区域渐变纺锤形增益光纤有着恒定的泵浦吸收系数，可以很容易根据需要选取需要的长度。且该光纤的制作工艺简单，能够降低振荡器的成本。
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 (9)
1.一种纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤，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，其特征在于，
所述纤芯(1-1)和内包层(1-2)横截面的外围尺寸同步地沿光纤长度方向以分区域渐变方式先增大后减小，所述外包层(1-3)横截面的外围尺寸沿光纤长度方向恒定不变；所述纤芯(1-1)的折射率大于内包层(1-2)的折射率，所述内包层(1-2)的折射率大于外包层(1-3)的折射率。
2.如权利要求1所述的纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤，其特征在于，所述纤芯(1-1)和内包层(1-2)在整个光纤长度方向上对应位置的横截面的外围尺寸比恒定。
3.如权利要求2所述的纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤，其特征在于，所述纤芯(1-1)的横截面为圆形、正多边形、椭圆形、半圆形中的一种但不限于所述形状；所述内包层(1-2)的横截面和外包层(1-3)的横截面为圆框、正多边形框、椭圆形框、半圆形框中的一种但不限于所述形状；纤芯(1-1)、内包层(1-2)和外包层(1-3)三者横截面的几何中心重合。
4.如权利要求3所述的纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤，其特征在于，
所述纤芯(1-1)包括依次连接的纤芯第一小尺寸区域(1-4)、纤芯第一过渡尺寸区域(1-5)、纤芯大尺寸区域(1-6)、纤芯第二过渡尺寸区域(1-7)和纤芯第二小尺寸区域(1-8)；所述内包层(1-2)包括依次连接的内包层第一小尺寸区域(1-9)、内包层第一过渡尺寸区域(1-10)、内包层大尺寸区域(1-11)、内包层第二过渡尺寸区域(1-12)、内包层第二小尺寸区域(1-13)；
所述纤芯(1-1)的横截面为圆形，所述内包层(1-2)的横截面为圆框；所述纤芯(1-1)的纤芯第一小尺寸区域(1-4)和纤芯第二小尺寸区域(1-8)横截面的直径相同，沿光纤长度方向恒定不变且不大于20微米，两者的数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间；
所述内包层(1-2)的内包层第一小尺寸区域(1-9)和内包层第二小尺寸区域(1-13)横截面的外直径相同，其外直径沿光纤长度方向恒定不变且不大于400微米，两者的数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变为0.46。
5.如权利要求4所述的纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤，其特征在于，所述纤芯(1-1)的纤芯大尺寸区域(1-6)的直径沿光纤长度方向恒定不变且大于30微米；所述纤芯大尺寸区域(1-6)的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间；
所述内包层(1-2)的内包层大尺寸区域(1-11)的外直径沿光纤长度方向恒定不变且不大于600微米，其数值孔径沿光纤长度方向恒定不变为0.46。
6.如权利要求5所述的纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤，其特征在于，
所述纤芯(1-1)的纤芯第一过渡尺寸区域(1-5)和纤芯第二过渡尺寸区域(1-7)的直径渐变率相同，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纤芯第一小尺寸区域(1-4)和纤芯第二小尺寸区域(1-8)的直径，其大端的直径不大于所述纤芯大尺寸区域(1-6)的直径；所述纤芯第一过渡尺寸区域(1-5)和纤芯第二过渡尺寸区域(1-7)的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间；
所述内包层(1-2)的内包层第一过渡尺寸区域(1-10)和内包层第二过渡尺寸区域(1-12)的外直径渐变率相同，均沿光纤长度方向逐渐变化；其小端的外直径不小于与之连接的所述内包层第一小尺寸区域(1-9)和内包层第二小尺寸区域(1-13)的外直径，其大端的外直径不大于所述内包层大尺寸区域(1-11)的外直径。
7.如权利要求1所述的纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤，其特征在于，
纤芯第一过渡尺寸区域(1-5)和纤芯第二过渡尺寸区域(1-7)的直径沿光纤长度方向的变化方式是凸形函数、凹形函数、线形函数中的一种。
8.如权利要求1所述的纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤，其特征在于，所述纤芯(1-1)采用掺杂离子的石英材料制作，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；所述内包层(1-2)采用掺杂离子的石英材料制作；所述外包层(1-3)采用聚丙烯酸酯类材料制作。
9.如权利要求1-8任一权利要求所述的纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤应用于全光纤激光振荡器，其特征在于，所述纤芯(1-1)为横截面为圆形，其纤芯第一小尺寸区域(1-4)和纤芯第二小尺寸区域(1-8)的长度1-10m，直径小于20微米，数值孔径在0.03-0.08之间；所述纤芯大尺寸区域(1-6)的长度1-10m，直径大于30微米，数值孔径在0.03-0.8之间；所述纤芯第一过渡尺寸区域(1-5)和第二过渡尺寸区域(1-7)的长度均在0.1-1m；所述内包层(1-2)随纤芯同步变化，内包层(1-2)与纤芯(1-1)的横截面外围尺寸比在整个光纤长度方向上保持恒定。
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