CN113031147A - 一种多层正方形结构的匀化光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多层正方形结构的匀化光纤，其包括包层和内部的纤芯，所述包层包括空气孔，所述空气孔包括三层，从外到内分别为第一空气层、第二空气层和第三空气层，纤芯外层设置有掺杂层，所述第一空气层、第二空气层、第三空气层以及掺杂层呈现为尺寸依次减小的正方形，所述正方形的四个顶角为方形，其他部分由多个掺杂孔排序得到。本发明设计的空气孔和掺杂孔相结合的结构，可以产生一个均匀的平顶光束，在中轴线截面的极化误差程度可以达到0.1％，而模场面积可以达到22334.55um2，损耗最低可以达到6.27*10‑11db/m。

Description

一种多层正方形结构的匀化光纤
技术领域
本发明涉及光纤光束整形技术领域，具体涉及一种多层正方形结构的匀化光纤。
背景技术
平顶光束是一种在圆形区域内有几乎一致通量(能量密度)的激光光束。一般是由高斯光束经过衍射光学元件而产生。平顶光束常用在工业上，例如在印刷电路板中的激光钻孔。对于给定的总功率而言，平顶模式与高斯模式相比具有较低的峰值功率，可以有效提高非线性效应的阈值和热损伤阈值。
平顶光束也常用在高功率的激光系统中，这类系统利用一连串的光放大器产生强烈的光束。高功率光纤激光器由于具有结构紧凑、高频率、可靠性、良好的光束质量和高的信号承载能力等众多优点，可以广泛应用于材料加工、激光测距、激光标记以及自由空间光通信系统中，限制其进一步发展的主要因素是非线性效应的影响，如拉曼散射、布里渊散射、交叉相位调制和自相位调制等。由于非线性效应在很大程度上依赖于光强，因此通过提高有效模式面积去降低光强，可以有效的降低非线性效应的影响。
光子晶体光纤(PCF)的发明为实现大模式面积的平顶光束提供了一个简便而有效的方法，因为其结构设计灵活可调，所以通过合理的设计PCF的结构可以实现设计目的。2006年，Lu等人首次将平顶模式引入到PCF中，他们的研究证明在纤芯内引入一个低折射率的内芯可以有效控制基模模场的分布特性。在这一基础上，有人提出了运用内外两层光纤嵌套的方法实现这一原理，还有通过圆形空气孔和多纤芯光纤结合的研究，但是其有效模式面积不大。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种多层正方形结构的匀化光纤，该光纤可以解决现有的平顶光束有效模式面积不大，且损耗较大的问题。
技术方案：本发明所述的一种多层正方形结构的匀化光纤，其包括包层和内部的纤芯，所述包层包括空气层，所述空气层包括三层，从外到内分别为第一空气层、第二空气层和第三空气层，纤芯外层设置有掺杂层，所述第一空气层、第二空气层、第三空气层呈现为尺寸依次减小的正方形，正方形的四个顶角为方形，其他部分由多个空气孔排序得到，所述掺杂层为尺寸小于第三空气层的正方形且该正方形的四个顶角为方形，其他部分由多个掺杂孔排序得到。
进一步的，包括：
所述空气孔和掺杂孔均为跑道型结构，其包括两侧的圆弧和中部矩形，所述圆弧对应的圆周角为60°。
进一步的，包括：
所述空气层中相邻的空气孔等距离排序，所述掺杂层中相邻的掺杂孔等距离排序。
进一步的，包括：
所述第二层空气层中的空气孔尺寸是第一层空气层中的空气孔大小的0.5～0.8倍，第三层空气层中的空气孔尺寸是第二层空气层中的空气孔大小的0.5～0.8倍，掺杂层的掺杂孔为第三层空气层中空气孔尺寸大小的0.3～0.6倍。
进一步的，包括：
所述掺杂层中的每条边中的掺杂孔中包括置于中间的中间掺杂孔以及置于中间掺杂孔两端的端部掺杂孔，掺杂层中每条边中的掺杂孔浓度从中间掺杂孔向两端掺杂孔线性递增，即折射率为从中间掺杂孔到两端掺杂孔分别线性递增。
进一步的，包括：
若每条边中的掺杂孔总数为偶数，中间掺杂孔为两个，两个中间掺杂孔的浓度相同且最低；若每条边中的掺杂孔总数为奇数，中间掺杂孔为一个，且浓度最低。
进一步的，包括：
所述掺杂层中的每条边中的掺杂孔中包括置于中间的中间掺杂孔以及置于中间掺杂孔两端的端部掺杂孔，所述中间掺杂孔向与其相邻的端部掺杂孔浓度线性增加，且与中间掺杂孔不相邻的端部掺杂孔浓度向远离中间掺杂孔的相邻的端部掺杂孔呈三角函数的渐变。
进一步的，包括：
所述每条边中的掺杂孔的浓度的平均值在1.40～1.54之间。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、本发明设计的空气孔和掺杂孔相结合的结构，可以产生一个均匀的平顶光束，在中轴线截面的极化误差程度可以达到0.1％，而模场面积可以达到22334.55um2，损耗最低可以达到6.27*10-11db/m；2、与其他平顶光产生方案(如空间光调制器)相比，本发明采用光子晶体光纤结构，具有更大的可能性与发展前景，为全光纤结构，耦合性良好。；3、多层结构同时兼具独特空气孔和掺杂孔形状的光子晶体光纤，用于产生平顶光束还是首次，且具有大的模式面积，较低的损耗；4、本申请给掺杂层中的不同掺杂孔设定不同且相关的浓度，进而达到了最优的折射变化，从而输出稳定的平顶光束，进而得到具有大的模式面积和较低的损耗。
附图说明
图1为本发明所述的平顶光束光纤的原理图；
图2为本发明所述的空气孔和掺杂孔形状的示意图；
图3为四层正方形空气孔和掺杂孔排布的结构图；
图4是掺杂层的平均折射率与输出模式的有效模式面积(Aeff)和极化误差程度(Δ) 之间的关系；
图5是掺杂层的折射率变化示意图；
图6是光场中轴线截面的功率流与位置的关系图(原点为圆心)；
图7是本发明所述光纤的输出模式及其中心区域放大图及输出光束的3D模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明公开一种多层正方形结构的匀化光纤，其包括包层和内部的纤芯，包层包括空气层，空气层包括三层，从外到内分别为第一空气层、第二空气层和第三空气层，纤芯外部设置有掺杂层，第一空气层、第二空气层、第三空气层以及掺杂层呈现为尺寸依次减小的正方形，正方形的四个顶角为方形，其他部分由多个空气孔或掺杂孔排序得到。中心的掺杂层掺杂不同浓度的GeO2，最内一层为普通石英晶体。掺杂区域掺杂摩尔浓度初始值设置为4.5％，对应的折射率是1.4504。
空气孔和掺杂孔为跑道型结构，其包括两侧的圆弧和中部矩形，圆弧对应的圆周角为60°。正方形的每条边中的空气孔或掺杂孔等距离排序，且孔的中部矩形相邻。具体的，孔的设计过程为：将一个半径为8.32um的圆，取两条距圆心4.8um的平行弦，截去两边，中间所保留的形状，两条弧所对应圆周角为60°。
空气层整体呈现正方形排布，边长为180um、四个顶角为方形，方形的边长为12um，每条边分布着8个空气孔，等距离排开。共有四层结构设计，外三层为空气孔，最内层掺杂孔为掺杂了不同摩尔浓度的
Figure BDA0002976030920000042
的
Figure BDA0002976030920000043
具体的，本实施例中空气层的三次缩放的比例，为：
第二层空气层中的空气孔尺寸是第一层空气层中的空气孔大小的0.5～0.8倍，第三层空气层中的空气孔尺寸是第二层空气层中的空气孔大小的0.5～0.8倍，掺杂层为第三层空气层中空气孔尺寸大小的0.3～0.6倍。本实施例中，最优的缩放比例方案为：第二层空气孔为第一层尺寸大小的0.7倍，第三层空气孔为第二层尺寸大小的0.7倍，第四层掺杂孔为第三层尺寸大小的0.4倍。最内层掺杂孔，掺杂区域浓度渐变，线性渐变和三角函数渐变综合考虑。
本发明的一个实施例中，掺杂层中的每条边中的掺杂孔中包括置于中间的中间掺杂孔以及置于中间掺杂孔两端的端部掺杂孔，掺杂层中每条边中的掺杂孔浓度从中间掺杂孔向两端掺杂孔线性递增，即折射率为从中间掺杂孔到两端掺杂孔分别线性递增。
若每条边中的掺杂孔总数为偶数，中间掺杂孔为两个，两个中间掺杂孔的浓度相同且最低；若每条边中的掺杂孔总数为奇数，中间掺杂孔为一个，且浓度最低。
本发明的更优的一个实施例中，掺杂层中的每条边中的掺杂孔中包括置于中间的中间掺杂孔以及置于中间掺杂孔两端的端部掺杂孔，中间掺杂孔向与其相邻的端部掺杂孔浓度线性增加，且与中间掺杂孔不相邻的端部掺杂孔浓度向远离中间掺杂孔的相邻的端部掺杂孔呈三角函数的渐变。
具体的，如图5所示，本发明的掺杂层的折射率变化示意图。对于一条边，中间的 4个掺杂孔浓度从中间向两端升高，线性递增，远离中心的4个掺杂孔浓度依然升高，但是与该掺杂孔中心到原点的距离呈正相关，该距离是一个三角函数表达式
Figure BDA0002976030920000041
所以是三角函数形式的渐变。该图中的高度代表折射率的大小。
在本实施例中，考虑到掺杂层为正方形，具有对称性，只需考虑一条边的设计每条边分布着8个掺杂孔，等距离排开，中间的4个掺杂孔浓度从中间向两端升高，线性递增，即折射率为从中心到一端的一个等差数列，远离中心的4个(左右两端各2个)掺杂孔浓度依然向两端升高，但是与该掺杂孔中心到原点的距离呈正相关，该距离是一个三角函数表达式，为三角函数形式的渐变。且每条边中的掺杂孔的浓度的平均值在 1.40～1.54之间，最优的折射率是1.4504，这个的设计过程效果优于全部是线性渐变，该过程得到的平顶光束更加稳定和均匀。
结合附图，如图1所示，本发明多层正方形结构的匀化光纤，输出平顶光束要满足的条件，即纤芯部分的外环区域折射要大于纤芯部分的内部，纤芯要大于包层。通过在包层中设置同等比例间隔的空气孔，使得包层的折射率低于纤芯，而纤芯中，外围的独特形状区域通过掺杂，即掺杂孔，使得折射率大于内层石英晶体的折射率。图中，Rcor是内核的边长，Rh是外围高折射率区域(外核)的边长。
如图2所示，本发明多层正方形结构的匀化光纤所采用的空气孔和掺杂孔结构为一个半径为8.32um的圆，取两条距圆心4.8um的平行弦，截去两边，中间所留的形状，两条弧所对应的圆周角为60°。
如图3所示，本发明多层正方形结构的匀化光纤，共有四层结构设计，外三层为空气孔，最内层掺杂孔为掺杂了不同摩尔浓度的GeO2的SiO2。根据图4，选择1.45046作为渐变折射率的平均值为1.45046。三次缩放的比例，第二层为第一层尺寸大小的0.7 倍，第三层为第二层尺寸大小的0.7倍，第四层为第三层尺寸大小的0.4倍。
如图4所示，本发明多层正方形结构的匀化光纤，通过研究掺杂层的平均折射率与输出模式的有效模式面积(Aeff)和极化误差程度(Δ)之间的关系，其中，
Figure 1
Pmax是输出模场中的最大功率，Pmin是最小功率，选择最佳的折射率参数，为下一步设计作数据准备。
如图6所示，本发明多层正方形结构的匀化光纤，光场中轴线截面的功率流，整体上呈现一个凸字形，反应平顶光束的效果良好。
如图7所示，本发明多层正方形结构的匀化光纤，在1550nm处的输出模式图，左上图为整体电场图，右上图为掺杂层电场图，下面的为3D模型图。
工作原理：本发明的光子晶体光纤设计是根据平顶光束的产生原理，即纤芯部分的外核区域折射要大于纤芯部分的内核，纤芯内部折射率要大于包层折射率。通过在包层中设置同等比例间隔的空气孔，使得包层的折射率低于纤芯内层石英晶体，而纤芯中，外围的独特形状区域通过掺杂，即掺杂孔，使得折射率大于内层石英晶体的折射率。而掺杂孔和空气孔形状的独特设计更有利于平顶模场的均匀化。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种多层正方形结构的匀化光纤，其特征在于，其包括包层和内部的纤芯，所述包层包括空气层，所述空气层包括三层，从外到内分别为第一空气层、第二空气层和第三空气层，纤芯外层设置有掺杂层，所述第一空气层、第二空气层、第三空气层呈现为尺寸依次减小的正方形，正方形的四个顶角为方形，其他部分由多个空气孔排序得到，所述掺杂层为尺寸小于第三空气层的正方形且该正方形的四个顶角为方形，其他部分由多个掺杂孔排序得到。
2.根据权利要求1所述的多层正方形结构的匀化光纤，其特征在于，所述空气孔和掺杂孔均为跑道型结构，其包括两侧的圆弧和中部矩形，所述圆弧对应的圆周角为60°。
3.根据权利要求2所述的多层正方形结构的匀化光纤，其特征在于，所述空气层中相邻的空气孔等距离排序，所述掺杂层中相邻的掺杂孔等距离排序。
4.根据权利要求2所述的多层正方形结构的匀化光纤，其特征在于，所述第二层空气层中的空气孔尺寸是第一层空气层中的空气孔大小的0.5～0.8倍，第三层空气层中的空气孔尺寸是第二层空气层中的空气孔大小的0.5～0.8倍，掺杂层的掺杂孔为第三层空气层中空气孔尺寸大小的0.3～0.6倍。
5.根据权利要求2所述的多层正方形结构的匀化光纤，其特征在于，所述掺杂层中的每条边中的掺杂孔中包括置于中间的中间掺杂孔以及置于中间掺杂孔两端的端部掺杂孔，掺杂层中每条边中的掺杂孔浓度从中间掺杂孔向两端掺杂孔线性递增，即折射率为从中间掺杂孔到两端掺杂孔分别线性递增。
6.根据权利要求5所述的多层正方形结构的匀化光纤，其特征在于，若每条边中的掺杂孔总数为偶数，中间掺杂孔为两个，两个中间掺杂孔的浓度相同且最低；若每条边中的掺杂孔总数为奇数，中间掺杂孔为一个，且浓度最低。
7.根据权利要求2所述的多层正方形结构的匀化光纤，其特征在于，所述掺杂层中的每条边中的掺杂孔中包括置于中间的中间掺杂孔以及置于中间掺杂孔两端的端部掺杂孔，所述中间掺杂孔向与其相邻的端部掺杂孔浓度线性增加，且与中间掺杂孔不相邻的端部掺杂孔浓度向远离中间掺杂孔的相邻的端部掺杂孔呈三角函数的渐变。
8.根据权利要求7所述的多层正方形结构的匀化光纤，其特征在于，所述每条边中的掺杂孔的浓度的平均值在1.40～1.54之间。
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