CN115097566A - 弯曲敏感的受激拉曼散射抑制的环形结构光纤 - Google Patents
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Abstract
一种弯曲敏感的受激拉曼散射抑制的光纤，自内向外依次是：纤芯、内包层、高折环层、外包层和涂覆层，所述的高折环层包括一个以上的折射率增加的环结构，通过适当的弯曲提高比信号波长更长的噪声波长处的损耗，使信号光能够很好的被局限在纤芯且保持单模传输，而限制纤芯中噪声波长的功率提升，从根本上防止比目标波长更长的拉曼散射光的影响。这种结构设计的光纤最终具有较高的光纤传输效率，能有效地抑制光纤中的受激拉曼散射效应(SRS)。
Description
技术领域
本发明涉及光纤，特别的是一种弯曲敏感的受激拉曼散射抑制的环形结构光纤。
技术背景
在许多高功率场景应用中，光纤激光器因其效率、可靠性和光束质量等优点得到越来越多的应用。但是近几年来随着高功率光纤激光器对传输距离和输出功率的要求不断提高，受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)等非线性效应的出现并限制光纤激光器的激光性能，进而严重影响了其对高功率激光的传输。一般而言，由SBS所导致的光谱展宽是高功率窄线宽激光需要解决的首要问题，而由SRS斯托克斯频移所引起的信号光功率波动和效率降低则是所有激光振荡器和放大器所面临的共性问题，成为制约传能光纤长度的主要障碍。
受激拉曼散射是分子对光子的一种非弹性散射，分子在散射过程中从光子获得能量，而散射的光子会损失能量，波长增加，这一过程是受严格的波长控制的。高功率输出的功率峰值会受到SRS阈值的限制，一旦达到阈值，输出激光就会转换为拉曼光，导致输出激光功率下降，从而限制了系统的可用信噪比。SRS阈值公式为：
其中Aeff为有效模场面积，gR为拉曼增益系数，Leff为光纤有效长度。因此从公式中可以看出：增大有效模场面积、减小光纤有效长度和降低拉曼增益系数都是提高拉曼阈值最直接的办法。
目前，人们已经提出许多方法来抑制受激拉曼散射，各有特点但是仍有不足。为保证长距离传输就要增大模场面积，采用大模场光纤(LMA)，但是LMA会造成光纤的光束质量下降引起模式不稳定，为保证光纤的单模运转特性，通常要求其数值孔径(NA)随着纤芯尺寸的增大而减小，而过小的数值孔径NA则会导致光纤模场面积对于弯曲的敏感程度较高，不利于其实际应用。所以需要权衡众多因素来设计制备性能优良的光纤。近年来利用光纤光栅来抑制SRS的研究也越来越多，其原理是将噪声波长耦合到折射率匹配的包层结构中滤除，但这种方法并没有从根本抑制光纤中的拉曼光的产生，当功率达到阈值后仍然会有拉曼光的出现，因此存在一定的缺陷。并且光纤光栅的制备难度相对较高，长周期光纤光栅对温度、应变或湿度等环境变量的敏感性高，啁啾倾斜光栅还要考虑后向光对光纤激光器造成的潜在不稳定性，都会导致滤波特性的不稳定。另外还可以通过制备滤波型光纤，在包层中添加一个低折射率的环层或者内包层，将噪声波长耦合到折射率匹配的包层中可以起到一定抑制作用。这一方法提供了不错的思路，但是氟掺杂的低折射率光纤在实际制备中会使氟挥发导致元素不稳定，光纤拉制存在一定的难度，从而导致光纤的模式质量下降。2000年Dong liang首次提出了在传统光纤纤芯外加一个折射率高于包层折射率的同心环的结构，在一定的设计参数范围内，最小的两个对称模的传播常数在一定波长上交叉，相当于说LP01模式在特定波长下功率可以从芯增大到环，将长波长耦合到环结构中，进而实现强度和波长的选择。这种思路新颖且仅需要单纯的光纤设计，但是环的尺寸很小并且环与包层的折射率差很大需要掺杂超高浓度的Ge，对于实际的光纤制备存在很大的难度，且在光纤拉制过程中环中超高浓度的Ge会扩散到包层中，对最终结果产生影响。
引入与波长有关的分布损耗的最简单的方法是弯曲光纤，弯曲引起的损耗与波长和弯曲半径有很大的关系。光纤里的弯曲损耗可以分为宏弯损耗和微弯损耗两大类，现只研究宏弯损耗的物理过程。光纤在平直状态下，传输的模式以光纤的轴线为中心对称分布，而当光纤某处发生弯曲时，传输的模式将向包层外侧方向偏移，从而导致纤芯折射率低于基模等效折射率而发生泄漏，模场分布也将会产生倾斜畸变，随着光波的行进无法继续在纤芯中传播而泄露于包层之外，于是使光纤中的损耗增加而产生宏弯损耗，等效模型如图1所示。通常在距离为L的光纤内，弯曲损耗的计算式为：L＝10log10(e2αL)≈8.6686αL。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种弯曲敏感的受激拉曼散射抑制光纤。该光纤通过权衡掺杂浓度、纤芯尺寸、芯包结构等基本参数进行优化，通过适当的弯曲提高比信号波长更长的噪声波长处的损耗，使信号光能够很好的被局限在纤芯且保持单模传输，而限制纤芯中噪声波长的功率提升，从根本上防止比目标波长更长的拉曼散射光的影响。这种结构的光纤最终具有较高的光纤传输效率，能有效地抑制光纤中的受激拉曼散射效应(SRS)。
本发明从根本上防止比目标波长更长的拉曼散射光的产生，旨在解决现有设计中受激拉曼散射效应无法很好抑制的不足，满足远距离大功率传输的需求。
本发明技术解决方案如下：
一种弯曲敏感的受激拉曼散射抑制的环形结构光纤，其特点在于，自内向外依次是纤芯、内包层、高折环层、外包层和涂覆层，所述的高折环层包括一个以上的折射率增加的环结构，所述的纤芯是掺锗玻璃层，玻璃组分为SiO2-GeO2，折射率为ncore，所述的内包层是纯硅玻璃层，折射率为nclad，所有的高折环层都是高折射率玻璃层，折射率为nring，所述的外包层是纯硅玻璃层，折射率为nclad，且nring＞ncore＞nclad；所述的涂覆层是紫外固化的聚丙烯酸树脂组成；
当所述的环形结构光纤达到某个弯曲半径R时，可以保证信号光的单模传输而提高噪声波长处的弯曲损耗，将拉曼光耦合到折射率匹配的包层中，对拉曼散射起到抑制作用。
所述的芯层的直径(d1)为10～30μm，所述的芯层与所述的包层的相对折射率差Δ的范围在0.08％～0.12％。
所述的高折环层与所述的包层的相对折射率差Δ的范围在0.48％～1.36％。
所述的高折环层的环的厚度m范围在2～5μm。相对折射率差Δ的范围在0.48％～1.36％。
所述的高折环层的环与环之间距离c的范围在8～12μm。
所述的内包层为纯石英材料包层，所述的内包层的直径为26～46μm。
所述的外包层为纯石英材料包层，所述的外包层直径为100～400μm。
所述的光纤弯曲的半径范围在3～7cm。
实现信号波长1064nm激光的高效率单模低损耗传输，并通过适当弯曲使噪声波长1114nm处的损耗提高而无法稳定传输，宏观上呈现一定的光谱滤波效果，该光纤能够起到很好地抑制受激拉曼散射的作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)在纤芯外加高折环层，构成环形结构光纤，通过权衡环的宽度m、环与环的距离c，环的折射率nring和光纤弯曲半径R等变量，找到最佳的结构参数，通过适量弯曲使得1114nm处斯托克斯光传输损耗提高而无法稳定传输，而保证信号波长1064nm激光的高效率单模低损耗传输，宏观上呈现一定的光谱滤波效果，该光纤能够起到抑制受激拉曼散射的作用。
(2)光纤设计策略简单，制备较容易。可以采用CVD技术在一根预制棒上实现，满足相关应用的高性能要求，而不需要像其他微结构光纤和光纤光栅那样复杂的制造工艺。
(3)本发明中采用弯曲含有高折射率环层的光纤来抑制受激拉曼散射效应的研究少有报道，应用范围广，可针对不同波长，可适用于有源或无源光纤等。
为更加充分的理解本发明内容，对一些专业术语进行解释：
(1)在光纤的实际制备中，适量的掺杂剂会改变石英玻璃的折射率，例如某些掺杂剂的掺杂可提高折射率，我们称为“正掺杂剂”，例如锗(Ge)、磷(P)、钛(Ti)、铝(Al)等，某些掺杂剂的掺杂将低折射率，我们称为“负掺杂剂”，例如氟(F)、硼(B)等。
表1二氧化硅中不同掺杂剂对光学折射率的变化趋势
(2)光纤数值孔径：
其中ncore是芯层折射率，nclod是包层折射率。
(3)相对折射率差：
其中ni是各玻璃层的折射率，n0是纯石英玻璃折射率。
(4)损耗比(Loss Ratio)：损耗比是指信号波长与噪声波长之间的弯曲损耗比。损耗比越高，光纤抑制拉曼散射效应能力越好。
附图说明
图1是在弯曲状态下的光纤中光场基模传输的示意图。
图2是本发明单环结构光纤的横截面示意图及弯曲光纤的横截面折射率分布图。
图3是本发明双环结构光纤的横截面示意图及弯曲光纤的横截面折射率分布图。
图4是本发明三环结构光纤的横截面示意图及弯曲光纤的横截面折射率分布图。
图5是本发明实施例1光纤在不同弯曲半径下的弯曲损耗图。
图6是本发明实施例2光纤在不同弯曲半径下的弯曲损耗图。
图7是本发明实施例3光纤在不同弯曲半径下的弯曲损耗图。
图8是本发明实施例1，2和3光纤在1064nm和1114nm处的损耗比。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。以下所描述的实施例仅是本发明的最佳实施例，而不是全部的实施例。
参照图1、图2、图3和图4，图1是在弯曲状态下的光纤中光场基模传输的示意图。图2、图3和图4分别是本发明实施例1，2和3中所提供的单环，双环和三环结构光纤的截面示意图，本发明弯曲敏感的受激拉曼散射抑制的环形结构光纤，自内向外依次是纤芯、内包层、高折环层、外包层和涂覆层，所述的高折环层包括一个以上的折射率增加的环结构，所述的纤芯是掺锗玻璃层，玻璃组分为SiO2-GeO2，折射率为ncore，所述的内包层是纯硅玻璃层，折射率为nclad，所有的高折环层都是高折射率玻璃层，折射率为nring，所述的外包层是纯硅玻璃层，折射率为nclad，且nring＞ncore＞nclad；所述的涂覆层是紫外固化的聚丙烯酸树脂组成；
当所述的环形结构光纤达到某个弯曲半径R时，可以保证信号光的单模传输而提高噪声波长处的弯曲损耗，将拉曼光耦合到折射率匹配的包层中，对拉曼散射起到抑制作用。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
表2各实施案例光纤结构参数
实施例1：单环形结构光纤
在本发明实施例1中，所述的单环形结构光纤，见图2，图2是本发明单环结构光纤的横截面示意图及弯曲光纤的横截面折射率分布图。
纤芯的直径为25μm，内包层直径为41μm，外包层直径为250μm，所述的单环1的厚度m1为3μm，环与纤芯的距离c1为8μm，单环1的折射率为1.4661，另外光纤外包层外涂有紫外固化的聚丙烯酸树脂保护层。图5所示为本实施例不同弯曲半径下1064nm和1114nm处的弯曲损耗。从仿真结果可以看出，当弯曲半径为5.5cm时，拉曼波长1114nm处的弯曲损耗与信号波长1064nm处的损耗比出现极值为387，并且信号波长处的弯曲损耗为0.004dB/m，低于0.1dB/m，可保证单模传输，噪声波长处的损耗为1.71dB/m。
实施例2：双环结构光纤
在本发明实施例2所提供的双环形结构光纤，图3是本实施例2双环结构光纤的横截面示意图及弯曲光纤的横截面折射率分布图。
纤芯的直径为25μm，内包层直径为41μm，外包层直径为250μm，环1的厚度m1为3μm，环2的厚度m2为3μm，环1与纤芯的距离c1为8μm，环1与环2的距离c2为10μm，环的折射率均为1.4661，另外光纤的外包层外涂有紫外固化的聚丙烯酸树脂保护层。图6所示为本实施例不同弯曲半径下1064nm和1114nm处的弯曲损耗。从仿真结果可以发现，在固定实施例1的条件下，在环1外再增加一个环2，当弯曲半径同样为5.5cm时，拉曼波长1114nm处的弯曲损耗与信号波长1064nm处的损耗比出现极值为1314，并且信号波长处的损耗为0.01dB/m，在0.1dB/m以下，可保证单模传输。而1114nm波长处损耗提高到16.08dB/m。
实施案例3：三环结构光纤
本发明实施例3中所提供的三环结构光纤，图4是本实施例3三环结构光纤的横截面示意图及弯曲光纤的横截面折射率分布图。
纤芯的直径为25μm，内包层直径为41μm，外包层直径为250μm，环1的厚度m1为3μm，环2的厚度m2为3μm，环3的厚度m2为3μm，环1与纤芯的距离c1为8μm，环1与环2的距离c2为10μm，环2与环3的距离c3为10μm，环的折射率均为1.4661，另外光纤外包层外涂有紫外固化的聚丙烯酸树脂保护层。图7是本实施例3三环结构光纤在不同弯曲半径下的弯曲损耗图。图8是本发明实施例1，2和3光纤在1064nm和1114nm处的损耗比。
从仿真结果可以发现，在固定实施例2的条件下，在环2外增加一个环3，当弯曲半径同样为5.5cm时，拉曼波长1114nm处的弯曲损耗与信号波长1064nm处的损耗比出现极值为1222，并且信号波长处的损耗为0.005dB/m，在0.1dB/m以下，可保证单模传输，1114nm波长处损耗为7.14dB/m。
结论：
对比3个实施例的弯曲损耗图和损耗比图可以发现，通过适当的弯曲可以引入与波长有关的分布损耗，且当纤芯和包层中环的个数分别为1个，2个或3个的时候，弯曲半径5.5cm是该光纤结构的临界弯曲半径且损耗比出现极值点。并且当在纤芯和包层中环的个数逐渐增加的时候，噪声波长处的损耗先增加后降低，当环层个数为2个的时候光纤对弯曲最为敏感，1114nm处损耗提高到16.08dB/m，损耗比提高到1314，所以可以很好的避免信号光基模因为光纤弯曲而造成的模式泄露，又保证了拉曼光能够通过弯曲耦合到包层中，可以很好的将拉曼光滤除，对光纤拉曼散射效应进行有效抑制。
综上所述的，该环形光纤在弯曲的情况下可以实现受激拉曼散射的抑制，并且制备方法简单且应用范围广泛。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (6)
1.一种弯曲敏感的受激拉曼散射抑制的环形结构光纤，其特征在于，自内向外依次是：纤芯、内包层、高折环层、外包层和涂覆层，所述的高折环层包括一个以上的折射率增加的环结构，所述的纤芯是掺锗玻璃层，玻璃组分为SiO2-GeO2，折射率为ncore，所述的内包层是纯硅玻璃层，折射率为nclad，所有的高折环层都是高折射率玻璃层，折射率为nring，所述的外包层是纯硅玻璃层，折射率为nclad，且nring＞ncore＞nclad；所述的涂覆层是紫外固化的聚丙烯酸树脂组成；
当所述的环形结构光纤达到某个弯曲半径R时，可以保证信号光的单模传输而提高噪声波长处的弯曲损耗，将拉曼光耦合到折射率匹配的包层中，对拉曼散射起到抑制作用。
2.如权利要求1所述的弯曲敏感的受激拉曼散射抑制的环形结构光纤，其特征在于，所述的纤芯的直径(d1)为10～30μm，所述的纤芯与包层的折射率差Δ的范围为0.06％～0.12％。
3.如权利要求1所述的弯曲敏感的受激拉曼散射抑制的环形结构光纤，其特征在于，所述的高折环层与包层的相对折射率差Δ的范围在0.48％～1.36％。
4.如权利要求1所述的弯曲敏感的受激拉曼散射抑制的环形结构光纤，其特征在于，所述的高折环层的环的厚度m范围在2～5μm。
5.如权利要求1所述的弯曲敏感的受激拉曼散射抑制的环形结构光纤，其特征在于，所述的高折环层的环与环之间距离c的范围在8～12μm。
6.如权利要求1至5任一项所述的弯曲敏感的受激拉曼散射抑制的环形结构光纤，其特征在于，所述的光纤弯曲的半径范围在3～7cm。
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