CN1166239A - 双芯光导纤维及制造这种光导纤维、双芯光纤激光器和双芯光纤放大器的工艺方法 - Google Patents

双芯光导纤维及制造这种光导纤维、双芯光纤激光器和双芯光纤放大器的工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双芯光导纤维，包括泵浦芯(22)，放置在泵浦芯(22)中心的光激射芯(24)和环绕泵浦芯(22)的包层(26)。其特征在于，横截面基本上是圆形的泵浦芯(22)，其外层沿着双芯光导纤维(20)的光传播方向至少有一个磨掉的部分(28)，大小为泵浦芯(22)直径的1％至49％。本发明进而提出了用于制作双芯光导纤维的工艺方法，以及使用根据本发明双芯光导纤维的双芯光纤激光器和双芯光纤放大器。中心放置了光激射芯(24)，基本上为圆形的泵浦芯(22)不仅使得与其他光纤—光学元件的连接变得简单，还使得泵浦光的耦合输入变得容易。

Description

双芯光导纤维及制造这种光导纤维、 双芯光纤激光器和双芯光纤放大器的工艺方法
技术领域
本发明基于第一项权利要求的前序部分涉及一种双芯光导纤维。
本发明基于第五项权利要求的前序部分涉及一种制造双芯光导纤维的工艺方法。
本发明基于第八项权利要求的前序部分涉及一种双芯光纤激光器。
本发明基于第十二项权利要求的前序部分涉及一种双芯光纤放大器。
本发明应用于例如光通信，激光技术，激光测量技术，医学技术及利用激光的图象显示法。
技术现状
“光学通讯(Optics Letters)”第20卷第6期578-580页中描述了一种双芯光纤激光器，它包括一个横截面为圆形的泵浦芯，并由包层围住，光激射芯放在泵浦芯中心。这种已知的双芯光纤激光器的缺点在于，只有一部分泵浦光被中心的光激射芯吸收。这是由于泵浦芯的内部形成了所谓的螺旋形辐射，它无法与光激射芯交叉，因而该辐射无法被吸收。
US-PS4 815 079中提出一种双芯光纤激光器，包括圆泵浦芯和偏离中心的光激射芯。这种双芯光纤激光器加工非常困难，并且光激射芯往往会变形使其横截面呈椭圆形。该专利还公开了一种双芯光纤激光器，它具有横截面为矩形的泵浦芯和在中心的光激射芯。这种双芯光纤激光器同样难于制造。泵浦芯的边缘存在泵浦光损耗，并且因为是矩形，耦合来自激光二极管发出的泵浦光要比圆形泵浦芯的双芯光纤激光器的耦合困难得多，而且矩形横截面的光纤激光器和标准光纤元件不兼容。
发明目的
本项发明目的在于开发一种新颖的双芯光导纤维，其制作较简单，在放大器工作时具有高效率，并与先纤-光学元件的生产工艺方法及标准元件兼容。还要指出的是一种双芯光纤激光器和一种双芯光纤放大器，它们制作较简单，且光激射芯能够基本上完全吸收泵浦光，从而得到高的光学效率。
发明实质
本双芯光导纤维发明可依据第一项权利要求的前序部分利用其特征部分予以实现。
本双芯光导纤维的生产方法可依据第五项权利要求的前序部分利用其特征部分予以实现。
本双芯光纤激光器发明可依据第八项权利要求的前序部分利用其特征部分予以实现。
本双芯光纤放大器发明可依据第十二项权利要求的前序部分利用其特征部分予以实现。
在与各个主要权利要求相关联的从属权利要求中，给出了一些针对本发明要实现的目标有利于进一步发展的具体实例。
本发明提出一种圆泵浦芯的双芯光导纤维，它的光激射芯埋入中心，沿着双芯光导纤维的纵向(光传播的方向)在其外部至少磨掉一部分，形成横截面为D型的泵浦芯。这个磨过的部分导致泵浦芯对称性的破坏，因而不再产生任何螺旋辐射。代之以泵浦芯射线经迹的混乱，从而耦合进来的泵浦光在光激射芯内实际上完全被吸收。这种带有中心光激射芯的基本上为圆形的光纤与纤维-光学元件的连接十分简单，并且泵浦光的耦合输入也容易。
本发明双芯光导纤维的生产工艺方法与相应的标准制作方法相比，只需一步相对较易完成的制作步骤。半成品的柱面打磨，可使用在光学工业中应用的传统平面打磨机来进行。
用本发明的双芯光导纤维构成的双芯光纤激光器与传统的光纤激光器相比达到了更高的光学效率，且只需要较短的光纤长度来完全吸收泵浦光。由于采用基本上圆形的泵浦芯，泵浦光的输入耦合特别是从光纤耦合的泵浦源的输入耦合可以用特别简单的方法来实现，且损失小。
用本发明的双芯光导纤维构成的双芯光纤放大器比传统的双芯光纤放大器具有较高的光学效率。由于采用基本上圆形的泵浦芯，泵浦光的输入耦合特别是光纤耦合的泵浦源的输入耦合可以用特别简单的方法来实现，且损失小。
附图简介
本发明通过下列附图将得到更充分的解释。
图1双芯光纤激光器的基本结构原理图。
图2根据技术现状的圆泵浦芯双芯光纤激光器。
图3本发明结构的双芯光导纤维横截面。
图4根据图3的双芯光导纤维沿光纤轴向的B-B剖面图。
图5说明泵浦光吸收作为磨掉部分的幅度和光导纤维长度的函数的图示曲线。
图6双芯光纤放大器的基本结构原理图。
发明的实施方法
图1示出了光纤激光器100的基本结构，包括激光二极管102，它的辐射104，经耦合光学器件106和输入耦合镜108耦合输入到双芯光导纤维110。光纤110内产生的激光辐射112经输出耦合镜114耦合输出。两个镜片108和114直接安放在光纤两端。
图2示出了技术现状中提到的已知的双芯先导纤维22的横截面。这种双芯光导纤维具有圆截面的泵浦芯4，例如由石英玻璃制成。在泵浦芯4中心放置圆形光激射芯6，例如用掺钕或其他稀土元素之介质制成。泵浦芯4的外径上是包层8，例如用透明的聚合物或具有低于泵浦芯折射率的玻璃制成。泵浦芯4既用作光激射芯6的外包层又用作泵浦光的高数值孔径的波导管。
图2示出了主要是在传统的带圆截面泵浦芯4的双芯光导纤维内形成的螺旋辐射10，它们不与光激射芯6相交，因而不能被光激射芯吸收。因此这些双芯光导纤维在激光器工作时只能吸收约10％的泵浦光。
图3和图4分别展示了根据本发明制成的双芯光导纤维20的横截面和纵剖面，该光纤有例如用石英玻璃制成的泵浦芯22，在泵浦芯内相对公共对称轴29按中心位置放置例如用掺钕介质制成的光激射芯24，外围透明包层26具有低折射率，例如用聚合物制成。
图4示出了双芯光导纤维20，包括镜片32和33，它们安放在纤维的末端上，比如蒸镀在光纤的两端，形成一个激光谐振腔装置。
对比图2所示传统的双芯光导纤维2，图3和图4中的泵浦芯22沿着光纤的纵向在圆形表面磨掉了一部分28，余下的横截面仍是圆形，磨掉的部分28破坏了双芯光导纤维的圆对称。图3示出了磨掉部分28形成的混乱的光线径迹，因此实际上所有的光纤内的光束沿着双芯光导纤维的纵向延伸可以和光激射芯24交叉，若给出适当的光纤长度就可以实现泵浦光实际上100％的吸收。磨掉部分阻止形成螺旋辐射并且容易制造。然而，也可以在泵浦芯上提供一个以上的磨掉部分，例如按每120°角共磨掉三个部分，磨掉部分的大小应能够保持基本上是圆形的泵浦芯。
双芯光导纤维20的可能尺寸如下：
泵浦芯直径φPK
(不在磨掉的部分)：  10至600μm
光激射芯直径φLK： 1.5至20μm
包层厚度：          5至100μm
磨掉部分a：         泵浦芯直径φPK的1至49％
对于激光器应用，使用的适当光纤长度IF在0.3至50m之间，对于放大器应用在0.3至10m之间。
在图1和图4中示出的光纤谐振器的构成是在双芯光导纤维的两末端上安放介质镜。其中，介质镜108(图1)和32(图4)，对激光具有高反射系数，对泵浦光104(图1)34(图4)具有高透射系数，分别用在泵浦端和输入耦合端，而介质镜114(图1)，33(图4)对泵浦光具有高反射系数，对激光112(图1)，36(图4)具有高透射系数，用在输出耦合端。介质镜32，33，108和114可直接安置或压在光纤端面上或放在光纤末端前面。
在双芯光导纤维内，泵浦辐射在包层26与泵浦芯22之间的界面上反复地反射，经过一次或多次反射后，与光激射芯24相交并与之相互作用，直到被光激射芯吸收为止。
图5用图说明了根据图1和图4的双芯光导纤维激光器中，泵浦光的吸收A作为磨掉部分和光纤长度IF的函数关系。对泵浦芯直径为100μm时曲线40为磨掉1μm，曲线42为磨掉5μm以及曲线44为磨掉25μm显示了泵浦光吸收函数A与没有磨掉部分的现有技术的圆泵浦芯的双芯光导纤维的吸收(比较曲线46)的比较。显而易见，即使泵浦芯只磨掉很小部分，它的吸收A明显高于传统的圆形泵浦芯的双芯光导纤维的吸收A。此外，吸收A随光纤长度的增加而增加，而随磨掉部分的加大吸收也增加就不那么明显了。
将半成品磨掉其直径的1至49％制成含有光激射芯的泵浦芯外部形状。磨削之后，在比通常温度要低的温度下将半成品拉成光纤以保持D形几何形状。激光器光纤的材料成分和文献给出的标准光纤的成分相同。需要的光纤折射率曲线通过共掺锗、磷和氟来实现。
图6示出了取芯光纤放大器的基本构成，包括泵浦源202，它的辐射光束204经准直器216准直，借助于光束合成器218，例如二向色镜，及耦合光学元件206给光纤端面208耦合进入双芯光导纤维200。光纤两端面208和214具有抗反射的镀层或与光轴按某个角度切割以防在双芯光导纤维内光反馈。信号光束220借助于光束合成器218和耦合光学元件206耦合进入双芯光导纤维。放大后的信号光束212从与耦合输入端相对的双芯光导纤维的另一端面214耦合输出。
用于4能级激光器或放大器系统的尺寸举例如下：
光激射芯直径：    5μm
泵浦芯直径：      125μm
磨掉部分：        20μm
用所给出的几何大小和810nm的泵浦源波长，掺入1300ppm钕的光纤激光器实现光效率超过40％，激光器波长为1060nm，并有2W的输出功率。
用于3能级激光器或放大器系统及上变频激光器的尺寸举例如下：
光激射芯直径：    3.5μm
泵浦芯直径：      20μm
磨掉部分：        5μm
用所给出的几何大小掺入镨和镱的先纤激光器可以达到超过20％的光效率，激光器波长为635nm，并且输出功率超过1W。

Claims (15)

1.双芯光导纤维包括一个泵浦芯(22)，一个放置在泵浦芯(22)中心的光激射芯(24)和一个环绕泵浦芯(22)的包层(26)，其特征在于，横截面主要是圆形结构的泵浦芯(22)，在其外层沿着双芯光导纤维(20)的光传播方向至少磨掉一部分(28)，其大小为泵浦芯(22)直径的1％至49％。
2.根据权利要求1的双芯光导纤维，其特征在于，没有磨掉部分(28)的泵浦芯(22)的直径，为φPK＝5μm至600μm的范围内和光激射芯(24)的直径为φLK＝1.5μm至20μm的范围内和在泵浦芯(22)圆周上测量磨掉部分(28)为a＝1μm至200μm，它们均取决于激光波长及其应用。
3.根据权利要求1的双芯光导纤维，其特征在于，双芯光导纤维的包层(26)采用聚合物或玻璃材料制成，其折射率低于泵浦芯(22)，且厚度约至少5μm。
4.根据权利要求1的双芯光导纤维，其特征在于，双芯光导纤维两端面的每一面正交对准和/或与光轴成低于90°角，并且具有光学质量并被覆盖膜，至少在光激射芯(24)的区域内，用对应于确定的波长范围的反射膜和/或抗反射膜覆盖。
5.制作双芯光导纤维的工艺方法依据以下步骤：石英或玻璃的柱形半成品的生产使用标准制作工艺方法，拉伸加热的半成品成玻璃纤维，其特征在于，制成半成品后，半成品的柱形外表面至少要研磨一次，磨掉的部分是半成品直径的1％至49％，和双芯光导纤维是由研磨过的半成品拉伸而成，拉伸半成品的温度按此方法调整，使半成品的几何外形和泵浦芯(22)的几何外形保持一致。
6.根据权利要求5的双芯光导纤维的制作工艺方法，其特征在于，研磨半成品之后，将玻璃层或石英层加到半成品上，其折射率低于其后为泵浦芯的材料，其厚度应当使拉伸半成品之后双芯光导纤维的直径至少约为80μm。
7.根据权利要求5的双芯光导纤维的制作工艺方法，其特征在于，半成品的外径在5mm至20mm之间，及半成品的研磨掉部分在1mm至8mm之间及制成的半成品在圆柱方向上为恒定的外形尺寸及作为在没有磨掉部分(28)的位置测得的具有恒定直径泵浦芯(22)的双芯光导纤维(100，200，20)，被拉制，其直径在φPK＝5μm至600μm范围内。
8.双芯光导纤维激光器(100)包括沿光的方向排列的下列部件：一个泵浦源(激光二极管102)，最好有一个耦合输入的光学部件(106)，与双芯光导纤维(110，20)的起始端相匹配的第一介质镜(108，32)，双芯光导纤维(110，20)包括：一泵浦芯(22)，一位于泵浦芯(22)中心的光激射芯(24)及一环绕泵浦芯(22)的包层(26)，另外还包括与双芯光导纤维(110，20)末端相匹配的第二介质镜(114，33)，其特征在于，由横截面基本上圆形的泵浦芯(22)，在其外层沿着双芯光导纤维(20)的光传播方向至少磨掉一部分(28)，其大小为泵浦芯(22)直径的1％至49％。
9.根据权利要求8的双芯光纤激光器，其特征在于，双芯光导纤维的长度大于0.1m。
10.根据权利要求8的双芯光纤激光器，其特征在于，对于4能级激光器系统，在没有磨掉部分(28)处的泵浦芯(22)直径为φPK＝75μm至600μm之间及光激射芯(24)的直径为φLK＝2μm至20mμ，以及在泵浦芯(22)圆周上测量的磨掉部分(28)为a＝5μm至100μm。
11.根据权利要求8的双芯光纤激光器，其特征在于，3能级激光器系统及上变频激光器系统包括在没有磨掉部分(28)处的泵浦芯(22)直径为φPK＝10μm至50μm及光激射芯(24)的直径φLK＝2μm至10μm及在泵浦芯(22)圆周上测量的磨掉部分(28)为a＝1μm至15μm。
12.双芯光纤放大器包括沿光的方向排列的下列元件组：泵浦源(激光二极管202)，最好是准直光学部件(216)，用于光束合成的元件二向色镜(218)，最好是耦合输入光学元件(206)，抗反射的光纤端面或是相对光轴倾斜的光纤端面作为泵浦光和光信号的输入，双芯光导纤维(200)包括一泵浦芯(22)，一放置在泵浦芯(22)中心的光激射芯(24)及一环绕泵浦芯(22)的包层(26)，另外元件组还包括抗反射的光纤端面或是相对光轴倾斜的光纤端面作放大了的光信号的输出，其特征在于，横断面基本上为圆形的泵浦芯(22)，其外部沿双芯光导纤维(20)的光传播方向至少磨掉一部分(28)，其大小为泵浦芯(22)直径的1％至49％。
13.根据权利要求12的双芯光纤放大器，其特征在于，双芯光导纤维的长度大于0.1m及最大长度是这样来决定的，即放大了的光信号应大于工作期间放大了的自发发射，而最大双芯光纤长度小于50m。
14.根据权利要求12的双芯光纤放大器，其特征在于，对于4能级激光器系统，没有磨掉部分(28)处的泵浦芯(22)直径为φPK＝75μm至600μm，光激射芯(24)的直径为φLK＝2μm至20μm及在泵浦芯(22)圆周上测量的磨掉部分(28)为a＝5μm至100μm。
15.根据权利要求12的双芯光纤放大器，对于可见光，其特征在于，对3能级激光器系统和上变频激光器系统而言，没有磨掉部分(28)处的泵浦芯(22)直径为φPK＝10μm至50μm，光激射芯(24)的直径为φLK＝2μm至10μm及在泵浦芯(22)圆周上测量的磨掉部分(28)为a＝1μm至15μm。
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