CN118050846A - 一种具有抑制模式不稳定效果的部分掺杂光纤设计方法 - Google Patents

Abstract

一种具有抑制模式不稳定效果的部分掺杂光纤设计方法，包括以下步骤：步骤一，根据有源光纤纤芯直径a、数值孔径NA、工作波长λ，求解有源光纤的归一化频率V；步骤二，根据归一化频率V，基于多模光纤中高阶模LP₁₁模的特征方程公式、V、U和W关系式以及贝塞尔函数计算出纤芯和包层对应的横向传播常数U和W；步骤三，根据横向传播常数U和W，得到高阶模LP₁₁模的二维模场分布曲线；步骤四，选取含有最大光场强度的一维光场强度分布；步骤五，标定高阶模LP₁₁模的光场强度下降至1/e时所对应的纤芯半径R_n，从中选取纤芯外圈的半径R₁和纤芯内圈的半径R₂，通过R_doping＝R₂*a/2，得到掺杂区域的半径。

Description

一种具有抑制模式不稳定效果的部分掺杂光纤设计方法

技术领域

本发明涉及光纤激光器，特别是涉及一种具有抑制模式不稳定效果的部分掺杂光纤设计方法。

背景技术

光纤激光器具有空间相干性好、结构紧凑、热管理方便等优点，在先进制造业、国防工业、前沿科研、精准医疗、雷达通信等众多领域有着重要的应用前景，是国际上激光技术领域的研究热点。在先进制造业需求的牵引下，光纤激光器朝着更高亮度、更高功率的方向快速发展，其中以高功率掺镱光纤激光器最具代表性。目前连续单纤单模掺镱光纤激光器的输出功率已超过20kW。

然而，光纤激光器的性能提升与工业应用受到模式不稳定效应、热透镜效应、受激拉曼效应等非线性因素严重制约，尤其是模式不稳定效应。模式不稳定效应在光纤激光器中的表现为：随着平均功率增加，输出模式从稳定基模突变成为相对成分在基模与高阶模之间快速变化的非稳定模式，这不仅会导致输出激光光束质量急剧退化，还会造成输出功率滞涨甚至快速下降，严重威胁了激光器的安全运行。

目前已经开展了多项抑制模式不稳定的研究工作，如增强增益饱和、降低泵浦噪声、增加高阶模弯曲损耗以及制作新型增益光纤等。其中，各种特殊设计的有源光纤，如手性耦合芯光纤、全固体光子带隙光纤和低数值孔径光纤，由于其独特的结构设计实现了有效抑制模式不稳定。但这种特殊设计的光纤结构非常复杂，与传统无源光纤的匹配性差，实现大规模的商业化应用比较困难。

部分掺杂光纤作为一种特种光纤，基于传统的有源光纤，对纤芯内掺杂区域进行设计，实现光纤导波功能和增益剪裁功能的分离，有效抑制高阶模增益，减弱基模与高阶模耦合系数，减轻模式不稳定效应。因此，基于上述分析，如何合理的设计纤芯掺杂区域，是实现模式不稳定效应有效抑制、提升光纤激光器性能的工作重点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有抑制模式不稳定效果的部分掺杂光纤设计方法。

本发明所要解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有抑制模式不稳定效果的部分掺杂光纤设计方法，包括以下步骤：

步骤一，所述部分掺杂光纤包括由内到外依次设置的掺杂区域(1)、纤芯(2)、内包层(3)和外包层(4)；

步骤二，根据有源光纤纤芯直径a、数值孔径NA、工作波长λ，通过公式1求解有源光纤的归一化频率V；

其中，n₁为内包层折射率，n₂为纤芯折射率；

步骤三，根据归一化频率V，基于多模光纤中高阶模LP₁₁模的特征方程公式(2.1)、V、U和W关系式(2.2)以及贝塞尔函数计算出纤芯和包层对应的横向传播常数U和W；

步骤四，根据横向传播常数U和W，基于亥姆霍兹方程、纵横关系式以及边界条件求解出光纤中的高阶模LP₁₁模场在纤芯和包层中模场分布，得到高阶模LP₁₁模的二维模场分布曲线；

步骤五，提取高阶模LP₁₁模在横截面上不同方向的一维光场强度分布并进行比较，选取含有最大光场强度的一维光场强度分布；

步骤六，在高阶模LP₁₁模的一维光场强度分布中，标定高阶模LP₁₁模的光场强度下降至1/e时，所对应的纤芯半径R_n，从中选取处于纤芯外圈的半径R₁和处于纤芯内圈的半径R₂，通过R_doping＝R₂*a/2，得到掺杂区域的半径。

进一步地，所述纤芯直径＞20μm。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明基于传统大模场有源光纤，在保留大模场面积特点的同时，通过合理设计优化有源光纤的掺杂半径，实现高阶模的增益剪裁，有效降低模式耦合系数，实现模式不稳定的有效抑制；同时其所具备大的模场面积也能够有效抑制受激拉曼等非线性效应。

2.本发明通过简单的制备流程，可以避免其它特种光纤由于复杂的光纤结构所面临的制备流程繁杂、与传能光纤不兼容等问题。

附图说明

图1为本发明实施例1的部分掺杂光纤的结构示意图；

图2为本发明大模场有源光纤内的高阶模LP₁₁的二维模场分布图；

图3为本发明大模场有源光纤内高阶模LP₁₁的一维光强场强度分布图；

图中：1、掺杂区域，2、纤芯,3、内包层,4、外包层。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

需要说明的是：部分掺杂光纤属于有源光纤范畴，即纤芯2为有源光纤中的部分掺杂光纤纤芯。

如图1-3所示，本实施例包括以下步骤：

步骤一，部分掺杂光纤包括由内到外依次设置的掺杂区域1、纤芯2、内包层3和外包层4，在本实施例中，部分掺杂光纤纤芯/包层直径为25/400μm；

步骤二，根据有源光纤纤芯直径a、数值孔径NA、工作波长λ，通过公式1求解有源光纤的归一化频率V；

其中，n₁为内包层折射率，n₂为纤芯折射率；

在本实施例中，a＝25μm，NA＝0.061,λ＝1.080μm，带入公式1得出归一化频率V＝4.4；

步骤三，根据归一化频率V，基于多模光纤中高阶模LP₁₁模的特征方程公式(2.1)、V、U和W关系式(2.2)以及贝塞尔函数计算出纤芯和包层对应的横向传播常数U和W；

在本实施例中，根据出归一化频率V＝4.4，得出U＝3.07，W＝5.36；

步骤四，根据横向传播常数U和W，基于亥姆霍兹方程、纵横关系式以及边界条件求解出光纤中的高阶模LP₁₁模场在纤芯和包层中模场分布，得到高阶模LP₁₁模的二维模场分布曲线；如图2所示，高阶模LP₁₁模的二维模场呈现轴对称分布；

步骤五，提取高阶模LP₁₁模在横截面上不同方向的一维光场强度分布并进行比较，选取含有最大光场强度的一维光场强度分布；

在本实施例中，高阶模LP₁₁模场分布沿横向X方向轴对称分布，为展现最大模场强度分布，选定横向Y方向上(y＝0)，绘制高阶模LP₁₁模场分布沿横向X的光场分布曲线，如图3所示；

步骤六，在高阶模LP₁₁模的一维光场强度分布中，标定高阶模LP₁₁模的光场强度下降至1/e时，所对应的纤芯半径R_n，从中选取处于纤芯外圈的半径R₁和处于纤芯内圈的半径R₂，通过R_doping＝R₂*a/2，得到掺杂区域的半径；

在本实施例中，基于高阶模LP₁₁模的一维光场强度分布，为有效抑制高阶模LP₁₁模增益，降低高阶模LP₁₁模场与掺杂区域的重叠因子，选取最大光场强度I_max的1/e位置，找到所对应的纤芯半径R_n，选取对应得纤芯中内圈半径R₁，作为掺杂区域的半径；如图3所示，光场强度I_max/e所对应的归一化纤芯半径分别为R₁＝0.94和R₂＝0.25，选取内圈R₂为相对掺杂半径，所对应的实际掺杂半径为R_doping＝0.25*a/2＝0.25*12.5＝3.125μm，即掺杂半径为3.125μm，实现有效抑制模式不稳定。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明技术方案进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。

Claims (2)

1.一种具有抑制模式不稳定效果的部分掺杂光纤设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，所述部分掺杂光纤包括由内到外依次设置的掺杂区域(1)、纤芯(2)、内包层(3)和外包层(4)；

步骤二，根据有源光纤纤芯直径a、数值孔径NA、工作波长λ，通过公式1求解有源光纤的归一化频率V；

其中，n₁为内包层折射率，n₂为纤芯折射率；

步骤三，根据归一化频率V，基于多模光纤中高阶模LP₁₁模的特征方程公式(2.1)、V、U和W关系式(2.2)以及贝塞尔函数计算出纤芯和包层对应的横向传播常数U和W；

步骤四，根据横向传播常数U和W，基于亥姆霍兹方程、纵横关系式以及边界条件求解出光纤中的高阶模LP₁₁模场在纤芯和包层中模场分布，得到高阶模LP₁₁模的二维模场分布曲线；

步骤五，提取高阶模LP₁₁模在横截面上不同方向的一维光场强度分布并进行比较，选取含有最大光场强度的一维光场强度分布；

步骤六，在高阶模LP₁₁模的一维光场强度分布中，标定高阶模LP₁₁模的光场强度下降至1/e时，所对应的纤芯半径R_n，从中选取处于纤芯外圈的半径R₁和处于纤芯内圈的半径R₂，通过R_doping＝R₂*a/2，得到掺杂区域的半径。

2.根据权利要求1所述的具有抑制模式不稳定效果的部分掺杂光纤设计方法，其特征在于：所述纤芯直径＞20μm。