CN211554371U - 一种新型大模场光纤 - Google Patents

Abstract

本实用新型的实施例提供了一种新型大模场光纤，涉及光纤技术领域。新型大模场光纤包括纤芯、内包层、第一折射层及外包层，内包层包覆于纤芯的外周缘，第一折射层包覆于内包层的外周缘，外包层包覆于第一折射层的外周缘，所述第一折射层的第一折射率大于所述内包层的内包折射率。在本实用新型中，新型大模场光纤的内的激光横模一般为高阶模及基模，在内包层的外周缘设置一层第一折射层，第一折射层的折射率大于内包层的内包折射率使整个新型大模场光纤对高阶模的束缚能力减弱，高阶模将更多的扩散到外包层中，从而减少高阶模与基模的重叠度，降低高阶模的增益能力并增加弯曲损耗。

Description

一种新型大模场光纤

技术领域

本实用新型涉及光纤技术领域，具体而言，涉及一种新型大模场光纤。

背景技术

光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑等优点，能够获得高功率和高光束质量的激光输出，在远程焊接、三维切割、激光打标、精密加工等先进制造领域具有良好的应用前景。目前，高功率光纤激光器普遍采用双包层光纤实现低亮度泵浦光的高效耦合，随着大模场面积双包层掺杂光纤制造工艺与高亮度激光二极管泵浦技术的发展，单根单模双包层光纤激光器的输出功率以惊人的速度迅速提高，美国IPG光子技术公司的单模光纤激光器输出功率高达两万瓦。然而，随着输出功率增加到几千瓦甚至万瓦量级，光纤纤芯中功率密度和热负载大幅增加，光纤激光中激发了多种非线性物理效应，导致光纤激光功率增长缓慢甚至进入了瓶颈，近十年来光纤激光极限输出功率一直停滞不前，限制了光纤激光在各个领域的应用。

目前现有技术中的光纤激光器高阶模与基模的重叠区域较大，导致激光光束质量较差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供了一种新型大模场光纤，其能够使整个新型大模场光纤对高阶模的束缚减弱，高阶模将更多的扩散到外包层中，从而减少高阶模与基模的重叠区域，降低高阶模的增益能力并增加弯曲损耗，从而提高激光光束的质量。

本实用新型的实施例可以这样实现：

第一方面，实施例提供一种新型大模场光纤，包括：纤芯、内包层、第一折射层及外包层，所述内包层包覆于所述纤芯的外周缘，所述第一折射层包覆于所述内包层的外周缘，所述外包层包覆于所述第一折射层的外周缘，所述第一折射层的第一折射率大于所述内包层的内包折射率。

在可选的实施方式中，所述第一折射率为1.457～1.459。

在可选的实施方式中，所述第一折射层的第一折射率在所述纤芯的纤芯折射率及所述内包层的内包折射率之间。

在可选的实施方式中，所述内包层的厚度小于所述第一折射层的厚度。

在可选的实施方式中，所述内包层的厚度为1um～4um。

在可选的实施方式中，内包折射率为1.456～1.458，纤芯折射率为 1.457～1.459。

在可选的实施方式中，所述纤芯、所述内包层、所述第一折射层及所述外包层同心设置。

在可选的实施方式中，所述新型大模场光纤还包括第二折射层，所述第二折射层设置在所述纤芯内部，所述第二折射层的第二折射率大于所述纤芯折射率。

在可选的实施方式中，所述第二折射率为1.4575～1.4595。

在可选的实施方式中，所述第二折射层的厚度为5um～15um。

本实用新型实施例提供的新型大模场光纤的有益效果：新型大模场光纤包括纤芯、内包层、第一折射层及外包层，内包层包覆于纤芯的外周缘，第一折射层包覆于内包层的外周缘，外包层包覆于第一折射层的外周缘，所述第一折射层的第一折射率大于所述内包层的内包折射率。

在本实用新型中，新型大模场光纤的内的激光横模一般为高阶模及基模，在内包层的外周缘设置一层第一折射层，第一折射层的折射率大于内包层的内包折射率使整个新型大模场光纤对高阶模的束缚能力减弱，高阶模将更多的扩散到外包层中，从而减少高阶模与基模的重叠度，降低高阶模的增益能力并增加弯曲损耗，从而提高激光的光束质量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的新型大模场光纤的结构示意图；

图2为本实用新型实施提供的新型大模场光纤与传统阶跃光纤的基模与高阶模的一维光强分布；

图3为本实用新型实施例提供的新型大模场光纤与传统阶跃光纤的基模与高阶模在弯曲下的二维光强分布；

图4中(a)为本实用新型实施例提供的新型大模场光纤与传统阶跃光纤相同弯曲半径下传统阶跃光纤的基模的光强分布；

图4中(b)为本实用新型实施例提供的新型大模场光纤与传统阶跃光纤相同弯曲半径下新型大模场光纤的基模的光强分布。

图标：100-新型大模场光纤；110-纤芯；120-内包层；130-第一折射层； 140-外包层；150-第二折射层。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例中的特征可以相互结合。

实施例

请参阅图1，本实施例提供的一种新型大模场光纤100，本实施例提供的新型大模场光纤100能够使整个新型大模场光纤100对高阶模的束缚能力减弱，高阶模将更多的扩散到外包层140中，从而减少高阶模与基模的重叠度，降低高阶模的增益能力并增加高阶模的弯曲损耗，从而提高激光的光束质量。

在本实施例中，新型大模场光纤100包括：纤芯110、内包层120、第一折射层130及外包层140，内包层120包覆于纤芯110的外周缘，第一折射层130包覆于内包层120的外周缘，外包层140包覆于第一折射层130 的外周缘，第一折射层130的第一折射率大于内包层120的内包折射率。

在本实施例中，新型大模场光纤100的内的激光横模一般为高阶模及基模，在内包层120的外周缘设置一层第一折射层130，第一折射层130的折射率大于内包层120的内包折射率使整个新型大模场光纤100对高阶模的束缚能力减弱，高阶模将更多的扩散到外包层140中，从而减少高阶模与纤芯110的重叠度，降低高阶模的增益能力并增加高阶模的弯曲损耗。

在本实施例中，第一折射层130的第一折射率大于内包层120的内包折射率，在保证基模功率集中的同时不影响高阶模的功率泄漏，从而增加基模与高阶模之间的弯曲损耗差异。

在本实施例中，第一折射层130的第一折射率在纤芯110的纤芯折射率及内包层120的内包折射率之间。

在本实施例中，第一折射率在纤芯折射率与内包折射率之间，能够使高阶模更多的扩散到外包层140中，提高光纤高阶模能量的泄漏效果。能够在基模弯曲损耗相同的情况下，能够将高阶模的弯曲损耗大幅提升，保证光纤输出的激光光束质量。

在本实施例中，第一折射率为1.457～1.459。能够使更多的高阶模穿过第一折射层130扩散到外包层140中，降低基模与高阶模之间的重叠度。

优先地，在本实施例中，第一折射率为1.458。

在本实施例中，内包折射率为1.456～1.458，纤芯110折射率为1.457～ 1.459。

优选地，在本实施例中，内包折射率为1.457，纤芯110折射率为1.458。

在本实施例中，第一折射率在内包折射率与纤芯110折射率之间，并靠近纤芯110折射率。

在本实施例中，第一折射层130为阶跃形折射层。

需要说明的是，在本实施例中，第一折射层130为阶跃形折射层，但是不限于此，在本实用新型的其他实施例中，第一折射层130还可以为渐变折射率层等其他折射层，与本实施例等同的方案，能够达到本实施例的效果的，均在本实用新型的保护范围内。

在本实施例中，内包层120的厚度小于第一折射层130的厚度。能够使高阶模的能量更多地扩散到外包层140中，从而提高高阶模的泄漏效果。

在本实施例中，内包层120的厚度较小，一般可设为几个um。

在本实施例中，内包层120的厚度为1um～4um。

优选地，内包层120的厚度为2um。

在本实施例中，纤芯110、内包层120、第一折射层130及外包层140 同心设置。

在本实施例中，纤芯110、内包层120、第一折射层130及外包层140 依次由内至外排列。

在本实施例中，新型大模场光纤100还包括第二折射层150，第二折射层150设置在纤芯110内部，第二折射层150的第二折射率大于纤芯110 折射率。

在本实施例中，将高折射率的第二折射层150设置在纤芯110内部，使第二折射层150能够将基模更多的集中在纤芯110内部，即第一折射层130的第一折射率较低，第二折射层150的第二折射率较高，能够同时使基模更多的集中在纤芯110中，高阶模更多的扩散到外包层140中，减少基模与高阶模之间的重叠度，并减小激光光束弯曲时基模的模场畸变程度，从而提高激光光束的质量。

在本实施例中，第一折射层130的第一折射率较低，第二折射层150 的第二折射率较高，能在保证基模填充因子不变的前提下，大幅降低高阶模的填充因子；在基模弯曲损耗相同的情况下，光纤能将高阶模的弯曲损耗大幅提升，保证光纤输出激光光束质量；同时提升抗弯曲能力，减小模式畸变。

如图2所示，本实施提供的新型大模场光纤100与传统阶跃光纤的基模与高阶模的横向分布图。可以看出，本实施提供的基模的能量相比传统阶跃光纤的基模更加集中，而高阶模正好相反，其能量更多地扩散到内包层120中。

填充因子可以描述光纤模式能量的集中度，它表示该模式纤芯110能量总和占光纤横截面总量的比例，其具体数值可根据式(1)计算得到。

其中a为纤芯110半径，I为光强。填充因子越大，光场与纤芯110的重叠度越高，模式的增益能力越强。经过计算，传统阶跃光纤基模的填充因子为0.99，高阶模的填充因子为0.95。本实施例提供的新型大模场光纤 100的基模的填充因子为0.99，高阶模的填充因子为0.47。可以看出，本实施例提供的新型大模场光纤100相比传统阶跃光纤，在保证基模填充因子基本不变的前提下，而大大降低高阶模的填充因子，也就是说在保证基模增益能力不变的条件下而大大降低了高阶模的增益能力。

光纤弯曲后其模场分布会沿着弯曲方向发生畸变，弯曲半径越小，泄漏到包层中的能量就越多，模式损耗越大，图3给出了这两类光纤基模与高阶模在弯曲下的二维光强分布。其中图(a)为传统光纤的基模的光强分布图，图(b)为传统光纤的高阶模的光强分布图，图(c)为本实施例提供的新型大模场光纤100的基模的光强分布图，图(d)为本实施例提供的新型大模场光纤100的高阶模的光强分布图。

光纤模式的弯曲损耗可根据式(2)得到，

Loss＝8.686×2π/λ×Im(n) (2)

其中λ为激光波长，n为模式的有效折射率，n可通过求解光纤弯曲下模式分布得到。大模场阶跃光纤对激光的损耗一般要求低于0.1dB/m，经过计算，当两类光纤基模的弯曲损耗均为0.01dB/m时，其弯曲半径与高阶模的弯曲损耗分别如下：对于传统阶跃光纤，当弯曲半径R＝5.9cm时，基模的损耗为0.01dB/m，高阶模的损耗为0.76dB/m；而对于本实施例提供的新型大模场光纤100，当弯曲半径R＝19.2cm时，基模损耗为0.01dB/m，而高阶模的损耗提升为201dB/m。显然，相比传统阶跃光纤，本实施例提供的新型大模场光纤100的弯曲选模效果更好。

除此之外，本实施例提供的新型大模场光纤100相比传统阶跃光纤，其基模具有更强的抗弯曲畸变能力。当光纤弯曲时，基模光强的最大值会沿着弯曲方向偏移，如图4所示。其中图4中(a)为相同弯曲半径下传统阶跃光纤的基模的光场分布，其中图4中(b)为相同弯曲半径下本实施例提供的新型大模场光纤100的基模的光场分布，若以L表示其偏移量，无弯曲时，L＝0μm。表4给出了不同弯曲半径下两类光纤基模的L值，结果表明，本实施例提供的新型大模场光纤100基模在弯曲下的畸变更小。

在本实施例中，第二折射率为1.4575～1.4595。

优选地，第二折射率为1.4585。

在本实施例中，第二折射层150的厚度为5um～15um。

优选地，在本实施例中，第二折射层150的厚度为10um。

在本实施例中，第二折射层150为阶跃形折射层。

需要说明的是，在本实施例中，第二折射层150为阶跃形折射层，但是不限于此，在本实用新型的其他实施例中，第二折射层150还可以为渐变折射率层等其他折射层，与本实施例等同的方案，能够达到本实施例的效果的，均在本实用新型的保护范围内。

在本实施例中，第二折射层150、纤芯110、内包层120、第一折射层 130及外包层140同心设置，并且从内到外依次设置，即第二折射层150的横截面为圆形，纤芯110的横截面为圆环，内包层120的横截面为圆环，第一折射层130的横截面为圆环，外包层140的横截面为圆环。

在优选地实施例中，各结构可以采用以下尺寸，第二折射层150直径为10um。纤芯110的内径为10um，外径为30um即纤芯110的厚度为10um。内包层120的内径为30um，外径为34um，即内包层120的厚度为2um。第一折射层130的内径为34um，外径为400um。

综上所述，在本实施例中，第一折射层130的第一折射率较低，第二折射层150的第二折射率较高，能在保证基模填充因子不变的前提下，大幅降低高阶模的填充因子；在基模弯曲损耗相同的情况下，光纤能将高阶模的弯曲损耗大幅提升，保证光纤输出激光光束质量；同时提升抗弯曲能力，减小模式畸变。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种新型大模场光纤，其特征在于，包括：纤芯、内包层、第一折射层及外包层，所述内包层包覆于所述纤芯的外周缘，所述第一折射层包覆于所述内包层的外周缘，所述外包层包覆于所述第一折射层的外周缘，所述第一折射层的第一折射率大于所述内包层的内包折射率。

2.根据权利要求1所述的新型大模场光纤，其特征在于，所述第一折射率为1.457～1.459。

3.根据权利要求1所述的新型大模场光纤，其特征在于，所述第一折射层的第一折射率在所述纤芯的纤芯折射率及所述内包层的内包折射率之间。

4.根据权利要求1所述的新型大模场光纤，其特征在于，所述内包层的厚度小于所述第一折射层的厚度。

5.根据权利要求4所述的新型大模场光纤，其特征在于，所述内包层的厚度为1um～4um。

6.根据权利要求1-5任一项所述的新型大模场光纤，其特征在于，内包折射率为1.456～1.458，纤芯折射率为1.457～1.459。

7.根据权利要求1所述的新型大模场光纤，其特征在于，所述纤芯、所述内包层、所述第一折射层及所述外包层同心设置。

8.根据权利要求1所述的新型大模场光纤，其特征在于，所述新型大模场光纤还包括第二折射层，所述第二折射层设置在所述纤芯内部，所述第二折射层的第二折射率大于所述纤芯折射率。

9.根据权利要求8所述的新型大模场光纤，其特征在于，所述第二折射率为1.4575～1.4595。

10.根据权利要求8所述的新型大模场光纤，其特征在于，所述第二折射层的厚度为5um～15um。

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