專利名稱：一種平頂光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖激光器領(lǐng)域，具體為一種大模場(chǎng)面積特性的平頂光纖。
背景技術(shù)：
對(duì)激光束進(jìn)行整形已是激光加工中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)，例如在激光焊接中，為了獲得較好的焊接效果，通常需要使焊點(diǎn)受熱均勻，這就要求激光束的光場(chǎng)分布為平頂型。獲得平頂激光束的方法很多，其中一種方法是利用平頂光纖將入射激光束整形為具有平頂型光場(chǎng)分布的激光束。所謂平頂光纖，即經(jīng)它輸出的激光束具有平頂型的模場(chǎng)結(jié)構(gòu)。眾所周知，從普通光纖輸出的激光束在光纖橫截面上的光場(chǎng)是呈類高斯型分布。要獲得平頂型的光場(chǎng)，就要采用特殊的光纖結(jié)構(gòu)。普通光纖的導(dǎo)光原理為全光反射，其基本結(jié)構(gòu)是內(nèi)層為纖芯區(qū)，外層為包層區(qū)，纖芯區(qū)的折射率比包層區(qū)的折射率稍大，以便把光約束在纖芯區(qū)并向前傳輸。由于普通光纖軸心附近的折射率較大，導(dǎo)致光纖輸出端的激光光場(chǎng)在橫向分 布不均勻，呈高斯或近高斯型分布。為了獲得平頂光束，需要對(duì)光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。一種結(jié)構(gòu)稍比普通光纖復(fù)雜的光束整形光纖由盧興強(qiáng)、周秦嶺等人于2004年提出(光束整形光纖，申請(qǐng)?zhí)?00410024873. 2)。這種光纖包括纖芯區(qū)和包層區(qū)，和普通光纖不同的是，其纖芯區(qū)和包層區(qū)都由兩層組成。纖芯區(qū)包括內(nèi)纖芯區(qū)和外纖芯區(qū)，外纖芯區(qū)填充高折射率材料，內(nèi)纖芯區(qū)由低折射率材料形成，該纖芯區(qū)的形狀與光纖輸出光斑的形狀一致。包層區(qū)由內(nèi)包層區(qū)和外包層區(qū)組成，內(nèi)包層區(qū)所用材料的折射率小于內(nèi)纖芯區(qū)的折射率，外包層區(qū)由更低折射率的材料形成。該光束整形光纖能對(duì)導(dǎo)入的激光進(jìn)行空間整形，獲得光場(chǎng)中部平頂或中部凹陷的激光輸出，可以應(yīng)用到激光整形、均勻化、補(bǔ)償激光器的增益塌邊效應(yīng)及設(shè)計(jì)具有特殊光場(chǎng)分布的光纖激光器等領(lǐng)域中。傳輸高功率激光時(shí)，為了有效降低非線性效應(yīng)對(duì)傳輸光束的影響，需要采用具有大模場(chǎng)面積的光纖。在高功率激光運(yùn)用時(shí)，為了獲得均勻穩(wěn)定的激光輸出，同樣需要平頂型光束分布的光纖。具有大模場(chǎng)面積的平頂光纖技術(shù)急待開發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上不足，本發(fā)明的目的是提出一種具有大模場(chǎng)面積且能夠?qū)崿F(xiàn)平頂光束輸出的新型光纖。本發(fā)明的技術(shù)方案是包括纖芯和包層，其特征在于所述纖芯由基質(zhì)材料和排布在規(guī)則網(wǎng)格中的高折射率介質(zhì)柱組成，所述包層由基質(zhì)材料(I)和低折射率孔組成；所述高折射率介質(zhì)柱的折射率nh大于基質(zhì)材料(I)的折射率nb，所述低折射率孔的折射率II1小于基質(zhì)材料的折射率nb，所述纖芯中最外一層的高折射率介質(zhì)柱直徑Clni大于內(nèi)層的高折射率介質(zhì)柱直徑dh，所述低折射率孔的直徑Cl1大于最外一層的高折射率介質(zhì)柱直徑4。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述高折射率介質(zhì)柱的周期Λ的取值范圍為3^8 μ m ;所述高折射率介質(zhì)柱的周期Λ、最外一層的高折射率介質(zhì)柱直徑Cl111和內(nèi)層的高折射率介質(zhì)柱直徑dh之間的關(guān)系為dm/Λ =0.3、. 8，dh/A=0.1 0.4，且有七-dh ^ O. 05 A ；所述高折射率介質(zhì)柱與基質(zhì)材料的折射率差關(guān)系為nh_nb=0. ΟΟΓΟ. 003。所述低折射率孔為空氣孔或由摻雜的石英材料組成；所述低折射率孔的直徑Cl1的取值范圍為1(Γ40μπι。本發(fā)明的技術(shù)效果采用不同尺寸的高折射率介質(zhì)柱形成平頂光束所需的折射率分布，解決了采用普通光纖結(jié)構(gòu)時(shí)，纖芯的折射率分布變化過(guò)小而無(wú)法實(shí)際制作的技術(shù)障礙。采用低折射率孔束縛光，并使光束具有陡直的光場(chǎng)分布。可以將本發(fā)明光纖運(yùn)用于光纖激光器輸出端，以實(shí)現(xiàn)大模場(chǎng)的平頂光束輸出。


圖1 一種普通圓對(duì)稱平頂光纖的徑向折射率分布不意 圖2為圖1所示結(jié)構(gòu)的模場(chǎng)分布圖；
圖3為一種本發(fā)明光纖的橫截面結(jié)構(gòu)示意 圖4本發(fā)明光纖的模場(chǎng)分布 其中，I為基質(zhì)材料，2為高折射率介質(zhì)柱，3為低折射率孔。
具體實(shí)施例方式普通光纖的基模具有高斯型場(chǎng)分布，若要獲得平頂型光場(chǎng)，可以通過(guò)減小纖芯中心的折射率，從而使光場(chǎng)向纖芯外側(cè)擴(kuò)展，形成平頂光束，如圖1所示。當(dāng)要求光纖為大模場(chǎng)光纖時(shí)，要求纖芯不同區(qū)域具有小的折射率差。例如，當(dāng)纖芯直徑為30微米時(shí)，其要求的纖芯內(nèi)部的折射率減小量為10_4量級(jí)。這使得一般光纖制作工藝極難實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的光纖對(duì)折射率差的精度要求也非常高。例如，圖2(a)和(b)分別為圖3所示結(jié)構(gòu)中當(dāng)纖芯兩部分折射率差為O. 0008和O. 0006的結(jié)果，可見兩者模場(chǎng)分布完全不同。因此，這種平頂光纖制作難度非常大。為此，本發(fā)明提出采用纖芯內(nèi)部為直徑較小的高折射率介質(zhì)柱2，纖芯外部采用直徑較大的高折射率介質(zhì)柱2，從而獲得效果更好的折射率分布。通過(guò)調(diào)整介質(zhì)柱的周期和直徑即可調(diào)節(jié)纖芯不同區(qū)域的等效折射率，從而使纖芯區(qū)的折射率分布更準(zhǔn)確。在制作時(shí)，高折射率介質(zhì)柱的折射率相同，也減小了制作工藝的復(fù)雜度，同時(shí)，也克服了直接通過(guò)摻雜獲得纖芯不同區(qū)域的低折射率差的困難。當(dāng)高折射率介質(zhì)柱之間距離很大時(shí)，其結(jié)構(gòu)就成為一種多芯光纖，即光在不同介質(zhì)柱中獨(dú)立傳輸。為獲得平頂光束輸出，介質(zhì)柱的間距不能過(guò)大。同時(shí),介質(zhì)柱直徑過(guò)小,也會(huì)導(dǎo)致光纖制作困難。因此，要求相鄰高折射率介質(zhì)柱2的中心距離(即介質(zhì)柱的周期Λ)為31 μ m。由于介質(zhì)柱的周期變化范圍有限，為了獲得不同模場(chǎng)面積的平頂光纖，可調(diào)整介質(zhì)柱的數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。為便于制作，高折射率介質(zhì)柱2與基質(zhì)材料I的折射率差不能過(guò)小。一般取高折射率介質(zhì)柱2與基質(zhì)材料I的折射率差關(guān)系為nh-nb=0. OOf O. 003。由于兩者折射率較大，為了使光場(chǎng)在纖芯中的分布較為均勻，高折射率介質(zhì)柱在纖芯中所占比例要小一些。纖芯最外層的高折射率介質(zhì)柱2的尺寸可以大一些，從而使光場(chǎng)延伸向纖芯外側(cè)。因此，要求高折射率介質(zhì)柱的周期Λ、高折射率介質(zhì)柱的直徑ct、dh之間的關(guān)系為MnZA=O. 3^0. 8, dh/A =0. Γθ. 4，且有 dm- dh 彡 O. 05 Λ。包層中低折射率孔3主要起束縛光的作用。由于纖芯的等效折射率一般只略高于基質(zhì)材料的折射率，為了有效地束縛光，需要降低包層的折射率。低折射率孔3的引入，可以有效地實(shí)現(xiàn)束縛光的目的。由微結(jié)構(gòu)光纖的理論，低折射率孔3本身的折射率可以很低，但其等效的包層折射率可以較高。因此，可以使纖芯與包層保持較小的折射率差，減少高階模的出現(xiàn)。同時(shí)，低折射率孔3本身的折射率較低，能有效抑制光向包層區(qū)的擴(kuò)展，可以使平頂模場(chǎng)的邊沿更為陡直。低折射率孔3可以為空氣孔或由摻雜的石英材料組成。其直徑(I1的典型取值范圍為:10 40 μπι。實(shí)施例
光纖結(jié)構(gòu)如圖3所示?；|(zhì)材料I為純石英，高折射率介質(zhì)柱2與基質(zhì)材料I的折射率差為O. 0015，高折射率介質(zhì)柱的直徑分別為4=2.41111140 4=1.2 μ m。低折射率孔3與基質(zhì)材料I的折射率差為O. 005，低折射率孔3的直徑為26 μ m，低折射率孔3與光纖中心的距離為40 μπι。光纖的模場(chǎng)分布如圖4所示。光纖制作時(shí)，可采用分步堆積法制作光纖預(yù)制棒。即首先用堆積法制作光纖纖芯，然后將經(jīng)拉絲獲得的纖芯與石英管或摻雜石英棒組合，再經(jīng)拉絲獲得所需的光纖結(jié)構(gòu)。 上述附圖僅為說(shuō)明性示意圖，并不對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍形成限制。應(yīng)理解，這些實(shí)施例只是為了舉例說(shuō)明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種平頂光纖,包括纖芯和包層,其特征在于所述纖芯由基質(zhì)材料(I)和排布在規(guī)則網(wǎng)格中的高折射率介質(zhì)柱(2)組成，所述包層由基質(zhì)材料(I)和低折射率孔(3)組成；所述高折射率介質(zhì)柱(2)的折射率nh大于基質(zhì)材料(I)的折射率nb，所述低折射率孔(3)的折射率Ii1小于基質(zhì)材料(I)的折射率nb，所述纖芯中最外一層的高折射率介質(zhì)柱(2)直徑dm大于內(nèi)層的高折射率介質(zhì)柱(2)直徑dh，所述低折射率孔(3)的直徑Cl1大于最外一層的高折射率介質(zhì)柱(2)直徑4。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平頂光纖，其特征在于所述高折射率介質(zhì)柱(2)的周期Λ的取值范圍為3 8μπι;所述高折射率介質(zhì)柱(2)的周期Λ、最外一層的高折射率介質(zhì)柱(2)直徑Cl111和內(nèi)層的高折射率介質(zhì)柱(2)直徑dh之間的關(guān)系為MnZA=O. 3^0. 8, dh/A =0. Γθ. 4，且有 dm- dh 彡 O. 05 Λ。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平頂光纖，其特征在于所述高折射率介質(zhì)柱(2)與基質(zhì)材料(I)的折射率差關(guān)系為nh_nb=0. ΟΟΓΟ. 003。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平頂光纖，其特征在于所述低折射率孔(3)為空氣孔或由摻雜的石英材料組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平頂光纖，其特征在于所述低折射率孔(3)的直徑Cl1的取值范圍為1(Γ40 μπι。
全文摘要
本發(fā)明公開一種平頂光纖，該光纖由基質(zhì)材料(1)、排布在規(guī)則網(wǎng)格中的高折射率介質(zhì)柱(2)組成纖芯，由基質(zhì)材料(1)和低折射率孔(3)組成包層。所述高折射率介質(zhì)柱的折射率nh大于基質(zhì)材料的折射率nb，低折射率孔的折射率nl小于基質(zhì)材料的折射率nb，所述纖芯中位于最外層的一層高折射率介質(zhì)柱的直徑dm大于其它的高折射率介質(zhì)柱的直徑dh，該平頂光纖采用不同尺寸的高折射率介質(zhì)柱形成平頂光束所需的折射率分布，解決了采用普通光纖結(jié)構(gòu)時(shí)，纖芯的折射率分布變化過(guò)小而無(wú)法實(shí)際制作的技術(shù)障礙；采用低折射率孔束縛光，并使光束具有陡直的光場(chǎng)分布。可以將本發(fā)明光纖運(yùn)用于光纖激光器輸出端，以實(shí)現(xiàn)大模場(chǎng)的平頂光束輸出。
文檔編號(hào)G02B6/02GK103018820SQ20121058264
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者陳明陽(yáng), 張銀, 酈俐, 張永康 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)