本發(fā)明涉及激光器技術(shù)領域。尤其涉及一種基于熱效應實現(xiàn)波導結(jié)構(gòu)，并能夠?qū)崿F(xiàn)超大模場激光輸出、制作工藝簡單的有源光纖。

背景技術(shù)：

光纖激光器具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長、光束質(zhì)量好、抗干擾能力強等特點，在通信、傳感、機械加工、醫(yī)療、科研以及國防軍事等領域具有廣泛的應用。特別是隨著近年來光纖激光器功率水平的飛速發(fā)展，光纖激光器的應用范圍也在不斷拓展，受關(guān)注的程度也越來越高。盡管光纖激光器的功率水平有了突飛猛進的發(fā)展，達到了10kW量級。但是，單根光纖激光器的功率水平進一步提升仍要受到非線性效應的限制，而超大模場光纖是緩解這一功率極限的有效途徑。

超大模場光纖是指能夠支持超大模場光場(一般地，模場直徑應大于等于30微米)傳輸?shù)墓饫w，常作為摻雜增益光纖用于光纖激光器，以產(chǎn)生具有超大模場的激光光場。超大模場光纖是通過增加光場的模場直徑或面積，來提升光纖激光器中的非線性效應閾值，從而實現(xiàn)非線性效應的抑制。超大模場光纖的關(guān)鍵在于如何在增加模場面積的同時，減少輸出光場的模式數(shù)量，從而保證輸出光場的光束質(zhì)量。之所以這是關(guān)鍵，是因為增加模場面積，就需要增加光纖纖芯的直徑，而纖芯直徑的增加就會增加纖芯的歸一化頻率(正比于纖芯直徑和數(shù)值孔徑的乘積，歸一化頻率越大，纖芯中光場傳輸?shù)哪Ｊ皆蕉?，這會導致輸出光場模式數(shù)量的增加，影響光場的光束質(zhì)量?，F(xiàn)階段，實現(xiàn)超大模場光纖主要有兩種方案。一是降低纖芯的數(shù)值孔徑，也就是降低纖芯和包層之間的折射率差，從而在保證歸一化頻率或模式數(shù)量滿足要求的前提下，增加纖芯直徑，從而實現(xiàn)模場面積的增加。不過，受工藝所限，纖芯的數(shù)值孔徑不能無限降低，現(xiàn)階段實現(xiàn)的最低數(shù)值孔徑為0.028，相應的纖芯直徑約為30～40微米。另一種方案是在光纖中引入微結(jié)構(gòu)(如：周期排列的微米量級小孔)，以增加高階模式的損耗或低階模式的增益，從而實現(xiàn)輸出光場模式的控制?；谶@種方案實現(xiàn)的超大模場光纖種類較多，如泄露通道光纖、手征纖芯光纖、大間隔光子晶體光纖等，利用這種方案，模場直徑可以增加到50～100微米。不過，這種方案的光纖微結(jié)構(gòu)設計比較復雜，制作工藝復雜，為光纖的工程化生產(chǎn)帶來了難度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是解決第一種方案中纖芯數(shù)值孔徑降低受限的問題，在不引入微結(jié)構(gòu)的前提下，增加光纖的纖芯直徑，從而解決第二種方案中因引入微結(jié)構(gòu)導致的制作難度大的問題。

為解決所述技術(shù)問題，本發(fā)明公開的新型超大模場光纖是一種基于熱效應產(chǎn)生波導結(jié)構(gòu)的超大模場光纖，該光纖由纖芯和包層組成。要求該光纖的纖芯材料的折射率隨著溫度的增加而增加。

纖芯包括內(nèi)纖芯和外纖芯，內(nèi)纖芯和外纖芯皆為圓形，且內(nèi)纖芯位于外纖芯的中心，內(nèi)纖芯的折射率小于等于外纖芯的折射率(優(yōu)選地，內(nèi)纖芯折射率與外纖芯折射率的差別小于0.0001)。內(nèi)纖芯中摻有增益介質(zhì)，增益介質(zhì)是指能夠產(chǎn)生光場并能夠?qū)崿F(xiàn)光場受激放大的粒子或元素，如：鉺、鐿、銩、鈥、鐠、銣、鉍，要求增益介質(zhì)能夠通過吸收泵浦光，在特定兩個能級之間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并利用粒子在這兩個能級之間的受激躍遷過程產(chǎn)生激光，在產(chǎn)生激光的同時，能夠基于量子虧損效應產(chǎn)生熱量。外纖芯中不含增益介質(zhì)。內(nèi)纖芯直徑應大于等于20微米(優(yōu)選地，應大于等于30微米)，內(nèi)纖芯直徑與外纖芯直徑的比值應小于等于50％。這里需要注意的是，內(nèi)纖芯越大、內(nèi)纖芯直徑與外纖芯直徑的比值越小，外纖芯的直徑越大，相應的，最終光纖整體橫截面的直徑也就越大。因此，內(nèi)纖芯直徑和內(nèi)纖芯直徑與外纖芯直徑的比值這兩個參數(shù)可在拉制工藝允許的條件下選取。

包層中不含增益介質(zhì)，包括內(nèi)包層和外包層。外包層包裹內(nèi)包層，內(nèi)包層包裹外纖芯。內(nèi)包層的折射率小于外纖芯的折射率，優(yōu)選地，外纖芯相對于內(nèi)包層的數(shù)值孔徑(等于外纖芯的折射率與內(nèi)包層折射率的平方差的平方根)小于等于0.2。外包層的折射率小于內(nèi)包層的折射率，優(yōu)選地，內(nèi)包層相對于外包層的數(shù)值孔徑(內(nèi)包層的折射率與外包層折射率的平方差的平方根)應大于等于0.2。內(nèi)包層用于泵浦光的傳輸，內(nèi)包層橫截面可為圓形、D型、正多邊形，為了促進內(nèi)纖芯對于泵浦光的吸收，優(yōu)選公知的D型結(jié)構(gòu)(如：文獻“Optimized absorption in a chaotic double‐clad fiber amplifier”(混沌雙包層光纖放大器的吸收優(yōu)化)，作者：Valérie Doya、Olivier Legrand和Fabrice Mortessagne，出處：Optics Letters，2001，26(12)，872‐874))的圖1、圖2及第873頁第二段中關(guān)于“D‐shaped inner cladding”(D型內(nèi)包層)的描述)或正多邊形(優(yōu)選地，正六邊形、正八邊形)結(jié)構(gòu)。

可選地，本發(fā)明所公開的超大模場光纖也可采用側(cè)面泵浦耦合結(jié)構(gòu)即在外包層內(nèi)加入K個與內(nèi)包層光學接觸的多模光纖作為泵浦光傳輸通道，K應為小于等于[π(1+R₁/r₁)]的自然數(shù)，其中，R₁為內(nèi)包層直徑(若內(nèi)包層橫截面為圓形，則為圓形直徑；若內(nèi)包層橫截面為D型或正多邊形，則為D型或正多邊形外接圓直徑)，r₁為多模光纖的最小纖芯直徑，泵浦光在多模光纖中傳輸?shù)倪^程，通過光學接觸(如倏逝波耦合)耦合到內(nèi)包層中，并泵浦內(nèi)纖芯中的增益介質(zhì)，從而產(chǎn)生激光。具體結(jié)構(gòu)可采用但不限于專利2011102505933公開的側(cè)面泵浦光纖結(jié)構(gòu)或美國專利US7660034和US7221822的多光纖組合結(jié)構(gòu)(Multi‐Fiber Arrangement)。

本發(fā)明的原理是利用內(nèi)纖芯中的熱效應產(chǎn)生波導結(jié)構(gòu)，從而打破現(xiàn)有方案中數(shù)值孔徑的限制，實現(xiàn)超大模場面積的光場傳輸。具體原理是：由于內(nèi)纖芯中摻有增益介質(zhì)，內(nèi)纖芯中的增益介質(zhì)吸收泵浦光后，在產(chǎn)生激光的同時，由于公知的量子虧損(隨吸收泵浦光能量的增加而增加)的存在，還會產(chǎn)生熱量(稱為熱負載)。從而使得內(nèi)纖芯的溫度大于外纖芯及內(nèi)外包層的溫度(因為外纖芯和內(nèi)外包層中不含增益介質(zhì)，也就不會產(chǎn)生熱量，因此其溫度應由外界環(huán)境溫度決定)，這使得溫度從內(nèi)纖芯經(jīng)由外纖芯和內(nèi)外包層向外擴散，從而產(chǎn)生了溫度由內(nèi)纖芯中心向外包層逐漸減小的熱分布。由于光纖材料的折射率隨溫度的升高而增加，內(nèi)纖芯的高溫就會使得內(nèi)纖芯的折射率高于外纖芯的折射率，從而形成了新的波導結(jié)構(gòu)(稱為熱致波導結(jié)構(gòu))。因此，即使該光纖在沒有熱負載(即不產(chǎn)生激光)時，內(nèi)纖芯的折射率小于外纖芯的折射率(此時無法將光場約束在內(nèi)纖芯中，也稱為反波導結(jié)構(gòu)，見圖1)；當該光纖用于產(chǎn)生激光時，內(nèi)纖芯中的熱負載產(chǎn)生的熱致波導結(jié)構(gòu)同樣可以使得內(nèi)纖芯的折射率大于外纖芯的折射率(見圖2)，從而將產(chǎn)生的激光約束在內(nèi)纖芯中傳輸。由于這種波導結(jié)構(gòu)是由內(nèi)纖芯中增益介質(zhì)產(chǎn)生的熱負載導致的，而該熱負載與泵浦光吸收有關(guān)，因此，可以通過調(diào)節(jié)泵浦光吸收(可采用但不限于改變泵浦光功率)來調(diào)節(jié)內(nèi)纖芯中的熱負載，進而調(diào)節(jié)熱致波導結(jié)構(gòu)(包括內(nèi)纖芯與外纖芯的折射率差)；由于沒有溫升時，內(nèi)纖芯的折射率小于或等于外纖芯的折射率，因此，利用該原理，可以實現(xiàn)任意小的內(nèi)纖芯數(shù)值孔徑(定義為內(nèi)纖芯平均折射率與外包層平均折射率的平方差的平方根，見圖2)，從而打破了現(xiàn)有方案對于纖芯數(shù)值孔徑的限制，使纖芯直徑得到進一步提升，實現(xiàn)具有超大模場的激光輸出。

本發(fā)明的技術(shù)效果：

1、利用熱效應產(chǎn)生波導結(jié)構(gòu)(即熱致波導結(jié)構(gòu))，打破了現(xiàn)有方案中對于纖芯數(shù)值孔徑的限制，使得內(nèi)纖芯數(shù)值孔徑得到進一步的降低；從而能夠在控制模式數(shù)量的同時，實現(xiàn)光場模場直徑的拓展及超大模場激光輸出。

2、外纖芯降低了該光纖的制作難度。這是因為如果不加入外包層，要實現(xiàn)熱致波導結(jié)構(gòu)就需要內(nèi)纖芯的折射率小于內(nèi)包層的折射率(因為如果沒有外纖芯，內(nèi)纖芯將由內(nèi)包層包裹)，這同樣存在現(xiàn)有方案中面臨的折射率降低受限的問題。本發(fā)明中通過外纖芯的結(jié)構(gòu)設計，提升了內(nèi)纖芯的折射率基準，從而無需過低的折射率就可以滿足本發(fā)明的要求，從而降低了光纖的制作難度。

3、引入外纖芯的另一個作用是緩解包層光濾除壓力。在光纖激光器中，為了消除殘余泵浦光對于信號光輸出的影響，需要在信號光輸出前濾除泵浦光。由于泵浦光是在光纖的內(nèi)包層中傳輸，因此泵浦光濾除是通過濾除包層光來實現(xiàn)的。對于本發(fā)明所公開的熱致超大模場光纖來說，當泵浦光較弱，吸收的泵浦光較少時，由于量子虧損產(chǎn)生的熱量就比較少，這會導致熱致波導結(jié)構(gòu)不足以將信號光場約束在內(nèi)纖芯中，此時，信號光場就會向內(nèi)纖芯外擴散。如果沒有外纖芯，這些擴散的信號光場就會進入到內(nèi)包層，在包層光濾除時，會與泵浦光一起被濾除。其結(jié)果不僅影響了信號光場的傳輸，還增加了濾除的光場功率，濾除功率的增加會導致包層光濾出位置的溫升增加，從而增加了包層光濾除位置的熱管理壓力。而外纖芯的引入，為擴散的信號光場提供了獨立的傳輸通道，這不僅消除了包層光濾除對于信號光傳輸?shù)挠绊?，也使得這部分信號光不在稱為包層光濾除的對象(即包層光濾除主要濾除的是泵浦光)，緩解了包層光濾除的壓力。

4、本發(fā)明所公開的超大模場光纖沒有采用微結(jié)構(gòu)，這也降低了光纖的制作難度。

附圖說明

圖1為沒有熱負載時，本發(fā)明熱致超大模場光纖的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為存在熱負載時，本發(fā)明熱致超大模場光纖的一種可能橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明熱致超大模場光纖實施例一的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明熱致超大模場光纖實施例二的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

圖1為沒有熱負載時，本發(fā)明熱致超大模場光纖的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，箭頭表示折射率n的正方向，右側(cè)實線表示折射率分布。光纖包括纖芯10和包層20。纖芯10材料的折射率隨著溫度的增加而增加。

纖芯10包括內(nèi)纖芯11和外纖芯12，內(nèi)纖芯11和外纖芯12的橫截面皆為圓形，且內(nèi)纖芯11位于外纖芯12的中心，內(nèi)纖芯11的折射率小于等于外纖芯12的折射率(優(yōu)選地，內(nèi)纖芯11的折射率與外纖芯12的折射率的差別應小于0.0001)。內(nèi)纖芯11中摻有增益介質(zhì)，外纖芯12中不含增益介質(zhì)。內(nèi)纖芯11與外纖芯12的直徑比值應小于50％，內(nèi)纖芯直徑應大于等于20微米(優(yōu)選地，應大于等于30微米)。

包層20中不含增益介質(zhì)，包括內(nèi)包層21和外包層22。外包層22包裹內(nèi)包層21，內(nèi)包層21包裹外纖芯12。內(nèi)包層21的折射率應小于外纖芯12的折射率，優(yōu)選地，外纖芯12相對于內(nèi)包層21的數(shù)值孔徑應小于等于0.2。外包層22的折射率應小于內(nèi)包層21的折射率，優(yōu)選地，內(nèi)包層21相對于外包層22的數(shù)值孔徑應大于等于0.2。內(nèi)包層21用于泵浦光的傳輸，為了促進內(nèi)纖芯11對于泵浦光的吸收，內(nèi)包層21優(yōu)選D型結(jié)構(gòu)或正多邊形(優(yōu)選地，正六邊形、正八邊形)結(jié)構(gòu)。

圖2為存在熱負載時，本發(fā)明熱致超大模場光纖的一種可能橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，箭頭表示折射率n的正方向，右側(cè)實線表示折射率分布。如前原理所述，內(nèi)纖芯11的增益介質(zhì)在產(chǎn)生激光的過程中，由于量子虧損效應產(chǎn)生熱量，熱擴散的結(jié)果，會使得溫度由內(nèi)纖芯11的中心向外單調(diào)下降。由于纖芯10的折射率隨著溫度的升高而升高，內(nèi)纖芯11的高溫就會使得內(nèi)纖芯11的折射率高于外纖芯12的折射率，從而形成了熱致波導結(jié)構(gòu)。圖2中假設包層20的折射率也是隨著溫度的升高而升高，因此，內(nèi)包層21和外包層22的折射率由內(nèi)向外遞減。不過，由于內(nèi)包層21相對于外包層22的數(shù)值孔徑較大，熱致折射率變化的影響與之相比可以忽略，因此包層20材料的熱致折射率變化不會對本發(fā)明的效果產(chǎn)生影響。

此外，本發(fā)明要求增益介質(zhì)只要能夠產(chǎn)生激光和熱量即可，具體粒子或元素對本發(fā)明的效果(即熱致波導結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生)影響不大。同時，內(nèi)包層、外包層的直徑大小只會影響到泵浦光的耦合和傳輸，對本發(fā)明的效果影響不大，在工藝許可的范圍內(nèi)，可結(jié)合泵浦光源的特性參數(shù)靈活設置，因此，在表1給出的實施例中不需要給出相關(guān)指標。同時，表1中內(nèi)包層相對于外包層的數(shù)值孔徑給出的最大值為0.46，這主要是參考現(xiàn)階段常用外包層材料的折射率，如果內(nèi)包層相對于外包層的數(shù)值孔徑大于0.46，仍滿足本發(fā)明的要求，對本發(fā)明的效果沒有影響。

實施例一

圖3給出了本發(fā)明的一個實施例(對應表1的第37個實施例)，箭頭表示折射率n的正方向，右側(cè)實線表示折射率分布。該實施例選用的內(nèi)纖芯11直徑為30微米，內(nèi)纖芯11中摻有的增益介質(zhì)為鉺離子和鐿離子，外纖芯12直徑為150微米，外纖芯12的折射率與內(nèi)纖芯11的折射率相等。內(nèi)包層21采用正六邊形結(jié)構(gòu)，且內(nèi)切圓直徑為400微米，外纖芯12相對于內(nèi)包層21的數(shù)值孔徑為0.1。外包層22為圓形，內(nèi)包層21相對于外包層22的數(shù)值孔徑為0.46。

表1中給出的864種實施例皆可以達到本發(fā)明的預期效果，即利用熱致波導結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超大模場的激光輸出。

實施例二

圖4給出了本發(fā)明的又一個實施例(對應表1的第527個實施例)，該實施例選用的內(nèi)纖芯11直徑為50微米，內(nèi)纖芯11中摻有的增益介質(zhì)為鐿離子，外纖芯12直徑為125微米，外纖芯12的折射率小于內(nèi)纖芯11的折射率，且兩者之差為0.00005。內(nèi)包層21采用正八邊形結(jié)構(gòu)，且內(nèi)切圓直徑為250微米，內(nèi)包層21相對于外纖芯12的數(shù)值孔徑為0.15。在外包層22內(nèi)包括一根多模光纖23，多模光纖23纖芯為圓形，直徑為250微米，且與內(nèi)包層21光學接觸。外包層22為圓形，內(nèi)包層21相對于外包層22的數(shù)值孔徑為0.35。

在表1給出實施例結(jié)構(gòu)的外包層中，加入K根纖芯與內(nèi)包層光學接觸的多模光纖，也可達到預期效果。

表1實施例匯總