一种纤芯尺寸纵向连续渐变的增益光纤制造技术

一种纤芯尺寸纵向连续渐变的增益光纤，包括纤芯(1‑1)、内包层(1‑2)和外包层(1‑3)，内包层(1‑2)包裹住纤芯(1‑1)，外包层(1‑3)包在内包层(1‑2)外；其中纤芯(1‑1)沿光纤长度方向包括依次连接的第一小尺寸区域(1‑4)、尺寸连续渐变区域(1‑5)、第二小尺寸区域(1‑6)，第一小尺寸区域(1‑4)和第二小尺寸区域(1‑6)横截面的外围尺寸不变，尺寸连续渐变区域(1‑5)为横截面的外围尺寸先逐渐变大再逐渐变小的连续渐变区域；内包层(1‑2)和外包层(1‑3)横截面的外围尺寸沿光纤长度方向恒定不变。

A Gain Fiber with Longitudinal Continuous Gradient Core Size

【技术实现步骤摘要】
一种纤芯尺寸纵向连续渐变的增益光纤
本专利技术总体地涉及光纤
，具体地涉及一种纤芯尺寸纵向连续渐变的增益光纤。
技术介绍
在光纤激光、光纤传感等领域，目前使用的增益光纤一般为纤芯尺寸沿光纤长度方向均匀的增益光纤，该类光纤制作工艺简单、易批量生产，在相关领域得到了广泛的应用。当前，有两类纤芯尺寸沿着光纤长度方向变化的光纤，一类是光纤纤芯直径沿着光纤长度方向单周期渐变的光纤，一类是是光纤纤芯直径沿着光纤长度方向多周期渐变的光纤。专利“一种基于拉锥光纤的湿度传感器”(CN201320141604)、“一种抗弯曲拉锥光纤及其制造方法”(CN201310641596)、“一种在拉锥光纤侧面高效沉积硫化钨的方法”(CN201410810484)、“一种硫系玻璃拉锥光纤的制备方法”(CN201510021302)、“一种在拉锥光纤上沉积二维材料的方法”(CN201610423416)、“一种拉锥光纤多参数辨识系统及其方法”(CN201611103462)、“基于拉锥光纤的相移光栅及其制作方法”(CN201710334994)等，提出一类单周期渐变的光纤，该类光纤中纤芯直径沿着光纤长度方向单调递增/递减，或者沿着光纤长度方向单周期的先减小再增大，在纤芯直径变化过程中，纤芯直径与包层直径的比例不变。专利“用于制作超窄线宽光纤激光器的微拉锥光纤及激光器(CN201310069242.1)”，提出利用一种拉锥区域轴向长度为1.5-2厘米、相邻两个拉锥区的轴向中心之间间隔4～6米的、总长度大于或等于80m的周期性多锥段光纤，在环形腔激光器中实现稳定的单频激光运转。专利“基于拉锥光纤的多波长可转换可调谐光纤激光器(CN201410106212.8)”，提出利用一种拉锥光纤锥区直径为4～10微米、长度为0.5～2厘米的周期性锥形光纤在环形激光器中实现不同波长的调谐输出。专利“基于拉锥光纤的可调谐双波长锁模光纤激光器(CN201610567283.7)”，提出利用一种调制周期为6.8～7.2纳米，锥腰为7.0～7.5微米的周期性拉锥光纤实现可调谐2微米波段双波长锁模光纤激光输出。在该类光纤的各个周期性的纤芯直径变化过程中，纤芯直径与包层直径的比例不变。上述两类尺寸渐变光纤中，光纤的纤芯直径与包层直径的比例沿着光纤长度方向保持不变，即纤芯减小时、包层也等比例减小，纤芯增大时、包层也等比例增大。然而，在高功率激光器等特定领域中，由于光纤的包层或内包层需要传输高功率的泵浦光，如果沿着光纤长度方向包层或内包层的直径变化、尤其是直径减小，会导致泵浦光从光纤的包层泄露和损耗，严重时会烧毁增益光纤。在某些特定领域，需要利用纤芯直径渐变的增益光纤。比如，在高功率全光纤振荡器中，为了抑制模式不稳定，一般需要采用纤芯直径和模场面积较小、归一化频率较低的增益光纤来抑制高阶模式的产生，从而提高激光器输出功率；但是，为了抑制非线性效应、提升受激拉曼散射的阈值，需要采用纤芯直径和模场面积较大的增益光纤。专利“一种纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤”(CN201810801515.X)提出一种纤芯尺寸纵向变化的光纤，光纤由五部分组成，第一、三、五部分的纤芯直径均匀不变，第二、四部分是过渡区域。但是由于现有增益光纤都是采用拉丝装置进行拉制，在实际拉制光纤的过程中，通过控制拉丝速度来控制光纤各处的尺寸，实现纤芯尺寸变化的光纤，针对于上述纤芯直径不变处的设计，在实际生产过程中很难控制拉丝机器的转动速度保证中间区域纤芯直径不变，从而实际生产光纤的纤芯尺寸难以达到该专利的要求。
技术实现思路
针对上述已有技术的不足，本专利技术提供了一种纤芯尺寸纵向连续渐变的增益光纤，能够简单有效的克服光纤中非线性效应以及模式不稳定效应，同时能够兼顾实际工艺生产设备需要。与专利“一种纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤”(CN201810801515.X)不同的是，本专利技术的增益光纤的内包层尺寸在沿着光纤长度方向上仅分为三部分，用一个中间位置的尺寸连续渐变区域替代专利“一种纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤”中的中间的大直径区域及其两端连接的两个尺寸过渡区域和，这种尺寸连续渐变区域更有助于平衡非线性效应和模式不稳定效应。本专利技术的技术方案为，一种纤芯尺寸纵向连续渐变的增益光纤，它包括纤芯、内包层和外包层，所述内包层包裹住纤芯，外包层包在内包层外，所述纤芯的横截面外围尺寸沿光纤长度方向先变大后变小，纤芯沿光纤长度方向包括依次连接的第一小尺寸区域、尺寸连续渐变区域、第二小尺寸区域；所述第一小尺寸区域和第二小尺寸区域的横截面外围尺寸不变，所述尺寸连续渐变区域为横截面外围尺寸先逐渐变大再逐渐变小的连续渐变区域；所述尺寸连续渐变区域两端的横截面外围尺寸分别同与之连接的第一小尺寸区域和第二小尺寸区域的横截面外围尺寸相等；所述内包层和外包层横截面的外围尺寸均沿光纤长度方向恒定不变；所述纤芯的折射率大于内包层的折射率，所述内包层的折射率大于外包层的折射率。进一步的，上述纤芯的横截面形状为圆形、正多边形、椭圆形、半圆形中的一种，但不限于上述形状，比如仿形三角形等；所述内包层的横截面和外包层的横截面外周的形状为圆形、正多边形、椭圆形、半圆形中的一种，但不限于所述形状；比如为为圆形或正八边形，不同形状的横截面形状可以使在纤芯中传输的光束充满整个纤芯空间，增大信号光与掺杂粒子之间的接触机率；纤芯、内包层和外包层三者横截面的几何中心重合。进一步的，上述纤芯为圆形，纤芯的第一小尺寸区域和第二小尺寸区域的直径相同，沿光纤长度方向恒定且不大于20微米；所述第一小尺寸区域和第二小尺寸区域的数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.1之间。合适的数值孔径在可以使得在20微米的纤芯中仅支持一到两个模式，从而有效抑制光纤中高阶模的激发与耦合。进一步的，上述纤芯的尺寸连续渐变区域的直径沿光纤长度方向变化为连续函数，连续函数的一种表现形式可以表示为如下式1)的形式：其中r表示光纤纤芯半径，z表示光纤长度分布，b为常数。进一步的，上述尺寸连续渐变区域的两端点处为直径最小值处，中心处的中央位置为直径最大值处；且尺寸连续渐变区域两端的最小直径值不小于与之连接的第一小尺寸区域和第二小尺寸区域的直径，中央位置的最大直径值不小于30微米；所述尺寸连续渐变区域的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.1之间。通过优化常数b可以实现不同的尺寸连续渐变区域变化，尺寸连续渐变区域变区域一方面可以抑制光纤激光器中受激拉曼散射的发生，另一方面连续变化的直径可以进行模式选择与控制，调整数值孔径使得在光纤激光器中获得所需要的光纤传输模式。进一步的，本专利技术中纤芯尺寸连续渐变区域的变化函数可以根据需要进行优化设计提高受激拉曼散射的阈值。根据受激拉曼散射地典型阈值功率估算公式：其中Aeff为增益光纤有效面积，gR是拉曼增益，Leff是光纤的有效长度。Leff等效于增益光纤内部功率纵向分布曲线下方的面积，可以通过参数的改变，得到使得这一面积最小时对应的变化函数。通过进行数值仿真，将光纤沿纵向的变化参数设为一个变量，计算恒定输入条件下的输出激光中的拉曼光功率，对不同的变化参数得到的结果进行比较，选择得到的拉曼功率最小的参数即可实现针对提高受激拉曼散射阈值的光纤设计。进一步的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纤芯尺寸纵向连续渐变的增益光纤，它包括纤芯(1‑1)、内包层(1‑2)和外包层(1‑3)，所述内包层(1‑2)包裹住纤芯(1‑1)，外包层(1‑3)包在内包层(1‑2)外，其特征在于，所述纤芯(1‑1)横截面的外围尺寸沿光纤长度方向先变大后变小，纤芯(1‑1)沿光纤长度方向包括依次连接的第一小尺寸区域(1‑4)、尺寸连续渐变区域(1‑5)、第二小尺寸区域(1‑6)；所述第一小尺寸区域(1‑4)和第二小尺寸区域(1‑6)横截面的外围尺寸沿光纤长度方向不变，所述尺寸连续渐变区域(1‑5)为横截面外围尺寸沿光纤长度方向先逐渐变大再逐渐变小的连续渐变区域；所述尺寸连续渐变区域(1‑5)两端的横截面外围尺寸分别同与之连接的第一小尺寸区域(1‑4)和第二小尺寸区域(1‑6)的横截面外围尺寸相等；所述内包层(1‑2)和外包层(1‑3)横截面的外围尺寸均沿光纤长度方向恒定不变；所述纤芯(1‑1)的折射率大于内包层(1‑2)的折射率，所述内包层(1‑2)的折射率大于外包层(1‑3)的折射率。

【技术特征摘要】
1.一种纤芯尺寸纵向连续渐变的增益光纤，它包括纤芯(1-1)、内包层(1-2)和外包层(1-3)，所述内包层(1-2)包裹住纤芯(1-1)，外包层(1-3)包在内包层(1-2)外，其特征在于，所述纤芯(1-1)横截面的外围尺寸沿光纤长度方向先变大后变小，纤芯(1-1)沿光纤长度方向包括依次连接的第一小尺寸区域(1-4)、尺寸连续渐变区域(1-5)、第二小尺寸区域(1-6)；所述第一小尺寸区域(1-4)和第二小尺寸区域(1-6)横截面的外围尺寸沿光纤长度方向不变，所述尺寸连续渐变区域(1-5)为横截面外围尺寸沿光纤长度方向先逐渐变大再逐渐变小的连续渐变区域；所述尺寸连续渐变区域(1-5)两端的横截面外围尺寸分别同与之连接的第一小尺寸区域(1-4)和第二小尺寸区域(1-6)的横截面外围尺寸相等；所述内包层(1-2)和外包层(1-3)横截面的外围尺寸均沿光纤长度方向恒定不变；所述纤芯(1-1)的折射率大于内包层(1-2)的折射率，所述内包层(1-2)的折射率大于外包层(1-3)的折射率。2.如权利要求1所述的纤芯尺寸纵向连续渐变的增益光纤，其特征在于，所述纤芯(1-1)横截面的形状为圆形、正多边形、椭圆形、半圆形中的一种；所述内包层(1-2)的横截面和外包层(1-3)横截面外周的形状为圆形、正多边形形、椭圆形形、半圆形形中的一种；纤芯(1-1)、内包层(1-2)和外包层(1-3)三者横截面的几何中心重合。3.如权利要求2所述的纤芯尺寸纵向连续渐变的增益光纤，其特征在于，所述纤芯(1-1)为圆形，纤芯(1-1)的第一小尺寸区域(1-4)和第二小尺寸区域(1-6)的直径相同，沿光纤长度方向恒定且不大于20微米；所述第一小尺寸区域(1-4)和第二小尺寸区域(1-6)的数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小林，叶云，奚小明，杨保来，史尘，张汉伟，王泽锋，周朴，司磊，许晓军，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43