热致超大模场光纤制造技术

本发明专利技术公开了一种热致超大模场光纤，目的是解决纤芯数值孔径降低受限的问题和制作难度大的问题。热致超大模场光纤由纤芯和包层组成，纤芯材料的折射率随着温度的增加而增加；纤芯包括内纤芯和外纤芯，且内纤芯位于外纤芯的中心，内纤芯的折射率小于等于外纤芯的折射率；内纤芯中掺有增益介质；外纤芯中不含增益介质；内纤芯直径大于等于20微米，内纤芯直径与外纤芯直径的比值小于等于50％；包层中不含增益介质，包括内包层和外包层；外包层包裹内包层，内包层包裹外纤芯；内包层的折射率小于外纤芯的折射率；外包层的折射率小于内包层的折射率。本发明专利技术内纤芯数值孔径进一步的降低，制作难度降低，且缓解了包层光滤除压力。

Thermally excited super mode fiber

The invention discloses a thermally stimulated super mode field optical fiber, in order to solve the problem that the numerical aperture of a fiber core is limited and the manufacture is difficult. Thermally induced by large mode of fiber core and cladding, the core material of the refraction rate increases with the increase of temperature; the core comprises an inner core and outer core, the core is located in the center of the outer core and inner core, refraction rate is less than or equal to the outer core of the refraction rate; the inner core with gain medium; the gain medium not containing outer core; the inner core diameter is greater than or equal to 20 microns in diameter, the ratio of core and core diameter less than or equal to 50%; the gain medium not containing the cladding, including the inner and outer layers of cladding; outer cladding inner cladding the inner cladding, wrapped in fiber core; refractive index of the cladding is smaller than that of the outer core layer of the outsourcing rate; refraction rate is less than in the refractive index of the cladding. The invention further reduces the numerical aperture of the fiber core, reduces the manufacturing difficulty and alleviates the filtering pressure of the cladding light.

【技术实现步骤摘要】
热致超大模场光纤
本专利技术涉及激光器
尤其涉及一种基于热效应实现波导结构，并能够实现超大模场激光输出、制作工艺简单的有源光纤。
技术介绍
光纤激光器具有质量轻、结构紧凑、寿命长、光束质量好、抗干扰能力强等特点，在通信、传感、机械加工、医疗、科研以及国防军事等领域具有广泛的应用。特别是随着近年来光纤激光器功率水平的飞速发展，光纤激光器的应用范围也在不断拓展，受关注的程度也越来越高。尽管光纤激光器的功率水平有了突飞猛进的发展，达到了10kW量级。但是，单根光纤激光器的功率水平进一步提升仍要受到非线性效应的限制，而超大模场光纤是缓解这一功率极限的有效途径。超大模场光纤是指能够支持超大模场光场(一般地，模场直径应大于等于30微米)传输的光纤，常作为掺杂增益光纤用于光纤激光器，以产生具有超大模场的激光光场。超大模场光纤是通过增加光场的模场直径或面积，来提升光纤激光器中的非线性效应阈值，从而实现非线性效应的抑制。超大模场光纤的关键在于如何在增加模场面积的同时，减少输出光场的模式数量，从而保证输出光场的光束质量。之所以这是关键，是因为增加模场面积，就需要增加光纤纤芯的直径，而纤芯直径的增加就会增加纤芯的归一化频率(正比于纤芯直径和数值孔径的乘积，归一化频率越大，纤芯中光场传输的模式越多)，这会导致输出光场模式数量的增加，影响光场的光束质量。现阶段，实现超大模场光纤主要有两种方案。一是降低纤芯的数值孔径，也就是降低纤芯和包层之间的折射率差，从而在保证归一化频率或模式数量满足要求的前提下，增加纤芯直径，从而实现模场面积的增加。不过，受工艺所限，纤芯的数值孔径不能无限降低，现阶段实现的最低数值孔径为0.028，相应的纤芯直径约为30～40微米。另一种方案是在光纤中引入微结构(如：周期排列的微米量级小孔)，以增加高阶模式的损耗或低阶模式的增益，从而实现输出光场模式的控制。基于这种方案实现的超大模场光纤种类较多，如泄露通道光纤、手征纤芯光纤、大间隔光子晶体光纤等，利用这种方案，模场直径可以增加到50～100微米。不过，这种方案的光纤微结构设计比较复杂，制作工艺复杂，为光纤的工程化生产带来了难度。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是解决第一种方案中纤芯数值孔径降低受限的问题，在不引入微结构的前提下，增加光纤的纤芯直径，从而解决第二种方案中因引入微结构导致的制作难度大的问题。为解决所述技术问题，本专利技术公开的新型超大模场光纤是一种基于热效应产生波导结构的超大模场光纤，该光纤由纤芯和包层组成。要求该光纤的纤芯材料的折射率随着温度的增加而增加。纤芯包括内纤芯和外纤芯，内纤芯和外纤芯皆为圆形，且内纤芯位于外纤芯的中心，内纤芯的折射率小于等于外纤芯的折射率(优选地，内纤芯折射率与外纤芯折射率的差别小于0.0001)。内纤芯中掺有增益介质，增益介质是指能够产生光场并能够实现光场受激放大的粒子或元素，如：铒、镱、铥、钬、镨、铷、铋，要求增益介质能够通过吸收泵浦光，在特定两个能级之间实现粒子数反转，并利用粒子在这两个能级之间的受激跃迁过程产生激光，在产生激光的同时，能够基于量子亏损效应产生热量。外纤芯中不含增益介质。内纤芯直径应大于等于20微米(优选地，应大于等于30微米)，内纤芯直径与外纤芯直径的比值应小于等于50％。这里需要注意的是，内纤芯越大、内纤芯直径与外纤芯直径的比值越小，外纤芯的直径越大，相应的，最终光纤整体横截面的直径也就越大。因此，内纤芯直径和内纤芯直径与外纤芯直径的比值这两个参数可在拉制工艺允许的条件下选取。包层中不含增益介质，包括内包层和外包层。外包层包裹内包层，内包层包裹外纤芯。内包层的折射率小于外纤芯的折射率，优选地，外纤芯相对于内包层的数值孔径(等于外纤芯的折射率与内包层折射率的平方差的平方根)小于等于0.2。外包层的折射率小于内包层的折射率，优选地，内包层相对于外包层的数值孔径(内包层的折射率与外包层折射率的平方差的平方根)应大于等于0.2。内包层用于泵浦光的传输，内包层横截面可为圆形、D型、正多边形，为了促进内纤芯对于泵浦光的吸收，优选公知的D型结构(如：文献“Optimizedabsorptioninachaoticdouble‐cladfiberamplifier”(混沌双包层光纤放大器的吸收优化)，作者：ValérieDoya、OlivierLegrand和FabriceMortessagne，出处：OpticsLetters，2001，26(12)，872‐874))的图1、图2及第873页第二段中关于“D‐shapedinnercladding”(D型内包层)的描述)或正多边形(优选地，正六边形、正八边形)结构。可选地，本专利技术所公开的超大模场光纤也可采用侧面泵浦耦合结构即在外包层内加入K个与内包层光学接触的多模光纤作为泵浦光传输通道，K应为小于等于[π(1+R1/r1)]的自然数，其中，R1为内包层直径(若内包层横截面为圆形，则为圆形直径；若内包层横截面为D型或正多边形，则为D型或正多边形外接圆直径)，r1为多模光纤的最小纤芯直径，泵浦光在多模光纤中传输的过程，通过光学接触(如倏逝波耦合)耦合到内包层中，并泵浦内纤芯中的增益介质，从而产生激光。具体结构可采用但不限于专利2011102505933公开的侧面泵浦光纤结构或美国专利US7660034和US7221822的多光纤组合结构(Multi‐FiberArrangement)。本专利技术的原理是利用内纤芯中的热效应产生波导结构，从而打破现有方案中数值孔径的限制，实现超大模场面积的光场传输。具体原理是：由于内纤芯中掺有增益介质，内纤芯中的增益介质吸收泵浦光后，在产生激光的同时，由于公知的量子亏损(随吸收泵浦光能量的增加而增加)的存在，还会产生热量(称为热负载)。从而使得内纤芯的温度大于外纤芯及内外包层的温度(因为外纤芯和内外包层中不含增益介质，也就不会产生热量，因此其温度应由外界环境温度决定)，这使得温度从内纤芯经由外纤芯和内外包层向外扩散，从而产生了温度由内纤芯中心向外包层逐渐减小的热分布。由于光纤材料的折射率随温度的升高而增加，内纤芯的高温就会使得内纤芯的折射率高于外纤芯的折射率，从而形成了新的波导结构(称为热致波导结构)。因此，即使该光纤在没有热负载(即不产生激光)时，内纤芯的折射率小于外纤芯的折射率(此时无法将光场约束在内纤芯中，也称为反波导结构，见图1)；当该光纤用于产生激光时，内纤芯中的热负载产生的热致波导结构同样可以使得内纤芯的折射率大于外纤芯的折射率(见图2)，从而将产生的激光约束在内纤芯中传输。由于这种波导结构是由内纤芯中增益介质产生的热负载导致的，而该热负载与泵浦光吸收有关，因此，可以通过调节泵浦光吸收(可采用但不限于改变泵浦光功率)来调节内纤芯中的热负载，进而调节热致波导结构(包括内纤芯与外纤芯的折射率差)；由于没有温升时，内纤芯的折射率小于或等于外纤芯的折射率，因此，利用该原理，可以实现任意小的内纤芯数值孔径(定义为内纤芯平均折射率与外包层平均折射率的平方差的平方根，见图2)，从而打破了现有方案对于纤芯数值孔径的限制，使纤芯直径得到进一步提升，实现具有超大模场的激光输出。本专利技术的技术效果：1、利用热效应产生波导结构(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热致超大模场光纤，其特征在于热致超大模场光纤由纤芯和包层组成，要求纤芯材料的折射率随着温度的增加而增加；纤芯包括内纤芯和外纤芯，内纤芯和外纤芯皆为圆形，且内纤芯位于外纤芯的中心，内纤芯的折射率小于等于外纤芯的折射率；内纤芯中掺有增益介质；外纤芯中不含增益介质；内纤芯直径大于等于20微米；内纤芯直径与外纤芯直径的比值小于等于50％；包层中不含增益介质，包括内包层和外包层；外包层包裹内包层，内包层包裹外纤芯；内包层的折射率小于外纤芯的折射率；外包层的折射率小于内包层的折射率。

【技术特征摘要】
1.一种热致超大模场光纤，其特征在于热致超大模场光纤由纤芯和包层组成，要求纤芯材料的折射率随着温度的增加而增加；纤芯包括内纤芯和外纤芯，内纤芯和外纤芯皆为圆形，且内纤芯位于外纤芯的中心，内纤芯的折射率小于等于外纤芯的折射率；内纤芯中掺有增益介质；外纤芯中不含增益介质；内纤芯直径大于等于20微米；内纤芯直径与外纤芯直径的比值小于等于50％；包层中不含增益介质，包括内包层和外包层；外包层包裹内包层，内包层包裹外纤芯；内包层的折射率小于外纤芯的折射率；外包层的折射率小于内包层的折射率。2.如权利要求1所述的热致超大模场光纤，其特征在于所述内纤芯折射率与外纤芯折射率的差别小于0.0001。3.如权利要求1所述的热致超大模场光纤，其特征在于所述增益介质是指能够产生光场并能够实现光场受激放大的粒子或元素，要求增益介质能够通过吸收泵浦光，在特定两个能级之间实现粒子数反转，并利用粒子在这两个能级之间的受激跃迁过程产生激光，在产生激光的同时，能够基于量子亏损效应产生热量。4.如权利要求3所述的热致超大模场光纤，其特征在于所述增益介质指铒、镱、铥、钬、...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹涧秋，刘文博，奚小明，孔令超，王泽锋，陈金宝，陆启生，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43