光纤设计方法技术

本发明专利技术的目的在于提供能够满足所希望的输出功率、传播距离和光束质量的要求条件的光束传播方法和设计光纤结构的光纤设计方法。本发明专利技术基于所希望的规格值，计算有效芯断面面积Aeff，通过适当地调整满足上述条件的光纤结构和传播的模数，确定光纤的结构。通过在使激光与以上述方式设计的光纤结合时控制高阶模式的激励比例，能够使高输出激光器的光保持光束质量来进行长距离传播。

Optical fiber design method

The purpose of the invention is to provide a beam propagation method that satisfies the requirements of the desired output power, propagation distance and beam quality, and designs an optical fiber design method for the optical fiber structure. Based on the desired specification value, the invention calculates the effective core section area Aeff, and adjusts the optical fiber structure and the modulus of propagation to meet the above conditions, and determines the structure of the optical fiber. By controlling the excitation ratio of high order mode when the laser is combined with the fiber designed in the above way, we can make the beam quality of high output laser propagate long distance.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光纤设计方法
本专利技术涉及一种高输出且高质量地传播光的光纤的设计方法。
技术介绍
现在，在利用光纤激光器进行的激光加工的领域中使用的光纤具有单模和多模两种。在用于激光加工的单模光纤中一般来说基准是作为光束质量尺度的M2的值在2以下。因此，由于与多模光纤相比，利用单模光纤来传播光纤激光器的射出光的一方，光束质量良好，所以加工上的优点多。但是，输出功率和能够传播的距离因非线性光学现象、特别是受激拉曼散射(SRS：StimulatedRamanScattering)而被限制，例如传播1kW以上的光波时，能够传播的距离限制为数米。因此，有时利用多模光纤将光纤激光器的输出功率从数十米传播到数百米而用于激光加工。但是，在多模光纤激光器中，光束质量和作为其尺度的M2的值必然比单模的光纤激光器劣化。并且，如非专利文献1所示，在单模光纤激光器中，虽然实现了能够得到10kW程度的输出，但是其传送用光纤(输送光纤)的长度被限制为数十米。这是因为为了在单模光纤中抑制所述SRS，需要如后所述扩大有效芯断面面积(Aeff)，但是为了同时实现弯曲损失的增加与交替，从而实现更大的Aeff，需要将传送用光纤的外径扩大为mm等级。由此，如果外径变粗，则存在如下问题：光纤失去可挠性，使光纤难以弯曲，从而容易发生断裂和破损，不适合于长距离的传送。综上所述，在现有技术中，利用单模光纤和光纤激光器将kW级的高功率光从数十米传播至数百米是非常困难的。为了解决上述问题，有效的是扩大作为光纤参数之一的有效芯断面面积Aeff(一般来说与模场直径的二次方成正比)，例如，研究了从非专利文献2至5记载的各种折射率分布的单模光纤的设计。但是，虽然现有技术文献中提出的光纤规定了Aeff的值，但是未明确相对于输出功率能够使用的传播距离等，并且未明确是否能够将kW级的高功率光传播数十米～数百米。此外，对于考虑该光纤设计的流程和实用性的光纤外径的范围等也没有明确。现有技术文献非专利文献非专利文献1：市毛等.，“具有低弯曲损失且大的有效芯断面面积的全固光子带隙光纤”，日本电子信息通信工程师协会大会，B-13-23，2012.非专利文献2：W.S.Wongetal.，“Breakingthelimitofmaximumeffectiveareaforrobustsingle-modepropagationinopticalfibers”，Opt.Lett.，vol.30，no.21，pp.2855-2857，2005.非专利文献3：M.Napeiralaetal.，“Extremelylarge-mode-areaphotoniccrystalfibrewithlowbendingloss”，Opt.Express，vol.18，no.15，pp.15408-15418，2010.非专利文献4：M.Kashiwagietal.，“Effectivelysingle-modeall-solidphotonicbandgapfiberwithlargeeffectiveareaandlowbendinglossforcompacthigh-powerall-fiberlasers”，Opt.Express，vol.20，no.14，pp.15061-15070，2012.非专利文献5：M.C.Swanetal.，“33μmCoreeffectivelysingle-modechirally-coupled-corefiberlaserat1064-nm”，OFC2008，OWU2，2008.非专利文献6：H.Yodaetal.，“Beamqualityfactorofhigherordermodesinastep-indexfiber”，J.LightwaveTechnol.，vol.24，no.3，pp.1350-1355，2006.非专利文献7：G.P.Agrawal，“NonlinearFiberOptics”，ACADEMICPRESS.非专利文献8：F.A.Oguamaetal.，“SimultaneousmeasurementoftheRamangaincoefficientandthenonlinearrefractiveindexofopticalfibers：theoryandexperiment”，J.Opt.Soc.Am.B，vol.22，no.2，pp.426-436，2005.非专利文献9：KunimasaSaitoh，MasanoriKoshiba，“Full-vectorialfiniteelementbeampropagationmethodwithperfectlymatchedlayersforanisotropicopticalwaveguides”，IEEEJ.Lightwavetechnol.，vol.19，no.3，pp.405-413，2001.非专利文献10：KunimasaSaitoh，MasanoriKoshiba，“Empricalrelationsforsimpledesignofphotoniccrystalfibers”，OpticalSocietyofAmerica，OpticsExpress，10January2005，Vol.13，No.1，pp.267-274.如上所述，相对于在以往的研究例中要求的输出功率、传播距离和光束质量的要求条件，未明确能够满足上述条件的光纤的结构。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供能够满足所希望的输出功率、传播距离和光束质量的要求条件的光纤及设计该光纤的光纤设计方法。为了达成所述目的，根据光纤的所希望规格计算Aeff并暂时确定光纤结构，并且考虑基本模式和高阶模式的弯曲损失值的关系，对光纤结构进行修正。具体地说，本专利技术的光纤设计方法进行如下步骤：规格值确定步骤，确定使用的光子晶体光纤(PCF)的光纤损失和拉曼增益系数、传播的光的使用波长、所述PCF传播后的光束质量M2、激光输出值、传播距离和最小弯曲半径；最多传播模数计算步骤，利用公式1来计算能够传播的最多传播模数n；有效芯断面面积计算步骤，利用公式2并根据光纤损失和拉曼增益系数来计算有效芯断面面积Aeff；光纤结构计算步骤，计算满足所述Aeff的PCF的空孔的直径d和间隔Λ；弯曲损失计算步骤，在由所述光纤结构计算步骤计算的结构的PCF中计算最小弯曲半径的弯曲损失，并且根据所述传播距离来计算传播长度的弯曲损失；确认步骤，确认所述传播长度的弯曲损失小于规定值，确定由所述光纤结构计算步骤计算的PCF的结构；以及模式增加步骤，在所述确认步骤中所述传播长度的弯曲损失在规定值以上时，使模数增加1，直到模数达到最多传播模数n为止，反复进行所述光纤结构计算步骤、所述弯曲损失计算步骤和所述确认步骤。将在后面对公式1和公式2进行说明。本专利技术的光纤设计方法根据要求条件计算光纤的必要Aeff，暂时设定满足上述条件的光子晶体光纤(PCF：PhotonicCrystalFiber)的结构，并且以弯曲损失小于规定值的方式对PCF的结构进行微调整。此外，能够以如下方法确定光纤结构。即，本专利技术的光纤设计方法进行如下步骤：规格值确定步骤，确定使用的光子晶体光纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤设计方法，其特征在于，进行如下步骤：规格值确定步骤，确定使用的光子晶体光纤(PCF)的光纤损失和拉曼增益系数、传播的光的使用波长、所述PCF传播后的光束质量M2、激光输出值、传播距离和最小弯曲半径；最多传播模数计算步骤，利用公式1来计算能够传播的最多传播模数n；有效芯断面面积计算步骤，利用公式2并根据光纤损失和拉曼增益系数来计算有效芯断面面积Aeff；光纤结构计算步骤，计算满足所述Aeff的PCF的空孔的直径和间隔；弯曲损失计算步骤，在由所述光纤结构计算步骤计算的结构的PCF中计算最小弯曲半径的弯曲损失，并且根据所述传播距离来计算传播长度的弯曲损失；确认步骤，确认所述传播长度的弯曲损失小于规定值，确定由所述光纤结构计算步骤计算的PCF的结构；以及模式增加步骤，在所述确认步骤中所述传播长度的弯曲损失在规定值以上时，使模数增加1，直到模数达到最多传播模数n为止，反复进行所述光纤结构计算步骤、所述弯曲损失计算步骤和所述确认步骤。[公式1]

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.14 JP 2015-082511;2015.09.18 JP 2015-185251.一种光纤设计方法，其特征在于，进行如下步骤：规格值确定步骤，确定使用的光子晶体光纤(PCF)的光纤损失和拉曼增益系数、传播的光的使用波长、所述PCF传播后的光束质量M2、激光输出值、传播距离和最小弯曲半径；最多传播模数计算步骤，利用公式1来计算能够传播的最多传播模数n；有效芯断面面积计算步骤，利用公式2并根据光纤损失和拉曼增益系数来计算有效芯断面面积Aeff；光纤结构计算步骤，计算满足所述Aeff的PCF的空孔的直径和间隔；弯曲损失计算步骤，在由所述光纤结构计算步骤计算的结构的PCF中计算最小弯曲半径的弯曲损失，并且根据所述传播距离来计算传播长度的弯曲损失；确认步骤，确认所述传播长度的弯曲损失小于规定值，确定由所述光纤结构计算步骤计算的PCF的结构；以及模式增加步骤，在所述确认步骤中所述传播长度的弯曲损失在规定值以上时，使模数增加1，直到模数达到最多传播模数n为止，反复进行所述光纤结构计算步骤、所述弯曲损失计算步骤和所述确认步骤。[公式1]...

【专利技术属性】
技术研发人员：松井隆，辻川恭三，山本文彦，半泽信智，
申请(专利权)人：日本电信电话株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP