平頂光子帶隙光纖的制作方法
【專利摘要】一種平頂光子帶隙光纖，纖芯由基質(zhì)材料和排布在正三角網(wǎng)格中的低折射率介質(zhì)柱所組成，包層由基質(zhì)材料和排布在正三角網(wǎng)格中的高折射率介質(zhì)柱組成，包層圍繞纖芯；且材料的折射率滿足nh＞nb＞nl；所述高折射率介質(zhì)柱形成正六邊形結(jié)構(gòu)高折射率介質(zhì)柱層；所述低折射率介質(zhì)柱形成正六邊形結(jié)構(gòu)低折射率介質(zhì)柱層；最外層低折射率介質(zhì)柱的直徑和其它低折射率介質(zhì)柱的直徑之間滿足dm＜dl。本發(fā)明通過引入低折射率介質(zhì)柱，采用不同尺寸的低折射率介質(zhì)柱形成平頂光束所需的折射率分布，并有效增大基模的面積。利用包層的高折射率介質(zhì)柱形成帶隙，對(duì)纖芯模式形成強(qiáng)的束縛?？梢詫⒈景l(fā)明光纖運(yùn)用于光纖激光器輸出端，以實(shí)現(xiàn)大模場的平頂光束輸出。
【專利說明】平頂光子帶隙光纖

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖激光器，尤其是一種平頂光子帶隙光纖。

【背景技術(shù)】
[0002]平頂型光束在激光加工領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用。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分布為平頂型，平頂型光束在激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用中能形成更好的強(qiáng)化效果。獲得平頂激光束的方法很多，采用光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行變換雖然可以獲得平頂光束，但系統(tǒng)穩(wěn)定性差；另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是呈類高斯型分布。要獲得平頂型的光場，就要采用特殊的光纖結(jié)構(gòu)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的就是提供一種具有大模場面積，且能夠?qū)崿F(xiàn)平頂光束輸出的平頂光子帶隙光纖。
[0004]本發(fā)明的平頂光子帶隙光纖，包括纖芯和包層，其特征在于，所述纖芯位于光纖中心，由基質(zhì)材料和排布在正三角網(wǎng)格中的低折射率介質(zhì)柱組成，所述包層由基質(zhì)材料和排布在正三角網(wǎng)格中的高折射率介質(zhì)柱組成，包層圍繞纖芯，且材料的折射率滿足nh > nb >n1；nb為基質(zhì)材料的折射率,?為低折射率介質(zhì)柱的折射率，nh為高折射率介質(zhì)柱的折射率；所述高折射率介質(zhì)柱形成正六邊形結(jié)構(gòu)高折射率介質(zhì)柱層；所述低折射率介質(zhì)柱形成正六邊形結(jié)構(gòu)低折射率介質(zhì)柱層，最外一層低折射率介質(zhì)柱的直徑和其它低折射率介質(zhì)柱的直徑之間滿足4 < (11； dm為最外一層的低折射率介質(zhì)柱的直徑，屯為內(nèi)層的低折射率介質(zhì)柱的直徑。
[0005]本發(fā)明的平頂光子帶隙光纖，作為進(jìn)一步的改進(jìn)，低折射率介質(zhì)柱的周期Ai與高折射率介質(zhì)柱的周期Ah滿足:；低折射率介質(zhì)柱的周期Ai與內(nèi)層低折射率介質(zhì)柱的直徑屯滿足:(^/ΛιΧλδ，低折射率介質(zhì)柱(2)的周期人1與最外層低折射率介質(zhì)柱的直徑七滿足噸/ct =3.5-4.5 ;高折射率介質(zhì)柱的周期Λ h與高折射率介質(zhì)柱的直徑dh滿足:0.2〈dh/Ah〈0.4，周期Λ是兩個(gè)相鄰介質(zhì)柱中心之間的間距。
[0006]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述高折射率介質(zhì)柱與基質(zhì)材料的折射率差滿足:
0.02〈nh-nb〈0.05 ;基質(zhì)材料與所述低折射率介質(zhì)柱的折射率差滿足:0.0005<nb-ni<0.002。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述高折射率介質(zhì)柱層的層數(shù)Y滿足，3彡Y彡5 ;纖芯中心與最內(nèi)層的高折射率介質(zhì)柱中心之間的距離的最大值為2Ah ;。
[0008]本發(fā)明的平頂光子帶隙光纖的技術(shù)效果:引入低折射率介質(zhì)柱，采用不同尺寸的低折射率介質(zhì)柱形成平頂光束所需的折射率分布，并有效增大基模的模場面積，同時(shí)利用包層的高折射率介質(zhì)柱形成帶隙，對(duì)纖芯模式形成強(qiáng)的束縛。本發(fā)明的光纖運(yùn)用于光纖激光器輸出端，可以實(shí)現(xiàn)大模場的平頂光束輸出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明光纖的模場分布圖；
圖3為纖芯由純石英組成時(shí)的全固態(tài)帶隙光纖的模場分布圖；
圖4為本發(fā)明的光纖基模的彎曲損耗曲線；
其中，1為基質(zhì)材料，2為低折射率介質(zhì)柱，3為高折射率介質(zhì)柱。

【具體實(shí)施方式】
[0010]一種平頂光子帶隙光纖由兩種直徑不同的低折射率介質(zhì)柱2組成，其中內(nèi)部的低折射率介質(zhì)柱2直徑較大，而最外層的低折射率介質(zhì)柱2的直徑較小，從而獲得效果更好的折射率分布。通過調(diào)整介質(zhì)柱直徑即可調(diào)節(jié)纖芯不同區(qū)域的等效折射率，從而使纖芯區(qū)的折射率分布可以得到精確控制。在制作時(shí)，低折射率介質(zhì)柱的折射率相同，也減小了制作工藝的復(fù)雜度。
[0011]圖1給出了本發(fā)明的一種實(shí)施例的橫截面示意圖，該光纖包括纖芯和包層，該纖芯由低折射率介質(zhì)柱2和其所包圍區(qū)域的基質(zhì)材料1構(gòu)成；該包層由基質(zhì)材料1和高折射率介質(zhì)柱3構(gòu)成。
[0012]要求高折射率介質(zhì)柱層數(shù)為3-5層。為保證光纖基模具有低束縛損耗，高折射率介質(zhì)柱層數(shù)不能太少，而為了有效去除光纖中的高階模，其層數(shù)又不能太多，高折射率介質(zhì)柱以3-5層為且。
[0013]低折射率介質(zhì)柱2并非可以任意放置，研究結(jié)果表明，非規(guī)則排布會(huì)導(dǎo)致模場的不均勻，使模場發(fā)生畸變，即低折射率介質(zhì)柱2排布要均勻且與包層形成良好銜接。為此，要求低折射率介質(zhì)柱2與高折射率介質(zhì)柱3的排布相同，即排布在正三角網(wǎng)格中。同時(shí)，低折射率介質(zhì)柱2的周期Λi與高折射率介質(zhì)柱3的周期Ah應(yīng)滿足-Λ,Λ,Λ，此周期選擇保證纖芯模式均勻分布，利于平頂光場的形成。此組成結(jié)構(gòu)可有效克服局域模的影響。
[0014]為保證光纖包層對(duì)纖芯模式具有足夠的束縛能力，一般取高折射率介質(zhì)柱3與基質(zhì)材料的折射率差為:0.02〈nh-nb〈0.05。由于高折射率介質(zhì)柱3的折射率大于基質(zhì)材料的折射率，即這是一種光子帶隙光纖。
[0015]為使纖芯區(qū)形成足夠的折射率差，內(nèi)層低折射率介質(zhì)柱2的直徑需要較大，而最外層低折射率介質(zhì)柱2的直徑要滿足一定比例，從而形成從纖芯中心向外:低-高-低-高的折射率分布。要求低折射率介質(zhì)柱2的周期Λ i與內(nèi)層低折射率介質(zhì)柱2的直徑屯滿足:屯/ Λ i > 0.5 ;低折射率介質(zhì)柱2的周期Λ1與最外層低折射率介質(zhì)柱2的直徑dm滿足:(^/4 =3.5-4.5 ;最外層低折射率介質(zhì)柱2與內(nèi)層低折射率介質(zhì)柱2之間通過介質(zhì)柱尺寸的不同形成一定的折射率差，從而使基模模場更為平坦。
[0016]低折射率介質(zhì)柱2引入的目的是使纖芯形成滿足要求的折射率分布。理論上，采用均勻低折射率纖芯的方法，也可以實(shí)現(xiàn)同樣的效果。但采用均勻低折射率纖芯會(huì)出現(xiàn)由局部高折射率區(qū)引起的局域模效應(yīng)，從而增大了光纖的模式損耗，影響其實(shí)際使用。需要指出的是，纖芯區(qū)需采用低折射率介質(zhì)柱的組合形成滿足要求的折射率分布。在纖芯中引入低折射率介質(zhì)柱的優(yōu)點(diǎn)包括:不會(huì)形成多芯光纖結(jié)構(gòu)，有效抑制光纖中高階模的出現(xiàn)，在較大的折射率變化條件下仍然具有均勻的模場分布。而采用高折射率介質(zhì)柱組成纖芯，不可避免地會(huì)出現(xiàn)能夠集中在高折射率介質(zhì)柱區(qū)域，而高折射率介質(zhì)柱區(qū)域需要摻雜較多高損耗材料，導(dǎo)致光纖更易發(fā)生光損傷。為得到更為均勻的模場分布，基質(zhì)材料1與所述低折射率介質(zhì)柱2的折射率差應(yīng)較小，同時(shí)，又有足夠的可調(diào)整區(qū)間，以便形成滿足要求的纖芯折射率分布，一般地有:0.0005<nb-ni<0.002。
[0017]下面以石英光纖，以工作波長為1064 nm為例，進(jìn)行說明:
如圖1，基質(zhì)材料采用純石英，高折射率介質(zhì)柱和低折射率介質(zhì)柱的材料采用摻雜的石英材料。其中低折射率介質(zhì)柱的周期Λ ,5.5 μ m,直徑(^=4 μ m, dm=l μ m,折射率nfl.449 ；高折射率介質(zhì)柱3的周期Λ h=l 1 μ m，直徑dh=l.8 μ m，折射率nh=l.48 ;基質(zhì)材料1的折射率為nb=1.45。光纖基模的模場面積1037 μ m2，相對(duì)比的，若纖芯由基質(zhì)材料組成，即不存在低折射率介質(zhì)柱，則其模場面積僅為633μπι2?？梢姡巾斝湍隹梢杂行У卦龃蠊饫w的模場面積，從而減小纖芯的光功率密度。光纖的模場分布如圖2所不,可見纖芯中模場分布呈平頂形式，且?guī)兜拇嬖冢蛊渚哂泻芏傅倪吘?，因而，其能量集中于纖芯且分布均勻。而相對(duì)比的，纖芯中沒有低折射率介質(zhì)柱時(shí)，其模場呈現(xiàn)高斯型分布，如圖3所示。如圖4所示，在帶隙和纖芯作用下，光纖基模具有低的彎曲損耗，在彎曲半徑為15cm時(shí)，彎曲損耗仍小于0.1 dB/m，保證了光纖運(yùn)用的靈活性和穩(wěn)定性。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)。
【權(quán)利要求】
1.一種平頂光子帶隙光纖，包括纖芯和包層，其特征在于:所述纖芯位于光纖中心，由基質(zhì)材料(I)和排布在正三角網(wǎng)格中的低折射率介質(zhì)柱(2)組成，所述包層由基質(zhì)材料(I)和排布在正三角網(wǎng)格中的高折射率介質(zhì)柱(3)組成，包層圍繞纖芯，且材料的折射率滿足nh> nb > Ii1, nb為基質(zhì)材料的折射率，Ii1為低折射率介質(zhì)柱(2)的折射率，nh為高折射率介質(zhì)柱(3)的折射率；所述高折射率介質(zhì)柱(3)形成正六邊形結(jié)構(gòu)高折射率介質(zhì)柱層；所述低折射率介質(zhì)柱(2)形成正六邊形結(jié)構(gòu)低折射率介質(zhì)柱層；最外一層低折射率介質(zhì)柱(2)的直徑和其它低折射率介質(zhì)柱(2)的直徑之間滿足Clni < K為最外一層的低折射率介質(zhì)柱(2)的直徑，Cl1為內(nèi)層低折射率介質(zhì)柱(2)的直徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平頂光子帶隙光纖，其特征在于:低折射率介質(zhì)柱(2)的周期A1與高折射率介質(zhì)柱(3)的周期A1JiMiA1ZA1=Z ;低折射率介質(zhì)柱(2)的周期A1與內(nèi)層低折射率介質(zhì)柱(2)的直徑Cl1滿足:(^/A1 > 0.5 ;低折射率介質(zhì)柱(2)的周期A1與最外層低折射率介質(zhì)柱(2)的直徑Clni滿足:(^/4=3.5-4.5 ;高折射率介質(zhì)柱(3)的周期Ah與高折射率介質(zhì)柱(3)的直徑dh滿足:0.2<dh/Ah<0.4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平頂光子帶隙光纖，其特征在于:所述高折射率介質(zhì)柱(3)與基質(zhì)材料(I)的折射率差滿足:0.02〈nh-nb〈0.05 ;基質(zhì)材料(I)與所述低折射率介質(zhì)柱(2)的折射率差滿足:0.0005<nb-ni<0.002。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的平頂光子帶隙光纖，其特征在于:所述高折射率介質(zhì)柱層的層數(shù)Y滿足3 < 5 ;纖芯中心與最內(nèi)層的高折射率介質(zhì)柱(3)中心之間的距離的最大值為2Ah。
【文檔編號(hào)】G02B6/02GK104316991SQ201410613176
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】王 華, 陳明陽, 祝遠(yuǎn)鋒, 李路明, 楊濟(jì)海, 陳磊 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)江西省電力公司信息通信分公司