本發(fā)明涉及一種大模場單模多層纖芯的瓣?duì)罟饫w，屬于大功率光纖放大器、激光器、特種光纖領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

摻稀土光纖放大器或激光器采用摻稀土元素(Nd，Sm，Ho，Er，Pr，Tm，Yb等)離子光纖，利用受激輻射機(jī)制實(shí)現(xiàn)光的直接放大。

光纖激光器以其卓越的性能和低廉的價格，在光纖通信、工業(yè)加工、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域取得了日益廣泛的應(yīng)用，2010年已經(jīng)報(bào)道了10kW功率的連續(xù)激光器。隨著激光技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，材料加工、空間通信、激光雷達(dá)、光電對抗、激光武器等的發(fā)展，需要高功率、高質(zhì)量的激光，要求單模輸出功率達(dá)到MW甚至GW量級。然而，非線性效應(yīng)限制了功率的增加。增加模場面積是抑制非線性效應(yīng)的一個有效方法。2011年，Tino Eidam等人發(fā)現(xiàn)模式不穩(wěn)現(xiàn)象是損害高功率光束質(zhì)量的主要因素。導(dǎo)致模式不穩(wěn)的因素包括橫向燒孔、發(fā)熱引起的光纖折射率變化等，這些使得高階模式獲得更高的增益。因此，抑制高階模式，保持單模運(yùn)行，是提高高功率光纖激光器和放大器性能的重要方式之一。

這些年來，許多新型的強(qiáng)激光光纖已經(jīng)被設(shè)計(jì)和制造。但是大部分的強(qiáng)激光光纖都有一定的缺陷，比如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大、彎曲特性差等。

由于現(xiàn)有的制造技術(shù)限制，利用傳統(tǒng)光纖制造方法很難實(shí)現(xiàn)數(shù)值孔徑低于0.05的階躍型光纖。

而僅僅采用單模有源纖芯的雙包層摻稀土光纖激光器，由于單模有源纖芯芯徑小于等于10微米，受到非線性、結(jié)構(gòu)元素和衍射極限的限制，承受的光功率有限，單模有源光纖纖芯連續(xù)波損壞閾值約1W/m2，其光學(xué)損壞危險成為實(shí)現(xiàn)大功率單模光纖激光器的一大挑戰(zhàn).除了光學(xué)損壞外，由于大功率光產(chǎn)生的熱也會損壞光纖，甚至?xí)罱K融化纖芯。有文獻(xiàn)報(bào)道，鉺鐿共摻光纖激光器每米可產(chǎn)生100W熱。

光子晶體光纖可以實(shí)現(xiàn)超大模場面積，不過其受到彎曲損耗的困擾，制造難度大、成本高。

多芯光纖激光器實(shí)現(xiàn)單模輸出，有效模場面積可達(dá)到465μm2。然而這種單模激光器采用的多芯光纖，對光纖纖芯的芯徑以及相鄰纖芯之間的距離需要精確的設(shè)計(jì)，對光纖纖芯之間的距離的容許誤差小，批量生產(chǎn)成品率低。

瓣?duì)罟饫w通過選取特定的光纖參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)單模工作。這種光纖，其特定的結(jié)構(gòu)是增加基模以外的損耗，實(shí)現(xiàn)了在芯層直徑在50微米的光纖中實(shí)現(xiàn)單模工作，然而其功率的提高受限于芯層半徑。

多溝槽光纖是一種新型光纖，通過多層形芯環(huán)繞，實(shí)現(xiàn)單模工作。這種光纖，工藝要求高，與普通光纖連接損耗大，彎曲引起的雙折射是克服不了的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有傳統(tǒng)光纖數(shù)值孔徑受限、單芯多摻稀土離子區(qū)雙包層光纖承受光功率有限、光子晶體光纖空氣孔制作難度大、大模場單模多芯光纖批量生產(chǎn)成品率低、瓣?duì)罟饫w芯層直徑有限、以及多溝槽光纖彎曲敏感等缺陷，提出了一種大模場單模多層纖芯的瓣?duì)罟饫w。

1.大模場單模多層纖芯的瓣?duì)罟饫w，該光纖中心為摻稀土離子芯區(qū)，由內(nèi)到外分布第一層硅環(huán)芯、第一層摻稀土離子環(huán)芯……第N層硅環(huán)芯、第N層摻稀土離子環(huán)芯，該光纖內(nèi)包層圍繞第N層摻稀土離子環(huán)芯均勻分布M個相同半徑和弧度的瓣?duì)罾w芯，內(nèi)包層，外包層，1≤N≤5整數(shù)，3≤M≤32整數(shù)；摻稀土離子芯區(qū)、第一層摻稀土離子環(huán)芯……第N層摻稀土離子環(huán)芯、瓣?duì)罾w芯的折射率相等；第一層硅環(huán)芯……第N層硅環(huán)芯的折射率相等；

第一層硅環(huán)芯……第N層硅環(huán)芯的折射率小于摻稀土離子芯區(qū)、摻稀土離子環(huán)芯、瓣?duì)罾w芯的折射率；內(nèi)包層的折射率小于第一層硅環(huán)芯……第N層硅環(huán)芯的折射率，外包層的折射率小于內(nèi)包層的折射率。

2.摻稀土離子芯區(qū)、第一層摻稀土離子環(huán)芯……第N層摻稀土離子環(huán)芯、瓣?duì)罾w芯的摻稀土離子類型包括釹離子、鉺離子、鐿離子、釷離子、鐠離子、鈥離子、釤離子、釹鐿共摻離子或鉺鐿共摻離子；摻稀土離子芯區(qū)、第一層摻稀土離子環(huán)芯……第N層摻稀土離子環(huán)芯、瓣?duì)罾w芯的摻稀土離子類型相同。

3.摻稀土離子芯區(qū)的纖芯直徑小于等于50μm；第一層摻稀土離子環(huán)芯……第N層摻稀土離子環(huán)芯的各環(huán)芯厚度小于等于5μm，瓣?duì)罾w芯的半徑小于等于25μm。

4.摻稀土離子芯區(qū)與第一層摻稀土離子環(huán)芯的最小距離小于等于5μm，各層摻稀土離子環(huán)芯之間的最小距離小于等于5μm，瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)……(4,M)均勻分布，瓣?duì)罾w芯由一根光纖預(yù)制棒處理成，各塊瓣?duì)罾w芯弧度等于360°除以M。

本發(fā)明的有益效果具體如下：一種大模場單模多層纖芯的瓣?duì)罟饫w，能實(shí)現(xiàn)大功率的激光輸出，通過調(diào)整光纖中心摻稀土離子芯區(qū)的面積、摻稀土離子環(huán)芯的厚度，以及摻稀土瓣?duì)罾w芯的半徑和角度，調(diào)節(jié)硅環(huán)芯的層數(shù)和厚度，實(shí)現(xiàn)光纖大的有效模場面積，能實(shí)現(xiàn)大功率單模激光輸出。由于硅環(huán)的存在和瓣?duì)罟饫w的角度可調(diào)節(jié)，從而有利于實(shí)現(xiàn)纖芯熱擴(kuò)散，有效地提高了光纖的抗熱能力和單模特性。瓣?duì)罾w芯可由一根光纖預(yù)制棒制成，節(jié)約了制造成本。

附圖說明

圖1為大模場面積單模1層3瓣光纖的光纖截面圖。

圖2為大模場面積單模1層4瓣光纖的光纖截面圖。

圖3為大模場面積單模1層6瓣光纖的光纖截面圖。

圖4為大模場面積單模1層16瓣光纖的光纖截面圖。

圖5為大模場面積單模3層3瓣光纖的光纖截面圖。

圖6為大模場面積單模3層4瓣光纖的光纖截面圖。

圖7為大模場面積單模3層6瓣光纖的光纖截面圖。

圖8為大模場面積單模3層16瓣光纖的光纖截面圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

實(shí)施例一

大模場面積單模1層3瓣光纖，參見圖1。該光纖中心為摻稀土離子芯區(qū)(1)，由內(nèi)到外分布第一層硅環(huán)芯(2，1)、第一層摻稀土離子環(huán)芯(3,1)，圍繞第一層摻稀土離子環(huán)芯(3，1)均勻分布3個相同半徑、弧度和厚度的瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)，內(nèi)包層(5)，外包層(6)，本實(shí)例中N＝1，M＝3；

摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)的摻稀土離子類型均為鉺離子。

摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)的折射率相等；

第一層硅環(huán)芯(2，1)的折射率小于摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)的折射率；內(nèi)包層(5)的折射率小于第一層硅環(huán)芯(2，1)的折射率，外包層(6)的折射率小于內(nèi)包層(5)的折射率

摻稀土離子芯區(qū)(1)的直徑為50μm，摻稀土離子環(huán)芯的厚度為3μm，瓣?duì)罾w芯的半徑為25μm，角度為120°

硅環(huán)芯的厚度為3μm。

實(shí)施例二

大模場面積單模1層4瓣光纖，參見圖2。該光纖中心為摻稀土離子芯區(qū)(1)，由內(nèi)到外分布第一層硅環(huán)芯(2，1)、第一層摻稀土離子環(huán)芯(3,1)，圍繞第一層摻稀土離子環(huán)芯(3，1)均勻分布4個相同半徑、弧度和厚度的瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)，內(nèi)包層(5)，外包層(6)，本實(shí)例中N＝1，M＝4；

摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的摻稀土離子類型均為鉺離子。

摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的折射率相等；

第一層硅環(huán)芯(2，1)的折射率小于摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的折射率；內(nèi)包層(5)的折射率小于第一層硅環(huán)芯(2，1)的折射率，外包層(6)的折射率小于內(nèi)包層(5)的折射率

摻稀土離子芯區(qū)(1)的直徑為50μm，摻稀土離子環(huán)芯的厚度為3μm，瓣?duì)罾w芯的半徑為25μm，角度為90°

硅環(huán)芯的厚度為3μm。

實(shí)施例三

大模場面積單模1層6瓣光纖，參見圖3。該光纖中心為摻稀土離子芯區(qū)(1)，由內(nèi)到外分布第一層硅環(huán)芯(2，1)、第一層摻稀土離子環(huán)芯(3,1)，該光纖內(nèi)包層圍繞第一層摻稀土離子環(huán)芯(3，1)均勻分布6個相同半徑和弧度的瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)，內(nèi)包層(5)，外包層(6)，本實(shí)例中N＝1，M＝6；

摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)，瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)的摻稀土離子類型均為鉺離子。

摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)，瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)的折射率相等；

第一層硅環(huán)芯(2，1)的折射率小于摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、瓣?duì)罾w芯(4,1)……(4,6)的折射率；內(nèi)包層(5)的折射率小于第一層硅環(huán)芯(2，1)的折射率，外包層(6)的折射率小于內(nèi)包層(5)的折射率

摻稀土離子芯區(qū)(1)的直徑為20μm，摻稀土離子環(huán)芯的厚度為3μm，瓣?duì)罾w芯的半徑為25μm，角度為60°

硅環(huán)芯的厚度為3μm。

實(shí)施例四

大模場面積單模1層16瓣光纖，參見圖4。該光纖中心為摻稀土離子芯區(qū)(1)，由內(nèi)到外分布第一層硅環(huán)芯(2，1)、第一層摻稀土離子環(huán)芯(3,1)，該光纖內(nèi)包層圍繞第一層摻稀土離子環(huán)芯(3，1)均勻分布16個相同半徑和弧度的瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)、(4,15)、(4,16)，內(nèi)包層(5)，外包層(6)，本實(shí)例中N＝1，M＝16；

摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)，瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)、(4,15)、(4,16)的摻稀土離子類型均為鉺離子。

摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)，瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)、(4,15)、(4,16)的折射率相等；

第一層硅環(huán)芯(2，1)的折射率小于摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、瓣?duì)罾w芯(4,1)……(4,16)的折射率；內(nèi)包層(5)的折射率小于第一層硅環(huán)芯(2，1)……第三層硅環(huán)芯(2，3)的折射率，外包層(6)的折射率小于內(nèi)包層(5)的折射率

摻稀土離子芯區(qū)(1)的直徑為20μm，摻稀土離子環(huán)芯的厚度為3μm，瓣?duì)罾w芯的半徑為25μm，角度為22.5°

硅環(huán)芯的厚度為3μm。

實(shí)施例五

大模場面積單模3層3瓣光纖，參見圖5。該光纖中心為摻稀土離子芯區(qū)(1)，由內(nèi)到外分布第一層硅環(huán)芯(2，1)、第一層摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、第二層硅環(huán)芯(2，2)、第二層摻稀土離子環(huán)芯(3,2)、第三層硅環(huán)芯(2，3)、第三層摻稀土離子環(huán)芯(3,3)，該光纖內(nèi)包層圍繞第三層摻稀土離子環(huán)芯(3，3)均勻分布3個相同半徑和弧度的瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)，內(nèi)包層(5)，外包層(6)，本實(shí)例中N＝3，M＝3；

摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)的摻稀土離子類型均為鉺離子。

摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)的折射率相等；

第一層硅環(huán)芯(2，1)……第三層硅環(huán)芯(2，3)的折射率相等；第一層硅環(huán)芯(2，1)……第三層硅環(huán)芯(2，3)的折射率小于摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)……(3,3)、瓣?duì)罾w芯(4,1)……(4,3)的折射率；內(nèi)包層(5)的折射率小于第一層硅環(huán)芯(2，1)……第三層硅環(huán)芯(2，3)的折射率，外包層(6)的折射率小于內(nèi)包層(5)的折射率

摻稀土離子芯區(qū)(1)的直徑為20μm，摻稀土離子環(huán)芯的厚度為3μm，瓣?duì)罾w芯的半徑為25μm，角度為120°

硅環(huán)芯的厚度為3μm。

實(shí)施例六

大模場面積單模3層4瓣光纖，參見圖6。該光纖中心為摻稀土離子芯區(qū)(1)，由內(nèi)到外分布第一層硅環(huán)芯(2，1)、第一層摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、第二層硅環(huán)芯(2，2)、第二層摻稀土離子環(huán)芯(3,2)、第三層硅環(huán)芯(2，3)、第三層摻稀土離子環(huán)芯(3,3)，該光纖內(nèi)包層圍繞第三層摻稀土離子環(huán)芯(3，3)均勻分布4個相同半徑和弧度的瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)，內(nèi)包層(5)，外包層(6)，本實(shí)例中N＝3，M＝4；

摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的摻稀土離子類型均為鉺離子。

摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的折射率相等；

第一層硅環(huán)芯(2，1)……第三層硅環(huán)芯(2，3)的折射率相等；第一層硅環(huán)芯(2，1)……第三層硅環(huán)芯(2，3)的折射率小于摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)……(3,3)、瓣?duì)罾w芯(4,1)……(4,4)的折射率；內(nèi)包層(5)的折射率小于第一層硅環(huán)芯(2，1)……第三層硅環(huán)芯(2，3)的折射率，外包層(6)的折射率小于內(nèi)包層(5)的折射率

摻稀土離子芯區(qū)(1)的直徑為20μm，摻稀土離子環(huán)芯的厚度為3μm，瓣?duì)罾w芯的半徑為25μm，角度為90°

硅環(huán)芯的厚度為3μm。

實(shí)施例七

大模場面積單模3層6瓣光纖，參見圖7。該光纖中心為摻稀土離子芯區(qū)(1)，由內(nèi)到外分布第一層硅環(huán)芯(2，1)、第一層摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、第二層硅環(huán)芯(2，2)、第二層摻稀土離子環(huán)芯(3,2)、第三層硅環(huán)芯(2，3)、第三層摻稀土離子環(huán)芯(3,3)，該光纖內(nèi)包層圍繞第三層摻稀土離子環(huán)芯(3，3)均勻分布6個相同半徑和弧度的瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)，內(nèi)包層(5)，外包層(6)，本實(shí)例中N＝3，M＝6；

摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的摻稀土離子類型均為鉺離子。

摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的折射率相等；

第一層硅環(huán)芯(2，1)……第三層硅環(huán)芯(2，3)的折射率相等；第一層硅環(huán)芯(2，1)……第三層硅環(huán)芯(2，3)的折射率小于摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)……(3,3)、瓣?duì)罾w芯(4,1)……(4,6)的折射率；內(nèi)包層(5)的折射率小于第一層硅環(huán)芯(2，1)……第三層硅環(huán)芯(2，3)的折射率，外包層(6)的折射率小于內(nèi)包層(5)的折射率

摻稀土離子芯區(qū)(1)的直徑為20μm，摻稀土離子環(huán)芯的厚度為3μm，瓣?duì)罾w芯的半徑為25μm，角度為60°

硅環(huán)芯的厚度為3μm。

實(shí)施例八

大模場面積單模3層16瓣光纖，參見圖8。該光纖中心為摻稀土離子芯區(qū)(1)，由內(nèi)到外分布第一層硅環(huán)芯(2，1)、第一層摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、第二層硅環(huán)芯(2，2)、第二層摻稀土離子環(huán)芯(3,2)、第三層硅環(huán)芯(2，3)、第三層摻稀土離子環(huán)芯(3,3)，該光纖內(nèi)包層圍繞第三層摻稀土離子環(huán)芯(3，3)均勻分布16個相同半徑和弧度的瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)、(4,15)、(4,16)，內(nèi)包層(5)，外包層(6)，本實(shí)例中N＝3，M＝16；

摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)、(4,15)、(4,16)的摻稀土離子類型均為鉺離子。

摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣?duì)罾w芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)、(4,15)、(4,16)的折射率相等；

第一層硅環(huán)芯(2，1)……第三層硅環(huán)芯(2，3)的折射率相等；第一層硅環(huán)芯(2，1)……第三層硅環(huán)芯(2，3)的折射率小于摻稀土離子芯區(qū)(1)、摻稀土離子環(huán)芯(3,1)……(3,3)、瓣?duì)罾w芯(4,1)……(4,16)的折射率；內(nèi)包層(5)的折射率小于第一層硅環(huán)芯(2，1)……第三層硅環(huán)芯(2，3)的折射率，外包層(6)的折射率小于內(nèi)包層(5)的折射率

摻稀土離子芯區(qū)(1)的直徑為20μm，摻稀土離子環(huán)芯的厚度為3μm，瓣?duì)罾w芯的半徑為25μm，角度為22.5°

硅環(huán)芯的厚度為3μm。