專利名稱：帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層光纖，光纖放大器和光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖放大器，光纖激光器，和作為光放大媒體的帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包 層光纖，屬于光纖放大器、光纖激光器、特種光纖領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖激光器及光纖放大器通常采用纖芯泵浦技術(shù)，最初的增益光纖采用普通的單 包層結(jié)構(gòu)，在纖芯中摻入激活離子作為增益介質(zhì)，泵浦光與信號(hào)光均在光纖纖芯中傳輸，因 此必須把泵浦光高效耦合到光纖纖芯中。由于纖芯直徑只有幾個(gè)微米，與泵浦源耦合效率 低，從而使激光輸出功率也很低，限制了其使用范圍。為了提高光纖激光器的輸出功率，人 們提出了雙包層結(jié)構(gòu)光纖，即在普通單包層結(jié)構(gòu)光纖的纖芯和包層之間引入一個(gè)內(nèi)包層， 使整個(gè)光纖包括三個(gè)部分纖芯、內(nèi)包層和外包層。包含激活離子的單模纖芯被折射率低于 纖芯的多模圓形內(nèi)包層所包圍，該內(nèi)包層又被折射率更低的外包層所包圍，泵浦光注入到 內(nèi)包層中，并被內(nèi)包層界面處的全內(nèi)反射所限制，當(dāng)在內(nèi)包層中傳輸?shù)谋闷止饨?jīng)過纖芯時(shí)， 被纖芯中激活離子吸收，從而實(shí)現(xiàn)包層泵浦。在制作光纖時(shí)，使內(nèi)包層的幾何尺寸比纖芯大 很多，同時(shí)使內(nèi)包層和外包層折射率函數(shù)的數(shù)值孔徑也盡量大這樣可以有效的接受多模泵 浦光的功率，從而提高激光輸出功率。盡管摻鐿雙包層光纖激光器具有如此多的優(yōu)點(diǎn)及如 此巨大的應(yīng)用價(jià)值，但其單纖輸出功率仍然較低，其存在于光纖的原因主要是(1)雙包層 光纖激光器纖芯增益介質(zhì)中儲(chǔ)存的能量受限于纖芯截面積；(2)由于纖芯截面積較小，高 功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)諸如受激喇曼散射(SRS)和受激布里淵散射(SBS)等非線性光學(xué)效應(yīng)；高能量密度對(duì)光纖端面的破壞作用也使得輸出功率難以提高。而且現(xiàn)有工藝設(shè)計(jì)制造 的光纖在提高輸出功率和光束質(zhì)量?jī)烧咧g存在著矛盾，因此為了獲得更高功率的輸出， 常規(guī)的“小芯徑、大數(shù)值孔徑”的光纖設(shè)計(jì)已經(jīng)不適合大功率輸出的應(yīng)用。而具有高稀土元 素?fù)诫s濃度，同時(shí)其芯徑相對(duì)較大而數(shù)值孔徑相對(duì)較小的所謂“大模場(chǎng)面積”(LMA)光纖卻 能夠克服這些限制。因此大模場(chǎng)面積雙包層光纖成為目前有源光纖研制的熱點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn) 更大功率光纖激光器的基模激光輸出，受光纖內(nèi)部損傷閾值和非線性效應(yīng)的影響，需要進(jìn) 一步降低纖芯的功率密度，進(jìn)而需要增加纖芯的直徑，但是增加纖芯的直徑后就會(huì)存在多 模激光振蕩輸出。為保證激光基模輸出，就要降低纖芯的NA值。但是NA值的降低使得在纖 芯對(duì)其激發(fā)的光的模式的約束力大大降低，激光模式會(huì)延伸到內(nèi)包層，這將導(dǎo)致內(nèi)包層的 尺寸擴(kuò)大，會(huì)造成以下問題(1)導(dǎo)熱性降低，失去光纖激光器導(dǎo)熱性好的最大優(yōu)勢(shì)；(2)光 纖柔韌性降低，增加制造成本；(3)光纖在受到擠壓和彎曲的狀態(tài)下，易發(fā)生模式的泄漏， 影響輸出激光的穩(wěn)定性，為光纖激光器和光纖放大器的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的雙包層光纖在制作大功率光纖激光器及光纖放大器 時(shí)存在的上述問題，對(duì)雙包層光纖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提供一種具有大芯徑、低NA值，既能保 證激光基模輸出，又不會(huì)增大內(nèi)包層尺寸的帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層光纖，且其可用于制作低成本的光纖放大器和光纖激光器。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，所述的一種帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層光纖，包括纖芯 1、內(nèi)包層2、外包層3、保護(hù)層4，其中內(nèi)包層2上具有高低折射率層多層呈周期性交疊分布 的徑向同軸布拉格結(jié)構(gòu)區(qū)。且布拉格結(jié)構(gòu)區(qū)由高低折射率周期性交疊的徑向同軸異質(zhì)材料 構(gòu)成。本發(fā)明中的一種光纖放大器，包括前述的帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層光纖；和一個(gè) 或多個(gè)泵浦光源，用于給所述帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層光纖提供泵浦光。本發(fā)明中的一種光纖激光器，包括前述的帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層光纖；一個(gè)或 多個(gè)泵浦光源，用于給所述帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層光纖提供泵浦光；和諧振器，用于諧振來(lái) 自所述帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層光纖的放大信號(hào)。采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明所述帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層光纖具有大芯徑、低NA值，由于泵浦光與信號(hào) 光的波長(zhǎng)不同，可以設(shè)計(jì)布拉格結(jié)構(gòu)區(qū)參數(shù)使得布拉格波長(zhǎng)與信號(hào)光波長(zhǎng)相一致，使得泵 浦光能夠無(wú)損耗通過布拉格區(qū)入射到纖芯中，而信號(hào)光在經(jīng)過布拉格區(qū)域時(shí)信號(hào)光基模發(fā) 生全向發(fā)射，進(jìn)而將信號(hào)光基模限制在纖芯區(qū)傳輸。因此可以在不擴(kuò)大內(nèi)包層尺寸的情況 下，實(shí)現(xiàn)大功率激光基模穩(wěn)定輸出。且有利于大功率激光輸出時(shí)熱量管理。所以用本發(fā)明 帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層光纖，適合于制作低成本的高功率高光束質(zhì)量光纖放大器和光纖激 光器。


圖1是本發(fā)明所述帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層光纖橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所述帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層光纖沿纖芯剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明所述光纖放大器和光纖激光器中泵浦光側(cè)面耦合效應(yīng)圖；圖中1.纖芯，2.內(nèi)包層，3.外包層，4.保護(hù)層，5.泵浦光
具體實(shí)施例方式為進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖及 實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明提出的所述帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層光纖，光纖放大器和光纖激光器，進(jìn)行 詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明用于大功率光纖激光器的雙包層光纖如圖1所示，包括纖芯1、內(nèi)包層2、外 包層3和保護(hù)層4。纖芯1由磷酸鹽玻璃材料摻雜激光激活離子構(gòu)成，內(nèi)包層2是由與纖 芯基體材料可匹配熔接的無(wú)機(jī)材料構(gòu)成，內(nèi)包層上具有高低折射率層多層呈周期性交疊分 布的徑向同軸布拉格結(jié)構(gòu)區(qū)。其中，布拉格結(jié)構(gòu)區(qū)由高低折射率周期性交疊的徑向同軸異 質(zhì)材料構(gòu)成，可用于制作布拉格結(jié)構(gòu)區(qū)的材料及嵌入材料具有多樣性，石英、玻璃、晶體、半 導(dǎo)體-聚合物基等材料均可用用于制作布拉格結(jié)構(gòu)區(qū)，且包層的周期數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況設(shè) 定。外包層3與內(nèi)包層2同為泵浦光通道，外包層是雙包層光纖的最外層，通常采用聚合物 光學(xué)材料。如圖3所示將泵浦光側(cè)面耦合入雙包層光纖，在包層中傳輸，入射到纖芯中，對(duì) 摻雜纖芯的摻雜離子進(jìn)行泵浦，可以設(shè)計(jì)布拉格結(jié)構(gòu)區(qū)參數(shù)使得布拉格波長(zhǎng)與信號(hào)光波長(zhǎng) 相一致，使得泵浦光能夠無(wú)損耗通過布拉格區(qū)入射到纖芯中，而信號(hào)光在經(jīng)過布拉格區(qū)域時(shí)信號(hào)光基模發(fā)生全向發(fā)射，進(jìn)而將信號(hào)光基模限制在纖芯區(qū)傳輸。經(jīng)過上述過程，將信號(hào) 光放大得到高功率高光束質(zhì)量光纖放大器。在雙包層光纖兩端加上諧振器便可得到高功率 高光束質(zhì)量光纖激光器。 根據(jù)以下描述可以進(jìn)一步清楚本發(fā)明的應(yīng)用范圍。然而應(yīng)當(dāng)明白，雖然給出了本 發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但僅僅為了說(shuō)明的目的。根據(jù)這些詳細(xì)的描述，本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員顯然知 道，在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以作各種變化和改動(dòng)。
權(quán)利要求
一種帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層光纖，包括纖芯(1)、內(nèi)包層(2)、外包層(3)、保護(hù)層(4)，其特征在于內(nèi)包層(2)上具有高低折射率層多層呈周期性交疊分布的徑向同軸布拉格結(jié)構(gòu)區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層光纖，其特征在于內(nèi)包層(2) 中布拉格結(jié)構(gòu)區(qū)由高低折射率周期性交疊的徑向同軸異質(zhì)材料構(gòu)成。
3.一種光纖放大器，其特征在于包括按照權(quán)利要求1所述的帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層 光纖；和一個(gè)或多個(gè)泵浦光源，用于給所述帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層光纖提供泵浦光。
4.一種光纖激光器，其特征在于包括按照權(quán)利要求1所述的帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層 光纖；一個(gè)或多個(gè)泵浦光源，用于給所述帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層光纖提供泵浦光；和諧振 器，用于諧振來(lái)自所述帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層光纖的放大信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及帶布拉格結(jié)構(gòu)的雙包層光纖，包括纖芯1、內(nèi)包層2、外包層3，保護(hù)層4，在內(nèi)包層2上具有高低折射率層周期性交疊分布的徑向同軸布拉格結(jié)構(gòu)區(qū)。本發(fā)明所述的雙包層光纖，具有大芯徑、低NA值，通過給該光纖提供泵浦光，放大傳播通過該光纖的信號(hào)，可在不增大內(nèi)包層尺寸的情況下，實(shí)現(xiàn)高功率激光基模輸出，且有利于高功率激光輸出時(shí)熱量管理，適于制作高功率高光束質(zhì)量光纖激光器及光纖放大器。
文檔編號(hào)H01S3/067GK101969173SQ20101028585
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者代京京, 王智勇, 王璞 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)