专利名称：一种自组织相干光纤波导及其制造方法
技术领域：
本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种能够进行激光自组织相干的光纤波导及其制造方法。
背景技术：
光纤激光器是用光纤作激光增益介质或上转换介质的激光器，1964年世界上第一代玻璃激光器就是最初的钕玻璃光纤激光器。光纤激光器发展的初始阶段使用的光纤纤芯很细，最初的泵浦源很难聚焦到光纤芯部，技术的限制导致光纤激光器在以后的二十余年中没有得到很好的发展。80年代后，随着半导体激光器泵浦技术与激光耦合技术等各种能量光电子技术进步，以及大芯径双包层有源光纤与高激光能量光纤的发展，光纤激光器得到了前所未有的发展掺镱、掺铒、铒镱共掺、掺铥、掺钕各种光纤激光器全面发展；有源光纤的芯径从几个微米发展到50微米以上，甚至向百微米芯径的方向发展；多模泵浦技术从端泵技术发展到侧泵，从单泵发展到多泵；光纤激光器的功率从最初的5W发展到千瓦级。目前，掺镱光纤激光器的单根光纤输出连续激光功率已经达到2.2kW，采用掺镱光子晶体光纤制造的掺镱光纤激光器的单根光纤输出连续激光功率已经达到1.53kW。
随着光纤激光应用领域的迅速拓展和技术进步，在很多领域，例如激光切割与激光焊接等材料加工领域，激光雷达与激光制导等激光武器，以及空间光通讯、遥感和光电对抗等领域都对光纤激光器的激光功率与光束质量提出了更高的要求。因此，如何把多束较高功率激光高效地组合在一起输出更高功率的高功率光纤激光器已经成为现实的研究课题。通过将多台百瓦级的光纤激光组合，美国IPG公司已经制造出50kW掺镱光纤激光器，可以焊接38.1mm厚的钢板。激光的组束技术包括受激布里渊散射光纤组束、利用衍射光学元件激光组束和全光纤组束等组束技术。但是，常规的光纤激光组束技术只是将各束各个光纤激光的输出通过一些光学元件进行简单的合并为一束，由于各个光纤激光之间没有相位上的关系，是非相干的，这种组束技术可以使总的激光功率提高，但光束质量相对于单根光纤激光来说却变差很多。
为了在提高激光功率的同时，保持光纤激光良好的光束质量，提出了高功率光纤激光的相干组束技术。2002年，在美国国防部和美国空军的支持下，新墨西哥大学空军实验室和麻省理工(MIT)大学林肯实验室采用主振荡器并联激光功率放大系统(MOPAMain Oscillator Power Amplify)结构下的波长组束技术进行了五个掺镱光纤激光器的激光光束组束实验。美国诺斯洛普格拉曼(NorthropGrumman前身为西屋公司的Science and Technology Center)航空技术研究所建立起了一个七个光纤激光组成的相干合成并束实验装置，并且实现了在小功率下四个光纤激光的精确调相和相干耦合输出，进一步提高单光纤激光的功率以及全部七个光纤激光的相干组束工作正在进行中。
相干合成通常采用MOPA并联激光功率放大系统，该合成方法由于各放大器并联输出，降低了对器件的要求，由一个激光主振荡器激励，但必须使各级放大器光路的光程相等，各放大器具有良好的一致性匹配。该体制的主要缺点激光主振荡器如何分光束，光路设计、加工、调试都比较复杂。为了保证应用上的同光轴输出，需要对各放大后的光束聚合，同样带来了对器件要求高，光路的设计、加工、调试复杂等技术问题。
多光束脉冲激光的峰值叠加合成是激光相干合成的另外一种方法，即用多台中大功率激光器通过同步控制技术，达到多台中大功率激光器发射激光时域上的一致，并通过方向合成技术，在目标上形成强功率激光输出，致盲或损伤敌方武器系统光电传感器。多光束激光同步控制系统主要是用高精度的同步控制器，控制多台激光器同时出光，保证各激光器发出的每一个激光脉冲在时域上的一致，在目标上达到峰值叠加，实现高峰值功率输出。该方法对控制器的同步性要求非常高，在实际中难于实现，系统稳定性与激光相干性差。
全光纤组束合成技术，将很多个相同的光纤互相靠近，排成致密的列阵，在其输出端共用一个腔片作为激光输出镜。由于各个光纤激光衍射的耦合作用，获得高能相干激光输出。美国布朗大学研究了单模光纤激光器的全光纤相干组束技术。利用由有源光纤制备的2×2单模光纤熔锥耦合器对激光进行相干耦合，这种原理可以方便地应用到大量光纤激光的组束中。输入端口的基模经过绝热传输进入耦合区的基模。如果耦合区的横截面制备成径向对称，耦合器输入端的两个基模在耦合区中心将有相同的空间分布。若耦合区中心是分开的，耦合器可以作为几个光纤激光腔的共用部分，可在分开部分使用一个所有光纤激光器共用的镜子。在实验中，利用单模光纤熔锥耦合器的一半作为输出镜——两光纤激光的光束组合器。不仅可以在同样的空间模式上组合两束激光的输出，通过调节两光纤激光器中一个的布喇格光栅镜，还可观察到使两束激光耦合输出与单一激光具有同线宽的注入锁定现象，这种现象可以用来保持激光组束的谱亮度。该方法由于耦合器和输出腔镜的稳定性，以及多台激光器相位与频率的不一致，很难获得较好的相干激光输出。
可见，实现光纤激光的相干组束技术中，MOPA方案光路一致性必须完全相同，技术难度最高；外腔镜调制锁相方案需要对多台激光源匹配设计，对多光束锁相腔镜要求非常高；多根光纤熔融拉锥耦合器组束技术同样需要进入耦合器之前的多台激光源必须具备相位的严格一致性才能够实现部分相干输出，并非真正意义上的相干。
为了实现光纤激光的相干组束，各国都申请了不同的专利美国专利US5033060在阵列激光器输出端安装一组衍射平板和相纠正元件，利用光的菲涅耳(Fresnel)衍射实现不同光束的相匹配，从而达到激光的相干组束。US6385228发明了一种高功率激光器的相干光束合束器，该发明采用增强布里渊Brillouin四波混频的方法实现多束激光的相匹配与相锁定，从而实现相干组束。也有采用将多根光纤进行熔融拉锥的方法使纤芯模场膨胀，达到传输信号的模式耦合，如美国专利US6078716和中国专利94101047.3，但是这些技术方案都只是简单地将光波信号进行耦合。中国专利00800579.6公开了一种热扩张多芯光纤，将非蚀刻的多根光纤包层融合在一起，形成在一个公共包层中紧密放置的具有扩张模式场的多芯，芯之间没有信号耦合。其目的是，具有扩张模式场的多芯的紧密放置使得从一个芯到其它芯传播的光波排列更紧密。中国专利200610023417.5(激光相干合成装置)公开了一种光纤激光组束激光器，包括多根双包层光纤，每根双包层光纤的一端各连接一个泵浦激光器，所述的多根双包层光纤的另一端去除外包层后，线阵地紧密排列在光纤夹具内形成一平整的光纤阵列输出端面并置于一谐振腔盒内一端，谐振腔盒的另一端设置一平凸透镜，该专利主要利用外腔镜的方法实现激光的相干组束。
发明内容
本发明目的在于提供一种能够进行激光自组织相干的光纤波导及其制造方法，只要将泵浦激光耦合进入该多芯有源光纤中，多芯中的稀土有源离子同时发生上转换激发出频率相同相位一致的激光，同时自发进行相干，输出高相干性的光纤激光。实现了激光产生与激光的相干同步进行，并且能够实现自组织相干，对激光系统器件要求低，实用性强，方便民用和国防工业的应用。
由于常规激光组束技术只是将多束(n束)光纤激光的输出直接并束在一起，虽然可以提高激光系统的总功率(是单束激光功率的n倍)，但是它只是将多束激光功率进行简单的叠加，光束质量严重变差，这种组束系统的光束质量变差适用于短工作距离。对于长工作距离，则需要相干组束技术，将n束激光进行相干组束，激光功率大幅度提高到原单束激光功率的n2倍。
但是，现有的激光相干组束系统不仅组束的光学系统复杂、对传输透镜与反射光栅等光器件稳定性能要求非常高，而且对光源的匹配性要求非常严格，还要对多束激光的相位进行严格匹配与相位锁定，并且对系统的各个单元稳定性要求非常高，系统造价高而且不容易实用。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为一种自组织相干光纤波导，其特征在于包括高纯的石英玻璃管，其采用等离子体化学气相沉积工艺技术制造；稀土光纤芯棒，其采用改进的化学气相沉积工艺制造，并将其排列成六边形点阵，放入上高纯石英套管中，形成多芯有源微结构光纤预制棒；围绕在掺稀土多光纤芯棒外围的石英玻璃圆形内包层；高纯的石英玻璃内包层外的环状空气孔外包层；光纤的保护涂层。
所述形成正六边形的掺稀土光纤芯棒可以为六根，十九根等数量。
所述的掺稀土光纤芯棒包括掺镱、掺铒、铒镱共掺、掺铥、掺钬等稀土离子。
所述的自组织相干光纤波导，其特征还在于掺稀土光纤芯棒之间距离相等，周围的掺稀土芯棒与中心芯棒的距离相等，周围芯棒之间的距离也相等，其间距在0.50～11.0μm之间，优选间距为1.0～5.0μm。
一种光纤激光器，其特征在于由所述多芯掺稀土有源光纤波导组合成，其包括半导体泵浦；光纤耦合器；对激光高反对泵浦光高透的双包层光纤光栅；掺稀土多芯双包层光纤对激光高透对泵浦光高反的双包层光纤光栅；能量光纤输出端头。
一种自组织相干光纤波导的制造方法，其特征在于该方法包括采用等离子体化学气相沉积工艺技术制造高纯的石英玻璃管，然后在拉丝塔上拉丝成高纯石英毛细管；采用改进的化学气相沉积工艺制造出掺稀土光纤芯棒；将掺稀土光纤芯棒排列成正六边形点阵，将排列好的光纤微棒束放入高纯石英套管中；在其周围紧密排列一圈高纯石英毛细管后，一起装入石英套管中形成多芯有源微结构光纤预制棒；最后拉制成光纤。
上述制造方法中所形成正六边形的掺稀土光纤芯棒可以为六根，十九根等数量。
上述制造方法，其特征在于多芯掺稀土有源光纤波导的每个纤芯都掺杂了稀土离子，包括掺镱、掺铒、铒镱共掺、掺铥、掺钬等的稀土离子。
上述制造方法，其特征还在于掺稀土光纤芯棒之间距离相等，周围的掺稀土芯棒与中心芯棒的距离相等，周围芯棒之间的距离也相等，其间距在0.50～11.0μm之间，优选间距为1.0～5.0μm。
光纤的内包层外围由一圈(或多圈)较大的空气孔所组成，该环状空气孔与内包层石英材料形成较大的折射率对比，从而提高内包层的数值孔径，大大地提高了泵浦激光耦合效率，降低了耦合难度；光纤的内包层形状可以是环状空气孔组成的圆形，也可以是六边形，还可以是其它非圆形如五边形和八边形，打破泵浦光的螺旋型光路，提高泵浦光的多纤芯吸收效率与上转换效率。
本发明的有益效果在于简化了先产生激光、后相干合成产生高功率光纤激光的过程，直接实现了激光产生与激光相干的同步进行，大大简化激光系统；利用空气孔增大内包层的数值孔径，降低耦合难度，提高了泵浦光耦合效率；多芯掺稀土光纤波导本身提高了泵浦光的吸收效率和上转换效率，空气包层孔和非圆形的内包层形状打破了螺旋型光传输路径，提高了泵浦光的利用效率；该自相干光波导形成的相干激光系统对光器件要求较低，减轻对器件的压力，单元泵浦技术较为成熟，系统造价成本低，易于实现，具备较好的经济效益；
从该自相干光纤波导中输出的激光相干性好，良好的光束质量便于工业应用，并有利于大气传输，具有较好的应用前景。
图1是一种微结构掺稀土多芯光纤的结构图；图2是一种六边形内包层的掺稀土多芯光纤结构图；图3是一种全光纤化光纤激光器示意图；图4是七芯掺稀土光纤激光模场图；图5是十九芯掺稀土光纤的激光模场图；图6是七芯掺稀土光纤自组织相干激光的三维强度分布图；图7是七芯掺稀土光纤输出相干激光的x方向激光强度分布图；图8是七芯掺稀土光纤输出相干激光的y方向激光强度分布图。
具体实施例方式
下面结合附图并给出具体的优选实施方式，对本发明技术方案进行详细描述。
如图1所示，一种微结构掺稀土多芯光纤，其中1是光纤中心的掺稀土纤芯，2是围绕在1周围的等距离的六根掺稀土纤芯，3是围绕在掺稀土多芯外围的石英玻璃圆形内包层，4是石英玻璃内包层外的环状空气孔外包层，5是光纤的保护涂层。
本发明的该实施例采用等离子体化学气相沉积(PCVD)工艺技术制造高纯的石英玻璃管，然后在拉丝塔上，在2200℃的高温下拉丝成2000±10μm的高纯石英毛细管；采用改进的化学气相沉积(MCVD)工艺制造出掺稀土(包括掺镱、掺铒、铒镱共掺、掺铥、掺钬等稀土离子)光纤芯棒，该掺稀土芯棒的数值孔径为0.06，稀土掺杂浓度在6000ppm以上；将七根掺稀土光纤芯棒排列成如图1所示的六边形点阵，将排列好的光纤微棒束放入直径为28mm的高纯石英套管中；然后在其周围紧密排列一圈直径为2000μm，内径为1.95μm的高纯石英毛细管后，一起装入直径为34mm的石英套管中，形成如图1所示的多芯有源微结构光纤预制棒；最后在2100℃拉制成外径为400μm的光纤，该光纤的内包层数值孔径NA＝0.75，每个芯子直径为20.2μm，每个掺稀土多芯之间的间距为0.92μm，即成为图1所示的自组织相干光纤波导。
如图2所示，一种六边形内包层的掺稀土多芯光纤，其中1是光纤中心的掺稀土纤芯，2是围绕在1周围的等距离的六根掺稀土纤芯，3是围绕在掺稀土多芯外围的石英玻璃六边形内包层，6是石英玻璃内包层外的低折射率外包层，5是光纤的保护涂层。
本发明的该实施例采用改进的化学气相沉积(MCVD)工艺制造出掺稀土(包括掺镱、掺铒、铒镱共掺、掺铥、掺钬等稀土离子)光纤芯棒，该掺稀土芯棒的数值孔径为0.08，稀土掺杂浓度在6000ppm以上；将七根掺稀土光纤芯棒排列成如图2所示的六边形点阵，将该排列好的光纤微棒束放入直径为32mm预先加工成六边形石英玻璃套管中，形成如图2所示的内包层为六边形的掺稀土多芯石英光纤预制棒；采用紫外固化的低折射率涂料，在2100℃拉制成外径为650μm的光纤，该光纤的内包层数值孔径NA＝0.46，每个芯子直径为40.6μm，每个掺稀土多芯之间的间距为2.58μm，即成为图2所示的自组织相干光纤波导。
采用改进的化学气相沉积(MCVD)工艺制造出掺稀土(包括掺镱、掺铒、铒镱共掺、掺铥、掺钬等稀土离子)光纤芯棒，该掺稀土芯棒的数值孔径为0.07，稀土掺杂浓度在6000ppm以上。将十九根掺稀土光纤芯棒排列成正六边形点阵，将该排列好的光纤微棒束放入直径为44mm预先加工成六边形石英玻璃套管中，形成内包层为六边形的掺稀土多芯石英光纤预制棒。采用紫外固化的低折射率涂料，在2100℃拉制成外径为650μm的光纤，该光纤的内包层数值孔径NA＝0.46，每个芯子直径为50.2μm，每个掺稀土多芯之间的间距为1.20μm，即成为本发明的自组织相干光纤波导。
采用改进的化学气相沉积(MCVD)工艺制造出掺稀土(包括掺镱、掺铒、铒镱共掺、掺铥、掺钬等稀土离子)光纤芯棒，该掺稀土芯棒的数值孔径为0.06，稀土掺杂浓度在6000ppm以上。将七根掺稀土光纤芯棒排列成的八边形点阵，将该排列好的光纤微棒束放入直径为32mm预先加工成六边形石英玻璃套管中，形成内包层为八边形的掺稀土多芯石英光纤预制棒。采用紫外固化的低折射率涂料，在2100℃拉制成外径为400μm的光纤，该光纤的内包层数值孔径NA＝0.46，每个芯子直径为22.6μm，每个掺稀土多芯之间的间距为8.20μm，即成为本发明的自组织相干光纤波导。
将本发明的多芯掺稀土有源光纤波导按照图3所示组合成光纤激光器，如图3所示，一种全光纤化光纤激光器，其中7是半导体泵浦，8是光纤耦合器，9是对激光高反对泵浦光高透的双包层光纤光栅，10是掺稀土多芯双包层光纤，11是对激光高透对泵浦光高反的双包层光纤光栅，12是能量光纤输出端头。
如图4所示，为七芯掺稀土光纤激光模场图，表明了七根稀土芯之间的激光模场；图5是十九芯掺稀土光纤的激光模场图，表明了十九根稀土芯之间的激光模场分布；图6是七芯掺稀土光纤自组织相干激光的三维强度分布图，表明了该多芯有源光纤波导输出激光的三维强度分布；图7和图8分别是截取x和y方向激光强度分布，服从近似高斯分布，光束质量好。从图5～图8的激光模场与强度分布可以得出结论该多芯掺稀土有源光纤波导实现了光纤激光的自组织相干，获得了光束质量好的激光输出。
另外，上述仅为本发明的较佳实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明能够实现的原理和精神之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种自组织相干光纤波导，其特征在于包括高纯的石英玻璃管，其采用等离子体化学气相沉积工艺技术制造；稀土光纤芯棒，其采用改进的化学气相沉积工艺制造，并将其排列成六边形点阵，放入高纯石英套管中，形成多芯有源微结构光纤预制棒；围绕在掺稀土多光纤芯棒外围的石英玻璃圆形内包层；高纯的石英玻璃内包层外的环状空气孔外包层；光纤的保护涂层。
2.如权利要求1所述的自组织相干光纤波导，其特征在于所述形成正六边形的掺稀土光纤芯棒可以为六根，十九根数量。
3.如权利要求1或2所述的自组织相干光纤波导，其特征在于所述的掺稀土光纤芯棒包括掺镱、掺铒、铒镱共掺、掺铥、掺钬的稀土离子。
4.如权利要求1或2或3所述的自组织相干光纤波导，其特征在于掺稀土光纤芯棒之间距离相等，周围的掺稀土芯棒与中心芯棒的距离相等，周围芯棒之间的距离也相等，其间距在0.50～11.0μm之间，优选间距为1.0～5.0μm。
5.一种光纤激光器，其特征在于由权利要求1所述多芯掺稀土有源光纤波导组合成，其包括半导体泵浦；光纤耦合器；对激光高反对泵浦光高透的双包层光纤光栅；掺稀土多芯双包层光纤；对激光高透对泵浦光高反的双包层光纤光栅；能量光纤输出端头。
6.一种自组织相干光纤波导的制造方法，其特征在于结构如权利要求1所述的光纤波导制作方法包括采用等离子体化学气相沉积工艺技术制造高纯的石英玻璃管，然后在拉丝塔上拉丝成高纯石英毛细管；采用改进的化学气相沉积工艺制造出掺稀土光纤芯棒；将掺稀土光纤芯棒排列成正六边形点阵，将排列好的光纤微棒束放入高纯石英套管中；在其周围紧密排列一圈高纯石英毛细管后，一起装入石英套管中形成多芯有源微结构光纤预制棒；最后拉制成光纤。
7.如权利要求6所述的自组织相干光纤波导的制造方法，其特征在于所述形成正六边形的掺稀土光纤芯棒可以为六根，十九根。
8.如权利要求6所述的自组织相干光纤波导的制造方法，其特征在于多芯掺稀土有源光纤波导的每个纤芯都掺杂了稀土离子，包括掺镱、掺铒、铒镱共掺、掺铥、掺钬的稀土离子。
9.如权利要求6所述的自组织相干光纤波导的制造方法，其特征在于掺稀土光纤芯棒之间距离相等，周围的掺稀土芯棒与中心芯棒的距离相等，周围芯棒之间的距离也相等，其间距在0.50～11.0μm之间，优选间距为1.0～5.0μm。
全文摘要
本发明涉及一种能够进行激光自组织相干的光纤波导及其制造方法。采用等离子体化学气相沉积(PCVD)及改进的化学气相沉积(MCVD)工艺技术制造出掺稀土光纤芯棒，将七根或十九根掺稀土光纤芯棒排列成为六边形点阵，放入高纯石英套管中形成多芯掺稀土光纤预制棒，然后拉丝成一定尺寸的自组织相干光纤波导。将泵浦激光耦合进入该多芯有源光纤中，多芯中的稀土有源离子在泵浦光的作用下同时发生上转换激发出频率相同相位一致的激光，即自发进行相干，输出高相干性的光纤激光。该发明实现了激光产生与激光的相干同步进行，并且能够实现自组织相干，对激光系统器件要求低，实用性强，方便民用和国防工业的应用。
文档编号G02B6/24GK1987534SQ200710000030
公开日2007年6月27日 申请日期2007年1月5日 优先权日2007年1月5日
发明者陈伟, 李进延, 李诗愈, 蒋作文, 李海清, 彭景刚 申请人:烽火通信科技股份有限公司