专利名称：包层增益导引微结构空芯光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤，特别是一种包层增益导引微结构空芯光纤。
技术背景高功率光纤激光器以其卓越的性能和超值的价格，在激光加工、激光医疗、激光雷达、激光测距等多方面得到了R益广泛的应用。在同样的输出功率下，光纤激 光器的光束质量、可靠性和体积等都占有优势，此外由于光纤成本的降低和易于实 现流水线大批量生产等特点，这不仅引起科学家们的兴趣，而且更吸引产业界专家 们的极大关注。光纤激光器最初在上世纪60年代提出，但一直进展缓慢，直至低损耗光纤制造 技术和半导体激光器的发展与应用，方为光纤激光器带来了新的前景。光纤激光器以掺杂光纤作为激光介质，与块状激光介质相比，具有以下显著的优点介质细长易于散热；光纤的波导结构易于达到单横模；利用双包层技术易于达到高效率和高 功率。近年来，对以双包层光纤为基础的包层泵浦技术的研发，使光纤激光器的输 出功率已经突破kW，在工业及通信等领域具有广阔的应用甜景。微结构光纤(Microstructured fiber,简称为MF)是由晶格常数为光波长量级的二 维光子晶体构成的，即规则排列着空气孔的二氧化硅光纤阵列构成光纤的包层，光 纤的核心是由一个破坏了包层结构周期性的缺陷构成。这个缺陷可以是固体二氧化 硅，也可以是空气孔。根据纤芯结构不同，MF可以分为实芯MF和空芯MF两大类。 空芯MF按照光子带隙效应(PBG)导光，即光纤包层结构对一定频率范围内的光子存 在着禁带效应，光束只能在纤芯中传导，它对包层中空气孔排列的周期性要求比较 严格。实芯MF依赖于全内反射效应(TIR)导光，纤芯折射率比包层的有效折射率高， 纤芯中的光束将按照改进的全内反射原理进行传输，它对包层中空气孔排列的周期 性要求不严格。微结构光纤与传统光纤相比有许多特性，有效地扩展和增加了光纤 的应用领域。光纤纤芯的大小与输出功率有很大关系。纤芯越大可传输的功率就越大，纤芯 越小传输的功率过大会产生非线性效应，影响光纤输出功率，甚至会对光纤造成损 伤。因此在双包层光纤中，在保证输出光束质量的前提下要尽量增大光纤的纤芯，
但在一般的双包层掺稀土光纤中，纤芯的增大会影响光束质量，造成光纤激光器和 放大器的多模输出，因此纤芯的增大程度是有限的。微结构光纤的出现为光纤激光 功率的进一歩提升创造了条件。实芯微结构光纤具有"无尽单模"特性，但是随着 芯径增大，弯曲损耗也相应增大。空芯微结构光纤中，低阶模式的损耗低于高阶模 式的损耗，所以可以实现渐近单模传输。相对于空芯微结构光纤的中空纤芯，实芯 微结构光纤的纤芯是石英等材料。而石英等材料的激光损伤阈值比空气低得多，所 以空芯微结构光纤在高功率领域具有其他光纤无法比拟的优势，但是由于空芯微结 构光纤不易于引入掺杂，所以其发展受到一些制约。实际工作中，我们可以在空芯微结构光纤的包层引入激光介质，利用倏逝波进 行放大，这为获得高功率光纤放大器和激光器提供了另外一种途径。发明内容本发明的目的在于克服上述现有实芯光纤的不足，提供一种包层增益导引微结 构空芯光纤，要求其具有大纤芯，增益由包层来提供，通过倏逝波放大来实现传导 光的放大。本发明的技术解决方案如下一种包层增益导引微结构空芯光纤，包括纤芯区和包层区，其特征在于所述的 纤芯区是空芯的，由空气填充；所述的包层区包括内包层区和外包层区，包层区包 绕纤芯区，内包层区中引入激光材料，外包层区由折射率均匀分布的固体材料形成， 所述的中空的纤芯区与内包层区第一圈空气孔或空气隙之间的固体材料厚度小于--个波长。所述的包层区中的基质材料是石英玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃，或碲酸盐 玻璃。所述的内包层区具有类似蜘蛛网的折射率分布，或者具有分布规则的小孔或者 介电管。所述的蜘蛛网内包层区是htj固体材料和空气组成，固体材料之间的空气隙靠固 体材料支撑条來支撑。所述的内包层区中的小孔排列组成三角晶格、环形、或其他有规则且保证有光 子带隙的几何形状。所述的内包层区中的介电管排列组成三角晶格、环形、或其他有规则且保证有 光子带隙的几何形状。
所述的内包层区(3)的全部小孔或部分小孔中引入激光材料是液体激光材料若丹明6G(Rhodamine 6G)、4-(二氰亚甲基)-2-甲基-6-(4-二甲氨基苯乙烯基)-4H-吡喃(简称为DCM)、其他染料溶液，或掺钕的有机或无机溶液。所述的纤芯区是空芯的，由空气填充，用于传导光；所述的内包层区中引入了 激光材料，用来为光提供增益，外包层区由折射率均匀分布的固体材料形成。为保 证倏逝波有效耦合至内包层小孔中的激光材料，中空纤芯区与内包层区第一圈空气 孔或空气隙之间的固体材料厚度小于一个波长。本发明光纤具有很大的模面积。使 用这种光纤的光纤激光器，更有利于实现高功率，而i具有增益高、转换效率高、 阈值低、输出光束质量好、结构简单、可靠性高等特性。
图l为本发明实施例1的光纤截面示意图。 图2为本发明实施例8的光纤截面示意图。 图3为本发明实施例9的光纤截面示意图。 图4为本发明实施例10的光纤截面示意图。 图5为本发明实施例11的光纤截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。实施例1:图1为本发明实施例1的光纤截面示意图。这是内包层区3具有类似蜘蛛网折射率分布的微结构空芯光纤，这种微结构光纤是在纤芯区2上覆盖内包层区3，在 内包层区3上覆盖外包层区4制成。纤芯区2为空芯，其直径为l(Him，在纤芯区2 和外包层区4之间是内包层区3，内包层区3具有类似蜘蛛网的折射率分布，其中 支撑条6厚度为0.25pm，材料为石英玻璃，支撑条6之间空气隙的厚度为5pm，外 包层区4材料是石英玻璃。在最靠近纤芯区2的内包层区3中的空气隙5中注入 Rhodamine 6G和乙二醇的溶液，染料的浓度是5 X l()-3mol/L，光纤两端进行封装。 实施例2:实施例2与实施例1的不同点是在最靠近纤芯区2的内包层区3中的空气隙 5中注入以染料DCM为溶质的溶液，溶剂采用苯甲醇和乙二醇，溶液浓度为 10—2mol/L，光纤两端进行封装。 实施例3:实施例3与实施例1的不同点是在最靠近纤芯区2的内包层区3中的空气隙 5中注入以奇通红(Kiton red, G27H3oM2Q7&)为溶质的溶液，溶剂采用乙二醇和甘 油，溶液浓度为10—2mol/L，光纤两端进行封装。实施例4:实施例4与实施例1的不同点是在最靠近纤芯区2的内包层区3中的空气隙 5中注入以染料DCM为溶质的溶液，溶剂采用甲醇和二甲基亚砜(DMSO)，溶液 浓度为l(T4mol/L，光纤两端进行封装。实施例5:实施例5与实施例1的不同点是在最靠近纤芯区2的内包层区3中的空气隙 5中注入以DOTCI (diethyloxatricarbocyanine iodide )为溶质的溶液，溶剂采用二 甲基亚砜(DMSO)和甲醇，溶液浓度为1.2X10—Vol/L，光纤两端进行封装。实施例6:实施例6与实施例1的不同点是在最靠近纤芯区2的内包层区3中的空气隙 5中注入Nd203溶于SeOCl2禾Q SnCl4的溶液，离子浓度为0.16mol/L，光纤两端进 行封装。实施例7:实施例7与实施例1的不同点是在最靠近纤芯区2的内包层区3中的空气隙 5中注入含钕的有机溶液，溶质为五氟丙酸钕的O —菲洛琳加合物，溶剂为DMSO-d6 (DMSO中H完全置换用D代替)。Nd"浓度为0.2 mol/L，光纤两端进行封装。 实施例8:图2为本发明实施例8的光纤截面示意图。这是内包层区3具有三角品格分布 小孔的微结构空芯光纤，这种微结构光纤是在纤芯区2上覆盖内包层区3，在内包 层区3上覆盖外包层区4制成。纤芯区2为空气，在纤芯区2和外包层区4之间是 内包层区3，内包层区3具有多个排列成三角品格的空气孔，小孔直径为2pm。所 述的内包层区3和外包层区4均采用磷酸盐玻璃。在本实施例中，引入激光材料可 参照实施例1至实施例7。实施例9:图3为本发明实施例9的光纤截面示意图。这是内包层区具有三角晶格分布小
孔的微结构空芯光纤，这种微结构光纤是在纤芯区2上覆盖内包层区3,在内包层 区3上覆盖外包层区4制成。纤芯区2为空气，芯径为10^n，在纤芯区2和外包层 区4之间是内包层区3，内包层区3具有排成环形的空气孔，小孔直径为2nm。所 述的内包层区3和外包层区4均采用石英玻璃。在本实施例中，引入激光材料可参 照实施例1至实施例7。 实施例10:图4为本发明实施例10的光纤截面示意图。与实施例8类似，本实施例中纤芯 区2结构与实施例8所示纤芯部分相同。两实施例的区别仅仅在于本实施例中，所 述的的内包层区3分布的是介电管，介电管外径为2pm，内径为1.75pm，而且内包 层中介电管排列呈现三角品格规律。在本实施例中，引入激光材料可参照实施例1 至实施例7。实施例11:图5为本发明实施例11的光纤截面示意图。与实施例9类似，本实施例中纤芯区2 结构与图3所示纤芯部分相同。两实施例的区别仅仅在于本实例中光纤的内包层区 3分布的是介电管，介电管外径为2pm，内径为1.75pm，而且内包层中介电管排列 呈现环形。在本实施例中，引入激光材料可参照实施例1至实施例7。
权利要求
1. 一种包层增益导引微结构空芯光纤，包括纤芯区(2)和包层区，其特征在于所述的纤芯区(2)是空芯的，由空气填充；所述的包层区包括内包层区(3)和外包层区(4)，包层区包绕纤芯区(2)，内包层区(3)中引入激光材料，外包层区 (4)由折射率均匀分布的固体材料形成，所述的中空的纤芯区(2)与内包层区(3) 第一圈空气孔或空气隙之间的固体材料厚度小于一个波长。
2. 所述的外包层区(4)所用材料的折射率等于或小于内包层区(3)非小孔区 域材料的折射率。
3. 根据权利要求1所述的包层增益导引微结构空芯光纤，其特征在于所述的包 层区(3、 4)中的基质材料是石英玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃，或碲酸盐玻璃。
4. 根据权利要求1所述的包层增益导引微结构空芯光纤，其特征在于内包层区 (3)具有类似蜘蛛网的折射率分布，或者具有分布规则的小孔或者介电管。
5. 根据权利要求3所述的包层增益导引微结构空芯光纤，其特征在于蜘蛛网内 包层区(3)是由固体材料和空气组成，固体材料之间的空气隙靠固体材料支撑条(6) 來支撑。
6. 根据权利要求3所述的包层增益导引微结构空芯光纤，其特征在于内包层区 (3)中的小孔排列成三角晶格、环形、或其他有规则且保证有光子带隙的几何形状。
7. 根据权利要求3所述的包层增益导引微结构空芯光纤，其特征在于所述的内 包层区(3)中的介电管排列组成三角晶格、环形、或其他有规则且保证有光子带隙 的几何形状。
8. 根据权利要求1所述的包层增益导引微结构空芯光纤，其特征在于所述的内 包层区(3)的全部小孔或部分小孔中引入激光材料。
9. 根据权利要求8所述的包层增益导引微结构空芯光纤，其特征在于内包层区 (3)中引入的激光材料是液体激光材料若丹明6G、 4-(二氰亚甲基)-2-甲基-6-(4-二甲氨基苯乙烯基)-4H-吡喃、其他染料溶液，或掺钕的有机或无机溶液。
全文摘要
一种包层增益导引微结构空芯光纤，包括纤芯区和包层区，其特征在于所述的纤芯区是空芯的，由空气填充；所述的包层区包括内包层区和外包层区，包层区包绕纤芯区，内包层区中引入激光材料，外包层区由折射率均匀分布的固体材料形成，所述的中空的纤芯区与内包层区第一圈空气孔或空气隙之间的固体材料厚度小于一个波长。本发明光纤具有很大的模面积。使用这种光纤的光纤激光器，更有利于实现高功率，而且具有增益高、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、结构简单、可靠性高等特性。
文档编号G02B6/036GK101122651SQ20071004611
公开日2008年2月13日 申请日期2007年9月19日 优先权日2007年9月19日
发明者唐制祥, 范滇元, 赵楚军, 钱列加 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所