专利名称：一种平顶光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤激光器领域，具体为一种大模场面积特性的平顶光纤。
背景技术：
对激光束进行整形已是激光加工中不可缺少的一个环节，例如在激光焊接中，为了获得较好的焊接效果，通常需要使焊点受热均匀，这就要求激光束的光场分布为平顶型。获得平顶激光束的方法很多，其中一种方法是利用平顶光纤将入射激光束整形为具有平顶型光场分布的激光束。所谓平顶光纤，即经它输出的激光束具有平顶型的模场结构。众所周知，从普通光纤输出的激光束在光纤横截面上的光场是呈类高斯型分布。要获得平顶型的光场，就要采用特殊的光纤结构。普通光纤的导光原理为全光反射，其基本结构是内层为纤芯区，外层为包层区，纤芯区的折射率比包层区的折射率稍大，以便把光约束在纤芯区并向前传输。由于普通光纤轴心附近的折射率较大，导致光纤输出端的激光光场在横向分 布不均匀，呈高斯或近高斯型分布。为了获得平顶光束，需要对光纤结构进行改进。一种结构稍比普通光纤复杂的光束整形光纤由卢兴强、周秦岭等人于2004年提出(光束整形光纤，申请号200410024873. 2)。这种光纤包括纤芯区和包层区，和普通光纤不同的是，其纤芯区和包层区都由两层组成。纤芯区包括内纤芯区和外纤芯区，外纤芯区填充高折射率材料，内纤芯区由低折射率材料形成，该纤芯区的形状与光纤输出光斑的形状一致。包层区由内包层区和外包层区组成，内包层区所用材料的折射率小于内纤芯区的折射率，外包层区由更低折射率的材料形成。该光束整形光纤能对导入的激光进行空间整形，获得光场中部平顶或中部凹陷的激光输出，可以应用到激光整形、均匀化、补偿激光器的增益塌边效应及设计具有特殊光场分布的光纤激光器等领域中。传输高功率激光时，为了有效降低非线性效应对传输光束的影响，需要采用具有大模场面积的光纤。在高功率激光运用时，为了获得均匀稳定的激光输出，同样需要平顶型光束分布的光纤。具有大模场面积的平顶光纤技术急待开发。
发明内容
针对以上不足，本发明的目的是提出一种具有大模场面积且能够实现平顶光束输出的新型光纤。本发明的技术方案是包括纤芯和包层，其特征在于所述纤芯由基质材料和排布在规则网格中的高折射率介质柱组成，所述包层由基质材料(I)和低折射率孔组成；所述高折射率介质柱的折射率nh大于基质材料(I)的折射率nb，所述低折射率孔的折射率II1小于基质材料的折射率nb，所述纤芯中最外一层的高折射率介质柱直径Clni大于内层的高折射率介质柱直径dh，所述低折射率孔的直径Cl1大于最外一层的高折射率介质柱直径4。作为本发明的进一步改进，所述高折射率介质柱的周期Λ的取值范围为3^8 μ m ;所述高折射率介质柱的周期Λ、最外一层的高折射率介质柱直径Cl111和内层的高折射率介质柱直径dh之间的关系为dm/Λ =0.3、. 8，dh/A=0.1 0.4，且有七-dh ^ O. 05 A ；所述高折射率介质柱与基质材料的折射率差关系为nh_nb=0. ΟΟΓΟ. 003。所述低折射率孔为空气孔或由掺杂的石英材料组成；所述低折射率孔的直径Cl1的取值范围为1(Γ40μπι。本发明的技术效果采用不同尺寸的高折射率介质柱形成平顶光束所需的折射率分布，解决了采用普通光纤结构时，纤芯的折射率分布变化过小而无法实际制作的技术障碍。采用低折射率孔束缚光，并使光束具有陡直的光场分布。可以将本发明光纤运用于光纤激光器输出端，以实现大模场的平顶光束输出。
图1 一种普通圆对称平顶光纤的径向折射率分布不意 图2为图1所示结构的模场分布图；
图3为一种本发明光纤的横截面结构示意 图4本发明光纤的模场分布 其中，I为基质材料，2为高折射率介质柱，3为低折射率孔。
具体实施例方式普通光纤的基模具有高斯型场分布，若要获得平顶型光场，可以通过减小纤芯中心的折射率，从而使光场向纤芯外侧扩展，形成平顶光束，如图1所示。当要求光纤为大模场光纤时，要求纤芯不同区域具有小的折射率差。例如，当纤芯直径为30微米时，其要求的纤芯内部的折射率减小量为10_4量级。这使得一般光纤制作工艺极难实现。同时，这种结构的光纤对折射率差的精度要求也非常高。例如，图2(a)和(b)分别为图3所示结构中当纤芯两部分折射率差为O. 0008和O. 0006的结果，可见两者模场分布完全不同。因此，这种平顶光纤制作难度非常大。为此，本发明提出采用纤芯内部为直径较小的高折射率介质柱2，纤芯外部采用直径较大的高折射率介质柱2，从而获得效果更好的折射率分布。通过调整介质柱的周期和直径即可调节纤芯不同区域的等效折射率，从而使纤芯区的折射率分布更准确。在制作时，高折射率介质柱的折射率相同，也减小了制作工艺的复杂度，同时，也克服了直接通过掺杂获得纤芯不同区域的低折射率差的困难。当高折射率介质柱之间距离很大时，其结构就成为一种多芯光纤，即光在不同介质柱中独立传输。为获得平顶光束输出，介质柱的间距不能过大。同时,介质柱直径过小,也会导致光纤制作困难。因此，要求相邻高折射率介质柱2的中心距离(即介质柱的周期Λ)为31 μ m。由于介质柱的周期变化范围有限，为了获得不同模场面积的平顶光纤，可调整介质柱的数量来实现。为便于制作，高折射率介质柱2与基质材料I的折射率差不能过小。一般取高折射率介质柱2与基质材料I的折射率差关系为nh-nb=0. OOf O. 003。由于两者折射率较大，为了使光场在纤芯中的分布较为均匀，高折射率介质柱在纤芯中所占比例要小一些。纤芯最外层的高折射率介质柱2的尺寸可以大一些，从而使光场延伸向纤芯外侧。因此，要求高折射率介质柱的周期Λ、高折射率介质柱的直径ct、dh之间的关系为MnZA=O. 3^0. 8, dh/A =0. Γθ. 4，且有 dm- dh 彡 O. 05 Λ。包层中低折射率孔3主要起束缚光的作用。由于纤芯的等效折射率一般只略高于基质材料的折射率，为了有效地束缚光，需要降低包层的折射率。低折射率孔3的引入，可以有效地实现束缚光的目的。由微结构光纤的理论，低折射率孔3本身的折射率可以很低，但其等效的包层折射率可以较高。因此，可以使纤芯与包层保持较小的折射率差，减少高阶模的出现。同时，低折射率孔3本身的折射率较低，能有效抑制光向包层区的扩展，可以使平顶模场的边沿更为陡直。低折射率孔3可以为空气孔或由掺杂的石英材料组成。其直径(I1的典型取值范围为:10 40 μπι。实施例
光纤结构如图3所示。基质材料I为纯石英，高折射率介质柱2与基质材料I的折射率差为O. 0015，高折射率介质柱的直径分别为4=2.41111140 4=1.2 μ m。低折射率孔3与基质材料I的折射率差为O. 005，低折射率孔3的直径为26 μ m，低折射率孔3与光纤中心的距离为40 μπι。光纤的模场分布如图4所示。光纤制作时，可采用分步堆积法制作光纤预制棒。即首先用堆积法制作光纤纤芯，然后将经拉丝获得的纤芯与石英管或掺杂石英棒组合，再经拉丝获得所需的光纤结构。 上述附图仅为说明性示意图，并不对本发明的保护范围形成限制。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
权利要求
1.一种平顶光纤,包括纤芯和包层,其特征在于所述纤芯由基质材料(I)和排布在规则网格中的高折射率介质柱(2)组成，所述包层由基质材料(I)和低折射率孔(3)组成；所述高折射率介质柱(2)的折射率nh大于基质材料(I)的折射率nb，所述低折射率孔(3)的折射率Ii1小于基质材料(I)的折射率nb，所述纤芯中最外一层的高折射率介质柱(2)直径dm大于内层的高折射率介质柱(2)直径dh，所述低折射率孔(3)的直径Cl1大于最外一层的高折射率介质柱(2)直径4。
2.根据权利要求1所述的一种平顶光纤，其特征在于所述高折射率介质柱(2)的周期Λ的取值范围为3 8μπι;所述高折射率介质柱(2)的周期Λ、最外一层的高折射率介质柱(2)直径Cl111和内层的高折射率介质柱(2)直径dh之间的关系为MnZA=O. 3^0. 8, dh/A =0. Γθ. 4，且有 dm- dh 彡 O. 05 Λ。
3.根据权利要求1所述的一种平顶光纤，其特征在于所述高折射率介质柱(2)与基质材料(I)的折射率差关系为nh_nb=0. ΟΟΓΟ. 003。
4.根据权利要求1所述的一种平顶光纤，其特征在于所述低折射率孔(3)为空气孔或由掺杂的石英材料组成。
5.根据权利要求1所述的一种平顶光纤，其特征在于所述低折射率孔(3)的直径Cl1的取值范围为1(Γ40 μπι。
全文摘要
本发明公开一种平顶光纤，该光纤由基质材料(1)、排布在规则网格中的高折射率介质柱(2)组成纤芯，由基质材料(1)和低折射率孔(3)组成包层。所述高折射率介质柱的折射率nh大于基质材料的折射率nb，低折射率孔的折射率nl小于基质材料的折射率nb，所述纤芯中位于最外层的一层高折射率介质柱的直径dm大于其它的高折射率介质柱的直径dh，该平顶光纤采用不同尺寸的高折射率介质柱形成平顶光束所需的折射率分布，解决了采用普通光纤结构时，纤芯的折射率分布变化过小而无法实际制作的技术障碍；采用低折射率孔束缚光，并使光束具有陡直的光场分布。可以将本发明光纤运用于光纤激光器输出端，以实现大模场的平顶光束输出。
文档编号G02B6/02GK103018820SQ20121058264
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者陈明阳, 张银, 郦俐, 张永康 申请人:江苏大学