热致超大模场光纤的制作方法

本发明涉及激光器技术领域。尤其涉及一种基于热效应实现波导结构，并能够实现超大模场激光输出、制作工艺简单的有源光纤。

背景技术：

光纤激光器具有质量轻、结构紧凑、寿命长、光束质量好、抗干扰能力强等特点，在通信、传感、机械加工、医疗、科研以及国防军事等领域具有广泛的应用。特别是随着近年来光纤激光器功率水平的飞速发展，光纤激光器的应用范围也在不断拓展，受关注的程度也越来越高。尽管光纤激光器的功率水平有了突飞猛进的发展，达到了10kW量级。但是，单根光纤激光器的功率水平进一步提升仍要受到非线性效应的限制，而超大模场光纤是缓解这一功率极限的有效途径。

超大模场光纤是指能够支持超大模场光场(一般地，模场直径应大于等于30微米)传输的光纤，常作为掺杂增益光纤用于光纤激光器，以产生具有超大模场的激光光场。超大模场光纤是通过增加光场的模场直径或面积，来提升光纤激光器中的非线性效应阈值，从而实现非线性效应的抑制。超大模场光纤的关键在于如何在增加模场面积的同时，减少输出光场的模式数量，从而保证输出光场的光束质量。之所以这是关键，是因为增加模场面积，就需要增加光纤纤芯的直径，而纤芯直径的增加就会增加纤芯的归一化频率(正比于纤芯直径和数值孔径的乘积，归一化频率越大，纤芯中光场传输的模式越多)，这会导致输出光场模式数量的增加，影响光场的光束质量。现阶段，实现超大模场光纤主要有两种方案。一是降低纤芯的数值孔径，也就是降低纤芯和包层之间的折射率差，从而在保证归一化频率或模式数量满足要求的前提下，增加纤芯直径，从而实现模场面积的增加。不过，受工艺所限，纤芯的数值孔径不能无限降低，现阶段实现的最低数值孔径为0.028，相应的纤芯直径约为30～40微米。另一种方案是在光纤中引入微结构(如：周期排列的微米量级小孔)，以增加高阶模式的损耗或低阶模式的增益，从而实现输出光场模式的控制。基于这种方案实现的超大模场光纤种类较多，如泄露通道光纤、手征纤芯光纤、大间隔光子晶体光纤等，利用这种方案，模场直径可以增加到50～100微米。不过，这种方案的光纤微结构设计比较复杂，制作工艺复杂，为光纤的工程化生产带来了难度。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是解决第一种方案中纤芯数值孔径降低受限的问题，在不引入微结构的前提下，增加光纤的纤芯直径，从而解决第二种方案中因引入微结构导致的制作难度大的问题。

为解决所述技术问题，本发明公开的新型超大模场光纤是一种基于热效应产生波导结构的超大模场光纤，该光纤由纤芯和包层组成。要求该光纤的纤芯材料的折射率随着温度的增加而增加。

纤芯包括内纤芯和外纤芯，内纤芯和外纤芯皆为圆形，且内纤芯位于外纤芯的中心，内纤芯的折射率小于等于外纤芯的折射率(优选地，内纤芯折射率与外纤芯折射率的差别小于0.0001)。内纤芯中掺有增益介质，增益介质是指能够产生光场并能够实现光场受激放大的粒子或元素，如：铒、镱、铥、钬、镨、铷、铋，要求增益介质能够通过吸收泵浦光，在特定两个能级之间实现粒子数反转，并利用粒子在这两个能级之间的受激跃迁过程产生激光，在产生激光的同时，能够基于量子亏损效应产生热量。外纤芯中不含增益介质。内纤芯直径应大于等于20微米(优选地，应大于等于30微米)，内纤芯直径与外纤芯直径的比值应小于等于50％。这里需要注意的是，内纤芯越大、内纤芯直径与外纤芯直径的比值越小，外纤芯的直径越大，相应的，最终光纤整体横截面的直径也就越大。因此，内纤芯直径和内纤芯直径与外纤芯直径的比值这两个参数可在拉制工艺允许的条件下选取。

包层中不含增益介质，包括内包层和外包层。外包层包裹内包层，内包层包裹外纤芯。内包层的折射率小于外纤芯的折射率，优选地，外纤芯相对于内包层的数值孔径(等于外纤芯的折射率与内包层折射率的平方差的平方根)小于等于0.2。外包层的折射率小于内包层的折射率，优选地，内包层相对于外包层的数值孔径(内包层的折射率与外包层折射率的平方差的平方根)应大于等于0.2。内包层用于泵浦光的传输，内包层横截面可为圆形、D型、正多边形，为了促进内纤芯对于泵浦光的吸收，优选公知的D型结构(如：文献“Optimized absorption in a chaotic double‐clad fiber amplifier”(混沌双包层光纤放大器的吸收优化)，作者：Valérie Doya、Olivier Legrand和Fabrice Mortessagne，出处：Optics Letters，2001，26(12)，872‐874))的图1、图2及第873页第二段中关于“D‐shaped inner cladding”(D型内包层)的描述)或正多边形(优选地，正六边形、正八边形)结构。

可选地，本发明所公开的超大模场光纤也可采用侧面泵浦耦合结构即在外包层内加入K个与内包层光学接触的多模光纤作为泵浦光传输通道，K应为小于等于[π(1+R₁/r₁)]的自然数，其中，R₁为内包层直径(若内包层横截面为圆形，则为圆形直径；若内包层横截面为D型或正多边形，则为D型或正多边形外接圆直径)，r₁为多模光纤的最小纤芯直径，泵浦光在多模光纤中传输的过程，通过光学接触(如倏逝波耦合)耦合到内包层中，并泵浦内纤芯中的增益介质，从而产生激光。具体结构可采用但不限于专利2011102505933公开的侧面泵浦光纤结构或美国专利US7660034和US7221822的多光纤组合结构(Multi‐Fiber Arrangement)。

本发明的原理是利用内纤芯中的热效应产生波导结构，从而打破现有方案中数值孔径的限制，实现超大模场面积的光场传输。具体原理是：由于内纤芯中掺有增益介质，内纤芯中的增益介质吸收泵浦光后，在产生激光的同时，由于公知的量子亏损(随吸收泵浦光能量的增加而增加)的存在，还会产生热量(称为热负载)。从而使得内纤芯的温度大于外纤芯及内外包层的温度(因为外纤芯和内外包层中不含增益介质，也就不会产生热量，因此其温度应由外界环境温度决定)，这使得温度从内纤芯经由外纤芯和内外包层向外扩散，从而产生了温度由内纤芯中心向外包层逐渐减小的热分布。由于光纤材料的折射率随温度的升高而增加，内纤芯的高温就会使得内纤芯的折射率高于外纤芯的折射率，从而形成了新的波导结构(称为热致波导结构)。因此，即使该光纤在没有热负载(即不产生激光)时，内纤芯的折射率小于外纤芯的折射率(此时无法将光场约束在内纤芯中，也称为反波导结构，见图1)；当该光纤用于产生激光时，内纤芯中的热负载产生的热致波导结构同样可以使得内纤芯的折射率大于外纤芯的折射率(见图2)，从而将产生的激光约束在内纤芯中传输。由于这种波导结构是由内纤芯中增益介质产生的热负载导致的，而该热负载与泵浦光吸收有关，因此，可以通过调节泵浦光吸收(可采用但不限于改变泵浦光功率)来调节内纤芯中的热负载，进而调节热致波导结构(包括内纤芯与外纤芯的折射率差)；由于没有温升时，内纤芯的折射率小于或等于外纤芯的折射率，因此，利用该原理，可以实现任意小的内纤芯数值孔径(定义为内纤芯平均折射率与外包层平均折射率的平方差的平方根，见图2)，从而打破了现有方案对于纤芯数值孔径的限制，使纤芯直径得到进一步提升，实现具有超大模场的激光输出。

本发明的技术效果：

1、利用热效应产生波导结构(即热致波导结构)，打破了现有方案中对于纤芯数值孔径的限制，使得内纤芯数值孔径得到进一步的降低；从而能够在控制模式数量的同时，实现光场模场直径的拓展及超大模场激光输出。

2、外纤芯降低了该光纤的制作难度。这是因为如果不加入外包层，要实现热致波导结构就需要内纤芯的折射率小于内包层的折射率(因为如果没有外纤芯，内纤芯将由内包层包裹)，这同样存在现有方案中面临的折射率降低受限的问题。本发明中通过外纤芯的结构设计，提升了内纤芯的折射率基准，从而无需过低的折射率就可以满足本发明的要求，从而降低了光纤的制作难度。

3、引入外纤芯的另一个作用是缓解包层光滤除压力。在光纤激光器中，为了消除残余泵浦光对于信号光输出的影响，需要在信号光输出前滤除泵浦光。由于泵浦光是在光纤的内包层中传输，因此泵浦光滤除是通过滤除包层光来实现的。对于本发明所公开的热致超大模场光纤来说，当泵浦光较弱，吸收的泵浦光较少时，由于量子亏损产生的热量就比较少，这会导致热致波导结构不足以将信号光场约束在内纤芯中，此时，信号光场就会向内纤芯外扩散。如果没有外纤芯，这些扩散的信号光场就会进入到内包层，在包层光滤除时，会与泵浦光一起被滤除。其结果不仅影响了信号光场的传输，还增加了滤除的光场功率，滤除功率的增加会导致包层光滤出位置的温升增加，从而增加了包层光滤除位置的热管理压力。而外纤芯的引入，为扩散的信号光场提供了独立的传输通道，这不仅消除了包层光滤除对于信号光传输的影响，也使得这部分信号光不在称为包层光滤除的对象(即包层光滤除主要滤除的是泵浦光)，缓解了包层光滤除的压力。

4、本发明所公开的超大模场光纤没有采用微结构，这也降低了光纤的制作难度。

附图说明

图1为没有热负载时，本发明热致超大模场光纤的横截面结构示意图。

图2为存在热负载时，本发明热致超大模场光纤的一种可能横截面结构示意图。

图3为本发明热致超大模场光纤实施例一的横截面结构示意图。

图4为本发明热致超大模场光纤实施例二的横截面结构示意图。

具体实施方式

图1为没有热负载时，本发明热致超大模场光纤的横截面结构示意图，箭头表示折射率n的正方向，右侧实线表示折射率分布。光纤包括纤芯10和包层20。纤芯10材料的折射率随着温度的增加而增加。

纤芯10包括内纤芯11和外纤芯12，内纤芯11和外纤芯12的横截面皆为圆形，且内纤芯11位于外纤芯12的中心，内纤芯11的折射率小于等于外纤芯12的折射率(优选地，内纤芯11的折射率与外纤芯12的折射率的差别应小于0.0001)。内纤芯11中掺有增益介质，外纤芯12中不含增益介质。内纤芯11与外纤芯12的直径比值应小于50％，内纤芯直径应大于等于20微米(优选地，应大于等于30微米)。

包层20中不含增益介质，包括内包层21和外包层22。外包层22包裹内包层21，内包层21包裹外纤芯12。内包层21的折射率应小于外纤芯12的折射率，优选地，外纤芯12相对于内包层21的数值孔径应小于等于0.2。外包层22的折射率应小于内包层21的折射率，优选地，内包层21相对于外包层22的数值孔径应大于等于0.2。内包层21用于泵浦光的传输，为了促进内纤芯11对于泵浦光的吸收，内包层21优选D型结构或正多边形(优选地，正六边形、正八边形)结构。

图2为存在热负载时，本发明热致超大模场光纤的一种可能横截面结构示意图，箭头表示折射率n的正方向，右侧实线表示折射率分布。如前原理所述，内纤芯11的增益介质在产生激光的过程中，由于量子亏损效应产生热量，热扩散的结果，会使得温度由内纤芯11的中心向外单调下降。由于纤芯10的折射率随着温度的升高而升高，内纤芯11的高温就会使得内纤芯11的折射率高于外纤芯12的折射率，从而形成了热致波导结构。图2中假设包层20的折射率也是随着温度的升高而升高，因此，内包层21和外包层22的折射率由内向外递减。不过，由于内包层21相对于外包层22的数值孔径较大，热致折射率变化的影响与之相比可以忽略，因此包层20材料的热致折射率变化不会对本发明的效果产生影响。

此外，本发明要求增益介质只要能够产生激光和热量即可，具体粒子或元素对本发明的效果(即热致波导结构的产生)影响不大。同时，内包层、外包层的直径大小只会影响到泵浦光的耦合和传输，对本发明的效果影响不大，在工艺许可的范围内，可结合泵浦光源的特性参数灵活设置，因此，在表1给出的实施例中不需要给出相关指标。同时，表1中内包层相对于外包层的数值孔径给出的最大值为0.46，这主要是参考现阶段常用外包层材料的折射率，如果内包层相对于外包层的数值孔径大于0.46，仍满足本发明的要求，对本发明的效果没有影响。

实施例一

图3给出了本发明的一个实施例(对应表1的第37个实施例)，箭头表示折射率n的正方向，右侧实线表示折射率分布。该实施例选用的内纤芯11直径为30微米，内纤芯11中掺有的增益介质为铒离子和镱离子，外纤芯12直径为150微米，外纤芯12的折射率与内纤芯11的折射率相等。内包层21采用正六边形结构，且内切圆直径为400微米，外纤芯12相对于内包层21的数值孔径为0.1。外包层22为圆形，内包层21相对于外包层22的数值孔径为0.46。

表1中给出的864种实施例皆可以达到本发明的预期效果，即利用热致波导结构实现超大模场的激光输出。

实施例二

图4给出了本发明的又一个实施例(对应表1的第527个实施例)，该实施例选用的内纤芯11直径为50微米，内纤芯11中掺有的增益介质为镱离子，外纤芯12直径为125微米，外纤芯12的折射率小于内纤芯11的折射率，且两者之差为0.00005。内包层21采用正八边形结构，且内切圆直径为250微米，内包层21相对于外纤芯12的数值孔径为0.15。在外包层22内包括一根多模光纤23，多模光纤23纤芯为圆形，直径为250微米，且与内包层21光学接触。外包层22为圆形，内包层21相对于外包层22的数值孔径为0.35。

在表1给出实施例结构的外包层中，加入K根纤芯与内包层光学接触的多模光纤，也可达到预期效果。

表1实施例汇总