全固态微结构光纤

1.本实用新型主要涉及到激光光纤技术领域，特指一种全固态微结构光纤。


背景技术：

2.高平均功率激光凭借其能量集中、变换灵活、热影响区小等天然优势，已经广泛应用于金属切割、材料熔覆、激光焊接、激光点火等各个领域。近年来，得益于高亮度泵浦源、关键光学元器件、激光材料、泵浦耦合、光束合成等技术的发展，各种类型的激光器如高功率光纤激光、气体激光、固体激光、半导体激光等在功率提升方面都取得了令人瞩目的进展。以高功率光纤激光(hpfl)为例，国内外千瓦级光纤振荡器和放大器技术均已日趋成熟，万瓦级光纤激光试验样机和工业级产品也相继推出并逐渐步入市场。
3.在高功率激光(hpl)应用过程中，传能光纤为高功率激光束从激光光源到工作平台提供了柔性单模传输的可能。以常规的激光加工应用为例，通常需要高功率激光束从光源处传输几米、几十米甚至上百米至工作平台。然而，由于光功率密度的增大和光纤模场面积受限，百瓦或千瓦级的高亮度光束在长距离传输时会不可避免地诱发非线性效应，如受激布里渊散射(sbs)、受激拉曼散射(srs)等。一般而言，由sbs所导致的光谱展宽是窄线宽激光需要解决的首要问题，而由srs斯托克斯频移所引起的信号光功率波动和效率降低则是所有激光振荡器和放大器所面临的共性问题。工业用连续波hpl通常具有较宽的输出光谱带宽，因此制约其传能光纤长度的主要障碍为受激拉曼散射。
4.光纤本身的长度和模场面积直接决定了srs的阈值功率，满足其中a
eff
为模场面积、g
r
(ω)为拉曼增益系数、l
eff
为光纤长度。为了克服srs以实现高功率激光束的远距离传输通常需要增大光纤的纤芯尺寸，也就是所谓的大模场(lma)光纤。然而，lma光纤的使用会不可避免地造成光纤多模运转从而导致输出光束质量下降。为了尽可能保证光纤的单模运转特性，通常要求其数值孔径(na)随着纤芯尺寸的增大而减小，而过小的na则会导致光纤模场面积对于弯曲的敏感程度较高，不利于其实际应用。与此同时，部分微结构光纤如光子晶体光纤、泄露通道光纤、多芯光纤、空芯光纤的出现固然能够使光纤兼备大模场面积、低na、恒稳单模运转的特性，但是此类光纤制备成本较高、传输损耗和弯曲敏感性较大，一般不适用于工业应用中的柔性传输。伴随着hpl的进一步功率提升，传能光纤本身的模式特性、传导特性、光谱特性和机械性能也面临更大的考验。
5.因此，在hpl光束长距离准单模传输的应用背景下，设计出一款能够满足以下要求的新型传能光纤是本领域技术人员亟需要解决的技术问题：(1)具备较大的模场面积和较低的弯曲敏感性；(2)对模式耦合的控制，具备良好的高阶模(hom)抑制能力；(3)具备对信号波长激光稳定传输而srs波长处有效抑制的能力；(4)具备对制造误差的容忍度，适当控制成本和制备工艺的复杂程度。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种全固态微结构光纤，可用于高功率激光准单模长距离传输且能够抑制受激拉曼散射。
7.为实现上述技术目的，本实用新型的技术方案是：
8.全固态微结构光纤，包括纤芯和微结构包层，所述纤芯为固态纤芯，微结构包层包覆在纤芯的外围，所述微结构包层位于正六边形点阵中的锗棒以及固态基底，正六边形点阵由内之外分布有多层，正六边形点阵中任意两相邻点的中心间距λ相等，纤芯位于正六边形点阵的中心位置，多根锗棒呈稀疏结构排布在各层正六边形点阵上，其中锗棒之间填充有固态基底。由于锗棒是呈稀疏结构排布在各层正六边形点阵上，即正六边形点阵上的一些点上没有设置锗棒，没有设置锗棒的点位置处以及锗棒之间的间隙均由固态石英基底填充。这样在保证信号激光基模低损耗的同时增大高阶模弯曲损耗以实现光纤准单模运转。
9.作为本实用新型的进一步改进，所述正六边形点阵有四层，由内之外分别为第一层正六边形点阵、第二层正六边形点阵、第三层正六边形点阵和第四层正六边形点阵。
10.作为本实用新型的进一步改进，所述第一层正六边形点阵上设有12个点且所有点上均分布有锗棒，第二层正六边形点阵上设有18个点且位于各条边中间的两个点上均分布有锗棒，第三层正六边形点阵上设有24个点且位于各条边两端的四个点上均分布有锗棒，第四层正六边形点阵上设有30个点且位于各条边两端的两个点及位于各条边中心的两个点上均分布有锗棒。即第二层正六边形点阵中位于六边形顶点处的点上没有设置锗棒；第三层正六边形点阵中各边中心的点上没有设置锗棒；第四层正六边形点阵中各边的第二点和第四点上没有设置锗棒。这些没有设置锗棒的点位置处以及锗棒之间的间隙均由固态石英基底填充。这样在保证信号激光基模低损耗的同时增大高阶模弯曲损耗以实现光纤准单模运转。
11.作为本实用新型的进一步改进，所述纤芯材料为固态石英。
12.作为本实用新型的进一步改进，所述固态基底采用固态石英基底。
13.作为本实用新型的进一步改进，所述锗棒包括位于中心的高折射率掺锗区和位于外层的低折射率包层区，其中高折射率掺锗区的折射率呈抛物线型渐变或阶跃型折射率分布。
14.作为本实用新型的进一步改进，所述锗棒的高折射率掺锗区和低折射率包层区存在折射率差δ，满足δ＝(n
high2
‑
n
low2
)/(2
×
n
high2
)，其中n
high
、n
low
分别为高折射率掺锗区的折射率极大值和低折射率包层区折射率。
15.作为本实用新型的进一步改进，所述折射率差δ满足1.5％≤δ≤3％。
16.作为本实用新型的进一步改进，所述锗棒的低折射率包层区可由固态石英或掺氟(fluorine)的固态石英等低折射率材料制成。
17.作为本实用新型的进一步改进，各锗棒的直径相等。
18.本实用新型所提供的微结构包层，由于反谐振耦合而产生光子带隙效应，进入微结构包层的光束在微结构作用下发生多重散射，特定频率范围内散射光之间的多重干涉使其强度减弱而无法通过微结构包层，最终限制在纤芯中传输，该特定频率范围称为光子带隙频率范围。在传播常数一定的情况下，通过合理设置锗棒结构参数，使得落在光子带隙频
率范围外的受激拉曼散射(srs)斯托克斯波长带(1110nm—1130nm)呈现高损耗而无法稳定传输，落在光子带隙频率范围内信号波长带(1060nm—1080nm)的光受到包层排斥呈现低损耗从而被较好地限制于纤芯稳定传输，宏观上呈现一定的光谱滤波效果。
19.进一步地，本实用新型所述纤芯材料为固态石英。固态基底采用石英基底。
20.进一步地，本实用新型所采用的锗棒包括位于中心的高折射率掺锗区和位于外层的低折射率包层区，其中高折射率掺锗区的折射率呈抛物线型渐变折射率分布。高折射率掺锗区和低折射率包层区尺寸具有一定的芯包比，该比值根据需求进行任意设置，如设为1:2.5。
21.进一步地，光纤的纤芯由单根石英棒组成，或者由多根石英棒呈周期紧密排列而形成。根据用于形成纤芯的石英棒的数目n，纤芯类型定义为n
‑
cell core，纤芯直径为4λ
‑
d。
22.与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少包括：
23.1.本实用新型所述全固态微结构光纤，利用其微结构包层结构本身产生的光子带隙效应直接在激光信号带表现为低限制损耗，而在受激拉曼散射斯托克斯波长处表现为高限制损耗，无须借助弯曲、刻写倾斜光栅等其他技术手段就可具备天然的受激拉曼散射抑制效果。
24.2.本实用新型所述全固态微结构光纤，具有比传统阶跃折射率光纤(sif)更大的纤芯直径和模场面积，原理性地提升了非线性效应阈值，对包括受激拉曼散射、受激布里渊散射等在内的多种高功率激光非线性效应均具有一定抑制效果。
25.3.本实用新型所述全固态微结构光纤，由于锗棒是呈稀疏结构排布在各层正六边形点阵上，即正六边形点阵上的一些点上没有设置锗棒，没有设置锗棒的点位置处以及锗棒之间的间隙均由固态石英基底填充。这样在保证信号激光基模低损耗的同时增大高阶模弯曲损耗以实现光纤准单模运转。具体地，除紧靠纤芯的第一层正六边形点阵中的各点上严格按照正六边形排布一圈锗棒，其余层正六边形点阵中的锗棒采用稀疏结构排布，即选择性的在其余层正六边形点阵上的一些点上没有设置锗棒，没有设置锗棒的点位置处以及锗棒之间的间隙均由固态石英基底填充。这样使得高阶模弯曲损耗远大于基模弯曲损耗，因此可在一定范围内的盘绕直径下保证高功率激光在传输过程中准单模运转。
26.4.相比于空芯光纤、空气孔光子晶体光纤等其他类型复杂微结构光纤，本实用新型所述微结构光纤为全固态结构，预制棒制备和光纤拉制难度相对较低，在使用过程中与激光器输出尾纤的熔接难度较低，有利于实际高功率激光传输应用。
附图说明
27.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
28.图1是一实施例的全固态微结构光纤横截面结构示意图；
29.图2是图1中的锗棒排布方式示意图，其中正六边形点阵中的虚线点圈代表没有设置锗棒的点位置，实线点圈代表设置锗棒的点位置；
30.图3是一实施例中所用的锗棒截面结构示意图；
31.图4是实施例1中所用锗棒折射率分布示意图；
32.图5是实施例1中所提供的全固态微结构光纤信号带本征模式强度分布示意图，其中(a)为全固态微结构光纤1070nm信号波长处的lp
01
模式对应的强度分布示意图，(b)全固态微结构光纤1070nm信号波长处的lp
11o
模式对应的强度分布示意图，(c)全固态微结构光纤1070nm信号波长处的lp
11e
模式对应的强度分布示意图；
33.图6是实施例1中所提供的全固态微结构光纤在直光纤和弯曲状态下的波长相关损耗示意图。
34.图7是实施例1中所提供的全固态微结构光纤信号带波长在不同弯曲半径下的基模损耗示意图。
35.图8是实施例1中所提供的全固态微结构光纤的基模和最小损耗高阶模弯曲损耗示意图。
36.图9是实施例2中所用锗棒折射率分布示意图；
37.图10是实施例2中所提供的全固态微结构光纤在直光纤状态下的波长相关损耗和不同弯曲半径下的信号带损耗示意图。
38.图11是实施例2中所提供的全固态微结构光纤在不同弯曲半径下信号带模场面积变化示意图。
39.图12是实施例2中所提供的全固态微结构光纤的基模和最小损耗高阶模弯曲损耗示意图。
具体实施方式
40.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
41.参照图1，本实用新型提供一种全固态微结构光纤，所述光纤包括包括纤芯和微结构包层，纤芯1为固态纤芯，微结构包层包覆在纤芯1的外围，所述微结构包层包括位于正六边形点阵中的锗棒2以及固态基底3，正六边形点阵由内之外分布有多层，正六边形点阵中任意两相邻点的中心间距λ相等，纤芯2位于正六边形点阵的中心位置，多根锗棒2呈稀疏结构排布在各层正六边形点阵上，其中锗棒2之间填充有固态基底3。其中纤芯1、固态基底3所选用的材料均为石英(silica)。
42.参照图1和图2，正六边形点阵有四层，由内之外分别为第一层正六边形点阵、第二层正六边形点阵、第三层正六边形点阵和第四层正六边形点阵。除紧靠纤芯的第一层正六边形点阵中的各点上严格按照正六边形排布一圈锗棒，其余层正六边形点阵中的锗棒采用稀疏结构排布，即选择性的在其余层正六边形点阵上的一些点上没有设置锗棒，没有设置锗棒的点位置处以及锗棒之间的间隙均由固态石英基底填充。这样使得高阶模弯曲损耗远大于基模弯曲损耗，因此可在一定范围内的盘绕直径下保证高功率激光在传输过程中准单模运转。具体地，第一层正六边形点阵上设有12个点且所有点上均分布有锗棒2，第二层正六边形点阵上设有18个点且位于各条边中间的两个点上均分布有锗棒2，第三层正六边形
点阵上设有24个点且位于各条边两端的四个点上均分布有锗棒2，第四层正六边形点阵上设有30个点且位于各条边两端的两个点及位于各条边中心的两个点上均分布有锗棒2。即第二层正六边形点阵中位于六边形顶点处的点上没有设置锗棒；第二层正六边形点阵中各边中心的点上没有设置锗棒；第四层正六边形点阵中各边的第二点和第四点上没有设置锗棒，如图2所示，其中正六边形点阵中的虚线点圈代表没有设置锗棒的点位置，实线点圈代表设置锗棒的点位置。
43.实施例1：
44.在本实用新型一实施例中所提供的全固态微结构光纤的结构如图1所示，其参数包括：锗棒直径d为4.8μm，正六边形点阵中任意两相邻点的中心间距λ为12μm，光纤特征参数为0.4，纤芯直径4λ
‑
d为43.2μm。其中纤芯由7根石英棒周期紧密排列而形成。
45.本实施例中所用的锗棒截面结构示意图如图3所示，锗棒2包括位于中心的高折射率掺锗区4和位于外层的低折射率包层区5，其中高折射率掺锗区4的折射率呈抛物线型渐变折射率分布，如图4所示。外层低折射率包层区5采用石英包层。锗棒的高折射率掺锗区4和低折射率包层区5存在折射率差δ，满足δ＝(n
high2
‑
n
low2
)/(2
×
n
high2
)，其中n
high
、n
low
分别为高折射率掺锗区的极大值和低折射率包层区折射率。本实施例中，锗棒的中心高折射率掺锗区和外层低折射率包层区的折射率差为δ＝2％，中心高折射率掺锗区的直径与外层低折射率包层区外径的比值为1:2.5。
46.本实施例所提供的全固态微结构光纤在信号带的本征模场分布如图5所示，其中(a)为全固态微结构光纤在1070nm信号光的lp
01
模式对应的强度分布示意图，(b)全固态微结构光纤在1070nm信号光的lp
11o
模式对应的强度分布示意图，(c)全固态微结构光纤在1070nm信号光的lp
11e
模式对应的强度分布示意图。该波长下各本征模式对应的直光纤限制损耗和基模的模场面积如下表1所示，由表可见该光纤对基模的限制损耗极低且模场面积为567μm2，因此该光纤须具备较大的模场面积和对信号波长激光稳定传输的能力，符合传能光纤基本应用需求。
47.表1各本征模式对应的有效折射率和基模的模场面积
[0048][0049]
具体地，上述实施例所提供的全固态微结构光纤在直光纤和20cm弯曲状态下的波长相关损耗如图6所示。无论是对于直光纤还是弯曲状态下，均能实现信号带处基模损耗小于0.1db/m，而srs托克斯波长处(1120nm
‑
1130nm)基模损耗大于20db/m，保证了srs波长处有效抑制的能力。
[0050]
具体地，信号带波长激光(以1060nm和1070nm为例)在上述实施例所提供的全固态微结构光纤中传输时，不同弯曲半径下(15
‑
20cm)的基模损耗如图7所示。随着弯曲半径的
减小弯曲损耗略微增大，但是始终保持在0.1db/m以下，保证了信号带较低的弯曲敏感性。
[0051]
具体地，本实施例所提供的全固态微结构光纤，根据其实际用途，除考虑波长相关损耗外，还要考虑信号带波长激光传输时的模式相关弯曲损耗。只有控制好光纤的波长相关损耗，才能使其具有srs抑制的功能；只有控制好模式相关弯曲损耗，才能实现高功率激光的准单模传输。若想实现光纤的准单模运转，须同时保证较大的高阶模弯曲损耗和较小的基模弯曲损耗，通过弯曲选模的方法滤除光纤中可能存在的高阶模。如图8所示，本实施例所提供的全固态微结构光纤在20cm弯曲半径下可保证信号带基模弯曲损耗小于0.1db/m，而高阶模弯曲损耗大于5db/m，其中，高阶模损耗对应计算所得损耗最小的高阶模，因此可一定程度上保证高功率激光准单模传输。
[0052]
实施例2：
[0053]
在本实用新型一实施例中所提供的全固态微结构光纤的结构如图1所示，其参数包括：锗棒直径d为5.3μm，正六边形点阵中任意两相邻点的中心间距λ为13.95μm，光纤特征参数为0.38，纤芯直径4λ
‑
d为50.5μm。其中纤芯由7根石英棒周期紧密排列而形成。
[0054]
具体地，本实施例所用锗棒其截面结构和折射率分布示意图分别如图3和图9所示，锗棒2包括位于中心的高折射率掺锗区4和位于外层的低折射率包层区5，其中高折射率掺锗区4的折射率呈抛物线型渐变折射率分布。外层的低折射率包层区5采用石英包层。锗棒的高折射率掺锗区4和低折射率包层区5存在折射率差δ，满足δ＝(n
high2
‑
n
low2
)/(2
×
n
high2
)，其中n
high
、n
low
分别为高折射率掺锗区的极大值和低折射率包层区折射率。本实施例中，锗棒的中心高折射率掺锗区5和外层低折射率包层区6的折射率差为δ＝1.7％，锗棒的高折射率掺锗区4和低折射率包层区5外径的比值为1:2.5。
[0055]
具体地，本实施例所提供的全固态微结构光纤在直光纤波长相关损耗和25cm弯曲状态下信号带损耗如图10所示。无论是对于直光纤还是弯曲状态下，均能实现信号带处基模损耗小于0.1db/m，而srs托克斯波长处(1120nm
‑
1130nm)基模损耗大于40db/m，保证了srs波长处有效抑制的能力。
[0056]
具体地，本实施例所提供的全固态微结构光纤在不同弯曲半径(50cm、25cm)下信号带(1040nm
‑
1070nm)模场面积变化如图11所示。在大于25cm的弯曲半径下，本实施例所述全固态微结构光纤可保证信号带激光740μm2以上的模场面积。
[0057]
具体地，本实施例所提供的全固态微结构光纤，根据其实际用途，除考虑波长相关损耗外，还要考虑信号带波长激光传输时的模式相关弯曲损耗。只有控制好光纤的波长相关损耗，才能使其具有srs抑制的功能；只有控制好模式相关弯曲损耗，才能实现高功率激光的准单模传输。若想实现光纤的准单模运转，须同时保证较大的高阶模弯曲损耗和较小的基模弯曲损耗，通过弯曲选模的方法滤除光纤中可能存在的高阶模。如图12所示，本实施例所提供的全固态微结构光纤在20cm弯曲半径下可保证信号带基模弯曲损耗小于0.1db/m，而高阶模弯曲损耗大于5db/m，其中，高阶模损耗对应计算所得损耗最小的高阶模，因此可一定程度上保证高功率激光准单模传输。
[0058]
本实用新型所设计的微结构包层由于反谐振耦合而产生光子带隙效应，通过本实用新型所设计的光纤结构使信号光波长位于光子带隙上而斯托克斯波长落在光子带隙外，使得该全固态微结构光纤具有对信号激光稳定传输而对受激拉曼散射高度抑制的特性；通
过外层锗棒稀疏结构排列设计，在保证信号激光基模低损耗的同时增大高阶模弯曲损耗，使得该全固态微结构光纤具有对高阶模有效抑制的特性，保证了高功率激光传输过程中的准单模运转。综上，本实用新型可满足高功率激光准单模长距离的应用需求，可进一步保证高功率激光在医疗、工业、国防等领域的应用成效。
[0059]
综上所述，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。