一种用于激光器件的环形纤芯光纤的制作方法

1.本发明属于光纤激光器技术领域，具体涉及一种用于激光器件的环形纤芯光纤。


背景技术：

2.在过去的十年中，高功率脉冲及超快光纤激光器的输出功率经历了显著的增长，这主要得益于具有较大模场面积光纤的快速发展，使得它们在从科学研究、非线性光学到工业应用中的高精密材料(例如5g，半导体，光伏，锂电，oled，新能源汽车等产业)微加工等领域都具有极强的吸引力。
3.大模场面积光纤尤其在高能量脉冲及超快光纤激光器中具有重要的作用,它们可以有效抑制受激布里渊散射，受激拉曼散射和自相位调制等非线性效应。在2011年初，德国的耶拿大学光电子研究中心首次报道了一种被称为模式不稳定性的新非线性效应，模式不稳定性是指当输出功率达到某一阈值时，能量将会从基模逐渐转移到高阶模，从而造成输出光束质量的恶化。模式不稳定性效应在高功率光纤激光器中的大模场面积光纤中尤为严重，成为了限制其输出功率增加的首要因素。大模场面积光纤虽然可以产生较高的脉冲能量，但是其输出功率将会受到极大限制。
4.因此，一种既可以提供较大模场面积又可以抑制模式不稳定性效应的特种光纤结构亟待被设计出来。


技术实现要素：

5.因此，本发明所要解决的技术问题是如何使得光纤既可以有效的抑制模式不稳定效应，也可同时抑制非线性效应。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种用于激光器件的环形纤芯光纤，包括：
7.纤芯，呈环形状以形成中空部；
8.内包层，设置在所述中空部内；以及
9.外包层，包裹在所述纤芯的外侧；
10.其中，所述内包层的直径与所述纤芯的直径的比值范围为0.2-0.8，所述纤芯的直径为所述纤芯的外径。
11.可选地，上述的用于激光器件的环形纤芯光纤，所述内包层的直径长度范围为5um-25um；所述纤芯的直径范围为5um-50um。
12.可选地，上述的用于激光器件的环形纤芯光纤，所述纤芯的折射率大于所述内包层和所述外包层的折射率。
13.可选地，上述的用于激光器件的环形纤芯光纤，所述纤芯的折射率范围为1.2-1.8，所述内包层和所述外包层的折射率范围为1.0-1.8。
14.可选地，上述的用于激光器件的环形纤芯光纤，所述纤芯内掺杂有光子暗化抑制元素。
15.可选地，上述的用于激光器件的环形纤芯光纤，所述光子暗化抑制元素包括氟及
其化合物、锗及其化合物、锑及其化合物、硼及其化合物、硫及其化合物、和铝及其化合物。
16.可选地，上述的用于激光器件的环形纤芯光纤，所述锗及其化合物的含量在所述纤芯中的占比为20％-60％。
17.可选地，上述的用于激光器件的环形纤芯光纤，所述内包层和所述外包层掺杂有导热元素。
18.可选地，上述的用于激光器件的环形纤芯光纤，所述导热元素包括锑及其化合物、二氧化钛及其化合物。
19.可选地，上述的用于激光器件的环形纤芯光纤，所述锑及其化合物的含量在所述内包层和所述外包层中的占比为5％-30％。
20.本发明提供的技术方案，具有以下优点：本技术通过将纤芯包裹在内包层的外侧，而外包层包裹在纤芯的外侧，使得纤芯整体呈环形以减小纤芯整体面积；并且，内包层的直径与纤芯的直径比值范围为0.2-0.8，在该范围内，可以保证光纤在较大的光模式分布中基模和高阶模的有效折射率差值。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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获得其他的附图。
22.图1a为本发明的用于激光器件的环形纤芯光纤的横截面图；
23.图1b为本发明的用于激光器件的环形纤芯光纤的侧视图；
24.图1c为本发明的用于激光器件的环形纤芯光纤的折射率分布的横截面图；
25.图2a为本发明的用于激光器件的环形纤芯光纤内基模模场分布图；
26.图2b为本发明的用于激光器件的环形纤芯光纤内基模沿光纤的圆心横轴方向的电场强度分布图；
27.图3a为本发明的用于激光器件的环形纤芯光纤内的热量分布示意图；
28.图3b为商用圆形纤芯光纤的热量分布示意图；
29.图4a为本发明的用于激光器件的环形纤芯光纤基模的近场分布；
30.图4b为本发明的用于激光器件的环形纤芯光纤基模的远场分布；
31.图4c为本发明的用于激光器件的环形纤芯光纤和商用圆形纤芯光纤在不同输入泵浦光功率时，最大的激光输出功率。
32.附图标记说明：
33.1-环形纤芯；2-内包层；3-外包层。
具体实施方式
34.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
35.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
36.在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
37.实施例1
38.请参见图1a及图1b，本实施例提供一种用于激光器件的环形纤芯1光纤，包括纤芯1、内包层2及外包层3。其中，在本实施例中，该纤芯1呈环形状，相比较现有技术中的纤芯1，其截面面积减小从而可有效抑制光纤在使用过程中产生的非线性效应。而呈环形状的纤芯1具有中空部，内包层2设置在中空部内，外包层3包裹在纤芯1的外侧，从而形成一个完整的用于激光器件的环形纤芯1光纤。
39.纤芯1与内包层2、外包层3之间相互平行。并且，纤芯1和内包层2整体截面的形状可以为圆形或椭圆形，而外包层3的截面形状可以为圆形、椭圆形、三角形、平行四边形或者矩形等，在此不做具体限定，根据实际情况而定。
40.在本实施例中，内包层2的直径数值(图中a所示)和纤芯1的直径数值(图中b所示)可调整，并且，纤芯1的直径数值始终大于内包层2的直径数值。其中，由于纤芯1呈环形状，因此，纤芯1的直径为纤芯1的外径。在本实施例中，为了保证光模式分布中基模和高阶模的有效折射率差值，内包层2的直径与纤芯1的直径的比值范围为0.2-0.8。在该比值范围内，可以保证在较大的光模式分布中，基模和高阶模的有效折射率差值，较高的基模和环形纤芯1重叠面积以及较大的模场面积。其中，基模和高阶模的有效折射率差值范围为1.0*10^-3～1.0*10^-5，较高的基模和环形纤芯1重叠面积范围为50％-90％，较大的模场面积范围为500um^2-5000um^2。
41.具体的，该内包层2的直径长度范围为5um-25um；纤芯1的直径范围为5um-50um。在该长度范围内，可以保证在光模式分布中的基模有效折射率大于高阶模的有效折射率，从而使得基模被选择作为最主要的输出光模式分布。
42.请参见图1c，并且，纤芯1的折射率大于内包层2和外包层3的折射率，以保证光的基模、高阶模等模式皆在该纤芯1内产生。同时，纤芯1和内包层2、外包层3的有效折射率沿光线长度方向均匀分布。在本实施例中，纤芯1的折射率范围为1.2-1.8，内包层2和外包层3的折射率范围为1.0-1.8。在上述范围内，可保证基模作为主要的激光输出模式。
43.并且，在本实施例中，纤芯1的折射率可以沿光纤长度方向均匀分布，或阶跃式，或分级式，或抛物线式，或高斯分布，在此不做具体限定，根据实际情况而定。
44.纤芯1的主要元素成分为二氧化硅，且纤芯1内掺杂有光子暗化抑制元素。通过掺杂有光子暗化抑制元素，以抑制纤芯1中的光子暗化效应，从而减少光功率因掺杂离子浓度过高而造成的光功率损耗。
45.在本实施例中，光子暗化抑制元素包括氟及其化合物、锗及其化合物、锑及其化合物、硼及其化合物、硫及其化合物、和铝及其化合物。并且，锗及其化合物的含量在纤芯1中的占比为20％-60％。在该百分比内，可以有效抑制纤芯1中的光子暗化效应，减少光功率损耗。
46.而内包层2和外包层3的主要元素成分同样包括二氧化硅，且内包层2和外包层3掺杂有导热元素。通过掺杂有导热元素，以提高内包层2和外包层3的导热性，从而加快纤芯1内热量的扩散。在本实施例中，导热元素包括锑及其化合物、二氧化钛及其化合物。并且，锑及其化合物的含量在内包层2和外包层3中的占比为5％-30％。在该范围值内，可有效提高其导热性能，加快纤芯1内热量的扩散，降低纤芯1温度，减少热效应对输出光束质量的影响。
47.上述的光子暗化抑制元素和导热元素在纤芯1、内包层2和外包层3中的分布沿光纤整体的长度方向均匀分布，从而保证其性能的一致性。
48.请结合图2b，在本实施例中，光在光纤的纤芯1中沿着光纤长度的方向传输时，其传输方程表示为：
[0049][0050]
其中，e是光的电场分布，k和kc分别表示光在纤芯1和包层中的载波数，g表示光在有源纤芯1中传输时获得的功率增益。
[0051]
请结合图3a，而光在光纤的纤芯1中沿着光线长度的方向传输时，其产生的温度方程可以表示为：
[0052][0053]
其中，t是温度的分布，q代表光纤中所产生的热量分布，ρ表示材料的密度，c和k分别表示材料的热容量和导热系数。
[0054]
光在光纤的纤芯1中沿着光线长度的方向传输时，基模的功率可以表示为：
[0055][0056]
其中，p
01
是基模的功率，e
01
光纤输入端的基模的电场分布，a表示包括光纤纤芯1和包层在内的总面积区域。
[0057]
光在光纤的纤芯1中沿着光线长度的方向传输时，高阶模的功率可以表示为：
[0058][0059]
其中，p
11
是基模的功率，e
11
光纤输入端的基模的电场分布，a表示包括光纤纤芯1和包层在内的总面积区域。
[0060]
下面以具体实施例做具体说明。
[0061]
在该实施例中，内包层2的直径为12.8um，内包层2和外包层3的折射率为n2＝n3＝1.45，纤芯1的直径为32um，纤芯1的折射率为n1＝1.45124。并且，纤芯1中锗及其化合物的含量在纤芯1中的占比为40％，锑及其化合物在内包层2和外包层3中的占比为20％，输入的泵浦光功率为900瓦，输出的激光功率为680瓦。
[0062]
请结合图2a和图2b，图2a为本发明的光纤内基模模场分布图，图2b为本发明的光纤内基模沿光纤的圆心横轴方向的电场强度分布图。该双峰的强度分布与传统的商用单模光纤内的单峰光强度分布相比，在相同功率情况下，双峰分布可以使峰值功率减半，从而大
幅抑制光纤内的非线性效应。
[0063]
请结合图3a和图3b，图3a为本发明的光纤内热量分布示意图，图3b是商用光纤内的热量分布图。由图3a和3b对比可以看出，本发明的光纤可以有效地扩散热量，从而抑制由热量过大造成的热镜等非线性效应。
[0064]
请结合图4a和图4b，图4a为本发明的光纤基模的近场分布，图4b为本发明的光纤基模的远场分布。当该模式在介质中传输1-2厘米后，根据菲涅尔定理，该环形模式演变至远场模式分布，类似于高斯形状，如图4b所示。该高斯型激光模场分布相似于商用圆形纤芯1光纤输出的模场，可以用于精密加工应用中。环形纤芯1光纤输出模式由近模场演变至远模场的功率转化效率大于80％。
[0065]
请结合图4c，图4c是在不同的输入泵浦光功率时，本发明的光纤和商用的圆形纤芯1光纤最大的激光输出功率。本发明的光纤最大的激光输出功率在远场高斯模式分布时是1500瓦，约是商用圆形纤芯1光纤最大激光输出功率800瓦的两倍。该增加主要得益于本发明的纤芯1呈环形状，可以在较小的纤芯1面积里产生与圆形纤芯1相当的模场面积，从而可有效抑制模式不稳定性效应。此外，在相同输出光功率情况下，本发明的纤芯1内的基模双峰强度分布峰值功率是圆形纤芯1内的一半，可以很大程度上的抑制非线性效应。从而，本发明的环形纤芯1光纤与商用圆形纤芯1光纤相比，既可以抑制非线性效应又可以同时抑制模式不稳定效应。
[0066]
综上所述：本技术通过将纤芯1包裹在内包层2的外侧，而外包层3包裹在纤芯1的外侧，使得纤芯1整体呈环形以减小纤芯1整体面积；并且，内包层2的直径与纤芯1的直径比值范围为0.2-0.8，在该范围内，可以保证光纤在较大的光模式分布中基模和高阶模的有效折射率差值。
[0067]
显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，可以做出其它不同形式的变化或变动，都应当属于本发明保护的范围。