锥形全固态光子带隙光纤及高功率光纤激光系统

本发明主要涉及到微结构光纤及其应用，尤其是一种锥形全固态光子带隙光纤及高功率光纤激光系统。

背景技术：

1、全固态光子带隙光纤结合了全固态基质和带隙导光机制的双重优势，该类型光纤便于切割和熔接，具备高功率适用性。全固态光子带隙光纤具有开放的包层结构，可通过合理设计结构参数使得高阶模具有较大损耗，在大模场面积下具备优异的单模激光传输特性。全固态光子带隙光纤便于结构调整，可根据实际需要调整结构参数、优化制备工艺，实现与商用光纤尺寸匹配的光纤生产，具备应用和生产的便捷性。全固态光子带隙光纤通过合理设计带隙分布，可使其在非线性波段具有强抑制能力，具备高功率长距离传输的特有优势。因此，全固态光子带隙光纤几乎具备了未来高功率激光应用的先决条件，是下一代高功率激光光纤的有力竞争者。

2、由于全固态光子带隙光纤特有的光谱滤波特性，其用于高功率激光传输时，一方面需要通过合理的结构设计使得信号激光波长位于低损耗带隙区域内，另一方面使得较长波段的非线性波带或寄生波带位于高损耗光子带内，实现高效率、高非线性阈值的激光传输。

3、全固态光子带隙光纤的芯模传输源于光子带隙机制下纤芯缺陷模的存在，一般通过在微结构锗棒阵列中心构造低折射率缺陷而产生。在硅基全固态光子带隙光纤中，用石英芯棒代替中心若干锗棒，如此以来纤芯具有和基底材料相同的折射率分布，形成可稳定传输的纤芯缺陷模。然而，在高功率激光应用中，由于功率提升过程中的热光效应，纤芯产生的热致折射率变化使得纤芯和基底材料的折射率失配，容易破坏初始带隙结构，导致带隙分布漂移，进而引起激光传输损耗增大或非线性抑制效能下降。

4、当全固态光子带隙光纤用于高功率激光传输时，数百瓦或数千瓦的激光束在数十微米的纤芯中产生较高的功率密度，使得纤芯温度t急剧上升，形成由纤芯区域至包层区域的梯度温度分布，对纤芯区域材料产生热致折射率调制。根据纤芯区域材料的本征特性，梯度温度场作用下纤芯材料以特定的热光系数dn/dt发生折射率变化，导致纤芯和包层基质材料的折射率失配，原有光子带隙结构被破坏，带隙分布发生漂移。若热致带隙漂移向短波方向移动，易使得信号激光波长落入高损耗长波光子带中，导致传输效率严重下降；若热致带隙漂移向长波方向移动，使得信号激光波长和非线性波带同时落入低损耗带隙区域内，则会降低全固态光子带隙光纤的非线性抑制效能，如图2所示。

5、从高功率激光传输的实际应用出发，若想保证全固态光子带隙光纤在低-中-高功率水平下均具有较低的传输损耗和较高的非线性抑制特性，就需要提出更优化的光纤结构设计和拉制方案，对热光效应引起的带隙漂移加以补偿，保证在任意功率水平下光纤带隙分布的稳定性。目前，尚无相关专利或研究成果对上述问题施以行之有效的解决方案。

技术实现思路

1、针对现有技术中全固态光子带隙光纤在高功率激光应用中带隙漂移难以消除、光纤损耗特性和光谱特性劣化的不足，本发明提出一种锥形全固态光子带隙光纤及高功率光纤激光系统。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明提供一种锥形全固态光子带隙光纤，包括光纤本体，沿高功率激光在光纤本体中的传输方向具有尺寸参数渐变的锥形区域，基于尺寸参数渐变的锥形区域调谐透射光谱传输带分布，能够补偿光纤本体在传输高功率激光时热致折射率调制引起的带隙漂移。

4、本发明中在光纤本体整个纵向长度上具有相同的横截面结构和结构比例，也就是说锥形区域并不影响光纤横截面的结构，在锥形区域光纤横截面上各层结构是等比例缩放的。

5、进一步地，本发明中，沿高功率激光在光纤本体中的传输方向上至少设有一个尺寸参数渐变的锥形区域，所述尺寸参数渐变的锥形区域的光纤尺寸沿高功率激光的传输方向呈锥形渐变。

6、进一步地，本发明所述锥形区域沿高功率激光的传输方向的光纤外径变化规律划分为三个区段，分别为第一均匀区段、单向锥形区段和第二均匀区段，第一均匀区段的光纤外径尺寸恒定不变，第二均匀区段的光纤外径尺寸恒定不变，单向锥形区段的光纤外径尺寸沿高功率激光的传输方向由第一均匀区段末端呈锥形连续渐变至第二均匀区段起始端。各个区段具有相同的横截面结构和结构比例。

7、进一步地，本发明所述第一均匀区段、单向锥形区段和第二均匀区段由同一根光纤预制棒拉制得到，具有相同的横截面结构。

8、进一步地，本发明所述第一均匀区段、单向锥形区段和第二均匀区段均包括包层区、高折射率棒阵列区、纤芯区，其中高折射率棒阵列区以设定的几何阵列排布方式嵌入包层区。本领域技术人员可以基于现有技术以及需求，设定不同的几何阵列排布方式。

9、进一步地，在整个锥形区域的纵向长度内高折射率棒阵列占空比保持不变，即锥形区域任意位置处的高折射率棒直径d和相邻高折射率棒中心间距λ的比值d/λ恒定。

10、进一步地，本发明所述锥形区域是通过拉锥而成，通过在全固态光子带隙光纤拉制过程中调整拉丝速度而实现拉锥。

11、进一步地，本发明所述单向锥形区段的光纤外径尺寸的渐变速率不大于50μm/m。

12、进一步地，本发明所述单向锥形区段为光外径尺寸逐渐减小的长锥形，即所述单向锥形区段的光纤外径尺寸沿高功率激光的传输方向由第一均匀区段末端呈光纤尺寸逐渐减小的锥形连续渐变至第二均匀区段起始端，所述单向锥形区段能将光子带隙分布逐渐向短波方向调制，补偿热光效应引起的光子带隙分布向长波方向的带隙漂移。

13、进一步地，本发明所述单向锥形区段为光外径尺寸逐渐增大的长锥形，即所述单向锥形区段的光纤外径尺寸沿高功率激光的传输方向由第一均匀区段末端呈光纤尺寸逐渐增大的锥形连续渐变至第二均匀区段起始端，所述单向锥形区段能将光子带隙分布逐渐向长波方向调制，补偿热光效应引起的光子带隙分布向短波方向的带隙漂移。

14、另一方面，本发明提供一种高功率光纤激光系统，包括上述任一种锥形全固态光子带隙光纤，利用补偿热致折射率调制诱导的带隙漂移。

15、进一步地，所述高功率光纤激光系统类型不限，可以是振荡器结构类型的高功率光纤激光系统、放大器结构类型的高功率光纤激光系统或者振荡器和放大器结合的高功率光纤激光系统。

16、作为优选实施方式，所述锥形全固态光子带隙光纤作为高功率光纤激光系统的输出光纤，所述锥形全固态光子带隙光纤为无源全固态光子带隙光纤，所述锥形全固态光子带隙光纤其锥形区域的光纤尺寸沿高功率激光的传输方向呈逐渐减小的锥形渐变，能够补偿热致折射率调制诱导的带隙漂移。

17、进一步地，当拉制稀土掺杂锥形全固态光子带隙光纤用于高功率激光产生时，应根据实际采用的泵浦策略设计锥形全固态光子带隙光纤。本发明提供一种高功率光纤激光系统，包括前向泵浦放大器，所述锥形全固态光子带隙光纤为具有稀土掺杂纤芯的稀土掺杂全固态光子带隙光纤，所述锥形全固态光子带隙光纤作为前向泵浦放大器中的增益光纤，所述锥形全固态光子带隙光纤其锥形区域的光纤尺寸沿高功率激光的传输方向呈逐渐增大的锥形渐变，锥形区域的光纤尺寸较小端靠近前向泵浦放大器的高温场，能够补偿高温场中热致折射率调制诱导的带隙漂移。

18、本发明提供一种高功率光纤激光系统，包括后向泵浦放大器，所述锥形全固态光子带隙光纤为具有稀土掺杂纤芯的稀土掺杂全固态光子带隙光纤，所所述锥形全固态光子带隙光纤作为后向泵浦放大器中的增益光纤，所述锥形全固态光子带隙光纤其锥形区域的光纤尺寸沿高功率激光的传输方向呈逐渐减小的锥形渐变，锥形区域的光纤尺寸较小端靠近后向泵浦放大器的高温场，能够补偿靠近后向泵浦源的高温场中热致折射率调制诱导的带隙漂移。

19、当采用双向泵浦的放大器光纤激光系统时，在整个光纤长度范围内，根据实际的温度场分布，热致折射率调制诱导的带隙漂移应通过不同拉锥方向的级联多个锥形全固态光子带隙光纤加以补偿。采用级联多个锥形全固态光子带隙光纤方案时，任意锥区的较小尺寸端应靠近高温场区域。本发明提供一种高功率光纤激光系统，包括双向泵浦放大器，所述锥形全固态光子带隙光纤为具有稀土掺杂纤芯的稀土掺杂全固态光子带隙光纤，所述锥形全固态光子带隙光纤作为双向泵浦放大器中的增益光纤，所述锥形全固态光子带隙光纤上具有两个以上的锥形区域，所述锥形区域的光纤尺寸沿高功率激光的传输方向呈锥形渐变，其中各锥形区域的光纤尺寸较小端相对于光纤尺寸较大端更靠近双向泵浦放大器的高温场区域。进一步地，作为其中的一种优选方案，至少一个锥形区域靠近前向泵浦设置，至少一个锥形区域靠近后向泵浦设置。进一步地，靠近前向泵浦设置的锥形区域的光纤尺寸沿高功率激光的传输方向呈逐渐增大的锥形渐变，靠近前向泵浦设置的锥形区域的光纤尺寸较小端靠近双向泵浦放大器的前端高温场，补偿前端高温场中热致折射率调制诱导的带隙漂移。进一步地，靠近后向泵浦设置的锥形区域的光纤尺寸沿高功率激光的传输方向呈逐渐增小的锥形渐变，靠近后向泵浦设置的锥形区域的光纤尺寸较小端靠近双向泵浦放大器的后端高温场，补偿后端高温场中热致折射率调制诱导的带隙漂移。

20、本发明提供一种高功率光纤激光系统，包括锥形全固态光子带隙光纤，所述锥形全固态光子带隙光纤为无源全固态光子带隙光纤，在高功率光纤激光系统中用于拉曼光纤激光产生，所述锥形全固态光子带隙光纤的锥形区域的光纤尺寸沿高功率激光的传输方向呈锥形渐变，其中锥形区域的光纤尺寸较小端相对于光纤尺寸较大端更靠近高温场区域，能够补偿高温场中热致折射率调制诱导的带隙漂移。

21、相比现有技术，本发明的技术效果：

22、当全固态光子带隙光纤用于高功率激光传输时，数百瓦或数千瓦的激光束在数十微米的纤芯中产生较高的功率密度，使得纤芯温度t急剧上升，形成由纤芯区域至包层区域的梯度温度分布，对纤芯区域材料产生热致折射率调制导致纤芯和包层基质材料的折射率失配，原有光子带隙结构被破坏，带隙分布发生漂移，最终导致信号激光传输性能和非线性抑制性能下降。

23、本发明提出具有锥形区域的锥形全固态光子带隙光纤，将锥形区域的光纤尺寸较小端相对于光纤尺寸较大端更靠近高温场设置，能够补偿在传输高功率激光时热致折射率调制引起的带隙漂移，从而保证光纤在高功率激光传输应用中具备稳定的传输性能和光谱特性。

24、基于本发明提供的锥形全固态光子带隙光纤搭建高功率激光传输系统或高功率光纤激光器，在稳定的工作带隙内，可实现高功率激光的稳定传输和非线性效应的有效抑制。