空心-实心复合的多芯光子晶体光纤及其激光放大的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高功率光纤激光器技术领域，具体而言，涉及一种空心-实心复合的多芯光子晶体光纤及其激光放大的方法。
【背景技术】
[0002]1961年E.Snitzer等人提出了光纤激光器的概念，1966年高锟等人为极低损耗光纤的研制指明了方向。从此，光纤激光以其高可靠性、高紧凑性、高能效性和免维护性等独特优势在各领域获得了广泛的应用。1988年E.Snitzer等人又提出了双包层光纤的概念，使光纤可耦合吸收的栗浦功率有了显著提高，为高功率激光放大提供了可能。1990年代末单模或者少模大模场光纤的出现，提高了光纤的非线性阈值和损伤阈值，使高功率光纤激光得到快速发展。高功率表现在两个方面:高平均功率和高峰值功率。在高平均功率方面，以IPG公司为代表，2005年实现了 kW级光纤激光的输出，2009年将功率进一步提升至
9.6kW。在高峰值功率方面，2002年美国海军实验室的Teodoro等人利用纤芯直径25 μ m、ΝΑ = 0.1、盘绕直径1.67cm的掺镱光纤将脉宽780ps、重频8.5kHz的种子激光能量放大至255 yJ，峰值功率达到330kW，光束质量因子M2= 1.08。2005年，美国Michigan大学的Μ.Y.Cheng等人利用纤芯直径80 μ m、ΝΑ = 0.06、盘绕半径4.25cm的掺镱光纤获得了 5MW峰值功率的激光输出，光束质量因子M2= 1.3。2006年Teodoro等人采用芯径直径100 μπι的棒状光子晶体光纤，将Ins左右的脉冲激光能量放大至4.3mJ，峰值功率4.5MW，光束质量因子 M2= 1.3。
[0003]受益于双包层光纤的发明和大模场光纤，特别是大模场光子晶体光纤的发展，高能脉冲光纤激光的峰值功率在21世纪的前几年内得到了快速提升，实现了脉冲能量数毫焦、峰值功率数兆瓦的近单模输出。然而，近10年来高能脉冲光纤激光近单模输出的峰值功率未有显著提高。其原因在于近单模输出的高能脉冲光纤激光的物理极限已经显现，当纤芯模场直径大于20um时，光纤的负载能力主要受限于自聚焦效应。自聚焦效应来源于石英玻璃纤芯的克尔效应。对于线性偏振光自聚焦阈值为4.25MW，对于圆偏振光自聚焦阈值为5.84MW。当激光脉冲峰值功率超过自聚焦阈值时，光纤将会受到破坏。自聚焦是一种与峰值功率相关的非线性效应，进一步扩大光纤模场直径只能降低自相位调制(SPM)、较差相位调制(XPM)、四波混频(FWM)、受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)等峰值功率密度相关的非线性效应，并不能消除自聚焦效应。
[0004]因此，基于常规实芯光纤的高能脉冲光纤激光难以进一步提升单模输出的峰值功率和脉冲能量。
[0005]1999年R.F.Cregan等人制备出了空心光子晶体光纤。根据波导形成机制，空心光子晶体光纤可分为光子带隙光纤、kagom6结构光纤和反共振光纤等三种。kagom6结构光纤的石英玻璃中激光功率占比极小，空芯光纤中激光功率主要集中在空心区域，因此，光纤可承受非常高的峰值功率和脉冲能量。高达GW级的峰值功率和1014W/cm2级的峰值功率密度耐受阈值已经在实验中得到了验证，并且有望承受更高的峰值功率。空芯光纤耐受阈值远高于实芯光纤中的数丽的自聚焦阈值，因此可以传输远高于实芯光纤所能承受的脉冲能量。近年来，空心光子晶体光纤以其独特的优势，在高能脉冲能量传输、高次谐波产生、等离子体产生、超连续谱产生以及脉冲自压缩等领域吸引了大量关注。
[0006]空心光子晶体光纤的高阈值特性得益于石英玻璃中极小的功率占比，然而这同时也造成激光模场与掺杂介质无法有效交叠，使得信号激光难以增益放大。因此，空心光子晶体光纤目前只能作为传输介质，不能对激光脉冲能量放大，所传输高峰值功率激光需要由其他种类激光器产生。
【发明内容】
[0007]针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种空心-实心复合的多芯光子晶体光纤及其激光放大的方法，本发明将空心光子晶体光纤与多芯光子晶体光纤进行复合，将空心光子晶体光纤的高损伤阈值与多芯光子晶体光纤的非线性合束进行结合，使激光能量不受多芯光子晶体损伤阈值的限制，将单模激光脉冲峰值功率放大输出至GW级或者平均功率放大输出至100kW级。
[0008]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0009]一种空心-实心复合的多芯光子晶体光纤，由外向内依次包括:保护层、包层和纤芯，所述纤芯包括实心增益纤芯和空心纤芯，所述包层与所述空心纤芯形成和空心光子晶体光纤相同的结构。
[0010]进一步，所述空心光子晶体光纤为kagom6结构光纤。
[0011]进一步，所述空心纤芯内为真空。
[0012]进一步，所述实心增益纤芯围绕空心纤芯均匀排列。
[0013]进一步，所述包层与所述实心增益纤芯形成和大芯径光子晶体光纤相同的结构。
[0014]另，本发明还提供一种利用上述的空心-实心复合的多芯光子晶体光纤进行激光放大的方法，将栗浦激光和信号激光耦合进入空心-实心复合的多芯光子晶体光纤中，通过调节，信号激光在实心增益纤芯中被放大后，多个实心增益纤芯中的信号激光发生非线性合束，将实心增益纤芯中的信号激光耦合进入空心纤芯。
[0015]进一步，多个实心增益纤芯中的信号激光在增益放大的同时耦合进入空心纤芯。
[0016]进一步，空心-实心复合的多芯光子晶体光纤的长度为信号激光的第一个耦合周期的长度。
[0017]进一步，所述调节包括对实心增益纤芯的间距、实心增益纤芯的口径、实心增益纤芯的空气孔结构或信号激光的调节。
[0018]本发明的有益效果如下:
[0019]1、本发明将空心光子晶体光纤与多芯光子晶体光纤进行复合，将空心光子晶体光纤的高损伤阈值与多芯光子晶体光纤的非线性合束进行结合，两者相辅相成，完全保留了两者的优点，同时克服了各自的使用限制，使激光能量不受多芯光子晶体损伤阈值的限制，将单模激光脉冲峰值功率放大输出至GW级或者平均功率放大输出至100kW级；
[0020]2、空心光子晶体光纤采用kagom6结构光纤，并对空心部分进行抽真空处理，能够进一步提尚空心纤芯的耐受功率；
[0021]3、本发明采用大芯径多芯光子晶体光纤能够保证信号激光得到足够的能量放大， 同时其单模传输性能确保信号激光被放大后的光束质量较优异。
【附图说明】
[0022]图1为本发明的整体结构示意图；
[0023]图中:1 一保护层，2—包层，21—包层边缘，3—实心增益纤芯，31—微气孔，41 一空心纤芯，42—微气孔。
【具体实施方式】
[0024]为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
[0025]实施例一:
[0026]如图1所不，一种空心-实心复合的多芯光子晶体光纤，由外向内依次包括:保护层1、包层2、实心增益纤芯3和空心纤芯41，