包层2在空心纤芯41周围形成微气孔42，该部分带微气孔42的包层2与空心纤芯41形成与空心光子晶体光纤相同的结构，空心纤芯41用于传输高能信号激光，微气孔42用于将信号激光限制在空心纤芯41中，本实施例中优选地，空心光子晶体光纤为kagom6结构光纤，所述空心纤芯41内为真空状态，能够进一步提高空心纤芯41的耐受功率和损伤阈值。实心增益纤芯3周围的包层2中设有规则排列的微气孔31，该部分带微气孔31的包层2和实心增益纤芯3形成与大芯径光子晶体光纤相同的结构，大芯径是指直径大于20 μ m，本实施例中优选地，所述实心增益纤芯3围绕空心纤芯41均匀排列，本实施例中优选实心增益纤芯3为10根，实心增益纤芯3具有掺杂粒子，用于信号激光的放大，包层采用石英玻璃，包层边缘21外侧为保护层，保护层为石英材质。除此之外，空心纤芯41和实心增益纤芯3还可以排列为一圈，或者排列为其他形状，空心纤芯41并不必须位于中心位置。
[0027]另外，本发明还提供一种利用上述空心-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通过端面耦合进入空心-实心复合的多芯光子晶体光纤，通过对实心增益纤芯3的纤芯间距、实心增益纤芯3的口径和微气孔31结构的设计以及注入信号激光的调节，使信号激光在实心增益纤芯3中不断被放大，放大至一定程度后，实心增益纤芯3中的信号激光发生非线性合束，将实心增益纤芯3中的信号激光在传输放大过程中不断耦合进入空心纤芯41，通过光纤长度的调节，10个实心增益纤芯3中的信号激光耦合进入空心纤芯41为信号激光被放大后的首次耦合，从而保证合束效率为最大。实心增益纤芯3中的信号激光在栗浦激光作用下不断获得增益放大，同时又在其传输放大过程中通过非线性合束作用将激光能量耦合进入空心纤芯41中。通过对信号激光增益大小的调节和对耦合强弱的设计可以将信号激光峰值功率保持在实心增益纤芯3的耐受阈值以下，通过实心增益纤芯3将栗浦激光功率持续地转换为空心纤芯41中信号激光功率。空心纤芯41中的信号激光在传播的过程中通过非线性合束作用不断耦合吸收多个实心增益纤芯3中的激光脉冲能量，实现脉冲能量的快速放大。
[0028]从整根光纤来看，在激光传输过程中栗浦功率不断转变为空心纤芯41中的信号激光脉冲功率，产生脉冲放大的效果。空心纤芯41具有非常高的耐受阈值，能够承受GW级的脉冲峰值功率和1014W/cm2级的峰值功率密度，对于ns脉冲信号激光，GW级的峰值功率意味着J级的脉冲能量。另一方面，空心纤芯41中的信号激光同时吸收多个实心增益纤芯3中不断放大的信号激光能量，相当于多个实心增益纤芯3对空心纤芯41中的信号激光同时放大，使空心纤芯41中的信号激光具有较高的放大速度，可以达到较高的放大倍数。常规光纤激光器的增益放大过程是将低亮度的栗浦激光转换为高亮度的信号激光的过程，而基于空心-实心复合的多芯光子晶体光纤的增益放大不但有将低亮度的栗浦激光转换为高能量的实心增益纤芯3信号激光的过程，同时还有将低能量的实心增益纤芯3信号激光转换为高能量的空心纤芯41信号激光的过程。通过本发明，为突破高能量脉冲光纤激光发展的瓶颈，使光纤激光产生峰值功率GW级、脉冲能量J级的激光脉冲输出提供了一种解决方案。
[0029]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，功能上相互支持，完全保留了两者的优点，同时克服了各自的使用限制，产生的综合效果明显优于其中的光子晶体光纤效果的总和，使激光能量不受多芯光子晶体光纤损伤阈值的限制，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。
[0030]焦耳级纳秒光纤激光将在多个方面具有重要应用。一是为目前焦耳级激光应用系统提供高可靠性、紧凑型、免维护性激光光源，扩展高能量脉冲激光的应用；二是促进相干放大网络、光纤放大网络等基于光纤激光的大型高能激光驱动装置的发展；三是促进新应用的产生。空心纤芯4的直径为数十微米，焦耳级的脉冲能量将会产生非常大的能量密度，同时空心纤芯4中可以填充各种气体，高能量密度激光与各种气体将会具有丰富的物理效应，产生新的应用。
[0031]此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
【主权项】
1.一种空心-实心复合的多芯光子晶体光纤，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的空心-实心复合的多芯光子晶体光纤，其特征在于，所述空心光子晶体光纤为kagom6结构光纤。3.根据权利要求1所述的空心-实心复合的多芯光子晶体光纤，其特征在于，所述空心纤芯内为真空。4.根据权利要求1所述的空心-实心复合的多芯光子晶体光纤，其特征在于，所述实心增益纤芯围绕空心纤芯均匀排列。5.根据权利要求1-4任一所述的空心-实心复合的多芯光子晶体光纤，其特征在于，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。6.一种利用权利要求1-5任一所述的空心-实心复合的多芯光子晶体光纤进行激光放大的方法，其特征在于，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。7.根据权利要求6所述的激光放大的方法，其特征在于，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。8.根据权利要求7所述的激光放大的方法，其特征在于，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。9.根据权利要求6所述的激光放大的方法，其特征在于，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。
【专利摘要】本发明公开了一种空心-实心复合的多芯光子晶体光纤及其激光放大的方法，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，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。
【IPC分类】H01S3/067, G02B6/02
【公开号】CN105403951
【申请号】CN201510967177
【发明人】张永亮, 邓颖, 王少奇, 康民强, 薛海涛, 叶海仙, 郑建刚, 张雄军, 李明中, 张君, 许党朋, 田小程, 胡东霞, 郑奎兴, 粟敬钦, 朱启华, 魏晓峰, 郑万国
【申请人】中国工程物理研究院激光聚变研究中心
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年12月22日