专利名称：一种双包层光纤的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光纤制作技术领域，涉及高功率光纤激光器用双包层光纤的结构设计。
背景技术：
光纤激光器最初使用的是普通的单模光纤，纤芯掺杂有稀土离子作为增益介质，但由于光纤纤芯非常细，只有几个微米，与泵浦源的耦合效率低，输出功率非常低，以致限制了其使用的范围。为了提高光纤激光器的输出功率，人们提出了双包层结构的光纤，所谓双包层光纤是指在普通的单模光纤的纤芯和包层的结构中间引入了一个内包层，变成了三层结构纤芯、内包层和外包层，大的内包层尺寸可以耦合更多的泵浦光，泵浦光在内包层中传输，不断的经过纤芯被吸收。根据光纤的传光原理，圆形的内包层结构存在大量的螺旋形前进的光在整个光纤长度内不能够被位于光纤中间的纤芯所吸收，于是提出了各种对称边界的内包层结构如星型，矩型，D型，多边型及非稳态腔型，使得吸收效率大大提高。这种双包层光纤的内包层的对称边界形状制作是在完成光纤预制棒之后进行不规则研磨制作出对称的边界形状，然后在光纤制作系统中拉制光纤并涂覆外包层。实验及理论验证，在上述各种对称边界内包层结构中，仍然存在着稳定分布的局域态，如星型对称边界内包层结构的每段连续边界是相同的，形成了一种稳定分布的局域态，这些局域态中存在的泵浦光不能被纤芯吸收，为了提高泵浦光的吸收就需要增加光纤激光器所使用双包层光纤长度，光纤激光器输出变得不稳定，光纤中这些泵浦光能量在传输过程中被散射或者以热量的形式损失掉，由于泵浦光的不充分吸收，双包层光纤的内包层中泵浦光局域稳定态的存在也会影响光纤激光器的稳定性，同时以这种双包层光纤实现的光纤激光器阈值也较大。
本实用新型的详细内容为了解决背景技术对称边界内包层结构的双包层光纤存在泵浦光的局域稳定态不能被纤芯吸收，增加使用光纤长度，而且不能被吸收局域稳定态分布的泵浦光影响了光纤激光器的输出性能及稳定性，激光器阈值较大等问题，本实用新型目的就是为对称边界内包层结构双包层光纤提供了一种改进，设计出非对称边界内包层结构的双包层光纤。
为了实现上述目的，本实用新型的非对称边界内包层结构双包层光纤包括纤芯、内包层、边界、外包层，纤芯掺杂有稀土离子作为吸收介质实现增益，位于双包层光纤的中心处；纤芯的外部是内包层；纤芯与内包层存在折射率差，纤芯的折射率最大，内包层的折射率较小，形成较小的数值孔径保证信号光的单模输出；在内包层的外部安置有外包层，外包层折射率最小，内包层与外包层形成的数值孔径较大保证泵浦光有最大的耦合效率。
本实用新型在内包层本体的外边缘形成边界，边界由多个圆弧an组成，每个圆弧an的半径R3各不相同，圆弧an呈现非对称分布。
在内包层本体的外边缘形成边界，边界由多个直线段bn组成，每个直线段的长度Ln各不相同，直线段bn呈现非对称分布。
内包层本体上的边界在环状区域内变化，边界由n段圆弧an首尾连接组成，圆弧an与外圆内切且圆弧an的两端点位于内圆上，环状区域的外圆半径为R1，环状区域的内圆半径为R2，环状区域内的圆弧an的半径R3n由圆弧an的两端点与纤芯的中心点所构成的夹角θn(n＝1，2，......n，n＞3)所决定，边界的第一段圆弧a1的两端点与中心点构成的夹角为θ1，第二段圆弧a2的两端点与中心点构成的夹角为θ2，第n段圆弧an的两端点与中心点构成的夹角为θn，且θ1≠θ2≠…≠θn或有相同的夹角θn按非对称分布，且θ1+θ2+…+θn＝2π，第n个圆弧an的半径为R3n，由圆弧an的两端点与中心点构成的夹角θn得出R3n=R12sin2(θn/2)+[R1-R2cos(θ,n/2)]22[R1-R2cos(θn/2)],]]>既n段圆弧an与中心点构成的夹角θn不完全相同，R3n不完全相同，使圆弧an呈现非对称分布。
内包层本体的边界在环状区域内变化，边界由n段圆弧an首尾连接组成，圆弧an与内圆外切且圆弧an的两端点位于外圆上，环状区域的外圆半径为R1，环状区域的内圆半径为R2，圆弧an由圆弧an的两端点与纤芯的中心点所构成的夹角θn(n＝1，2，......n，n＞3)所决定，边界的第一段圆弧a1的两端点与中心点构成的夹角为θ1，第二段圆弧a2的两端点与中心点构成的夹角为θ2，第n段圆弧an的两端点与中心点构成的夹角为θn，且θ1≠θ2≠…≠θn或有相同的夹角θn按非对称分布，且θ1+θ2+…+θn＝2π，第n个圆弧an的半径为R3n，由圆弧an的两端点与中心点构成的夹角θn得出R3n=R12+R22-2R1R2cos(θn/2)2[R1cos(θn/2)-R2],]]>既n段圆弧an与中心点构成的夹角θn不完全相同，R3n也不完全相同，使圆弧an呈现非对称分布。
内包层本体的边界由n(n＞3)段直线段bn组成，n段直线段bn均为外圆的内切弦，外圆的半径为R1，边界的第一段直线段b1的两端点与纤芯的中心点构成的夹角为θ1，第二段直线段b2的两端点与中心点构成的夹角为θ2，第n段直线段bn的两端点与的中心点构成的夹角为θn，且θ1≠θ2≠…≠θn或有相同的夹角θn按非对称分布，且θ1+θ2+…+θn＝2π，第n个直线段bn的长度为Ln，由直线段bn的两端点与中心点构成的夹角θn得出Ln=2·R1·sin(θn/2),]]>n段直线段bn的两端点与中心点构成的夹角θn不完全相同，Ln也不完全相同，使直线段bn呈现非对称分布。
本实用新型工作时泵浦光进入内包层中，进入纤芯的泵浦光在纤芯内传播不断的被其中掺杂的稀土离子吸收，未进入纤芯的泵浦光到达边界被反射回来，经过纤芯时，进入纤芯被其中掺杂的稀土离子吸收，未被吸收的和未经过纤芯的泵浦光继续在内包层中传输，到达边界上被再次反射回来，再次经过纤芯，进入纤芯后被吸收，重复此过程，在一定的光纤长度内，所有的泵浦光进入纤芯被吸收，被纤芯中稀土离子吸收泵浦光后产生信号光，信号光在纤芯中传播。
本实用新型采用非对称边界内包层结构的双包层光纤，解决了背景技术由于内包层边界为对称结构分布，使得内包层中存在泵浦光的局域稳定态，泵浦光不能被纤芯吸收，则增加使用光纤长度，而且不能被吸收的泵浦光影响光纤激光器输出稳定性，激光器阈值较大等问题。本实用新型在内包层中的泵浦光在传播过程中不存在局域的稳定态，使得更多的泵浦光经过纤芯，提高内包层中的泵浦光与纤芯的耦合效率，更多的泵浦光被纤芯充分吸收，使双包层光纤具有更高的吸收效率。减少光纤激光器使用双包层光纤长度，由于吸收效率的提高，提高了光纤的增益，从而降低激光器阈值。由于剩余泵浦光更少，从而增加激光器输出的稳定性。
图1a及图1b是本实用新型星型结构横截面示意图及设计原理图；图2a及图2b是本实用新型非稳态腔型结构横截面示意图及设计原理图；图3a及图3b是本实用新型多边型结构横截面示意图及其设计原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明，但本实用新型不限于这些实施例。实施例中包括纤芯1、内包层2、边界3、外包层4、外圆5、环状区域6、内圆7、半径R1、半径R2、半径R3n、圆弧an、直线段bn、夹角θn、中心点O。
实施例1本实用新型的第一个实施例，图1a为星型非对称边界双包层光纤的横截面示意图，图1b为设计原理图。
纤芯1的材料可以根据不同需要选定，本实施例中纤芯1可以选择石英、也可以用多组分玻璃作为基质，在基质里掺杂有稀土离子如钕离子或镱离子或掺杂其它多种稀土离子，实现信号光增益；同时也掺入其它离子实现高折射率，一般选择锗，纤芯1的半径可以采用3.5m。纤芯1的半径要保证信号光在纤芯1中以单模输出。
内包层2的材料可以选择石英或者是多组分玻璃，折射率略低于纤芯1，使得纤芯1的数值孔径为0.15。内包层2的最大半径与外圆5半径相同，内包层2的最小半径与内圆7半径相同，内包层2本体上的边界3在环状区域6内变化，如图1b所示半径为R3n的圆弧an是图1a中边界3相应的第n个圆弧an。
边界3如图1a所示由外圆5和内圆7组成环状区域6，本实施中的外圆5的半径R1和内圆7的半径R2分别为125μm和105μm，(如图1b)。边界3由六段圆弧an组成，为实现非对称分布，每段圆弧an(n＝1，2...6)与中心点O构成的夹角θn各不相同，我们选取每段圆弧an所对应的夹角θn分别为θ1-6=7π36,9π36,11π36,13π36,15π36,17π36,]]>分别得到半径R3n为R3(1-6)＝85μm，100μm，113μm，120μm，123μm，125μm，夹角θn选取两个或三个相同的数值，实现圆弧an的非对称分布，如选取θ1-6=9π36,9π36,9π36,13π36,15π36,17π36,]]>分别得到半径R3n为R3(1-6)＝100μm，100μm，100μm，120μm，123μm，125μm。同样的也可以设计四个，五个或更多的圆弧an组成非对称内包层结构双包层光纤。
外包层4的材料选取低折射率的聚合物材料，形成内包层2的数值孔径为0.45，外包层4的厚度选取为150μm。
上述内包层2的实现需要在对光纤预制棒的研磨过程中采用更加复杂的工艺，制作出所需要的内包层形状，然后拉丝涂覆制成双包层光纤。
实施例2给出了本实用新型的第二个实施例，图2a为非稳态腔型结构双包层光纤的横截面示意图，图2b为设计原理图，纤芯1，内包层2和外包层4的材料、尺寸和结构关系与实施例1一致，边界3在环状区域6内变化，半径为R3n的圆弧an是边界3相应的第n个圆弧an，本实施中的R1和R2与实施例1中相同，边界3由六段圆弧组成，为实现非对称分布，每段圆弧an(n＝1，2...6)对应的夹角θn各不相同，因此，R3n也相应的不同，我们设定每段圆弧对应的夹角θn与实施例1相同，分别得到半径R3nR3(1-6)＝132μm，134μm，137μm，142μm，150μm，166μm。或者如实施例1中选取两个或三个相同的夹角θn，分别得到半径R3n为R3(1-6)＝134μm，134μm，134μm，142μm，150μm，166μm。
同样的也可以设计四个，五个或更多的圆弧an组成非对称内包层结构双包层光纤。
实施例3又给出了本实用新型的第三个实施例，双包层光纤的横截面如图3a所示，图3b为设计原理图。实施例中的双包层光纤的纤芯1，内包层2和外包层4的材料、尺寸和结构关系与实施例1相同，本实施例选取边界3由八段直线段bn组成，我们选取外圆5的半径R1为125μm，每个直线段bn(n＝1，2...8)对应的夹角θn可选择为θ1-8=2π36,4π36,6π36,8π36,10π36,12π36,14π36,16π36,]]>直线段bn的长度Ln分别选择为L1-8＝22μm，43μm，65μm，86μm，106μm，125μm，143μm，160μm(n＝1，2...8)。
上述夹角θn可以选取三个或四个相同数值，实现直线段bn的非对称分布，如选取θ1-8=5π36,5π36,5π36,5π36,10π36,12π36,14π36,16π36,]]>分别得到L1-8＝54μm，54μm，54μm，54μm，106μm，125μm，143μm，160μm。同样的也可以设计六个、七个或更多的直线段bn组成非对称内包层结构双包层光纤。
本实用新型中半径R1、半径R2、θn、纤芯1的半径和外包层4的厚度参数还可根据不同的设计要求来选择，本实用新型中的材料还可选择除上述材料之外的其他材料。
权利要求1.一种用于高功率光纤激光器的双包层光纤，包括纤芯(1)、内包层(2)、边界(3)、外包层(4)，其特征在于在内包层(2)本体的外边缘形成边界(3)，边界(3)由多个圆弧αn组成，每个圆弧αn的半径R3各不相同，圆弧αn呈现非对称分布。
2.一种用于高功率光纤激光器的双包层光纤，包括纤芯(1)、内包层(2)、边界(3)、外包层(4)，其特征在于在内包层(2)本体的外边缘形成边界(3)，边界(3)由多个直线段bn组成，每个直线段的长度Ln各不相同，直线段bn呈现非对称分布。
3.根据权利要求1所述的用于高功率光纤激光器的双包层光纤，其特征在于内包层(2)本体上的边界(3)在环状区域(6)内变化，边界(3)由n段圆弧αn首尾连接组成，圆弧an与外圆(5)内切且圆弧an的两端点位于内圆(7)上，环状区域(6)的外圆(5)半径为R1，环状区域(6)的内圆(7)半径为R2，环状区域(6)内的圆弧αn的半径R3n由圆弧αn的两端点与纤芯(1)的中心点所构成的夹角θn(n＝1，2，......n，n＞3)所决定，边界(3)的第一段圆弧α1的两端点与中心点构成的夹角为θ1，第二段圆弧α2的两端点与中心点构成的夹角为θ2，第n段圆弧an的两端点与中心点构成的夹角为θn，且θ1≠θ2≠…≠θn或有相同的夹角θn按非对称分布，且θ1+θ2+…+θn＝2π，第n个圆弧an的半径为R3n，由圆弧an的两端点与中心点构成的夹角θn得出R3n=R12sin2(θn/2)+[R1-R2cos(θ,n/2)]22[R1-R2cos(θn/2)],]]>既n段圆弧αn与中心点构成的夹角θn不完全相同，R3n不完全相同，使圆弧αn呈现非对称分布。
4.根据权利要求1所述的用于高功率光纤激光器的双包层光纤，其特征在于内包层(2)本体的边界(3)在环状区域(6)内变化，边界(3)由n段圆弧αn首尾连接组成，圆弧an与内圆(7)外切且圆弧an的两端点位于外圆(5)上，环状区域(6)的外圆(5)半径为R1，环状区域(6)的内圆(7)半径为R2，圆弧αn由圆弧αn的两端点与纤芯(1)的中心点所构成的夹角θn(n＝1，2，......n，n＞3)所决定，边界(3)的第一段圆弧α1的两端点与中心点构成的夹角为θ1，第二段圆弧α2的两端点与中心点构成的夹角为θ2，第n段圆弧an的两端点与中心点构成的夹角为θn，且θ1≠θ2≠…≠θn或有相同的夹角θn按非对称分布，且θ1+θ2+…+θn＝2π，第n个圆弧an的半径为R3n，由圆弧an的两端点与中心点构成的夹角θn得出R3n=R12+R22-2R1R2cos(θn/2)2[R1cos(θn/2)-R2],]]>既n段圆弧αn与中心点构成的夹角θn不完全相同，R3n也不完全相同，使圆弧αn呈现非对称分布。
5.根据权利要求2所述的用于高功率光纤激光器的双包层光纤，其特征在于内包层(2)本体的边界(3)由n段直线段bn组成，n段直线段bn均为外圆(5)的内切弦，外圆(5)的半径为R1，边界(3)的第一段直线段b1的两端点与纤芯(1)的中心点构成的夹角为θ1，第二段直线段b2的两端点与中心点构成的夹角为θ2，第n段直线段bn的两端点与的中心点构成的夹角为θn，且θ1≠θ2≠…≠θn或有相同的夹角θn按非对称分布，且θ1+θ2+…+θn＝2π，第n个直线段bn的长度为Ln，由直线段bn的两端点与中心点构成的夹角θn得出Ln＝2·R1·sin(θn/2)，n段直线段bn的两端点与中心点构成的夹角θn不完全相同，Ln也不完全相同，使直线段bn呈现非对称分布。
专利摘要本实用新型涉及高功率光纤激光器用双包层光纤，包括纤芯1、内包层2、边界3、外包层4，在内包层2上形成边界3并由多个圆弧a
文档编号H01S3/00GK2700897SQ03252039
公开日2005年5月18日 申请日期2003年8月14日 优先权日2003年8月14日
发明者潘玉寨, 宁永强, 刘云, 王立军 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所