一种多侧芯手性耦合石英激光光纤

1.本发明属于光纤技术领域，尤其涉及一种多侧芯手性耦合石英激光光纤。


背景技术：

2.高功率光纤激光器一直是国内外的研究热点，特别是双包层光纤的出现和半导体激光器的成熟，使得国内外单纤单模光纤激光器的连续输出功率被不断刷新，然而，随着输出功率的提升，光功率密度增大，受激布里渊散射、受激拉曼散射等非线性效应和光纤损伤的问题再次凸显，且高功率下模式不稳定现象也会发生，严重影响光纤激光器的光束质量，限制了光纤激光器输出功率的进一步提升。采用大模场面积光纤或光子晶体光纤被认为是解决光纤激光器功率提升面临的非线性效应及光纤损伤等功率增长限制的最直接有效的途径。
3.虽然常规的大模场光纤可以通过提高纤芯直径很好地降低纤芯中的光能量密度，但在高功率泵浦下会产生高阶模，导致光束质量变差，只有采用正确的激励或弯曲盘绕等模式控制方法才能实现单模传输，且对于纤芯直径超过25μm的大模场光纤来说，模式控制的方法很不稳定。在光子晶体光纤技术方面，2005年，德国jena研究所利用纤芯直径为31μm的单根掺镱(yb)双包层光子晶体光纤，实现了1.53kw的激光输出，光-光转换效率达到75％。光子晶体光纤虽然能实现单模输出，但由于光子晶体光纤制造难度大且在弯曲时会引起极大的模式损耗，弯曲半径大，不利于光纤激光系统的集成化，极大地限制了其在高功率全光纤激光器领域的应用。而手性耦合光纤作为一种新型结构光纤，可以通过倏逝波耦合来控制中央纤芯的模式，将中央芯高阶模耦合进侧芯并通过弯曲辐射产生高损耗(大于100db/m)，确保中央芯中的基模可以近乎无损耗(小于0.1db/m)传输，在大纤芯尺寸(大于30μm)的情况下实现稳定地单模输出。
4.但目前手性耦合结构较为单一，难以满足高功率高效率激光传输要求，为此，可以从多侧芯手性耦合结构考虑，提出一种多侧芯手性耦合石英激光光纤，既具有大纤芯尺寸又能抑制高阶模产生。


技术实现要素：

5.为了解决现有激光光纤在高阶模抑制、模场较小等不足，本发明提出了一种多侧芯手性耦合石英激光光纤，采用基于大芯径纤芯和多侧边螺旋结构组合方式提高模场面积及高阶模抑制能力。在本发明中，使用石英材料作为包层材料，大尺寸镱离子掺杂石英材料作为纤芯材料，多侧芯螺旋波导以纤芯为中心缠绕纤芯结构。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种多侧芯手性耦合石英激光光纤，光纤由内向外依次是纤芯1、多边形内包层3和外包层4，掺杂大石英芯1位于光纤中心，螺旋侧芯2围绕在纤芯1周围。
8.所述的掺杂大石英芯1提供大模场光模式传输，螺旋侧芯2模式和纤芯1的高阶模式相位匹配，抑制高阶模式及高功率非线性，实现大芯径的单模输出。
9.多边形内包层3的折射率大于外包层4。
10.螺旋侧芯2的数量大于2。
11.所述的螺旋侧芯2的芯径大小不均等，且以纤芯1为中心呈螺旋结构分布。
12.通过控制纤芯1的芯径、螺旋侧芯2的尺寸和折射率调节基模模场面积及光束质量。
13.所述纤芯1为掺杂了镱离子稀土有源材料的大尺寸石英芯。
14.所述外包层4为石英材料。
15.所述的多侧芯手性耦合石英激光光纤外径大于250微米，纤芯1模场直径在波长1080nm下大于60微米。；
16.所述的多侧芯手性耦合石英激光光纤，在制备大芯径有源光纤预制棒基础上，采用高精密钻孔技术制备侧芯结构，基于光纤工艺制备侧芯棒，采用旋转拉丝工艺实现螺旋扭转的多侧芯，引入可控变化的应力分布以及折射率分布的微扰，抑制光纤非线性。
17.所述的光纤单模大模场是由大尺寸纤芯和螺旋侧芯结构共同形成。纤芯径的进一步增大，侧芯对高阶模式的耦合效率减弱。侧芯数量的增加能够实现对纤芯径高阶模式损耗的叠加，进一步提升对高阶模式损耗，实现单模输出。
18.光纤的基模模场面积及光束质量由芯径及螺旋侧芯尺寸和折射率共同决定。光纤芯径尺寸的增大可提升基模模场面积，但激光光束质量受高阶模式影响，设计不同尺寸侧芯和相匹配的折射率，分别与纤芯不同高阶模式进行耦合，实现对所有高阶模式的抑制，从而提高输出激光整体光束质量。
19.本发明提供了一种多侧芯手性耦合石英激光光纤采用石英光纤，由大尺寸纤芯、多侧边螺旋芯，多边形石英内包层和圆形石英外包层等构成，多侧边螺旋芯尺寸渐变且以光纤芯中心为对称，以螺旋结构围绕大尺寸芯，其结构紧凑，整体直径大于250微米。利用多侧边螺旋结构可有效抑制高阶模式且拓宽了单模模场直径，并有效降低了传输损耗。与现有技术相比，本发明的优势在于：1该多侧芯手性耦合石英激光光纤，稀土分散好、损耗低、单根预制棒拉丝产率高。
20.2该多侧芯手性耦合石英激光光纤具有多芯结构，其中大尺寸有段纤芯结构不仅实现增大了单模模场面积，同时，实现信号的放大。
21.3该多侧芯手性耦合石英激光光纤采用光纤工艺制备侧芯棒，可以有效控制侧芯棒的芯径、折射率分布及吸收。
附图说明
22.图1为本发明实施例中的多侧芯手性耦合石英激光光纤示意图；
23.图2是光纤的剖面结构示意图。
24.图中：1-纤芯，2-螺旋侧芯，3-多边形内包层，4-外包层。
具体实施方式
25.下面通过具体实施方式进一步说明。
26.实施例1：如图1，本发明提出的多侧芯手性耦合石英激光光纤采用的光纤结构包括大尺寸的中心纤芯1、多个螺旋侧芯2、多边形内包层3和圆形外包层4。其中，所述多个螺
旋侧芯2位于大尺寸纤芯1的周围，均被多边形内包层3包裹，圆形外包层4作为外围套管，与多边形内包层3紧密结合。大尺寸纤芯1、多侧边螺旋芯2、多边形石英内包层3和圆形石英外包层4共同构成多侧芯手性耦合石英激光光纤。
27.本实施例中，光纤外径大于250微米，模场直径在波长1080nm下大于60微米，螺旋侧芯2共有6个，每个螺旋侧芯的尺寸依次为：13微米,13微米,12微米,12微米,11微米,11微米。材料为石英等材料，可以根据所需要激光功率和模式对上述几何参数适当调整。
28.实施例2：本实施例依然由大尺寸纤芯1、多侧边螺旋芯2、多边形石英内包层3和圆形石英外包层4共同构成多侧芯手性耦合石英激光光纤。
29.在本实施例中光纤外径大于300微米，纤芯1的模场直径在波长1080nm下大于65微米，螺旋侧芯2共有8个，每个螺旋侧芯2的尺寸依次为：13微米,13微米,12微米,12微米,11微米,11微米,10微米,10微米。不同尺寸的侧芯分别针对各阶高阶模式进行匹配泄漏。
30.为了达到说明和描述的目的，本发明提供了前述的关于本发明的说明性示例。这并非旨在详尽地叙述本发明或将本发明限制为所叙述的精确形式，可根据上述说明可以进行修改和变更。选择和描述实施例是为了解释本发明的原理，并且作为本发明的实际应用，以使本领域技术人员能够在各种实施例中使用本发明，并且进行特定用途的各种修改。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。


技术特征：
1.一种多侧芯手性耦合石英激光光纤，其特征在于：光纤由内向外依次是纤芯(1)、多边形内包层(3)和外包层(4)，掺杂大石英芯(1)位于光纤中心，螺旋侧芯(2)围绕在纤芯(1)周围。2.根据权利要求1所述多侧芯手性耦合石英激光光纤，其特征在于：所述的纤芯(1)为大尺寸纤芯，提供大模场光模式传输，螺旋侧芯(2)模式和纤芯(1)的高阶模式相位匹配，抑制高阶模式及高功率非线性，实现大芯径的单模输出。3.根据权利要求2所述多侧芯手性耦合石英激光光纤，其特征在于：多边形内包层(3)的折射率大于外包层(4)。4.根据权利要求2所述的多侧芯手性耦合石英激光光纤，其特征在于：螺旋侧芯(2)的数量大于2。5.根据权利要求4所述的多侧芯手性耦合石英激光光纤，其特征在于：所述的螺旋侧芯(2)的芯径大小不均等，且以纤芯(1)为中心呈螺旋结构分布。6.根据权利要求5所述的多侧芯手性耦合石英激光光纤，其特征在于：通过控制纤芯(1)的芯径、螺旋侧芯(2)的尺寸和折射率调节基模模场面积及光束质量。7.根据权利要求2所述的多侧芯手性耦合石英激光光纤，其特征在于：所述纤芯(1)为掺杂了镱离子稀土有源材料的大尺寸石英芯。8.根据权利要求2所述的多侧芯手性耦合石英激光光纤，其特征在于：所述外包层(4)为石英材料。9.根据权利要求1-8任一项所述的多侧芯手性耦合石英激光光纤，其特征在于：所述的光纤外径大于250微米，纤芯(1)模场直径在波长1080nm下大于60微米。10.根据权利要求9所述的多侧芯手性耦合石英激光光纤，其特征在于：在制备大芯径有源光纤预制棒基础上，采用高精密钻孔技术制备侧芯结构，基于光纤工艺制备侧芯棒，采用旋转拉丝工艺实现螺旋扭转的多侧芯光纤。

技术总结
本发明公开提出了一种多侧芯手性耦合石英激光光纤，光纤结构由光纤芯，侧芯手性螺旋芯以及包层组成，基于折射率和直径多参数优化组合的多侧芯手性螺旋耦合结构，提升基模模场面积，有效抑制中央有源芯激光非线性。该光纤采用多侧芯结构抑制高阶模式，抑制激光非线性效应，提升模式稳定性；具有大模场面积、高功率、高光束质量等，能够实现高功率光纤激光技术传输。术传输。术传输。


技术研发人员：庞拂飞 王廷云 于天来 文建湘 侯超奇 郭海涛 原保平 文菁
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所 成都光明光电股份有限公司
技术研发日：2022.09.09
技术公布日：2023/1/31