[发明专利]热致超大模场光纤

说明书

本发明公开了一种热致超大模场光纤，目的是解决纤芯数值孔径降低受限的问题和制作难度大的问题。热致超大模场光纤由纤芯和包层组成，纤芯材料的折射率随着温度的增加而增加；纤芯包括内纤芯和外纤芯，且内纤芯位于外纤芯的中心，内纤芯的折射率小于等于外纤芯的折射率；内纤芯中掺有增益介质；外纤芯中不含增益介质；内纤芯直径大于等于20微米，内纤芯直径与外纤芯直径的比值小于等于50％；包层中不含增益介质，包括内包层和外包层；外包层包裹内包层，内包层包裹外纤芯；内包层的折射率小于外纤芯的折射率；外包层的折射率小于内包层的折射率。本发明内纤芯数值孔径进一步的降低，制作难度降低，且缓解了包层光滤除压力。

技术领域

本发明涉及激光器技术领域。尤其涉及一种基于热效应实现波导结构，并能够实现超大模场激光输出、制作工艺简单的有源光纤。

背景技术

光纤激光器具有质量轻、结构紧凑、寿命长、光束质量好、抗干扰能力强等特点，在通信、传感、机械加工、医疗、科研以及国防军事等领域具有广泛的应用。特别是随着近年来光纤激光器功率水平的飞速发展，光纤激光器的应用范围也在不断拓展，受关注的程度也越来越高。尽管光纤激光器的功率水平有了突飞猛进的发展，达到了10kW量级。但是，单根光纤激光器的功率水平进一步提升仍要受到非线性效应的限制，而超大模场光纤是缓解这一功率极限的有效途径。

超大模场光纤是指能够支持超大模场光场(一般地，模场直径应大于等于30微米)传输的光纤，常作为掺杂增益光纤用于光纤激光器，以产生具有超大模场的激光光场。超大模场光纤是通过增加光场的模场直径或面积，来提升光纤激光器中的非线性效应阈值，从而实现非线性效应的抑制。超大模场光纤的关键在于如何在增加模场面积的同时，减少输出光场的模式数量，从而保证输出光场的光束质量。之所以这是关键，是因为增加模场面积，就需要增加光纤纤芯的直径，而纤芯直径的增加就会增加纤芯的归一化频率(正比于纤芯直径和数值孔径的乘积，归一化频率越大，纤芯中光场传输的模式越多)，这会导致输出光场模式数量的增加，影响光场的光束质量。现阶段，实现超大模场光纤主要有两种方案。一是降低纤芯的数值孔径，也就是降低纤芯和包层之间的折射率差，从而在保证归一化频率或模式数量满足要求的前提下，增加纤芯直径，从而实现模场面积的增加。不过，受工艺所限，纤芯的数值孔径不能无限降低，现阶段实现的最低数值孔径为0.028，相应的纤芯直径约为30～40微米。另一种方案是在光纤中引入微结构(如：周期排列的微米量级小孔)，以增加高阶模式的损耗或低阶模式的增益，从而实现输出光场模式的控制。基于这种方案实现的超大模场光纤种类较多，如泄露通道光纤、手征纤芯光纤、大间隔光子晶体光纤等，利用这种方案，模场直径可以增加到50～100微米。不过，这种方案的光纤微结构设计比较复杂，制作工艺复杂，为光纤的工程化生产带来了难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是解决第一种方案中纤芯数值孔径降低受限的问题，在不引入微结构的前提下，增加光纤的纤芯直径，从而解决第二种方案中因引入微结构导致的制作难度大的问题。

为解决所述技术问题，本发明公开的新型超大模场光纤是一种基于热效应产生波导结构的超大模场光纤，该光纤由纤芯和包层组成。要求该光纤的纤芯材料的折射率随着温度的增加而增加。

纤芯包括内纤芯和外纤芯，内纤芯和外纤芯皆为圆形，且内纤芯位于外纤芯的中心，内纤芯的折射率小于等于外纤芯的折射率(优选地，内纤芯折射率与外纤芯折射率的差别小于0.0001)。内纤芯中掺有增益介质，增益介质是指能够产生光场并能够实现光场受激放大的粒子或元素，如：铒、镱、铥、钬、镨、铷、铋，要求增益介质能够通过吸收泵浦光，在特定两个能级之间实现粒子数反转，并利用粒子在这两个能级之间的受激跃迁过程产生激光，在产生激光的同时，能够基于量子亏损效应产生热量。外纤芯中不含增益介质。内纤芯直径应大于等于20微米(优选地，应大于等于30微米)，内纤芯直径与外纤芯直径的比值应小于等于50％。这里需要注意的是，内纤芯越大、内纤芯直径与外纤芯直径的比值越小，外纤芯的直径越大，相应的，最终光纤整体横截面的直径也就越大。因此，内纤芯直径和内纤芯直径与外纤芯直径的比值这两个参数可在拉制工艺允许的条件下选取。