專(zhuān)利名稱(chēng)：大模式面積雙包層光纖單模激光器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖激光器領(lǐng)域，涉及對(duì)高功率雙包層光纖激光器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
高功率雙包層光纖激光器使用雙包層光纖作為有源介質(zhì)，雙包層光纖由摻雜稀土離子的單模纖芯，纖芯外部較大尺寸的內(nèi)包層和低折射率的外包層組成，泵浦源通常采用半導(dǎo)體激光器，其泵浦原理是將高功率的寬條多模半導(dǎo)體激光器或者光纖輸出模塊通常一些光學(xué)元件將高功率的激光光束耦合進(jìn)入雙包層光纖中的內(nèi)包層中，而激光是在雙包層光纖在纖芯中被放大傳輸獲得近衍射受限單模激光輸出，在雙包層光纖和泵浦源之間加入雙色片作為激光器的前腔鏡，后腔鏡采用雙包層光纖后端的自然解理面來(lái)實(shí)現(xiàn)光反饋。在雙包層光纖中由于泵浦光束與激光光束有著不同的傳播路徑，內(nèi)包層直徑越接近單模纖芯的直徑，泵浦光束與激光光束的重疊面積越大，雙包層光纖的有效吸收系數(shù)越大，而對(duì)于雙包層光纖中具有同樣的摻雜離子及濃度的單模纖芯來(lái)說(shuō)，內(nèi)包層直徑的減小，不論是采用透鏡耦合，還是采用熔接技術(shù)，都加大泵浦光耦合進(jìn)入雙包層光纖內(nèi)包層中的難度，為了實(shí)現(xiàn)泵浦光束與激光光束較高的重疊面積，需要將泵浦光束進(jìn)行壓縮，使泵浦光進(jìn)入雙包層光纖的內(nèi)包層中，以致在傳播過(guò)程中被單模纖芯吸收，耦合效率低，或者采用更高功率密度的光纖輸出泵浦源，但高功率密度的泵浦源的制作技術(shù)難度大，成本高，同時(shí)采用單模纖芯吸收泵浦光來(lái)說(shuō)，單模纖芯的吸收效率比較小，為獲得足夠的增益，就需要增加雙包層光纖的使用長(zhǎng)度，采用高功率密度的泵浦源和增加雙包層光纖的使用長(zhǎng)度會(huì)成倍地增加成本；在泵浦源與雙包層光纖之間需要加入其它光學(xué)元件，如準(zhǔn)直聚焦耦合透鏡組和前腔鏡等，會(huì)增加激光器的腔損耗，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不穩(wěn)定，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)全光纖化結(jié)構(gòu)的高功率光纖激光器。
本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容為解決背景技術(shù)中雙包層光纖激光器中光纖與泵浦源的耦合效率低，制作高功率密度泵浦光難度大，成本高，加入光學(xué)元件又會(huì)增加激光器的腔損耗，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不穩(wěn)定，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全光纖化結(jié)構(gòu)等問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)并制備了一種新型高功率大模式面積雙包層光纖單模輸出激光器，提高了雙包層光纖與泵浦光的耦合效率，無(wú)需加入光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了全光纖化結(jié)構(gòu)，成本降低。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明大模式面積雙包層光纖單模激光器的制備方法步驟是首先選取一段由大模式面積纖芯、大直徑內(nèi)包層和外包層組成的大模式面積雙包層光纖；在大模式面積雙包層光纖的一端去除一定長(zhǎng)度的外包層形成含有纖芯和內(nèi)包層的裸光纖；將裸光纖放在光纖拉制爐中，在熔融狀態(tài)下，將裸光纖拉制出錐形光纖，并在錐形光纖的前端制成一段單模光纖，錐形光纖的長(zhǎng)度保證濾掉由雙包層光纖的大模式面積纖芯產(chǎn)生的所有高階模式(LPmn，m＞0或n＞1)，即只允許最低階(LP01)模式信號(hào)光通過(guò)錐形光纖再進(jìn)入單模光纖，同時(shí)又保證信號(hào)光在錐形光纖不發(fā)生泄漏損耗；拉制完錐形光纖和單模光纖，即制成了由大模式面積雙包層光纖、錐形光纖和單模光纖組合成為一體的光纖；在大模式面積雙包層光纖靠近另一端的適當(dāng)位置去除外包層形成含有纖芯和內(nèi)包層的裸光纖；在大模式面積纖芯上制作出光纖光柵并封裝；在單模光纖靠近輸出端的適當(dāng)位置制作出另一光纖光柵；大模式面積雙包層光纖的另一端與泵浦源的輸出光纖連接，則完成了全光纖化結(jié)構(gòu)的大模式面積雙包層光纖單模激光器的制作。
在單模光纖輸出端與另一單模光纖的一端連接，也可以在另一單模光纖的適當(dāng)位置制作出光纖光柵；本發(fā)明的結(jié)構(gòu)包括大模式面積雙包層光纖由外包層、大直徑內(nèi)包層、大模式面積纖芯組成；錐形雙包層光纖由外包層、錐形內(nèi)包層、錐形纖芯組成；單模光纖由單模包層、單模纖芯組成，雙包層光纖光柵、單模光纖光柵，外包層、大直徑內(nèi)包層、大模式面積纖芯、錐形內(nèi)包層、錐形纖芯、單模包層、單模纖芯的中心軸位于同一直線(xiàn)上；大模式面積纖芯右側(cè)與錐形纖芯左側(cè)連接，錐形纖芯的右側(cè)與單模纖芯的左側(cè)連接，大直徑內(nèi)包層的右側(cè)與錐形內(nèi)包層的左側(cè)連接，錐形內(nèi)包層的右側(cè)與單模包層的左側(cè)連接；從大模式面積纖芯的中心處橫向截面方向由里往外依次安置有大模式面積纖芯、大直徑內(nèi)包層、外包層；從錐形纖芯的中心處橫向截面方向由里往外依次安置有錐形纖芯、錐形內(nèi)包層、外包層；從單模纖芯的中心處橫向截面方向由里往外依次安置有單模纖芯、單模包層、外包層；雙包層光纖光柵位于靠近大模式面積纖芯左側(cè)輸入端的位置上；單模光纖光柵位于靠近單模纖芯右側(cè)輸出端的位置上。
本發(fā)明的工作原理是泵浦光λp進(jìn)入大模式面積雙包層光纖的大直徑內(nèi)包層，通過(guò)大模式面積纖芯上的雙包層光纖光柵，反復(fù)經(jīng)過(guò)大模式面積纖芯被其中的稀土離子吸收產(chǎn)生信號(hào)光，信號(hào)光有大量的模式，信號(hào)光向前傳輸?shù)藉F形雙包層光纖的錐形纖芯中，錐形纖芯只允許存在于最低階模式的單模信號(hào)光通過(guò)，到達(dá)單模光纖的單模纖芯并繼續(xù)傳輸，被單模纖芯上的單模光纖光柵反射回來(lái)部分單模信號(hào)光，部分單模信號(hào)光又反向在錐形纖芯和大模式面積纖芯傳輸，到達(dá)大模式面積纖芯上的雙包層光纖光柵被完全反射回來(lái)，反復(fù)重復(fù)此過(guò)程既形成單模信號(hào)光光反饋，也只有單模信號(hào)光得到了增益放大，從而在單模纖芯的輸出端得到單模激光λs。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)由于本發(fā)明制成了由大模式面積雙包層光纖、錐形光纖和單模光纖組合為一體的光纖激光器，工藝簡(jiǎn)單、避免了因非一體化光纖間連接引起的損耗；由于在大模式面積雙包層光纖的尾部使用了錐形光纖，限制了泵浦光通過(guò)，消除了泵浦光對(duì)輸出激光的干擾，提高激光器輸出穩(wěn)定性。由于使用了大直徑內(nèi)包層，提高了雙包層光纖與泵浦光的耦合效率，可以使用低功率密度的泵浦源，降低技術(shù)難度和成本，避免了使用準(zhǔn)直聚焦透鏡進(jìn)行泵浦光耦合，避免了附加損耗，同時(shí)使用光纖光柵代替了雙色鏡作為激光器的諧振腔鏡，因此無(wú)需加入其它的分離光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，利用大模式面積雙包層光纖中的大模式面積纖芯，增大了原來(lái)纖芯的橫截面積，使得大模式面積纖芯有更大的吸收效率，減少了雙包層光纖的使用長(zhǎng)度，進(jìn)一步降低成本，同時(shí)利用錐形雙包層光纖實(shí)現(xiàn)了模式過(guò)濾，只有最低階的單模式激光得到增益放大實(shí)現(xiàn)激射，保證光纖激光器的單模輸出。大直徑內(nèi)包層的雙包層光纖可以和泵浦源的輸出光纖直接連接，實(shí)現(xiàn)了全光纖化結(jié)構(gòu)，單模光纖輸出端可以連接另外的單模光纖傳輸激光，光纖可以任意延長(zhǎng)，給使用帶來(lái)方便。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的激光器剖視2a和圖2b是本發(fā)明光纖光柵封裝剖視3是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)剖視圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明，圖1，2，3為高功率大模式面積雙包層光纖單模激光器剖視圖。本發(fā)明的裝置包括大模式面積雙包層光纖由外包層2、大直徑內(nèi)包層3、大模式面積纖芯4組成；錐形雙包層光纖由外包層2、錐形內(nèi)包層5、錐形纖芯6組成；單模光纖由單模包層7、單模纖芯8組成，雙包層光纖光柵1、單模光纖光柵9，泵浦源輸出光纖10，單模光纖11，封裝套管12，折射率匹配涂層13，光纖光柵14。
本裝置的制備方法如下1)選取一段大模式面積雙包層光纖，其中大模式面積纖芯4的直徑為45μm，大模式面積纖芯4選取石英玻璃作為基質(zhì)，同時(shí)摻雜有稀土離子，如釹離子或鐿離子，摻雜濃度為0.5wt％，或共摻雜多種其它稀土離子，大直徑內(nèi)包層3的直徑為800μm，大直徑內(nèi)包層3的材料為石英玻璃，大模式面積纖芯4中摻入鍺離子，實(shí)現(xiàn)大模式面積纖芯4和大直徑內(nèi)包層3之間的折射率差為0.005，即數(shù)值孔徑為0.1，外包層2的厚度為100μm，大直徑內(nèi)包層3與外包層2形成數(shù)值孔徑為0.45，外包層2的材料選擇低折射率(如n＝1.377)的聚合物材料，大模式面積雙包層光纖的長(zhǎng)度LLMAF由下式?jīng)Q定LLMAF＝1/αeff，αeff(cm-1)為大模式面積雙包層光纖的有效吸收系數(shù)，由式αeff＝αc·Γ決定，其中αc(cm-1)為大模式面積纖芯4的吸收系數(shù)，由纖芯的摻雜離子濃度決定，本實(shí)施例中的αc＝1.1cm-1其中Γ＝Sc/Si，Sc，Si分別為大模式面積纖芯4和大直徑內(nèi)包層3的橫截面積，則LLMAF＝17.5m，這里我們選取大模式面積雙包層光纖的長(zhǎng)度為20m。
2)將大模式面積雙包層光纖一端兩米長(zhǎng)光纖的外包層2在稀釋的酸性溶液中浸泡直至全部被去除掉，然后放到光纖拉制塔中，在高溫(2200℃)下，大直徑內(nèi)包層3和大模式面積纖芯4處于熔融狀態(tài)，拉伸大直徑內(nèi)包層3的直徑從800m到125m，拉制出長(zhǎng)度為L(zhǎng)Taper的錐形雙包層光纖，保持大直徑內(nèi)包層3的直徑125m不變?cè)倮瞥鲩L(zhǎng)度為L(zhǎng)SMF的單模光纖，在拉制完成的錐形雙包層光纖和單模光纖上再涂覆與外包層2相同的低折射率聚合物材料，厚度為100m。
如圖1所示，對(duì)于錐形雙包層光纖的長(zhǎng)度LTaper由錐形纖芯6的斜邊與錐形纖芯6中心軸所成的夾角θTaper決定，夾角θTaper受到保證錐形雙包層光纖只允許單模傳輸條件和無(wú)耦合損耗條件的限制，要求夾角θTaper近可能小，才能避免最低階模式LP01和次低階模式LP02的耦合損耗，可由公式θTaper<θTaper,max=2·π·aβ01-β02]]>推導(dǎo)出，式中β011和β02為最低價(jià)模式LP01和次低階模式LP02的傳播常數(shù)，a為錐形纖芯6的半徑，則錐形雙包層光纖長(zhǎng)度LTaper＞LTaper，min＝a1-a2/tan(θTaper，max)，式中a1和a2分別為大模式面積纖芯4和單模纖芯8的半徑，因此當(dāng)錐形雙包層光纖的長(zhǎng)度大于5cm時(shí)，模式耦合損耗減少到可以忽略的程度，我們制作的錐形雙包層光纖的長(zhǎng)度LTaper為3m，完全滿(mǎn)足條件，單模包層7的直徑為125μm，單模纖芯8的直徑為7μm，形成的單模光纖的長(zhǎng)度為2米，此時(shí)整個(gè)光纖激光器的長(zhǎng)度由18m長(zhǎng)的大模式面積雙包層光纖、3m長(zhǎng)的錐形雙包層光纖和2m的單模光纖組成，錐形雙包層光纖的邊界為斜線(xiàn)，錐形雙包層光纖也可以以?huà)佄锞€(xiàn)的形狀變化。
3)將大模式面積雙包層光纖距輸入端面0.5m處，剝掉10cm長(zhǎng)的外包層2，在高壓下?lián)綒湓雒艉?，在紫外?波長(zhǎng)為248nm)照射下用掩膜法在大模式面積纖芯4上制作出雙包層光纖光柵1，雙包層光纖光柵1對(duì)泵浦光λp高透過(guò)率(大于85％)，對(duì)激光λs全反(大于99％)，涂覆折射率匹配涂層13，用封裝套管12進(jìn)行封裝(如圖2a)。
4)將單模光纖距輸出端面0.5m處，剝掉10cm長(zhǎng)的外包層2，在高壓下?lián)綒湓雒艉笤谧贤夤?248nm)照射下用掩膜法在單模纖芯8上制作出單模光纖光柵9，單模光纖光柵9對(duì)激光λs反射率為3-4％，涂覆折射率匹配涂層13和用封裝套管12進(jìn)行封裝(如圖2b)，5)使用高功率大模式面積雙包層光纖單模激光器時(shí)，如圖3所示，將相同直徑的泵浦源輸出光纖10與大模式面積雙包層光纖相連接將泵浦光λp耦合進(jìn)大直徑內(nèi)包層3里，從而實(shí)現(xiàn)全光纖化結(jié)構(gòu)，在單模光纖的輸出端連接單模光纖11，用于激光傳輸。
發(fā)明人給出本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例，在圖3中，用單模光纖11纖芯上的光纖光柵14代替單模纖芯8上的單模光纖光柵9，制作光纖光柵14與第4步制作單模光纖光柵9的方法相同，其它組件的聯(lián)接關(guān)系與第一個(gè)實(shí)施例相同。
上述實(shí)施例中所選擇的參數(shù)都可以根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求來(lái)選擇。
權(quán)利要求
1.大模式面積雙包層光纖單模激光器的制備方法，其特征在于制備步驟如下首先選取一段由大模式面積纖芯、大直徑內(nèi)包層和外包層組成的大模式面積雙包層光纖；在大模式面積雙包層光纖的一端去除一定長(zhǎng)度的外包層形成含有纖芯和內(nèi)包層的裸光纖；將裸光纖放在光纖拉制爐中，在熔融狀態(tài)下，將裸光纖拉制出錐形光纖，并在錐形光纖的前端制成一段單模光纖，錐形光纖的長(zhǎng)度保證濾掉由雙包層光纖的大模式面積纖芯產(chǎn)生的所有高階模式(LPmn，m＞0或n＞1)，即只允許最低階(LP01)模式信號(hào)光通過(guò)錐形光纖再進(jìn)入單模光纖，同時(shí)又保證信號(hào)光在錐形光纖不發(fā)生泄漏損耗；拉制完錐形光纖和單模光纖，即制成了由大模式面積雙包層光纖、錐形光纖和單模光纖組合成為一體的光纖；在大模式面積雙包層光纖靠近另一端的適當(dāng)位置去除外包層形成含有纖芯和內(nèi)包層的裸光纖；在大模式面積纖芯上制作出光纖光柵并封裝；在單模光纖靠近輸出端的適當(dāng)位置制作出另一光纖光柵；大模式面積雙包層光纖的另一端與泵浦源的輸出光纖連接，則完成了全光纖化結(jié)構(gòu)的大模式面積雙包層光纖單模激光器的制作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1大模式面積雙包層光纖單模激光器，其特征在于在單模光纖輸出端與另一單模光纖的一端連接，也可以在另一單模光纖的適當(dāng)位置制作出光纖光柵。
3.大模式面積雙包層光纖單模激光器，它包括外包層(2)、大直徑內(nèi)包層(3)、大模式面積纖芯(4)，單模包層(7)、單模纖芯(8)，單模光纖光柵(9)，其特征在于還包括雙包層光纖光柵(1)、錐形內(nèi)包層(5)、錐形纖芯(6)，外包層(2)、大直徑內(nèi)包層(3)、大模式面積纖芯(4)、錐形內(nèi)包層(5)、錐形纖芯(6)、單模包層(7)、單模纖芯(8)的中心軸位于同一直線(xiàn)上；大模式面積纖芯(4)右側(cè)與錐形纖芯(6)左側(cè)連接，錐形纖芯(6)的右側(cè)與單模纖芯(8)的左側(cè)連接，大直徑內(nèi)包層(3)的右側(cè)與錐形內(nèi)包層(5)的左側(cè)連接，錐形內(nèi)包層(5)的右側(cè)與單模包層(7)的左側(cè)連接；從大模式面積纖芯(4)的中心處橫向截面方向由里往外依次安置有大模式面積纖芯(4)、大直徑內(nèi)包層(3)、外包層(2)；從錐形纖芯(6)的中心處橫向截面方向由里往外依次安置有錐形纖芯(6)、錐形內(nèi)包層(5)、外包層(2)；從單模纖芯(8)的中心處橫向截面方向由里往外依次安置有單模纖芯(8)、單模包層(7)、外包層(2)；雙包層光纖光柵(1)位于靠近大模式面積纖芯(4)左側(cè)輸入端的位置上；單模光纖光柵(9)位于靠近單模纖芯(8)右側(cè)輸出端的位置上。
全文摘要
本發(fā)明涉及大模式面積雙包層光纖單模激光器及制備方法。首先選取一段大模式面積雙包層光纖去除外包層形成裸光纖拉制錐形光纖和單模光纖制成一體的光纖；在光纖的兩端分別上去除外包層制作出光纖光柵并封裝，完成激光器的制作。激光器包括雙包層光纖光柵1、外包層2、大直徑內(nèi)包層3、大模式面積纖芯4、錐形內(nèi)包層5、錐形纖芯6、單模包層7、單模纖芯8，單模光纖光柵9。制成一體的光纖激光器，避免連接損耗；使用錐形光纖消除泵浦光干擾，提高輸出穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)單模激光，提高耦合效率，降低技術(shù)難度及成本，避免使用透鏡的附加損耗；用光纖光柵作激光器腔鏡，結(jié)構(gòu)緊湊，利用大模式面積纖芯提高吸收效率；可以與其它單模光纖連接，使用方便。
文檔編號(hào)H01S3/00GK1543023SQ03127690
公開(kāi)日2004年11月3日 申請(qǐng)日期2003年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月14日
發(fā)明者潘玉寨, 張軍, 張亮, 劉云, 王立軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研