一种具有平坦基模模场分布的大模场面积微结构光纤

摘要

本发明公开了一种具有平坦基模模场分布的大模场面积微结构光纤，涉及一种微结构光纤；解决了传统的具有平坦基模模场分布的大模场面积光纤必须具有超低纤芯数值孔径所需要的生产工艺高精度控制问题。该微结构光纤由纤芯和包围纤芯的包层组成。芯区由一个或七个空气孔缺陷构成，包层由呈三角周期排列的空气孔(2)或掺氟石英介质芯(4)构成，在微结构光纤的纤芯与包层交界处引入一层掺锗石英介质层(3)，其具有特定的内外层半径和折射率。微结构光纤的基模模场具有平坦分布的特点，这对于提高大功率光纤激光器或放大器的输出功率，尤其对于高能量脉冲光纤激光器或放大器中非线性效应的抑制具有非常重要的作用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有平坦基模模场分布的大模场面积微结构光纤。

背景技术

双包层掺杂稀土离子激光器在工业加工、医疗、高精度测量和精密焊接等方面的应用有着广阔的前景。然而，光纤激光器输出功率的提高受到非线性效应的限制，如受激拉曼散射、受激布里渊散射和自相位调制等。对于传统的阶跃分布折射率光纤和微结构光纤，其基模模场呈高斯分布，其特征是模场的中心区域功率最大，并且沿半径向外递减，边缘部分的功率最小。这就带来一个问题，即当模场功率增大时，由于中心区域的功率最大所以会首先达到非线性效应的阈值，从而限制了光纤激光器的输出功率。而对于平坦分布的基模模场，由于模场在纤芯内均匀分布，所以在相同的非线性效应阈值条件下，其输出功率要大于高斯分布的情况。尤其对于高能量的脉冲光纤激光器，由于其输出脉冲的峰值功率较高，因此具有平坦基模模场分布的大模场面积光纤对于提高光纤激光器和放大器的输出功率是非常有利的。目前，具有平坦基模模场分布的光纤结构仍然属于传统的阶跃折射率分布光纤范畴，其不足之处在于，当增大纤芯直径时，为了确保光纤工作在单模或少模状态，则必须尽量降低纤芯的数值孔径，而以目前的工艺水平很难把数值孔径精确控制在0.06以下，因此基模模场有效面积的进一步提高受到了限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，传统的具有平坦基模模场分布的大模场面积阶跃折射率分布光纤必须具有超低纤芯数值孔径所需要的生产工艺高精度控制问题，提出了一种具有平坦基模模场分布的大模场面积微结构光纤。

本发明所要解决的技术问题的技术方案：

一种具有平坦基模模场分布的大模场面积微结构光纤，其基于石英介质，由纤芯和包围纤芯的包层组成，纤芯由一个或七个空气孔缺陷构成，包层由呈三角周期排列的空气孔或掺氟石英介质芯构成。

在微结构光纤的纤芯与包层交界处引入一层掺锗石英介质层，其内外圆半径和折射率满足以下方程式：

$r_1=r_2-\frac{1}{k_0\sqrt{n_{\mathrm{opt}}^2-n_{\mathrm{core}}^2}}{\tan }^{-1}{\left[\frac{n_{\mathrm{core}}^2-n_{\mathrm{cl}}^2}{n_{\mathrm{opt}}^2-n_{\mathrm{core}}^2}\right]}^{1/2};$

其中k₀是自由空间的波数；

r₁和r₂分别表示掺锗石英介质层的内外圆半径；

r₂对于纤芯由一个空气孔缺陷组成的微结构光纤取值为，Λ表示空气孔间距；

r₂对于纤芯由七个空气孔缺陷组成的微结构光纤取值为，Λ表示空气孔间距；

n_opt表示掺锗石英介质层的折射率；

n_core表示石英介质的折射率；

n_cl表示微结构光纤包层基模的折射率。

本发明的有益效果在于提供了一种具有平坦基模模场分布的大模场面积微结构光纤。本发明通过在微结构光纤的纤芯与包层交界处引入一层折射率略高于纤芯折射率的掺锗石英介质层以实现基模模场平坦分布的目的，这对于提高大功率光纤激光器或放大器的输出功率，尤其对于高能量脉冲光纤激光器或放大器中非线性效应的抑制具有非常重要的作用。

附图说明

图1为纤芯由一个空气孔缺陷构成包层由呈三角周期排列的空气孔组成的微结构光纤的截面示意图；

图2为纤芯由一个掺氟石英介质芯缺陷构成包层由呈三角周期排列的掺氟石英介质芯组成的微结构光纤的截面示意图；

图3为纤芯由七个空气孔缺陷构成包层由呈三角周期排列的空气孔组成的的微结构光纤的截面示意图；

图4为纤芯由七个掺氟石英介质芯缺陷构成包层由呈三角周期排列的掺氟石英介质芯组成的的微结构光纤的截面示意图；

图中：石英介质1、空气孔2、掺锗石英介质层3、掺氟石英介质芯4。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

实施例一

如图1所示，一种具有平坦基模模场分布的大模场面积微结构光纤，其基于石英介质1，纤芯由一个空气孔缺陷构成，包层由空气孔2呈三角周期排列构成，在纤芯与包层交界处引入一层掺锗石英介质层3，构成了一种具有平坦基模模场分布的大模场面积微结构光纤。

实施例二

如图2所示，一种具有平坦基模模场分布的大模场面积微结构光纤，其基于石英介质1，纤芯由一个掺氟石英介质芯缺陷构成，包层由掺氟石英介质芯4呈三角周期排列构成，在纤芯与包层交界处引入一层掺锗石英介质层3，构成了一种具有平坦基模模场分布的大模场面积微结构光纤。

实施例三

如图3所示，一种具有平坦基模模场分布的大模场面积微结构光纤，其基于石英介质1，纤芯由七个空气孔缺陷构成，包层由空气孔2呈三角周期排列构成，在纤芯与包层交界处引入一层掺锗石英介质层3，构成了一种具有平坦基模模场分布的大模场面积微结构光纤。

实施例四

如图4所示，一种具有平坦基模模场分布的大模场面积微结构光纤，其基于石英介质1，纤芯由七个掺氟石英介质芯缺陷构成，包层由掺氟石英介质芯4呈三角周期排列构成，在纤芯与包层交界处引入一层掺锗石英介质层3，构成了一种具有平坦基模模场分布的大模场面积微结构光纤。

微结构光纤参数的设计步骤：

1.设定微结构光纤的基本参数，即空气孔2或掺氟石英介质芯4的直径和孔(芯)间距。

2.根据以下公式设定掺锗石英介质层3的内外圆半径和折射率使得微结构光纤的基模有效折射率等于石英介质1的折射率。

内外圆半径和折射率满足以下方程式：

$r_1=r_2-\frac{1}{k_0\sqrt{n_{\mathrm{opt}}^2-n_{\mathrm{core}}^2}}{\tan }^{-1}{\left[\frac{n_{\mathrm{core}}^2-n_{\mathrm{cl}}^2}{n_{\mathrm{opt}}^2-n_{\mathrm{core}}^2}\right]}^{1/2};$

其中k₀是自由空间的波数；

r₁和r₂分别表示掺锗石英介质层(3)的内外圆半径；

r₂对于纤芯由一个空气孔缺陷组成的微结构光纤取值为，Λ表示空气孔间距；

r₂对于纤芯由七个空气孔缺陷组成的微结构光纤取值为，Λ表示空气孔间距；

n_opt表示掺锗石英介质层(3)的折射率；

n_core表示石英介质(1)的折射率；

n_cl表示微结构光纤包层基模的折射率。

例如设计图1所示的一种具有平坦基模模场分布的大模场面积微结构光纤，首先假定空气孔2直径和孔间距分别为12μm和30μm，掺锗石英介质层3的内外层半径分别为16.04μm和17.32μm，则取掺锗石英介质层3的折射率为1.451时微结构光纤的基模有效折射率等于石英介质1的折射率，具有平坦的基模模场分布。

例如设计图3所示的一种具有平坦基模模场分布的大模场面积微结构光纤，首先假定空气孔2直径和孔间距分别为12μm和30μm，掺锗石英介质层3的内外层半径分别为37.15μm和42.4μm，则取掺锗石英介质层3的折射率为1.4502时微结构光纤的基模有效折射率等于石英介质1的折射率，具有平坦的基模模场分布。