[發明專利]一種大模場多層瓣狀光纖

在審

• 申請號: 201710850908.5
• 申請日: 2017-09-20
• 公開（公告）號: CN107505673A
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: 馬紹朔;裴麗;鄭晶晶
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: G02B6/02
• 分類號: G02B6/02;G02B6/036
• 代理公司: 北京衛平智業專利代理事務所(普通合伙)11392
• 代理人: 董琪

技術領域

本發明涉及一種具有大模場面積的多層瓣狀光纖，屬于大功率光纖放大器、激光器、特種光纖領域。

背景技術

隨著激光技術在材料加工、空間通信、激光雷達、光電對抗、激光武器等的廣泛應用，為了得到大功率、高質量的激光，要求單模輸出功率達到MW甚至GW量級。從而具有轉換效率高、激光閾值低、光束質量好等優點的光纖激光器越來得到重視。1988年，Snitzer等人提出雙包層光纖以來[Snitzer,E.,et al.Double clad,offset core Nd fiber laser.Optical Fiber Sensors 1988.]，基于這種包層泵浦激光器和放大器獲得了快速發展。近年來，隨著半導體泵浦激光器功率的提高和泵浦方式的改進，單根光纖激光器的輸出功率可達到千瓦量級。但由于單模有源纖芯芯徑只有幾微米，受到非線性、結構元素、衍射極限、光學損傷及熱損傷等物理機制方面的限制，無法承受更高的光功率密度。大模場面積的光纖可以很好的抑制非線性和光學損傷等效應。因此解決入纖功率提升面臨的非線性效應及光纖損傷等限制問題的一種最直接有效的途徑就是大模場光纖。2010年已經報道了10kW功率的連續激光器[Richardson D.J.,et al.High power fiber lasers:current status and future perspectives[J].J Opt Soc Am B,2010,27(11):B63-B92.]。2011年，Tino Eidam等人發現模式不穩現象是損害大功率光束質量的主要因素[Eidam T.,et al.Experimental observations of the threshold-like onset of mode instabilities in high power fiber amplifiers[J].Opt Express,2011,19(14):13218-24.]。導致模式不穩的因素包括橫向燒孔、發熱引起的光纖折射率變化等，這些使得高階模式獲得更高的增益。因此，抑制高階模式，保持單模運行，是提高大功率光纖激光器和放大器性能的重要方式之一。

這些年來，許多新型的強激光光纖已經被設計和制造。但是大部分的強激光光纖都有一定的缺陷，比如結構復雜、制造難度大、彎曲特性差等。由于現有的制造技術限制，利用傳統光纖制造方法很難實現數值孔徑低于0.05的階躍型光纖[Li M.-J.,Chen X.,Liu A.,et al.Limit of Effective Area for Single-Mode Operation in Step-Index Large Mode Area Laser Fibers[J].J Lightwave Technol,2009,27(15):3010-6.]。而僅僅采用單模有源纖芯的雙包層摻稀土光纖激光器，由于單模有源纖芯芯徑小于等于10微米，受到非線性、結構元素和衍射極限的限制，承受的光功率有限，單模有源光纖纖芯連續波損壞閾值約1W/m²[J.Nilsson，J.K.Sahu，Y.Jeong，W.A.Clarkson，R.Selvas，A.B.Grudinin，and S.U.Alam，“High Power Fiber Lasers：New Developments”，Proceedings of SPIEVol.4974，50-59(2003)]，其光學損壞危險成為實現大功率單模光纖激光器的一大挑戰.除了光學損壞外，由于大功率光產生的熱也會損壞光纖，甚至會最終融化纖芯。有文獻報道，鉺鐿共摻光纖激光器每米可產生100W熱[J.Nilsson，et al.“High-power and tunable operation of erbium-ytterbium co-doped cladding-pumped fiber laser”，IEEE J.Quantum Electron.39，987-994(2003)]。光子晶體光纖可以實現超大模場面積[Michaille，L.；Bennett，C.R.；Taylor，D.M.；Shepherd，T.J.“MulticorePhotonic Crystal Fiber Lasers for High Power/Energy Applications”，IEEE Journalof Selected Topics in Quantum Electronics，15(2)，328-336(2009)]，不過其受到彎曲損耗的困擾，制造難度大、成本高。多芯光纖激光器實現單模輸出，有效模場面積可達到465μm²[Vogel，Moritz M，Abdou-Ahmed，Marwan，Voss，Andreas，Graf，Thomas，“Very-large-mode-area，single-mode multicore fiber”，Opt.Lett.34(18)，2876-2878(2009)]。然而這種單模激光器采用的多芯光纖，對光纖纖芯的芯徑以及相鄰纖芯之間的距離需要精確的設計，對光纖纖芯之間的距離的容許誤差小，批量生產成品率低。瓣狀光纖通過選取特定的光纖參數，能夠實現單模工作[A.Yeung，K.S.Chiang，V.Rastogi，P.L.Chu，and G.D.Peng，″Experimental demonstration of single-mode operation of large-core segmented cladding fiber，″in Optical Fiber Communication Conference，Technical Digest(CD)(Optical Society of America，2004)，paper ThI4.]。這種光纖，其特定的結構是增加基模以外的損耗，實現了在芯層直徑在50微米的光纖中實現單模工作，然而其功率的提高受限于芯層半徑。多溝槽光纖是一種新型光纖，通過多層纖芯環繞，實現單模工作[Jain D.,Baskiotis C.,Sahu J.K.Mode area scaling with multi-trench rod-type fibers[J].Opt Express,2013,21(2):1448-55.]。