一种分布式共掺微结构光纤

1.本发明涉及微结构光纤技术领域，具体涉及一种分布式共掺微结构光纤。


背景技术：

2.与传统的固体激光器相比，光纤激光器有着许多优势，比如更为紧凑轻便、良好的光束质量、较大的表面积/体积比、可以实现有效的热管理和进一步的功率放大。近年来，高功率光纤激光器在激光光源的生产模式和材料加工等领域掀起了新的变革，而2微米掺钬光纤激光器工作波段因在光雷达、自由空间通信、生物医疗以及作为中红外激光器的优秀抽运源等方面有着广泛的应用前景，引起了人们极大的兴趣。但工作于2μm掺钬光纤激光器光纤器件不成熟、泵浦发展缓慢，导致目前钬光纤激光器热负荷严重、量子亏损大、效率低等问题，因此，如何突破当前技术瓶颈进一步提升2微米掺钬光纤激光器输出功率，成为该领域的研究难点。掺钬光纤激光器常采用同带泵浦技术或铥钬共掺双包层光纤作为增益介质的方式。同带泵浦技术一般需要用掺铥激光器泵浦掺钬激光器，效率较高，可达90％以上，高功率运行时热负荷严重，且装置结构复杂，这也是限制其发展应用的主要因素；铥钬共掺光纤激光器则为纤芯同时掺杂铥元素和钬元素，通过铥钬间的能量转移机制，使钬离子间接吸收泵浦光能量，但其性能则因受到铥离子与钬离子之间能量传递上转换的限制效率比同带泵浦光纤激光器更低，斜率效率仅为34％，输出功率低。


技术实现要素：

3.有鉴于此，为了解决目前2μm掺钬光纤激光器泵浦亮度不足、波长范围窄、装置结构复杂、斜率效率低、输出功率低等的问题，本发明提出一种分布式共掺微结构光纤，有效地克服了现有铥钬共掺光子晶体光纤在结构上的缺陷，通过改变光纤的结构参数便可以实现对光纤性能进行针对性的优化，该光纤具有易用于搭建装置、结构紧凑、增益带宽大、工作波长灵活、效率高等一系列优点。
4.本发明通过以下技术手段解决上述问题：
5.一种分布式共掺微结构光纤，由外到内依次包括光纤支撑部分、光纤包层以及纤芯；
6.所述光纤包层包括呈环状周期性排布的外包层空气孔和呈多边形点阵排布的内包层空气孔；
7.所述纤芯在纵向上依次包括第一掺稀土离子纤芯和第二掺稀土离子纤芯，第一掺稀土离子纤芯与第二掺稀土离子纤芯分别独立分布于光纤的前段与后段。
8.进一步地，所述第一掺稀土离子纤芯为掺铥纤芯，所述第二掺稀土离子纤芯为掺钬纤芯。
9.进一步地，所述纤芯还包括掺锗纤芯和光纤布拉格光栅，所述纤芯在纵向上依次为掺铥纤芯、掺锗纤芯、光纤布拉格光栅和掺钬纤芯。
10.进一步地，掺锗纤芯材料通过紫外光曝光方法制作成光纤布拉格光栅。
11.进一步地，所述第一掺稀土离子纤芯为掺镱纤芯、掺钕纤芯、掺铒纤芯或掺镨纤芯，所述第二掺稀土离子纤芯为掺镱纤芯、掺钕纤芯、掺铒纤芯或掺镨纤芯，且第一掺稀土离子纤芯和第二掺稀土离子纤芯不为同一种掺稀土离子纤芯。
12.进一步地，所述内包层空气孔呈四边形排布、五边形排布、六边形排布、七边形排布、八边形排布、九边形排布或十边形排布。
13.进一步地，所述内包层空气孔由四层、五层、六层或七层空气孔排布构成。
14.进一步地，所述光纤支撑部分为石英基材料。
15.进一步地，所述纤芯为石英基材料、硅酸盐玻璃、硫化物玻璃或氟化物玻璃。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
17.与目前的铥钬共掺微结构光纤相比，本发明的分布式共掺微结构光纤具有灵活可控的特殊结构和光学性能，降低了上转换损耗，由于分布式共掺微结构光纤的掺铥纤芯部分与掺钬部分分布在同一条光纤纤芯的前段与后段，两者独立分布，从根本上解决了铥离子与钬离子的能量传递上转换损耗，与同带泵浦技术相比使用此光纤搭建的掺钬光纤激光器可以精简装置结构，无需搭建空间耦合系统以及可以避免全光纤结构中的光纤熔接点，避免熔接后的激光器在高功率下的热负荷更小，激光效率将会大大提高；分布式共掺微结构光纤中铥离子吸收泵浦光，产生1950nm波长附近的信号光，从而为光纤后段纤芯掺钬部分进行泵浦，光纤包层泵浦即可使整根光纤产生波长为2μm附近的激光，达到大大简化装置的效用，利于实现高效率高功率激光输出，该光纤结构将为掺钬光纤在通信、生物医疗等方面应用提供支持。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本发明分布式共掺微结构光纤横向截面图；
20.图2是本发明分布式共掺微结构光纤纵向截面图；
21.图3是本发明含光栅分布式共掺微结构光纤纵向截面图；
22.附图标记说明：
23.1、光纤支撑部分；2、外包层空气孔；3、内包层空气孔；4、纤芯；41、掺铥纤芯；42、掺钬纤芯；43、掺锗纤芯；44、光纤布拉格光栅。
具体实施方式
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.如图1-2所示，本发明提供了一种分布式共掺微结构光纤，包括光纤支撑部分1、光纤包层2、3以及纤芯4。其中光纤支撑部分1主要为石英，光纤包层由呈环状周期性排布的外
包层空气孔2和呈六边形点阵排布的内包层空气孔3组成，纤芯4在纵向上包括掺铥纤芯41和掺钬纤芯42，掺铥纤芯41与掺钬纤芯42分别独立分布于光纤的前段与后段。
26.本实施例中纤芯4包括掺铥纤芯41和掺钬纤芯42，但需要注意的是，本发明不限于掺铥纤芯和掺钬纤芯，也可以为掺镱、掺钕、掺铒、掺镨等掺稀土离子纤芯的组合。
27.光纤支撑部分1和纤芯4为石英基材料；外包层空气孔2和内包层空气孔3为空气，但是内包层空气3不限于空气，也可以为如掺锗玻璃等材料，纤芯4不限于石英基材料，也可以是由其它材料构成的如硅酸盐玻璃、硫化物玻璃、氟化物玻璃等。
28.本实施例中内包层空气孔3呈六边形排布，但是本发明不限于六边形排布，排布方式也可以为四边形、五边形、六边形、七边形、八边形、九边形或十边形。
29.本实施例中内包层空气孔3由五层空气孔排布构成，但本发明不限于五层空气孔，可以指四层、六层或七层等。
30.为提高分布式共掺微结构光纤的激光效率，图2实施方式也可以在掺铥纤芯41和掺钬纤芯42中间增加一段掺锗材料和一光纤光栅，如图3所示，即纤芯4包括掺铥纤芯41、掺锗纤芯43、光纤布拉格光栅44和掺钬纤芯42。掺锗纤芯材料43可以通过紫外光曝光等方法制作成光纤布拉格光栅44，达到对特定波长光的透射或反射效果，从而提高效率。
31.本发明分布式共掺微结构光纤，其主要用于产生2μm高功率钬激光。现有的铥钬共掺光子晶体光纤存在损耗大、斜率效率低、输出功率低等问题，而同带泵浦的掺钬光纤激光器存在结构复杂、空间耦合系统效率低、热负荷严重等问题。本发明的微结构光纤的纤芯包括掺钬纤芯和掺铥纤芯，掺铥纤芯与掺钬纤芯分别独立分布于光纤的前段与后段，铥离子与钬离子的分布式结构可以大大减少其能量传递上转换过程，从而减小腔内损耗，提高对泵浦光的利用率，并大大简化装置，内包层空气孔呈六边形点阵排布，外包层空气孔呈环状周期性排布，满足微结构光纤导光机理，且能够保证光纤的低损耗机理。
32.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。