一种有源单模锥形光纤

本发明涉及光纤激光，尤其涉及一种有源单模锥形光纤。

背景技术：

1、高光束质量、大功率光纤激光器在飞机、船舶制造以及精密加工等领域具有重要的应用。其中，高质量的有源增益光纤是实现激光器高功率输出并保持高光束质量的关键材料。目前，包括美国coherent、nlight，法国ixblue等国际知名有源光纤制造商，提供的面向大功率光纤激光器的大模场增益光纤均为基于全内反射效应的双包层或三包层光纤。但受限于当前激光玻璃折射率控制技术，光纤纤芯数值孔径(na)仅能保持在0.06左右，难以保证大模场光纤的单模传输特性，导致高功率光纤激光光束质量出现劣化。因此，设计具有大模场面积且单模传输特性的增益光纤，是发展高光束质量、大功率光纤激光的必要前提，对于推动光纤激光器在先进制造领域的高质量发展具有重要作用。

2、微结构光纤的单模无截止特性为获得大模场单模增益光纤提供了新的技术路径，目前以丹麦nkt为代表的光纤制造商可提供商用大模场面积的有源光子晶体光纤，在高功率连续波光纤激光器、超短脉冲光纤激光器等领域具有广泛的应用。但光子晶体光纤周期性的空气孔排布是保证大模场面积下单模传输的关键，一方面要求较高的制备工艺，另一方面提高了增益光纤与无源光纤器件高质量熔接的难度，对全光纤高功率激光器的发展制造了一定的障碍。

3、近年来，基于反谐振原理的空心光纤在大模场面积、低传输损耗等方面展现出了显著优势，在气体传感、大功率激光传输等领域得到了应用。而基于反谐振原理的实芯光纤成为发展大模场单模增益光纤的一个潜在技术路径。

技术实现思路

1、本发明提供了一种有源单模锥形光纤，本发明针对当前大模场面积增益光纤在保持高光束质量单模传输、构建全光纤激光系统等方面的不足，通过合理的材料选取以及光纤结构设计，可实现单模激光的产生与传输，可以应用于大功率单模全光纤激光系统中，详见下文描述：

2、一种有源单模锥形光纤，所述光纤包括：有源纤芯区域，无源背景区域，反谐振单元区域和外包层区域；

3、所述有源纤芯区域为稀土离子掺杂区域；所述无源背景区域为模式泄漏区域；所述反谐振单元区域由围绕有源纤芯区域均匀分布的毛细管组成；所述外包层区域为折射率低于无源背景区域的材料，用于限制泵浦光在所述无源背景区域中的传输；

4、所述光纤横截面的各几何参数沿轴向方向逐渐增加且保持相同比例，毛细管厚度保持在信号光反谐振厚度的0.75-1.25倍范围内。

5、其中，信号光输入端的纤芯直径≤25μm，无源背景区域的直径≥250μm，信号光输出端的纤芯直径≥30μm。

6、进一步地，所述反谐振单元区域中所有毛细管折射率、尺寸相同，毛细管内径与有源纤芯区域直径的比例保持在0.6～0.8范围内的一固定值不变。

7、其中，所述光纤不同部分的折射率关系为：

8、反谐振单元区域的毛细管的折射率＞无源背景区域的折射率＞有源纤芯区域的折射率＞外包层区域的折射率。

9、其中，所述有源纤芯区域掺杂的稀土离子为：镱、铒、铥、钕、钬、铋、镨、镝、铽中的一种或多种的组合，输出波段覆盖可见光、近红外、中红外波段。

10、进一步地，所述有源纤芯区域传输单模信号光，无源背景区域和有源纤芯区域共同传输多模泵浦光。

11、本发明提供的技术方案的有益效果是：

12、1、本发明基于反谐振原理实现光纤在大模场面积下的单模传输，利用锥形光纤结构设计逐渐增加纤芯尺寸，在提高光纤增益系数的同时，有效抑制了高功率激光放大过程中非线性效应的增益积累，保证了高光束质量、高功率的激光输出；

13、2、本发明提出的有源锥形光纤虽然基于反谐振原理获得大模场面积，但光纤具有实芯结构，能够与无源光纤器件进行低损耗、高强度熔接，实现全光纤激光系统，在工作稳定性、系统集成性等方面具有显著的工程应用优势。

技术特征：

1.一种有源单模锥形光纤，其特征在于，所述光纤包括：有源纤芯区域，无源背景区域，反谐振单元区域和外包层区域；

2.根据权利要求1所述的一种有源单模锥形光纤，其特征在于，信号光输入端的纤芯直径≤25μm，无源背景区域的直径≥250μm，信号光输出端的纤芯直径≥30μm。

3.根据权利要求1所述的一种有源单模锥形光纤，其特征在于，所述反谐振单元区域中所有毛细管折射率、尺寸相同，毛细管内径与有源纤芯区域直径的比例保持在0.6～0.8范围内的一固定值不变。

4.根据权利要求1所述的一种有源单模锥形光纤，其特征在于，所述光纤不同部分的折射率关系为：

5.根据权利要求1所述的一种有源单模锥形光纤，其特征在于，所述有源纤芯区域掺杂的稀土离子为：镱、铒、铥、钕、钬、铋、镨、镝、铽中的一种或多种的组合，输出波段覆盖可见光、近红外、中红外波段。

6.根据权利要求1所述的一种有源单模锥形光纤，其特征在于，所述有源纤芯区域传输单模信号光，无源背景区域和有源纤芯区域共同传输多模泵浦光。

技术总结
本发明公开了一种有源单模锥形光纤，包括：有源纤芯区域，无源背景区域，反谐振单元区域和外包层区域；有源纤芯区域为稀土离子掺杂区域；无源背景区域为模式泄漏区域；反谐振单元区域由围绕有源纤芯区域均匀分布的毛细管组成；外包层区域为折射率低于无源背景区域的材料，用于限制泵浦光在所述无源背景区域中的传输；光纤横截面的各几何参数沿轴向方向逐渐增加且保持相同比例，毛细管厚度保持在信号光反谐振厚度的0.75‑1.25倍范围内。本发明针对当前大模场面积增益光纤在保持高光束质量单模传输、构建全光纤激光系统等方面的不足，通过合理的材料选取以及光纤结构设计，实现单模激光的产生与传输，可应用于大功率单模全光纤激光系统中。

技术研发人员：付士杰,史伟,田浩,盛泉,许海琛,姚建铨
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11