[发明专利]一种用于激光器件的双包层光纤

说明书

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种用于激光器件的双包层光纤。

背景技术

光纤激光器和放大器通常采用纤芯泵浦，最初的增益光纤为普通的单包层结构，在纤芯中掺入激活离子为增益介质，泵浦光和信号激光都在纤芯中传输，由于纤芯非常小，直径约几个微米，因此必须把泵浦光功率有效地耦合到增益光纤的纤芯中，然而在现有技术中这种耦合的效率非常低，从而使激光输出功率也很低。为了提高光纤激光器的输出功率，Snitzer等人首先提出了双包层结构的光纤，即在普通单包层结构光纤的纤芯和包层之间引入了一个内包层，使整个光纤包括三个部分：纤芯、圆形的内包层和外包层。包含激活离子的单模纤芯被折射率低于纤芯的多模圆形内包层所包围，该内包层又被折射率更低的外包层所包围，泵浦激光耦合注入到圆形内包层中，并被内外包层界面处的全内反射所限制，当在内包层中传输的泵浦光经过纤芯时，被纤芯中的激活离子吸收，从而实现了包层泵浦。在制作光纤时，使内包层的几何尺寸比纤芯大很多，同时使内包层和外包层折射率函数的数值孔径也尽量大，这样可以更有效地接收来自多模泵浦激光源的功率，从而提高输出激光的功率。

但是对于这种圆形内包层的双包层光纤结构，只有把泵浦半导体激光器输出激光的光斑整形到所需要注入的双包层光纤的尺寸范围内，光才能够耦合进去，在双包层光纤尺寸范围外面的光，就无法耦合到光纤中。如图1所示，圆形为双包层光纤，矩形为光斑压缩后的形状，则圆形之外的光就进入不到光纤中，因此，需要加大对光斑的整形压缩，才能进一步提高耦合效率。

根据光纤的传光原理，圆形的内包层结构存在大量螺旋形前进的光，并在整个光纤长度内传播却不经过纤芯，这种情况限制了光纤的有效吸收，所以圆形内包层结构的光纤对泵浦光功率的利用相当有限。于是又提出了各种特殊形状的内包层结构：如偏心圆形、矩形、D形、星形、多边形等，使得吸收效率大大提高。如图4所示的偏心圆形内包层结构的双包层光纤，半导体激光器泵浦方式将在圆形内包层内形成一部分不通过圆心的螺旋光，无法被纤芯的掺杂激活离子吸收，因此，降低了泵浦激光的吸收效率。

M.H.明德尔在中国专利CN1154764A中，公开了一种内包层的剖面形状为非矩形的凸多边形双包层光纤，如图2所示，以形成一个基本上均匀的辐射场，其中构成泵浦激光能量的各种辐射模式各向同性地分布。但是，对于几何形状均匀的半导体激光器和耦合进光纤的泵浦半导体激光器，这种凸多边形结构的不对称性不利于泵浦光功率的耦合。

专利申请CN1542474A公开了一种采用非对称边界内包层的双包层光纤，如图3所示，主要包括纤芯301、内包层302和外包层303，纤芯1置于内包层302的中心，内包层302的边界为非对称边界。这种双包层结构的光纤使内包层中泵浦光的传播过程不存在局域的稳定态，从而使更多的泵浦激光能够经过纤芯，提高内包层中泵浦激光与纤芯的耦合效率，提高了双包层光纤的吸收效率。但是，在高功率的光纤激光器、光纤放大器运行时，纤芯中掺入的激活离子将以非辐射跃迁的形式释放出大量的热能，增益光纤纤芯处的温度将达到数百摄氏度，因此为了实现高功率的激光输出，必须对增益光纤进行散热处理，目前，现有技术是在外包层的外部采取措施对光纤进行制冷，而纤芯位于内包层中心的结构设计，使得作为热源的纤芯与外界的制冷装置距离较远，散热效率较低，不利于光纤的散热和高功率激光输出时光纤的热量管理。

发明内容

本发明解决的技术问题是，提供一种用于激光器件的双包层光纤，有利于高功率激光输出时的热量管理，并使增益光纤具有较高的吸收效率。

本发明采用的技术方案是，所述用于激光器件的双包层光纤，包括纤芯、内包层和外包层，内包层的边界为椭圆形，纤芯位于椭圆形内包层的一个焦点上，并被折射率低于纤芯的内包层所包围，内包层又被折射率更低的外包层所包围。

采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

本发明所述用于激光器件的双包层光纤的内包层为椭圆形结构，纤芯位于椭圆形内包层的一个焦点上，这种结构可以使泵浦光功率耦合注入到椭圆形内包层结构的另一个焦点上，利用椭圆对于光反射的结构特性，使增益光纤具有较高的吸收效率。在高功率光纤激光器件运行时，这种纤芯的分布可以使反馈注入到增益光纤的激光与注入的泵浦激光功率分别在椭圆形的两个焦点上，使光纤端面附近纤芯部分的光功率密度降低，而且在不影响光纤吸收效率的基础上，使纤芯更加靠近外包层，从而更加有利于高功率激光输出时的热量管理。

附图说明

图1是现有技术中圆形内包层结构的双包层光纤与泵浦激光耦合情况示意图；