[发明专利]一种环形掺杂层光纤、其制备方法及包含该光纤的激光器

说明书

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，特别涉及能达到高功率输出的环形掺杂层光纤，以及及其制备方法和包含该光纤的激光器。

背景技术

光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。

光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接(铜焊、淬水、包层以及深度焊接)、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设，作为其他激光器的泵浦源等。

目前，相比于固体激光器和气体激光器，光纤激光器是光束质量最好的激光器形式。具有高功率的光纤激光器在工业和军事应用领域都将有非常重要的应用前景，但这种激光器的增益介质光纤的纤芯直径太小是限制其高功率输出的障碍。

光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。在多模光纤中，纤芯的直径是15μm～50μm，大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8μm～10μm。

单包层光纤纤芯外面包围着一层折射率比纤芯低的玻璃封套包层，以使光线保持在纤芯内。再外面的是一层薄的塑料外套保护层，用来保护封套。

由于单包层单模光纤纤芯直径十分细小，一般在10μm以下，要将更大的泵浦光注入到光纤纤芯在技术上遇到了困难。1988年E Snitzer首次提出了双包层光纤，双包层光纤是由同心的纤芯、内包层、外包层以及保护层组成，双包层的直径远大于纤芯，它可以保持细小的纤芯尺度，而使泵浦光进入数百微米量级的内包层中。这一技术上的突破使光纤激光的输出功率在十余年内迅速上升，目前连续输出的光纤激光功率已达千瓦以上。

提高光纤激光器输出功率的关键技术有：谐振腔制备技术、包层泵浦技术和光纤耦合技术。对于包层泵浦技术，目前提出有效手段主要是采用矩形或D形等内包层结构的双包层增益光纤。

如果双包层光纤的内包层横截面圆对称，其内部传播的光线有严格的运动轨迹，可以判断，当单模掺杂纤芯落在某一光线的两焦散面区域时，此光线才能被纤芯吸收，当纤芯处在某一光线的焦散面外时，光线不会被吸收，所以圆对称双包层光纤的吸收效率是很低的。为了提高光纤的吸收效率，出现了很多相对于圆对称内包层而言有缺陷的内包层结构，如矩形、六边形、星形、梅花形和D形等。当内包层存在缺陷后，光线的两个焦散面也就不存在了。光线在内包层的行进路线找不出任何规律，在传输足够长距离后，它将到达内包层横截面上的任何一点，最终所有光线因多次经过纤芯后会被全部吸收，所以其吸收系数始终是100％，但是光纤在单位长度内的吸收效率是有差异的。

采用矩形或D形等内包层结构的双包层掺杂光纤激光器虽然能提供接近衍射极限的光束输出，但进一步提高其输出功率仍然受到光纤对高功率承受能力的限制。为了增大这种承受能力即降低光纤内激光功率密度，可以通过保证可接受的光束质量情况下增大纤芯直径、设计超大模场(Large Mode Area，LMA)双包层光纤和加大掺杂浓度等来实现。

但是，增大纤芯将导致激光工作在多阶模，会降低光束质量，需要对模式进行选择，抑制高阶模在腔内的振荡，获得基横模激光输出。对于大模场双包层光纤如光子晶体光纤，由于其具有较大的纤芯直径和较小的纤芯数值孔径，大的纤芯直径会减少光纤内功率密度，提高光纤非线性效应的阈值，增大了纤芯承受功率的能力，同时，较小的数值孔径使得光纤内传输光线与纤轴夹角很小，这样电磁场在包层中延伸很远，由于高阶模损耗很大，因此只有低阶模才能长距离传输。但超大模场双包层光纤的制备工艺还需要进一步完善。对于加大掺杂浓度，由于加大掺杂浓度后，单位长度的泵浦吸收系数会增加，相应的增益增加，但也降低石英的纯度和均匀性，降低光纤端面的激光损伤阈值。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种环形掺杂层光纤，将传统的纤芯掺杂改变为环形掺杂层，使得激光振荡实际上在一个环形波导中进行，再合理设计该环形波导的厚度，就可以保持单模运转，同时掺杂层具有很大的横截面积，适合大功率输出，从而即可提高利用该光纤的光纤激光器的输出功率。

实现本发明的这一目的所采用的具体技术方案为：

一种环形掺杂层光纤，由内包层和由内而外依次包覆在该内包层上的环形掺杂层、中包层、外包层和保护层组成，其中所述内包层为不掺杂的纤芯。

作为本发明的改进，所述的环形掺杂层由掺稀土元素的基质材料制成。