[发明专利]用于输出特定单一模式激光的增益光纤

说明书

技术领域

本发明涉及光纤激光器领域，包括光纤振荡器与光纤放大器，具体涉及一种用于输出特定单一模式激光的增益光纤。

背景技术

光纤激光器，是采用光纤作为增益介质的激光器，通过在光纤基质材料中掺杂不同的稀土离子，获得所对应波段的激光输出。近年来,随着高亮度激光二极管泵浦技术与大模场双包层掺杂光纤制造工艺的发展,单根双包层光纤激光的输出功率迅速提高。2003年,德国Jena大学的Limpert等人获得了500W的连续激光。2004年,英国Southampton大学的Jeong等实现了1.36kW的激光输出。Jeong通过改善增益光纤参数和提高泵浦功率,将激光器的输出功率提升到了2.1kW。2009年6月，美国IPG公司推出了50kW级多模连续光纤激光器，同时，该公司实现了产品化的单模10kW级光纤激光器，此为目前功率最高的基模光纤激光器。

光纤激光器作为一类新型激光器，具有转换效率高、体积小、光束质量好等优势，是21世纪最具发展潜力的激光器。虽然光纤激光器有诸多优点，但光纤的热效应以及非线性效应制约着其功率的提升。为了抑制高功率光纤激光器中的非线性效应及提高光纤损坏阈值，一般采用数值孔径较小的大模场面积双包层光纤作为高功率光纤激光器的增益介质。但此方法往往会引入多个高阶横模，进而会降低光束质量。为了提升光纤激光器的光束质量，研究人员采取了多种技术措施，包括光纤结构设计、模式选择控制和模式转换法等，这些技术措施的应用，使光纤的模场面积得到有效增加，不同结构的大模场光纤的应用也推动着激光功率的不断增长。目前研究表明，通过控制纤芯内掺杂离子的浓度分布可以对多模纤芯中的高阶模进行抑制，得到基模输出，从而提升光纤激光器的光束质量。

到目前为止，在增益光纤中优化掺杂分布来实现高阶模式输出的方法未见专利报道。公开号为CN101688948A的中国专利文献提到过光纤分段增益掺杂，但该专利中的方案在内包层中也进行掺杂分布设计，并利用了长周期光栅来实现基模向高阶模式的转换，方案较为复杂，不利于实际实施。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种不仅可以实现大模场光纤激光器基模输出，还可以实现大模场光纤激光器特定单一高阶模式输出的用于输出特定单一模式激光的增益光纤。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种用于输出特定单一模式激光的增益光纤，所述增益光纤由内向外依次包括纤芯、包层和涂覆层，所述包层为单包层或双包层，所述纤芯的折射率大于包层的折射率，所述增益光纤的纤芯内包含有稀土离子掺杂区，所述稀土离子掺杂区在纤芯内的分布区域与增益光纤预输出的特定单一模式激光的光强分布具有对应关系，所述对应关系是指稀土离子掺杂区在纤芯内分布的区域范围即是所述特定单一模式激光在纤芯内的光强分布中I＞(1/2)I_max的区域范围，其中，I为特定单一模式激光的光强，I_max为特定单一模式激光光强的极大值，且I_max的个数大于或等于1。

通常情况下，增益光纤纤芯内稀土离子的掺杂浓度分布与特定单一模式激光的光强分布具有归一化重叠因子，归一化重叠因子是指

其中，Ψ₁(x,y)、Ψ₂(x,y)分别为纤芯内稀土离子的掺杂浓度分布函数和特定单一模式激光的光强分布函数。当Ψ₁(x,y)=Ψ₂(x,y)时，归一化重叠因子为1，此时纤芯内稀土离子的掺杂浓度分布与特定单一模式激光的光强分布具有最大的重叠度。光纤纤芯中特定单一模式激光的光强分布Ψ₂(x,y)可以用特定的贝塞尔函数描述，为了实现特定单一模式激光的输出，可以根据该模式的光强分布来对应掺杂。但是，由于特定的贝塞尔函数的分布比较复杂，不便于增益光纤纤芯掺杂的实际操作控制，为了简化光纤的掺杂分布函数的复杂性，通过对采用纤芯不同区域均匀掺杂增益光纤的激光器进行数值仿真得知，在特定单一模式激光的光强分布中I＞(1/2)I_max的区域范围内均匀掺杂，也可以实现对应模式的单一输出，这样大大地简化了增益光纤掺杂控制的复杂性。

上述的增益光纤中，所述稀土离子掺杂区在顺着纤芯轴向的各横截面上具有相同的分布。

所述稀土离子掺杂区中，稀土离子优选均匀分布。

所述稀土离子掺杂区中，稀土离子的掺杂浓度优选1000ppm～10000ppm。

所述稀土离子优选镱离子或铒离子。