[发明专利]一种大模场面积全固体光纤及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有大模场面积的光纤，具体涉及一种大模场面积全固体微结构光纤及其制造方法，属于能量传输光纤技术领域。

技术背景

高功率固体激光器发展有两个重要方向：薄片激光器和光纤激光器。通常所说的光纤激光器，就是采用光纤作为激光增益介质的激光器。对于常规的单模光纤激光器，要求注入到纤芯的泵浦光也必须为单模，这限制了泵浦光的入纤效率，导致光纤激光器的输出功率和效率较低。双包层光纤的提出，为提高光纤激光器的输出功率和转换效率提供了有效的技术途径，改变了光纤激光器只能作为一种小功率光子器件的历史。考虑到量子转换效率、抗激光损伤阈值和基底损耗等原因，掺镱石英双包层光纤是实现高功率光纤激光器或放大器的最佳选择。随着双包层光纤制作工艺和高功率半导体激光泵浦技术的发展，单根双包层光纤激光器的输出功率逐步提高，连续输出功率已经达到千瓦级。

目前应用于大功率光纤激光器的大模场面积光纤有以下几类：

第一类是普通的大模场面积双包层光纤。双包层光纤中折射率呈典型的阶跃式分布，对于圆形的掺杂纤芯，双包层光纤激光器能否实现单模激光输出，取决于纤芯的直径d和数值孔径NA。提升光纤激光器输出功率的障碍主要来自于掺杂纤芯，一是光纤端面的激光损伤，二是光纤中的非线性效应。纯石英的激光损伤阈值非常高，在脉冲激光下的损伤阈值约为100W/μm²，以此计算，典型单模纤芯似乎可以实现高达千瓦量级激光功率输出。实际上，100W/μm²是脉冲激光的峰值功率密度，对于连续激光来说，石英的激光阈值会远小于此值。特别是对于掺杂石英光纤来说，由于掺杂引起的纯度和均匀性的降低，大大降低了光纤端面的激光损伤阈值。为了保证光纤激光器的稳定与可靠，在光纤激光器设计时一般取1.5W/μm²。据此，对于典型的6～10μm纤芯直径的双包层光纤来说，其可能实现的激光功率也就在百瓦量级。为了实现低阶模、高光束质量的激光输出，并且尽可能克服端面激光损伤和非线性效应这两个因素对功率提高带来的限制，在设计和选用光纤时，应尽量减小NA，并相应增大纤芯直径，从而使得基横模LP₀₁的模场直径变大，从而实现大模场面积光纤（large-mode-area fiber，LMAF）。但是，由于光纤材料选择本身的限制，对于折射率阶跃分布的双包层光纤来说，纤芯NA也不可能很小。目前技术上可实现的最小NA为0.05～0.06，对应最大的单模纤芯直径为17μm左右。纤芯面积的增大一方面提高了激光损伤和非线性效应的阈值，同时还使得光纤的储能增加，有利于提高脉冲能量；另一方面，纤芯和内包层横截面积之比也大大增加，提高了光纤对泵浦吸收的效率，这样就可以采用较短的光纤实现高功率激光输出。同样，光纤长度的变短也有利于克服非线性效应对输出功率提高的限制。正是由于大模场面积光纤的出现，再加上高功率泵浦耦合技术的发展，才使得近年来光纤激光器的输出功率得以快速提高。

基于这种普通的双包层光纤，考虑到光纤端面的激光损伤和光纤中的非线性效应，单根双包层光纤要实现上千瓦级或更高的功率输出，就要突破单模光纤的限制，采用多模双包层光纤，这就又带来光纤激光的多模场振荡问题。大模场面积光纤激光的多模输出是不希望出现的，为了克服这一问题，人们在光纤结构设计及光纤盘绕方式上进行了深入研究，提出了实现低阶模激光输出的模式控制或模式选择技术。缠绕法横模控制技术和光纤拉锥法横模控制技术是目前常见的优化光束质量的方法。

第二类是大模场面积双包层光子晶体光纤。跳出普通双包层光纤的概念，采用光子晶体光纤技术制作双包层光纤，在光纤的掺杂纤芯的周围按一定的规律排布小气孔组成内包层，以起到调制内包层折射率、使内包层的等效折射率降低，并且保证信号光单模传输的目的。采用这种技术的光子晶体双包层光纤实现了单模大模场直径，模场面积可达1000μm²以上。该光纤目前在超大功率激光器技术方面代表了一个重要研究方向。这种光纤采用了空气包层技术，虽然突破了普通光纤的设计限制实现了更大的模场面积，但由于空气孔的存在，使得该光纤在端面加工处理、耦合等方面相对普通光纤要复杂很多。并且由于这种双包层光纤的制造技术相对复杂，因此造价昂贵。虽然目前已经能够实现该类光纤的制造，但其性能有待改进。由于上述原因，这种光纤的实际应用仍然很受局限。