[发明专利]一种长距离激光能量传输光纤

说明书

技术领域

本发明涉及光纤激光器传输领域，具体为一种激光能量传输光纤。

背景技术

光纤激光器已经在激光加工领域获得了广泛的应用，由于光纤的柔软性，其可以应用于一些特殊场合，如在狭窄空间进行激光处理的场合，高功率光纤激光器也为水下切割提供了高效、安全、环保的新方法与途径。为适应狭窄空间、水下作业等需要，要求激光由光纤传输几十甚至上百米的长距离，而目前大多数的激光能量传输光纤的长度都在10米左右，这就极大地限制了光纤激光器在这些场合的应用。长距离的激光传输对光纤传输系统提出了更高的要求，一方面，长距离的传输需要减少光纤的传输损耗，从而保证输出端具有较大的输出光功率；另一方面，在存在一定的传输损耗的情况下，应增大注入光纤的激光功率，从而增加光纤输出端激光输出功率。

大多数的激光能量传输光纤使用纯石英纤芯光纤，其结构为普通的阶跃型光纤结构，即纤芯折射率高，而包层折射率低，纤芯和包层区域折射率不变，这种结构最为简单。其包层分为石英包层型和塑料包层型两大类。石英包层型能量光纤能够传输较高的激光功率，具有良好的抗光学损伤能力及较低的衰减和较高的光透过率（从近紫外波段到近红外波段是400nm～1600nm）；塑料包层型能量光纤的数值孔径更大，有利于光耦合，但其抗光学操作能力弱于石英包层光纤。为减少光纤传输的光功率密度，避免光纤损伤，激光能量传输光纤的芯径一般在100~1000μm之间，相对传输距离较短（小于10m），是典型的多模光纤。增大纤芯尺寸可以减小光功率密度，有利于减少光损伤，但也会导致光纤的柔软性变差，易断裂。由于光纤直径越大，其机械弯曲性能越差，因此，理想的激光能量传输光纤应在同样的光纤直径下，具有更大的模场面积。

激光能量传输光纤应具有低损耗和更好的稳定性，在1064nm波段，目前全石英激光能量传输光纤的传输损耗可达10 dB/km以下，材料损耗是限制光纤损耗的重要因素，此外，高阶模引起的泄露损耗是其中重要的一个因素，另一方面，长距离传输时，激光易受光纤弯曲和外界应力的影响，产生弯曲损耗，这是限制高功率激光传输距离的重要因素之一。传输损耗不但减少了光纤输出的激光功率，也带来传输光纤散热等问题，直接影响光纤传输高功率激光的距离。

近年来，出现了采用微结构光纤【All-glass large-core leakage channel fibers(全玻璃大纤芯通道泄露光纤). IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron., 15(1): 47-53, 2009】、空芯光子带隙光纤【Hollow-core photonic crystal fibre for high power laser beam delivery(空芯光子晶体光纤用于高功率激光传输). High Power Laser Science and Engineering, 1(01): 17-28, 2013】、Bragg光纤【Solid-core photonic bandgap fibers for high-power fiber lasers(用于高功率光纤激光的全固态带隙光纤). IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 15(1): 20-29, 2009】等新型光纤结构以传输高功率激光，除了在灵活性和模场特性上获得提高外，这些新型光纤传输激光的功率尚未能超过全石英多模光纤。

激光能量传输光纤端面损伤阈值要高。为获得高功率的激光输出，在存在一定传输损耗的前提下，需要尽量提高传能光纤输入端的光功率。研究表明：高功率激光传输时，其损伤往往先从端面开始【光纤端面Nd:YAG激光诱导损伤分析. 光学学报, 29(4): 923-926, 2009】。除了通过增大纤芯面积的方法减小端面光功率密度外，采用增大输入端面的方法也是其中一种常用的方法。

由于上述技术的限制，目前还未见有长距离且能够传输高功率激光的激光能量传输光纤。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种有效降低光纤传输损耗、增加激光输入光功率且适合几十甚至上百米的长距离传输的激光能量传输光纤。