[发明专利]同时抑制模式不稳定和非线性效应的高功率增益光纤及设计方法

权利要求书

1.一种同时抑制模式不稳定和非线性效应的高功率增益光纤的设计方法，所述光纤为双包层，由内到外依次包括纤芯和内包层，所述纤芯中掺镱或其他稀土离子作为增益介质，所述内包层为石英包层，

所述纤芯直径取值为15-100μm；

所述纤芯数值孔径NA取值为0.01-0.1；

所述内包层横截面为正八边形或梅花形，D型，六边型其它非圆形；

所述内包层直径取值为300-1200μm；

所述包层泵浦吸收系数@915nm处为0.2-1.0dB/m；

所述光纤弯曲盘绕，弯曲半径在2.5-80cm之间；

其特征在于包括以下步骤：

S1、建立增益光纤的非线性效应阈值计算模型和光纤中信号光的不同模式激光增益计算模型；

S2、根据实验经验，设定多项光纤参数的变化范围，包括数值孔径NA、纤芯直径、包层直径、吸收系数、光纤长度；

S3、把光纤参数带入非线性效应计算模型，计算此时的非线性效应阈值范围，选择符合高功率要求的光纤参数组；

S4、再把上述光纤参数组带入光纤中模式增益计算模型，计算此光纤参数组在变化的弯曲半径下的信号光输出功率和此时高阶模占比，选择合适的弯曲损耗范围内对应的弯曲半径范围，选择没有发生模式不稳定效应时，此弯曲半径范围内最高输出信号光功率作为此光纤的理论最高输出功率即该参数光纤的模式不稳定效应阈值；

S5、根据步骤S4计算出的模式不稳定效应阈值，与步骤S3计算出的非线性效应阈值进行比较，取较小值作为光纤最高输出功率的设计值，保证光纤的模式不稳定效应阈值与非线性效应阈值都不小于光纤最高输出功率。

2.根据权利要求1所述的高功率增益光纤的设计方法，其特征在于所述纤芯直径取值为35-80μm。

3.根据权利要求2所述的高功率增益光纤的设计方法，其特征在于所述纤芯数值孔径NA取值为0.03-0.07。

4.根据权利要求3所述的高功率增益光纤的设计方法，其特征在于所述内包层直径取值为500-1000μm。

5.根据权利要求4所述的高功率增益光纤的设计方法，其特征在于所述包层泵浦吸收系数@915nm处为0.4-0.8dB/m。

6.根据权利要求5所述的高功率增益光纤的设计方法，其特征在于所述光纤弯曲盘绕，弯曲半径在17.5-65cm之间。

7.根据权利要求1所述的高功率增益光纤的设计方法，其特征在于所述步骤S3中，非线性效应阈值计算公式具体如下：

式中Γ为信号光重叠因子，其中，V是归一化工作频率，U是归一化横向相位参数、W是归一化横向衰减参数、计算公式为V²＝W²+U²,V＝kRNA，k是波数，R是纤芯半径，NA是光纤的数值孔径,这里m＝0；J₀(U)、代表变量为U、的第一类0阶贝塞尔函数，J_m-1(U)、Jm(U)、J_m+1(U)代表变量为U的第一类m-1、m、m+1阶贝塞尔函数；

gB(Δv)是SBS增益系数，石英光纤中取5*10^-11；

G是光纤的激光增益；

R是光纤的纤芯半径；

L是光纤长度；

A是实验拟合系数，该系数由实验测量多组非线性效应阈值带入(1)式计算得到多组A(n)值，取平均值得到；从上式中可以看出，改变光纤的纤芯半径R、长度L可以明显改变非线性效应的阈值。