[发明专利]包层增益导引微结构空芯光纤

说明书

技术领域

本发明涉及光纤，特别是一种包层增益导引微结构空芯光纤。

背景技术

高功率光纤激光器以其卓越的性能和超值的价格，在激光加工、激光医疗、激光雷达、激光测距等多方面得到了日益广泛的应用。在同样的输出功率下，光纤激光器的光束质量、可靠性和体积等都占有优势，此外由于光纤成本的降低和易于实现流水线大批量生产等特点，这不仅引起科学家们的兴趣，而且更吸引产业界专家们的极大关注。

光纤激光器最初在上世纪60年代提出，但一直进展缓慢，直至低损耗光纤制造技术和半导体激光器的发展与应用，方为光纤激光器带来了新的前景。光纤激光器以掺杂光纤作为激光介质，与块状激光介质相比，具有以下显著的优点：介质细长易于散热；光纤的波导结构易于达到单横模；利用双包层技术易于达到高效率和高功率。近年来，对以双包层光纤为基础的包层泵浦技术的研发，使光纤激光器的输出功率已经突破kW，在工业及通信等领域具有广阔的应用前景。

微结构光纤(Microstructured fiber，简称为MF)是由晶格常数为光波长量级的二维光子晶体构成的，即规则排列着空气孔的二氧化硅光纤阵列构成光纤的包层，光纤的核心是由一个破坏了包层结构周期性的缺陷构成。这个缺陷可以是固体二氧化硅，也可以是空气孔。根据纤芯结构不同，MF可以分为实芯MF和空芯MF两大类。空芯MF按照光子带隙效应(PBG)导光，即光纤包层结构对一定频率范围内的光子存在着禁带效应，光束只能在纤芯中传导，它对包层中空气孔排列的周期性要求比较严格。实芯MF依赖于全内反射效应(TIR)导光，纤芯折射率比包层的有效折射率高，纤芯中的光束将按照改进的全内反射原理进行传输，它对包层中空气孔排列的周期性要求不严格。微结构光纤与传统光纤相比有许多特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域。

光纤纤芯的大小与输出功率有很大关系。纤芯越大可传输的功率就越大，纤芯越小传输的功率过大会产生非线性效应，影响光纤输出功率，甚至会对光纤造成损伤。因此在双包层光纤中，在保证输出光束质量的前提下要尽量增大光纤的纤芯，但在一般的双包层掺稀土光纤中，纤芯的增大会影响光束质量，造成光纤激光器和放大器的多模输出，因此纤芯的增大程度是有限的。微结构光纤的出现为光纤激光功率的进一步提升创造了条件。实芯微结构光纤具有“无尽单模”特性，但是随着芯径增大，弯曲损耗也相应增大。空芯微结构光纤中，低阶模式的损耗低于高阶模式的损耗，所以可以实现渐近单模传输。相对于空芯微结构光纤的中空纤芯，实芯微结构光纤的纤芯是石英等材料。而石英等材料的激光损伤阈值比空气低得多，所以空芯微结构光纤在高功率领域具有其他光纤无法比拟的优势，但是由于空芯微结构光纤不易于引入掺杂，所以其发展受到一些制约。

实际工作中，我们可以在空芯微结构光纤的包层引入激光介质，利用倏逝波进行放大，这为获得高功率光纤放大器和激光器提供了另外一种途径。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有实芯光纤的不足，提供一种包层增益导引微结构空芯光纤，要求其具有大纤芯，增益由包层来提供，通过倏逝波放大来实现传导光的放大。

本发明的技术解决方案如下：

一种包层增益导引微结构空芯光纤，包括纤芯区和包层区，其特征在于所述的纤芯区是空芯的，由空气填充；所述的包层区包括内包层区和外包层区，包层区包绕纤芯区，内包层区中引入激光材料，外包层区由折射率均匀分布的固体材料形成，所述的中空的纤芯区与内包层区第一圈空气孔或空气隙之间的固体材料厚度小于一个波长。

所述的包层区中的基质材料是石英玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃，或碲酸盐玻璃。

所述的内包层区具有类似蜘蛛网的折射率分布，或者具有分布规则的小孔或者介电管。

所述的蜘蛛网内包层区是由固体材料和空气组成，固体材料之间的空气隙靠固体材料支撑条来支撑。

所述的内包层区中的小孔排列组成三角晶格、环形、或其他有规则且保证有光子带隙的几何形状。

所述的内包层区中的介电管排列组成三角晶格、环形、或其他有规则且保证有光子带隙的几何形状。

所述的内包层区(3)的全部小孔或部分小孔中引入激光材料是液体激光材料：若丹明6G(Rhodamine 6G)、4-(二氰亚甲基)-2-甲基-6-(4-二甲氨基苯乙烯基)-4H-吡喃(简称为DCM)、其他染料溶液，或掺钕的有机或无机溶液。