[发明专利]一种增益光子晶体光纤波导及其器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种增益光子晶体光波导，特别涉及一种高功率激光器应用领域的稀土掺杂光子带隙光波导，以及采用该增益光子晶体光波导制造的光纤激光器。

背景技术

随着半导体激光器泵浦与激光耦合等能量光电子技术的飞速发展，高功率光纤激光器得到前所未有的技术进步。掺镱、掺铒、铒镱共掺、掺铥、掺钕各种新型光纤激光器得到了广泛应用。多模泵浦技术从最初的端泵技术发展到现在的侧泵技术，从单泵技术发展到多泵组合技术；从非相干发展到激光相干技术；光纤激光器的功率也从最初的毫瓦级发展到千瓦级，甚至万瓦级的激光功率。双包层增益光纤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是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因素，掺稀土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(包括其光束整形技术)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。

因此，光纤激光器的核心部件---双包层增益光纤也得到迅速发展：为增大单纤承受激光功率，不断提高光纤的模场直径，因此纤芯直径从几个微米发展到50微米以上，现在向着百微米级的方向迈进。采用传统双包层掺镱光纤波导制造的光纤激光器，其单纤输出激光功率已经达到2.2kW。但是其输出激光光束质量较差，泵浦功率利用率低下，激光器稳定性差。

为了提高增益光纤的承载功率与光谱特性，又发展大模场低纤芯数值孔径的双包层光子晶体掺镱光纤，2005年报道单根光子晶体光纤连续输出功率1.53kW。用于红外传感与军事武器的高功率掺铥光纤激光器单根光纤已经达到188W。而国内的高功率光纤激光器近年来刚刚起步，发展速度较慢，主要原因是受限于国外对高性能双包层掺稀土光纤的封锁与控制。

纵观国内外研究情况可以看出，光纤激光器不断向着高功率高光束质量的方向发展，必然要求其核心关键部件一双包层掺稀土光纤不断提高其激光性能，为此，国内外开展了广泛的科研工作。可见，增益光子晶体波导非常适合高功率光纤激光器的应用，具备广泛的应用与市场前景。

目前高功率光纤激光器多采用常规双包层增益光纤，该光纤激光器存在如下难以解决的技术难题，如：扩大其模场直径是提高光纤激光器承载激光功率的主要途径之一，但是增大模场直径会带来一些负面效应譬如光束质量下降、弯曲损耗增大等问题，常规双包层增益光纤为了提高光纤的激光承载功率就增大光纤的模场直径，为了保证光束质量，又不得不降低光纤纤芯的数值孔径，不仅给工艺造成较大的难度，而且该技术已经不可能将模场提高得很大，此外，增大模场直径的同时，弯曲损耗急剧增大，导致光功率泄漏甚至光纤损坏，无法正常工作。

美国专利US20050105867和中国专利CN200480033979.7阐述了一种有源光子带隙光纤，该光纤纤芯为空气，与其它光纤的熔接损耗较大，而且该发明光纤利用表面模式进行激光的传输，激光功率损耗大，不能很好地满足实际应用需求。中国专利200510025561.8描述了有源大芯径单模双包层光子晶体光纤，该光纤利用内层空气孔实现无尽单模特性，从而提高光纤激光的光束质量，但是该光纤存在着弯曲损耗较大，非线性效应明显，不能够有效地将多模泵浦功率转化为单模激光功率等问题。

为了解决上述增益光纤的不足，本专利提出一种全固态双带隙增益光纤，该光纤的光子带隙可以大大地提高泵浦光的转化效率，同时提升激光的限制能力，降低光纤的非线性效应，极大地改善光纤激光的光束质量，从而满足高功率光纤激光器的应用需求。

发明内容

本发明目的在于提供一种固态带隙增益光子晶体光纤波导。

本发明提供的一种增益光子晶体光纤波导，包括芯层、围绕芯层的包层、涂层；所述芯层包括有两个同心层，第一纤芯分层为高纯石英玻璃形成的实芯区域，第二纤芯分层为具有稀土离子掺杂的石英玻璃圆柱层；所述包层包括两部分，一部分是由锗掺杂的石英玻璃圆柱层组成光纤的内包层，另一部分是由空气孔和石英玻璃的复合结构构成的光纤的外包层；所述涂层部分由紫外固化的丙烯酸树脂形成。

如上所述的光子晶体光纤波导，所述稀土离子掺杂的石英玻璃圆柱层中掺杂的稀土离子是镱、铥、钕、钬、镨、铒、镧中的任何一种。