[发明专利]一种大模场多层瓣状光纤

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有大模场面积的多层瓣状光纤，属于大功率光纤放大器、激光器、特种光纤领域。

背景技术

随着激光技术在材料加工、空间通信、激光雷达、光电对抗、激光武器等的广泛应用，为了得到大功率、高质量的激光，要求单模输出功率达到MW甚至GW量级。从而具有转换效率高、激光阈值低、光束质量好等优点的光纤激光器越来得到重视。1988年，Snitzer等人提出双包层光纤以来[Snitzer,E.,et al.Double clad,offset core Nd fiber laser.Optical Fiber Sensors 1988.]，基于这种包层泵浦激光器和放大器获得了快速发展。近年来，随着半导体泵浦激光器功率的提高和泵浦方式的改进，单根光纤激光器的输出功率可达到千瓦量级。但由于单模有源纤芯芯径只有几微米，受到非线性、结构元素、衍射极限、光学损伤及热损伤等物理机制方面的限制，无法承受更高的光功率密度。大模场面积的光纤可以很好的抑制非线性和光学损伤等效应。因此解决入纤功率提升面临的非线性效应及光纤损伤等限制问题的一种最直接有效的途径就是大模场光纤。2010年已经报道了10kW功率的连续激光器[Richardson D.J.,et al.High power fiber lasers:current status and future perspectives[J].J Opt Soc Am B,2010,27(11):B63-B92.]。2011年，Tino Eidam等人发现模式不稳现象是损害大功率光束质量的主要因素[Eidam T.,et al.Experimental observations of the threshold-like onset of mode instabilities in high power fiber amplifiers[J].Opt Express,2011,19(14):13218-24.]。导致模式不稳的因素包括横向烧孔、发热引起的光纤折射率变化等，这些使得高阶模式获得更高的增益。因此，抑制高阶模式，保持单模运行，是提高大功率光纤激光器和放大器性能的重要方式之一。

这些年来，许多新型的强激光光纤已经被设计和制造。但是大部分的强激光光纤都有一定的缺陷，比如结构复杂、制造难度大、弯曲特性差等。由于现有的制造技术限制，利用传统光纤制造方法很难实现数值孔径低于0.05的阶跃型光纤[Li M.-J.,Chen X.,Liu A.,et al.Limit of Effective Area for Single-Mode Operation in Step-Index Large Mode Area Laser Fibers[J].J Lightwave Technol,2009,27(15):3010-6.]。而仅仅采用单模有源纤芯的双包层掺稀土光纤激光器，由于单模有源纤芯芯径小于等于10微米，受到非线性、结构元素和衍射极限的限制，承受的光功率有限，单模有源光纤纤芯连续波损坏阈值约1W/m²[J.Nilsson，J.K.Sahu，Y.Jeong，W.A.Clarkson，R.Selvas，A.B.Grudinin，and S.U.Alam，“High Power Fiber Lasers：New Developments”，Proceedings of SPIEVol.4974，50-59(2003)]，其光学损坏危险成为实现大功率单模光纤激光器的一大挑战.除了光学损坏外，由于大功率光产生的热也会损坏光纤，甚至会最终融化纤芯。有文献报道，铒镱共掺光纤激光器每米可产生100W热[J.Nilsson，et al.“High-power and tunable operation of erbium-ytterbium co-doped cladding-pumped fiber laser”，IEEE J.Quantum Electron.39，987-994(2003)]。光子晶体光纤可以实现超大模场面积[Michaille，L.；Bennett，C.R.；Taylor，D.M.；Shepherd，T.J.“MulticorePhotonic Crystal Fiber Lasers for High Power/Energy Applications”，IEEE Journalof Selected Topics in Quantum Electronics，15(2)，328-336(2009)]，不过其受到弯曲损耗的困扰，制造难度大、成本高。多芯光纤激光器实现单模输出，有效模场面积可达到465μm²[Vogel，Moritz M，Abdou-Ahmed，Marwan，Voss，Andreas，Graf，Thomas，“Very-large-mode-area，single-mode multicore fiber”，Opt.Lett.34(18)，2876-2878(2009)]。然而这种单模激光器采用的多芯光纤，对光纤纤芯的芯径以及相邻纤芯之间的距离需要精确的设计，对光纤纤芯之间的距离的容许误差小，批量生产成品率低。瓣状光纤通过选取特定的光纤参数，能够实现单模工作[A.Yeung，K.S.Chiang，V.Rastogi，P.L.Chu，and G.D.Peng，″Experimental demonstration of single-mode operation of large-core segmented cladding fiber，″in Optical Fiber Communication Conference，Technical Digest(CD)(Optical Society of America，2004)，paper ThI4.]。这种光纤，其特定的结构是增加基模以外的损耗，实现了在芯层直径在50微米的光纤中实现单模工作，然而其功率的提高受限于芯层半径。多沟槽光纤是一种新型光纤，通过多层纤芯环绕，实现单模工作[Jain D.,Baskiotis C.,Sahu J.K.Mode area scaling with multi-trench rod-type fibers[J].Opt Express,2013,21(2):1448-55.]。