[发明专利]一种单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤

说明书

技术领域

本发明涉及一种单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤，属于大功率光 纤放大器、激光器、特种光纤领域。

背景技术

掺稀土光纤放大器或激光器采用掺稀土元素(Nd，Sm，Ho，Er，Pr，Tm，Yb 等)离子光纤，利用受激辐射机制实现光的直接放大。

光纤激光器以其卓越的性能和低廉的价格，在光纤通信、工业加工、医疗、 军事等领域取得了日益广泛的应用。尽管在实验室已经实现单个光纤输出超过 1kW的单模激光，而且实现这种激光需要严格的条件，难以工程应用；但是随 着激光技术应用的发展，以及材料加工、空间通信、激光雷达、光电对抗、激 光武器等的发展，需要高功率、高质量、高强度和超亮度的激光，要求单模输 出功率达到MW甚至GW量级。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10μm，受到非线性、结构因素和衍射极限的 限制，承受的光功率密度有限，单模有源光纤纤芯连续波损坏阈值约为1W/μm²[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  SPIE Vol.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，S.U.Alam，J.A.Alvarez-Chavez，P.W.Turner，W.A.Clarkson，andA.B.Grudini n，”High-power  and tunable  operation  of  erbium-ytterbium  co-doped cladding-pumped fiber laser”，IEEE J.Quantum Electron.39，987-994(2003)]。

多芯光纤激光器实现单模输出，已经得到实验证实。文献中采用的多芯光 纤有效模场面积达到465μm²，比普通单模光纤模场面积大得多，因此这种多芯 光纤激光器能输出更高的功率。[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得精确的设计，对光纤纤芯的芯径一致性要 求高，对光纤纤芯的芯径以及相邻纤芯之间的距离的容许误差小，批量生产成 品率低。而且这种多芯光纤的每个纤芯的模场面积有限，限制了光纤激光器输 出单模激光功率的提高。虽然通过多芯光子晶体光纤可实现达4240μm²模场面 积的单模光纤[Michaille，L.；Bennett，C.R.；Taylor，D.M.；Shepherd，T.J.“Multicore Photonic Crystal Fiber Lasers for High Power/Energy Applications”，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，15(2)，328-336(2009)]，然而这种光纤 空气孔尺寸很难制作一致，成品率低，只能端面泵浦且与普通光纤连接损耗大。

发明内容

为了克服现有单模光纤与多芯光纤输出单模激光功率有限以及随着光功率 的增加，其抗热等方面的缺陷，以及现有大模场光纤工艺要求高、成品率低， 以及与普通光纤连接损耗大等缺陷，本发明提供一种单模纤芯耦合多层掺稀土 环形纤芯的光纤。

单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤，该光纤中心为掺稀土离子芯区， 掺稀土离子芯区外由内到外分布第一硅环芯、第一掺稀土离子环芯、...第N硅 环芯、第N掺稀土离子环芯，第N+1硅环芯，外包层，2≤N≤50；