[发明专利]一种控制增益掺杂剂分布的大模场光纤

说明书

本发明公开了一种控制增益掺杂剂分布的大模场光纤，将纤芯分为不掺杂增益离子的无源区和掺杂增益离子的有源区，且增益离子的浓度在有源区呈高斯型分布。纤芯有源区高斯型掺杂能更好地促进基模的增益，纤芯无源区不掺杂增益离子又能更好地避免和抑制高阶模，因此不仅能提高常规光纤的横向模式不稳定阈值，又能保证良好的光束质量输出，为解决大模场光纤输出功率和光束质量受限提供了一条可行的途径。

技术领域

本发明属于光纤领域，更具体地，涉及一种控制增益掺杂剂分布的大模场光纤。

背景技术

掺镱(Yb3+)光纤激光器以其转换效率高、散热性能好、紧凑性高和光束质量好等优点而被广泛应用于工业加工、生物医疗、3D打印和军事国防等领域。但是，各种非线性效应，如受激拉曼散射等，不仅限制光纤激光器输出功率的提升，也会产生反向的斯托克斯光损坏系统器件。大模场光纤的应用，成功地解决或抑制了受激拉曼散射等非线性效应，使得光纤激光器的输出功率得到了前所未有的提高。然而，在大模场光纤中，更多的高阶模将被束缚在光纤纤芯中，进而出现一种新的不利现象—横向模式不稳定，它可能会导致光纤激光器输出功率难以进一步提升并且光束质量会恶化。自从横向模式不稳定现象发现以来，它已成为进一步限制掺镱光纤激光器输出功率提升同时保持优良光束质量的主要因素。

为了抑制光纤激光的横向模式不稳定效应，进而继续提高光纤激光器输出功率，同时保持优良的光束质量，优化大模场光纤应为最有效的方法。因此，从大模场掺镱光纤的设计角度来看，提高横向模式不稳定阈值的手段包括：减小纤芯的数值孔径、增大内包层直径、采用新型结构光纤以及控制增益掺杂剂分布等方法。对于前三种：低数值孔径光纤的归一化频率较小，因此它在理论上是可以保证严格单模，高阶模难以被束缚在纤芯中，高阶模的低含量使得其横向模式不稳定阈值更高、光束质量更优。增大内包层直径使得芯包比更小，可以降低整体光纤的包层吸收，以此来均衡光纤的热负载，弱化增益光纤的热致折射率光栅，进而提高横向模式不稳定阈值。设计新型结构光纤，如大截距光纤、分布模式滤除光纤、多芯光纤，它们的优点是均具有较大的模场面积，对于提高横向模式不稳定阈值效果也很显著。

然而，目前的大模场掺镱光纤制备工艺较难满足数值孔径为0.05及以下的低数值孔径掺镱光纤制备，且较低的数值孔径又很难与全光纤器件匹配，造成激光的泄露和器件的烧毁。增大内包层直径会降低吸收，进而需要增长光纤的使用长度，这又使得受激拉曼散射效应较早出现。新型结构光纤由于其结构的复杂性，使得他们与无源光纤的熔接难度较大，甚至带来较大的熔接损耗，

因此它们较多采用空间耦合的方法实现高功率光纤激光输出，这就违背了全光纤激光器结构紧凑的设计初衷。上述三种提高横向模式不稳定方法的劣势非常的明显，且难以用于数千瓦甚至万瓦级的光纤激光系统。因此，设计和制备一种工艺更简单的大模场光纤，并能够同时均衡各种非线性效应和横向模式不稳定效应，且能兼顾优良光束质量输出是目前高功率光纤激光器亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种控制增益掺杂剂分布的大模场光纤，由此解决常规同参数同尺寸的大模场光纤难以抑制横向模式不稳定和光束质量恶化的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种控制增益掺杂剂分布的大模场光纤，包括纤芯、围绕纤芯的内包层和围绕内包层的外包层；

纤芯包括掺杂增益离子的有源区和不掺杂增益离子的无源区，沿纤芯中心向外依次为有源区和无源区，有源区内增益离子浓度沿纤芯中心向外逐渐降低，呈高斯型分布；有源区和无源区的相对折射率差相等。

优选地，增益离子为镱，有源区内任意一点的镱离子浓度C(r)与该点至纤芯层中心的距离r满足以下关系：

C(r)＝C₀×exp(-r²/b²)；