專利名稱：雙芯光導(dǎo)纖維及制造這種光導(dǎo)纖維、雙芯光纖激光器和雙芯光纖放大器的工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明基于第一項權(quán)利要求的前序部分涉及一種雙芯光導(dǎo)纖維。
本發(fā)明基于第五項權(quán)利要求的前序部分涉及一種制造雙芯光導(dǎo)纖維的工藝方法。
本發(fā)明基于第八項權(quán)利要求的前序部分涉及一種雙芯光纖激光器。
本發(fā)明基于第十二項權(quán)利要求的前序部分涉及一種雙芯光纖放大器。
本發(fā)明應(yīng)用于例如光通信，激光技術(shù)，激光測量技術(shù)，醫(yī)學(xué)技術(shù)及利用激光的圖象顯示法。
技術(shù)現(xiàn)狀“光學(xué)通訊(Optics Letters)”第20卷第6期578-580頁中描述了一種雙芯光纖激光器，它包括一個橫截面為圓形的泵浦芯，并由包層圍住，光激射芯放在泵浦芯中心。這種已知的雙芯光纖激光器的缺點在于，只有一部分泵浦光被中心的光激射芯吸收。這是由于泵浦芯的內(nèi)部形成了所謂的螺旋形輻射，它無法與光激射芯交叉，因而該輻射無法被吸收。
US-PS4 815 079中提出一種雙芯光纖激光器，包括圓泵浦芯和偏離中心的光激射芯。這種雙芯光纖激光器加工非常困難，并且光激射芯往往會變形使其橫截面呈橢圓形。該專利還公開了一種雙芯光纖激光器，它具有橫截面為矩形的泵浦芯和在中心的光激射芯。這種雙芯光纖激光器同樣難于制造。泵浦芯的邊緣存在泵浦光損耗，并且因為是矩形，耦合來自激光二極管發(fā)出的泵浦光要比圓形泵浦芯的雙芯光纖激光器的耦合困難得多，而且矩形橫截面的光纖激光器和標(biāo)準(zhǔn)光纖元件不兼容。
發(fā)明目的本項發(fā)明目的在于開發(fā)一種新穎的雙芯光導(dǎo)纖維，其制作較簡單，在放大器工作時具有高效率，并與先纖-光學(xué)元件的生產(chǎn)工藝方法及標(biāo)準(zhǔn)元件兼容。還要指出的是一種雙芯光纖激光器和一種雙芯光纖放大器，它們制作較簡單，且光激射芯能夠基本上完全吸收泵浦光，從而得到高的光學(xué)效率。
發(fā)明實質(zhì)本雙芯光導(dǎo)纖維發(fā)明可依據(jù)第一項權(quán)利要求的前序部分利用其特征部分予以實現(xiàn)。
本雙芯光導(dǎo)纖維的生產(chǎn)方法可依據(jù)第五項權(quán)利要求的前序部分利用其特征部分予以實現(xiàn)。
本雙芯光纖激光器發(fā)明可依據(jù)第八項權(quán)利要求的前序部分利用其特征部分予以實現(xiàn)。
本雙芯光纖放大器發(fā)明可依據(jù)第十二項權(quán)利要求的前序部分利用其特征部分予以實現(xiàn)。
在與各個主要權(quán)利要求相關(guān)聯(lián)的從屬權(quán)利要求中，給出了一些針對本發(fā)明要實現(xiàn)的目標(biāo)有利于進(jìn)一步發(fā)展的具體實例。
本發(fā)明提出一種圓泵浦芯的雙芯光導(dǎo)纖維，它的光激射芯埋入中心，沿著雙芯光導(dǎo)纖維的縱向(光傳播的方向)在其外部至少磨掉一部分，形成橫截面為D型的泵浦芯。這個磨過的部分導(dǎo)致泵浦芯對稱性的破壞，因而不再產(chǎn)生任何螺旋輻射。代之以泵浦芯射線經(jīng)跡的混亂，從而耦合進(jìn)來的泵浦光在光激射芯內(nèi)實際上完全被吸收。這種帶有中心光激射芯的基本上為圓形的光纖與纖維-光學(xué)元件的連接十分簡單，并且泵浦光的耦合輸入也容易。
本發(fā)明雙芯光導(dǎo)纖維的生產(chǎn)工藝方法與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)制作方法相比，只需一步相對較易完成的制作步驟。半成品的柱面打磨，可使用在光學(xué)工業(yè)中應(yīng)用的傳統(tǒng)平面打磨機來進(jìn)行。
用本發(fā)明的雙芯光導(dǎo)纖維構(gòu)成的雙芯光纖激光器與傳統(tǒng)的光纖激光器相比達(dá)到了更高的光學(xué)效率，且只需要較短的光纖長度來完全吸收泵浦光。由于采用基本上圓形的泵浦芯，泵浦光的輸入耦合特別是從光纖耦合的泵浦源的輸入耦合可以用特別簡單的方法來實現(xiàn)，且損失小。
用本發(fā)明的雙芯光導(dǎo)纖維構(gòu)成的雙芯光纖放大器比傳統(tǒng)的雙芯光纖放大器具有較高的光學(xué)效率。由于采用基本上圓形的泵浦芯，泵浦光的輸入耦合特別是光纖耦合的泵浦源的輸入耦合可以用特別簡單的方法來實現(xiàn)，且損失小。
附圖簡介本發(fā)明通過下列附圖將得到更充分的解釋。


圖1雙芯光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2根據(jù)技術(shù)現(xiàn)狀的圓泵浦芯雙芯光纖激光器。
圖3本發(fā)明結(jié)構(gòu)的雙芯光導(dǎo)纖維橫截面。
圖4根據(jù)圖3的雙芯光導(dǎo)纖維沿光纖軸向的B-B剖面圖。
圖5說明泵浦光吸收作為磨掉部分的幅度和光導(dǎo)纖維長度的函數(shù)的圖示曲線。
圖6雙芯光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)原理圖。
發(fā)明的實施方法圖1示出了光纖激光器100的基本結(jié)構(gòu)，包括激光二極管102，它的輻射104，經(jīng)耦合光學(xué)器件106和輸入耦合鏡108耦合輸入到雙芯光導(dǎo)纖維110。光纖110內(nèi)產(chǎn)生的激光輻射112經(jīng)輸出耦合鏡114耦合輸出。兩個鏡片108和114直接安放在光纖兩端。
圖2示出了技術(shù)現(xiàn)狀中提到的已知的雙芯先導(dǎo)纖維22的橫截面。這種雙芯光導(dǎo)纖維具有圓截面的泵浦芯4，例如由石英玻璃制成。在泵浦芯4中心放置圓形光激射芯6，例如用摻釹或其他稀土元素之介質(zhì)制成。泵浦芯4的外徑上是包層8，例如用透明的聚合物或具有低于泵浦芯折射率的玻璃制成。泵浦芯4既用作光激射芯6的外包層又用作泵浦光的高數(shù)值孔徑的波導(dǎo)管。
圖2示出了主要是在傳統(tǒng)的帶圓截面泵浦芯4的雙芯光導(dǎo)纖維內(nèi)形成的螺旋輻射10，它們不與光激射芯6相交，因而不能被光激射芯吸收。因此這些雙芯光導(dǎo)纖維在激光器工作時只能吸收約10％的泵浦光。
圖3和圖4分別展示了根據(jù)本發(fā)明制成的雙芯光導(dǎo)纖維20的橫截面和縱剖面，該光纖有例如用石英玻璃制成的泵浦芯22，在泵浦芯內(nèi)相對公共對稱軸29按中心位置放置例如用摻釹介質(zhì)制成的光激射芯24，外圍透明包層26具有低折射率，例如用聚合物制成。
圖4示出了雙芯光導(dǎo)纖維20，包括鏡片32和33，它們安放在纖維的末端上，比如蒸鍍在光纖的兩端，形成一個激光諧振腔裝置。
對比圖2所示傳統(tǒng)的雙芯光導(dǎo)纖維2，圖3和圖4中的泵浦芯22沿著光纖的縱向在圓形表面磨掉了一部分28，余下的橫截面仍是圓形，磨掉的部分28破壞了雙芯光導(dǎo)纖維的圓對稱。圖3示出了磨掉部分28形成的混亂的光線徑跡，因此實際上所有的光纖內(nèi)的光束沿著雙芯光導(dǎo)纖維的縱向延伸可以和光激射芯24交叉，若給出適當(dāng)?shù)墓饫w長度就可以實現(xiàn)泵浦光實際上100％的吸收。磨掉部分阻止形成螺旋輻射并且容易制造。然而，也可以在泵浦芯上提供一個以上的磨掉部分，例如按每120°角共磨掉三個部分，磨掉部分的大小應(yīng)能夠保持基本上是圓形的泵浦芯。
雙芯光導(dǎo)纖維20的可能尺寸如下泵浦芯直徑φPK(不在磨掉的部分) 10至600μm光激射芯直徑φLK 1.5至20μm包層厚度 5至100μm磨掉部分a 泵浦芯直徑φPK的1至49％對于激光器應(yīng)用，使用的適當(dāng)光纖長度IF在0.3至50m之間，對于放大器應(yīng)用在0.3至10m之間。
在圖1和圖4中示出的光纖諧振器的構(gòu)成是在雙芯光導(dǎo)纖維的兩末端上安放介質(zhì)鏡。其中，介質(zhì)鏡108(圖1)和32(圖4)，對激光具有高反射系數(shù)，對泵浦光104(圖1)34(圖4)具有高透射系數(shù)，分別用在泵浦端和輸入耦合端，而介質(zhì)鏡114(圖1)，33(圖4)對泵浦光具有高反射系數(shù)，對激光112(圖1)，36(圖4)具有高透射系數(shù)，用在輸出耦合端。介質(zhì)鏡32，33，108和114可直接安置或壓在光纖端面上或放在光纖末端前面。
在雙芯光導(dǎo)纖維內(nèi)，泵浦輻射在包層26與泵浦芯22之間的界面上反復(fù)地反射，經(jīng)過一次或多次反射后，與光激射芯24相交并與之相互作用，直到被光激射芯吸收為止。
圖5用圖說明了根據(jù)圖1和圖4的雙芯光導(dǎo)纖維激光器中，泵浦光的吸收A作為磨掉部分和光纖長度IF的函數(shù)關(guān)系。對泵浦芯直徑為100μm時曲線40為磨掉1μm，曲線42為磨掉5μm以及曲線44為磨掉25μm顯示了泵浦光吸收函數(shù)A與沒有磨掉部分的現(xiàn)有技術(shù)的圓泵浦芯的雙芯光導(dǎo)纖維的吸收(比較曲線46)的比較。顯而易見，即使泵浦芯只磨掉很小部分，它的吸收A明顯高于傳統(tǒng)的圓形泵浦芯的雙芯光導(dǎo)纖維的吸收A。此外，吸收A隨光纖長度的增加而增加，而隨磨掉部分的加大吸收也增加就不那么明顯了。
將半成品磨掉其直徑的1至49％制成含有光激射芯的泵浦芯外部形狀。磨削之后，在比通常溫度要低的溫度下將半成品拉成光纖以保持D形幾何形狀。激光器光纖的材料成分和文獻(xiàn)給出的標(biāo)準(zhǔn)光纖的成分相同。需要的光纖折射率曲線通過共摻鍺、磷和氟來實現(xiàn)。
圖6示出了取芯光纖放大器的基本構(gòu)成，包括泵浦源202，它的輻射光束204經(jīng)準(zhǔn)直器216準(zhǔn)直，借助于光束合成器218，例如二向色鏡，及耦合光學(xué)元件206給光纖端面208耦合進(jìn)入雙芯光導(dǎo)纖維200。光纖兩端面208和214具有抗反射的鍍層或與光軸按某個角度切割以防在雙芯光導(dǎo)纖維內(nèi)光反饋。信號光束220借助于光束合成器218和耦合光學(xué)元件206耦合進(jìn)入雙芯光導(dǎo)纖維。放大后的信號光束212從與耦合輸入端相對的雙芯光導(dǎo)纖維的另一端面214耦合輸出。
用于4能級激光器或放大器系統(tǒng)的尺寸舉例如下光激射芯直徑5μm泵浦芯直徑 125μm磨掉部分20μm用所給出的幾何大小和810nm的泵浦源波長，摻入1300ppm釹的光纖激光器實現(xiàn)光效率超過40％，激光器波長為1060nm，并有2W的輸出功率。
用于3能級激光器或放大器系統(tǒng)及上變頻激光器的尺寸舉例如下光激射芯直徑3.5μm泵浦芯直徑 20μm磨掉部分5μm用所給出的幾何大小摻入鐠和鐿的先纖激光器可以達(dá)到超過20％的光效率，激光器波長為635nm，并且輸出功率超過1W。
權(quán)利要求
1.雙芯光導(dǎo)纖維包括一個泵浦芯(22)，一個放置在泵浦芯(22)中心的光激射芯(24)和一個環(huán)繞泵浦芯(22)的包層(26)，其特征在于，橫截面主要是圓形結(jié)構(gòu)的泵浦芯(22)，在其外層沿著雙芯光導(dǎo)纖維(20)的光傳播方向至少磨掉一部分(28)，其大小為泵浦芯(22)直徑的1％至49％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的雙芯光導(dǎo)纖維，其特征在于，沒有磨掉部分(28)的泵浦芯(22)的直徑，為φPK＝5μm至600μm的范圍內(nèi)和光激射芯(24)的直徑為φLK＝1.5μm至20μm的范圍內(nèi)和在泵浦芯(22)圓周上測量磨掉部分(28)為a＝1μm至200μm，它們均取決于激光波長及其應(yīng)用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的雙芯光導(dǎo)纖維，其特征在于，雙芯光導(dǎo)纖維的包層(26)采用聚合物或玻璃材料制成，其折射率低于泵浦芯(22)，且厚度約至少5μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的雙芯光導(dǎo)纖維，其特征在于，雙芯光導(dǎo)纖維兩端面的每一面正交對準(zhǔn)和/或與光軸成低于90°角，并且具有光學(xué)質(zhì)量并被覆蓋膜，至少在光激射芯(24)的區(qū)域內(nèi)，用對應(yīng)于確定的波長范圍的反射膜和/或抗反射膜覆蓋。
5.制作雙芯光導(dǎo)纖維的工藝方法依據(jù)以下步驟石英或玻璃的柱形半成品的生產(chǎn)使用標(biāo)準(zhǔn)制作工藝方法，拉伸加熱的半成品成玻璃纖維，其特征在于，制成半成品后，半成品的柱形外表面至少要研磨一次，磨掉的部分是半成品直徑的1％至49％，和雙芯光導(dǎo)纖維是由研磨過的半成品拉伸而成，拉伸半成品的溫度按此方法調(diào)整，使半成品的幾何外形和泵浦芯(22)的幾何外形保持一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的雙芯光導(dǎo)纖維的制作工藝方法，其特征在于，研磨半成品之后，將玻璃層或石英層加到半成品上，其折射率低于其后為泵浦芯的材料，其厚度應(yīng)當(dāng)使拉伸半成品之后雙芯光導(dǎo)纖維的直徑至少約為80μm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的雙芯光導(dǎo)纖維的制作工藝方法，其特征在于，半成品的外徑在5mm至20mm之間，及半成品的研磨掉部分在1mm至8mm之間及制成的半成品在圓柱方向上為恒定的外形尺寸及作為在沒有磨掉部分(28)的位置測得的具有恒定直徑泵浦芯(22)的雙芯光導(dǎo)纖維(100，200，20)，被拉制，其直徑在φPK＝5μm至600μm范圍內(nèi)。
8.雙芯光導(dǎo)纖維激光器(100)包括沿光的方向排列的下列部件一個泵浦源(激光二極管102)，最好有一個耦合輸入的光學(xué)部件(106)，與雙芯光導(dǎo)纖維(110，20)的起始端相匹配的第一介質(zhì)鏡(108，32)，雙芯光導(dǎo)纖維(110，20)包括一泵浦芯(22)，一位于泵浦芯(22)中心的光激射芯(24)及一環(huán)繞泵浦芯(22)的包層(26)，另外還包括與雙芯光導(dǎo)纖維(110，20)末端相匹配的第二介質(zhì)鏡(114，33)，其特征在于，由橫截面基本上圓形的泵浦芯(22)，在其外層沿著雙芯光導(dǎo)纖維(20)的光傳播方向至少磨掉一部分(28)，其大小為泵浦芯(22)直徑的1％至49％。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的雙芯光纖激光器，其特征在于，雙芯光導(dǎo)纖維的長度大于0.1m。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的雙芯光纖激光器，其特征在于，對于4能級激光器系統(tǒng)，在沒有磨掉部分(28)處的泵浦芯(22)直徑為φPK＝75μm至600μm之間及光激射芯(24)的直徑為φLK＝2μm至20mμ，以及在泵浦芯(22)圓周上測量的磨掉部分(28)為a＝5μm至100μm。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的雙芯光纖激光器，其特征在于，3能級激光器系統(tǒng)及上變頻激光器系統(tǒng)包括在沒有磨掉部分(28)處的泵浦芯(22)直徑為φPK＝10μm至50μm及光激射芯(24)的直徑φLK＝2μm至10μm及在泵浦芯(22)圓周上測量的磨掉部分(28)為a＝1μm至15μm。
12.雙芯光纖放大器包括沿光的方向排列的下列元件組泵浦源(激光二極管202)，最好是準(zhǔn)直光學(xué)部件(216)，用于光束合成的元件二向色鏡(218)，最好是耦合輸入光學(xué)元件(206)，抗反射的光纖端面或是相對光軸傾斜的光纖端面作為泵浦光和光信號的輸入，雙芯光導(dǎo)纖維(200)包括一泵浦芯(22)，一放置在泵浦芯(22)中心的光激射芯(24)及一環(huán)繞泵浦芯(22)的包層(26)，另外元件組還包括抗反射的光纖端面或是相對光軸傾斜的光纖端面作放大了的光信號的輸出，其特征在于，橫斷面基本上為圓形的泵浦芯(22)，其外部沿雙芯光導(dǎo)纖維(20)的光傳播方向至少磨掉一部分(28)，其大小為泵浦芯(22)直徑的1％至49％。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的雙芯光纖放大器，其特征在于，雙芯光導(dǎo)纖維的長度大于0.1m及最大長度是這樣來決定的，即放大了的光信號應(yīng)大于工作期間放大了的自發(fā)發(fā)射，而最大雙芯光纖長度小于50m。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的雙芯光纖放大器，其特征在于，對于4能級激光器系統(tǒng)，沒有磨掉部分(28)處的泵浦芯(22)直徑為φPK＝75μm至600μm，光激射芯(24)的直徑為φLK＝2μm至20μm及在泵浦芯(22)圓周上測量的磨掉部分(28)為a＝5μm至100μm。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的雙芯光纖放大器，對于可見光，其特征在于，對3能級激光器系統(tǒng)和上變頻激光器系統(tǒng)而言，沒有磨掉部分(28)處的泵浦芯(22)直徑為φPK＝10μm至50μm，光激射芯(24)的直徑為φLK＝2μm至10μm及在泵浦芯(22)圓周上測量的磨掉部分(28)為a＝1μm至15μm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙芯光導(dǎo)纖維，包括泵浦芯(22)，放置在泵浦芯(22)中心的光激射芯(24)和環(huán)繞泵浦芯(22)的包層(26)。其特征在于，橫截面基本上是圓形的泵浦芯(22)，其外層沿著雙芯光導(dǎo)纖維(20)的光傳播方向至少有一個磨掉的部分(28)，大小為泵浦芯(22)直徑的1％至49％。本發(fā)明進(jìn)而提出了用于制作雙芯光導(dǎo)纖維的工藝方法，以及使用根據(jù)本發(fā)明雙芯光導(dǎo)纖維的雙芯光纖激光器和雙芯光纖放大器。中心放置了光激射芯(24)，基本上為圓形的泵浦芯(22)不僅使得與其他光纖—光學(xué)元件的連接變得簡單，還使得泵浦光的耦合輸入變得容易。
文檔編號C03B37/01GK1166239SQ96191114
公開日1997年11月26日 申請日期1996年9月25日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月25日
發(fā)明者H·澤爾馬, J·龐斯, S·昂格爾, V·賴克爾 申請人:Ldt激光展示技術(shù)公司