專利名稱：包層增益導(dǎo)引微結(jié)構(gòu)空芯光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖，特別是一種包層增益導(dǎo)引微結(jié)構(gòu)空芯光纖。
技術(shù)背景高功率光纖激光器以其卓越的性能和超值的價(jià)格，在激光加工、激光醫(yī)療、激光雷達(dá)、激光測(cè)距等多方面得到了R益廣泛的應(yīng)用。在同樣的輸出功率下，光纖激 光器的光束質(zhì)量、可靠性和體積等都占有優(yōu)勢(shì)，此外由于光纖成本的降低和易于實(shí) 現(xiàn)流水線大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，這不僅引起科學(xué)家們的興趣，而且更吸引產(chǎn)業(yè)界專家 們的極大關(guān)注。光纖激光器最初在上世紀(jì)60年代提出，但一直進(jìn)展緩慢，直至低損耗光纖制造 技術(shù)和半導(dǎo)體激光器的發(fā)展與應(yīng)用，方為光纖激光器帶來了新的前景。光纖激光器以摻雜光纖作為激光介質(zhì)，與塊狀激光介質(zhì)相比，具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)介質(zhì)細(xì)長(zhǎng)易于散熱；光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)易于達(dá)到單橫模；利用雙包層技術(shù)易于達(dá)到高效率和高 功率。近年來，對(duì)以雙包層光纖為基礎(chǔ)的包層泵浦技術(shù)的研發(fā)，使光纖激光器的輸 出功率已經(jīng)突破kW，在工業(yè)及通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用甜景。微結(jié)構(gòu)光纖(Microstructured fiber,簡(jiǎn)稱為MF)是由晶格常數(shù)為光波長(zhǎng)量級(jí)的二 維光子晶體構(gòu)成的，即規(guī)則排列著空氣孔的二氧化硅光纖陣列構(gòu)成光纖的包層，光 纖的核心是由一個(gè)破壞了包層結(jié)構(gòu)周期性的缺陷構(gòu)成。這個(gè)缺陷可以是固體二氧化 硅，也可以是空氣孔。根據(jù)纖芯結(jié)構(gòu)不同，MF可以分為實(shí)芯MF和空芯MF兩大類。 空芯MF按照光子帶隙效應(yīng)(PBG)導(dǎo)光，即光纖包層結(jié)構(gòu)對(duì)一定頻率范圍內(nèi)的光子存 在著禁帶效應(yīng)，光束只能在纖芯中傳導(dǎo)，它對(duì)包層中空氣孔排列的周期性要求比較 嚴(yán)格。實(shí)芯MF依賴于全內(nèi)反射效應(yīng)(TIR)導(dǎo)光，纖芯折射率比包層的有效折射率高， 纖芯中的光束將按照改進(jìn)的全內(nèi)反射原理進(jìn)行傳輸，它對(duì)包層中空氣孔排列的周期 性要求不嚴(yán)格。微結(jié)構(gòu)光纖與傳統(tǒng)光纖相比有許多特性，有效地?cái)U(kuò)展和增加了光纖 的應(yīng)用領(lǐng)域。光纖纖芯的大小與輸出功率有很大關(guān)系。纖芯越大可傳輸?shù)墓β示驮酱?，纖芯 越小傳輸?shù)墓β蔬^大會(huì)產(chǎn)生非線性效應(yīng)，影響光纖輸出功率，甚至?xí)?duì)光纖造成損 傷。因此在雙包層光纖中，在保證輸出光束質(zhì)量的前提下要盡量增大光纖的纖芯，
但在一般的雙包層摻稀土光纖中，纖芯的增大會(huì)影響光束質(zhì)量，造成光纖激光器和 放大器的多模輸出，因此纖芯的增大程度是有限的。微結(jié)構(gòu)光纖的出現(xiàn)為光纖激光 功率的進(jìn)一歩提升創(chuàng)造了條件。實(shí)芯微結(jié)構(gòu)光纖具有"無(wú)盡單模"特性，但是隨著 芯徑增大，彎曲損耗也相應(yīng)增大?？招疚⒔Y(jié)構(gòu)光纖中，低階模式的損耗低于高階模 式的損耗，所以可以實(shí)現(xiàn)漸近單模傳輸。相對(duì)于空芯微結(jié)構(gòu)光纖的中空纖芯，實(shí)芯 微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯是石英等材料。而石英等材料的激光損傷閾值比空氣低得多，所 以空芯微結(jié)構(gòu)光纖在高功率領(lǐng)域具有其他光纖無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，但是由于空芯微結(jié) 構(gòu)光纖不易于引入摻雜，所以其發(fā)展受到一些制約。實(shí)際工作中，我們可以在空芯微結(jié)構(gòu)光纖的包層引入激光介質(zhì)，利用倏逝波進(jìn) 行放大，這為獲得高功率光纖放大器和激光器提供了另外一種途徑。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有實(shí)芯光纖的不足，提供一種包層增益導(dǎo)引微結(jié) 構(gòu)空芯光纖，要求其具有大纖芯，增益由包層來提供，通過倏逝波放大來實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo) 光的放大。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種包層增益導(dǎo)引微結(jié)構(gòu)空芯光纖，包括纖芯區(qū)和包層區(qū)，其特征在于所述的 纖芯區(qū)是空芯的，由空氣填充；所述的包層區(qū)包括內(nèi)包層區(qū)和外包層區(qū)，包層區(qū)包 繞纖芯區(qū)，內(nèi)包層區(qū)中引入激光材料，外包層區(qū)由折射率均勻分布的固體材料形成， 所述的中空的纖芯區(qū)與內(nèi)包層區(qū)第一圈空氣孔或空氣隙之間的固體材料厚度小于--個(gè)波長(zhǎng)。所述的包層區(qū)中的基質(zhì)材料是石英玻璃、硅酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃，或碲酸鹽 玻璃。所述的內(nèi)包層區(qū)具有類似蜘蛛網(wǎng)的折射率分布，或者具有分布規(guī)則的小孔或者 介電管。所述的蜘蛛網(wǎng)內(nèi)包層區(qū)是htj固體材料和空氣組成，固體材料之間的空氣隙靠固 體材料支撐條來支撐。所述的內(nèi)包層區(qū)中的小孔排列組成三角晶格、環(huán)形、或其他有規(guī)則且保證有光 子帶隙的幾何形狀。所述的內(nèi)包層區(qū)中的介電管排列組成三角晶格、環(huán)形、或其他有規(guī)則且保證有 光子帶隙的幾何形狀。
所述的內(nèi)包層區(qū)(3)的全部小孔或部分小孔中引入激光材料是液體激光材料若丹明6G(Rhodamine 6G)、4-(二氰亞甲基)-2-甲基-6-(4-二甲氨基苯乙烯基)-4H-吡喃(簡(jiǎn)稱為DCM)、其他染料溶液，或摻釹的有機(jī)或無(wú)機(jī)溶液。所述的纖芯區(qū)是空芯的，由空氣填充，用于傳導(dǎo)光；所述的內(nèi)包層區(qū)中引入了 激光材料，用來為光提供增益，外包層區(qū)由折射率均勻分布的固體材料形成。為保 證倏逝波有效耦合至內(nèi)包層小孔中的激光材料，中空纖芯區(qū)與內(nèi)包層區(qū)第一圈空氣 孔或空氣隙之間的固體材料厚度小于一個(gè)波長(zhǎng)。本發(fā)明光纖具有很大的模面積。使 用這種光纖的光纖激光器，更有利于實(shí)現(xiàn)高功率，而i具有增益高、轉(zhuǎn)換效率高、 閾值低、輸出光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等特性。


圖l為本發(fā)明實(shí)施例1的光纖截面示意圖。 圖2為本發(fā)明實(shí)施例8的光纖截面示意圖。 圖3為本發(fā)明實(shí)施例9的光纖截面示意圖。 圖4為本發(fā)明實(shí)施例10的光纖截面示意圖。 圖5為本發(fā)明實(shí)施例11的光纖截面示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1:圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的光纖截面示意圖。這是內(nèi)包層區(qū)3具有類似蜘蛛網(wǎng)折射率分布的微結(jié)構(gòu)空芯光纖，這種微結(jié)構(gòu)光纖是在纖芯區(qū)2上覆蓋內(nèi)包層區(qū)3，在 內(nèi)包層區(qū)3上覆蓋外包層區(qū)4制成。纖芯區(qū)2為空芯，其直徑為l(Him，在纖芯區(qū)2 和外包層區(qū)4之間是內(nèi)包層區(qū)3，內(nèi)包層區(qū)3具有類似蜘蛛網(wǎng)的折射率分布，其中 支撐條6厚度為0.25pm，材料為石英玻璃，支撐條6之間空氣隙的厚度為5pm，外 包層區(qū)4材料是石英玻璃。在最靠近纖芯區(qū)2的內(nèi)包層區(qū)3中的空氣隙5中注入 Rhodamine 6G和乙二醇的溶液，染料的濃度是5 X l()-3mol/L，光纖兩端進(jìn)行封裝。 實(shí)施例2:實(shí)施例2與實(shí)施例1的不同點(diǎn)是在最靠近纖芯區(qū)2的內(nèi)包層區(qū)3中的空氣隙 5中注入以染料DCM為溶質(zhì)的溶液，溶劑采用苯甲醇和乙二醇，溶液濃度為 10—2mol/L，光纖兩端進(jìn)行封裝。 實(shí)施例3:實(shí)施例3與實(shí)施例1的不同點(diǎn)是在最靠近纖芯區(qū)2的內(nèi)包層區(qū)3中的空氣隙 5中注入以奇通紅(Kiton red, G27H3oM2Q7&)為溶質(zhì)的溶液，溶劑采用乙二醇和甘 油，溶液濃度為10—2mol/L，光纖兩端進(jìn)行封裝。實(shí)施例4:實(shí)施例4與實(shí)施例1的不同點(diǎn)是在最靠近纖芯區(qū)2的內(nèi)包層區(qū)3中的空氣隙 5中注入以染料DCM為溶質(zhì)的溶液，溶劑采用甲醇和二甲基亞砜(DMSO)，溶液 濃度為l(T4mol/L，光纖兩端進(jìn)行封裝。實(shí)施例5:實(shí)施例5與實(shí)施例1的不同點(diǎn)是在最靠近纖芯區(qū)2的內(nèi)包層區(qū)3中的空氣隙 5中注入以DOTCI (diethyloxatricarbocyanine iodide )為溶質(zhì)的溶液，溶劑采用二 甲基亞砜(DMSO)和甲醇，溶液濃度為1.2X10—Vol/L，光纖兩端進(jìn)行封裝。實(shí)施例6:實(shí)施例6與實(shí)施例1的不同點(diǎn)是在最靠近纖芯區(qū)2的內(nèi)包層區(qū)3中的空氣隙 5中注入Nd203溶于SeOCl2禾Q SnCl4的溶液，離子濃度為0.16mol/L，光纖兩端進(jìn) 行封裝。實(shí)施例7:實(shí)施例7與實(shí)施例1的不同點(diǎn)是在最靠近纖芯區(qū)2的內(nèi)包層區(qū)3中的空氣隙 5中注入含釹的有機(jī)溶液，溶質(zhì)為五氟丙酸釹的O —菲洛琳加合物，溶劑為DMSO-d6 (DMSO中H完全置換用D代替)。Nd"濃度為0.2 mol/L，光纖兩端進(jìn)行封裝。 實(shí)施例8:圖2為本發(fā)明實(shí)施例8的光纖截面示意圖。這是內(nèi)包層區(qū)3具有三角品格分布 小孔的微結(jié)構(gòu)空芯光纖，這種微結(jié)構(gòu)光纖是在纖芯區(qū)2上覆蓋內(nèi)包層區(qū)3，在內(nèi)包 層區(qū)3上覆蓋外包層區(qū)4制成。纖芯區(qū)2為空氣，在纖芯區(qū)2和外包層區(qū)4之間是 內(nèi)包層區(qū)3，內(nèi)包層區(qū)3具有多個(gè)排列成三角品格的空氣孔，小孔直徑為2pm。所 述的內(nèi)包層區(qū)3和外包層區(qū)4均采用磷酸鹽玻璃。在本實(shí)施例中，引入激光材料可 參照實(shí)施例1至實(shí)施例7。實(shí)施例9:圖3為本發(fā)明實(shí)施例9的光纖截面示意圖。這是內(nèi)包層區(qū)具有三角晶格分布小
孔的微結(jié)構(gòu)空芯光纖，這種微結(jié)構(gòu)光纖是在纖芯區(qū)2上覆蓋內(nèi)包層區(qū)3,在內(nèi)包層 區(qū)3上覆蓋外包層區(qū)4制成。纖芯區(qū)2為空氣，芯徑為10^n，在纖芯區(qū)2和外包層 區(qū)4之間是內(nèi)包層區(qū)3，內(nèi)包層區(qū)3具有排成環(huán)形的空氣孔，小孔直徑為2nm。所 述的內(nèi)包層區(qū)3和外包層區(qū)4均采用石英玻璃。在本實(shí)施例中，引入激光材料可參 照實(shí)施例1至實(shí)施例7。 實(shí)施例10:圖4為本發(fā)明實(shí)施例10的光纖截面示意圖。與實(shí)施例8類似，本實(shí)施例中纖芯 區(qū)2結(jié)構(gòu)與實(shí)施例8所示纖芯部分相同。兩實(shí)施例的區(qū)別僅僅在于本實(shí)施例中，所 述的的內(nèi)包層區(qū)3分布的是介電管，介電管外徑為2pm，內(nèi)徑為1.75pm，而且內(nèi)包 層中介電管排列呈現(xiàn)三角品格規(guī)律。在本實(shí)施例中，引入激光材料可參照實(shí)施例1 至實(shí)施例7。實(shí)施例11:圖5為本發(fā)明實(shí)施例11的光纖截面示意圖。與實(shí)施例9類似，本實(shí)施例中纖芯區(qū)2 結(jié)構(gòu)與圖3所示纖芯部分相同。兩實(shí)施例的區(qū)別僅僅在于本實(shí)例中光纖的內(nèi)包層區(qū) 3分布的是介電管，介電管外徑為2pm，內(nèi)徑為1.75pm，而且內(nèi)包層中介電管排列 呈現(xiàn)環(huán)形。在本實(shí)施例中，引入激光材料可參照實(shí)施例1至實(shí)施例7。
權(quán)利要求
1. 一種包層增益導(dǎo)引微結(jié)構(gòu)空芯光纖，包括纖芯區(qū)(2)和包層區(qū)，其特征在于所述的纖芯區(qū)(2)是空芯的，由空氣填充；所述的包層區(qū)包括內(nèi)包層區(qū)(3)和外包層區(qū)(4)，包層區(qū)包繞纖芯區(qū)(2)，內(nèi)包層區(qū)(3)中引入激光材料，外包層區(qū) (4)由折射率均勻分布的固體材料形成，所述的中空的纖芯區(qū)(2)與內(nèi)包層區(qū)(3) 第一圈空氣孔或空氣隙之間的固體材料厚度小于一個(gè)波長(zhǎng)。
2. 所述的外包層區(qū)(4)所用材料的折射率等于或小于內(nèi)包層區(qū)(3)非小孔區(qū) 域材料的折射率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的包層增益導(dǎo)引微結(jié)構(gòu)空芯光纖，其特征在于所述的包 層區(qū)(3、 4)中的基質(zhì)材料是石英玻璃、硅酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃，或碲酸鹽玻璃。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的包層增益導(dǎo)引微結(jié)構(gòu)空芯光纖，其特征在于內(nèi)包層區(qū) (3)具有類似蜘蛛網(wǎng)的折射率分布，或者具有分布規(guī)則的小孔或者介電管。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的包層增益導(dǎo)引微結(jié)構(gòu)空芯光纖，其特征在于蜘蛛網(wǎng)內(nèi) 包層區(qū)(3)是由固體材料和空氣組成，固體材料之間的空氣隙靠固體材料支撐條(6) 來支撐。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的包層增益導(dǎo)引微結(jié)構(gòu)空芯光纖，其特征在于內(nèi)包層區(qū) (3)中的小孔排列成三角晶格、環(huán)形、或其他有規(guī)則且保證有光子帶隙的幾何形狀。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的包層增益導(dǎo)引微結(jié)構(gòu)空芯光纖，其特征在于所述的內(nèi) 包層區(qū)(3)中的介電管排列組成三角晶格、環(huán)形、或其他有規(guī)則且保證有光子帶隙 的幾何形狀。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的包層增益導(dǎo)引微結(jié)構(gòu)空芯光纖，其特征在于所述的內(nèi) 包層區(qū)(3)的全部小孔或部分小孔中引入激光材料。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的包層增益導(dǎo)引微結(jié)構(gòu)空芯光纖，其特征在于內(nèi)包層區(qū) (3)中引入的激光材料是液體激光材料若丹明6G、 4-(二氰亞甲基)-2-甲基-6-(4-二甲氨基苯乙烯基)-4H-吡喃、其他染料溶液，或摻釹的有機(jī)或無(wú)機(jī)溶液。
全文摘要
一種包層增益導(dǎo)引微結(jié)構(gòu)空芯光纖，包括纖芯區(qū)和包層區(qū)，其特征在于所述的纖芯區(qū)是空芯的，由空氣填充；所述的包層區(qū)包括內(nèi)包層區(qū)和外包層區(qū)，包層區(qū)包繞纖芯區(qū)，內(nèi)包層區(qū)中引入激光材料，外包層區(qū)由折射率均勻分布的固體材料形成，所述的中空的纖芯區(qū)與內(nèi)包層區(qū)第一圈空氣孔或空氣隙之間的固體材料厚度小于一個(gè)波長(zhǎng)。本發(fā)明光纖具有很大的模面積。使用這種光纖的光纖激光器，更有利于實(shí)現(xiàn)高功率，而且具有增益高、轉(zhuǎn)換效率高、閾值低、輸出光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等特性。
文檔編號(hào)G02B6/036GK101122651SQ20071004611
公開日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2007年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月19日
發(fā)明者唐制祥, 范滇元, 趙楚軍, 錢列加 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所