專利名稱：一種雙包層光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光纖制作技術(shù)領(lǐng)域，涉及高功率光纖激光器用雙包層光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
背景技術(shù)：
光纖激光器最初使用的是普通的單模光纖，纖芯摻雜有稀土離子作為增益介質(zhì)，但由于光纖纖芯非常細(xì)，只有幾個微米，與泵浦源的耦合效率低，輸出功率非常低，以致限制了其使用的范圍。為了提高光纖激光器的輸出功率，人們提出了雙包層結(jié)構(gòu)的光纖，所謂雙包層光纖是指在普通的單模光纖的纖芯和包層的結(jié)構(gòu)中間引入了一個內(nèi)包層，變成了三層結(jié)構(gòu)纖芯、內(nèi)包層和外包層，大的內(nèi)包層尺寸可以耦合更多的泵浦光，泵浦光在內(nèi)包層中傳輸，不斷的經(jīng)過纖芯被吸收。根據(jù)光纖的傳光原理，圓形的內(nèi)包層結(jié)構(gòu)存在大量的螺旋形前進的光在整個光纖長度內(nèi)不能夠被位于光纖中間的纖芯所吸收，于是提出了各種對稱邊界的內(nèi)包層結(jié)構(gòu)如星型，矩型，D型，多邊型及非穩(wěn)態(tài)腔型，使得吸收效率大大提高。這種雙包層光纖的內(nèi)包層的對稱邊界形狀制作是在完成光纖預(yù)制棒之后進行不規(guī)則研磨制作出對稱的邊界形狀，然后在光纖制作系統(tǒng)中拉制光纖并涂覆外包層。實驗及理論驗證，在上述各種對稱邊界內(nèi)包層結(jié)構(gòu)中，仍然存在著穩(wěn)定分布的局域態(tài)，如星型對稱邊界內(nèi)包層結(jié)構(gòu)的每段連續(xù)邊界是相同的，形成了一種穩(wěn)定分布的局域態(tài)，這些局域態(tài)中存在的泵浦光不能被纖芯吸收，為了提高泵浦光的吸收就需要增加光纖激光器所使用雙包層光纖長度，光纖激光器輸出變得不穩(wěn)定，光纖中這些泵浦光能量在傳輸過程中被散射或者以熱量的形式損失掉，由于泵浦光的不充分吸收，雙包層光纖的內(nèi)包層中泵浦光局域穩(wěn)定態(tài)的存在也會影響光纖激光器的穩(wěn)定性，同時以這種雙包層光纖實現(xiàn)的光纖激光器閾值也較大。
本實用新型的詳細(xì)內(nèi)容為了解決背景技術(shù)對稱邊界內(nèi)包層結(jié)構(gòu)的雙包層光纖存在泵浦光的局域穩(wěn)定態(tài)不能被纖芯吸收，增加使用光纖長度，而且不能被吸收局域穩(wěn)定態(tài)分布的泵浦光影響了光纖激光器的輸出性能及穩(wěn)定性，激光器閾值較大等問題，本實用新型目的就是為對稱邊界內(nèi)包層結(jié)構(gòu)雙包層光纖提供了一種改進，設(shè)計出非對稱邊界內(nèi)包層結(jié)構(gòu)的雙包層光纖。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的非對稱邊界內(nèi)包層結(jié)構(gòu)雙包層光纖包括纖芯、內(nèi)包層、邊界、外包層，纖芯摻雜有稀土離子作為吸收介質(zhì)實現(xiàn)增益，位于雙包層光纖的中心處；纖芯的外部是內(nèi)包層；纖芯與內(nèi)包層存在折射率差，纖芯的折射率最大，內(nèi)包層的折射率較小，形成較小的數(shù)值孔徑保證信號光的單模輸出；在內(nèi)包層的外部安置有外包層，外包層折射率最小，內(nèi)包層與外包層形成的數(shù)值孔徑較大保證泵浦光有最大的耦合效率。
本實用新型在內(nèi)包層本體的外邊緣形成邊界，邊界由多個圓弧an組成，每個圓弧an的半徑R3各不相同，圓弧an呈現(xiàn)非對稱分布。
在內(nèi)包層本體的外邊緣形成邊界，邊界由多個直線段bn組成，每個直線段的長度Ln各不相同，直線段bn呈現(xiàn)非對稱分布。
內(nèi)包層本體上的邊界在環(huán)狀區(qū)域內(nèi)變化，邊界由n段圓弧an首尾連接組成，圓弧an與外圓內(nèi)切且圓弧an的兩端點位于內(nèi)圓上，環(huán)狀區(qū)域的外圓半徑為R1，環(huán)狀區(qū)域的內(nèi)圓半徑為R2，環(huán)狀區(qū)域內(nèi)的圓弧an的半徑R3n由圓弧an的兩端點與纖芯的中心點所構(gòu)成的夾角θn(n＝1，2，......n，n＞3)所決定，邊界的第一段圓弧a1的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角為θ1，第二段圓弧a2的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角為θ2，第n段圓弧an的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角為θn，且θ1≠θ2≠…≠θn或有相同的夾角θn按非對稱分布，且θ1+θ2+…+θn＝2π，第n個圓弧an的半徑為R3n，由圓弧an的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角θn得出R3n=R12sin2(θn/2)+[R1-R2cos(θ,n/2)]22[R1-R2cos(θn/2)],]]>既n段圓弧an與中心點構(gòu)成的夾角θn不完全相同，R3n不完全相同，使圓弧an呈現(xiàn)非對稱分布。
內(nèi)包層本體的邊界在環(huán)狀區(qū)域內(nèi)變化，邊界由n段圓弧an首尾連接組成，圓弧an與內(nèi)圓外切且圓弧an的兩端點位于外圓上，環(huán)狀區(qū)域的外圓半徑為R1，環(huán)狀區(qū)域的內(nèi)圓半徑為R2，圓弧an由圓弧an的兩端點與纖芯的中心點所構(gòu)成的夾角θn(n＝1，2，......n，n＞3)所決定，邊界的第一段圓弧a1的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角為θ1，第二段圓弧a2的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角為θ2，第n段圓弧an的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角為θn，且θ1≠θ2≠…≠θn或有相同的夾角θn按非對稱分布，且θ1+θ2+…+θn＝2π，第n個圓弧an的半徑為R3n，由圓弧an的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角θn得出R3n=R12+R22-2R1R2cos(θn/2)2[R1cos(θn/2)-R2],]]>既n段圓弧an與中心點構(gòu)成的夾角θn不完全相同，R3n也不完全相同，使圓弧an呈現(xiàn)非對稱分布。
內(nèi)包層本體的邊界由n(n＞3)段直線段bn組成，n段直線段bn均為外圓的內(nèi)切弦，外圓的半徑為R1，邊界的第一段直線段b1的兩端點與纖芯的中心點構(gòu)成的夾角為θ1，第二段直線段b2的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角為θ2，第n段直線段bn的兩端點與的中心點構(gòu)成的夾角為θn，且θ1≠θ2≠…≠θn或有相同的夾角θn按非對稱分布，且θ1+θ2+…+θn＝2π，第n個直線段bn的長度為Ln，由直線段bn的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角θn得出Ln=2·R1·sin(θn/2),]]>n段直線段bn的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角θn不完全相同，Ln也不完全相同，使直線段bn呈現(xiàn)非對稱分布。
本實用新型工作時泵浦光進入內(nèi)包層中，進入纖芯的泵浦光在纖芯內(nèi)傳播不斷的被其中摻雜的稀土離子吸收，未進入纖芯的泵浦光到達邊界被反射回來，經(jīng)過纖芯時，進入纖芯被其中摻雜的稀土離子吸收，未被吸收的和未經(jīng)過纖芯的泵浦光繼續(xù)在內(nèi)包層中傳輸，到達邊界上被再次反射回來，再次經(jīng)過纖芯，進入纖芯后被吸收，重復(fù)此過程，在一定的光纖長度內(nèi)，所有的泵浦光進入纖芯被吸收，被纖芯中稀土離子吸收泵浦光后產(chǎn)生信號光，信號光在纖芯中傳播。
本實用新型采用非對稱邊界內(nèi)包層結(jié)構(gòu)的雙包層光纖，解決了背景技術(shù)由于內(nèi)包層邊界為對稱結(jié)構(gòu)分布，使得內(nèi)包層中存在泵浦光的局域穩(wěn)定態(tài)，泵浦光不能被纖芯吸收，則增加使用光纖長度，而且不能被吸收的泵浦光影響光纖激光器輸出穩(wěn)定性，激光器閾值較大等問題。本實用新型在內(nèi)包層中的泵浦光在傳播過程中不存在局域的穩(wěn)定態(tài)，使得更多的泵浦光經(jīng)過纖芯，提高內(nèi)包層中的泵浦光與纖芯的耦合效率，更多的泵浦光被纖芯充分吸收，使雙包層光纖具有更高的吸收效率。減少光纖激光器使用雙包層光纖長度，由于吸收效率的提高，提高了光纖的增益，從而降低激光器閾值。由于剩余泵浦光更少，從而增加激光器輸出的穩(wěn)定性。


圖1a及圖1b是本實用新型星型結(jié)構(gòu)橫截面示意圖及設(shè)計原理圖；圖2a及圖2b是本實用新型非穩(wěn)態(tài)腔型結(jié)構(gòu)橫截面示意圖及設(shè)計原理圖；圖3a及圖3b是本實用新型多邊型結(jié)構(gòu)橫截面示意圖及其設(shè)計原理圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明，但本實用新型不限于這些實施例。實施例中包括纖芯1、內(nèi)包層2、邊界3、外包層4、外圓5、環(huán)狀區(qū)域6、內(nèi)圓7、半徑R1、半徑R2、半徑R3n、圓弧an、直線段bn、夾角θn、中心點O。
實施例1本實用新型的第一個實施例，圖1a為星型非對稱邊界雙包層光纖的橫截面示意圖，圖1b為設(shè)計原理圖。
纖芯1的材料可以根據(jù)不同需要選定，本實施例中纖芯1可以選擇石英、也可以用多組分玻璃作為基質(zhì)，在基質(zhì)里摻雜有稀土離子如釹離子或鐿離子或摻雜其它多種稀土離子，實現(xiàn)信號光增益；同時也摻入其它離子實現(xiàn)高折射率，一般選擇鍺，纖芯1的半徑可以采用3.5m。纖芯1的半徑要保證信號光在纖芯1中以單模輸出。
內(nèi)包層2的材料可以選擇石英或者是多組分玻璃，折射率略低于纖芯1，使得纖芯1的數(shù)值孔徑為0.15。內(nèi)包層2的最大半徑與外圓5半徑相同，內(nèi)包層2的最小半徑與內(nèi)圓7半徑相同，內(nèi)包層2本體上的邊界3在環(huán)狀區(qū)域6內(nèi)變化，如圖1b所示半徑為R3n的圓弧an是圖1a中邊界3相應(yīng)的第n個圓弧an。
邊界3如圖1a所示由外圓5和內(nèi)圓7組成環(huán)狀區(qū)域6，本實施中的外圓5的半徑R1和內(nèi)圓7的半徑R2分別為125μm和105μm，(如圖1b)。邊界3由六段圓弧an組成，為實現(xiàn)非對稱分布，每段圓弧an(n＝1，2...6)與中心點O構(gòu)成的夾角θn各不相同，我們選取每段圓弧an所對應(yīng)的夾角θn分別為θ1-6=7π36,9π36,11π36,13π36,15π36,17π36,]]>分別得到半徑R3n為R3(1-6)＝85μm，100μm，113μm，120μm，123μm，125μm，夾角θn選取兩個或三個相同的數(shù)值，實現(xiàn)圓弧an的非對稱分布，如選取θ1-6=9π36,9π36,9π36,13π36,15π36,17π36,]]>分別得到半徑R3n為R3(1-6)＝100μm，100μm，100μm，120μm，123μm，125μm。同樣的也可以設(shè)計四個，五個或更多的圓弧an組成非對稱內(nèi)包層結(jié)構(gòu)雙包層光纖。
外包層4的材料選取低折射率的聚合物材料，形成內(nèi)包層2的數(shù)值孔徑為0.45，外包層4的厚度選取為150μm。
上述內(nèi)包層2的實現(xiàn)需要在對光纖預(yù)制棒的研磨過程中采用更加復(fù)雜的工藝，制作出所需要的內(nèi)包層形狀，然后拉絲涂覆制成雙包層光纖。
實施例2給出了本實用新型的第二個實施例，圖2a為非穩(wěn)態(tài)腔型結(jié)構(gòu)雙包層光纖的橫截面示意圖，圖2b為設(shè)計原理圖，纖芯1，內(nèi)包層2和外包層4的材料、尺寸和結(jié)構(gòu)關(guān)系與實施例1一致，邊界3在環(huán)狀區(qū)域6內(nèi)變化，半徑為R3n的圓弧an是邊界3相應(yīng)的第n個圓弧an，本實施中的R1和R2與實施例1中相同，邊界3由六段圓弧組成，為實現(xiàn)非對稱分布，每段圓弧an(n＝1，2...6)對應(yīng)的夾角θn各不相同，因此，R3n也相應(yīng)的不同，我們設(shè)定每段圓弧對應(yīng)的夾角θn與實施例1相同，分別得到半徑R3nR3(1-6)＝132μm，134μm，137μm，142μm，150μm，166μm?；蛘呷鐚嵤├?中選取兩個或三個相同的夾角θn，分別得到半徑R3n為R3(1-6)＝134μm，134μm，134μm，142μm，150μm，166μm。
同樣的也可以設(shè)計四個，五個或更多的圓弧an組成非對稱內(nèi)包層結(jié)構(gòu)雙包層光纖。
實施例3又給出了本實用新型的第三個實施例，雙包層光纖的橫截面如圖3a所示，圖3b為設(shè)計原理圖。實施例中的雙包層光纖的纖芯1，內(nèi)包層2和外包層4的材料、尺寸和結(jié)構(gòu)關(guān)系與實施例1相同，本實施例選取邊界3由八段直線段bn組成，我們選取外圓5的半徑R1為125μm，每個直線段bn(n＝1，2...8)對應(yīng)的夾角θn可選擇為θ1-8=2π36,4π36,6π36,8π36,10π36,12π36,14π36,16π36,]]>直線段bn的長度Ln分別選擇為L1-8＝22μm，43μm，65μm，86μm，106μm，125μm，143μm，160μm(n＝1，2...8)。
上述夾角θn可以選取三個或四個相同數(shù)值，實現(xiàn)直線段bn的非對稱分布，如選取θ1-8=5π36,5π36,5π36,5π36,10π36,12π36,14π36,16π36,]]>分別得到L1-8＝54μm，54μm，54μm，54μm，106μm，125μm，143μm，160μm。同樣的也可以設(shè)計六個、七個或更多的直線段bn組成非對稱內(nèi)包層結(jié)構(gòu)雙包層光纖。
本實用新型中半徑R1、半徑R2、θn、纖芯1的半徑和外包層4的厚度參數(shù)還可根據(jù)不同的設(shè)計要求來選擇，本實用新型中的材料還可選擇除上述材料之外的其他材料。
權(quán)利要求1.一種用于高功率光纖激光器的雙包層光纖，包括纖芯(1)、內(nèi)包層(2)、邊界(3)、外包層(4)，其特征在于在內(nèi)包層(2)本體的外邊緣形成邊界(3)，邊界(3)由多個圓弧αn組成，每個圓弧αn的半徑R3各不相同，圓弧αn呈現(xiàn)非對稱分布。
2.一種用于高功率光纖激光器的雙包層光纖，包括纖芯(1)、內(nèi)包層(2)、邊界(3)、外包層(4)，其特征在于在內(nèi)包層(2)本體的外邊緣形成邊界(3)，邊界(3)由多個直線段bn組成，每個直線段的長度Ln各不相同，直線段bn呈現(xiàn)非對稱分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高功率光纖激光器的雙包層光纖，其特征在于內(nèi)包層(2)本體上的邊界(3)在環(huán)狀區(qū)域(6)內(nèi)變化，邊界(3)由n段圓弧αn首尾連接組成，圓弧an與外圓(5)內(nèi)切且圓弧an的兩端點位于內(nèi)圓(7)上，環(huán)狀區(qū)域(6)的外圓(5)半徑為R1，環(huán)狀區(qū)域(6)的內(nèi)圓(7)半徑為R2，環(huán)狀區(qū)域(6)內(nèi)的圓弧αn的半徑R3n由圓弧αn的兩端點與纖芯(1)的中心點所構(gòu)成的夾角θn(n＝1，2，......n，n＞3)所決定，邊界(3)的第一段圓弧α1的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角為θ1，第二段圓弧α2的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角為θ2，第n段圓弧an的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角為θn，且θ1≠θ2≠…≠θn或有相同的夾角θn按非對稱分布，且θ1+θ2+…+θn＝2π，第n個圓弧an的半徑為R3n，由圓弧an的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角θn得出R3n=R12sin2(θn/2)+[R1-R2cos(θ,n/2)]22[R1-R2cos(θn/2)],]]>既n段圓弧αn與中心點構(gòu)成的夾角θn不完全相同，R3n不完全相同，使圓弧αn呈現(xiàn)非對稱分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高功率光纖激光器的雙包層光纖，其特征在于內(nèi)包層(2)本體的邊界(3)在環(huán)狀區(qū)域(6)內(nèi)變化，邊界(3)由n段圓弧αn首尾連接組成，圓弧an與內(nèi)圓(7)外切且圓弧an的兩端點位于外圓(5)上，環(huán)狀區(qū)域(6)的外圓(5)半徑為R1，環(huán)狀區(qū)域(6)的內(nèi)圓(7)半徑為R2，圓弧αn由圓弧αn的兩端點與纖芯(1)的中心點所構(gòu)成的夾角θn(n＝1，2，......n，n＞3)所決定，邊界(3)的第一段圓弧α1的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角為θ1，第二段圓弧α2的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角為θ2，第n段圓弧an的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角為θn，且θ1≠θ2≠…≠θn或有相同的夾角θn按非對稱分布，且θ1+θ2+…+θn＝2π，第n個圓弧an的半徑為R3n，由圓弧an的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角θn得出R3n=R12+R22-2R1R2cos(θn/2)2[R1cos(θn/2)-R2],]]>既n段圓弧αn與中心點構(gòu)成的夾角θn不完全相同，R3n也不完全相同，使圓弧αn呈現(xiàn)非對稱分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于高功率光纖激光器的雙包層光纖，其特征在于內(nèi)包層(2)本體的邊界(3)由n段直線段bn組成，n段直線段bn均為外圓(5)的內(nèi)切弦，外圓(5)的半徑為R1，邊界(3)的第一段直線段b1的兩端點與纖芯(1)的中心點構(gòu)成的夾角為θ1，第二段直線段b2的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角為θ2，第n段直線段bn的兩端點與的中心點構(gòu)成的夾角為θn，且θ1≠θ2≠…≠θn或有相同的夾角θn按非對稱分布，且θ1+θ2+…+θn＝2π，第n個直線段bn的長度為Ln，由直線段bn的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角θn得出Ln＝2·R1·sin(θn/2)，n段直線段bn的兩端點與中心點構(gòu)成的夾角θn不完全相同，Ln也不完全相同，使直線段bn呈現(xiàn)非對稱分布。
專利摘要本實用新型涉及高功率光纖激光器用雙包層光纖，包括纖芯1、內(nèi)包層2、邊界3、外包層4，在內(nèi)包層2上形成邊界3并由多個圓弧a
文檔編號H01S3/00GK2700897SQ03252039
公開日2005年5月18日 申請日期2003年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月14日
發(fā)明者潘玉寨, 寧永強, 劉云, 王立軍 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所