CN102183813B - 带有聚光层的光纤结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了带有聚光层的光纤结构，涉及光纤放大器和光纤激光器领域。该光纤结构包括纤芯(1)、包层(2)和聚光层(3)。所述的聚光层(3)的截面是以光纤的包层外圆的内接正N边形或包层(2)内与光纤同心正N边形的边长为长轴的椭圆或椭圆的一半；N为4～8的整数。纤芯(1)的折射率范围为1.4～1.8，包层(2)的折射率范围为1.3～1.7，聚光层(3)的折射率范围为1.5～1.9。所述的纤芯(1)的直径为5μm～8μm，光纤外半径为62.5μm～100μm。解决了大功率光纤激光器和放大器中光纤侧面泵浦的点接入方法存在的机械加工带来的机械损伤问题和高光功率密度带来的光损伤问题。

Description

带有聚光层的光纤结构

技术领域

本发明涉及带有聚光层的光纤结构。特别应用于侧面泵浦的光纤激光器和放大器领域。

背景技术

目前无论光纤激光器还是光纤放大器多数采用端面泵浦的方式，这主要取决于光纤的结构因素。首先，光纤的光信号束缚能力很强，侧面泵浦的耦合效率难以有效提高；其次，由于光纤熔接技术的成熟应用，使得端面泵浦可以大大提升激光的耦合效率。但端面泵浦方式的应用在某些领域也受到限制，例如，大功率的泵浦光从端面输入时极有可能对端面造成不可逆转的损伤，而当前光纤激光器侧面泵浦技术也多为点接入式，同样在接入点会面临光纤损伤的问题。

目前采用的光纤侧面泵浦技术如下：

多模光纤熔锥侧面泵浦耦合方式。多模光纤熔融拉锥定向耦合是将多根裸光纤和去掉外包层的双包层光纤缠绕在一起，在高温火焰中加热使之熔化，同时在光纤两端拉伸光纤，使光纤熔融区成为锥形过渡段，能够将泵浦光由多模光纤通过双包层光纤侧面导入内包层，从而实现定向侧面耦合泵浦。

这种方法实现的激光器，由于熔融拉锥的制作过程使得在泵浦光纤与多模有源光纤的耦合处光纤结构发生了变化，这对于激光功率及质量的提高不利。

V槽侧面泵浦耦合。该技术先将双包层光纤外包层去除一小段，然后在裸露的内包层刻蚀出一个V槽，槽的一个斜面用作反射面，也可将两个面都用于反射。泵浦光由半导体激光器经微透镜耦合，使泵浦光在V槽的侧面汇聚，经过侧面反射后改变方向进入双包层光纤内包层，从而沿着光纤的轴向传输。为了提高耦合效率，该方法要求V型反射槽对泵光全反射。

这种泵浦方式制得的光纤激光器，V型槽对光纤的创伤使得光纤的机械强度大大下降，而且由于对V型槽的制作工艺要求过高，都不利于高功率激光器的普及和应用。

嵌入反射镜式泵浦耦合。与V型槽方法类似，嵌入反射镜式泵浦耦合也需要在光纤侧面开槽，其实这是V型槽的改进方法。

这种方法实现的光纤激光器和V槽侧面耦合泵浦技术一样，嵌入反射镜式泵浦耦合技术对于内包层内泵浦光的传输也有较大损耗，同样不利于多点耦合注入泵浦功率的扩展，而且机械强度同样大大下降。

角度磨抛侧面泵浦耦合。其基本原理是在双包层光纤去一小段，剥去涂敷层和外包层，将内包层沿纵向进行磨抛，得到小段用以耦合泵浦光的平面。然后将端面按一定角度磨抛好的泵浦光纤的纤芯相对该平面紧密贴和并固定好两纤的相对位置。泵浦光即可由泵浦光纤侧面耦合进入双包层光纤的内包层。

这种方法实现的光纤激光器与光纤角度磨抛侧面耦合泵浦技术相类似的是微棱镜来进行侧面耦合，但是微棱镜宽度不能大于内包层的直径，因此给微棱镜的加工带来了技术上的困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

光纤激光器和放大器的侧面泵浦技术对工艺要求过于复杂且对光纤有机械损伤，使得光纤的机械强度大大降低；耦合点处的光功率密度过高，极易引起光纤损伤。

本发明的技术方案：

带有聚光层的光纤结构，该光纤结构包括纤芯、包层和聚光层。

所述的聚光层的截面是以光纤的包层外圆的内接正N边形或包层内与光纤同心正N边形的边长为长轴的椭圆或椭圆的一半；N为4～8的整数。

所述的纤芯的折射率为1.4～1.8，包层的折射率为1.3～1.7，聚光层的折射率为1.5～1.9。

所述的纤芯的直径为5μm～8μm，光纤外半径为62.5μm～100μm。

所述的聚光层设在包层一半的截面内，包层的另一半的外部镀全反镜。

所述光纤基质材料为塑料、纯硅或石英。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果：

目前已有光纤激光器和放大器的侧面泵浦技术操作过于复杂，且对光纤有机械损伤，采用带有聚光层的光纤结构无需对拉制好的光纤做任何额外的机械加工，在简化工艺的同时也使光纤的机械强度不受影响。其中的聚光层的折射率高于周围包层折射率，形成凸透镜的结构，能够将光纤侧面接收到的光聚焦于纤芯，使得光能量更加集中，有利于增大光纤激光器或放大器的耦合效率和输出功率。

附图说明

图1为N＝4的聚光层的截面为椭圆的带有聚光层的光纤结构。

图2为N＝4的聚光层的截面为半椭圆的带有聚光层的光纤结构。

图3为N＝6的聚光层的截面为半椭圆的带有聚光层的光纤结构。

图4为在包层内部N＝8的聚光层的截面为椭圆的带有聚光层的光纤结构。

图5为聚光层设在包层一半的截面内包层的另一半的外部镀全反镜的带有聚光层的光纤结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施方式一

带有聚光层的光纤结构，如图1，该光纤结构包括纤芯1、包层2和聚光层3。

所述的聚光层3的截面是以光纤的包层外圆的内接正四边形的边长为长轴的椭圆。

所述的纤芯1的折射率为1.4，包层2的折射率为1.3，聚光层3的折射率为1.5。

所述的纤芯1的直径为5μm，光纤外半径为62.5μm。

所述光纤基质材料为石英。

实施方式二

带有聚光层的光纤结构，如图2，该光纤结构包括纤芯1、包层2和聚光层3。

所述的聚光层3的截面是以光纤的包层外圆的内接正四边形的边长为长轴的椭圆的一半。

所述的纤芯1的折射率为1.8，包层2的折射率为1.7，聚光层3的折射率为1.9。

所述的纤芯1的直径为8μm，光纤外半径为100μm。

所述光纤基质材料为塑料。

实施方式三

带有聚光层的光纤结构，如图3，该光纤结构包括纤芯1、包层2和聚光层3。

所述的聚光层3的截面是以光纤的包层外圆的内接正六边形的边长为长轴的椭圆的一半。

所述的纤芯1的折射率为1.6，包层2的折射率为1.5，聚光层3的折射率为1.7。

所述的纤芯1的直径为7μm，光纤外半径为80μm。

所述光纤基质材料为纯硅。

实施方式四

带有聚光层的光纤结构，如图4，该光纤结构包括纤芯1、包层2和聚光层3。

所述的聚光层3的截面是在包层2内与光纤同心正八边形的边长为长轴的椭圆。

所述的纤芯1的折射率为1.6，包层2的折射率为1.5，聚光层3的折射率为1.7。

所述的纤芯1的直径为5μm，光纤外半径为90μm。

所述光纤基质材料为石英。

实施方式五

带有聚光层的光纤结构，该光纤结构包括纤芯1、包层2和聚光层3。

所述的聚光层3的截面是以光纤的包层外圆的内接正六边形的相邻的三个边长为长轴的椭圆，在光纤的另一半的外部镀全反镜4。

所述的纤芯1的折射率为1.7，包层2的折射率为1.6，聚光层3的折射率为1.8。

所述的纤芯1的直径为6μm，光纤外半径为70μm。

所述的聚光层3设在包层2一半的截面内，包层2的另一半外部镀全反镜4。

所述光纤基质材料为塑料。

Claims (4)

1.带有聚光层的光纤结构，其特征在于：该光纤结构包括纤芯(1)、包层(2)和聚光层(3)；

所述的聚光层(3)的截面是以光纤的包层外圆以及由光纤的包层外圆的内接正N边形围成的或包层(2)内与光纤同心正N边形的边长为长轴的椭圆；N为4～8的整数；

所述的纤芯(1)的折射率为1.6，包层(2)的折射率为1.5，聚光层(3)的折射率为1.7；或

所述的纤芯(1)的折射率为1.4，包层(2)的折射率为1.3，聚光层(3)的折射率为1.5；或

所述的纤芯(1)的折射率为1.8，包层(2)的折射率为1.7，聚光层(3)的折射率为1.9；或

所述的纤芯(1)的折射率为1.7，包层(2)的折射率为1.6，聚光层(3)的折射率为1.8。

2.根据权利要求1所述的带有聚光层的光纤结构，其特征在于：

所述的纤芯(1)的直径为5μm～8μm，光纤外半径为62.5μm～100μm。

3.根据权利要求1所述的带有聚光层的光纤结构，其特征在于：

所述的聚光层(3)设在包层(2)一半的截面内，包层(2)的另一半的外部镀全反镜(4)。

4.根据权利要求1所述的带有聚光层的光纤结构，其特征在于：

所述光纤的基质材料为塑料、纯硅或石英。

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