雙包層光纖
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2022-10-22 08:58
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為了克服常規(guī)單模單包層摻鐿(Yb3+)光纖對(duì)轉(zhuǎn)化效率和輸出功率的限制，莫勒(R.Maurer)在1974年首先提出了雙包層光纖的概念[2]。此后直到1988年斯尼澤(E.Snitzer)等人提出了包層泵浦技術(shù)[3]，高功率摻鐿光纖激光器/放大器才得以快速發(fā)展。
雙包層光纖是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的光纖，比常規(guī)光纖增加了一個(gè)內(nèi)包層，由涂覆層、內(nèi)包層、外包層、摻雜纖芯所構(gòu)成。包層泵浦技術(shù)以雙包層光纖為基礎(chǔ)，其核心在于讓多模泵浦光在內(nèi)包層中傳輸，激光在纖芯中傳輸，使得泵浦轉(zhuǎn)換效率和光纖激光的輸出功率都能得到較大的提高。雙包層光纖的結(jié)構(gòu)、內(nèi)包層的形狀、泵浦光耦合方式等是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵所在。
雙包層光纖的纖芯由摻稀土元素的二氧化硅(SiO2)構(gòu)成，在光纖激光器中既是激光介質(zhì)又是激光信號(hào)的傳輸通道，對(duì)應(yīng)工作波長(zhǎng)一般通過(guò)設(shè)計(jì)其數(shù)值孔徑和芯徑直徑減小其V參數(shù)，以保證輸出激光是基橫模。內(nèi)包層橫向尺寸(常規(guī)纖芯直徑的數(shù)十倍)和數(shù)值孔徑比纖芯大得多，折射率比纖芯小，可限制激光完全在纖芯內(nèi)傳播。這樣在纖芯和外包層之間形成了一個(gè)大截面、大數(shù)值孔徑的光波導(dǎo)，它可以允許大數(shù)值孔徑、大截面和多模的高功率泵浦光耦合到光纖中，并被限制在內(nèi)包層以內(nèi)傳輸，不擴(kuò)散，有利于保持高功率密度光泵浦。外包層是由折射率比內(nèi)包層小的聚合物材料構(gòu)成;最外層是由有機(jī)材料構(gòu)成的保護(hù)層。雙包層光纖對(duì)泵浦光的耦合面積由內(nèi)包層尺寸決定，而不像傳統(tǒng)單模光纖僅由纖芯決定。這樣雙包層光纖構(gòu)成了一種雙層的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，一方面提高了人纖激光的功率耦合效率，使泵浦光在內(nèi)包層內(nèi)傳導(dǎo)時(shí)，多次穿越纖芯激發(fā)摻雜離子發(fā)射激光;另一方面輸出光束質(zhì)量由纖芯性質(zhì)決定，內(nèi)包層的引入沒(méi)有破壞光纖激光器輸出的光束質(zhì)量。
最初，雙包層光纖的內(nèi)包層結(jié)構(gòu)是圓柱對(duì)稱的，它的制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，也易于與泵浦激光二極管(LD)的尾纖相耦合連接，但是其完美的對(duì)稱性導(dǎo)致內(nèi)包層中的泵浦光存在大量的螺旋光線，這些光線即使經(jīng)歷足夠多次的反射也永遠(yuǎn)不能到達(dá)纖芯區(qū)域，從而不可能被纖芯吸收，于是即使采用較長(zhǎng)的光纖仍然會(huì)有大量的漏光存在，使得轉(zhuǎn)換效率難以提高。為此，必須破壞內(nèi)包層的圓柱對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
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