一种用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤的制作方法
- 国知局
- 2024-06-21 12:13:10
本技术涉及光纤,具体涉及一种用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤。
背景技术:
1、2μm波段激光处于人眼安全波段范围内,在气体探测、空间通信等领域具有广泛的应用前景。掺铥光纤激光器是产生2μm波段激光的主要光源,而在2.1μm及以上波长激发的光纤激光,则主要来源与掺钬光纤激光器。然而,由于在掺钬光纤的主要吸收带1950nm波段缺乏高功率泵浦源,使得掺钬光纤激光器难以同掺镱与掺铥光纤激光器一样进行有效放大。
2、为解决上述问题,现有技术中通常采用以下两种方法对2.1μm光纤激光进行放大:方法一,采用掺铥与掺钬光纤放大器级联的串联激光系统,即,采用成熟的商业793nm多模激光二极管泵浦掺铥激光器产生高功率1950nm激光后泵浦掺钬激光器或激光放大器;方法二,采用铥钬共掺光纤,将铥离子和钬离子掺杂到同一纤芯中,通过793nm激光泵浦,纤芯中铥离子将吸收的能量转移到钬离子,实现钬离子能级布局反转从而产生2.1μm激光。方法一的串联激光系统可以提供更高的能量利用率,但系统冗杂,成本昂贵,掺铥光纤激光器或激光放大器与掺钬光纤激光器或放大器的系统适配度也会影响激光产生或放大的效率。方法二采用铥钬共掺光纤的方式,受限于在玻璃纤芯中铥离子和钬离子能量转移时的上转换效应,铥离子吸收的泵浦能量转移不充分,使得铥钬共掺光纤激光系统效率低。
3、目前,为了降低成本和简化系统,2.1μm光纤激光器和放大器均采用基于铥钬共掺光纤的方式,但效率极低。为了满足应用需求,具有高功率、窄线宽、单模输出等性能的2.1μm激光是更优选择。因此,为了获得更高功率,光纤放大器中的增益光纤常被设计成大模场面积有源光纤,而牺牲了单模特性。
4、因此,本实用新型设计了一种内芯单掺钬离子、外圆环掺铥离子的大芯径、同轴掺杂光纤,减少掺铥激光信号与掺钬芯的重叠量,增加钬芯对掺铥光信号的吸收,避免了共掺时的能量转移上转换,从而提高793nm多模泵浦光的净转换效率,提升功率。为了抑制放大过程中的模式突变,对纤芯截面离子掺杂浓度进行了高斯式分布设计,用于2.1μm激光的高效单模放大。
技术实现思路
1、实用新型目的:为了克服以上不足,本实用新型的目的是提供一种用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,设计合理,解决了2.1μm光纤激光功率不足、放大困难、转换效率的问题,在现有技术中的双包层大模场光纤纤芯-内包层-外包层的波导结构设计上,将光纤纤芯设计成内芯外圆环结构,并分别掺杂钬和铥离子,提高了泵浦光净转换效率,应用前景广泛。
2、技术方案:一种用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,包括:
3、掺钬纤芯内芯;
4、掺铥芯外圆环,所述掺铥芯外圆环紧密包覆在掺钬纤芯内芯外部,所述掺钬纤芯内芯与掺铥芯外圆环共同整合为光纤纤芯;
5、内包层,所述内包层紧密包覆在掺铥芯外圆环外部;
6、外包层,所述外包层紧密包覆在内包层外部;
7、涂覆层,所述涂覆层涂覆在外包层外表面。
8、本实用新型所述的用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,设计合理,采用掺钬纤芯内芯与掺铥芯外圆环共同整合为光纤纤芯,相比常规的共掺方式,采用铥、钬离子分区同轴掺杂的方式,可以提高793nm泵浦光的利用率从而提升2.1μm激光的净转换效率。
9、进一步的,上述的用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,所述掺钬纤芯内芯中钬离子掺杂浓度沿掺钬纤芯内芯的直径高斯分布。
10、所述掺钬纤芯内芯采用主发光离子-钬离子的掺杂采用浓度呈高斯形状的部分掺杂方式,有效抑制了激光放大过程中的模式突变,保证激光的单模放大。
11、进一步的,上述的用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,所述掺钬纤芯内芯的直径为10~20μm。
12、所述掺钬纤芯内芯的成分主体为sio2,并且掺杂有geo2、p2o5、al2o3和ho2o3,其中掺钬纤芯内芯中ho离子在掺钬纤芯内芯圆心处掺杂浓度最高,并沿掺钬纤芯内芯直径呈高斯分布,ho离子的最高浓度处质量分数为0.5~0.8 wt%,最低浓度处为0.2~0.4 wt%。
13、进一步的,上述的用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,所述掺铥芯外圆环的直径为30~60μm。
14、所述掺铥芯外圆环的成分主体为sio2,并且掺杂有geo2、p2o5、al2o3和tm2o3,其中掺铥芯外圆环中tm离子在掺铥芯外圆环内均匀分布,并且tm离子的掺杂浓度为质量分数0.5~2 wt%。
15、所述掺钬纤芯内芯和掺铥芯外圆环采用主发光离子-钬离子的掺杂采用浓度呈高斯形状的部分掺杂方式,有效抑制了激光放大过程中的模式突变,保证激光的单模放大。
16、进一步的,上述的用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,所述掺钬纤芯内芯和掺铥芯外圆环的折射率差为0.1%~0.3%。
17、进一步的,上述的用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,所述内包层为八角形,所述内包层的对角线长度为200~400μm;所述外包层为圆形。
18、所述内包层采用八角形内包层,其成分主体采用sio2,并且掺杂有b2o3、p2o5和al2o3。
19、优选的,所述外包层采用圆形外包层,并且材料选择低折射率聚合物,可以保证泵浦光在包层的传输。所述涂覆层的材料选择高硬度聚合物,可以对光纤起到保护作用。
20、进一步的,上述的用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,所述掺铥芯外圆环和内包层的折射率差为0.2%~5%。
21、进一步的,上述的用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,所述铥钬同轴掺杂光纤在793nm的包层吸收系数为2~4db/m。
22、本实用新型的有益效果为:
23、(1)本实用新型所述的用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,采用掺钬纤芯内芯与掺铥芯外圆环共同整合为光纤纤芯,相比常规的共掺方式,采用铥、钬离子分区同轴掺杂的方式,可以提高793nm泵浦光的利用率,从而提升2.1μm激光的净转换效率;掺钬纤芯内芯采用主发光离子-钬离子的掺杂采用浓度呈高斯形状的部分掺杂方式,有效抑制了激光放大过程中的模式突变,保证激光的单模放大;
24、(2)本实用新型所述的用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,克服了2.1μm光纤激光功率不足、放大困难、转换效率的问题,可以成为紧凑、高效的高功率、窄线宽、单模输出的2.1μm光纤激光放大器的优秀增益介质,应用于气体探测、空间通信等重要领域,应用前景广泛。
技术特征:1.一种用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,其特征在于,包括:
2.根据权利要求1所述的用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,其特征在于,所述掺钬纤芯内芯(1)中钬离子掺杂浓度沿掺钬纤芯内芯(1)的直径高斯分布。
3.根据权利要求1所述的用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,其特征在于,所述掺钬纤芯内芯(1)的直径为10~20μm。
4.根据权利要求1所述的用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,其特征在于,所述掺铥芯外圆环(2)的直径为30~60μm。
5.根据权利要求1所述的用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,其特征在于,所述掺钬纤芯内芯(1)和掺铥芯外圆环(2)的折射率差为0.1%~0.3%。
6.根据权利要求1所述的用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,其特征在于,所述内包层(3)为八角形,所述内包层(3)的对角线长度为200~400μm;所述外包层(4)为圆形。
7.根据权利要求1所述的用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,其特征在于,所述掺铥芯外圆环(2)和内包层(3)的折射率差为0.2%~5%。
8.根据权利要求1所述的用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,其特征在于,所述铥钬同轴掺杂光纤在793nm的包层吸收系数为2~4db/m。
技术总结一种用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,包括:掺钬纤芯内芯;掺铥芯外圆环,所述掺铥芯外圆环紧密包覆在掺钬纤芯内芯外部,所述掺钬纤芯内芯与掺铥芯外圆环共同整合为光纤纤芯;内包层,所述内包层紧密包覆在掺铥芯外圆环外部;外包层,所述外包层紧密包覆在内包层外部;涂覆层,所述涂覆层涂覆在外包层外部。本技术所述的用于2.1μm激光单模高效放大的铥钬同轴掺杂光纤,采用了铥、钬离子分区同轴掺杂的方式,而不是采用常规的共掺方式,这种设计可以避免纤芯共掺时能量转移上转换的影响,提高793nm泵浦光的利用率从而提升2.1μm激光的净转换效率,同时抑制激光放大过程中的模式突变,保证激光的单模放大。技术研发人员:周开国,周开军,崔宝林,段伟受保护的技术使用者:江苏朗普达光电科技有限公司技术研发日:20231119技术公布日:2024/5/27本文地址:https://www.jishuxx.com/zhuanli/20240618/26205.html
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