提高大模场掺杂增益光纤模式不稳定抑制能力的方法及大模场掺杂增益光纤

本发明主要涉及到光纤设计，尤其是一种提高大模场掺杂增益光纤模式不稳定抑制能力的方法及大模场掺杂增益光纤。

背景技术：

1、高功率光纤激光以其突出优势在工业加工、地球科学和军事国防等领域得到了广泛的应用。多种非线性效应，如受激拉曼散射效应和受激布里渊散射效应等，是制约光纤激光功率提升的关键因素。大模场光纤的应用，有效增大了光纤中的基模模场面积，进而有效提高了高功率光纤激光非线性效应阈值功率。然而，大模场光纤中支持高阶模式传输，这会引入一种严重的光束质量退化现象——模式不稳定效应。模式不稳定效应的特征是在热效应或非线性效应的作用下，基模与高阶模之间发生静态或动态的能量转换，这种效应已成为限制光纤激光亮度提升的主要因素。

2、为了抑制模式不稳定效应，进而提升高功率光纤激光性能，需要进一步优化大模场掺杂增益光纤设计。大模场掺杂增益光纤中抑制模式不稳定效应需要降低高阶模式的增益或增大高阶模式的损耗，具体的手段包括：纤芯折射率或增益掺杂剂分布的调控和新型光纤结构的设计等方法。对前两种方法而言，现有工艺难以实现在降低纤芯折射率或优化增益掺杂剂分布的同时保持增益掺杂剂的浓度，这种情况下，增益光纤吸收系数的降低会减弱大模场带来的非线性效应抑制能力。对第三种方法而言，新型光纤结构复杂，制作难度大，难以批量生产，并且与其匹配的光纤器件通常需要定制，这限制了新型结构大模场掺杂增益光纤的实际应用。

3、因此，在不影响大模场掺杂增益光纤非线性效应抑制能力的基础上，进一步提高大模场掺杂增益光纤的模式不稳定抑制能力，对提升高功率光纤激光的性能和拓展高功率光纤激光的应用具有重要的现实意义。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的技术问题，本发明提出一种提高大模场掺杂增益光纤模式不稳定抑制能力的方法及大模场掺杂增益光纤。本发明能够在不需要改变大模场掺杂增益光纤的纤芯折射率和纤芯增益掺杂剂分布情况下，能够设计出具有良好的模式不稳定抑制能力的大模场掺杂增益光纤。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一方面，本发明提供一种提高大模场掺杂增益光纤模式不稳定抑制能力的方法，所述大模场掺杂增益光纤包括纤芯和由内之外包覆在纤芯外的第一包层、第二包层......第n包层，n大于等于2；所述第一包层的折射率低于所述纤芯的折射率；

4、在纤芯的折射率和纤芯中增益掺杂剂分布情况一定的情况下，通过将第一包层的折射率分布设计为沿着光纤径向向外均匀降低，所述第二包层的折射率低于所述第一包层的最小折射率；所述第n包层的折射率低于第n-1包层的折射率，如此能够有效增大大模场掺杂增益光纤中高阶模式的损耗，提高大模场掺杂增益光纤模式不稳定抑制能力。

5、另一方面，本发明提供一种大模场掺杂增益光纤，包括纤芯和由内之外包覆在纤芯外的第一包层、第二包层......第n包层，n大于等于2；所述第一包层的折射率低于所述纤芯的折射率；所述第一包层的折射率分布为沿着光纤径向向外均匀降低，所述第二包层的折射率低于所述第一包层的最小折射率；所述第n包层的折射率低于第n-1包层的折射率。

6、进一步地，本发明所述第一包层的折射率和所述纤芯的折射率之差大于0.001。

7、进一步地，本发明所述第二包层的折射率和所述第一包层的最大折射率之差大于0.0001。

8、进一步地，本发明所述n等于3，第三包层的折射率和所述第二包层的折射率之差大于0.05。

9、进一步地，本发明所述纤芯的直径为18微米至30微米；所述第一包层的直径为20微米至100微米。

10、进一步地，本发明所述大模场掺杂增益光纤的光纤折射率分布呈轴对称。

11、进一步地，本发明所述纤芯中的增益掺杂剂不限，可以是镱、铒、钕、钬、铥、锗、磷中的一种或多种。

12、另一方面，本发明提供一种光纤激光器，其包括上述任一种大模场掺杂增益光纤。

13、本发明的有益效果在于：

14、1、本发明能够在保持基模传输和放大特性的同时，有效增加高阶模式的损耗，进而获得良好的模式不稳定抑制能力。

15、2、本发明具备通用性，与优化纤芯折射率或增益掺杂剂分布以抑制模式不稳定效应的技术相兼容，能在已有技术的基础上进一步提升大模场掺杂增益光纤的模式不稳定抑制能力。

16、3、本发明的光纤折射率分布呈轴对称，能够直接利用成熟的光纤拉制工艺实现批量生产。

技术特征：

1.提高大模场掺杂增益光纤模式不稳定抑制能力的方法，其特征在于，所述大模场掺杂增益光纤包括纤芯和由内之外包覆在纤芯外的第一包层、第二包层......第n包层，n大于等于2；所述第一包层的折射率低于所述纤芯的折射率；

2.根据权利要求1所述的提高大模场掺杂增益光纤模式不稳定抑制能力的方法，其特征在于，所述第一包层的折射率和所述纤芯的折射率之差大于0.001。

3.根据权利要求1所述的提高大模场掺杂增益光纤模式不稳定抑制能力的方法，其特征在于，所述第二包层的折射率和所述第一包层的最大折射率之差大于0.0001。

4.根据权利要求1或2或3所述的提高大模场掺杂增益光纤模式不稳定抑制能力的方法，其特征在于，所述n等于3，第三包层的折射率和所述第二包层的折射率之差大于0.05。

5.大模场掺杂增益光纤，其特征在于，包括纤芯和由内之外包覆在纤芯外的第一包层、第二包层......第n包层，n大于等于2；所述第一包层的折射率低于所述纤芯的折射率；所述第一包层的折射率分布为沿着光纤径向向外均匀降低，所述第二包层的折射率低于所述第一包层的最小折射率；所述第n包层的折射率低于第n-1包层的折射率。

6.根据权利要求5所述的大模场掺杂增益光纤，其特征在于，所述第一包层的折射率和所述纤芯的折射率之差大于0.001。

7.根据权利要求5所述的大模场掺杂增益光纤，其特征在于，所述第二包层的折射率和所述第一包层的最大折射率之差大于0.0001。

8.根据权利要求5或6或7所述的大模场掺杂增益光纤，其特征在于，所述n等于3，第三包层的折射率和所述第二包层的折射率之差大于0.05。

9.根据权利要求8所述的大模场掺杂增益光纤，其特征在于，所述纤芯的直径为18微米至30微米；所述第一包层的直径为20微米至100微米。

10.根据权利要求5或6或7或9所述的大模场掺杂增益光纤，其特征在于，所述增益掺杂剂是镱、铒、钕、钬、铥、锗、磷中的一种或多种。

11.根据权利要求10所述的大模场掺杂增益光纤，其特征在于，所述大模场掺杂增益光纤的光纤折射率分布呈轴对称。

12.一种光纤激光器，其特征在于，其包括如权利要求5或6或7或9或10所述的大模场掺杂增益光纤。

技术总结一种提高大模场掺杂增益光纤模式不稳定抑制能力的方法及大模场掺杂增益光纤，包括纤芯和由内之外包覆在纤芯外的第一包层、第二包层......第n包层，第一包层的折射率低于所述纤芯的折射率，在纤芯的折射率和纤芯中增益掺杂剂分布情况一定的情况下，通过将第一包层的折射率分布设计为沿着光纤径向向外均匀降低，第二包层的折射率低于第一包层的最小折射率；第n包层的折射率低于第n‑1包层的折射率，如此能够有效增大大模场掺杂增益光纤中高阶模式的损耗，提高大模场掺杂增益光纤模式不稳定抑制能力。在纤芯的折射率和纤芯中增益掺杂剂分布情况一定的情况下，本发明能够设计出具有更好的模式不稳定抑制能力的大模场掺杂增益光纤。技术研发人员：马鹏飞,刘伟,陈金宝,王泽锋,潘志勇,肖虎,陈子伦,王蒙,杨保来,杨欢,陈益沙受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29