同时抑制模式不稳定和非线性效应的高功率增益光纤及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种同时抑制模式不稳定和非线性效应的高功率增益光纤，所述光纤为双包层，由内到外依次包括纤芯和内包层，所述纤芯中掺鐿或其他稀土离子作为增益介质，所述内包层为石英包层，纤芯直径取值为15‑100μm；纤芯数值孔径NA取值为0.01‑0.1；内包层横截面为正八边形；内包层直径取值为300‑1200μm；包层泵浦吸收系数@915nm处为0.2‑1.0dB/m；光纤弯曲盘绕，弯曲半径在2.5‑80cm之间。本发明专利技术通过将光纤中对非线性效应和模式不稳定效应阈值有影响的参数带入理论模型进行计算，结合现有工艺水平和实验条件，选择能满足高功率光纤激光器需求，同时抑制非线性效应和模式不稳定效应的增益的光纤参数和弯曲半径，实现同时改变模式不稳定和非线性效应阈值，从而提高光纤的最大输出功率。

【技术实现步骤摘要】
同时抑制模式不稳定和非线性效应的高功率增益光纤及设计方法
本专利技术属于光纤激光
，具体涉及同时抑制模式不稳定和非线性效应的高功率增益光纤及设计方法。
技术介绍
高功率激光在工业制造、远程探测、通信传输、军事装备等许多领域有着无可替代的作用。高功率光纤激光器结合了光纤和高功率激光器的优点，具有体积小、功率高、光束质量好等优点，目前已经实现单纤2kW级近衍射极限输出。光纤激光器中增益介质利用掺有稀土离子的光纤实现激光增益输出，目前应用最广泛的是掺Nd(钕)的石英光纤，具有工艺成熟、性能稳定的优点。随着光纤材料的不断发展，掺鐿光纤由于其更低的量子亏损，更高的掺杂浓度吸引了人们的注意，经过多年研究，已经研制成功，大大提升了光纤激光器的输出功率，拓展了激光应用的范围。随着光纤激光器不断向更高功率发展，非线性效应和模式不稳定效应成为限制激光输出功率提升的两个越来越重要的因素。为了降低光纤中的非线性效应，需要增大光纤的芯径，但光纤芯径变大会导致抑制光纤的模式不稳定效果差；反之，减小光纤纤芯可以抑制模式不稳定效应，但会增强非线性效应。因此，结合高功率光纤激光器发展的功率要求，在现有光纤激光器整体工业设计框架下，对增益光纤开展新的设计研究，为高功率光纤激光器进一步发展奠定基础。利用光纤理论仿真研究限制激光输出功率提升的因素已经有一定的理论基础。2018年，Zervas等人发表文献“Powerscalinglimitsinhighpowerfiberamplifiersduetotransversemodeinstability,thermallensing,andfibermechanicalreliability”(Proc.SPIE10512)，在考虑非线性效应、模式不稳定效应等限制因素条件下，计算光纤最高输出功率的模型，但该模型中计算模式不稳定效应阈值太过粗糙，精确度太低，且不能反映数值孔径变化对模式不稳定阈值的影响。2015年，国防科技大学陶汝茂在博士毕业论文中建立了详细的模型分析光纤参数对模式不稳定阈值影响。但没有考虑弯曲损耗带来的影响，而且没有联系非线性效应以计算光纤输出最高功率值。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术主要参考了以上两篇文献中设计高功率增益光纤理论模型和公式，结合实验数据，提出了同时抑制模式不稳定和非线性效应的高功率增益光纤设计方法，并设计出了同时抑制模式不稳定和非线性效应的高功率增益光纤。具体优化了光纤的纤芯数值孔径NA、纤芯直径、内包层直径、包层泵浦吸收系数、盘绕弯曲半径，达到平衡光纤中高功率激光输出时受激布里渊效应和模式不稳定效应的目的，提高了光纤的最高输出功率。本专利技术的一种同时抑制模式不稳定和非线性效应的高功率增益光纤，所述光纤为双包层，由内到外依次包括纤芯和内包层，所述纤芯中掺鐿或其他稀土离子作为增益介质，所述内包层为石英包层，所述纤芯直径取值为15-100μm；所述纤芯数值孔径NA取值为0.01-0.1；所述内包层横截面为正八边形或梅花形，D型，六边型其它非圆形；所述内包层直径取值为300-1200μm；所述包层泵浦吸收系数@915nm处为0.2-1.0dB/m；所述光纤弯曲盘绕，弯曲半径在2.5-80cm之间。进一步地，所述纤芯直径取值为35-80μm。进一步地，所述纤芯数值孔径NA取值为0.03-0.07。进一步地，所述内包层直径取值为500-1000μm。进一步地，所述包层泵浦吸收系数@915nm处为0.4-0.8dB/m。进一步地，所述光纤弯曲盘绕，弯曲半径在17.5-65cm之间。本专利技术的一种同时抑制模式不稳定和非线性效应的高功率增益光纤的设计方法，包括以下步骤：S1、建立增益光纤的非线性效应阈值计算模型和光纤中信号光的不同模式激光增益计算模型；S2、根据实验经验，设定多项光纤参数的变化范围，包括数值孔径NA、纤芯直径、包层直径、吸收系数、光纤长度；S3、把光纤参数带入非线性效应计算模型，计算此时的非线性效应阈值范围，选择符合高功率要求的光纤参数组；S4、再把上述光纤参数组带入光纤中模式增益计算模型，计算此光纤参数组在变化的弯曲半径下的信号光输出功率和此时高阶模占比，选择合适的弯曲损耗范围内对应的弯曲半径范围，选择没有发生模式不稳定效应时，此弯曲半径范围内最高输出信号光功率作为此光纤的理论最高输出功率即该参数光纤的模式不稳定效应阈值；S5、根据步骤S4计算出的模式不稳定效应阈值，与步骤S3计算出的非线性效应阈值进行比较，取较小值作为光纤最高输出功率的设计值，保证光纤的模式不稳定效应阈值与非线性效应阈值都不小于光纤最高输出功率。具体地，所述步骤S3中，非线性效应阈值计算公式具体如下：式中Γ为信号光重叠因子，其中，V是归一化工作频率，U是归一化横向相位参数、W是归一化横向衰减参数、计算公式为V2＝W2+U2,V＝kRNA，k是波数，R是纤芯半径，NA是光纤的数值孔径,这里m＝0；J0(U)、代表变量为U、的第一类0阶贝塞尔函数，Km-1(W)，Km+1(W)代表变量为W的第二类m-1、m+1阶贝塞尔函数。gB(Δv)是SBS增益系数，石英光纤中一般取5*10-11；G是光纤的激光增益；R是光纤的纤芯半径；L是光纤长度；A是实验拟合系数，该系数由实验测量多组非线性效应阈值带入(1)式计算得到多组A(n)值，取平均值得到；从上式中可以看出，改变光纤的纤芯半径R、长度L可以明显改变非线性效应的阈值。具体地，所述步骤S4中，光纤中存在基模和高阶模两种模式，不同模式增益放大情况不同，输出端信号光中基模、高阶模功率计算公式具体如下：其中，P1(0)是入射信号光功率；Γ2是高阶模重叠因子，由(2)式取m＝1时计算；g(z)是激光沿光纤轴向传播距离为z时的增益系数；是对应信号光的吸收、发射截面，nu是上能级粒子数比例，由泵浦光功率决定；NYb是光纤的稀土离子掺杂浓度成正比，G是总泵浦吸收，总泵浦吸收一般是定值，与光纤长度L成反比；χ是模式耦合系数，与包层半径相关；P1(L)、P2(L)是z＝L时，即输出端信号光中基模、高阶模功率；ξ是高阶模占信号光总比，把ξ＝0.05时的信号光功率P1(L)作为此时模式不稳定阈值，因此，模式不稳定阈值与纤芯尺寸、包层尺寸、光纤长度、数值孔径参数有关，除此外，光纤弯曲导致光纤内不同模式信号光损耗不同也能显著提升模式不稳定阈值。光纤弯曲(coil)导致不同模式产生的损耗系数计算公式如下：β是传播常数；Km-1(W)，Km+1(W)代表变量为W的第二类m-1、m+1阶贝塞尔函数，基模m＝0，高阶模m＝1；J0(U)、代表变量为U、的第一类0阶贝塞尔函数，K0(U)、代表变量为U、的第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同时抑制模式不稳定和非线性效应的高功率增益光纤，所述光纤为双包层，由内到外依次包括纤芯和内包层，所述纤芯中掺鐿或其他稀土离子作为增益介质，所述内包层为石英包层，其特征在于/n所述纤芯直径取值为15-100μm；/n所述纤芯数值孔径NA取值为0.01-0.1；/n所述内包层横截面为正八边形或梅花形，D型，六边型其它非圆形；/n所述内包层直径取值为300-1200μm；/n所述包层泵浦吸收系数@915nm处为0.2-1.0dB/m；/n所述光纤弯曲盘绕，弯曲半径在2.5-80cm之间。/n

【技术特征摘要】
1.一种同时抑制模式不稳定和非线性效应的高功率增益光纤，所述光纤为双包层，由内到外依次包括纤芯和内包层，所述纤芯中掺鐿或其他稀土离子作为增益介质，所述内包层为石英包层，其特征在于
所述纤芯直径取值为15-100μm；
所述纤芯数值孔径NA取值为0.01-0.1；
所述内包层横截面为正八边形或梅花形，D型，六边型其它非圆形；
所述内包层直径取值为300-1200μm；
所述包层泵浦吸收系数@915nm处为0.2-1.0dB/m；
所述光纤弯曲盘绕，弯曲半径在2.5-80cm之间。


2.根据权利要求1所述的高功率增益光纤，其特征在于所述纤芯直径取值为35-80μm。


3.根据权利要求2所述的高功率增益光纤，其特征在于所述纤芯数值孔径NA取值为0.03-0.07。


4.根据权利要求3所述的高功率增益光纤，其特征在于所述内包层直径取值为500-1000μm。


5.根据权利要求4所述的高功率增益光纤，其特征在于所述包层泵浦吸收系数@915nm处为0.4-0.8dB/m。


6.根据权利要求5所述的高功率增益光纤，其特征在于所述光纤弯曲盘绕，弯曲半径在17.5-65cm之间。


7.根据权利要求1-6所述的高功率增益光纤的设计方法，包括以下步骤：
S1、建立增益光纤的非线性效应阈值计算模型和光纤中信号光的不同模式激光增益计算模型；
S2、根据实验经验，设定多项光纤参数的变化范围，包括数值孔径NA、纤芯直径、包层直径、吸收系数、光纤长度；
S3、把光纤参数带入非线性效应计算模型，计算此时的非线性效应阈值范围，选择符合高功率要求的光纤参数组；
S4、再把上述光纤参数组带入光纤中模式增益计算模型，计算此光纤参数组在变化的弯曲半径下的信号光输出功率和此时高阶模占比，选择合适的弯曲损耗范围内对应的弯曲半径范围，选择没有发生模式不稳定效应时，此弯曲半径范围内最高输出信号光功率作为此光纤的理论最高输出功率即该参数光纤的模式不稳定效应阈值；
S5、根据步骤S4计算出的模式不稳定效应阈值，与步骤S3计算出的非线性效应阈值进行比较，取较小值作为光纤最高输出功率的设计值，保证光纤的模式不稳定效应阈值与非线性效应阈值都不小于光纤最高输出功率。


8.根据权利要求7所述的高功率增益光纤的设计方法，其特征在于所述步骤S3中，非线性效应阈值计算公式具体如下：






式中Γ为信号光重叠因子，其中，V是归一化工作频率，U是归一化横向相位参数、W是归一化横向衰减参数、计算公式为V2＝W2+U2,V＝kRNA，k是波数，R是纤芯半径，NA是光纤的数值孔径,这里m＝0；J0(U)、代表变量为U、的第一类0阶贝塞尔函数，Km-1(W)，Km+1(W)代表变量为W的第二类m-1、m+1阶贝塞尔函数。
gB(Δv)是SBS增益系数，石英光纤中一般取5*10-11；
G是光纤的激光增益；
R是光纤的纤芯半径；
L是光纤长度；
A是实验拟合系数，该系数由实验测量多组非线性效应阈值带入(1)式计算得到多组A(n)值，取平均值得到；从上式中可以看出，改变光纤的纤芯半径R、长度L...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈诗静，杨雨，武春风，李强，姜永亮，吕亮，刘厚康，胡金萌，宋祥，雷敏，
申请(专利权)人：武汉光谷航天三江激光产业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42