【技术实现步骤摘要】
本专利技术主要涉及到增益光纤优化设计，尤其是一种增益光纤折射率分布优化设计方法、增益光纤及应用。
技术介绍
1、高功率光纤激光器具有光束质量好、热管理高效、可柔性操作以及鲁棒性性能好等优势，在工业加工、国防军事和基础科研等领域得到了广泛的应用。目前高功率光纤激光系统的性能提升的核心受限因素主要包括非线性效应和模式不稳定效应。其中非线性效应，例如受激布里渊散射效应，受激拉曼散射效应会诱导产生不稳定的斯托克斯脉冲光，反向抽运激光功率，限制光纤激光系统的功率提升；而模式不稳定效应则会诱发基模与高阶模之间的动态能量耦合，限制光纤激光系统的亮度提升。
2、为了削弱增益光纤中的非线性效应和和模式不稳定效应，进一步提升激光器的输出功率，需要从非线性效应和模式不稳定效应的诱导原理出发，寻找综合抑制两种效应的方法。传统的增益光纤设计，均采用了单阶梯型的折射率分布，如图1所示中红色线表示的常规折射率分布。该方案的设计采用了均匀的高折射率纤芯和低折射率包层，构成折射率阶梯，以实现激光在纤芯中的全反射，进而完成激光的功率提升和传输。常规的折射率分布设计能够直接通过以下公式计算得到光纤纤芯的数值孔径（na）：
3、(1)
4、从而利用纤芯半径和数值孔径计算得到光纤所支持的模式数以及模场面积。其中和分别表示纤芯和包层的折射率。但是这种设计的缺点在于，当多个光纤的纤芯尺寸和na值相同时，光纤所支持的模式数以及模场面积都是相同的，即他们拥有相同的性能表现。然而，在实际的光纤性能测试中发现：拥有相同纤芯尺寸和na的增益光纤，其
技术实现思路
1、针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提出一种增益光纤折射率分布优化设计方法、增益光纤及应用。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、增益光纤折射率分布优化设计方法，包括以下步骤：
4、确定待优化的增益光纤及其纤芯平均折射率；
5、利用纤芯平均折射率计算增益光纤的纤芯平均na值；
6、根据增益光纤的纤芯平均na值，计算得到增益光纤的归一化频率值 v，根据纤芯尺寸的大小和归一化频率值 v确定增益光纤所支持的所有模式；
7、在纤芯尺寸保持不变、纤芯平均折射率保持不变、纤芯平均 na值保持不变的前提下，调整纤芯折射率分布，并利用有限元仿真计算方法，得到不同纤芯折射率分布下的纤芯中的光斑分布，并计算不同纤芯折射率分布下对应模式的模场面积；
8、确定在纤芯尺寸保持不变、纤芯平均折射率保持不变、纤芯平均na值保持不变的前提下，能增大纤芯中基模模场面积，同时保持高阶模式的模场面积不变的纤芯折射率分布，作为优化后的增益光纤的纤芯折射率分布。
9、进一步地，调整纤芯折射率分布的方式包括：
10、纤芯折射率分布始终保持以纤芯中心为中心的中心对称，纤芯中心即纤芯折射率分布中心，通过调整纤芯折射率分布中心的折射率大小，控制纤芯折射率分布的形态，表示纤芯折射率分布中心的折射率与纤芯平均折射率的差值，小于0时，纤芯折射率分布中心下凹，纤芯折射率分布呈中间低、两边高的形态；大于0时，纤芯折射率分布中心上凸，纤芯折射率分布呈中间高、两边低的形态；=0，即常规折射率分布，纤芯与包层形成常规的阶梯型折射率分布。
11、进一步地，控制纤芯折射率分布的形态过程中，纤芯折射率分布始终呈三角形或抛物线形折射率分布。
12、进一步地，当大于0，纤芯折射率分布中心上凸时，三角形或抛物线形折射率分布的基模模场面积都会随着的增大而不断减小；
13、当小于0，纤芯折射率分布中心下凹时，三角形或抛物线形折射率分布的基模模场面积都会随着的减小而不断增大，且三角形或抛物线形折射率分布的高阶模式的模场面积随的变化都非常小，整体高阶模式的模场面积变化率小于6%；
14、由此确定优化后的纤芯折射率分布为纤芯折射率分布中心下凹，呈中间低、两边高的三角形或抛物线形折射率分布。
15、进一步地，当小于0且相同的情况下，抛物线折射率分布相对于三角形折射率分布能够实现更大的基模面积提升；
16、相较于常规折射率分布，纤芯折射率分布呈三角形折射率分布的情况下，最大基模模场面积提升比例为44.6%；
17、相较于常规折射率分布，纤芯折射率分布呈抛物线折射率分布的情况下，最大基模模场面积提升比例为62.9%；
18、由此，确定优化后的纤芯折射率分布为纤芯折射率分布中心下凹，呈中间低、两边高的抛物线折射率分布。
19、进一步地，所述增益光纤的包层部分的平均折射率为1.4500。
20、进一步地，所述增益光纤为大模场掺杂增益光纤，所述纤芯中掺杂有增益掺杂离子。
21、进一步地，增益掺杂离子是镱、铒、钕、钬、铥、锗、磷中的一种或多种。
22、另一方面，提供一种增益光纤，基于上述增益光纤折射率分布优化设计方法实现其纤芯折射率分布的优化设计。
23、另一方面，上述增益光纤在激光系统中的应用。将上述优化设计到的增益光纤应用到激光系统中，增益光纤具有优化后的纤芯折射率分布，优化后的纤芯折射率分布为纤芯折射率分布中心下凹，呈中间低、两边高的抛物线折射率分布通，可以实现高阶模的数量及高阶模的模场面积几乎不变的前提下，显著提升基模的模场面积。
24、本专利技术的有益效果在于：
25、1、本专利技术能够在保持基模传输和放大特性的同时，有效增加基模的模场面积，进而获得良好的非线性效应抑制能力。
26、2、本专利技术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系数，进而获得良好的模式不稳定效应抑制能力。
27、3、本专利技术具备通用性，与优化增益掺杂剂分布，调整纤芯横纵向结构等抑制非线性效应和模式不稳定效应的技术方案技术相兼容，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输出功率和光束质量。
28、4、本专利技术的光纤折射率分布呈中心对称，能够直接利用成熟的化学气相沉积光纤拉制工艺（mcvd）实现批量生产。
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1.增益光纤折射率分布优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的增益光纤折射率分布优化设计方法，其特征在于，调整纤芯折射率分布的方式包括：
3.根据权利要求2所述的增益光纤折射率分布优化设计方法，其特征在于，控制纤芯折射率分布的形态过程中，纤芯折射率分布始终呈三角形或抛物线形折射率分布。
4.根据权利要求3所述的增益光纤折射率分布优化设计方法，其特征在于，当大于0，纤芯折射率分布中心上凸时，三角形或抛物线形折射率分布的基模模场面积都会随着的增大而不断减小；
5.根据权利要求4所述的增益光纤折射率分布优化设计方法，其特征在于，当小于0且相同的情况下，抛物线折射率分布相对于三角形折射率分布能够实现更大的基模面积提升；
6.根据权利要求1至5中任一项所述的增益光纤折射率分布优化设计方法，其特征在于，所述增益光纤的包层部分的平均折射率为1.4500。
7.根据权利要求6所述的增益光纤折射率分布优化设计方法，其特征在于，所述增益光纤为大模场掺杂增益光纤，所述纤芯中掺杂有增益掺杂离子。
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