【技術實現步驟摘要】
本專利技術主要涉及到增益光纖優化設計，尤其是一種增益光纖折射率分布優化設計方法、增益光纖及應用。
技術介紹
1、高功率光纖激光器具有光束質量好、熱管理高效、可柔性操作以及魯棒性性能好等優勢，在工業加工、國防軍事和基礎科研等領域得到了廣泛的應用。目前高功率光纖激光系統的性能提升的核心受限因素主要包括非線性效應和模式不穩定效應。其中非線性效應，例如受激布里淵散射效應，受激拉曼散射效應會誘導產生不穩定的斯托克斯脈沖光，反向抽運激光功率，限制光纖激光系統的功率提升；而模式不穩定效應則會誘發基模與高階模之間的動態能量耦合，限制光纖激光系統的亮度提升。
2、為了削弱增益光纖中的非線性效應和和模式不穩定效應，進一步提升激光器的輸出功率，需要從非線性效應和模式不穩定效應的誘導原理出發，尋找綜合抑制兩種效應的方法。傳統的增益光纖設計，均采用了單階梯型的折射率分布，如圖1所示中紅色線表示的常規折射率分布。該方案的設計采用了均勻的高折射率纖芯和低折射率包層，構成折射率階梯，以實現激光在纖芯中的全反射，進而完成激光的功率提升和傳輸。常規的折射率分布設計能夠直接通過以下公式計算得到光纖纖芯的數值孔徑（na）：
3、(1)
4、從而利用纖芯半徑和數值孔徑計算得到光纖所支持的模式數以及模場面積。其中和分別表示纖芯和包層的折射率。但是這種設計的缺點在于，當多個光纖的纖芯尺寸和na值相同時，光纖所支持的模式數以及模場面積都是相同的，即他們擁有相同的性能表現。然而，在實際的光纖性能測試中發現：擁有相同纖芯尺寸和na的增益光纖，其
技術實現思路
1、針對現有技術存在的技術問題，本專利技術提出一種增益光纖折射率分布優化設計方法、增益光纖及應用。
2、為實現上述目的，本專利技術采用的技術方案如下：
3、增益光纖折射率分布優化設計方法，包括以下步驟：
4、確定待優化的增益光纖及其纖芯平均折射率；
5、利用纖芯平均折射率計算增益光纖的纖芯平均na值；
6、根據增益光纖的纖芯平均na值，計算得到增益光纖的歸一化頻率值 v，根據纖芯尺寸的大小和歸一化頻率值 v確定增益光纖所支持的所有模式；
7、在纖芯尺寸保持不變、纖芯平均折射率保持不變、纖芯平均 na值保持不變的前提下，調整纖芯折射率分布，并利用有限元仿真計算方法，得到不同纖芯折射率分布下的纖芯中的光斑分布，并計算不同纖芯折射率分布下對應模式的模場面積；
8、確定在纖芯尺寸保持不變、纖芯平均折射率保持不變、纖芯平均na值保持不變的前提下，能增大纖芯中基模模場面積，同時保持高階模式的模場面積不變的纖芯折射率分布，作為優化后的增益光纖的纖芯折射率分布。
9、進一步地，調整纖芯折射率分布的方式包括：
10、纖芯折射率分布始終保持以纖芯中心為中心的中心對稱，纖芯中心即纖芯折射率分布中心，通過調整纖芯折射率分布中心的折射率大小，控制纖芯折射率分布的形態，表示纖芯折射率分布中心的折射率與纖芯平均折射率的差值，小于0時，纖芯折射率分布中心下凹，纖芯折射率分布呈中間低、兩邊高的形態；大于0時，纖芯折射率分布中心上凸，纖芯折射率分布呈中間高、兩邊低的形態；=0，即常規折射率分布，纖芯與包層形成常規的階梯型折射率分布。
11、進一步地，控制纖芯折射率分布的形態過程中，纖芯折射率分布始終呈三角形或拋物線形折射率分布。
12、進一步地，當大于0，纖芯折射率分布中心上凸時，三角形或拋物線形折射率分布的基模模場面積都會隨著的增大而不斷減小；
13、當小于0，纖芯折射率分布中心下凹時，三角形或拋物線形折射率分布的基模模場面積都會隨著的減小而不斷增大，且三角形或拋物線形折射率分布的高階模式的模場面積隨的變化都非常小，整體高階模式的模場面積變化率小于6%；
14、由此確定優化后的纖芯折射率分布為纖芯折射率分布中心下凹，呈中間低、兩邊高的三角形或拋物線形折射率分布。
15、進一步地，當小于0且相同的情況下，拋物線折射率分布相對于三角形折射率分布能夠實現更大的基模面積提升；
16、相較于常規折射率分布，纖芯折射率分布呈三角形折射率分布的情況下，最大基模模場面積提升比例為44.6%；
17、相較于常規折射率分布，纖芯折射率分布呈拋物線折射率分布的情況下，最大基模模場面積提升比例為62.9%；
18、由此，確定優化后的纖芯折射率分布為纖芯折射率分布中心下凹，呈中間低、兩邊高的拋物線折射率分布。
19、進一步地，所述增益光纖的包層部分的平均折射率為1.4500。
20、進一步地，所述增益光纖為大模場摻雜增益光纖，所述纖芯中摻雜有增益摻雜離子。
21、進一步地，增益摻雜離子是鐿、鉺、釹、鈥、銩、鍺、磷中的一種或多種。
22、另一方面，提供一種增益光纖，基于上述增益光纖折射率分布優化設計方法實現其纖芯折射率分布的優化設計。
23、另一方面，上述增益光纖在激光系統中的應用。將上述優化設計到的增益光纖應用到激光系統中，增益光纖具有優化后的纖芯折射率分布，優化后的纖芯折射率分布為纖芯折射率分布中心下凹，呈中間低、兩邊高的拋物線折射率分布通，可以實現高階模的數量及高階模的模場面積幾乎不變的前提下，顯著提升基模的模場面積。
24、本專利技術的有益效果在于：
25、1、本專利技術能夠在保持基模傳輸和放大特性的同時，有效增加基模的模場面積，進而獲得良好的非線性效應抑制能力。
26、2、本專利技術能夠在保持基模傳輸和放大特性的同時，有效增加高階模式的損耗系數，進而獲得良好的模式不穩定效應抑制能力。
27、3、本專利技術具備通用性，與優化增益摻雜劑分布，調整纖芯橫縱向結構等抑制非線性效應和模式不穩定效應的技術方案技術相兼容，能在已有技術的基礎上進一步提升大模場摻雜增益光纖的輸出功率和光束質量。
28、4、本專利技術的光纖折射率分布呈中心對稱，能夠直接利用成熟的化學氣相沉積光纖拉制工藝（mcvd）實現批量生產。
本文檔來自技高網...【技術保護點】
1.增益光纖折射率分布優化設計方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的增益光纖折射率分布優化設計方法，其特征在于，調整纖芯折射率分布的方式包括：
3.根據權利要求2所述的增益光纖折射率分布優化設計方法，其特征在于，控制纖芯折射率分布的形態過程中，纖芯折射率分布始終呈三角形或拋物線形折射率分布。
4.根據權利要求3所述的增益光纖折射率分布優化設計方法，其特征在于，當大于0，纖芯折射率分布中心上凸時，三角形或拋物線形折射率分布的基模模場面積都會隨著的增大而不斷減小；
5.根據權利要求4所述的增益光纖折射率分布優化設計方法，其特征在于，當小于0且相同的情況下，拋物線折射率分布相對于三角形折射率分布能夠實現更大的基模面積提升；
6.根據權利要求1至5中任一項所述的增益光纖折射率分布優化設計方法，其特征在于，所述增益光纖的包層部分的平均折射率為1.4500。
7.根據權利要求6所述的增益光纖折射率分布優化設計方法，其特征在于，所述增益光纖為大模場摻雜增益光纖，所述纖芯中摻雜有增益摻雜離子。
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。