高效散熱大模場面積中紅外光子晶體光纖及其激光器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種新型光纖激光器，特別是涉及一種高效散熱大模場面積中紅外光 子晶體光纖及其激光器。 技術背景
[0002] 中紅外光纖是中紅外光纖激光器和光纖放大器的主要構成部分。光纖的性質在很 大程度上決定了激光器或放大器可達到的性能。對于大功率的光纖激光器，要求光纖具有 雙包層結構，且內外包層間折射率相差大以利于耦合。為了有好的光束質量，要求纖芯為單 模。為了獲得高的功率，要求纖芯模場面積大。對于連續(xù)輸出的光纖激光器，還要求布里淵 等非線性小，此外，還要求光纖能承受高的激光功率，穩(wěn)定性和耐久性好。
[0003] 內外包層的折射率差增大已經可以做到。對于大模場單模光纖的要求，根據單模 光纖的工作條件，ν€=^?·ΝΑ<2··5,其中d為纖芯的直徑，Vc是歸一化頻率，λ為工作 波長，NA為內包層與纖芯的數值孔徑，在單模的條件下，增大纖芯模場面積需要減小內包層 與纖芯的數值孔徑。而內包層材料與纖芯材料折射率差難以做到很小，往往內包層材料與 纖芯材料的數值孔徑較大。以Fiberlabs的產品為例[http://www.fiberlabs_inc.com/ fiber_REdcff. htm]，內包層為相對高折射率的氟化物玻璃。芯為更高折射率的氟化物玻 璃。內外包層間的數值孔徑可達0. 4,基本滿足高功率光纖激光器的泵浦要求，但是模場直 徑只有不到20微米。受損傷閾值和非線性效應的限制，單位面積材料所能承受的泵浦功率 密度是有極限的，要提高光纖激光器的輸出功率，必須增加模場面積。
[0004] 鉺離子的高濃度對實現(xiàn)高效率的2. 7微米激光至關重要。把鉺離子摻入到氟化物 玻璃中，會引起折射率的提高。高濃度摻鉺離子時，折射率的提高會很大。為了實現(xiàn)單模， 包層玻璃的折射率也必須提高到與之相接近。而氟化物玻璃是一種很容易析晶的玻璃，不 容易調整包層玻璃的配方去匹配包層玻璃折射率。因此，高鉺濃度、單模的氟化物光纖，其 芯徑難于做到很大。目前Fiberlabs公司的雙包層的單模光纖，芯徑最大只有約18微米， 大于此芯徑的為多模雙包層光纖。為了實現(xiàn)更大的模場面積，必須尋找新的解決方案。
[0005] 要實現(xiàn)高功率激光輸出，光纖需要能承受高的激光功率，穩(wěn)定性和耐久性好。對 于低功率、采用小芯徑細光纖的激光器，高比例的熱損耗不是太大問題，但是對于大功率、 采用大芯徑粗光纖的激光器，熱損耗帶來的困擾就成了一個主要難題。大量的熱量集中光 纖泵浦端附近一段長度內，將使得光纖端面溫度急劇升高。氟化物玻璃的轉變溫度僅為 260°C，這是光纖能承受的理論極限溫度。如果要獲得上百瓦的激光功率，由于量子效率低， 光纖耦合端需要承受數百瓦的泵浦功率，大纖徑光纖的纖芯溫度肯定會突破極限溫度，因 此光纖會迅速崩潰。光纖的散熱問題需要急切的解決。
[0006] 本發(fā)明根據以上分析，所要解決的是以上提出的兩個技術問題，一是擴大單模光 纖的模場直徑；二是解決大芯徑粗光纖的散熱問題，為實現(xiàn)摻鉺氟化物光纖百瓦量級的 2. 7微米單模激光輸出提供可能。

【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明為解決以上兩個問題提出了一種高效散熱大模場面積中紅外光子晶體光 纖及其激光器。
[0008] 本發(fā)明的技術解決方案如下：
[0009] -種大模場面積中紅外玻璃光子晶體光纖，包括光纖外包層、光纖內包層和纖芯， 其特征在于，所述的纖芯上設有多個空氣孔，該空氣孔的直徑為d，且各空氣孔間的節(jié)距為 Λ。
[0010] 所述的空氣孔直徑d落在25~35 μ m范圍內，所述的空氣孔直徑與空氣孔節(jié)距比 率d/ Λ落在為0. 7~0. 8范圍內。
[0011] -種含有上述的高效散熱大模場面積中紅外玻璃光子晶體光纖的激光器，所述的 光子晶體光纖的泵浦端端面有鍍膜，該泵浦端鍍膜外設有泵浦端端帽。所述的光子晶體光 纖輸出端端面有鍍膜，所述的輸出端鍍膜外設有輸出端端帽。惰性氣體導流管的一端與所 述的泵浦端端帽相連，另一端與光纖輸出端端帽相連，該惰性氣體導流管的中部設置有磁 力泵，且磁力泵與光纖泵浦端端帽之間的惰性氣體導流管、磁力泵與光纖輸出端端帽之間 的惰性氣體導流管分別置于冷卻液中，所述的惰性氣體導流管、磁力泵、光纖泵浦端帽、光 纖輸出端帽與所述的空氣孔形成閉合回路。根據權利要求3所述的激光器，其特征在于，所 述的磁力泵的流量在〇. 6~100m3/h范圍內。
[0012] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0013] 1)大模場面積中紅外玻璃光子晶體光纖，減小了內包層與纖芯的折射率差Λη， 使Δη達到KT 5量級。在單模的條件下，模場直徑達到60μπι左右。纖芯直徑可以做到 140 μ m左右，光纖激光器的對尚栗浦功率的承受力提尚。
[0014] 2)采樣由惰性氣體導流管、磁力泵、惰性氣體、冷卻液構成的散熱裝置，可將光纖 纖芯溫度維持在l〇〇°C~200°C范圍之內，有效解決大功率光纖激光器短時間內集中產生 大量的熱而帶來熱損耗的問題。
[0015] 3)在纖芯中設有的空氣孔可以提供散熱通道，散熱比表面積大大增加，可實現(xiàn)纖 芯的直接高效散熱。
[0016] 4)纖芯中設有的空氣孔兼具雙重功能，一方面通過調節(jié)空氣孔的結構，降低纖芯 玻璃的等效折射率，減小纖芯與內包層的折射率差，擴大光纖的模場直徑；另一方面，可在 空氣孔中通以干燥潔凈的惰性氣體流，實現(xiàn)光纖纖芯的散熱。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明大模場面積中紅外光子晶體光纖的斷面圖。
[0018] 1-1.氟樹脂外包層1-2.空氣孔1-3.高摻鉺玻璃纖芯1-4.氟化物玻璃內包層
[0019] 圖2為本發(fā)明高效散熱大模場面積中紅外光子晶體光纖激光器的示意圖。
[0020] 1.光纖，光纖端面有鍍膜2.泵浦端端帽3.輸出端端帽4.惰性氣體導流管5.磁 力泵6.泵浦光7.輸出的激光
【具體實施方式】
[0021] 圖1是大模場面積中紅外光子晶體光纖的橫截面圖，如圖所示，光纖外包層1-1為 氟樹脂，所述的光纖內包層1-4為氟化物玻璃，所述的纖芯1-3材料為高摻鉺氟化物玻璃， 纖芯設有多個空氣孔1-2。空氣孔具有直徑d，并且由節(jié)距Λ隔開。所述的空氣孔兼具雙 重功能，一方面通過調節(jié)空氣孔的結構，降低纖芯玻璃的等效折射率，減小纖芯與內包層的 折射率差，擴大光纖的模場直徑；另一方面，可在空氣孔中通以干燥潔凈的惰性氣體流，實 現(xiàn)光纖纖芯的散熱。
[0022] 增大光子晶體光纖模場的工作原理如下：氟化物玻璃與摻鉺氟化物玻璃的折射率 差較大，在纖芯中加入空氣孔，減小內包層1-4與纖芯1-3的折射率差Λ η，使Λ η達到KT5 量級。因此單模光纖的纖芯1-3可以做的很大，在單模的條件下，模場直徑達到60 μπι左右。 纖芯直徑可以做到140 μπι左右，光纖激光器的對高泵浦功率的承受力提高。同時在纖芯中 增加空氣孔可以提供散熱通道，實現(xiàn)纖芯的直接散熱。
[0023] 圖2是高效散熱大模場面積中紅外光子晶體光纖激光器的示意圖。所述光纖激光 器的散熱裝置工作過程如下：
[0024] 將惰性氣體導流管4、泵浦端端帽2、輸出端端帽3,惰性氣體導流管4、磁力泵5串 聯(lián)。惰性氣體導流管4放在冷卻液中。
[0025] 使用百瓦級980nm激光器作為泵浦光6,泵浦光進入大模場面積中紅外光子晶體 光纖1中，在光纖1內反復增益產生輸出激光7。產生的輸出激光7就會從光纖輸出端端帽 3處導出。在泵浦光6耦合到光纖1的纖芯1-3內，激發(fā)鉺離子產生輸出激光7的過程中， 在光纖1短時間（0.1 s)內產生巨大熱量，導致纖芯1-3溫度到達600K左右。磁力泵5使 用無接觸方式帶動惰性氣體在回路中流通。磁力泵5與光纖泵浦端端帽2之間的惰性氣體 導流管4、磁力泵5與光纖輸出端端帽3之間的惰性氣體導流管4分別置于冷卻液中，冷卻 液的溫度為〇°C (273K)。磁力泵5與光纖泵浦端端帽2之間的惰性氣體導流管4中的冷氣 體將會進入光纖1中，補償光纖1所產生的熱量，直接冷卻光纖1的纖芯1-3。光纖1的纖 芯1-3有多個空氣孔1-2,散熱比表面積大大增加，可以達到高效散熱的目的。從光纖1中 流出的惰性氣體將在磁力泵5與光纖輸出端端帽3之間的惰性氣體導流管4內重新冷卻。 將磁力泵5的流量設為10~40m 3/h，可以將光纖1纖芯1-3溫度維持在100°C (373K)~ 200°C (473K)左右。
【主權項】
1. 一種大模場面積中紅外玻璃光子晶體光纖，包括光纖外包層、光纖內包層和纖芯， 其特征在于，所述的纖芯上設有多個空氣孔，該空氣孔的直徑為d，且各空氣孔間的節(jié)距為 A0
2. 根據權利要求1所述的高效散熱大模場面積中紅外玻璃光子晶體光纖，其特征在 于，所述的空氣孔直徑d落在25~35 y m范圍內，所述的空氣孔直徑與空氣孔節(jié)距比率d/ A落在為0. 7~0. 8范圍內。
3. -種含有權利要求1所述的高效散熱大模場面積中紅外玻璃光子晶體光纖的激光 器，其特征在于，所述的光子晶體光纖的泵浦端端面有鍍膜，該泵浦端鍍膜外設有泵浦端端 帽。所述的光子晶體光纖輸出端端面有鍍膜，所述的輸出端鍍膜外設有輸出端端帽。惰性 氣體導流管的一端與所述的泵浦端端帽相連，另一端與光纖輸出端端帽相連，該惰性氣體 導流管的中部設置有磁力泵，且磁力泵與光纖泵浦端端帽之間的惰性氣體導流管、磁力泵 與光纖輸出端端帽之間的惰性氣體導流管分別置于冷卻液中，所述的惰性氣體導流管、磁 力泵、光纖泵浦端帽、光纖輸出端帽與所述的空氣孔形成閉合回路。
4. 根據權利要求3所述的激光器，其特征在于，所述的磁力泵的流量在0. 6~100m3/h 范圍內。
【專利摘要】一種高效散熱大模場面積中紅外光子晶體光纖激光器：采用雙包層光子晶體光纖結構設計，內包層為氟化物玻璃，纖芯材料為高摻鉺氟化物玻璃，在纖芯中有多個空氣孔，空氣孔具有直徑d，并且由節(jié)距Λ隔開。本發(fā)明通過調節(jié)光子晶體光纖空氣孔的結構，減小纖芯與內包層的折射率差，擴大光纖的模場直徑。光纖激光器設有高效散熱裝置，在空氣孔中導入惰性氣體，空氣孔可以提供散熱通道，增加散熱的比表面積，以此將光子晶體光纖內特別是纖芯內，產生的熱量快速導入光纖之外。以此可以有效地解決大芯徑粗光纖的散熱問題，為實現(xiàn)百瓦量級的2.7微米單模激光輸出提供可能。
【IPC分類】H01S3-067, G02B6-02, G02B6-036, H01S3-042
【公開號】CN104808288
【申請?zhí)枴緾N201510173601
【發(fā)明人】廖梅松, 岳靜, 畢婉君
【申請人】中國科學院上海光學精密機械研究所
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年4月14日