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1、(10)申请公布号 CN 104316991 A (43)申请公布日 2015.01.28 CN 104316991 A (21)申请号 201410613176.4 (22)申请日 2014.11.05 G02B 6/02(2006.01) (71)申请人 国家电网公司 地址 100031 北京市西城区西长安街 86 号 申请人 国网江西省电力公司信息通信分公 司 (72)发明人 王华 陈明阳 祝远锋 李路明 杨济海 陈磊 (74)专利代理机构 江西省专利事务所 36100 代理人 黄新平 (54) 发明名称 平顶光子带隙光纤 (57) 摘要 一种平顶光子带隙光纤， 纤芯由基质材料和 排布在。
2、正三角网格中的低折射率介质柱所组成， 包层由基质材料和排布在正三角网格中的高折射 率介质柱组成， 包层围绕纤芯 ； 且材料的折射率 满足 nh nb nl； 所述高折射率介质柱形成正六 边形结构高折射率介质柱层 ； 所述低折射率介质 柱形成正六边形结构低折射率介质柱层 ； 最外层 低折射率介质柱的直径和其它低折射率介质柱的 直径之间满足 dm dl。本发明通过引入低折射率 介质柱， 采用不同尺寸的低折射率介质柱形成平 顶光束所需的折射率分布， 并有效增大基模的面 积。 利用包层的高折射率介质柱形成带隙， 对纤芯 模式形成强的束缚。可以将本发明光纤运用于光 纤激光器输出端， 以实现大模场的平顶光。
3、束输出。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图4页 (10)申请公布号 CN 104316991 A CN 104316991 A 1/1 页 2 1. 一种平顶光子带隙光纤， 包括纤芯和包层， 其特征在于 ： 所述纤芯位于光纤中心， 由 基质材料 （1） 和排布在正三角网格中的低折射率介质柱 （2） 组成， 所述包层由基质材料 （1） 和排布在正三角网格中的高折射率介质柱 （3） 组成， 包层围绕纤芯， 且材料的折射率满足 nh nb nl， nb为基质材料的折射。
4、率， nl为低折射率介质柱 （2） 的折射率， nh为高折射率介 质柱 （3） 的折射率 ； 所述高折射率介质柱 （3） 形成正六边形结构高折射率介质柱层 ； 所述低 折射率介质柱 （2） 形成正六边形结构低折射率介质柱层 ； 最外一层低折射率介质柱 （2） 的 直径和其它低折射率介质柱 （2） 的直径之间满足 dm dl， dm为最外一层的低折射率介质柱 （2） 的直径， dl为内层低折射率介质柱 （2） 的直径。 2.根据权利要求1所述的平顶光子带隙光纤， 其特征在于 ： 低折射率介质柱 （2） 的周期 l与高折射率介质柱 （3） 的周期 h满足 ： h/l=2 ； 低折射率介质柱 （2）。
5、 的周期 l与内 层低折射率介质柱 （2） 的直径 dl满足 ： dl/l 0.5 ； 低折射率介质柱 （2） 的周期 l与 最外层低折射率介质柱 （2） 的直径 dm满足 ： dl/dm=3.5-4.5 ； 高折射率介质柱 （3） 的周期 h 与高折射率介质柱 （3） 的直径 dh满足 ： 0.2dh/h0.4。 3.根据权利要求1所述的平顶光子带隙光纤， 其特征在于 ： 所述高折射率介质柱 （3） 与 基质材料 （1） 的折射率差满足 ： 0.02nh-nb0.05 ； 基质材料 （1） 与所述低折射率介质柱 （2） 的折射率差满足 ： 0.0005nb-nl0.002。 4. 根据权利要。
6、求 1-3 所述的平顶光子带隙光纤， 其特征在于 ： 所述高折射率介质柱层 的层数 Y 满足 3 Y 5 ； 纤芯中心与最内层的高折射率介质柱 （3） 中心之间的距离的最大 值为 2h。 权 利 要 求 书 CN 104316991 A 2 1/3 页 3 平顶光子带隙光纤 技术领域 0001 本发明涉及光纤激光器， 尤其是一种平顶光子带隙光纤。 背景技术 0002 平顶型光束在激光加工领域中有着重要的应用。 例如， 在激光焊接中， 为了获得较 好的焊接效果， 通常需要使焊点受热均匀， 这就要求激光束的光场分布为平顶型， 平顶型光 束在激光冲击强化应用中能形成更好的强化效果。获得平顶激光束的方。
7、法很多， 采用光学 系统进行变换虽然可以获得平顶光束， 但系统稳定性差 ； 另一种方法是利用平顶光纤将入 射激光束整形为具有平顶型光场分布的激光束。所谓平顶光纤， 即经它输出的激光束具有 平顶型的模场结构。众所周知， 从普通光纤输出的激光束在光纤横截面上的光场是呈类高 斯型分布。要获得平顶型的光场， 就要采用特殊的光纤结构。 发明内容 0003 本发明的目的就是提供一种具有大模场面积， 且能够实现平顶光束输出的平顶光 子带隙光纤。 0004 本发明的平顶光子带隙光纤， 包括纤芯和包层， 其特征在于， 所述纤芯位于光纤中 心， 由基质材料和排布在正三角网格中的低折射率介质柱组成， 所述包层由基质。
8、材料和排 布在正三角网格中的高折射率介质柱组成， 包层围绕纤芯， 且材料的折射率满足 nh nb nl， nb为基质材料的折射率， nl为低折射率介质柱的折射率， nh为高折射率介质柱的折射率 ； 所述高折射率介质柱形成正六边形结构高折射率介质柱层 ； 所述低折射率介质柱形成正六 边形结构低折射率介质柱层， 最外一层低折射率介质柱的直径和其它低折射率介质柱的直 径之间满足 dm dl， dm为最外一层的低折射率介质柱的直径， dl为内层的低折射率介质柱 的直径。 0005 本发明的平顶光子带隙光纤， 作为进一步的改进， 低折射率介质柱的周期 l与高 折射率介质柱的周期 h满足 ： h/l=2 。
9、； 低折射率介质柱的周期 l与内层低折射率介质 柱的直径 dl满足 ： dl/l 0.5， 低折射率介质柱 （2） 的周期 l与最外层低折射率介质 柱的直径 dm满足 ： dl/dm =3.5-4.5 ； 高折射率介质柱的周期 h与高折射率介质柱的直径 dh 满足 ： 0.2dh/h0.4， 周期 是两个相邻介质柱中心之间的间距。 0006 作为本发明的进一步改进， 所述高折射率介质柱与基质材料的折射率差满足 ： 0.02nh-nb0.05 ； 基质材料与所述低折射率介质柱的折射率差满足 ： 0.0005nb-nl0.002。 0007 作为本发明的进一步改进， 所述高折射率介质柱层的层数Y满。
10、足， 3Y5 ； 纤芯 中心与最内层的高折射率介质柱中心之间的距离的最大值为 2h； 。 0008 本发明的平顶光子带隙光纤的技术效果 ： 引入低折射率介质柱， 采用不同尺寸的 低折射率介质柱形成平顶光束所需的折射率分布， 并有效增大基模的模场面积， 同时利用 包层的高折射率介质柱形成带隙， 对纤芯模式形成强的束缚。本发明的光纤运用于光纤激 光器输出端， 可以实现大模场的平顶光束输出。 说 明 书 CN 104316991 A 3 2/3 页 4 附图说明 0009 图 1 为本发明的结构示意图 ； 图 2 为本发明光纤的模场分布图 ； 图 3 为纤芯由纯石英组成时的全固态带隙光纤的模场分布图。
11、 ； 图 4 为本发明的光纤基模的弯曲损耗曲线 ； 其中， 1 为基质材料， 2 为低折射率介质柱， 3 为高折射率介质柱。 具体实施方式 0010 一种平顶光子带隙光纤由两种直径不同的低折射率介质柱 2 组成， 其中内部的低 折射率介质柱2直径较大， 而最外层的低折射率介质柱2的直径较小， 从而获得效果更好的 折射率分布。通过调整介质柱直径即可调节纤芯不同区域的等效折射率， 从而使纤芯区的 折射率分布可以得到精确控制。 在制作时， 低折射率介质柱的折射率相同， 也减小了制作工 艺的复杂度。 0011 图 1 给出了本发明的一种实施例的横截面示意图， 该光纤包括纤芯和包层， 该纤 芯由低折射率。
12、介质柱 2 和其所包围区域的基质材料 1 构成 ； 该包层由基质材料 1 和高折射 率介质柱 3 构成。 0012 要求高折射率介质柱层数为 3-5 层。为保证光纤基模具有低束缚损耗， 高折射率 介质柱层数不能太少， 而为了有效去除光纤中的高阶模， 其层数又不能太多， 高折射率介质 柱以 3-5 层为宜。 0013 低折射率介质柱 2 并非可以任意放置， 研究结果表明， 非规则排布会导致模场的 不均匀， 使模场发生畸变， 即低折射率介质柱 2 排布要均匀且与包层形成良好衔接。为此， 要求低折射率介质柱 2 与高折射率介质柱 3 的排布相同， 即排布在正三角网格中。同时， 低 折射率介质柱 2 。
13、的周期 l与高折射率介质柱 3 的周期 h应满足 ： l=h/2， 此周期选择 保证纤芯模式均匀分布， 利于平顶光场的形成。此组成结构可有效克服局域模的影响。 0014 为保证光纤包层对纤芯模式具有足够的束缚能力， 一般取高折射率介质柱 3 与基 质材料的折射率差为 ： 0.02nh-nb0.05。由于高折射率介质柱 3 的折射率大于基质材料的 折射率， 即这是一种光子带隙光纤。 0015 为使纤芯区形成足够的折射率差， 内层低折射率介质柱 2 的直径需要较大， 而最 外层低折射率介质柱 2 的直径要满足一定比例， 从而形成从纤芯中心向外 ： 低 - 高 - 低 - 高 的折射率分布。要求低折。
14、射率介质柱 2 的周期 l与内层低折射率介质柱 2 的直径 dl满 足 ： dl/l 0.5 ； 低折射率介质柱 2 的周期 l与最外层低折射率介质柱 2 的直径 dm满 足 ： dl/dm =3.5-4.5 ； 最外层低折射率介质柱 2 与内层低折射率介质柱 2 之间通过介质柱尺 寸的不同形成一定的折射率差， 从而使基模模场更为平坦。 0016 低折射率介质柱 2 引入的目的是使纤芯形成满足要求的折射率分布。理论上， 采 用均匀低折射率纤芯的方法， 也可以实现同样的效果。但采用均匀低折射率纤芯会出现由 局部高折射率区引起的局域模效应， 从而增大了光纤的模式损耗， 影响其实际使用。 需要指 出。
15、的是， 纤芯区需采用低折射率介质柱的组合形成满足要求的折射率分布。在纤芯中引入 低折射率介质柱的优点包括 ： 不会形成多芯光纤结构， 有效抑制光纤中高阶模的出现， 在较 说 明 书 CN 104316991 A 4 3/3 页 5 大的折射率变化条件下仍然具有均匀的模场分布。而采用高折射率介质柱组成纤芯， 不可 避免地会出现能够集中在高折射率介质柱区域， 而高折射率介质柱区域需要掺杂较多高损 耗材料， 导致光纤更易发生光损伤。为得到更为均匀的模场分布， 基质材料 1 与所述低折射 率介质柱 2 的折射率差应较小， 同时， 又有足够的可调整区间， 以便形成满足要求的纤芯折 射率分布， 一般地有 。
16、： 0.0005nb-nl0.002。 0017 下面以石英光纤， 以工作波长为 1064 nm 为例， 进行说明 ： 如图 1， 基质材料采用纯石英， 高折射率介质柱和低折射率介质柱的材料采用掺杂的石 英材料。 其中低折射率介质柱的周期l=5.5m， 直径dl=4 m， dm=1m， 折射率nl=1.449 ； 高折射率介质柱3的周期h=11m ， 直径dh=1.8m ， 折射率nh=1.48 ； 基质材料1的折射 率为 nb=1.45。光纤基模的模场面积 1037 m2， 相对比的， 若纤芯由基质材料组成， 即不存 在低折射率介质柱， 则其模场面积仅为 633m2。可见， 平顶型模场可以有。
17、效地增大光纤的 模场面积， 从而减小纤芯的光功率密度。光纤的模场分布如图 2 所示， 可见纤芯中模场分布 呈平顶形式， 且带隙的存在， 使其具有很陡的边缘， 因而， 其能量集中于纤芯且分布均匀。 而 相对比的， 纤芯中没有低折射率介质柱时， 其模场呈现高斯型分布， 如图 3 所示。如图 4 所 示， 在带隙和纤芯作用下， 光纤基模具有低的弯曲损耗， 在弯曲半径为 15cm 时， 弯曲损耗仍 小于0.1 dB/m， 保证了光纤运用的灵活性和稳定性。 光纤制作时， 可采用分步堆积法制作光 纤预制棒。即首先用堆积法制作光纤纤芯， 然后将经拉丝获得的纤芯与石英管或掺杂石英 棒组合， 再经拉丝获得所需的光纤结构。 说 明 书 CN 104316991 A 5 1/4 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 104316991 A 6 2/4 页 7 图 2 说 明 书 附 图 CN 104316991 A 7 3/4 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 104316991 A 8 4/4 页 9 图 4 说 明 书 附 图 CN 104316991 A 9 。