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双包层光纤 2020年是激光器发明60周年。经过半个多世纪的发展，作为光源的发射装置，激光器从最初的红宝石激光器一步步发展至今，其性能逐渐稳定和增强。随着激光技术和光束处理方面的进步，激光器为众多先进的科学和工业应用打开了大门。 双包层光纤(Double Cladding Fiber)是有源光纤领域中的一项重要技术，对光纤激光器和放大器来说是一个具有重大意义的技术突破，它使光纤激光器进入了大功率时代。在过去十年中，通过使用包层抽运光纤架构，光纤激光器的输出功率急剧上升，带动了一系列诸如光束质量、转换效率以及灵活性等方面的性能提升。 从双包层光纤端面可以看到4层结构：(1)纤芯；(2)内包层；(3)外包层；(4)保护层，见图1。 （a） （b） 图1.（a）双包层光纤结构；（b）包层抽运示意图 纤芯由掺稀土元素的GeO2和SiO2 构成（n1），内包层由横向尺寸比纤芯大得多、折射率比纤芯小的纯SiO2构成（n2），纤芯作为激光振荡的通道。内包层是抽运光通道，合理设计纤芯和包层的折射率差调整数值孔径(Numerical Aperture)，可以对相关激光波长设计为单模传输。外包层是由折射率比内包层小的透明软塑材料构成（n3）。最外层则由硬塑材料包围，构成光纤的保护层。 双包层光纤存在的一个普遍问题是抽运光与掺杂光纤纤芯的有限重叠，这会导致抽运吸收效率降低，因而需要更长的光纤来维持增益，但这会增强非线性效应，引起脉冲展宽。 锥形双包层光纤 锥形双包层光纤（Tapered-DCF）是使用专门的光纤拉伸工艺形成的双包层光纤，在常规双包层光纤的基础上进一步提高了抽运光的吸收效率，图2是锥形双包层光纤示意图。 图2. 锥形双包层光纤示意图，光纤的其中一头呈锥形 其中，控制温度和拉力以沿光纤的长度形成锥度，即纤芯以及内包层和外包层的直径均沿光纤的长度渐变，这使得T-DCF能够吸收更多模式的抽运光，提高了抽运光的利用率。T-DCF可以等效看作是多个不同直径的多模光纤的组合（如图3），与传统的恒定直径光纤相比，有效改善了脉冲保真度。由于包层直径大，T-DCF还可以由亮度较差的光源（例如激光二极管）抽运，从而显著降低光纤激光器/放大器的成本。 图3 T-DCF等效多模光纤组合体 1）锥形双包层光纤（T-DCF）的制备 区别于传统单模光纤(Single Mode Fiber)，锥形光纤采用熔融拉锥、机械抛磨或化学腐蚀等手段使得光纤半径在轴向上发生变化，形成锥区以实现诸如光耦合、光传感、非线性光学、微纳光学、光纤器件以及其他研究领域的应用。锥形光纤熔融拉锥工艺的示意图见图4。 锥形双包层光纤放大器于2008年在Tampere大学的Oleg Okhotnikov教授的研究小组中首次构思和演示[1]。目前，锥形双包层光纤的主要研究单位有丹麦科技大学(DTU)、俄罗斯科学院(The Russian Academy of Science)与坦佩雷理工大学(Tampere University of Technology)。 目前制作拉锥光纤的主要方法有：化学腐蚀法、机械抛磨法和熔融拉锥法。其中熔融拉锥法较为常用，通过移动火焰和控制火焰温度的分布来实现不同形状的拉锥模型。需要注意的是，拉锥过程需要把双包层光纤的局部涂层剥除，剥除双包层光纤的涂覆层后，在拉锥后这一部分可以重新涂上高分子材料，由此完成的锥形光纤即可满足多种应用需求。 （a） （b） 图4.（a）熔融拉锥工艺的示意图，光纤的中间区域被加热，光纤两端被固定并向外拉伸，形成中间区域缩小；（b）拉锥区域和正常区域的尺寸对比。 随着激光技术的成熟，采用激光作为热源拉制锥形光纤的方法应运而生。激光光束具有清洁、可控、作用快、没有惯性约束等优点，克服了火焰及其他热源加热拉制光纤的不足。至此，光纤拉锥的工艺逐渐走向成熟。 2）T-DCF的特点 锥形双包层光纤主要应用于光纤激光器或放大器中，其特点主要包括： 抑制光纤放大器中的非线性效应 通常，增大放大器中光纤的直径会减小非线性效应的水平，例如受激布里渊散射[2]。对于锥形双包层光纤来说，由锥端入射的光在不改变模式[3]的情况下会在宽纤芯中传播。因此，将T-DCF用于多模光纤中的光放大可通过提高非线性效应（包括布里渊和拉曼散射以及自发发射）的阈值来保持良好的光束质量。 提高抽运吸收效率 与常规的圆柱形双包层光纤相比，锥形双包层光纤中每单位长度的抽运光的吸收和转换次数增加了。由于改善了包层模式混合，在锥的较厚端具有更高的吸收率，这意味着掺杂稀土离子可以有效地集中在T-DCF的宽端。这种更高的吸收率使得超快激光器能够通过只有几十厘米长的锥形光纤放大器进行放大，从而提供了高保真度的超短脉冲。 易于生产 T-DCF的显着优势之一是便于生产。特殊高功率光纤（微结构光纤）的预制棒生产涉及复杂的技术过程和严格的结构要求。相反，T-DCF是由标准的光纤预制棒拉制而成的，在拉制过程中仅需通过简单的拉伸工艺即可形成光纤直径的轴向渐变。 小 结 锥形光纤作为一种特殊的光纤形态已经被使用在了诸如非线性光学、微纳光学、光纤传感、光纤器件等研究领域。另外，利用锥形光纤结合特殊的镀膜(例如拓扑绝缘体或者过渡金属硫化物)可以作为可饱和吸收体在光纤激光，尤其是超快光纤激光领域发挥作用。 在光纤激光系统中，非线性效应和热负载已经成为了限制光纤激光功率提升的主要因素。为了解决非线性效应，采用大芯径短光纤的方案，虽然可以带来增益光纤掺杂浓度的提升，却为系统的热负载带来了更大的压力。锥形双包层光纤有望能够解决这一对矛盾。 在近年的研究中，国内外的科研工作者已经从理论或者实验上，证实了锥形双包层光纤在运用低亮度抽运光源和抑制非线性效应上的良好效果；并且在光纤激光放大系统中，锥形光纤作为增益介质也能够较好地保持单模的光束质量。相信在以后的科研工作中，锥形光纤会被更加广泛地运用到光纤激光系统中。而锥形光纤的其他特点与最优的形状设计参数，则有待于去进一步发掘。 参考文献： [1] V. Filippov, Yu. Chamorovskii, O. G. Okhotnikov and M. Pessa, US patent No.8,433,168 B2 “Active optical fiber and method for fabricating an active optical fiber”. [2] Liu, Anping (2007-02-05). "Suppressing stimulated Brillouin scattering in fiber amplifiers using nonuniform fiber and temperature gradient". Optics Express. 15(3): 977–984. [3] Kerttula, Juho; Filippov, Valery; Ustimchik, Vasily; Chamorovskiy, Yuri; Okhotnikov, Oleg G. (2012-11-05). "Mode evolution in long tapered fibers with high tapering ratio". Optics Express. 20 (23): 25461–25470. 作者 陈国群 、程佳 、廉正刚，武汉长盈通光电技术有限公司 |
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