如何利用双包层光纤实现高功率激光传输？

双包层光纤通常是指在单模纤芯外侧有内外两层包层结构，并且纤芯折射率大于内包层折射率、内包层折射率大于外包层折射率的光纤。双包层光纤内包层可视为多模波导，支持成千上万模式。若进一步将内包层设计为非圆对称结构，内包层中高阶模式空心光斑形成的中心暗场将偏离纤芯，使内包层高阶模式耦合进单模纤芯，实现包层泵浦。

双包层光纤折射率数学表达式为：

式中，n1＞n2＞n3。

将式（3－22）代入式（3－3），并通过有限元法求解，可精确计算出每一个高阶模式对纤芯基模的耦合效率。然而，由于内包层支持的模式数目巨大，基于波导理论数值计算工作量大，不利于双包层结构的优化设计。内包层直径远超过传输光波长，因此可采用光线追踪的方法近似求解分析。入射光束进入圆对称光纤，经由内外包层分界面不断反射，最终构成了中空的环状区域。

全反射的临界角αc为

假设入射角为θφ，当θφ≤αc时，光线发生全反射，能够被束缚在光纤中。在圆对称情形下，入射光束经由内外包层分界面不断反射，最终构成了中空的环状区域，如图3－5a所示。中空区域的半径ric为［2］

式中，a2是内包层直径。因此，改变入射光线的角度可以控制环状区域的内径。当θφ=时，ric=0，即中空区域消失，对应模式为光纤基模。(www.xing528.com)

在非圆对称情形下，入射光线经过多次全反射后会发生改变，使θφ的取值遍历最终光线轨迹在整个光纤横截面，中空区域消失。例如，对于D形内包层结构，图3－5d给出了数值计算求解的光线轨迹。

图3－5　不同光纤中的光线追踪［33，34］

双包层光纤通过内包层形状调节高阶模光场分布，在高功率光纤激光领域有着重要的应用。对于光纤激光器和光纤放大器，包层泵浦是实现高功率激光输出的主要途径。包层泵浦技术最先由Snitzer等［35］提出，主要通过双包层光纤实现。双包层光纤的纤芯为信号激光单模传输通道，内包层为泵浦光传输通道，外包层通常为低折射率高分子保护层。典型地，纤芯直径为67μm，数值孔径（numerical aperture，NA）＜0.17；内包层直径约为300μm，NA＞0.45。包层泵浦技术主要有两个优点：①降低了泵浦光的光束质量要求。泵浦光主要在内包层内传输，而内包层和外包层相对折射率差较大，通常支持上万个传输模式。即使是光束质量非常差的泵浦光，也能够有效耦合进内包层光纤中。因此，采用多个高功率半导体泵浦激光器，进行合束，就可在光纤中实现较大的泵浦功率。②降低了纤芯内热效应。将泵浦光从纤芯中分离出去，并且分散在直径较大的内包层区域，有利于光纤整体散热。同时，纤芯的能量密度和热效应都可由信号激光决定，有效改善了信号激光的功率上限和输出光束质量。

Liu和Ueda［33］研究发现：双包层光纤的泵浦效率随着纤芯直径的增加而提高，随着内包层直径的增加而减小，泵浦吸收系数的典型值小于0.15。为了提高泵浦效率，他们提出两种方案：①设计偏芯双包层光纤；②打破内包层光纤的圆对称性。图3－5b、c分别为非偏芯和偏芯双包层光纤的光线追踪图。对比可以看出，偏芯双包层光纤有助于纤芯在更大角度范围内吸收入射泵浦光，提高泵浦效率。随着纤芯偏离位移的增加，泵浦吸收系数最终可达到1，并且不同纤芯直径的偏芯光纤，其吸收系数近乎相等。他们还通过打破圆对称性，设计了矩形光纤，并指出仅特定角度入射的光线无法通过纤芯区域，即矩形内包层光纤的泵浦吸收系数近似恒定为1。因此，内包层非圆对称光纤的泵浦吸收系数要超过偏芯双包层光纤。

对于内包层非圆对称光纤，任意入射角光线最终可遍历整个光纤横截面，如图3－5d所示。遍历的程度越高，泵浦吸收系数越高。Leproux等［34］对比了内包层横截面形状不同的光纤，包括圆形、D形、双截圆形、矩形、单截矩形、花瓣形和双D形，如图3－6所示，它们的内包层面积均为15 000μm2，NA=0.38。实验表示，双截圆形具有最好的混沌效应，即光线遍历程度最高，泵浦效果最佳。Doya等［36］利用混沌光线追踪理论，同样证明双截圆形具有最好的混沌效应。Martínez－Rios等［37］对比了D形空气孔洞的圆形双包层光纤和双D形光纤的泵浦效果，如图3－7所示。D形空气孔洞圆形双包层光纤的内包层直径为125μm，D形空气孔洞弧长40μm，高度5μm，位于直径21.4μm的圆周上，最终泵浦效率为69%。双D形光纤的内包层为125μm×100μm，NA=0.45；纤芯直径6μm，NA=0.15，最终泵浦效率为73%。与内包层非圆对称光纤相比，D形空气孔洞的圆形双包层光纤能够获得更好的垂直切割端面和更小的与单模光纤的熔接损耗（＜0.3 dB）。Li等［38］对比了D形内包层光纤（300μm×250μm）和六边形内包层光纤（边长150 μm），发现它们泵浦效率相当，均为63.9%。相比于D形内包层光纤，六边形对称结构光纤与单模光纤之间具有更小的熔接损耗（0.05 dB）。

图3－6　不同内包层形状的光纤［34］

图3－7　D形和双D形光纤［37］