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申请/专利权人：中国人民解放军国防科技大学

摘要：一种基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，包括纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤1、高反射光纤光栅2、低反射光纤光栅3、光纤耦合半导体激光器4、泵浦信号合束器5、信号传能光纤6、泵浦传能光纤7、包层光滤除器8、光纤端帽9；激光被光纤耦合半导体激光器输出后依次经泵浦信号合束器、高反射光纤光栅、纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤、低反射光纤光栅光纤、包层光滤除器，最后从光纤端帽扩束输出；其中纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤的纤芯和内包层横截面外围尺寸同步沿光纤长度方向以分区域渐变方式先变大后变小。

主权项：1.一种基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，其特征在于，它包括纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤（1）、高反射光纤光栅（2）、低反射光纤光栅（3）、光纤耦合半导体激光器（4）、泵浦信号合束器（5）、信号传能光纤（6）、泵浦传能光纤（7）、包层光滤除器（8）、光纤端帽（9）；所述高反射光纤光栅（2）、纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤（1）、低反射光纤光栅（3）通过信号传能光纤（6）依次连接，形成光纤激光谐振腔；所述光纤耦合半导体激光器（4）输出激光经过泵浦传能光纤（7）注入泵浦信号合束器（5），然后从泵浦信号合束器（5）传出，通过信号传能光纤（6）注入到所述光纤激光谐振腔中；光纤激光谐振腔输出激光经过包层光滤除器（8）后，由光纤端帽（9）扩束输出；所述纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤（1）包括纤芯（1-1）、内包层（1-2）、外包层（1-3），所述内包层（1-2）包裹住纤芯（1-1），外包层（1-3）包在内包层（1-2）外，整体构成增益光纤，所述纤芯（1-1）和内包层（1-2）横截面的外围尺寸同步地沿光纤长度方向以分区域渐变方式先增大后减小，所述外包层（1-3）横截面的外围尺寸沿光纤长度方向恒定不变；所述纤芯（1-1）的折射率大于内包层（1-2）的折射率，所述内包层（1-2）的折射率大于外包层（1-3）的折射率；纤芯（1-1）和内包层（1-2）在整个光纤长度方向上对应位置的横截面的外围尺寸比恒定；所述纤芯（1-1）包括依次连接的纤芯第一小尺寸区域（1-4）、纤芯第一过渡尺寸区域（1-5）、纤芯大尺寸区域（1-6）、纤芯第二过渡尺寸区域（1-7）和纤芯第二小尺寸区域（1-8）；所述内包层（1-2）包括依次连接的内包层第一小尺寸区域（1-9）、内包层第一过渡尺寸区域（1-10）、内包层大尺寸区域（1-11）、内包层第二过渡尺寸区域（1-12）、内包层第二小尺寸区域（1-13）；所述纤芯（1-1）的横截面为圆形，所述内包层（1-2）的横截面为圆框；所述纤芯（1-1）的纤芯第一小尺寸区域（1-4）和纤芯第二小尺寸区域（1-8）横截面的直径相同，沿光纤长度方向恒定不变且不大于20微米，两者的归一化频率小于3.8；两者数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间、长度均在1~10米范围内；所述纤芯（1-1）的纤芯第一过渡尺寸区域（1-5）和纤芯第二过渡尺寸区域（1-7）的直径渐变率相同，均沿光纤长度方向逐渐变化，其小端的直径不小于与之连接的纤芯第一小尺寸区域（1-4）和纤芯第二小尺寸区域（1-8）的直径，其大端的直径不大于所述纤芯大尺寸区域（1-6）的直径；所述纤芯第一过渡尺寸区域（1-5）和纤芯第二过渡尺寸区域（1-7）的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间；长度均在0.01~1米范围内，两者的直径渐变率相同且直径和归一化频率沿光纤长度变化；两者小端的尺寸和归一化频率不小于纤芯第一小尺寸区域（1-4）和纤芯第二小尺寸区域（1-8）的尺寸和归一化频率、大端的尺寸和归一化频率不大于纤芯大尺寸区域（1-6）的尺寸和归一化频率；所述纤芯大尺寸区域（1-6）的长度1~10米，直径沿光纤长度方向为定值且不小于30微米；所述内包层（1-2）的内包层第一小尺寸区域（1-9）和内包层第二小尺寸区域（1-13）横截面的外直径相同，其外直径沿光纤长度方向恒定不变且不大于400微米，两者的数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变，为0.46；所述内包层（1-2）的内包层第一过渡尺寸区域（1-10）和内包层第二过渡尺寸区域（1-12）的外直径渐变率相同，均沿光纤长度方向逐渐变化；其小端的外直径不小于与之连接的所述内包层第一小尺寸区域（1-9）和内包层第二小尺寸区域（1-13）的外直径，其大端的外直径不大于所述内包层大尺寸区域（1-11）的外直径；所述内包层（1-2）的内包层大尺寸区域（1-11）的外直径沿光纤长度方向恒定不变且不小于600微米，其数值孔径沿光纤长度方向恒定不变为0.46；所述纤芯第一过渡尺寸区域（1-5）和纤芯第二过渡尺寸区域（1-7）的直径沿光纤长度方向的变化方式是凸形函数、凹形函数、线形函数中的一种。

全文数据：基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器技术领域本发明总体地涉及光纤激光器领域，尤其涉及一种基于纤芯包层尺寸分段域渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器。背景技术与主振荡功率放大结构光纤激光器相比，全光纤激光振荡器具有成本低廉、结构紧凑、控制逻辑简单、性能稳定、抗反射回光能力强等优点，在工业加工中有着广泛的应用。随着应用领域的扩展，对光纤激光振荡器的功率需求越来越高。当前，影响全光纤激光振荡器输出功率提升的主要物理限制因素包括模式不稳定效应和受激拉曼散射效应。一般而言，为了抑制模式不稳定，一般需要采用纤芯直径和模场面积较小、归一化频率较低的增益光纤来抑制高阶模式的产生，从而提高激光器输出功率。但是，为了抑制非线性效应、提升受激拉曼散射的阈值，需要采用纤芯直径和模场面积较大的增益光纤。因此，一般而言，抑制横向模式不稳定和受激拉曼散射对于增益光纤模场面积的需求是相互矛盾的，普通结构的全光纤激光器难以平衡此矛盾，进一步提升全光纤激光振荡器的功率遇到了明显的技术瓶颈。当前，全光纤激光器振荡器大都采用纤芯直径沿光纤长度方向均匀变化的增益光纤作为激光器的增益介质，难以平衡模式不稳定效应和受激拉曼散射效应抑制的矛盾。公开报道利用纤芯直径纵向渐变光纤构成激光器，主要是利用拉锥光纤置于激光谐振腔中：专利CN201310069242.1利用拉锥区域轴向长度为1.5～2厘米、相邻两个拉锥区的轴向中心之间间隔4～6米的、总长度大于或等于80m的多锥段光纤，在环形腔激光器中实现稳定的单频激光运转；专利CN201410106212.8利用拉锥光纤锥区直径为4～10微米，长度为0.5～2厘米的锥形光纤固定在可调谐装置上，通过调整装置对拉锥光纤施加不同的应力，在环形激光器中实现不同波长的调谐输出；专利CN201610567283.7利用调制周期为6.8～7.2纳米，锥腰为7.0～7.5微米的拉锥光纤，通过微位移光纤夹上拉伸锥形光纤的长度，在掺铥光纤环形腔中实现激光纵模竞争的抑制和实现波长的调谐，实现了基于拉锥光纤的可调谐2微米波段双波长锁模光纤激光输出。上述利用拉锥光纤构建激光器的方案，拉锥光纤都是单模光纤、且锥区长度都在2厘米以下，主要通过控制锥区的长度或应力来实现波长调谐的或线宽控制，当前这类基于锥形光纤的激光器，未涉及横向模式控制和受激拉曼散射抑制。针对上述问题，专利一种基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器CN201810801634提出了一种新的全光纤激光振荡器方案，其使用的增益光纤纤芯尺寸沿着光纤长度方向先增大后减小，内包层尺寸沿着光纤长度方向恒定不变，能够达到同时抑制模式不稳定与受激拉曼散射的效果。但该专利中的增益光纤在直径渐变的区域以及大直径区域芯包比显著增大，因为泵浦吸收系数与光纤芯包比的平方成正比，所以变化的芯包比使得增益光纤的吸收系数可测性、可实施性较差；同时，芯包比改变的增益光纤无法用常规的预制棒拉制出来，其生产过程需要在预制棒的制作上做出改变，生产难度大。发明内容针对上述已有技术的不足，本发明提供了一种基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，利用纤芯和包层尺寸沿光纤长度方向称为纵向渐变的增益光纤作为全光纤激光振荡器的增益介质，能够同时兼顾模式不稳定抑制和受激拉曼散射的抑制，突破纤芯尺寸沿光纤长度恒定不变光纤激光振荡器中的功率限制，在提高全光纤激光振荡器的输出功率的同时保持良好的光束质量；并且本发明中使用的纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤，其沿光纤方向具有恒定的芯包比，既能够实现沿着增益光纤纵向有着恒定不变的泵浦吸收系数，同时可以利用普通的均匀的预制棒通过控制拉丝速度拉制，能够降低光纤制作的难度，从而降低振荡器的成本。本发明的技术方案是，一种基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，其特征在于，它包括纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤、高反射光纤光栅、低反射光纤光栅、光纤耦合半导体激光器、泵浦信号合束器、信号传能光纤、泵浦传能光纤、包层光滤除器、光纤端帽；所述高反射光纤光栅、纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤、低反射光纤光栅通过信号传能光纤依次连接，形成光纤激光谐振腔；所述光纤耦合半导体激光器输出激光经过泵浦传能光纤注入泵浦信号合束器，然后从泵浦信号合束器传出，通过信号传能光纤注入到所述光纤激光谐振腔中；光纤激光谐振腔输出激光经过包层光滤除器后，由光纤端帽扩束输出；所述纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤包括纤芯、内包层、外包层，所述内包层包裹住纤芯，外包层包在内包层外，整体构成增益光纤，所述纤芯和内包层横截面的外围尺寸同步地沿光纤长度方向以分区域渐变方式先增大后减小，所述外包层横截面的外围尺寸沿光纤长度方向恒定不变；所述纤芯的折射率大于内包层的折射率，所述内包层的折射率大于外包层的折射率，只有满足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，才能够达到全反射条件，光才能在光纤中传输。纤芯和内包层在整个光纤长度方向上对应位置的横截面的外围尺寸比恒定。进一步的，上述纤芯的横截面为圆形、正多边形、椭圆形、半圆形中的一种但不限于所述形状；所述内包层的横截面和外包层的横截面为圆框、正多边形框、椭圆形框、半圆形框中的一种但不限于所述形状；纤芯、内包层和外包层三者横截面的几何中心重合。横截面采用多边形能够减少传播过程中泵浦光出现螺旋光从而导致吸收减弱。进一步的，上述纤芯包括依次连接的纤芯第一小尺寸区域、纤芯第一过渡尺寸区域、纤芯大尺寸区域、纤芯第二过渡尺寸区域和纤芯第二小尺寸区域；所述内包层包括依次连接的内包层第一小尺寸区域、内包层第一过渡尺寸区域、内包层大尺寸区域、内包层第二过渡尺寸区域、内包层第二小尺寸区域。进一步的，上述纤芯的横截面为圆形，所述内包层的横截面为圆框；所述纤芯的纤芯第一小尺寸区域和纤芯第二小尺寸区域横截面的直径相同，沿光纤长度方向恒定不变且不大于20微米，两者的数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间；两者长度均在1～10米范围内、归一化频率小于3.8；所述纤芯的纤芯第一过渡尺寸区域和纤芯第二过渡尺寸区域的直径渐变率相同，均沿光纤长度方向逐渐变化，其小端的直径不小于与之连接的纤芯第一小尺寸区域和纤芯第二小尺寸区域的直径，其大端的直径不大于所述纤芯大尺寸区域的直径；所述纤芯第一过渡尺寸区域和纤芯第二过渡尺寸区域的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间；长度均在0.01～1米范围内，两者的直径渐变率相同且直径和归一化频率沿光纤长度变化；两者小端的尺寸和归一化频率不小于纤芯第一小尺寸区域和纤芯第二小尺寸区域的尺寸和归一化频率、大端的尺寸和归一化频率不大于纤芯大尺寸区域的尺寸和归一化频率；所述纤芯大尺寸区域的长度1～10米，直径沿光纤长度方向为定值且不小于30微米。进一步的，上述内包层的内包层第一小尺寸区域和内包层第二小尺寸区域横截面的外直径相同，其外直径沿光纤长度方向恒定不变且不大于400微米，两者的数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变为0.46；所述内包层的内包层第一过渡尺寸区域和内包层第二过渡尺寸区域的外直径渐变率相同，均沿光纤长度方向逐渐变化；其小端的外直径不小于与之连接的所述内包层第一小尺寸区域和内包层第二小尺寸区域的外直径，其大端的外直径不大于所述内包层大尺寸区域的外直径；所述内包层的内包层大尺寸区域的外直径沿光纤长度方向恒定不变且不小于600微米，其数值孔径沿光纤长度方向恒定不变为0.46。光纤中能够存在的模式和纤芯直径、数值孔径有关，较小的两端的尺寸以及合适的数值孔径能够限制光纤中能够激发的激光模式不到两个，对于模式不稳定有较好的抑制作用，如果光纤的直径参数取得太大，则会产生很多的高阶模式；纤芯中部的较大直径能够降低纤芯中的功率密度，能够抑制受激拉曼散射，此区域的直径太小会降低受激拉曼散射阈值。进一步的，上述纤芯第一过渡尺寸区域和纤芯第二过渡尺寸区域的直径沿光纤长度方向的变化方式是凸形函数、凹形函数、线形函数中的一种。例如以抛物线函数为例，可使其沿光纤长度方向的直径d与小端直径d1，大端直径d2、渐变区长度L和增益光纤纵向的位置z之间满足如下函数关系：d＝d1+bz+b0-bz2L，b0＝d2-d1L，改变参数b的取值就可以得到不同的凸形，凹形，线形的变化函数。尺寸变化的函数关系不限于此。进一步的，本发明的基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器还包括后向泵浦信号合束器，所述后向泵浦信号合束器设置在低反射光纤光栅和包层光滤除器之间；所述后向泵浦信号合束器包括一个信号输入臂、一个信号输出臂，一个或多个泵浦输入臂；所述后向泵浦信号合束器的输出信号臂与低反射光纤光栅通过信号传能光纤连接，其信号输入臂与包层光滤除器通过信号传能光纤连接，其泵浦输入臂与另外一组光纤耦合半导体激光器通过泵浦传能光纤连接。进一步的，上述纤芯尺寸纵向分区渐变的增益光纤为掺稀土离子的增益光纤，用于激光产生和传输的光纤；且光纤的横截面结构选自双包层或三包层结构的光纤横截面结构中的一种；纤芯的外包层的直径在250～2000微米之间；所述高反射光纤光栅是激光谐振腔的高反射器件，其反射率大于90％，反射中心波长与所述低反射光纤光栅的中心波长匹配，高反射光纤光栅的光纤纤芯直径与信号传能光纤的直径匹配，用于将信号激光的绝大部分反射回谐振腔内。进一步的，上述低反射光纤光栅的反射率在4％～50％范围内，其纤芯直径与信号传能光纤的直径匹配，是激光谐振腔的低反射与输出端，用于将部分信号反射会谐振腔内，大部分激光输出到谐振腔外；所述光纤耦合半导体激光器是纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤产生上能级粒子的激励源，它包括与纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤吸收峰匹配的各个波段的半导体激光器，所述各个波段的半导体激光器包括波段为808纳米、915纳米、940纳米、976纳米、1550纳米中的一个或多个的组合。进一步的，上述泵浦信号合束器有单个或多个泵浦臂、一个信号输出臂，一组光纤耦合半导体激光器通过泵浦传能光纤连接至泵浦信号合束器的泵浦臂，以使光纤耦合半导体激光器发出的泵浦光通过泵浦臂耦合到泵浦信号合束器的信号输出臂的光纤内包层中，最终实现泵浦光在泵浦信号合束器的中传输；所述信号传能光纤为用于激光传输的非掺稀土离子光纤，其横截面结构为双包层或三包层结构；其纤芯直径在10～1000微米，内包层直径在100～2000微米之间；外包层直径在250～3000微米之间；所述泵浦传能光纤为用于泵浦激光传输的非掺稀土子光纤，其横截面结构为单包层结构；其纤芯直径在10～1000微米，包层直径在100～2000微米之间。进一步的，上述包层光滤除器的几何尺寸与信号传能光纤几何尺寸一致，用于滤除信号光纤中的残留泵浦光和高阶模式；所述光纤端帽用于将信号传能光纤中的信号光扩束输出，降低输出端面的功率密度，提高激光器的可靠性。采用本发明可以达到以下技术效果：1、有效抑制光纤振荡器中的模式不稳定：利用纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤小尺寸区域，仅支撑不到2个模式、同时通过控制单模增益光纤的弯曲直径小于一定值，可以有效抑制振荡器中的高阶模式产生，保证单模运转、有效抑制光纤激光器中的横向模式不稳定效应。2、有效抑制光纤振荡器中的受激拉曼散射：利用纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤的大尺寸区域，可以降低纤芯中的有效功率密度，提高受激拉曼散射的阈值。且采用的光纤在设计时存在可变的渐变区域，可以通过变化方式的优化获得使受激拉曼散射阈值最低的光纤设计，应用到激光振荡器中效果更好。3、获得高功率高光束质量的激光输出：利用激光谐振腔的自在现效应，可同时兼顾模式不稳定抑制、受激拉曼散射的抑制，突破纤芯尺寸沿光纤长度恒定不变光纤中的功率限制，在提高全光纤激光振荡器的输出功率的同时保持良好的光束质量。4、采用的增益光纤沿光纤纵向有着恒定芯包比和吸收系数，可以很容易地根据需求取合适的光纤长度来满足要求。且光纤制作工艺简单，能够减少激光振荡器地成本。附图说明从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：图1是本发明实施例的一种基于纤芯包层尺寸分段渐变的纺锤形增益光纤的全光纤激光振荡器示意图；图2是本发明实施例的纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤结构示意图；图3是本发明实施例的一种基于纤芯包层尺寸分段渐变的纺锤形增益光纤的双端泵浦全光纤激光振荡器示意图。具体实施方式为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。实施例1一种纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤1，其结构如图2所示，从内到外包括纤芯1-1、内包层1-2、外包层1-3；从内到外包括纤芯1-1、内包层1-2、外包层1-3，内包层1-2包裹住纤芯1-1，外包层1-3包在内包层1-2外，整体构成增益光纤，所述纤芯1-1和内包层1-2横截面的外围尺寸同步地沿光纤长度方向以分区域渐变方式先增大后减小，所述外包层1-3横截面的外围尺寸沿光纤长度方向恒定不变；所述纤芯1-1的折射率大于内包层1-2的折射率，所述内包层1-2的折射率大于外包层1-3的折射率，所述纤芯1-1和内包层1-2在整个光纤长度方向上对应位置的横截面的外围尺寸比恒定；其中纤芯1-1包括依次连接的纤芯第一小尺寸区域1-4、纤芯第一过渡尺寸区域1-5、纤芯大尺寸区域1-6、纤芯第二过渡尺寸区域1-7和纤芯第二小尺寸区域1-8；所述内包层1-2包括依次连接的内包层第一小尺寸区域1-9、内包层第一过渡尺寸区域1-10、内包层大尺寸区域1-11、内包层第二过渡尺寸区域1-12、内包层第二小尺寸区域1-13；所述纤芯1-1的横截面为圆形、正多边形、椭圆形、半圆形中的一种但不限于所述形状；所述内包层1-2的横截面和外包层1-3的横截面为圆框、正多边形框、椭圆形框、半圆形框中的一种但不限于所述形状；纤芯1-1、内包层1-2和外包层1-3三者横截面的几何中心重合。本实施例的纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤1优选设计如下：所述纤芯1-1的横截面为圆形，所述内包层1-2的横截面为圆框；所述纤芯1-1的纤芯第一小尺寸区域1-4和纤芯第二小尺寸区域1-8横截面的直径相同，沿光纤长度方向恒定不变且不大于20微米，两者的数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间；两者长度均在1～10米范围内、归一化频率小于3.8；所述纤芯1-1的纤芯第一过渡尺寸区域1-5和纤芯第二过渡尺寸区域1-7的直径渐变率相同，均沿光纤长度方向以分区域渐变方式先变大后变小，其小端的直径不小于与之连接的纤芯第一小尺寸区域1-4和纤芯第二小尺寸区域1-8的直径，其大端的直径不大于所述纤芯大尺寸区域1-6的直径；所述纤芯第一过渡尺寸区域1-5和纤芯第二过渡尺寸区域1-7的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间；长度均在0.01～1米范围内，两者的直径渐变率相同且直径和归一化频率沿光纤长度变化；两者小端的尺寸和归一化频率不小于纤芯第一小尺寸区域1-4和纤芯第二小尺寸区域1-8的尺寸和归一化频率、大端的尺寸和归一化频率不大于纤芯大尺寸区域1-6的尺寸和归一化频率；所述纤芯大尺寸区域1-6的长度1～10米，直径沿光纤长度方向为定值且不小于30微米。内包层1-2的内包层第一小尺寸区域1-9和内包层第二小尺寸区域1-13横截面的外直径相同，其外直径沿光纤长度方向恒定不变且不大于400微米，两者的数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变为0.46；所述内包层1-2的内包层第一过渡尺寸区域1-10和内包层第二过渡尺寸区域1-12的外直径渐变率相同，均沿光纤长度方向以分区域逐渐变化方式先变大后变小；其小端的外直径不小于与之连接的所述内包层第一小尺寸区域1-9和内包层第二小尺寸区域1-13的外直径，其大端的外直径不大于所述内包层大尺寸区域1-11的外直径；所述内包层1-2的内包层大尺寸区域1-11的外直径沿光纤长度方向恒定不变且大于等于600微米，其数值孔径沿光纤长度方向恒定不变为0.46。其中纤芯第一过渡尺寸区域1-5和纤芯第二过渡尺寸区域1-7的直径沿光纤长度方向的变化方式是凸形函数、凹形函数、线形函数中的一种。例如以抛物线函数为例，可使其沿光纤长度方向的直径d与小端直径d1，大端直径d2、渐变区长度L和增益光纤纵向的位置z之间满足如下函数关系：d＝d1+bz+b0-bz2L，b0＝d2-d1L，改变参数b的取值就可以得到不同的凸形，凹形，线形的变化函数。尺寸变化的函数关系不限于此。增益光纤的纤芯包层比沿光纤纵向保持定值，使得光纤的生产制作工艺简单，易于大量生产。恒定的纤芯包层比保证光纤有着确定的吸收系数，参数可测量性以及可实施性更好。同时，渐变区域在设计时可以根据需要进行调整，例如可以优化渐变过程，来提高受激拉曼散射阈值或者模式不稳定阈值，也可以优化各区域的长度，满足多样化的应用需求。实施例2一种基于纤芯包层尺寸分段渐变的纺锤形增益光纤的全光纤激光振荡器，结构示意图如图1所示，包括纤芯直径纵向渐变增益光纤1、高反射光纤光栅2、低反射光纤光栅3、光纤耦合半导体激光器4、泵浦信号合束器5、信号传能光纤6、泵浦传能光纤7、包层光滤除器8、光纤端帽9；其中高反射光纤光栅2、纤芯直径纵向渐变增益光纤1、低反射光纤光栅3通过信号传能光纤6依次连接形成光纤激光谐振腔，光纤耦合半导体激光器4输出激光经过泵浦传能光纤7注入泵浦信号合束器5，然后经由泵浦信号合束器5注入到光纤激光谐振腔，光纤激光谐振腔输出激光经过包层光滤除器8后，由光纤端帽9扩束输出。其中纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤1采用实施例1所述的纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤1，纤芯第一小尺寸区域1-4和纤芯第二小尺寸区域1-8的长度10米、直径为15微米、数值孔径0.055；纤芯大尺寸区域1-6的长度10米、直径为50微米、数值孔径0.065；纤芯第一过渡尺寸区域1-5和纤芯第二过渡尺寸区域1-7的长度均为1米、小端的直径为15微米、与纤芯第一小尺寸区域1-4和纤芯第二小尺寸区域1-8连接，其大端的直径为50微米，与纤芯大尺寸区域1-6连接；内包层1-2的内包层第一小尺寸区域1-9和内包层第二小尺寸区域1-13横截面的外直径相同，沿光纤长度方向恒定不变且不大于400微米，长度与纤芯第一小尺寸区域1-4和纤芯第二小尺寸区域1-8保持一致；内包层大尺寸区域1-11的外直径沿光纤长度方向恒定不变不小于600微米，长度与纤芯大尺寸区域1-6保持一致；且纤芯第一小尺寸区域1-4中的归一化频率小于2.4，纤芯第一小尺寸区域1-4增益光纤为严格单模光纤，仅支持基模在激光谐振腔中运转，可不需要特殊的光纤弯曲即以实现有效的模式不稳定的抑制。此例应用中的光纤在选取长度时，既要保证对泵浦光有足够的吸收，又不能造成吸收过度产生不良影响。纤芯包层尺寸纵向分区域渐变纺锤形增益光纤有着恒定的泵浦吸收系数，可以很容易根据需要选取需要的长度。且该光纤的制作工艺简单，能够降低振荡器的成本。实施例3一种基于纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤的双端泵浦全光纤激光振荡器，结构示意图如图3所示，包括纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤1、高反射光纤光栅2、低反射光纤光栅3、光纤耦合半导体激光器4、前向泵浦信号合束器5、信号传能光纤6、泵浦传能光纤7、包层光滤除器8、光纤端帽9、后向泵浦信号合束器10，该激光振荡器的结构与实施例1中的结构基本相同，不同之处在于，在低反射光纤光栅3和包层光滤除器8之间插入后向泵浦信号合束器10，后向泵浦信号合束器10包括一个信号输入臂、一个信号输出臂，一个或多个泵浦输入臂。高反射光纤光栅2、纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤1、低反射光纤光栅3通过信号传能光纤6依次连接形成光纤激光谐振腔，光纤耦合半导体激光器4输出激光经过泵浦传能光纤7注入泵浦信号合束器5，然后经由泵浦信号合束器5注入到光纤激光谐振腔，光纤激光谐振腔输出激光经过包层光滤除器8后，由光纤端帽9扩束输出；另一组光纤耦合半导体激光器4输出激光经过泵浦传能光纤7注入后向泵浦信号合束器10，经由后向泵浦信号合束器10注入光纤激光谐振腔中。本实施例中的纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤1同样采用实施例1中的纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤1，纤芯第一小尺寸区域1-4和纤芯第二小尺寸区域1-8的长度10米、直径为20微米、数值孔径0.06；纤芯大尺寸区域1-6的长度10米、直径为50微米、数值孔径0.065；纤芯第一过渡尺寸区域1-5和纤芯第二过渡尺寸区域1-7的长度长度1米、小端的尺寸为20微米，小端与纤芯第一小尺寸区域1-4和纤芯第二小尺寸区域1-8连接，其大端的直径为50微米，与纤芯大尺寸区域1-6连接；内包层1-2的内包层第一小尺寸区域1-9和内包层第二小尺寸区域1-13横截面的外直径相同，沿光纤长度方向恒定不变为400微米，长度与纤芯第一小尺寸区域1-4和纤芯第二小尺寸区域1-8保持一致；内包层大尺寸区域1-11的外直径沿光纤长度方向恒定不变为600微米，长度与纤芯大尺寸区域1-6保持一致；且纤芯第一小尺寸区域1-4的归一化频率在2.4到3.8之间，支持LP01和LP11两个模式，需要将纤芯第一小尺寸区域1-4和纤芯第二小尺寸区域1-8弯曲为直径小于12厘米的圆环来增加高阶模式的损耗、抑制模式不稳定效应、实现有效的基模LP01运转。此例应用中的光纤在选取长度时，既要保证对泵浦光有足够的吸收，又不能造成吸收过度产生不良影响。纤芯包层尺寸纵向分区域渐变纺锤形增益光纤有着恒定的泵浦吸收系数，可以很容易根据需要选取需要的长度。且该光纤的制作工艺简单，能够降低振荡器的成本。以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

权利要求：1.一种基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，其特征在于，它包括纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤1、高反射光纤光栅2、低反射光纤光栅3、光纤耦合半导体激光器4、泵浦信号合束器5、信号传能光纤6、泵浦传能光纤7、包层光滤除器8、光纤端帽9；所述高反射光纤光栅2、纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤1、低反射光纤光栅3通过信号传能光纤6依次连接，形成光纤激光谐振腔；所述光纤耦合半导体激光器4输出激光经过泵浦传能光纤7注入泵浦信号合束器5，然后从泵浦信号合束器5传出，通过信号传能光纤6注入到所述光纤激光谐振腔中；光纤激光谐振腔输出激光经过包层光滤除器8后，由光纤端帽9扩束输出；所述纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤1包括纤芯1-1、内包层1-2、外包层1-3，所述内包层1-2包裹住纤芯1-1，外包层1-3包在内包层1-2外，整体构成增益光纤，所述纤芯1-1和内包层1-2横截面的外围尺寸同步地沿光纤长度方向以分区域渐变方式先增大后减小，所述外包层1-3横截面的外围尺寸沿光纤长度方向恒定不变；所述纤芯1-1的折射率大于内包层1-2的折射率，所述内包层1-2的折射率大于外包层1-3的折射率；纤芯1-1和内包层1-2在整个光纤长度方向上对应位置的横截面的外围尺寸比恒定。2.如权利要求1所述的基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，其特征在于，所述纤芯1-1的横截面为圆形、正多边形、椭圆形、半圆形中的一种；所述内包层1-2的横截面和外包层1-3的横截面为圆框、正多边形框、椭圆形框、半圆形框中的一种；纤芯1-1、内包层1-2和外包层1-3三者横截面的几何中心重合。3.如权利要求2所述的基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，其特征在于，所述纤芯1-1包括依次连接的纤芯第一小尺寸区域1-4、纤芯第一过渡尺寸区域1-5、纤芯大尺寸区域1-6、纤芯第二过渡尺寸区域1-7和纤芯第二小尺寸区域1-8；所述内包层1-2包括依次连接的内包层第一小尺寸区域1-9、内包层第一过渡尺寸区域1-10、内包层大尺寸区域1-11、内包层第二过渡尺寸区域1-12、内包层第二小尺寸区域1-13。4.如权利要求3所述的基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，其特征在于，所述纤芯1-1的横截面为圆形，所述内包层1-2的横截面为圆框；所述纤芯1-1的纤芯第一小尺寸区域1-4和纤芯第二小尺寸区域1-8横截面的直径相同，沿光纤长度方向恒定不变且不大于20微米，两者的归一化频率小于3.8；两者数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间、长度均在1～10米范围内、；所述纤芯1-1的纤芯第一过渡尺寸区域1-5和纤芯第二过渡尺寸区域1-7的直径渐变率相同，均沿光纤长度方向逐渐变化，其小端的直径不小于与之连接的纤芯第一小尺寸区域1-4和纤芯第二小尺寸区域1-8的直径，其大端的直径不大于所述纤芯大尺寸区域1-6的直径；所述纤芯第一过渡尺寸区域1-5和纤芯第二过渡尺寸区域1-7的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间；长度均在0.01～1米范围内，两者的直径渐变率相同且直径和归一化频率沿光纤长度变化；两者小端的尺寸和归一化频率不小于纤芯第一小尺寸区域1-4和纤芯第二小尺寸区域1-8的尺寸和归一化频率、大端的尺寸和归一化频率不大于纤芯大尺寸区域1-6的尺寸和归一化频率；所述纤芯大尺寸区域1-6的长度1～10米，直径沿光纤长度方向为定值且不小于30微米。5.如权利要求3所述的基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，其特征在于，所述内包层1-2的内包层第一小尺寸区域1-9和内包层第二小尺寸区域1-13横截面的外直径相同，其外直径沿光纤长度方向恒定不变且不大于400微米，两者的数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变，为0.46；所述内包层1-2的内包层第一过渡尺寸区域1-10和内包层第二过渡尺寸区域1-12的外直径渐变率相同，均沿光纤长度方向逐渐变化；其小端的外直径不小于与之连接的所述内包层第一小尺寸区域1-9和内包层第二小尺寸区域1-13的外直径，其大端的外直径不大于所述内包层大尺寸区域1-11的外直径；所述内包层1-2的内包层大尺寸区域1-11的外直径沿光纤长度方向恒定不变且不小于600微米，其数值孔径沿光纤长度方向恒定不变为0.46。6.如权利要求4所述的基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，其特征在于，所述纤芯第一过渡尺寸区域1-5和纤芯第二过渡尺寸区域1-7的直径沿光纤长度方向的变化方式是凸形函数、凹形函数、线形函数中的一种。7.根据权利要求4所述的基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，其特征在于，还包括后向泵浦信号合束器10，所述后向泵浦信号合束器10设置在低反射光纤光栅3和包层光滤除器8之间；所述后向泵浦信号合束器10包括一个信号输入臂、一个信号输出臂，一个或多个泵浦输入臂；所述后向泵浦信号合束器10的输出信号臂与低反射光纤光栅3通过信号传能光纤6连接，其信号输入臂与包层光滤除器8通过信号传能光纤6连接，其泵浦输入臂与另外一组光纤耦合半导体激光器通过泵浦传能光纤7连接。8.根据权利要求4所述的基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，其特征在于，所述纤芯尺寸纵向分区渐变的增益光纤1为掺稀土离子的增益光纤，用于激光产生和传输的光纤；且光纤的横截面结构选自双包层或三包层结构的光纤横截面结构中的一种；纤芯的外包层1-3的直径在250～2000微米之间；所述高反射光纤光栅2是激光谐振腔的高反射器件，其反射率大于90％，反射中心波长与所述低反射光纤光栅3的中心波长匹配，高反射光纤光栅2的光纤纤芯直径与信号传能光纤6的直径匹配，用于将信号激光的绝大部分反射回谐振腔内；所述低反射光纤光栅3的反射率在4％～50％范围内，其纤芯直径与信号传能光纤6的直径匹配，是激光谐振腔的低反射与输出端，用于将部分信号反射会谐振腔内，大部分激光输出到谐振腔外；所述光纤耦合半导体激光器4是纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤1产生上能级粒子的激励源，它包括与纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤1吸收峰匹配的各个波段的半导体激光器，所述各个波段的半导体激光器包括波段为808纳米、915纳米、940纳米、976纳米、1550纳米中的一个或多个的组合。9.根据权利要求7或8所述的基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，其特征在于，所述泵浦信号合束器5有单个或多个泵浦臂、一个信号输出臂，一组光纤耦合半导体激光器4通过泵浦传能光纤7连接至泵浦信号合束器5的泵浦臂，以使光纤耦合半导体激光器4发出的泵浦光通过泵浦臂耦合到泵浦信号合束器5的信号输出臂的光纤内包层中，最终实现泵浦光在泵浦信号合束器5的中传输；所述信号传能光纤6为用于激光传输的非掺稀土离子光纤，其横截面结构为双包层或三包层结构；其纤芯直径在10～1000微米，内包层直径在100～2000微米之间；外包层直径在250～3000微米之间；所述泵浦传能光纤7为用于泵浦激光传输的非掺稀土子光纤，其横截面结构为单包层结构；其纤芯直径在10～1000微米，包层直径在100～2000微米之间。10.根据权利要求9所述的基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，其特征在于，所述包层光滤除器8的几何尺寸与信号传能光纤几何尺寸一致，用于滤除信号光纤中的残留泵浦光和高阶模式；所述光纤端帽9用于将信号传能光纤6中的信号光扩束输出，降低输出端面的功率密度，提高激光器的可靠性。

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