CN102508333A - 双包层全固态光子晶体光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种双包层全固态光子晶体光纤及其制备方法，该双包层全固态光子晶体光纤包括纤芯、内包层和外包层，该光纤具有外表面为圆形的外包层，内包层为带有锯齿结构的六角形的光纤。其制备方法是利用具有内六角结构金属套筒作为模具，堆叠法制备光子晶体光纤预制棒，用折射率较低的玻璃代替包层空气孔，使光纤的制作工艺和熔接更简便。利用拉丝过程中玻璃的表面张力，形成外表面为圆形，内包层为带有锯齿结构的六角形的光纤。提高光纤的泵浦光吸收系数，有效提高耦合效率、泵浦光吸收系数，输出激光功率和效率较之前传统结构双包层光纤提高一倍多。

Description

双包层全固态光子晶体光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及光子晶体光纤，特别是一种双包层全固态光子晶体光纤及其制备方法。
背景技术
光子晶体光纤是在包层中引入规则排布的低折射率区，使包层的有效折射率降低形成波导，并具有较好的模式和色散特性，在大功率光纤激光、超快光纤激光器等领域有重要应用。光子晶体光纤独特的结构也给实际应用带来了诸多的困难，如多孔的包层结构使制作工艺较为困难，特别是基质玻璃为多组分玻璃时，由于玻璃材料的性能较差(软化点附近，黏度曲线随温度变化较大)，光纤拉丝过程中要保持包层空气孔不发生畸变，必须给空气孔施加一定的压力平衡玻璃的表面张力，这极大地增加了光纤的制作难度，光纤的光学性能也会受到一定的影响。另外，多孔结构使光子晶体光纤与传统光纤熔接极为困难，这不利于激光系统的全光纤化。
大功率光纤激光、超快光纤激光器要求作为增益介质的光纤具有较高的增益系数。要求主要包括两个方面，一是纤芯具有较高掺杂浓度，二是光纤具有较高泵浦光吸收系数。最佳的掺杂浓度对于具体的玻璃可以较为方便地得到。由于材料本身的特性和制作工艺的限制，多组分玻璃光纤的传输损耗通常要比石英光纤大出很多，泵浦光吸收系数是影响增益光纤性能的主要因素。目前提高光纤泵浦光吸收系数的方法主要有两种：第一，采用D形、多边形等非圆对称内包层，抑制内包层稳态模。第二，纤芯偏离内包层几何中心，同时在纤芯几何对称位置加入缺陷(如空气孔等)，目的也是抑制内包层稳态模。商用的双包层光纤多是采用第一种方法，内包层的形状通过冷加工的办法实现。这样以来，光纤的损耗难以控制，制作成本较高。第二种方案也可以有效提高泵浦光吸收系数，但由于纤芯偏离光纤几何中心，熔接困难，与光纤系统的兼容性变差。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种双包层全固态光子晶体光纤及其制备方法，基于光子晶体光纤的结构和堆叠法制作工艺，用折射率较低的玻璃代替包层空气孔，并用具有相似热学参数的低折射率玻璃来充当外包层，得到六角形光纤预制棒。
本发明的技术解决方案如下：
一种双包层全固态光子晶体光纤，包括纤芯、内包层和外包层，其特点在于该光纤具有外表面为圆形的外包层，内包层为带有锯齿结构的六角形的光纤。
上述的双包层全固态光子晶体光纤的制备方法，其特点在于包括下列步骤：
①制备外径均匀的玻璃棒：
在超净室通过管棒法和拉丝方法制成第一玻璃棒、第二玻璃棒和第三玻璃棒，所述的第二玻璃棒是无掺杂玻璃的均匀细棒，第三玻璃棒是掺杂玻璃的均匀细棒，所述的第一玻璃棒是具有核芯的包层玻璃的均匀细棒，其核芯玻璃折射率较低，外包层玻璃的折射率较高，然后根据制备双包层全固态光子晶体光纤的需要将所述的均匀的第一玻璃棒、第二玻璃棒和第三玻璃棒用宝石刀或金刚石截成相同的长度L；
②光纤预制棒的制备：
在具有内六角形金属套筒模具里按密堆积方式排列第一玻璃棒共m层，然后用第二玻璃棒替换最外n层的第一玻璃棒，再用第三玻璃棒替换中心的第一玻璃棒；将已装入该内六角形金属套筒模具里的而裸露的部分共m层玻璃棒套在另一个结构相同的内六角形金属套筒模具内；再将该内六角形金属套筒模具及其内玻璃棒竖直在高温炉内进行烧结并经退火，该光纤预制棒的烧结温度高于该玻璃软化点30～200℃，略低于拉丝温度，预制棒直立以消除重力导致的畸变，从所述的内六角形金属套筒模具脱模后获得光纤预制棒；
③拉制光纤：
在较预制棒的烧结温度高的温度下拉制光纤，玻璃表面张力的作用会使光纤形成外表面为圆形，内包层为带有锯齿结构的六角形的光纤。
所述的无掺杂的白玻璃为石英玻璃、磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、碲酸盐玻璃或氟化物玻璃。
所述的m的取值为10～25，所述的n≥3，所述的第一玻璃棒、第二玻璃棒和第三玻璃棒外径的取值范围为0.6～3mm，所述的n≥3，所述的第一玻璃棒、第二玻璃棒和第三玻璃棒的截取长度L的取值范围为5～20cm。
所述的内六角形金属套筒模具的长度为L/2。
本发明利用具有内六角结构金属套筒作为模具，堆叠法制备光子晶体光纤预制棒，用折射率较低的玻璃代替包层空气孔，并用具有相似热学参数的低折射率玻璃来充当外包层，得到六角形光纤预制棒。利用拉丝过程中玻璃的表面张力，形成外表面为圆形，内包层为带有锯齿结构的六角形的光纤。提高光纤的泵浦光吸收系数，并简化光子晶体光纤制备和熔接工艺。
本发明与现有技术相比的优点在于：
结合光子晶体光纤的制备工艺特点，用折射率较低的玻璃代替空气孔和最外几层的光子晶体单元，一方面引入边界为锯齿结构的六角形内包层，使泵浦光吸收系数增加，较之前的圆形内包层双包层光子晶体光纤增加一倍多；另一方面，全固态的内包层结构和玻璃外包层，使光子晶体光纤的拉制和熔接工艺简化，激光的破坏阈值提高，还极大提高光纤的散热性能，使激光输出功率增加。
附图说明
图1是本发明光纤预制棒和内六角结构金属套筒模具的截面示意图
图2是本发明双包层全固态光子晶体光纤截面示意图
图3是激光实验示意图
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1和图2，图1是本发明光纤预制棒和内六角结构金属套筒模具的截面示意图，图2是本发明双包层全固态光子晶体光纤截面示意图，由图可见，本发明双包层全固态光子晶体光纤，包括纤芯、内包层和外包层，该光纤具有外表面为圆形的外包层，内包层为带有锯齿结构的六角形的光纤。
上述的双包层全固态光子晶体光纤的制备方法，包括下列步骤：
①制备外径均匀的玻璃棒：
在超净室通过管棒法和拉丝方法制成第一玻璃棒1、第二玻璃棒2和第三玻璃棒3，所述的第二玻璃棒2是无掺杂玻璃的均匀细棒，第三玻璃棒3是掺杂玻璃的均匀细棒，所述的第一玻璃棒1是具有核芯的包层玻璃的均匀细棒，其核芯玻璃折射率较低，外包层玻璃的折射率较高，然后根据制备双包层全固态光子晶体光纤的需要将所述的均匀的第一玻璃棒1、第二玻璃棒2和第三玻璃棒3用宝石刀或金刚石截成相同的长度L；
②光纤预制棒的制备：
在具有内六角形金属套筒模具里按密堆积方式排列第一玻璃棒1共m层，然后用第二玻璃棒2替换最外n层的第一玻璃棒1，再用第三玻璃棒3替换中心的第一玻璃棒1；参见图1，将已装入该内六角形金属套筒模具里的而裸露的部分共m层玻璃棒套在另一个结构相同的内六角形金属套筒模具内；再将该内六角形金属套筒模具及其内玻璃棒竖直在高温炉内进行烧结并经退火，该光纤预制棒的烧结温度高于该玻璃软化点30～200℃，略低于拉丝温度，预制棒直立以消除重力导致的畸变，从所述的内六角形金属套筒模具脱模后获得光纤预制棒；
③拉制光纤：
在较预制棒的烧结温度高的温度下拉制光纤，玻璃表面张力的作用会使光纤形成外表面为圆形5，内包层7为带有锯齿结构6的六角形的光纤，参见图2。
下面是本发明的实施例。
实施例1
用磷酸盐玻璃作为基质玻璃，第一玻璃棒1(包层)、第二玻璃棒2、第三玻璃棒3的折射率分别为(d线)1.500、1.536、1.537，第一玻璃棒1、第二玻璃棒2无稀土掺杂，第三玻璃棒3为Nd掺杂，浓度为3.5×1020cm-3，三种玻璃棒的外径为1mm(误差小于1％)，长度为8.5cm。三中玻璃棒1、2、3的软化点在450℃-460℃；在内六角形结构金属套筒堆积成预制棒，在540℃烧结15min，并在430℃退火10h，得到较为完整的截面为六角形的，外径为17.5mm的预制棒。第一玻璃棒1的芯径和外径比为6∶23，数值决定了光子晶体包层d与Λ的比值。在600℃下拉丝(比普通拉丝高40℃)，得到较为理想的光纤。
用光纤作为增益介质，制作大功率激光器，并与用同种磷酸盐玻璃制备的具有同样的数值孔径的普通双包层光纤对比。激光实验的示意图如图3所示，8为耦合透镜，9为HR1053HT793的双色镜，10为增益光纤。两种光纤的芯径、内包层和外径大致一样，分别为25μm、300μm、450μm。普通双包层光纤的泵浦光吸收系数为8dB/m，而用本发明方法制作的双包层全固态光纤的泵浦光吸收系数达到19dB/m，同样30W的泵浦条件下两者的最大输出功率分别为2.8W和7.9W，光束质量因子分别为6.5和2.3。
实施例2
石英玻璃作为基质材料，具有包层的第一玻璃棒1、第二玻璃棒2、第三玻璃棒3分别为普通石英玻璃、氟掺杂石英玻璃、稀土掺杂玻璃，外径为0.6mm(误差小于2％)，长为20cm。第三玻璃棒3为Yb掺杂，浓度为2000ppm。金属套筒内密堆积25层第一玻璃棒1。用第二玻璃棒2替换最外面5层第一玻璃棒1，用第三玻璃棒3替换中心的第一玻璃棒1，1800℃下烧结20min。2100℃下拉丝，得到双包层全固态光纤。
用图3装置检测光纤的吸收系数和激光性能，976nm处的吸收系数达到15dB/m，较用同种材料得到的普通双包层光纤(6.5dB/m)高出一倍多。增益光纤10长度为30cm，外径300微米，谐振腔为双色镜和光纤自然反射面组成，泵浦光最大功率为15W，普通双包层光纤激光输出功率和光束质量因子分别为1.6W、5，而用本发明制作的双包层全固态光子晶体光纤输出功率达到4.2W，光束质量因子为1.48.
实施例3
选择碲酸盐玻璃和磷酸盐玻璃为基质材料。第一玻璃棒1包层(d线折射率2.10)、第三玻璃棒3(d线折射率2.102)为碲酸盐玻璃，软化点420℃，热膨胀系数120，第三玻璃棒3为Tm掺杂，摩尔浓度2％。第一玻璃棒1芯层和第二玻璃棒2为磷酸盐玻璃(d线折射率1.50)，软化点430℃，热膨胀系数107。d与Λ的比值为6∶20，玻璃棒的长度为6cm，外径为3mm。在金属套筒密堆积排列10层第一玻璃棒1，用第二玻璃棒2替换最外层3层第一玻璃棒1，第三玻璃棒3替换中心的第一玻璃棒1。保持预制棒直立状态460℃下烧结10min，退火，并在520℃下拉丝。用外径为300微米的光纤测量吸收系数和激光试验，泵浦光波长793nm，实验装置如图3所示。泵浦光吸收系数为20dB/m，而具有几乎相同芯径、内包层直径、数值孔径的普通双包层光纤的吸收系数仅为8dB/m。泵浦光的破坏阈值大于50W，而普通结构的光子晶体光纤破坏阈值为28W。

Claims (4)

1.一种双包层全固态光子晶体光纤，包括纤芯、内包层和外包层，其特征在于该光纤具有外表面为圆形的外包层(5)，内包层(7)为带有锯齿结构(6)的六角形的光纤。
2.权利要求1所述的双包层全固态光子晶体光纤的制备方法，其特征在于包括下列步骤：
①制备外径均匀的玻璃棒：
在超净室通过管棒法和拉丝方法制成第一玻璃棒(1)、第二玻璃棒(2)和第三玻璃棒(3)，所述的第二玻璃棒(2)是无掺杂玻璃的均匀细棒，第三玻璃棒(3)是掺杂玻璃的均匀细棒，所述的第一玻璃棒(1)是具有包层结构的均匀细棒，其核芯玻璃折射率较低，包层玻璃的折射率较高，然后根据制备双包层全固态光子晶体光纤的需要将所述的均匀的第一玻璃棒(1)、第二玻璃棒(2)和第三玻璃棒(3)用宝石刀或金刚石截成相同的长度L；
②光纤预制棒的制备：
在具有内六角形金属套筒模具里按密堆积方式排列第一玻璃棒(1)共m层，然后用第二玻璃棒(2)替换最外n层的第一玻璃棒(1)，再用第三玻璃棒(3)替换中心的第一玻璃棒(1)；所述的内六角形金属套筒长度为L/2，将已装入该内六角形金属套筒1里的而裸露的部分共m层玻璃棒套在另一个结构相同的内六角形金属套筒2内；再将该内六角形金属套筒模具及其内玻璃棒竖直在高温炉内进行烧结并经退火，该光纤预制棒的烧结温度高于该玻璃软化点30～200℃，略低于拉丝温度，预制棒直立以消除重力导致的畸变，从所述的内六角形金属套筒模具脱模后获得光纤预制棒；
③拉制光纤：
在较预制棒的烧结温度高的温度下拉制光纤，玻璃表面张力的作用会使光纤形成外表面为圆形(5)，内包层(7)为带有锯齿结构(6)的六角形的光纤。
3.根据权利要求2所述的双包层全固态光子晶体光纤的制备方法，其特征在于所述的无掺杂的白玻璃为石英玻璃、磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、碲酸盐玻璃或氟化物玻璃。
4.根据权利要求2所述的双包层全固态光子晶体光纤的制备方法，其特征在于所述的m的取值为10～25，所述的n≥3，所述的第一玻璃棒(1)、第二玻璃棒(2)和第三玻璃棒(3)外径的取值范围为0.6～3mm，所述的n≥3，所述的第一玻璃棒(1)、第二玻璃棒(2)和第三玻璃棒(3)的截取长度L的取值范围为5～20cm。
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