CN102621626A - 近单模准渐变折射率大模场增益光纤及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种近单模准渐变折射率大模场增益光纤及制备方法，该增益光纤包括纤芯、包裹于纤芯外部的包层以及设置在增益纤芯和包层之间的环形增益区。本发明提供了一种实现高光束质量的激光输出、能够获得较大的模场面积以及有效提高光纤激光器的输出功率水平的近单模准渐变折射率大模场增益光纤及制备方法。

Description

近单模准渐变折射率大模场增益光纤及制备方法

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种光纤，尤其涉及一种用于高功率光纤激光器或放大器的近单模准渐变折射率大模场增益光纤及制备方法。

背景技术

由于光纤激光器具有体积小、效率高、寿命长、光束质量好、免维护等特色，在先进制造、国防安全、科学研究等领域有广泛的应用前景，对这种新一代高功率激光的开发一直是国际激光界关注的焦点。在高能光纤激光器领域，国外公司不仅技术上遥遥领先，而且还牢牢占据市场垄断地位。我国很多的光纤激光器研究小组也做了大量的工作，也取得了一些不错的科研成果，但是目前大多处于原理研制阶段，尚存在很多面向产业化的关键技术需要攻克。例如研制高功率光纤激光器用的高性能增益光纤和光纤器件均需从国外购买。

高功率光纤激光器输出激光功率由掺有稀土离子的光纤纤芯输出的，传统光纤的纤芯折射率高于包层的折射率。根据光纤横截面折射率的分布情况，传统光纤分为阶跃折射率分布和渐变折射率分布两种，如图1所示。阶跃折射率分布类型的光纤能够易于产生单模输出，但模场面积有限，不能用于产生很高的功率；渐变折射率分布类型的光纤有较大的模场面积，但不易于产生单模输出。

渐变折射率光纤的折射率分布公式为：

$n\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{n}_2{[1-2\mathrm{\&Delta;}{(r/a)}^{\mathrm{\&alpha;}}]}^{1/2}& r<a\\ n_1{(1-2\mathrm{\&Delta;})}^{1/2}& a\&le;r\&le;b\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中α是折射率分布的幂指数，a和b分别是纤芯和内包层的半径，Δ为相对折射率差。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种实现高光束质量的激光输出、能够获得较大的模场面积以及有效提高光纤激光器的输出功率水平的近单模准渐变折射率大模场增益光纤及制备方法。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种近单模准渐变折射率大模场增益光纤，包括纤芯以及包裹于纤芯外部的包层，其特殊之处在于：所述近单模准渐变折射率大模场增益光纤还包括设置在增益纤芯和包层之间的环形增益区。

上述环形增益区是一系列同心的环形增益介质层。

上述一系列同心的环形增益介质层形成折射率准渐变的非均匀布拉格结构。

上述纤芯和环形增益区均是掺杂稀土离子的石英介质；所述掺杂稀土离子是铒离子、镱离子、铥离子、钕离子、铒离子与镱离子共掺或铥离子与钬离子共掺。

上述纤芯是一根或多根。

上述纤芯是奇数根；所述奇数根纤芯相互平行；所述纤芯之间的距离处于1-20um之间。

上述近单模准渐变折射率大模场增益光纤还包括设置在包层外部用于限制泵浦光在包层内传输的低折射率涂层。

一种近单模准渐变折射率大模场增益光纤的制备方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤：

1)制备稀土掺杂光纤芯棒；

2)制作非均匀布拉格包层套管；

3)将步骤1)所得到的稀土掺杂光纤芯棒置于步骤2)所得到的非均匀布拉格包层套管中形成近单模准渐变折射率大模场增益光纤。

上述步骤1)的具体实现方式是：

1.1)采用化学气相沉积MCVD和溶液掺杂或稀土螯合物气相沉积，将稀土化合物均匀掺入石英管内沉积层形成大模场石英光纤芯层；

1.2)将步骤1.1)中所得到的大模场石英光纤芯层采用预拉伸工艺拉制成若干个直径统一的小芯棒，整合小芯棒并组成小芯棒组，形成稀土掺杂光纤芯棒；

上述步骤2)的具体实现方式是：

2.1)采用化学气相沉积MCVD，改变相邻沉积层的化学组成以形成不同折射率和不同层厚的交替型包层结构，并在高折射率环形层中掺杂稀土离子形成增益区

2.2)将步骤2.1)所得到的交替型包层结构烧结成管形成非均匀布拉格包层套管；

上述步骤3)的具体实现方式是：

3.1)将步骤1.2)所得到的稀土掺杂光纤芯棒置于步骤2.2)所得到的非均匀布拉格包层套管中；

3.2)采用低真空高温缩棒工艺排出稀土掺杂光纤芯棒之间以及稀土掺杂光纤芯棒与非均匀布拉格包层套管之间的残留气体形成近单模准渐变折射率大模场增益光纤预制棒；

3.3)将步骤3.2)所得到的近单模准渐变折射率大模场增益光纤预制棒采用普通拉丝工艺拉制成所需直径的裸光纤，形成近单模准渐变折射率大模场增益光纤。

上述制备方法在步骤3)之后还包括：

4)在步骤3)已经制备得到的近单模准渐变折射率大模场增益光纤的外部采用低折射率涂覆料包裹。

本发明与之前的技术相比有着明显的优越性能，具体表现在：

首先，在大包层内多个纤芯和环形增益区域平行排列，泵浦光在包层内传播时经过多个掺杂区域有效的提高了泵浦光的吸收利用率。另外一系列环形掺杂高折射率区域和包层低折射率区域相互交替形成折射率准渐变的非均匀布拉格结构，使得泵浦光被收集在多掺杂区域，使得光纤的单位长度上吸收效率更高，泵浦光利用率更好。

其次，纤芯掺杂区和环形增益区尺寸被设计为单模截止条件，使得每一层均为单模输出。由于多个纤芯和环形增益区域平行排列，通过倏逝波相互耦合，每一个掺杂区域单模输出相互相干。远场观察时，多个单模相互叠加混合为一个单模光斑，这样在每个纤芯内激光功率不超过材料的损伤阈值的情况下，本发明可以较大的提高目前大功率光纤激光器激光输出的功率水平。

由于光纤内存在多个纤芯和外层环状掺杂区域，这样可以有效的增加模场面积。整个光纤增益区采用准渐变折射率的布拉格光纤结构，在准渐变折射率光纤的“自聚焦”效应下，远场所有光束叠加成一束“合成单模”激光，减小出射激光的发散角，因此合成激光仍具有很好的光束质量、大模场面积的大功率单模激光输出，同时也有利于提高泵浦光的吸收效率。

附图说明

图1是传统光纤阶跃和渐变折射率分布的示意图；

图2是本发明第1实施例近单模准渐变折射率大模场增益光纤的结构示意图；

图3是本发明所提供的近单模准渐变折射率光纤的折射率分布示意图；

图4是本发明第1实施例高功率包层泵浦近单模准渐变折射率光纤的横截面示意图；

图5是本发明第2实施例高功率包层泵浦近单模准渐变折射率光纤的横截面示意图；

其中：1-纤芯，2-环形增益区，3-石英包层，4-低折射率涂层。

具体实施方式

参见图2、图3、图4以及图5，本发明提供了一种近单模准渐变折射率大模场增益光纤，包括纤芯1以及包裹于纤芯1外部的包层(石英包层3)，与传统的增益光纤所不同的是：本发明所提供的近单模准渐变折射率大模场增益光纤还包括设置在纤芯1和石英包层3之间的环形增益区2。环形增益区2是一系列同心的环形增益介质层，这些一系列同心的环形增益介质层形成折射率准渐变的非均匀布拉格结构。环形增益区是在高折射率环形层中均匀掺杂金属离子的石英介质环形增益区；掺杂稀土离子是铒离子、镱离子、铥离子、钕离子、铒离子与镱离子共掺或铥离子与钬离子共掺。

纤芯可以是一根或多根。比如如图5所示的3根等奇数根；奇数根纤芯相互平行；纤芯之间的距离处于1-20um之间。

上述近单模准渐变折射率大模场增益光纤还包括设置在石英包层3外部用于限制泵浦光在石英包层3内传输的低折射率涂层4。

一系列同心圆环掺杂区与纤芯一样满足单模传输条件，因此纤芯直径和同心圆环掺杂区厚度均需满足一定的条件。多个同心环状掺杂区域形成折射率准渐变的布拉格结构，每一环形增益层都具有均匀折射率，而由内到外各环形增益层的折射率分布包络呈现用幂函数表示的准渐变分布形式，各环形包层的折射率不变；各环形增益层呈准渐变分布的幂指数可以根据设计要求取任意正数(见公式1)。为满足单模或近单模输出，则由内到外各环形增益层厚度逐渐减小。

本发明所提供的近单模准渐变折射率大模场增益光纤的制备方法是：该方法包括以下步骤：

1)制备稀土掺杂光纤芯棒：

1.1)采用化学气相沉积MCVD和溶液掺杂或稀土螯合物气相沉积，将稀土化合物均匀掺入石英管内沉积层形成大模场石英光纤芯层；

1.2)将步骤1.1)中所得到的大模场石英光纤芯层采用预拉伸工艺拉制成若干个直径统一的小芯棒，整合小芯棒并组成小芯棒组，形成稀土掺杂光纤芯棒；

2)制作非均匀布拉格包层套管：

2.1)采用化学气相沉积MCVD，改变相邻沉积层的化学组成以形成不同折射率和不同层厚的交替型包层结构，并在高折射率环形层中掺杂稀土离子形成增益区；

2.2)将步骤2.1)所得到的交替型包层结构烧结成管形成非均匀布拉格包层套管；

3)将步骤1)所得到的稀土掺杂光纤芯棒置于步骤2)所得到的非均匀布拉格包层套管中形成近单模准渐变折射率大模场增益光纤：

3.1)将步骤1.2)所得到的稀土掺杂光纤芯棒置于步骤2.2)所得到的非均匀布拉格包层套管中；

3.2)采用低真空高温缩棒工艺排出稀土掺杂光纤芯棒之间以及稀土掺杂光纤芯棒与非均匀布拉格包层套管之间的残留气体形成近单模准渐变折射率大模场增益光纤预制棒；

3.3)将步骤3.2)所得到的近单模准渐变折射率大模场增益光纤预制棒采用普通拉丝工艺拉制成所需直径的裸光纤，形成近单模准渐变折射率大模场增益光纤。

4)在步骤3)已经制备得到的近单模准渐变折射率大模场增益光纤的外部采用低折射率涂覆料包裹。

在步骤1)和步骤2)之间可以是先步骤1)后步骤2)，正如上所述；也可以是先步骤2)后步骤1)，二者的制备过程都是一致的，如果是后者，则本发明的方法是：

步骤一：

采用化学气相沉积技术(MCVD)，改变相邻沉积层的化学组成以形成不同折射率和不同层厚的交替型包层结构，然后烧结成管，作为新的包层套管。这样的套管具有若干个沉积层，而这些折射率交替的沉积层均具有不同的厚度和折射率。此工艺用于制作折射率准渐变的非均匀布拉格包层套管。

步骤二：

采用化学气相沉积技术(MCVD)和溶液掺杂技术(或稀土螯合物气相沉积技术)，将大浓度的稀土化合物均匀掺入石英管内沉积层形成大模场石英光纤芯层。芯层和包层的厚度比取决于设计方案，为此需要使用圆磨工艺进行抛光，根据设计尺寸要求进行氢氟酸蚀刻工艺以优化表面。此工艺用于稀土掺杂光纤芯棒。

步骤三：

将步骤二的芯棒采用预拉伸工艺拉制成若干个直径统一的小芯棒，然后采用模具整合这些小芯棒，组成“小芯棒组”。将小芯棒组放置进入步骤一中制备的布拉格包层套管中，采用低真空高温缩棒工艺排出“小芯棒组”之间、“小芯棒组”与布拉格包层套管间的残留气体，最终完成实芯预制棒的制备工艺。此工艺用于制作完整的准渐变折射率光纤预制棒。

步骤四：

将准渐变折射率光纤预制棒采用普通拉丝工艺拉制成所需直径的裸光纤，采用低折射率涂覆料包裹光纤以增强其抗弯曲和抗损伤能力。在低折射率涂覆层外加保护涂层进一步加强光纤的保护。

近单模大模场准渐变折射率增益光纤的特点是包层内光纤中心位置存在单个或者多个平行的结构一致的增益介质纤芯，以及围绕纤芯的一系列同心圆环状增益区。中心增益纤芯以光纤轴为中心对称分布，每一个纤芯尺寸满足单模传输条件，外部的环状增益区采用折射率准渐变布拉格结构，每一环状增益层同样满足单模输出条件。每一个增益区域出射的激光均为单模或近单模，在准渐变折射率光纤的“自聚焦”效应下，所有增益区产生的激光叠加成一束“合成单模”激光。由于各个增益区传输光场倏逝波之间相互耦合，各增益区产生的激光具有一定的相干性。该光纤结构在保证单模输出的条件下极大地增加了有效模场面积，因此本发明可以较大的提高目前大功率光纤激光器激光输出的功率水平。

这里采用折射率准渐变的非均匀布拉格结构光纤，这种光纤不仅可实现“合成单模”输出，用于实现高光束质量的激光输出，而且可以获得较大的模场面积，实现较高功率的激光输出。这种光纤在制作工艺上环形芯的厚度及半径容许误差大，降低了光纤制作难度，避免了光纤制备设备和过程的复杂性、特殊性、人为因素影响大的缺点，可以利用目前最为成熟的稀土掺杂光纤制作工艺-MCVD法结合溶液掺杂技术。

实例一：一种高功率包层泵浦近单模准渐变折射率掺镱光纤，包括一个掺镱石英纤芯1，环形增益区域2、石英包层3和低折射率涂层4，其结构特征是：包层3内有一个满足单模传输条件的纤芯。一系列环形增益区域2与光纤同心分布。

实例二：一种高功率包层泵浦近单模准渐变折射率三芯掺镱光纤，包括三个掺镱石英纤芯1，环形增益区域2、石英包层3和低折射率涂层4，其结构特征是：包层3内三个结构一致的掺镱纤芯相互平行、按照沿纤心对称排列，三个掺镱纤芯1之间的距离为1-20um。一系列环形增益区域2与光纤同心分布。

纤芯1和环形增益区域2均需满足激光波长的单模传输条件，根据光纤内模式方程：

Helmholtz方程：

$\frac{d^2\mathrm{\&Phi;}}{{\mathrm{dr}}^2}+\frac{1}{r}\frac{\mathrm{d\&Phi;}}{\mathrm{dr}}+[{k_0}^2{n}^2-{\mathrm{\&beta;}}^2-\frac{m^2}{r^2}]\mathrm{\&Phi;}=0---\left(2\right)$

求解出满足Helmholtz方程的光纤模式e_y(r)

$\frac{d^2{e}_y}{{\mathrm{dr}}^2}+\frac{1}{r}\frac{{\mathrm{de}}_y}{\mathrm{dr}}+[{k_0}^2{n}^2-{\mathrm{\&beta;}}^2-\frac{m^2}{r^2}]e_y=0---\left(3\right)$

给定环形增益区域的折射率差Δn和内圈半径R₁，即可求出外圈半径R₂。例如：

Δn＝0.05，R1＝10um

则可以得到，R2＝14um

纤芯：

由 $V={\mathrm{ak}}_0{(n_1^2-n_2^2)}^{1/2}\&le;2.4083$

当n₁和n₂给定时，就可以得到光纤的半径a。

设定纤芯数目为3个时，由上述公式计算得到相应的尺寸，再按照上面提到的光纤制造技术完成光纤的拉制。

Claims (10)

1.一种近单模准渐变折射率大模场增益光纤，包括纤芯以及包裹于纤芯外部的包层，其特征在于：所述近单模准渐变折射率大模场增益光纤还包括设置在纤芯和包层之间的环形增益区。

2.根据权利要求1所述的近单模准渐变折射率大模场增益光纤，其特征在于：所述环形增益区是一系列同心的环形增益介质层。

3.根据权利要求2所述的近单模准渐变折射率大模场增益光纤，其特征在于：所述一系列同心的环形增益介质层形成折射率准渐变的非均匀布拉格结构。

4.根据权利1或2或3所述的近单模准渐变折射率大模场增益光纤，其特征在于：所述纤芯和环形增益区均是掺杂稀土离子的石英介质；所述掺杂稀土离子是铒离子、镱离子、铥离子、钕离子、铒离子与镱离子共掺或铥离子与钬离子共掺。

5.根据权利要求4所述的近单模准渐变折射率大模场增益光纤，其特征在于：所述纤芯是一根或多根。

6.根据权利要求5所述的近单模准渐变折射率大模场增益光纤，其特征在于：所述纤芯是奇数根；所述奇数根纤芯相互平行；所述纤芯之间的距离处于1-20um之间。

7.根据权利要求6所述的近单模准渐变折射率大模场增益光纤，其特征在于：所述近单模准渐变折射率大模场增益光纤还包括设置在包层外部用于限制泵浦光在包层内传输的低折射率涂层。

8.一种基于权利要求1-7任一权利要求所述的近单模准渐变折射率大模场增益光纤的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)制备稀土掺杂光纤芯棒；

2)制作非均匀布拉格包层套管；

3)将步骤1)所得到的稀土掺杂光纤芯棒置于步骤2)所得到的非均匀布拉格包层套管中形成近单模准渐变折射率大模场增益光纤。

9.根据权利要求8所述的近单模准渐变折射率大模场增益光纤的制备方法，其特征在于：

所述步骤1)的具体实现方式是：

1.1)采用化学气相沉积MCVD和溶液掺杂或稀土螯合物气相沉积，将稀土化合物均匀掺入石英管内沉积层形成大模场石英光纤芯层；

1.2)将步骤1.1)中所得到的大模场石英光纤芯层采用预拉伸工艺拉制成若干个直径统一的小芯棒，整合小芯棒并组成小芯棒组，形成稀土掺杂光纤芯棒；

所述步骤2)的具体实现方式是：

2.1)采用化学气相沉积MCVD，改变相邻沉积层的化学组成以形成不同折射率和不同层厚的交替型包层结构，并在高折射率环形层中掺杂稀土离子形成增益区；

2.2)将步骤2.1)所得到的交替型包层结构烧结成管形成非均匀布拉格包层套管；

所述步骤3)的具体实现方式是：

3.1)将步骤1.2)所得到的稀土掺杂光纤芯棒置于步骤2.2)所得到的非均匀布拉格包层套管中；

3.2)采用低真空高温缩棒工艺排出稀土掺杂光纤芯棒之间以及稀土掺杂光纤芯棒与非均匀布拉格包层套管之间的残留气体形成近单模准渐变折射率大模场增益光纤预制棒；

3.3)将步骤3.2)所得到的近单模准渐变折射率大模场增益光纤预制棒采用普通拉丝工艺拉制成所需直径的裸光纤，形成近单模准渐变折射率大模场增益光纤。

10.根据权利要求8或9所述的近单模准渐变折射率大模场增益光纤的制备方法，其特征在于：所述制备方法在步骤3)之后还包括：

4)在步骤3)已经制备得到的近单模准渐变折射率大模场增益光纤的外部采用低折射率涂覆料包裹。

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