CN102621628A - 一种环形掺杂层光纤、其制备方法及包含该光纤的激光器 - Google Patents

一种环形掺杂层光纤、其制备方法及包含该光纤的激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环形掺杂层光纤，用于光纤激光器中，其由内包层(101)和由内而外依次包覆在该内包层(101)上的环形掺杂层(102)、中包层(103)、外包层(104)和保护层(105)组成，其中所述内包层(101)为不掺杂的纤芯。本发明还公开了一种上述环形掺杂层光纤的制备方法，以及一种以该环形掺杂层光纤为增益介质的激光器。本发明将传统的纤芯掺杂改变为环形掺杂层，使得激光振荡实际上在一个环形波导中进行，再合理设计该环形波导的厚度，就可以保持单模运转，同时掺杂层具有很大的横截面积，适合大功率输出，从而即可提高利用该光纤的光纤激光器的输出功率。

Description

一种环形掺杂层光纤、其制备方法及包含该光纤的激光器
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，特别涉及能达到高功率输出的环形掺杂层光纤，以及及其制备方法和包含该光纤的激光器。
背景技术
光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。
光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接(铜焊、淬水、包层以及深度焊接)、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设，作为其他激光器的泵浦源等。
目前，相比于固体激光器和气体激光器，光纤激光器是光束质量最好的激光器形式。具有高功率的光纤激光器在工业和军事应用领域都将有非常重要的应用前景，但这种激光器的增益介质光纤的纤芯直径太小是限制其高功率输出的障碍。
光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。在多模光纤中，纤芯的直径是15μm～50μm，大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8μm～10μm。
单包层光纤纤芯外面包围着一层折射率比纤芯低的玻璃封套包层，以使光线保持在纤芯内。再外面的是一层薄的塑料外套保护层，用来保护封套。
由于单包层单模光纤纤芯直径十分细小，一般在10μm以下，要将更大的泵浦光注入到光纤纤芯在技术上遇到了困难。1988年E Snitzer首次提出了双包层光纤，双包层光纤是由同心的纤芯、内包层、外包层以及保护层组成，双包层的直径远大于纤芯，它可以保持细小的纤芯尺度，而使泵浦光进入数百微米量级的内包层中。这一技术上的突破使光纤激光的输出功率在十余年内迅速上升，目前连续输出的光纤激光功率已达千瓦以上。
提高光纤激光器输出功率的关键技术有：谐振腔制备技术、包层泵浦技术和光纤耦合技术。对于包层泵浦技术，目前提出有效手段主要是采用矩形或D形等内包层结构的双包层增益光纤。
如果双包层光纤的内包层横截面圆对称，其内部传播的光线有严格的运动轨迹，可以判断，当单模掺杂纤芯落在某一光线的两焦散面区域时，此光线才能被纤芯吸收，当纤芯处在某一光线的焦散面外时，光线不会被吸收，所以圆对称双包层光纤的吸收效率是很低的。为了提高光纤的吸收效率，出现了很多相对于圆对称内包层而言有缺陷的内包层结构，如矩形、六边形、星形、梅花形和D形等。当内包层存在缺陷后，光线的两个焦散面也就不存在了。光线在内包层的行进路线找不出任何规律，在传输足够长距离后，它将到达内包层横截面上的任何一点，最终所有光线因多次经过纤芯后会被全部吸收，所以其吸收系数始终是100％，但是光纤在单位长度内的吸收效率是有差异的。
采用矩形或D形等内包层结构的双包层掺杂光纤激光器虽然能提供接近衍射极限的光束输出，但进一步提高其输出功率仍然受到光纤对高功率承受能力的限制。为了增大这种承受能力即降低光纤内激光功率密度，可以通过保证可接受的光束质量情况下增大纤芯直径、设计超大模场(Large Mode Area，LMA)双包层光纤和加大掺杂浓度等来实现。
但是，增大纤芯将导致激光工作在多阶模，会降低光束质量，需要对模式进行选择，抑制高阶模在腔内的振荡，获得基横模激光输出。对于大模场双包层光纤如光子晶体光纤，由于其具有较大的纤芯直径和较小的纤芯数值孔径，大的纤芯直径会减少光纤内功率密度，提高光纤非线性效应的阈值，增大了纤芯承受功率的能力，同时，较小的数值孔径使得光纤内传输光线与纤轴夹角很小，这样电磁场在包层中延伸很远，由于高阶模损耗很大，因此只有低阶模才能长距离传输。但超大模场双包层光纤的制备工艺还需要进一步完善。对于加大掺杂浓度，由于加大掺杂浓度后，单位长度的泵浦吸收系数会增加，相应的增益增加，但也降低石英的纯度和均匀性，降低光纤端面的激光损伤阈值。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种环形掺杂层光纤，将传统的纤芯掺杂改变为环形掺杂层，使得激光振荡实际上在一个环形波导中进行，再合理设计该环形波导的厚度，就可以保持单模运转，同时掺杂层具有很大的横截面积，适合大功率输出，从而即可提高利用该光纤的光纤激光器的输出功率。
实现本发明的这一目的所采用的具体技术方案为：
一种环形掺杂层光纤，由内包层和由内而外依次包覆在该内包层上的环形掺杂层、中包层、外包层和保护层组成，其中所述内包层为不掺杂的纤芯。
作为本发明的改进，所述的环形掺杂层由掺稀土元素的基质材料制成。
作为本发明的改进，所述的基质材料为石英玻璃或氟化物玻璃。
作为本发明的改进，所述的内包层和中包层的材料和折射率均相同。
作为本发明的改进，所述的内包层和中包层的材料的折射率比环形掺杂层小、横向尺寸和数值孔径比环形掺杂层大。
本发明的目的之二在于提出一种制备上述环形掺杂层光纤的方法，具体包括如下步骤：
(1)将纯石英棒插入反应管内，在环形石英反应管内表面依次沉积阻挡层和疏松层；
(2)溶液掺杂：将YbCl3和AlCl3混合溶液中注入环形反应管，匀速转动环形反应管，使Yb3+均匀的吸附在疏松芯层上；
(3)脱水缩棒套管
将溶液从反应管抽出，对反应管进行干燥脱水处理；
(4)预制棒加工处理
将经过脱水干燥的反应管在高温下烧缩成透明的具有掺Yb3+芯层的预制棒；
(5)对预制棒进行拉丝处理，即制得环形掺杂层光纤。
作为本发明的改进，所述沉积阻挡层的具体过程为：由高纯氧气(O2)携带四氯化硅(SiCl4)、氯氧化磷(POCl4)和氟氯化碳(CCl2F2)进入不断旋转的环形反应管中，同时高温加热环形反应管，使阻挡层沉积原料在高温下发生氧化反应而沉积在石英管内，即形成光纤阻挡层。
作为本发明的改进，所述沉积疏松层的具体过程为：由高纯氧气(O2)携带四氯化硅(SiCl4)、氯氧化磷(POCl4)和四氯化锗(GeCl4)进入不断旋转的环形反应管中，同时高温加热环形反应管，使疏松芯层沉积原料在高温下发生氧化反应而沉积在石英管内，即形成疏松芯层。
作为本发明的改进，该方法还包括在拉丝后的器件上涂覆紫外光固化涂料作为光纤外包层步骤。
本发明的目的之三在于提出一种光纤激光器，其增益介质为上述环形掺杂层光纤。
作为本发明的改进，该光纤激光器还包括LD阵列的泵浦源，和以全反镜输出耦合镜或光纤光栅构成的谐振腔。
本发明与现有技术相比主要具以下优点：
(1)高功率激光输出，中包层直径大，能承受高的泵浦功率，进而得到高的激光功率；
(2)大的掺杂层横截面积，这样其损伤阈值大，为进一步提高激光输出功率提供了基础；
(3)高的光束质量，控制环形掺杂层厚度即可实现单模输出；
(4)制备技术成熟，可大批量生产。
附图说明
图1为本发明所涉及的环形掺杂层光纤(以常规圆形中包层结构为例)横截面示意图；
图2为环形掺杂层光纤(不包括保护层)折射率分布图；
图3为光纤激光器中环形掺杂层光纤剖视图中泵浦光和激光传输示意图；
图4为环形掺杂层光纤制备工艺流程图；
图5为Fabry-Perot腔环形掺杂层光纤激光器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例中的环形掺杂层光纤结构如图1所示，包括内包层(不掺杂纤芯)101、环形掺杂层102、中包层103、外包层104和保护层105。
环形掺杂层102由掺稀土元素的基质材料如石英玻璃或氟化物玻璃等制成；
内包层101和中包层103的材料和折射率相同，材料可以选由折射率比环形掺杂层小、横向尺寸和数值孔径比环形掺杂层大的基质材料如石英玻璃或氟化物玻璃等制备，外包层104由折射率比内包层101小的聚合物制成，最外层的保护层105由硬塑料等材料制备。
环形掺杂层光纤激光器中泵浦光在该环形掺杂层光纤中是在中包层103内传输，在中包层103中多次全反射穿过掺杂层102，被掺杂离子吸收，将掺杂离子泵浦到上能级，累积形成粒子数反转后跃迁产生激光。由于掺杂层102是环形，泵浦光可以很容易地均匀穿过掺杂层102。
环形掺杂层102的厚度以单模光纤纤芯直径为参考，一般为8μm～10μm。内包层101直径取值范围广泛，中包层103、外包层104和普通双包层光纤内包层、外包层厚度一致。
如取环形的外直径为200μm，厚度为10μm，则其掺杂层的横截面积相当于直径为87μm的双包层光纤纤芯面积；如取环形的外直径为300μm，厚度为10μm，则其掺杂层的横截面积相当于直径为107μm的双包层纤芯面积。以目前已成熟的光纤激光器技术，这样的环形掺杂层光纤为构造100kW单模激光输出提供了可能。
本实施例中的环形掺杂层光纤的制备方法如图4所示，包括如下步骤：
(1)用化学气相沉积法(MCVD)工艺制作光纤预制棒的阻挡层和疏松芯层。
①首先将纯石英棒插入石英反应管内，保持与反应管同轴线后固定，由高纯氧气(O2)携带四氯化硅(SiCl4)、氯氧化磷(POCl4)、氟氯化碳(CCl2F2)等原料进入不断旋转的环形高纯石英基质反应管中，下面用氢氧焰高温加热反应管，使原料在高温下发生氧化反应而均匀地沉积在石英管内，形成含SiO2-P2O5-F的光纤阻挡层。
阻挡层的作用是阻止杂质扩散到芯部，所以阻挡层的沉积层数以使所做光纤损耗尽可能小为目的，优选为20～40层。同时阻挡层也将和反应管一起作为光纤的内包层，所以要控制其折射率与反应管相匹配。
②然后降低火焰温度至适宜范围(1300-1500℃)，按照相同工艺由高纯氧气(O2)携带四氯化硅(SiCl4)、氯氧化磷(POCl4)、四氯化锗(GeCl4)等原料进入不断旋转的环形高纯石英基质反应管中，下面用氢氧焰高温加热反应管，使原料在高温下发生氧化反应而均匀地沉积在石英管内，形成组分为SiO2-GeO2-P2O5沉积疏松芯层。疏松芯层的沉积温度视试验情况而定，因为不同的石英管及其它一些因素的改变均会影响沉积温度。疏松层的厚度及疏松程度以均匀及不出现脱落为宜。
(2)溶液掺杂。
采用打孔注入法将稀土离子掺杂到预制棒中，在大流量保护气体下，用氢氧焰枪在靠近尾气端开个直径5mm的小孔，用注射器将事先已配制好的YbCl3和AlCl3溶液中注入环形反应管，同时保证车床匀速转动，相当于对溶液进行匀速搅拌。
研究表明芯层中稀土离子浓度与溶液中yb3+离子浓度、溶液温度和浸泡时间有关系，经过实验确定的合适浸泡时间为1.5小时左右，使Yb3+均匀的吸附在疏松芯层上。
(3)脱水缩棒套管。
将溶液从反应管抽出，在适宜的温度下通入高纯Cl2、O2的混合气体对反应管进行干燥脱水处理，脱水时间四十分钟左右。
(4)预制棒加工处理。
将经过脱水干燥的反应管在高温下烧缩成透明的具有掺Yb3+芯层的预制棒。根据所做光纤预制棒芯的大小及拉制成光纤的芯径比需对预制棒进行套管至合适的尺寸。
(5)拉丝工艺。
对加工后的光纤预制棒的表面进行酸处理，并清洗、烘干，然后将其夹持在拉丝塔送棒机构上送入石墨电阻炉中，在2000℃的高温下将棒加热至熔融状态，拉制成直径符合要求的光纤。光纤的直径由丝径测控仪测量，通过对熔棒温度、送棒速度和牵引速度的调整来保证丝径的波动不超过规定的偏差。在线涂覆低折射率的紫外光固化涂料作为光纤的外包层。
如图5所示，本实施例中的环形掺杂层光纤激光器，以环形掺杂层光纤504作为增益介质、以LD阵列501作为泵浦源、以全反镜503输出耦合镜505构成谐振腔来搭建的环形掺杂层光纤激光器。
LD阵列501发出的泵浦光通过准直聚焦透镜系统502进入环形掺杂层光纤504对其进行泵浦，两双色镜503和505对激光高反、对泵浦光高透，共同构成谐振腔，输出激光经过光学整形系统得到所期望的光束。

Claims (10)

1.一种环形掺杂层光纤，作为增益介质用于光纤激光器中，其特征在于，该光纤由内包层(101)和由内而外依次包覆在该内包层(101)上的环形掺杂层(102)、中包层(103)、外包层(104)和保护层(105)组成，其中所述内包层(101)为不掺杂的纤芯。
2.根据权利要求1所述的环形掺杂层光纤，其特征在于，所述的环形掺杂层(102)由掺稀土元素的基质材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的环形掺杂层光纤，其特征在于，所述的基质材料为石英玻璃或氟化物玻璃。
4.根据权利要求1-3之一所述的环形掺杂层光纤，其特征在于，所述的内包层(101)和中包层(103)的材料和折射率均相同。
5.根据权利要求1-4之一所述的环形掺杂层光纤，其特征在于，所述的内包层(101)和中包层(103)的材料为折射率比环形掺杂层小、横向尺寸和数值孔径比环形掺杂层大的基质材料。
6.一种权利要求1-5之一所述的环形掺杂层光纤的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)在环形石英反应管内表面依次沉积阻挡层和疏松芯层；
(2)溶液掺杂：将YbCl3和AlCl3混合溶液中注入环形石英反应管，匀速转动所述环形石英反应管，使Yb3+均匀的吸附在所述疏松芯层上；
(3)脱水缩棒套管：将溶液从反应管抽出，对反应管进行脱水干燥处理；
(4)预制棒加工处理：将经过脱水干燥的反应管烧缩成透明的具有掺Yb3+芯层的预制棒；
(5)对预制棒进行拉丝处理，即制得环形掺杂层光纤。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述沉积阻挡层的具体过程为：由高纯氧气(O2)携带四氯化硅(SiCl4)、氯氧化磷(POCl4)和氟氯化碳(CCl2F2)进入不断旋转的环形反应管中，同时加热环形反应管，使阻挡层沉积原料发生氧化反应而沉积在石英管内，即形成光纤阻挡层。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述沉积疏松层的具体过程为：由高纯氧气(O2)携带四氯化硅(SiCl4)、氯氧化磷(POCl4)和四氯化锗(GeCl4)进入不断旋转的环形反应管中，同时加热环形反应管，使疏松芯层沉积原料发生氧化反应而沉积在石英管内，即形成疏松芯层。
9.根据权利要求6-8之一所述的方法，其特征在于，该方法还包括在拉丝后的器件上涂覆紫外光固化涂料作为光纤外包层的步骤。
10.一种光纤激光器，其特征在于，该光纤激光器的增益介质为上述权利要求1-5之一所述的环形掺杂层光纤。
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