CN102998741A - 一种用于增益应用的有源光纤结构及其实现方法 - Google Patents

一种用于增益应用的有源光纤结构及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤激光器。所要解决的技术问题是提供一种用于增益应用的有源光纤结构及其实现方法，无需将内包层设计成八边形或D型等异形多边形结构就可以达到相当高的纤芯对包层泵浦光的耦合效率。其特征在于：所述光纤结构为从内到外依次由纤芯、石英包层、低折射率涂覆层、外涂覆层构成的同心圆层结构；石英包层可以仅由一层渐变型折射率的石英包层构成；也可以由一层渐变型折射率的石英内包层和一层石英外包层共同构成，但石英内包层的任意位置的折射率均高于石英外包层的折射率。本发明可解决现有技术中双包层有源光纤的高熔接损耗、高弯曲损耗、低强度等问题，简化了有源光纤制作工艺，对光纤激光器的发展具有重要意义。

Description

一种用于增益应用的有源光纤结构及其实现方法
技术领域
本发明涉及光纤激光器，尤其涉及用于光纤激光器中将泵激辐射有效地耦合入光纤增益纤芯的有源光纤。所述光纤结构可用于光纤耦合器、光纤光栅、光纤隔离器制作以及传能用无源光纤。
技术背景
光纤激光器就是指采用光纤作为激光介质的激光器,通过在光纤纤芯中掺杂稀土离子，如Yb、Er、Tm、Ho等,获得所对应波长的激光增益输出。光纤激光器与传统的固体激光器相比具有散热好、转换效率高、光束质量好等优点,是近年来激光技术研发领域最大热点之一。
对于常规的单模光纤激光器,要求注入到纤芯的泵浦光必须为单模,这限制了泵浦光的入纤效率,导致光纤激光器的输出功率较低。1988年美国Polaroid公司的Sintzer等人提出双包层光纤和包层泵浦技术，是光纤激光技术的重大突破，为提高激光器输出功率和转换效率提供了有效的技术途径,改变了光纤激光器是小功率器件的历史。随着激光输出功率的不断提高,高功率光纤激光器的应用前景更为看好,并已在光通信、材料加工和处理、医学、印刷以及军事等领域得到迅速而广泛的应用。
在中国发明专利，专利号为ZL95194426.6，发明名称为《有效使用泵激功率的光纤结构》中公开了一种双包层光纤结构，即在纤芯外有两个包层，内包层起着传输泵浦光的作用，外包层材料采用低折射率的石英玻璃，主要功能是约束泵浦光在内包层传输。双包层光纤的设计可以有效提高光纤可泵浦功率，但如果还采用圆包层结构，则会降低光纤对泵浦光的耦合效率，主要是因为，泵浦光在内包层产生大量螺旋光，不能耦合入纤芯。为提高双包层光纤耦合效率，主要通过改变内包层形状的方法改变螺旋光路，使其通过纤芯，专利中采用多边形石英包层结构对内包层进行设计有效提高了光纤的吸收效率。现有技术中的双包层掺稀土光纤通过将内包层设计为“D”形或方形或六边形等异形的多边形石英包层结构，可以提高光纤对泵浦光的吸收效率，改善光纤激光器增益。
现有技术中这种通过对内包层结构进行异形的多边形设计的方法虽然可改善双包层光纤的泵浦效率，但也有不少缺点。如这种结构设计需要对石英光纤预制棒进行光学加工处理，而由于石英材料受应力影响，在光学加工抛磨时极易开裂，造成制作成品率相当低；又由于对预制棒表面的抛磨处理，易造成表面不清洁，引入了抛光粉、金钢砂等杂质颗粒，致使光纤损耗增大；由于双包层光纤的石英包层形状为异形多边性，光纤强度以及耐弯曲性能都大大降低；异形多边形包层结构还造成了光纤熔接损耗的提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种用于增益应用的有源光纤结构及其实现方法，无需将内包层设计成八边形或D形等异形多边形结构就可以达到相当高的纤芯对包层泵浦光的耦合效率，且在光纤强度、耐弯曲面与现有技术相比较都能获得很好的改善。
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：
一种用于增益应用的有源光纤结构，其特征在于：所述光纤结构为从内到外依次由纤芯、石英包层、低折射率涂覆层、外涂覆层构成的同心圆层结构；所述石英包层可以仅由一层渐变型折射率的石英包层构成；也可以由一层石英内包层和一层石英外包层共同构成，石英内包层为渐变型折射率，且石英内包层的任意位置的折射率均高于石英外包层的折射率；
所述渐变型折射率即指：通过控制掺杂浓度使石英层从最内层到最外层，其折射率呈从高到低渐变；
所述石英包层中折射率渐变的部分的外直径为纤芯外直径的7倍以上。
一种用于增益应用的有源光纤结构的实现方法，采用气相沉积工艺制成光纤预制棒，通过套管或抛光工艺调节光纤预制棒直径；最后通过拉丝塔拉丝并涂覆低折射率涂覆层4以及外涂覆层5；其特征在于：所述光纤预制棒制作过程中，是通过以下步骤实现石英包层的折射率渐变：
在光纤预制棒制作时，在沉积管内沉积石英包层的过程中，通过逐步调整掺杂气体流量的方法来改变掺杂气体的浓度使沉积得到的石英包层具有渐变型折射率，然后通过气相掺杂或液相掺杂工艺技术沉积掺稀土元素有源光纤纤芯；然后再进行缩管。
本发明可带来以下有益效果：
普通结构的双包层有源光纤为提高光纤输出功率及光束质量，具有大纤芯直径（最大20μm），低数值孔径（0.06）的特点。由于光纤数值孔径低，光纤的纤芯弯曲损耗及熔接损耗大。受芯/包比例限制，光纤的包层泵浦吸收系数小，泵浦耦合效率低，虽然现有技术中可通过异形多边形包层结构设计以及增加光纤长度解决这个问题，但包层异形结构必须对光纤预制棒进行光学冷加工处理，降低了生产成品率、提高了光纤制作难度同时增加了光纤熔接损耗；增加光纤长度提高了光路损耗同时还增加了光纤非线性效应产生机率，这些问题限制了光纤激光器的发展。本发明的光纤结构和普通双包层有源光纤相比主要是石英包层为掺杂的折射率渐变结构，包层形状为圆形，这一新型结构的设计能改善以上所述常规双包层光纤的一系列问题。
本发明能改善光纤弯曲损耗及熔接损耗。折射率渐变型石英包层的设计，可有效提高纤芯与石英包层之间的折射率差，提高光纤的弯曲半径，如普通结构的折射率差为0.0012的双包层有源光纤数值孔径为0.06，光纤弯曲半径为 90mm，如果采用本发明设计的折射率差为0.0012的折射率渐变型石英包层后，纤芯相对石英包层的折射率差可达0.0024，光纤的弯曲半径可达到32mm。本发明的光纤与常规光纤熔接时由于纤芯具有更高的折射率，光极易从低折射率材料进入高折射率材料，熔接损耗低。折射率渐变型石英包层还具备自聚焦功能，产生的包层因熔接产生的散射光可通过包层自聚焦至纤芯，降低熔接损耗。
本发明可提高光纤对包层泵浦光的耦合效率，制作激光器时无需进行包层滤模处理。折射率渐变型石英包层具备自聚焦功能，其可促进包层光向纤芯耦合，提高了光纤纤芯对包层泵浦光的耦合效率。如20/400型双包层光纤包层采用八边形结构设计，10m光纤的纤芯对包层泵浦光的耦合效率为75%左右，如果采用直径120μm折射率渐变型石英包层，其耦合效率可达95%，所以采用本发明制作光纤激光器时，适当设计光纤长度，光纤可以不用进行包层滤模处理。
本发明的光纤结构无需进行异形多边形光学加工，可提高生产效率并同时提高光纤强度，降低光纤本底损耗。现有技术中为提高双包层光纤纤芯对包层光的耦合效率，常用方法是把石英包层加工为八边形或D形等异形多边形，而本发明采用一定直径的折射率渐变型的石英包层设计，光纤耦合效率在不进行石英包层异形加工的情况下能达到八边形结构双包层光纤的同等水平，且随着渐变型石英包层直径的增大而增加。由于采用本发明，无需进行异形加工，使有源光纤制作简化，提高了有源光纤强度并同时降低了光纤因包层加工带来的本底损耗。
本发明可解决现有技术中双包层有源光纤的高熔接损耗、高弯曲损耗、低强度等问题，简化了有源光纤制作工艺，对光纤激光器的发展具有重要意义。
附图说明
图1：本发明的实施例1的折射率渐变包层有源光纤的结构示意图
图2：图1所示实施例1的光纤折射率分布图
图3：本发明的实施例2的折射率渐变包层有源光纤的结构示意图
图4：图3所示实施例2的光纤折射率分布图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的设计原理为：普通双包层光纤的内包层为纯石英，折射率都为1.475左右，包层光在传输过程是直线传输，形成大量螺旋反射光而不能耦合入纤芯，造成耦合效率低，这是为什么普通双包层有源光纤要采用异边形结构来提高耦合效率的主要原因。本发明采用的渐变折射率结构，具有主动聚焦功能，可打破光在包层的直线传输状态，把包层泵浦光聚集至纤芯，起到提高耦合效率的作用。
附图1为本发明的实施例1的折射率渐变包层有源光纤，掺镱纤芯1的外围是折射率渐变型石英内包层2，折射率渐变型石英内包层2外是圆形的纯石英外包层3，其次是一层低折射率涂覆树脂4，最外围是高模量丙烯酸树脂外涂覆层5，对应的光纤折射率分布如图2所示。石英外包层3除了可以选用纯石英制成以外，还可以选用掺杂石英制成；石英外包层不同位置的折射率即可以是均一不变的也可以是变化有差异的，但只要石英外包层任意位置的折射率均小于内包层的折射率即可。在实施例1中，采用MCVD工艺与气相掺杂工艺制作折射率渐变型内包层纤芯掺镱光纤预制棒，折射率渐变型石英内包层掺杂材料为Ge、P，纤芯掺杂材料为Yb、Al、P；在光纤拉制时在光纤表面先后涂覆低折射率涂覆树脂和高模量丙烯酸树脂外涂覆层。
实施例1所示的折射率渐变包层有源光纤，纤芯直径11μm，纤芯数值孔径（NA）0.07，折射率渐变型内包层直径75μm，石英包层直径125μm，石英包层形状为圆，光纤涂覆外径245μm。光纤实测915nm吸收系数为1.8dB/m，7m光纤制作成光纤激光器的斜率效率为75.6%。
实施例1的双包层有源光纤预制棒通过采用MCVD或PCVD工艺制作。在光纤预制棒制作时，首先在沉积管内沉积比石英外包层3（沉积管）折射率高的渐变型折射率内包层2，沉积过程SiCl4流量为600sccm保持不变，GeCl4的初始流量为30sccm，并按2sccm流量每层递增沉积40层，再每层按0.5sccm流量递增沉积20层，最后按120sccm流量保持不变沉积20层；然后通过气相掺杂或液相掺杂工艺技术沉积掺稀土元素有源光纤纤芯1；最后通过MCVD或PCVD缩管工艺进行缩管；再通过套管或抛光工艺调节光纤预制棒直径，制作出来的光纤预制棒纤芯直径1.5mm，内包层直径10mm，预制棒直径17mm；最后通过拉丝塔拉丝并涂覆低折射率涂覆层4以及外涂覆层5。
附图3为本发明的实施例2的折射率渐变包层有源光纤，掺镱纤芯21的外围是折射率渐变型石英包层22，折射率渐变型石英包层22外是低折射率涂覆树脂24，最外围是高模量丙烯酸树脂外涂覆层25，对应的光纤折射率分布如图4所示。在本实施例中，石英包层仅由一层渐变型折射率的石英包层构成。采用PCVD工艺与气相掺杂工艺制作折射率渐变型石英包层纤芯掺镱光纤预制棒，折射率渐变型石英包层掺杂材料为F、P，纤芯掺杂材料为Yb、Al、P；在光纤拉制时在光纤表面先后涂覆低折射率涂覆树脂和高模量丙烯酸树脂外涂覆层。
实施例2的折射率渐变包层有源光纤，纤芯直径11μm，纤芯数值孔径（NA）0.07，折射率渐变型石英包层直径125μm，包层形状为圆，光纤涂覆外径245μm。光纤实测915nm吸收系数为1.9dB/m，7m光纤制作成光纤激光器的斜率效率为77%。
实施例2采用PCVD工艺制作。在光纤预制棒制作时，在沉积管内沉积比石英沉积管折射率低的渐变型折射率石英包层22，沉积过程SiCl4流量为600sccm保持不变，C2F6的初始流量为100sccm，并按0.06sccm流量每层递减沉积1000层，再每层按0.03sccm流量递减沉积1000层，再每层按0.01sccm流量递减沉积500层，最后再沉积1000层纯硅层，其中可适当添加P流量为1～2 sccm；然后通过气相掺杂艺技术沉积掺稀土元素有源光纤纤芯21；最后通过缩管工艺进行缩管成棒；再通过光学冷加工磨除石英沉积管部分而形成光纤预制棒，制作出来的光纤预制棒纤芯直径1.4mm，预制棒外径16mm；最后通过拉丝塔拉丝并涂覆低折射率涂覆层24以及外涂覆层25。

Claims (2)

1.一种用于增益应用的有源光纤结构，其特征在于：所述光纤结构为从内到外依次由纤芯、石英包层、低折射率涂覆层、外涂覆层构成的同心圆层结构；所述石英包层可以仅由一层渐变型折射率的石英包层构成；也可以由一层石英内包层和一层石英外包层共同构成，石英内包层为渐变型折射率，且石英内包层的任意位置的折射率均高于石英外包层的折射率；
所述渐变型折射率即指：通过控制掺杂浓度使石英层从最内层到最外层，其折射率呈从高到低渐变；
所述石英包层中折射率渐变的部分的外直径为纤芯外直径的7倍以上。
2.按照权利要求1所述的一种用于增益应用的有源光纤结构的实现方法，采用气相沉积工艺制成光纤预制棒，通过套管或抛光工艺调节光纤预制棒直径；最后通过拉丝塔拉丝并涂覆低折射率涂覆层（4）以及外涂覆层（5）；其特征在于：所述光纤预制棒制作过程中，是通过以下步骤实现石英包层的折射率渐变：
在光纤预制棒制作时，在沉积管内沉积石英包层的过程中，通过逐步调整掺杂气体流量的方法来改变掺杂气体的浓度使沉积得到的石英包层具有渐变型折射率，然后通过气相掺杂或液相掺杂工艺技术沉积掺稀土元素有源光纤纤芯；然后再进行缩管。
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