CN104678489B - 一种多角形纤芯稀土掺杂光纤的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多角形纤芯稀土掺杂光纤及其制备方法，该光纤沿径向由内至外包括N角形纤芯、内包层、外包层，其中5≤N≤10，并且该光纤的制备方法包括如下的步骤：(1)将反应管的外壁加工成N边形，并且对其内壁进行腐蚀，并去除杂质，其中5≤N≤10；(2)在所述反应管的管内沉积疏松层；(3)将所述经步骤(2)处理后的所述反应管泡入稀土掺杂溶液中进行掺杂处理；(4)将经过所述步骤(3)处理后的所述反应管制成预制棒，将上述预制棒拉制即得到多角形纤芯稀土掺杂光纤。按照本发明的多角形纤芯稀土掺杂光纤及其制备方法，减少了光纤中的传输模式，提高输出的光束质量，并且在应用于光纤激光器时，不会损失较多的输出功率。

Description

一种多角形纤芯稀土掺杂光纤的制备方法
技术领域
本发明属于特征光纤制备领域，更具体地，涉及一种新型的纤芯形状的光纤，以及该种光纤的制备方法。
背景技术
近年来，光纤激光器得到了飞速发展，尤其是双包层光纤发明以来，光纤激光器输出功率从毫瓦级攀升至万瓦级。然而，在追求高功率的过程中，光束质量和高功率往往不能兼得。
应用于高功率激光器的双包层光纤芯径都在10～30μm，甚至40μm，在这种情况下，光纤中会同时存在很多模式，致使输出光束质量恶化。很多研究者提出多种光纤，以求提高光束质量，例如泄露模光纤、3C光纤等等。但是这些光纤具有一定的不足：一是其制备方法比较复杂，二是当其应用于光纤激光器时，会损失较多输出功率，降低斜率效率。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种新型光纤，包括保护层、外包层、内包层和纤芯，其目的在于提供一种制备简单的掺杂光纤，由此减少光纤中的传输模式，提高输出的光束质量，并且在应用于光纤激光器时，不会损失较多的输出功率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多角形纤芯稀土掺杂光纤，其特征在于，该光纤沿径向由内至外包括N角形纤芯、内包层、外包层，其中5≤N≤10。
进一步地，所述N角形纤芯的角边向心凹陷而呈弧形。
进一步地，所述稀土掺杂光纤的所述外包层外还包括保护层(4)。
进一步地，所述掺杂光纤的所述纤芯的N角形边长范围为6～30μm。
进一步地，所述掺杂光纤的所述内包层(2)的直径范围为125～400μm，所述外包层的直径范围为150～500μm：
本发明还提出了一种多角形纤芯稀土掺杂光纤的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下的步骤：
(1)将反应管的外壁加工成N边形，对其内壁进行腐蚀，并去除杂质，其中5≤N≤10；
(2)在所述反应管的管内沉积疏松层；
(3)将所述经步骤(2)处理后的所述反应管泡入稀土掺杂溶液中进行掺杂处理；
(4)将经过所述步骤(3)处理后的所述反应管坍缩成预制棒，将上述预制棒拉制即得到多角形纤芯稀土掺杂光纤。
进一步地，所述被加工成N边形的反应管具有管壁最厚的部分以及管壁最薄的部分，在所述步骤(1)的过程中，所述管壁较薄的位置会沿径向向外进行扩张，使得管壁厚度差别加大。
进一步地，所述反应管的外径范围为20mm～30mm，内径范围在 16mm～26mm。
进一步地，所述步骤(1)中的去除杂质和腐蚀的过程为：将所述反应管架在MCVD车床上，在1500-1900摄氏度条件下通入SF6气体对反应管内壁进行腐蚀，去除杂质。
进一步地，所述步骤(3)中的掺杂的处理过程为：将所述反应管泡入稀土掺杂溶液中，2～3小时后倒出稀土掺杂溶液，对所述反应管进行干燥处理。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于制备了特殊的纤芯，能够取得下列有益效果：
(1)提出了一种新结构的稀土掺杂光纤，按照本发明的多角形纤芯的光纤，能够减小光纤中的传输模式，显著地提高输出光束的质量；
(2)提出了该种新结构的稀土掺杂光纤的制备方法，由于兼容了现有的常规稀土掺杂光纤的制备方法，并利用对反应管的加工改进，光纤的制备过程简单，无须复杂的工艺；
(3)并且按照本光纤的结构，在应用于光纤激光器时，不会造成较大的输出功率损失，并且由于此种光纤采用常规预制棒拉伸的工艺制作而成，因此易于与常规的光纤熔接，在高功率输出的情况下显著地提高了光纤激光器的光束质量。
附图说明
图1是按照本发明实现的多角形纤芯稀土掺杂光纤的整体示意图；
图2是按照本发明实现的制备多角形纤芯稀土掺杂光纤的打磨后的反应管的示意图；
图3是按照本发明实现的制备多角形纤芯稀土掺杂光纤的反应管中的变化示意图；
图4是按照本发明实现的实施例一中的多角形纤芯稀土掺杂光纤的照片；
图5是按照利用本发明实现的多角形纤芯稀土掺杂光纤制备的光纤激光器的斜率效率图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-N角形纤芯 2-内包层 3-外包层 5-保护层 5-反应管 501-打磨后反应管内径502-打磨后反应管外壁平行间距 503-经过打磨后反应管壁较厚的部分 504-经过打磨后反应管壁较薄的部分 505-管壁较薄的部分向外扩张的方向
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实例提供的新型结构的光纤，它包括保护层4，外包层3，内包层2，以及N角形的纤芯1，其中5≤N≤10。
常规稀土掺杂光纤的制备方法为改进化学气相沉积配合溶液掺杂的方法，其大概过程为：将圆形反应管架在沉积车床上，从反应管一端通入反应气体，反应管被氢氧焰高温加热，反应气体发生化学反应生成颗粒沉积在反应管内壁，首先沉积缓冲层，其折射率与反应管匹配，阻止反应管内的杂质离子扩散到纤芯，接着在相对较低的温度沉积疏松层，这一层呈疏松状，具有较强的吸附能力，然后取下反应管，将配制好的稀土离子溶液倒入反应管浸泡一段时间，在此过程中，溶液中的稀土离子会被吸附进疏松层的孔隙中，然后倒掉反应管里的溶液，对反应管进行干燥，再次将反应管架到沉积车床上，在高温下将反应管坍缩成预制棒。
本发明的所述光纤采用上述的MCVD和溶液掺杂技术制备。首先，将反应管5进行打磨，如图2所示，根据所需要制成的N边形纤芯打磨成N 边形状，然后，将形反应管5架在MCVD车床上，在1500～1900摄氏度条件下通入SF6气体对反应管5内壁进行腐蚀，去除杂质。如图3所示，在此过程中，由于管内压强较大，管壁较薄504的位置会向方向505进行扩张，使得管壁厚度差别加大。然后，在1200～1700℃温度下沉积疏松层，在反应管5外壁温度恒定的情况下，在管壁较厚的位置503，其内部温度较低，因此会沉积更多的颗粒，相反，在管壁较薄504的位置沉积较少的颗粒。然后将反应管取下，泡入稀土掺杂溶液，2～3个小时后倒出稀土掺杂溶液，对反应管进行干燥。然后再次将反应管架在MCVD车床上，在2000～2200℃的温度下，将反应管坍缩成预制棒，反应管外壁在高温下逐渐失去棱角，变成圆形。由于在疏松层沉积过程中，存在颗粒沉积量的差别，因此在反应管坍缩成预制棒后，管壁较厚503所对应的位置的纤芯更大，形成了一个凸起。如果所用反应管外壁被加工成N边形，则纤芯形状为N角形。最后将预制棒拉制成光纤。
本发明中涉及的反应管的外径范围在20mm～30mm，内径范围在 16mm～26mm。当打磨后的多边形边数N减少时，反应管的厚度503会变小，这会给加工带来难度，当打磨后的多边形边数N增加时，反应管的厚度不均匀性(503与504的差)会变小，不利于多角形纤芯的形成，因此打磨的多边形边数N的范围在5～10之间。并且按照上述方法制备的多角形纤芯光纤，其纤芯的相邻的两个角之间存在凹陷，这会在保证较大的掺杂面积的情况下，减小有效模场面积，从而减少传输的模式数量。
实施例一
本发明较佳实例一，首先取长为500mm外径为25mm，反应管5内径 501为19mm的反应管，将其外壁打磨成正八边形，打磨后反应管5外壁平行边距502为23mm。将此反应管架在MCVD车床上，在1900摄氏度条件下通入SF6气体对反应管内壁进行腐蚀，去除杂质。然后，在1620℃温度下沉积疏松层，在反应管外壁温度恒定的情况下，在管壁较厚的位置，其内部温度较低，因此会沉积更多的颗粒，相反，在管壁较薄的位置沉积较少的颗粒。然后将反应管取下，泡入ErCl3溶液，浓度为0.15mol/L，3个小时后倒出ErCl3溶液，对反应管进行干燥。然后再次将反应管架在MCVD 车床上，在2000～2200℃的温度下，将反应管坍缩成预制棒，反应管外壁在高温下逐渐失去棱角，变成圆形。由于在疏松层沉积过程中，存在颗粒沉积量的差别，因此在反应管坍缩成预制棒后，管壁较厚所对应的位置的纤芯更大，形成了八个凸起，构成了八角芯光纤预制棒。最终，光纤预制棒被拉制成双包层光纤，内包层直径为400μm，纤芯直径为20μm，如图4所示，是按照本实施例的制备方法所制备出的八角形光纤的显微镜照片。
实施例二
本发明较佳实例二，首先取长为500mm外径为20mm，反应管5内径 501为17mm的反应管，将其外壁打磨成正八边形，打磨后反应管5外壁平行边距502为18.4mm。将此反应管架在MCVD车床上，在1500摄氏度条件下通入SF6气体对反应管内壁进行腐蚀，去除杂质。然后，在1250℃温度下沉积疏松层，在反应管外壁温度恒定的情况下，在管壁较厚的位置，其内部温度较低，因此会沉积更多的颗粒，相反，在管壁较薄的位置沉积较少的颗粒。然后将反应管取下，泡入Yb(NO3)3溶液，浓度为0.12mol/L， 3个小时后倒出Yb(NO3)3溶液，对反应管进行干燥。然后再次将反应管架在MCVD车床上，在2000～2200℃的温度下，将反应管坍缩成预制棒，反应管外壁在高温下逐渐失去棱角，变成圆形。由于在疏松层沉积过程中，存在颗粒沉积量的差别，因此在反应管坍缩成预制棒后，管壁较厚所对应的位置的纤芯更大，形成了八个凸起，最终构成了八角芯。将此预制棒拉制成10/130μm双包层光纤并用于1080nm光纤激光器，在10W 975nm LD 的泵浦条件下，得到7.25W单模激光输出，斜率效率为80％(如图5所示)。
实施例三
本发明较佳实例二，首先取长为500mm外径为25mm，内径为19mm 的反应管，将其外壁打磨成正六边形，如图3所示，打磨后外壁平行边距为21.65mm。将此反应管架在MCVD车床上，在1500摄氏度条件下通入 SF6气体对反应管内壁进行腐蚀，去除杂质。然后，在1250℃温度下沉积疏松层，在反应管外壁温度恒定的情况下，在管壁较厚的位置，其内部温度较低，因此会沉积更多的颗粒，相反，在管壁较薄的位置沉积较少的颗粒。然后将反应管取下，泡入Yb(NO3)3溶液，浓度为0.12mol/L，3个小时后倒出Yb(NO3)3溶液，对反应管进行干燥。然后再次将反应管架在MCVD 车床上，在2000～2200℃的温度下，将反应管坍缩成预制棒，反应管外壁在高温下逐渐失去棱角，变成圆形。由于在疏松层沉积过程中，存在颗粒沉积量的差别，因此在反应管坍缩成预制棒后，管壁较厚所对应的位置的纤芯更大，形成了六个凸起，最终构成了六角芯。将此预制棒拉制成10/130 μm双包层光纤并用于1080nm光纤激光器，在10W 975nm LD的泵浦条件下，得到6.98W单模激光输出，斜率效率为78％。与八角芯光纤激光器对比，六角芯光纤激光器的效率较低，原因在于相比于八角芯光纤，六角芯光纤与常规圆形芯光纤的模场面积更加不匹配，造成熔接损耗加大，影响了激光效率。因此在设计过程中，尽量保持纤芯的边数最大，一般情况下N ≥5，但不超过10。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多角形纤芯稀土掺杂光纤的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下的步骤：
(1)将反应管(5)的外壁加工成正N边形，对其内壁进行腐蚀，并去除杂质，其中5≤N≤10；
(2)在所述反应管(5)的管内沉积疏松层；
(3)将所述经步骤(2)处理后的所述反应管(5)泡入稀土掺杂溶液中进行掺杂处理；
(4)将经过所述步骤(3)处理后的所述反应管(5)坍缩成预制棒，将上述预制棒拉制即得到多角形纤芯稀土掺杂光纤；
所述被加工成正N边形的反应管(5)具有管壁较厚的部分(503)以及管壁较薄的部分(504)，在所述步骤(1)的过程中，所述管壁较薄的部分(504)的位置会沿径向向外进行扩张，使得管壁厚度差别加大；
在所述步骤(2)的过程中，在管壁较厚的部分，其内部温度较低，因此沉积更多的颗粒，在管壁较薄的部分，其内部温度较高，因此沉积较少的颗粒。
2.如权利要求1所述的多角形纤芯稀土掺杂光纤的制备方法，其特征在于，所述反应管(5)的外径范围为20mm～30mm，内径范围在16mm～26mm。
3.如权利要求1或2所述的多角形纤芯稀土掺杂光纤的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的去除杂质和腐蚀的过程为：将所述反应管(5)架在MCVD车床上，在1500-1900摄氏度条件下通入SF6气体对反应管内壁进行腐蚀，去除杂质。
4.如权利要求3所述的多角形纤芯稀土掺杂光纤的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的掺杂的处理过程为：将所述反应管(5)泡入稀土掺杂溶液中，2～3小时后倒出稀土掺杂溶液，对所述反应管(5)进行干燥处理。
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