CN107390315B - 一种抑制有源光纤中光子暗化效应的方法 - Google Patents

一种抑制有源光纤中光子暗化效应的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了抑制有源光纤中光子暗化效应的方法，并同时提供了一种能够抑制有源光纤中光子暗化效应的有源光纤及其制作方法，通过在稀土掺杂有源光纤制作过程中向纤芯中掺杂碱性金属离子，包括Na离子、K离子、Mg离子、Ca离子、Ba离子和Sr离子中的一种或多种，并确定合适的共掺杂剂浓度和比例，改变稀土离子所处环境的光学碱度，降低光子暗化附加损耗，同时对掺镱光纤的激光性能没有任何负面影响。本发明所述的抑制方法制备出的有源光纤的抗光子暗化性能获得了极大地提升，其光子暗化附加损耗相对于常规有源光纤，得到了50％以上的抑制效果，且该方法不影响光纤的光学性能和激光效率，具有更高的稳定性和更长的使用寿命。

Description

一种抑制有源光纤中光子暗化效应的方法
技术领域
本发明属于光电器件领域，更具体地，涉及一种抑制有源光纤中光子暗化效应的方法。
背景技术
光纤激光器具有散热性能好、效率高、光束质量好、体积小、重量轻等优点，在材料加工、智能制造、医疗、国防等领域展现出极其广阔的应用前景和巨大的应用价值。大模场有源光纤工艺和包层抽运技术以及高亮度发光二极管(LD)的发展，更促使掺镱光纤输出功率达到20kW。光纤激光器的诞生与发展给现代激光领域带来了深刻变革，逐渐成为激光器产业中的主导力量。随着中国制造2025规划的提出和我国智能制造技术产业的急剧发展和需求增长，光纤激光器的应用领域不断拓展，对其提出了在高光束质量、大输出功率情况下长时间稳定运行的要求。然而随着光纤激光器功率的不断攀升，出现了功率衰减，即光子暗化现象，限制了激光器的进一步发展和应用。
光子暗化效应会引起激光阈值增加、效率下降、系统稳定性降低、工作寿命变短，其实质是光子诱导掺镱光纤产生色心，导致光纤在可见光波段产生较大的损耗，这些损耗延伸到近红外波段，但色心形成的具体机制尚在探讨中。目前主要存在三种假设，包括氧缺陷中心、电荷转移吸收带和稀土杂质离子的存在。通常采用共掺Al/P/Ce、光漂白、热漂白、载O2/H2的方法在一定程度上抑制光子暗化效应。
目前，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如公开号为CN102135641A公开了一种抗光子暗化的有源光纤及其制备方法，通过光纤纤芯铈、钇、铝新共掺杂剂组份的选定，及确定合适共掺剂浓度和比例，实现光子暗化效应的降低。但是存在以下几点不足：
1、共掺杂剂铝铈钇离子会提高光纤纤芯的折射率及数值孔径，进而增加光纤中的模式数量，同时增加光纤熔接损耗，影响相应光纤激光器的激光性能和输出光束质量。
2、铈钇离子会降低稀土离子的发射截面、荧光寿命等参数，使相应光纤激光器的激光性能有所降低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种抑制有源光纤中光子暗化效应的方法，并同时提供了一种能够抑制有源光纤中光子暗化效应的有源光纤及其制作方法，通过在稀土掺杂有源光纤制作过程中向纤芯中掺杂碱性金属离子，改变稀土离子所处环境的光学碱度，抑制光子暗化效应，同时能够大大降低光子暗化附加损耗，而且对掺镱光纤的激光性能没有任何负面影响，由此解决现有技术有源光纤光子暗化效应的抑制方法虽然能够一定程度抑制光子暗化，但同时存在使光纤中的模式数量增加，增加光纤熔接损耗，影响相应光纤激光器的激光性能和输出光束质量以及使得光纤激光器的激光性能有所降低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种抑制光子暗化的有源光纤，其纤芯以二氧化硅为基质，所述纤芯中包含至少一种有源离子以及共掺杂剂，其中有源离子为原子序数为57～71的稀土离子，所述共掺杂剂包含铝离子和碱性金属离子。
优选地，所述碱性金属离子包括碱金属离子和碱土金属离子。
优选地，所述碱性金属离子包括钠离子、钾离子、镁离子、钙离子、钡离子和锶离子中的一种或多种。
优选地，所述纤芯中有源离子的摩尔含量为1000ppm-16000ppm，所述有源离子与所述铝离子的摩尔比为1:0.2～1:10，所述有源离子与所述碱性金属离子的摩尔比为1:0.01～1:10。
优选地，所述有源离子与所述铝离子的摩尔比为1:0.5～1:5。
优选地，所述有源离子与所述碱性金属离子的摩尔比为1:0.2～1:5。
优选地，所述光纤纤芯中有源离子的浓度分布包括纤芯均匀掺杂、环形阶跃掺杂、环形渐变掺杂或圆形点阵掺杂。
优选地，所述光纤纤芯中有源离子的浓度分布为纤芯均匀掺杂。
按照本发明的另一个方面，提供了一种所述有源光纤的制作方法，其包括如下步骤：在有源光纤的制作过程中，向纤芯中掺杂包含碱性金属离子的共掺杂剂。
优选地，所述向纤芯中掺杂方式为：将有源离子和包含碱性金属离子的共掺杂剂以液相形式掺入所述纤芯中。
优选地，所述以液相形式掺入具体为：将沉积包层和芯层后的反应管竖直放置，将含有有源离子和共掺杂剂的离子的混合溶液自上而下注入具有疏松多孔结构的芯层中，使溶液均匀分布在芯层中。
优选地，所述制作方法具体包括如下步骤：
(1)对纯石英反应管的内壁进行腐蚀抛光处理以后，采用正向沉积方式先后沉积包层和芯层，得到沉积包层和芯层后的反应管，其中芯层具有疏松多孔的结构；
(2)将步骤(1)获得的沉积包层和芯层后的反应管竖直放置，将含有有源离子和共掺杂剂离子的混合溶液自上而下注入步骤(1)所述的具有疏松多孔结构的芯层中；所述共掺杂剂离子包含铝离子和碱性金属离子；
(3)将掺杂后的反应管烘干并进行玻璃化处理，缩棒得到光纤预制棒，然后将所述光纤预制棒进行拉丝制成有源光纤。
优选地，步骤(2)所述混合溶液自上而下以2～20毫升/分钟的速度注入步骤(1)所述的具有疏松多孔结构的芯层中。
按照本发明的另一个方面，提供了一种抑制有源光纤中光子暗化效应的方法，通过向光纤的纤芯中掺杂包含碱性金属离子的共掺杂剂，从而抑制光子暗化效应。
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，能够取得下列有益效果。
1)为进一步解决有源光纤中光子暗化效应问题，提高光纤激光器的功率稳定性，本发明提出一种新的抑制光子暗化效应的方法。通过在稀土掺杂有源光纤制作过程中对纤芯掺杂碱性金属离子，包括Na离子、K离子、Mg离子、Ca离子、Ba离子和Sr离子中的一种或多种，并确定合适的共掺杂剂浓度和比例，改变稀土离子所处环境的光学碱度，降低光子暗化附加损耗，起到抑制有源光纤光子暗化效应的作用，同时对掺镱光纤的激光性能没有任何负面影响。
2)本发明的有源光纤采用的共掺杂剂包含铝离子和碱性金属离子，该共掺杂剂可以降低光纤折射率剖面，有利于减小光纤截止频率，减少模式数量，提高输出激光光束质量。
3)本发明所述抑制光子暗化的方法能够提升有源光纤的抗光子暗化性能，相对于常规有源光纤，由于光子暗化效应引起的附加损耗降低了50％以上。
4)本发明所述抑制光子暗化方法不改变掺稀土光纤的光学参数和激光性能，其背景损耗和斜率效率可与常规光纤保持同一水平。
5)本发明提出的能够抑制光子暗化效应的有源光纤的制备方法简单，易于操作。
附图说明
图1为内包层为八边形的掺杂碱性金属离子的有源光纤截面及折射率分布示意图；
图2为对比例1的Yb/Al常规有源光纤光子暗化附加损耗图；
图3为对比例2共掺铈(Ce)离子Yb/Al/Ce有源光纤光子暗化附加损耗图；
图4为实施例1所述的共掺钠离子Yb/Al/Na有源光纤光子暗化附加损耗图；
图5为实施例2所述的共掺镁离子Yb/Al/Mg有源光纤光子暗化附加损耗图；
图6为对比例1的Yb/Al常规有源光纤的斜率效率曲线；
图7为对比例2共掺铈(Ce)离子Yb/Al/Ce有源光纤的斜率效率曲线；
图8为实施例1所述的共掺钠离子Yb/Al/Na有源光纤的斜率效率曲线；
图9为实施例2所述的共掺镁离子Yb/Al/Mg有源光纤的斜率效率曲线。
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。
本发明提供的一种抑制光子暗化的有源光纤，其纤芯以二氧化硅为基质，纤芯中包含至少一种有源离子以及共掺杂剂，其中有源离子为原子序数为57～71的稀土离子，共掺杂剂包含铝离子和碱性金属离子。这里的碱性金属离子主要包括碱金属离子和碱土金属离子，包括钠离子、钾离子、镁离子、钙离子、钡离子和锶离子中的一种或多种，其原料为碱金属或碱土金属的可溶盐，优选碱金属或碱土金属的卤化物，碱金属的碳酸盐、硝酸盐等。纤芯中有源离子的含量为1000ppm-16000ppm，有源离子与铝离子的摩尔比为1:0.2～1:10，优选为1:0.5～1:5；有源离子与碱性金属离子的摩尔比为1:0.01～1:10，优选为1:0.2～1:5。
纤芯中有源离子的浓度分布包括纤芯均匀掺杂、环形阶跃掺杂、环形渐变掺杂或圆形点阵掺杂，优选为纤芯均匀掺杂。光纤纤芯中有源离子的浓度分布，可以是纤芯均匀掺杂、环形阶跃掺杂、环形渐变掺杂以及圆形点阵掺杂等。其中纤芯均匀掺杂指纤芯整个区域内的有源离子有相同的摩尔百分比；环形阶跃掺杂指纤芯内按若干个环形区域引入有源离子，每个区域内的有源离子浓度相同；环形渐变掺杂指纤芯内按若干个环形区域引入有源离子，每个区域内有源离子浓度为渐变的；圆形点阵掺杂指纤芯为若干包含有源离子的有源棒堆叠拉制而成，即纤芯内部有源离子掺杂区域为若干个圆形区域。
该有源光纤的制作方法，包括如下步骤：在稀土掺杂有源光纤制作过程中，向光纤的纤芯中掺杂包含碱性金属粒子的共掺杂剂，具体地，掺杂的实现方式可以为：将含有有源离子、碱性金属离子和铝离子的混合溶液以液相形式注入疏松多孔的纤芯中。
该制作方法具体包括如下步骤：
(1)对纯石英反应管的内壁进行腐蚀抛光处理以后，采用正向沉积方式分别沉积包层和芯层，得到沉积后的反应管，其中芯层具有疏松多孔的结构。
(2)将步骤(1)获得的沉积包层和芯层后的反应管竖直放置，将含有有源离子和共掺杂剂离子的混合溶液自上而下以2～20毫升/分钟的速度注入步骤(1)所述的具有疏松多孔结构的芯层中；共掺杂剂离子包含铝离子和碱性金属离子。
(3)将掺杂后的反应管烘干并进行玻璃化处理，缩棒得到光纤预制棒，将光纤预制棒进行拉丝制成有源光纤。
步骤(3)所述烘干具体步骤为：待溶液均匀分布在疏松多孔结构的芯层以后，向纯石英反应管内通入氯气和氧气，其流量比为1:5-1:10，对反应管进行烘干处理。
玻璃化处理具体步骤为：在氯气、氦气和氧气的混合气氛下将纯石英反应管玻璃化，反应温度为2000-2200℃，氯气流量为5-50scm，氦气流量为10-50scm、氧气流量为50-300scm。
缩棒具体步骤为：在温度为2000-2200℃、氯气流量为5-50scm，氧气流量为100-300scm的气氛下缩棒完成光纤预制棒的制备。拉丝为采用拉丝塔将光纤预制棒拉制成双包层光纤。
本发明提供的一种抑制有源光纤中光子暗化效应的方法，通过在稀土掺杂有源光纤制作过程中，向光纤的纤芯中掺杂碱性金属离子，改变有源稀土离子周围的光学碱度从而改变其配位环境，抑制色心形成；同时所述碱性金属离子会引入更多非桥氧，弥补氧缺陷相关色心，进一步抑制光子暗化效应；同时掺杂碱性金属离子还能够大大降低光子暗化附加损耗，而且对掺镱光纤的激光性能没有任何负面影响。
以下为实施例：
实施例1
本发明实施例1所述的有源光纤为双包层掺镱石英光纤，其剖面示意图如图1所示，纤芯11的组分为二氧化硅基质，有源离子为镱离子，共掺杂剂为铝离子和钠离子，折射率n1为1.4590；内包层12的组分为纯石英，其折射率n2为1.4576；外包层13的组分为低折射率聚合物，折射率n3为1.37；涂覆层14的组份为高折射率的聚合物涂料，折射率n4为1.49。
光纤纤芯中有源离子的浓度分布为纤芯均匀掺杂，其中纤芯11的内部区域(即图1中纤芯11内部的圆形区域)的组分包括：有源离子镱离子的摩尔含量为9000ppm，共掺杂剂钠离子约为2000ppm，铝离子约为5000ppm；
采用MCVD制造工艺和液相掺杂技术制备本实施例所述的Yb/Al/Na双包层掺镱石英光纤，具体制作方法包括如下步骤：
(1)向纯石英管内通入六氟化硫，对纯石英反应管的内壁进行腐蚀抛光处理。
(2)向纯石英反应管内通入四氯化硅，以氧气携带四氯化硅气体的方式引入，采用正向沉积方式沉积2趟包层。
(3)包层沉积完毕后，向纯石英反应管内通入四氯化硅，以氧气携带四氯化硅气体的方式引入。正向沉积1趟芯层，芯层具有疏松多孔的结构。
(4)将沉积后的反应管竖直放置，将含有有源离子和共掺杂剂离子的溶液(其中有源离子镱离子的浓度为0.05mol/L，共掺离子铝离子的浓度为0.2mol/L，钠离子的浓度为0.1mol/L)以2ml/min的速度缓慢注入反应管的疏松层，使溶液均匀分布在疏松层。
(5)溶液均匀分布在疏松层以后，向纯石英反应管内通入氯气和氧气，其流量比为1:5，对反应管进行烘干处理。
(6)在氯气、氦气和氧气的混合气氛下将纯石英反应管玻璃化，反应温度为2000℃，氯气流量为5scm，氦气流量为10scm、氧气流量为50scm。
(7)在温度为2000℃、氯气流量为5scm，氧气流量为50scm的气氛下缩棒完成光纤预制棒的制备。
(8)采用拉丝塔将光纤预制棒拉制成双包层光纤。即在光纤预制棒制备完毕后，经精密机械加工，将预制棒加工为所需的几何形状，本实施例将预制棒内包层加工成八边形，如图1所示。随后，采用拉丝塔将光纤预制棒拉制成光纤。采用低折射率聚合物涂料进行一次涂覆得到外包层13，用高折射率聚合物涂料进行二次涂覆得到涂覆层，得到双包层光纤。所述低折射率聚合物的折射率为1.37；所述高折射率的聚合物涂料的折射率为1.49。
实施例2
本发明实施例2所述的有源光纤为双包层掺镱石英光纤，其剖面示意图如图1所示，纤芯11的组分为二氧化硅基质，有源离子为镱离子，共掺杂剂为铝离子和镁离子，折射率n1为1.4592；内包层12的组分为纯石英，其折射率n2为1.4576；外包层13的组分为低折射率聚合物，折射率n3为1.37；涂覆层14的组份为高折射率的聚合物涂料，折射率n4为1.49。
光纤纤芯中有源离子的浓度分布为纤芯均匀掺杂，其中纤芯11的内部区域(即图1中纤芯11内部的圆形区域)的组分包括：有源离子镱离子的摩尔含量为8500ppm，共掺杂剂镁离子约为2400ppm，铝离子约为4900ppm；采用MCVD制造工艺和液相掺杂技术制备本实施例所述的Yb/Al/Mg双包层掺镱石英光纤，具体制作方法包括如下步骤：
(1)向纯石英管内通入六氟化硫，对纯石英反应管的内壁进行腐蚀抛光处理。
(2)向纯石英反应管内通入四氯化硅，以氧气携带四氯化硅气体的方式引入，采用正向沉积方式沉积2趟包层。
(3)包层沉积完毕后，向纯石英反应管内通入四氯化硅，以氧气携带四氯化硅气体的方式引入。正向沉积1趟芯层，芯层具有疏松多孔的结构。
(4)将沉积后的反应管竖直放置，将含有有源离子和共掺杂剂离子的溶液(其中有源离子镱离子的浓度为0.05mol/L，共掺离子铝离子的浓度为0.2mol/L，镁离子的浓度为0.1mol/L)以10ml/min的速度缓慢注入反应管的疏松层，使溶液均匀分布在疏松多孔的芯层；
(5)溶液均匀分布在疏松层以后，向纯石英反应管内通入氯气和氧气，其流量比为1:10，对反应管进行烘干处理。
(6)在氯气、氦气和氧气的混合气氛下将纯石英反应管玻璃化，反应温度为2200℃，氯气流量为50scm，氦气流量为50scm、氧气流量为300scm。
(7)在温度为2200℃、氯气流量为50scm，氧气流量为300scm的气氛下缩棒完成光纤预制棒的制备。
(8)采用拉丝塔将光纤预制棒拉制成双包层光纤。即在光纤预制棒制备完毕后，经精密机械加工，将预制棒加工为所需的几何形状，本实施例将预制棒内包层加工成八边形，如图1所示。随后，采用拉丝塔将光纤预制棒拉制成光纤。采用低折射率聚合物涂料进行一次涂覆得到外包层13，用高折射率聚合物涂料进行二次涂覆得到涂覆层，得到双包层光纤。所述低折射率聚合物的折射率为1.37；所述高折射率的聚合物涂料的折射率为1.49。
对比例1
按照与实施例1相同的方法制作常规有源光纤，与实施例1不同的是，对比例1的常规有源纤芯中仅掺杂了镱离子和铝离子，没有掺杂钠离子，其他完全相同，得到掺杂相同浓度镱离子和铝离子的Yb/Al常规有源光纤。
对比例2
按照与实施例1相同的方法制作有源光纤，与实施例1不同的是，纤芯中掺杂了镱离子、铝离子和铈离子，没有掺杂钠离子，其他完全相同，得到掺杂了相同浓度镱离子、铝离子和铈离子(铈离子掺杂浓度和钠离子相同)的Yb/Al/Ce常规有源光纤。
采用光子暗化加速装置测试实施例1的Yb/Al/Na有源光纤、实施例2的Yb/Al/Mg有源光纤、对比例1的Yb/Al常规有源光纤和对比例2所述的Yb/Al/Ce常规有源光纤的光子暗化附加损耗，其中泵浦源为最大功率25W波长915nm的半导体激光器，用于诱发有源光纤粒子数反转；有源光纤长度为10cm；信号光波长范围为600nm～1650nm，并读取633nm、702nm、810nm波长处的数值变化来标定附加损耗。在有源光纤泵浦过程中，每20min记录一次信号光数值，共记录300min。
通过对所测数据进行拉伸指数函数拟合，可知对比例1相同浓度镱离子和铝离子的Yb/Al常规有源光纤在633nm、702nm和810nm处平衡态光子暗化附加损耗分别为146.92dB/m、102.03dB/m和18.65dB/m，结果如图2所示；对比例2共掺铈离子、镱离子和铝离子的Yb/Al/Ce常规有源光纤在633nm、702nm和810nm处平衡态光子暗化附加损耗分别为103.31dB/m、43.26dB/m和14.57dB/m，如图3所示；而实施例1共掺钠离子、镱离子和铝离子的Yb/Al/Na样品光纤的平衡态附加损耗分别为86.33dB/m、37.26dB/m和5.10dB/m，如图4所示。而实施例2共掺镁离子的Yb/Al/Mg样品光纤的平衡态附加损耗为94.41dB/m、34.32dB/m和10.40dB/m，如图5所示。各光纤样品在不同波长处平衡态光子暗化附加损耗结果比较见表1。
表1各光纤样品在不同波长处平衡态光子暗化附加损耗结果
波长 633nm(dB/m) 702nm(dB/m) 810nm(dB/m)
实施例1Yb/Al/Na 86.33 37.26 5.10
实施例2Yb/Al/Mg 94.41 34.32 10.40
对比例1Yb/Al 146.92 102.03 18.65
对比例2Yb/Al/Ce 103.31 43.26 14.57
从表1可以看出，相对于对比例1的Yb/Al常规有源光纤，实施例1的Yb/Al/Na样品光纤通过共掺钠离子，实施例2的Yb/Al/Mg样品光纤通过共掺镁离子，其抗光子暗化性能得到极大的提升，实施例1的样品光纤在633nm、702nm和810nm处的平衡态附加损耗得到约41％、63％和73％的抑制，实施例2的样品光纤在633nm、702nm和810nm处的平衡态附加损耗得到约36％、66％和44％的抑制，且二者的光子暗化抑制效果也优于对比例2的Yb/Al/Ce铈离子掺杂光纤。
测试对比例1、对比例2的常规有源光纤和实施例1共掺钠离子有源光纤、实施例2共掺镁离子有源光纤的背景损耗和斜率效率，各样品背景损耗和斜率效率数据列入表2。
表2各样品背景损耗和斜率效率数据
背景损耗(dB/km) 斜率效率
实施例1Yb/Al/Na 41.23 76.1％
实施例2Yb/Al/Mg 45.51 74.55％
对比例1Yb/Al 40.56 75.2％
对比例2Yb/Al/Ce 58.90 71.39％
由表2可以看出，实施例1和实施例2的有源光纤的背景损耗分别为41.23dB/km和45.51dB/km，与对比例1基本保持一致，共掺钠离子和镁离子不损害光纤的背景损耗；而对比例2中的铈离子、镱离子和铝离子共掺有源光纤，虽然在一定程度上抑制了光子暗化效应，但其背景损耗增大为58.90dB/km，影响光纤的使用。如图6所示，对比例1的常规有源光纤的激光斜率效率为75.2％；如图7所示，对比例2共掺铈离子有源光纤的激光斜率效率为71.39％，斜率效率有所下降；如图8所示，实施例1的共掺钠离子有源光纤的激光斜率效率为76.1％；如图9所示，实施例2的共掺镁离子有源光纤的激光斜率效率为74.55％，它们与对比例1光纤的差值均在1％以内，属于误差范围，因此斜率效率均没有出现恶化。
对比例1、对比例2的常规有源光纤和实施例1共掺钠离子有源光纤、实施例2共掺镁离子有源光纤的归一化截止频率V和支持模式数量数据列入表3。
表3
Figure BDA0001352850680000121
如表3所示，通过测量实施例和对比例中的有源光纤纤芯折射率n1，并根据光纤数值孔径计算公式
Figure BDA0001352850680000122
计算出相应的纤芯数值孔径；根据光纤中归一化截止频率V的计算公式V＝2πaNA/λ，其中a为光纤的纤芯半径，λ为光纤激光的工作波长，此处以纤芯10μm，内包层130μm，激光工作波长1064nm为例，计算得到相应的归一化截止频率V。在光纤中，当V＜2.405时，光纤只支持基模LP01模式传输，当V＞2.405时，出现高阶模。表3所示，实施例1、实施例2和对比例1的V值均小于2.405，因此支持单模传输，光束质量很好，且实施例1和实施例2的V值相对对比例1的V值偏小，当光纤为大纤芯尺寸时，其支持的模式数目也会减少，有利于提高输出的光束质量；而对比例2中的V值超过2.405，出现了高阶模LP11模，使输出光束质量有所恶化，影响光纤的实际应用。
实验结果表明，实施例1和实施例2分别对有源光纤共掺钠离子和镁离子不会降低光纤的光学参数和激光性能。
实施例3
本发明实施例3所述的有源光纤为双包层掺镱石英光纤，其剖面示意图如图1所示，纤芯11的组分为二氧化硅基质，有源离子为镱离子，共掺杂剂为铝离子和钾离子，折射率n1为1.4589；内包层12的组分为纯石英，其折射率n2为1.4576；外包层13的组分为低折射率聚合物，折射率n3为1.37；涂覆层14的组份为高折射率的聚合物涂料，折射率n4为1.49。
光纤纤芯中有源离子的浓度分布为纤芯均匀掺杂，其中纤芯11的内部区域(即图1中纤芯11内部的圆形区域)的组分包括：有源离子镱离子的摩尔含量为1000ppm，共掺杂剂钾离子约为5000ppm，铝离子约为5000ppm；采用MCVD制造工艺和液相掺杂技术制备本实施例所述的双包层掺镱石英光纤，具体制作方法包括如下步骤：
(1)向纯石英管内通入六氟化硫，对纯石英反应管的内壁进行腐蚀抛光处理。
(2)向纯石英反应管内通入四氯化硅，以氧气携带四氯化硅气体的方式引入，采用正向沉积方式沉积2趟包层。
(3)包层沉积完毕后，向纯石英反应管内通入四氯化硅，以氧气携带四氯化硅气体的方式引入。正向沉积1趟芯层，芯层具有疏松多孔的结构。
(4)将沉积后的反应管竖直放置，将含有有源离子和共掺杂剂离子的溶液(其中有源离子镱离子的浓度为0.02mol/L，共掺离子铝离子的浓度为0.64mol/L，钾离子的浓度为0.44mol/L)以20ml/min的速度缓慢注入反应管的疏松层，使溶液均匀分布在疏松多孔的芯层。
(5)溶液均匀分布在疏松层以后，向纯石英反应管内通入氯气和氧气，其流量比为1:8，对反应管进行烘干处理。
(6)在氯气、氦气和氧气的混合气氛下将纯石英反应管玻璃化，反应温度为2100℃，氯气流量为20scm，氦气流量为30scm、氧气流量为200scm。
(7)在温度为2100℃、氯气流量为20scm，氧气流量为200scm的气氛下缩棒完成光纤预制棒的制备。
(8)采用拉丝塔将光纤预制棒拉制成双包层光纤。即在光纤预制棒制备完毕后，经精密机械加工，将预制棒加工为所需的几何形状，本实施例将预制棒内包层加工成八边形，如图1所示。随后，采用拉丝塔将光纤预制棒拉制成光纤。采用低折射率聚合物涂料进行一次涂覆得到外包层13，用高折射率聚合物涂料进行二次涂覆得到涂覆层，得到双包层光纤。所述低折射率聚合物的折射率为1.37；所述高折射率的聚合物涂料的折射率为1.49。
实施例3所述共掺钾的有源光纤在633nm、702nm和810nm处的平衡态附加损耗得到有效抑制，光纤背景损耗和斜率效率相比对比例的常规有源光纤，维持在相同水平，对光纤的性能没有产生负面影响。
实施例4
本发明实施例4所述的有源光纤为双包层掺镱石英光纤，其剖面示意图如图1所示，纤芯11的组分为二氧化硅基质，有源离子为镱离子，共掺杂剂为铝离子和钙离子，折射率n1为1.4561；内包层12的组分为纯石英，其折射率n2为1.4576；外包层13的组分为低折射率聚合物，折射率n3为1.37；涂覆层14的组份为高折射率的聚合物涂料，折射率n4为1.49。
光纤纤芯中有源离子的浓度分布为纤芯均匀掺杂，其中纤芯11的内部区域(即图1中纤芯11内部的圆形区域)的组分包括：有源离子镱离子的摩尔含量为3000ppm，共掺杂剂钙离子约为30000ppm，铝离子约为30000ppm；采用MCVD制造工艺和液相掺杂技术制备本实施例所述的Yb/Al/Ca双包层掺镱石英光纤，具体制作方法包括如下步骤：
(1)向纯石英管内通入六氟化硫，对纯石英反应管的内壁进行腐蚀抛光处理。
(2)向纯石英反应管内通入四氯化硅，以氧气携带四氯化硅气体的方式引入，采用正向沉积方式沉积2趟包层。
(3)包层沉积完毕后，向纯石英反应管内通入四氯化硅，以氧气携带四氯化硅气体的方式引入。正向沉积1趟芯层，芯层具有疏松多孔的结构。
(4)将沉积后的反应管竖直放置，将含有有源离子和共掺杂剂离子的溶液(其中有源离子镱离子的浓度为0.02mol/L，共掺离子铝离子的浓度为1.28mol/L，钙离子的浓度为0.87mol/L)以15ml/min的速度缓慢注入反应管的疏松层，使溶液均匀分布在疏松多孔的芯层。
(5)溶液均匀分布在疏松层以后，向纯石英反应管内通入氯气和氧气，其流量比为1:10，对反应管进行烘干处理。
(6)在氯气、氦气和氧气的混合气氛下将纯石英反应管玻璃化，反应温度为2080℃，氯气流量为25scm，氦气流量为50scm、氧气流量为300scm。
(7)在温度为2080℃、氯气流量为25scm，氧气流量为300scm的气氛下缩棒完成光纤预制棒的制备。
(8)采用拉丝塔将光纤预制棒拉制成双包层光纤。即在光纤预制棒制备完毕后，经精密机械加工，将预制棒加工为所需的几何形状，本实施例将预制棒内包层加工成八边形，如图1所示。随后，采用拉丝塔将光纤预制棒拉制成光纤。采用低折射率聚合物涂料进行一次涂覆得到外包层13，用高折射率聚合物涂料进行二次涂覆得到涂覆层，得到双包层光纤。所述低折射率聚合物的折射率为1.37；所述高折射率的聚合物涂料的折射率为1.49。
实施例4所述共掺钙的有源光纤在633nm、702nm和810nm处的平衡态附加损耗得到有效抑制，光纤背景损耗和斜率效率相比对比例的常规有源光纤，维持在相同水平，对光纤的性能没有产生负面影响。
实施例5
本发明实施例5所述的有源光纤为双包层掺镱石英光纤，其剖面示意图如图1所示，纤芯11的组分为二氧化硅基质，有源离子为镱离子，共掺杂剂为铝离子和锶离子，折射率n1为1.4592；内包层12的组分为纯石英，其折射率n2为1.4576；外包层13的组分为低折射率聚合物，折射率n3为1.37；涂覆层14的组份为高折射率的聚合物涂料，折射率n4为1.49。
光纤纤芯中有源离子的浓度分布为纤芯均匀掺杂，其中纤芯11的内部区域(即图1中纤芯11内部的圆形区域)的组分包括：有源离子镱离子的摩尔含量为16000ppm，共掺杂剂锶离子约为8000ppm，铝离子约为20000ppm；采用MCVD制造工艺和液相掺杂技术制备本实施例所述的Yb/Al/Sr双包层掺镱石英光纤，具体制作方法包括如下步骤：
(1)向纯石英管内通入六氟化硫，对纯石英反应管的内壁进行腐蚀抛光处理。
(2)向纯石英反应管内通入四氯化硅，以氧气携带四氯化硅气体的方式引入，采用正向沉积方式沉积2趟包层。
(3)包层沉积完毕后，向纯石英反应管内通入四氯化硅，以氧气携带四氯化硅气体的方式引入。正向沉积1趟芯层，芯层具有疏松多孔的结构。
(4)将沉积后的反应管竖直放置，将含有有源离子和共掺杂剂离子的溶液(其中有源离子镱离子的浓度为0.1mol/L，共掺离子铝离子的浓度为0.32mol/L，锶离子的浓度为0.25mol/L)以10ml/min的速度缓慢注入反应管的疏松层，使溶液均匀分布在疏松多孔的芯层。
(5)溶液均匀分布在疏松层以后，向纯石英反应管内通入氯气和氧气，其流量比为1:10，对反应管进行烘干处理。
(6)在氯气、氦气和氧气的混合气氛下将纯石英反应管玻璃化，反应温度为2200℃，氯气流量为50scm，氦气流量为50scm、氧气流量为300scm。
(7)在温度为2200℃、氯气流量为50scm，氧气流量为300scm的气氛下缩棒完成光纤预制棒的制备。
(8)采用拉丝塔将光纤预制棒拉制成双包层光纤。即在光纤预制棒制备完毕后，经精密机械加工，将预制棒加工为所需的几何形状，本实施例将预制棒内包层加工成八边形，如图1所示。随后，采用拉丝塔将光纤预制棒拉制成光纤。采用低折射率聚合物涂料进行一次涂覆得到外包层13，用高折射率聚合物涂料进行二次涂覆得到涂覆层，得到双包层光纤。所述低折射率聚合物的折射率为1.37；所述高折射率的聚合物涂料的折射率为1.49。
实施例5所述共掺锶的有源光纤在633nm、702nm和810nm处的平衡态附加损耗得到有效抑制，光纤背景损耗和斜率效率相比对比例的常规有源光纤，维持在相同水平，对光纤的性能没有产生负面影响。
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 (7)

1.一种抑制有源光纤中光子暗化效应的方法，其特征在于，通过向光纤的纤芯中掺杂包含碱性金属离子的共掺杂剂，从而抑制光子暗化效应；
所述纤芯以二氧化硅为基质，所述纤芯中包含至少一种有源离子以及共掺杂剂，其中有源离子为原子序数为57~71 的稀土离子，所述共掺杂剂包含铝离子和碱性金属离子；所述碱性金属离子为钠离子；所述有源离子为镱离子；
所述纤芯中有源离子的摩尔含量为1000ppm-16000ppm，所述有源离子与所述铝离子的摩尔比为1:0.5~1:5；所述有源离子与所述碱性金属离子的摩尔比为1:0.2~1:0.22；
通过在稀土掺杂有源光纤制作过程中，向光纤的纤芯中掺杂碱性金属离子钠离子，改变有源稀土离子周围的光学碱度从而改变其配位环境，抑制色心形成；同时所述碱性金属离子钠离子引入更多非桥氧，弥补氧缺陷相关色心，进一步抑制光子暗化效应；同时掺杂碱性金属离子钠离子还能够降低光子暗化附加损耗，而且对掺镱光纤的激光性能没有任何负面影响。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纤的纤芯中有源离子的浓度分布为纤芯均匀掺杂、环形阶跃掺杂、环形渐变掺杂或圆形点阵掺杂。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述有源光纤的制作过程中，向纤芯中掺杂包含所述碱性金属离子的共掺杂剂。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，将有源离子和包含碱性金属离子的共掺杂剂以液相形式掺入所述纤芯中。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述以液相形式掺入具体为：将沉积包层和芯层后的反应管竖直放置，将含有有源离子和共掺杂剂的离子的混合溶液自上而下注入具有疏松多孔结构的芯层中，使溶液均匀分布在芯层中。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
（1）对纯石英反应管的内壁进行腐蚀抛光处理以后，采用正向沉积方式先后沉积包层和芯层，得到沉积包层和芯层后的反应管，其中芯层具有疏松多孔的结构；
（2）将步骤（1）获得的沉积包层和芯层后的反应管竖直放置，将含有有源离子和共掺杂剂离子的混合溶液自上而下注入步骤（1）所述的具有疏松多孔结构的芯层中；所述共掺杂剂离子包含铝离子和碱性金属离子；
（3）将掺杂后的反应管烘干并进行玻璃化处理，缩棒得到光纤预制棒，然后将所述光纤预制棒进行拉丝制成有源光纤。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤（2）所述混合溶液自上而下以2~20毫升/分钟的速度注入步骤（1）所述的具有疏松多孔结构的芯层中。
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