CN107935370A - 一种增益泵浦一体化光纤的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种增益泵浦一体化光纤的制备方法，所述增益泵浦一体化光纤预制棒包含一根八边形的有源光纤预制棒，n根圆形的无源光纤预制棒。将多个非对称结构的预制棒通过预熔接工艺制备出均匀稳定的预制棒组合件，将预制棒组合件拉制成丝后，有源纤与无源纤紧密接触，相互独立。通过本发明中的增益泵浦一体化光纤的拉丝方法可以有效控制增益/泵浦一体化光纤预制棒的拉丝控制精度，同时可较大程度降低光纤的形变量，提高增益泵浦一体化光纤结构的一致性。

Description

一种增益泵浦一体化光纤的制备方法
技术领域
本发明涉及一种增益泵浦一体化光纤的制备方法，属于光纤制造技术领域。
背景技术
有源光纤是指能够产生激光或者具备光放大功能的光纤，主要用于光纤激光器与光纤放大器。目前，主要是通过在光纤芯部掺入稀土离子获得光纤的有源特性。自从上世纪八十年代掺稀土有源光纤问世以来，其在很大程度上带动了光纤激光器与放大器的快速发展，与半导体激光器、化学激光器等类型的激光器相比，以有源光纤为增益介质的光纤激光器具有高效率、高光束质量与低阈值等优点。为满足一些特殊性能光纤放大器与激光器的需要，研究人员开发了众多新型有源光纤，例如增益/泵浦一体化光纤。
增益/泵浦一体化光纤是基于倏逝场耦合的复合结构光纤。光纤由增益光纤和泵浦光纤组成，增益光纤与泵浦光纤既紧密接触，又相互独立，共同被低折射率材料的外包层所包裹。采用常规有源光纤作为增益介质，泵浦光只能从光纤端面注入，高功率密度的泵浦光极易导致增益光纤的端面烧毁。而采用增益/泵浦一体化光纤作为增益介质，泵浦光是通过泵浦光纤与增益光纤之间的耦合逐渐进入到增益光纤，泵浦光的吸收和转化相对平稳，热量能够比较均匀地分散到整根光纤上，可以有效避免端面泵浦方式导致的光纤端面的热损伤问题，是实现高功率激光输出的重要途径之一。
尽管增益泵浦一体化光纤在高功率激光传输领域中具有很大的优势，但是光纤的拉丝方法是根技术难题。现有制备增益泵浦一体化光纤的一种方法是通过对增益光纤和泵浦光纤分别拉丝后再涂覆而制得，但是这种方法制备的光纤长度较短（仅为十余米），且对超净环境要求较高，不利于增益泵浦一体化光纤的批量化生产。第二种方法是将多根预制棒直接装载入拉丝塔中同时拉丝。该方法一次可拉制数公里光纤，有利于批量化生产，但是采用该方法制备的光纤容易出现有源纤与泵浦纤粘贴在一起，无法分离，或者有源纤与泵浦纤之间存在间隙的问题， 影响泵浦光的耦合与吸收，严重阻碍了增益泵浦一体化光纤在高功率激光激光领域中的发展进程。
发明内容
见于现有技术存在的不足，本发明提供一种增益泵浦一体化光纤的制备方法。本发明对多根预制棒同时拉丝工艺进行优化，将多个非对称结构的预制棒通过预熔接工艺制备的均匀稳定的预制棒组合件装置入拉丝塔中，可以有效的降低拉丝过程中产生的形变，提高光纤的拉丝精度，保证拉丝后增益泵浦一体化光纤结构的一致性。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方案是：一种增益泵浦一体化光纤的制备方法，其特征在于：包括有源光纤预制棒（1）、无源光纤预制棒、石英套管、短石英柱或短石英块，
所述有源光纤预制棒为八边形，有源光纤预制棒纤芯部分以二氧化硅为基质，同时掺有稀土元素镱以及铝、磷、铈共掺元素，包层部分为二氧化硅；
所述无源光纤预制棒为圆形，以二氧化硅作为基质；
具体步骤如下：
第一步，首先制备有源光纤预制棒，然后根据设计要求决定是否对有源光纤预制棒进行套管；
第二步，为避免螺旋光的产生，增加泵浦光的吸收，将有源光纤预制棒加工成八边形；
第三步， 制备与八边形有源光纤预制棒内切圆直径相同的无源光纤预制棒；
第四步，将一根有源光纤预制棒和n根无源光纤预制棒的一端插入石英套管中，并在有源光纤预制棒和无源光纤预制棒与石英套管之间的空隙中填入n根短石英柱或短石英块，以起到固定有源光纤预制棒和无源光纤预制棒相对位置的目的，以确保拉丝后有源纤与无源纤可以紧密接触，同时又相互独立；
第五步，采用三喷头火焰加热装置将有源光纤预制棒、无源光纤预制棒、短石英柱或短石英块与石英套管进行预熔接处理，预烧结时间5~8分钟，温度控制在1500~1600℃，预熔接后形成稳固的预制件组合体；
第六步，将预制件组合体放入拉丝塔的加热炉内，进行拉丝涂覆。
本发明的优点是：本发明对多根预制棒同时拉丝工艺进行优化，将多个非对称结构的预制棒通过预熔接工艺制备的均匀稳定的预制棒组合件装置入拉丝塔中，可以有效的降低拉丝过程中产生的形变，提高光纤的拉丝精度，保证拉丝后增益泵浦一体化光纤结构的一致性。
1、采用石英套管与短石英柱或短石英块对八边形有源光纤预制棒与无源光纤预制棒进行固定，形成预制棒组合件，并进行预熔接处理，保证预制件结构的中有源棒与无源棒的相对位置，防止拉丝后有源纤与无源纤之间存在缝隙或者发生粘贴现象等问题。
2、在预熔接处理过程中，采用三喷头氢氧焰加热装置对预制棒组合件进行加热。相比于常规单喷头氢氧焰加热方式热场面积更大，石英套管、有源棒、无源棒、短石英柱或短石英块受热更均匀，可以有效防止单侧加热引起的非对称热应力导致光纤变形，有利于形成稳固的预制件组合体，从而保证拉丝后光纤结构的一致性。
附图说明
图1为本发明1+1型增益泵浦一体化光纤预制棒的结构图；
图2为本发明3+1型增益泵浦一体化光纤预制棒的结构图；
图3为本发明6+1型增益泵浦一体化光纤预制棒的结构图；
图4为采用三喷头火焰加热装置加工本发明的示意图。
具体实施方式
为利于同行业技术人员的理解，下面结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征进行进一步说明。
一种增益泵浦一体化光纤的制备方法，包括有源光纤预制棒1、无源光纤预制棒2、石英套管3、短石英柱4或短石英块5。
有源光纤预制棒1为八边形，有源光纤预制棒1纤芯1-1部分以二氧化硅为基质，同时掺有稀土元素镱（YB）以及铝、磷、铈共掺元素，包层部分为二氧化硅。
无源光纤预制棒2为圆形，以二氧化硅作为基质。
具体步骤如下：
第一步，首先制备有源光纤预制棒1，然后根据设计要求决定是否对有源光纤预制棒1进行套管。
第二步，为避免螺旋光的产生，增加泵浦光的吸收，将有源光纤预制棒1加工成八边形；
第三步， 制备与八边形有源光纤预制棒1内切圆直径相同的无源光纤预制棒2。
第四步，将一根有源光纤预制棒1和n根无源光纤预制棒2的一端插入石英套管3中，并在有源光纤预制棒1和无源光纤预制棒2与石英套管3之间的空隙中填入n根短石英柱4或短石英块5，以起到固定有源光纤预制棒1和无源光纤预制棒2相对位置的目的，以确保拉丝后有源纤与无源纤可以紧密接触，同时又相互独立。
第五步，采用三喷头火焰加热装置6将有源光纤预制棒1、无源光纤预制棒2、短石英柱4或短石英块5与石英套管3进行预熔接处理，预烧结时间5~8分钟，温度控制在1500~1600℃，预熔接后形成稳固的预制件组合体。
第六步，将预制件组合体放入拉丝塔的加热炉内，进行拉丝涂覆。
n根无源光纤预制棒2为1至6根。
n根短石英柱4或短石英块5为2至6个。
有源光纤预制棒1与无源光纤预制棒2之间的空隙距离为1~3nn。
石英套管3和短石英柱4或短石英块5的长度为3~5厘米之间。
有源光纤预制棒1为：
采用NCVD方法制备的有源光纤预制棒1，在纤芯1-1掺杂稀土元素镱及铝、磷、铈共掺元素。
采用PCVD方法制备的有源光纤预制棒1，在纤芯1-1掺杂稀土元素镱及铝、磷、铈共掺元素。
采用VAD方法制备的有源光纤预制棒1，在纤芯1-1掺杂稀土元素镱及铝、磷、铈共掺元素。
采用OVD方法制备的有源光纤预制棒1，在纤芯1-1掺杂稀土元素镱及铝、磷、铈共掺元素。
实施例一：如图1所示，本实施例适用于增益泵浦一体化光纤的制备，为便于理解，本实施例以1+1型增益泵浦一体化光纤的制备过程为例进行说明。
第一步，首先制备掺有稀土离子的有源光纤预制棒1。
第二步，然后根据设计要求决定是否对有源光纤预制棒1进行套管。
第三步，为避免螺旋光的产生，增加泵浦光的吸收，将一根有源光纤预制棒1加工成八边形有源光纤预制棒1；制备一根与八边形有源光纤预制棒1内切圆直径相同的无源光纤预制棒2，其基质为二氧化硅。
第四步，将一根八边形有源光纤预制棒1和一根无源光纤预制棒2一端插入石英套管3中，并将二个短石英柱4插入八边形有源光纤预制棒1和无源光纤预制棒2与石英套管3之间的空隙，确保有源光纤预制棒1与无源光纤预制棒2之间的距离在1~3nn之间。
石英套管3和短石英柱4的长度相同，一般在3~5cn之间。
第五步，如图4所示，采用三喷头火焰加热装置6将八边形有源光纤预制棒1、无源光纤预制棒2、石英套管3与短石英柱4进行预熔接，预熔接温度在1500~1600oC之间，预熔接时间5~6分钟，预熔接后形成稳固的预制件组合体。
第六步，将预制件组合体放入拉丝塔的加热炉内，进行拉丝涂覆。
实施例二：如图2所示的，本实施例适用于增益泵浦一体化光纤的制备，为便于理解，本实施例以3+1型增益泵浦一体化光纤制备过程为例进行说明。
第一步，首先制备掺有稀土离子的有源光纤预制棒1；
第二步，然后根据设计要求决定是否对有源光纤预制棒1进行套管。
第三步，为避免螺旋光的产生，增加泵浦光的吸收，将一根有源光纤预制棒1加工成八边形有源光纤预制棒1；制备三根与八边形有源光纤预制棒1内切圆直径相同的无源光纤预制棒2，其基质为二氧化硅。
第四步，将一根八边形有源光纤预制棒1和三根无源光纤预制棒2的一端插入石英套管3中，在每对无源光纤预制棒2之间分别插入一个短石英块5，确保有源光纤预制棒1和无源光纤预制棒2之间的距离在1~3nn之间。石英套管3、短石英块5的长度相同，一般在3~5cn之间。
第五步，如图4所示，采用三喷头火焰加热装置6将八边形有源光纤预制棒1、三根无源光纤预制棒2、石英套管3和三个短石英块5进行预熔接，预熔接温度在1500~1600oC之间，预熔接时间6~7分钟，预熔接后形成稳固的预制件组合体。
第六步，将预制件组合体放入拉丝塔的加热炉内，进行拉丝涂覆。
实施例三：如图3所示，本实施例适用于增益泵浦一体化光纤的制备，为便于理解，本实施例以6+1型增益泵浦一体化光纤制备过程为例进行说明。
第一步，首先制备掺有稀土离子的有源光纤预制棒1；
第二步，然后根据设计要求决定是否对有源光纤预制棒1进行套管；
第三步，为避免螺旋光的产生，增加泵浦光的吸收，将有源光纤预制棒1加工成八边形有源光纤预制棒1；制备六根与八边形有源光纤预制棒1内切圆直径相同的无源光纤预制棒2其基质为二氧化硅；
第四步，将八边形有源光纤预制棒1和六根无源光纤预制棒2一端插入石英套管3中，在每对无源光纤预制棒2之间分别和有源光纤预制棒1的之间分别插入一个短石英柱4，确保有源光纤预制棒1与无源光纤预制棒2之间的距离在1~3nn之间。石英套管3、短石英柱4的长度相同，一般在3~5cn之间。
第五步，如图4所示，采用三喷头火焰加热装置6将八边形有源光纤预制棒1、六根无源光纤预制棒2、石英套管3和六个短石英柱4进行预熔接，预熔接温度在1500~1600oC之间，预熔接时间7~8分钟，预熔接后形成稳固的预制件组合体。第六步，将预制件组合体放入拉丝塔的加热炉内，进行拉丝涂覆。
综上所述，本发明提供了一种可以有效提高非对称组合式光纤预制棒拉丝控制精度的拉丝方法，但是本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种增益泵浦一体化光纤的制备方法，其特征在于：包括有源光纤预制棒（1）、无源光纤预制棒（2）、石英套管（3）、短石英柱（4）或短石英块（5），
所述有源光纤预制棒（1）为八边形，有源光纤预制棒（1）纤芯（1-1）部分以二氧化硅为基质，同时掺有稀土元素镱以及铝、磷、铈共掺元素，包层部分为二氧化硅；
所述无源光纤预制棒（2）为圆形，以二氧化硅作为基质；
具体步骤如下：
第一步，首先制备有源光纤预制棒（1），然后根据设计要求决定是否对有源光纤预制棒（1）进行套管；
第二步，为避免螺旋光的产生，增加泵浦光的吸收，将有源光纤预制棒（1）加工成八边形；
第三步， 制备与八边形有源光纤预制棒（1）内切圆直径相同的无源光纤预制棒（2）；
第四步，将一根有源光纤预制棒（1）和n根无源光纤预制棒（2）的一端插入石英套管（3）中，并在有源光纤预制棒（1）和无源光纤预制棒（2）与石英套管（3）之间的空隙中填入n根短石英柱（4）或短石英块（5），以起到固定有源光纤预制棒（1）和无源光纤预制棒（2）相对位置的目的，以确保拉丝后有源纤与无源纤可以紧密接触，同时又相互独立；
第五步，采用三喷头火焰加热装置（6）将有源光纤预制棒（1）、无源光纤预制棒（2）、短石英柱（4）或短石英块（5）与石英套管（3）进行预熔接处理，预烧结时间5~8分钟，温度控制在1500~1600℃，预熔接后形成稳固的预制件组合体；
第六步，将预制件组合体放入拉丝塔的加热炉内，进行拉丝涂覆。
2.根据权利要求1所述的一种增益泵浦一体化光纤的制备方法，其特征在于：所述的n根无源光纤预制棒（2）为1至6根。
3.根据权利要求1所述的一种增益泵浦一体化光纤的制备方法，其特征在于：所述的n根短石英柱（4）或短石英块（5）为2至6个。
4.根据权利要求1所述的一种增益泵浦一体化光纤的制备方法，其特征在于：所述的有源光纤预制棒（1）与无源光纤预制棒（2）之间的空隙距离为1~3nn。
5.根据权利要求1所述的一种增益泵浦一体化光纤的制备方法，其特征在于：所述的石英套管（3）和短石英柱（4）或短石英块（5）的长度为3~5厘米之间。
6.根据权利要求1所述的一种增益泵浦一体化光纤的制备方法，其特征在于：所述的有源光纤预制棒（1）为：
采用NCVD方法制备的有源光纤预制棒（1），在纤芯（1-1）掺杂稀土元素镱及铝、磷、铈共掺元素；
采用PCVD方法制备的有源光纤预制棒（1），在纤芯（1-1）掺杂稀土元素镱及铝、磷、铈共掺元素；
采用VAD方法制备的有源光纤预制棒（1），在纤芯（1-1）掺杂稀土元素镱及铝、磷、铈共掺元素；
采用OVD方法制备的有源光纤预制棒（1），在纤芯（1-1）掺杂稀土元素镱及铝、磷、铈共掺元素。
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