CN108459371A - 一种掺镱保偏光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学与激光光电子技术领域，具体公开了一种掺镱保偏光纤，包括纤芯、内包层、外包层和应力层。所述纤芯位于内包层的中央，为镱、铝、磷共掺的二氧化硅，具有最大折射率Δ百分比Δ1；所述内包层为二氧化硅，具有最大折射率Δ百分比Δ2；所述应力层对称间隔分布在纤芯两侧且位于内包层中，为掺硼二氧化硅，具有最大折射率Δ百分比Δ3；所述外包层环绕分布在内包层周围，具有最大折射率Δ百分比Δ4。其中，Δ1>Δ2>Δ3>Δ4，且分布体积V3需大于3460％Δum2且小于6060％Δum2。

Description

一种掺镱保偏光纤
技术领域
本发明涉及光学与激光光电子技术领域，具体涉及一种掺镱保偏光纤。
背景技术
随着光纤激光器的迅猛发展，如何进一步实现高功率输出成为近年来
的研究热点，激光器的相干合成技术是实现这一突破的有效途径，然而在比较稳定的线偏振状态下工作是实现相干合成的必要条件，相比于使用偏振器件，掺镱保偏光纤可以实现系统的全光纤结构，更稳定且操作简便，因此更具有优势；另外，倍频技术是获得绿激光输出的关键手段，而在谐波转换的过程中，必须保证相位匹配才能实现能量高效连续地转换，这就需要入射至非线性晶体的基波具有固定的偏振态，所以采用保偏掺镱光纤来获得线偏振态的输出激光尤为重要，因此，掺镱保偏光纤的研发制造对于特殊激光领域有重要意义。
目前国内在掺镱保偏光纤的制备上一定程度受限于掺镱芯棒的尺寸，因为现有工艺在制备大尺寸芯棒上尚有一定难度，这会对后续打孔造成较大的局限性。若孔距太近，会在拉丝过程中在纤芯边缘形成较大应力导致纤芯变形，从而使得光纤对信号光的损耗增大、光束质量恶化；若孔距过远，又无法保证所需的双折射，并且容易造成包层边缘应力过大而导致的包层变形。因此，如何在现有的芯棒基础上合理设计应力层的大小、间距以及折射率下陷深度尤为关键，优良的设计可以保证光纤在具备保偏性能的同时具有良好的光束质量。
发明内容
为了实现超快激光器系统的全光纤结构，本发明提供一种可实现激光增益并保持偏振态的掺镱保偏光纤。
本发明采用的技术方案是：
一种掺镱保偏光纤，包括纤芯、内包层、应力层和外包层，所述纤芯位于内包层的中央，所述应力层对称间隔分布在纤芯两侧且位于内包层中，所述外包层环绕分布在内包层周围，所述纤芯为镱、铝、磷共掺的二氧化硅；所述应力层的背景材料为掺硼二氧化硅，所述内包层的背景材料为纯二氧化硅。
其中，所述外包层外涂覆有两层涂层，内涂层和外涂层，所述内涂层为低折射率耐高温涂料，所述外涂层为高折射率耐高温涂料。
其中，所述光纤横截面为中心对称结构，所述纤芯、内包层、外包层和应力层均为圆形对称。
其中，包括具有最大折射率Δ百分比Δ1的纤芯；具有最大折射率Δ百分比Δ2的内包层；具有最大折射率Δ百分比Δ3的应力层；具有最大折射率Δ百分比Δ4的外包层，其中，Δ1>Δ2>Δ3>Δ4，且应力层的分布体积V3定义为：
r2和r3表示应力层的内半径和外半径，V3需大于3460％Δum2且小于6060％Δum2。
其中，“相对折射率百分比”定义为其中nc是未掺杂二氧化硅的玻璃折射率。如此出所使用的，相对折射率以Δ表示，而且它的值以“％”为单位给出。在某些区域的折射率小于未掺杂二氧化硅的玻璃折射率的情况下，相对折射率百分比为负，而且可以称为具有下陷区域或下陷折射率。
其中，术语“α分布”指的是相对折射率分布，以单位为“％”的项。
其中，Δ(r)遵循以下方程：其中，r0是Δ(r)为最大值的点，r1是Δ(r)为零的点，本发明中，α为无穷大，即Δ(r)为常数。
其中，r2和r3表示应力层的内半径和外半径，r4和r5表示外包层的内半径和外半径，R和L分别为应力区的半径和距离纤芯的距离，并且分别定义为：R＝(r2-r3)/2，L＝(r2+r3)/2。
本发明使用规定的测试方法对所述掺镱保偏光纤的模场直径MFD、纤芯圆度、拍长以及光束质量因子进行了测试。具体实施例见表1
表1
其中，所述内包层最大折射率Δ百分比Δ2＝0，所述外包层最大折射率Δ百分比Δ4≥0.05。
其中，信号光波长为1064nm时，所述掺镱保偏光纤的模场直径为26.6um。
其中，信号光波长为1064nm时，所述掺镱保偏光纤的双折射最大可达到3.52×10-4，最小不低于2.4×10-4；拍长最小可达3.2mm，最大不超过4.4mm。
其中，信号光波长为1064nm时，所述掺镱保偏光纤的纤芯圆度在0.8％及以下。
其中，信号光波长为1064nm时，光束质量因子M2可控制在1.45及以下。
本发明的有益效果体现在：
本发明所设计的掺镱保偏光纤，包括纤芯、内包层、应力层和外包层，所述纤芯位于内包层的中央，所述应力层对称间隔分布在纤芯两侧且位于内包层中，所述外包层环绕分布在内包层周围，所述纤芯为镱、铝、磷共掺的二氧化硅；所述应力层的背景材料为掺硼二氧化硅，所述内包层的背景材料为纯二氧化硅。通过对纤芯的折射率、应力层的大小、间距以及折射率下陷深度进行合理地设计，可以使得光纤对泵浦光具有高吸收效果并充分转化为所需信号光，同时具备良好的保偏效果，更关键的是，所述光纤纤芯边缘分布的应力比较小，拉丝之后纤芯的圆度保持较好，对1064nm信号光具有良好的光束质量。
附图说明
图1是本发明实施例的掺镱保偏光纤横截面示意图。
图2是掺镱保偏光纤的示例性折射率剖面图。
图3是掺镱保偏光纤截面的应力双折射二维分布图。
图4是掺镱保偏光纤截面的应力分布图。
图中，1-纤芯，2-内包层，3-应力层，4-外包层，5-涂层。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于对本发明进行说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明提供的掺镱保偏光纤，包括纤芯1、内包层2、应力层3和外包层4，所述纤芯1位于内包层2的中央，所述应力层3对称间隔分布在纤芯1两侧且位于内包层2中，所述外包层4环绕分布在内包层2周围，所述纤芯1为镱、铝、磷共掺的二氧化硅，其中，所述应力层3的背景材料为掺硼二氧化硅，所述内包层2的背景材料为纯二氧化硅。
本发明的掺镱保偏光纤由于纤芯1掺杂了稀土离子，使得915nm泵浦光穿过纤芯1时可以激发出1064nm信号光，由于应力层3的存在，使得在纤芯1中的信号光以单偏振态传输。
其中，所述外包层4外涂覆有两层涂层5，内涂层和外涂层，所述内涂层为低折射率耐高温涂料，所述外涂层为高折射率耐高温涂料。
其中，所述光纤横截面为中心对称结构，所述纤芯1、内包层2、应力层3和外包层4均为圆形对称。
如图2所示，所述掺镱保偏光纤包括具有最大折射率Δ百分比Δ1的纤芯1，纤芯半径为r1；具有最大折射率Δ百分比Δ2的内包层2；具有最大折射率Δ百分比Δ3的应力层3；具有最大折射率Δ百分比Δ4的外包层4。其中，Δ1>Δ2>Δ3>Δ4，且分布体积V3定义为：
r2和r3表示应力层3的内半径和外半径，V3需大于3460％Δum2且小于6060％Δum2。
其中，所述内包层2最大折射率Δ百分比Δ2＝0，所述外包层4最大折射率Δ百分比Δ4≥0.05。其中，外包层4采用聚酯或硅橡胶；涂层5采用丙烯酸树脂，折射率在1.51左右。
如图3、4所示，通过试验发现，掺镱保偏光纤的截面应力分布主要集中在纤芯1和应力层3之间的区域，通过合理设计应力层3的大小、掺硼深度以及与纤芯1之间的距离，可以减小该区域的应力，从而避免拉丝过程中的纤芯1变形导致损耗增大、光束质量劣化。
以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以作出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种掺镱保偏光纤，其特征在于，包括纤芯、内包层、应力层和外包层，所述纤芯位于内包层的中央，所述应力层对称间隔分布在纤芯两侧且位于内包层中，所述外包层环绕分布在内包层周围，所述纤芯为镱、铝、磷共掺的二氧化硅；所述应力层的背景材料为掺硼二氧化硅，所述内包层的背景材料为纯二氧化硅。
2.如权利要求1所述的一种掺镱保偏光纤，其特征在于，所述外包层外涂覆有两层涂层，内涂层和外涂层，所述内涂层为低折射率耐高温涂料，所述外涂层为高折射率耐高温涂料。
3.如权利要求1所述的一种掺镱保偏光纤，其特征在于，所述光纤横截面为中心对称结构，所述纤芯、内包层、外包层和应力层均为圆形对称。
4.如权利要求1～3所述的一种掺镱保偏光纤，其特征在于，包括具有最大折射率Δ百分比Δ1的纤芯；具有最大折射率Δ百分比Δ2的内包层；具有最大折射率Δ百分比Δ3的应力层；具有最大折射率Δ百分比Δ4的外包层，其中，Δ1>Δ2>Δ3>Δ4，且应力层的分布体积V3定义为：
r2和r3表示应力层的内半径和外半径，V3需大于3460％Δum2且小于6060％Δum2。
5.如权利要求4所述的一种掺镱保偏光纤，其特征在于，所述内包层最大折射率Δ百分比Δ2＝0，所述外包层最大折射率Δ百分比Δ4≥0.05。
6.如权利要求4所述的一种掺镱保偏光纤，其特征在于，信号光波长为1064nm时，所述掺镱保偏光纤的模场直径为26.6um。
7.如权利要求4所述的一种掺镱保偏光纤，其特征在于，信号光波长为1064nm时，所述掺镱保偏光纤的双折射最大可达到3.52×10-4，最小不低于2.4×10-4；拍长最小可达3.2mm，最大不超过4.4mm。
8.如权利要求4所述的一种掺镱保偏光纤，其特征在于，信号光波长为1064nm时，所述掺镱保偏光纤的纤芯圆度在0.8％及以下。
9.如权利要求4所述的一种掺镱保偏光纤，其特征在于，信号光波长为1064nm时，光束质量因子M2可控制在1.45及以下。
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