CN108828711B

CN108828711B - 一种掺镱光纤

Info

Publication number: CN108828711B
Application number: CN201810415742.9A
Authority: CN
Inventors: 罗文勇; 赵梓森; 杜城; 严垒
Original assignee: Ruiguang Xintong Technology Co ltd; Fiberhome Telecommunication Technologies Co Ltd
Current assignee: Ruiguang Xintong Technology Co ltd; Fiberhome Telecommunication Technologies Co Ltd
Priority date: 2018-05-03
Filing date: 2018-05-03
Publication date: 2021-08-03
Anticipated expiration: 2038-05-03
Also published as: CN108828711A

Abstract

本发明公开了一种掺镱光纤，涉及光纤技术领域，包括，包括纤芯，其特征在于：所述纤芯由内到外依次包括圆形的中心芯区、以及至少三个与所述中心芯区同心设置的环形掺杂芯区，所述中心芯区的直径和三个所述环形掺杂芯区的外径由内到外依次增大，且所述中心芯区和三个所述环形掺杂芯区的镱离子浓度由内到外依次增加。本发明提供的掺镱光纤，不仅提高了后续光纤制造中镱离子浓度均匀分布的可行性，而且避免了高斯分布带来的纤芯中心功率过高的问题，为掺镱光纤光子暗化的解决提供了可行的路径。

Description

一种掺镱光纤

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种掺镱光纤。

背景技术

光纤激光器的出现是激光发展史上具有旗帜性和革命性的里程碑，它以无比卓越的性能和超值的价格，在激光加工、激光医疗、激光雷达、激光测距等多方面得了日益广泛的应用。光纤激光器具有效率高、光束质量好、可靠性高、结构紧凑和散热性好等优点，此外，光纤激光器使用二极管泵浦，体积小、结构紧凑。与笨重的固体激光器相比，不仅减少了额外增加传输光纤的需要和系统的复杂性，而且降低了激光器的成本。因此，使得光纤激光器的应用越来越广泛。

同时，掺镱光纤为在纤芯掺有镱元素的一种光纤，是当前主流光纤激光器的核心元件。随着光纤激光器功率的增加，对掺镱光纤的要求也越来越高。常规的掺镱光纤由于是在单一的纤芯中掺入较多的镱离子，这容易发生纤芯中镱离子的分布不均，部分区域镱离子浓度过高的情况，在高功率光纤激光器条件下，这将引起诸如光子暗化等现象，即光暗化效应，造成光纤激光器在工作一段时间后，发生功率下降，乃至完全无法正常输出激光的现象。

上述光暗化效应是一种导致掺杂光纤芯层背景损耗永久性增加的现象，会引起激光输出功率的下降。有研究者认为光暗化效应是一种由泵浦光和信号光的多光子吸收而引起的光纤结构的永久性破坏现象，由此产生的色心使掺杂光纤的背景损耗增加。杂质、共掺剂和玻璃的不均匀性都会导致光纤能级结构的变化，同时团簇会增加掺杂离子能量传递的几率。因此在光纤制备过程中提高原料纯度以及掺杂的均匀性，避免团簇的发生至关重要。

因此，需要进行新型掺镱光纤的设计研究，解决掺镱光纤暗化的问题，为较高功率光纤激光器长时间稳定工作奠定基础。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种掺镱光纤，此种结构设计不仅提高了后续光纤制造中镱离子浓度均匀分布的可行性，而且避免了高斯分布带来的纤芯中心功率过高的问题，为掺镱光纤光子暗化的解决提供了可行的路径。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种掺镱光纤，包括纤芯，所述纤芯由内到外依次包括圆形的中心芯区、以及至少三个与所述中心芯区同心设置的环形掺杂芯区，所述中心芯区的直径和三个所述环形掺杂芯区的外径由内到外依次增大，且所述中心芯区和三个所述环形掺杂芯区的镱离子浓度由内到外依次增加。

在上述技术方案的基础上，三个所述环形掺杂芯区由内到外依次为第一环形掺杂芯区、第二环形掺杂芯区和第三环形掺杂芯区。

在上述技术方案的基础上，所述中心芯区的镱离子浓度为p1，所述第一环形掺杂芯区的镱离子浓度p2＝(1+m1)*p1，其中m1取值范围为3.0％～5.0％，所述第二环形掺杂芯区的镱离子浓度p3＝(1+m2)*p1，其中m2取值范围为8.0％～12.0％，所述第三环形掺杂芯区的镱离子浓度p4＝(1+m3)*p1，其中m3取值范围为15.0％～20.0％。

在上述技术方案的基础上，所述中心芯区的直径为d1，所述第一环形掺杂芯区的外径d2＝d1+(1-n1)*d1，其中n1取值范围为5％～6％，所述第二环形掺杂芯区的外径d3＝d1+(2-n2)*d1，其中n2取值范围为11％～13％，所述第三环形掺杂芯区的外径d4＝d1+(3-n3)*d1，其中n3取值范围为18％～21％。

在上述技术方案的基础上，所述纤芯包括五个与所述中心芯区同心设置的环形掺杂芯区，所述中心芯区的直径和五个所述环形掺杂芯区的外径由内到外依次增大，且所述中心芯区和五个所述环形掺杂芯区的镱离子浓度由内到外依次增加。

在上述技术方案的基础上，所述光纤还包括包层、内涂层、外涂层，所述包层横截面为中心对称的十六边形，所述十六边形由八条长边和八条短边交替连接而成。

在上述技术方案的基础上，八条所述长边的延长线相互交叉后可围合成一正八边形，所述正八边形的边长长度为L₀，所述十六边形的短边长度为L₁，L₁：L₀＝1:5～1:7。

在上述技术方案的基础上，所述内涂层的折射率范围为1.365～1.380，所述外涂层的折射率范围为1.481～1.523。

在上述技术方案的基础上，所述纤芯的直径范围18.0um～22.0um，所述包层相对两长边的距离范围为125um～131um，所述外涂层的直径范围为230.0um～260.0um。

在上述技术方案的基础上，所述纤芯和包层的同心度不大于3.0um，所述纤芯数值孔径范围为0.070～0.080，所述包层数值孔径大于等于0.46。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的掺镱光纤通过在中心芯区外设计有至少三个以上的环形掺杂芯区，使镱元素得以更均匀的分布，使激光功率在纤芯的分布更为平均。此种结构设计不仅提高了后续光纤制造中镱离子浓度均匀分布的可行性，而且避免了高斯分布带来的纤芯中心功率过高的问题，为掺镱光纤光子暗化的解决提供了可行的路径。

(2)本发明掺镱光纤的石英包层横截面为中心对称的十六边形，短边的设计可以减少突出尖锐结构设计，掺镱光纤在涂覆器中旋转时，八个短边首先来对接触的涂料起到良好的引导，从而可以避免掺镱光纤在涂覆器中旋转时，会因为其不对称结构或正方形及八边形的尖锐结构导致涂覆器中涂料的异常流动，从而使得本发明实施例中的掺镱光纤适应于大规模大长度的连续生产，而且更易被制造出涂层一致性更高的掺镱光纤。

附图说明

图1为本发明实施例中纤芯的结构示意图；

图2为本发明实施例中光纤的结构示意图；

图3为本发明实施例中包层的结构示意图；

图4为本发明实施例中包层长边延长线围合的图形示意图。

图中：1-纤芯，10-中心芯区，11-第一环形掺杂芯区，12-第二环形掺杂芯区，13-第三环形掺杂芯区，14-第四环形掺杂芯区，15-第五环形掺杂芯区，2-包层，3-内涂层，4-外涂层。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例1

本发明实施例提供一种掺镱光纤，包括纤芯1，所述纤芯1由内到外依次包括圆形的中心芯区10、以及至少三个与所述中心芯区10同心设置的环形掺杂芯区，所述中心芯区10的直径和三个所述环形掺杂芯区的外径按照由内到外的顺序依次增大，且所述中心芯区10和三个所述环形掺杂芯区的镱离子浓度由内到外依次增加。

参见图1所示，在本实施例中，所述纤芯1包括三个环形掺杂芯区，三个所述环形掺杂芯区由内到外依次为第一环形掺杂芯区11、第二环形掺杂芯区12和第三环形掺杂芯区13。

本发明实施例的掺镱光纤通过在中心芯区10外设计有至少三个以上的环形掺杂芯区，使镱元素得以更均匀的分布，并通过对中心区域、环形掺杂芯区内镱离子浓度的提前规划分配，设计中心芯区10和三个所述环形掺杂芯区的镱离子浓度由内到外依次增加，使激光功率在纤芯的分布更为平均。此种结构设计不仅提高了后续光纤制造中镱离子浓度均匀分布的可行性，而且避免了高斯分布带来的纤芯中心功率过高的问题，为掺镱光纤光子暗化的解决提供了可行的路径。

进一步地，中心芯区10和环形掺杂芯区中掺杂的其他元素还包括锗、磷、铝等元素，且这些元素的浓度和每个区域内镱离子浓度相匹配。通过在光纤中掺杂多种元素，可以使光纤性能更加良好。

实施例2

作为一种较好的可选方式，本发明实施例2提供一种掺镱光纤，包括纤芯1，所述纤芯1由内到外依次包括圆形的中心芯区10、以及至少三个与所述中心芯区10同心设置的环形掺杂芯区，所述中心芯区10的直径和三个所述环形掺杂芯区的外径按照由内到外的顺序依次增大，且所述中心芯区10和三个所述环形掺杂芯区的镱离子浓度由内到外依次增加。

在本实施例中，所述纤芯1包括三个环形掺杂芯区，三个所述环形掺杂芯区由内到外依次为第一环形掺杂芯区11、第二环形掺杂芯区12和第三环形掺杂芯区13。

所述中心芯区10的镱离子浓度为p1，所述第一环形掺杂芯区11的镱离子浓度p2＝(1+m1)*p1，其中m1取值范围为3.0％～5.0％，所述第二环形掺杂芯区12的镱离子浓度p3＝(1+m2)*p1，其中m2取值范围为8.0％～12.0％，所述第三环形掺杂芯区13的镱离子浓度p4＝(1+m3)*p1，其中m3取值范围为15.0％～20.0％。经过多次试验测量，上述镱离子浓度分布情况下，光纤性能更加优良。

实施例3

作为一种较好的可选方式，本发明实施例3提供一种掺镱光纤，包括纤芯1，所述纤芯1由内到外依次包括圆形的中心芯区10、以及至少三个与所述中心芯区10同心设置的环形掺杂芯区，所述中心芯区10的直径和三个所述环形掺杂芯区的外径按照由内到外的顺序依次增大，且所述中心芯区10和三个所述环形掺杂芯区的镱离子浓度依次增加。

所述中心芯区10的直径为d1，所述第一环形掺杂芯区11的外径d2＝d1+(1-n1)*d1，其中n1取值范围为5％～6％，所述第二环形掺杂芯区12的外径d3＝d1+(2-n2)*d1，其中n2取值范围为11％～13％，所述第三环形掺杂芯区13的外径d4＝d1+(3-n3)*d1，其中n3取值范围为18％～21％。经过多次试验测量，上述镱离子浓度分布情况下，光纤性能更加优良。

实施例4

本发明实施例提供一种掺镱光纤，包括纤芯1，所述纤芯1由内到外依次包括圆形的中心芯区10、以及至少三个与所述中心芯区10同心设置的环形掺杂芯区。

在本实施例中，所述纤芯1包括五个与所述中心芯区10同心设置的环形掺杂芯区，所述中心芯区10的直径和五个所述环形掺杂芯区的外径由内到外依次增大，且所述中心芯区10和五个所述环形掺杂芯区的镱离子浓度由内到外依次增加。

五个所述环形掺杂芯区由内到外依次为第一环形掺杂芯区11、第二环形掺杂芯区12、第三环形掺杂芯区13、第四环形掺杂芯区14和第五环形掺杂芯区15。

所述中心芯区10的镱离子浓度为p1，所述第一环形掺杂芯区11的镱离子浓度p2＝(1+m1)*p1，其中m1取值范围为3.0％～5.0％，所述第二环形掺杂芯区12的镱离子浓度p3＝(1+m2)*p1，其中m2取值范围为8.0％～12.0％，所述第三环形掺杂芯区13的镱离子浓度p4＝(1+m3)*p1，其中m3取值范围为15.0％～20.0％，所述第四环形掺杂芯区14的镱离子浓度p5＝(1+m4)*p1，其中m4取值范围为21.0％～26.0％，所述第五环形掺杂芯区15的镱离子浓度p6＝(1+m5)*p1，其中m5取值范围为28.0％～33.0％。

所述中心芯区10的直径为d1，所述第一环形掺杂芯区11的外径d2＝d1+(1-n1)*d1，其中n1取值范围为5％～6％，所述第二环形掺杂芯区12的外径d3＝d1+(2-n2)*d1，其中n2取值范围为11％～13％，所述第三环形掺杂芯区13的外径d4＝d1+(3-n3)*d1，其中n3取值范围为18％～21％，所述第四环形掺杂芯区14的外径d5＝d1+(4-n4)*d1，其中n4取值范围为26％～30％，所述第五环形掺杂芯区15的外径d6＝d1+(5-n5)*d1，其中n5取值范围为35％～40％。

经过多次试验测量，上述镱离子浓度分布、以及各区域直径分布的情况下，光纤性能更加优良。

实施例5

本发明实施例与实施例1的区别在于：参见图2和图3所示，所述光纤还包括包层2、内涂层3、外涂层4，所述包层2横截面为中心对称的十六边形，所述十六边形由八条长边和八条短边交替连接而成，且所述包层2边缘通过气相反应腐蚀和火焰抛光组合进行抛光处理。

本发明实施例的掺镱光纤的包层2横截面为中心对称的十六边形，与圆形对称结构相比，此种非圆形对称结构设计仍然具有多个角的突出设计，使掺镱光纤保持良好的激光性能；与正八边形结构相比，此种十六边形由八条长边和八条短边交替连接而成，短边的设计可以减少突出尖锐结构设计，在生产制造过程中，所述十六边形可以是在正八边形结构的基础上通过削掉八个角而成，原正八边形的边被削掉一部分后形成所述十六边形的长边，削掉八个角后形成所述十六边形的短边，掺镱光纤在涂覆器中旋转时，八个短边首先来对接触的涂料起到良好的引导，从而可以避免掺镱光纤在涂覆器中旋转时，会因为其不对称结构或正方形及八边形的尖锐结构导致涂覆器中涂料的异常流动，从而使得本发明实施例中的掺镱光纤适应于大规模大长度的连续生产，而且更易被制造出涂层一致性更高的掺镱光纤。

同时，所述包层2边缘进行抛光处理，可以对多孔预制棒表面的硅氧键排列重组，一方面降低了光纤预制棒的表面粗糙度，解决光纤低损耗问题，另一方面，为实现高性能高一致性掺镱光纤的制造奠定良好的结构设计基础。

进一步地，参见图4所示，八条所述长边的延长线相互交叉后可围合成一正八边形，所述正八边形的边长长度为L₀，所述十六边形的短边长度为L₁，所述十六边形的长边长度为L₂，L₁：L₀＝1:5～1:7。所述正八边形的每个顶角处超出所述十六边形的区域面积为S1，所述正八边形相邻两边围合而成的三角形面积为S2，S1：S2＝1:3～1:5。优选地，S1：S2＝1:4，使得掺镱光纤在生产制造时，短边对接触的涂料起到更好的引导作用，可避免长边和短边形成的角过于尖锐而导致异常涂料流动。

实施例6

本实施例与实施例5的区别在于：所述内涂层3的折射率范围为1.365～1.380，所述外涂层4的折射率范围为1.481～1.523。

由于光只有在从光密介质折射率大向光疏介质折射率小传播的情况下，才能发生全反射。在本实施例中，所述外涂层4为高折射率涂层，所述内涂层3为低折射率涂层，外涂层4的折射率大于内涂层3的折射率，当光纤外部有光射入时，可以在外涂层4位置发生全反射，从而减少外部光的干扰，使光纤性能更加优良。

本实施例与实施例5的区别还在于：所述纤芯1的直径范围18.0um～22.0um，所述包层2相对两长边的距离范围为125um～131um，所述外涂层4的直径范围为230.0um～260.0um。经测量，该种参数的掺镱光纤性能较好，可以保持良好的激光性能。

所述纤芯1和包层2的同心度不大于3.0um，所述纤芯1数值孔径范围为0.070～0.080，所述包层2数值孔径大于等于0.46。

所述掺镱光纤在915nm波长的吸收系数为2.55dB/m～3.15dB/m，在975nm波长的吸收系数为7.55dB/m～8.10dB/m，在1200nm波长下所述包层2的损耗小于5dB/km，性能较好。

实施例7

本发明实施例提供的掺镱光纤包括三个环形掺杂芯区，其参数示例如下表1所示：

表1：具有三个环形掺杂芯区的光纤结构参数表

实施例8

本发明实施例提供的掺镱光纤包括四个环形掺杂芯区，其参数示例如下表2所示：

表2：具有四个环形掺杂芯区的光纤结构参数表

实施例9

本发明实施例提供的掺镱光纤包括四个环形掺杂芯区，其参数示例如下表3所示：

表3：具有五个环形掺杂芯区的光纤结构参数表

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，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

1.一种掺镱光纤，包括纤芯(1)，其特征在于：所述纤芯(1)由内到外依次包括圆形的中心芯区(10)、以及至少三个与所述中心芯区(10)同心设置的环形掺杂芯区，所述中心芯区(10)的直径和三个所述环形掺杂芯区的外径由内到外依次增大，且所述中心芯区(10)和三个所述环形掺杂芯区的镱离子浓度由内到外依次增加；

所述环形掺杂芯区由内到外依次包括第一环形掺杂芯区(11)、第二环形掺杂芯区(12)和第三环形掺杂芯区(13)；

所述中心芯区(10)的镱离子浓度为p1，所述第一环形掺杂芯区(11)的镱离子浓度p2＝(1+m1)*p1，其中m1取值范围为3.0％～5.0％，所述第二环形掺杂芯区(12)的镱离子浓度p3＝(1+m2)*p1，其中m2取值范围为8.0％～12.0％，所述第三环形掺杂芯区(13)的镱离子浓度p4＝(1+m3)*p1，其中m3取值范围为15.0％～20.0％；

所述中心芯区(10)的直径为d1，所述第一环形掺杂芯区(11)的外径d2＝d1+(1-n1)*d1，其中n1取值范围为5％～6％，所述第二环形掺杂芯区(12)的外径d3＝d1+(2-n2)*d1，其中n2取值范围为11％～13％，所述第三环形掺杂芯区(13)的外径d4＝d1+(3-n3)*d1，其中n3取值范围为18％～21％；

所述光纤还包括包层(2)、内涂层(3)、外涂层(4)，所述包层(2)横截面为中心对称的十六边形，所述十六边形由八条长边和八条短边交替连接而成；

八条所述长边的延长线相互交叉后可围合成一正八边形，所述正八边形的边长长度为L₀，所述十六边形的短边长度为L₁，L₁：L₀＝1:5～1:7。

2.如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于：所述纤芯(1)包括五个与所述中心芯区(10)同心设置的环形掺杂芯区，所述中心芯区(10)的直径和五个所述环形掺杂芯区的外径由内到外依次增大，且所述中心芯区(10)和五个所述环形掺杂芯区的镱离子浓度由内到外依次增加。

3.如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于：所述内涂层(3)的折射率范围为1.365～1.380，所述外涂层(4)的折射率范围为1.481～1.523。

4.如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于：所述纤芯(1)的直径范围18.0um～22.0um，所述包层(2)相对两长边的距离范围为125um～131um，所述外涂层(4)的直径范围为230.0um～260.0um。

5.如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于：所述纤芯(1)和包层(2)的同心度不大于3.0um，所述纤芯(1)数值孔径范围为0.070～0.080，所述包层(2)数值孔径大于等于0.46。