CN109283614B - 一种掺铥增益光纤及光纤激光器 - Google Patents

一种掺铥增益光纤及光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种稀土掺杂增益光纤及光纤激光振荡器，利用材料的导热系数随掺杂离子浓度的降低而增大的机制，在光纤中建立低掺杂导热通道，加快散热，避免热量在纤芯中心积累，有效防止热透镜效应的生成，减少对材料的光损伤，使输出光束质量和输出功率均得到提高，且所述纤芯的制备方法简单，易于实现。

Description

一种掺铥增益光纤及光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤制备技术领域，尤其涉及一种掺铥增益光纤及光纤激光器。
背景技术
2μm激光被称为“人眼安全”激光，在医疗手术、大气监测、激光雷达、遥感等领域具有广泛前景。随着光纤制作工艺的发展，以光纤为基质的光纤激光器，在降低阈值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面取得显著进步，成为目前激光领域的新兴技术，受到社会各方面的广泛重视。其中单频光纤激光器，具有输出相干长度长、噪声低、结构紧凑等诸多优点，在相干光通信和原子捕获、非线性频率转换和高精度光谱测量等领域有着非常广泛的应用前景。
掺铥光纤激光作为一种新型的高功率激光，它利用掺铥石英光纤作为增益介质，工作波长在2μm，处于人眼安全波长范围。随着光纤设计和制备工艺的改进以及半导体激光泵浦技术的发展，2μm波段掺铥光纤激光器得到了快速发展。掺铥光纤激光器由于可提供波长在2μm左右的长波激光振荡，与水的吸收峰相接近，有极好的对人体组织切割和凝血效果，可以用普通光纤传输，是理想的手术激光光源。同时掺铥光纤激光器作为产生3～5μm中红外激光的高效泵浦源也引起了人们的广泛关注。
光纤激光器的输出功率主要受到热损伤的限制，光纤中产热的本质原因是：泵浦光转化为激光时，由于能级不同，泵浦光子和激光信号光子能量存在差异，这部分激发态能量通过无辐射跃迁或交叉弛豫过程释放，这将导致能量的残余并沉积在光纤中产热，即量子亏损过程。热量在光纤中的积累可造成热透镜，纤芯熔化甚至光学放电等效应。热透镜效应是指激光介质被泵浦时，由于外围有散热流体，即冷却水进行冷却，所以中心温度比周围高，膨胀最厉害，形成温度梯度，进而形成折射率梯度，当光通过时，向中心汇聚，与透镜的情况几极为相似，故称为热透镜效应。热透镜效应是各种热效应中对光束质量影响最大的。纤芯熔化是由于热量积累使得纤芯温度达到石英熔化温度，造成纤芯熔化失去传光能力。专利文献CN101728758B提出了一种激光晶体由至少两块掺杂浓度不同的晶体前后间隙排列而成的技术方案，来减少热效应。然而这种掺杂结构会导致晶体内部泵浦光入射方向能量吸收不均匀，在晶体内部形成温度梯度效应、端面形变热透镜效应、双折射效应等，这些热效应限制了激光工作晶体对入射光吸收效率的提高，同时限制了激光器输出功率的提升。
发明内容
本发明根据上述现有技术的不足之处，提供一种掺铥增益光纤及光纤激光器，利用材料的导热系数随掺杂离子浓度的降低而增大的机制，在光纤中建立低掺杂导热通道，加快散热，避免热量在纤芯中心积累，有效防止热透镜效应的生成，减少对材料的光损伤，使输出光束质量和输出功率均得到提高，且所述纤芯的制备方法简单，易于实现。
本发明的具体方案如下：
一种掺铥增益光纤，所述光纤包括掺铥纤芯和套设于纤芯表面的包层，掺杂纤芯沿纵向间隔设置有低掺杂段。
所述低掺杂段的长度可以为0.01～0.2cm。
可选的，所有低掺杂段的长度相同，各低掺杂段也可以设置不同的长度，长度沿泵浦光入射方向递减。泵浦光入射位置处激光能量最为集中，产热最多，设置比较长的低掺杂段可以有效加快散热。
各低掺杂段之间的间距可以为0.5～10cm。
可选的，各低掺杂段之间的间距相同，可选的，各低掺杂段之间的间距不同，间距沿泵浦光入射方向递赠。泵浦光入射位置处激光能量最为集中，产热最多，设置比较密集的低掺杂段可以有效加快散热。
可选的，所述纤芯的中心设置圆柱形低掺杂部分。圆柱形低掺杂部分可以将热传导至低掺杂段，从而加快散热。
优选，所述包层包括内包层和外包层，所述内包层中掺杂氧化铝或氧化锗，提高内包层的折射率，减小纤芯的数值孔径，套设在所述内包层表面的外包层包括二氧化硅。
优选，所述光纤由锗酸盐玻璃制成，锗酸盐玻璃光纤具有良好的热稳定性和红外透过性，稀土离子溶解度较高，声子能量较低等优点，是稀土掺杂2μm激光输出的良好的基质材料。并且锗酸盐玻璃可以实现稀土离子高掺的效果，增益效果好，可以通过缩短腔长的办法，实现单纵模输出。
纤芯低掺杂通路以外的部分玻璃基质摩尔百分比组成范围如下:
SiO2：30～35
GeO2：25～45
Ga2O3：15～30
MF2：5～10
M’2O：5～10
Tm2O3：1～5
低掺杂部分玻璃基质的摩尔百分比组成范围如下:
SiO2：30～35
GeO2：25～45
Ga2O3：15～30
MF2：5～10
M’2O：5～10
Tm2O3：0.1～0.8
其中，M为Ba、Ca、Sr、Mg中的一种或任几种的组合；M’为Na、K、Li中的一种或任几种的组合。
本发明进一步提供一种制备上述光纤的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)按照摩尔百分比称取低掺杂部分材料，放入容器中进行研磨，混合均匀；
(2)按照摩尔百分比称取掺杂部分材料，放入容器中进行研磨，混合均匀；
(3)利用模具，通过气相沉积方法，间隔沉积掺杂部分及低掺杂部分，制备出光纤纤芯；
(4)使内包层粉体沉积在纤芯的表面，形成内包层；
(5)使外包层粉体沉积在内包层的表面，形成外包层，制成光纤预制棒；
(6)将该光纤预制棒进行拉丝处理。
本发明进一步提供一种采用上述增益光纤的光纤激光器，所述激光器包括泵浦源、波分复用器、所述增益光纤、波分解复用器；所述波分复用器的第一端通过所述增益光纤与所述波分解复用器连接；信号源发出的2μm信号光由外部进入激光器，与所述泵浦源发出的泵浦光一并入射至所述波分复用器；所述波分复用器耦合所述泵浦光和所述2μm信号光，再将耦合后的所述泵浦光和所述2μm信号光输入所述增益光纤，由所述增益光纤传输至所述波分解复用器，在传输过程中，所述增益光纤吸收所述泵浦光并放大所述2μm信号光；
所述波分解复用器输出剩余的泵浦光和放大后的2μm信号光。
本发明具备以下有益效果：
本发明通过在纤芯中沿纵向间隔设置低浓度掺杂段，利用材料的导热系数随掺杂离子浓度的降低而增大的机制，在光纤中建立低掺杂导热通道，加快散热，避免热量在纤芯中心积累，有效防止热透镜效应的生成，减少对材料的光损伤，使输出光束质量和输出功率均得到提高，且所述纤芯的制备方法简单，易于实现。
附图说明
图1为实施例1掺铥增益光纤纤芯掺杂示意图；
图2为实施例2掺铥增益光纤纤芯掺杂示意图。
1-掺铥纤芯，2-低掺杂段，3-纤芯低掺杂通路以外的部分，4-低掺杂中心。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明，实施例的具体参数设置等可因地制宜做出选择而对结果并无实质性影响。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种掺铥增益光纤，其包括外包层、内包层和掺杂纤芯1，掺杂纤芯1沿纵向间隔设置有低掺杂段2。
所述低掺杂段2的长度为0.01cm。所有低掺杂段2的长度相同。
各低掺杂段2之间的间距为0.5cm。
所述光纤由锗酸盐玻璃制成，锗酸盐玻璃光纤具有良好的热稳定性和红外透过性，稀土离子溶解度较高，声子能量较低等优点，是稀土掺杂2μm激光输出的良好的基质材料。并且锗酸盐玻璃可以实现稀土离子高掺的效果，增益效果好，可以通过缩短腔长的办法，实现单纵模输出。
纤芯低掺杂通路以外的部分3玻璃基质摩尔百分比组成范围如下:
SiO2：32
GeO2：26
Ga2O3：25
MF2：8
M’2O：8
Tm2O3：1
低掺杂段2玻璃基质的摩尔百分比组成如下:
SiO2：32.5
GeO2：26.3
Ga2O3：25.1
MF2：8
M’2O：8
Tm2O3：0.1
其中，M为Ba、Ca、Sr、Mg中的一种或任几种的组合；M’为Na、K、Li中的一种或任几种的组合。
本发明进一步提供一种制备上述光纤的方法，所述方法包括以下步骤：
(7)按照摩尔百分比称取低掺杂部分材料，放入容器中进行研磨，混合均匀；
(8)按照摩尔百分比称取掺杂部分材料，放入容器中进行研磨，混合均匀；
(9)利用模具，通过气相沉积方法，间隔沉积掺杂部分及低掺杂部分，制备出光纤纤芯；
(10)使内包层粉体沉积在纤芯的表面，形成内包层；
(11)使外包层粉体沉积在内包层的表面，形成外包层，制成光纤预制棒；
(12)将该光纤预制棒进行拉丝处理。
实施例2
如图2所示，本发明提供一种掺铥增益光纤，其包括外包层、内包层和掺杂纤芯1，掺杂纤芯1沿纵向间隔设置有低掺杂段2。所述纤芯的中心设置圆柱形低掺杂部分4。
所述低掺杂段2的长度为0.2cm。所有低掺杂段2的长度相同。
各低掺杂段2之间的间距为10cm。
所述光纤由锗酸盐玻璃制成，锗酸盐玻璃光纤具有良好的热稳定性和红外透过性，稀土离子溶解度较高，声子能量较低等优点，是稀土掺杂2μm激光输出的良好的基质材料。并且锗酸盐玻璃可以实现稀土离子高掺的效果，增益效果好，可以通过缩短腔长的办法，实现单纵模输出。
纤芯低掺杂通路以外的部分3玻璃基质摩尔百分比组成范围如下:
SiO2：30
GeO2：25
Ga2O3：24
MF2：8
M’2O：8
Tm2O3：5
低掺杂段2玻璃基质的摩尔百分比组成范围如下:
SiO2：31
GeO2：26
Ga2O3：25
MF2：10
M’2O：7.2
Tm2O3：0.8
其中，M为Ba、Ca、Sr、Mg中的一种或任几种的组合；M’为Na、K、Li中的一种或任几种的组合。
本实施例所采用激光晶体的热效应不明显且均匀。相应的激光器输出功率大，光束质量高、可靠性亦高。
本发明进一步提供一种制备上述光纤的方法，所述方法包括以下步骤：
(13)按照摩尔百分比称取低掺杂部分材料，放入容器中进行研磨，混合均匀；
(14)按照摩尔百分比称取掺杂部分材料，放入容器中进行研磨，混合均匀；
(15)利用模具，通过气相沉积方法，间隔沉积掺杂部分及低掺杂部分，制备出光纤纤芯；
(16)使内包层粉体沉积在纤芯的表面，形成内包层；
(17)使外包层粉体沉积在内包层的表面，形成外包层，制成光纤预制棒；
(18)将该光纤预制棒进行拉丝处理。
本发明进一步提供一种采用上述增益光纤的光纤激光器，所述激光器包括泵浦源、波分复用器、所述增益光纤、波分解复用器；所述波分复用器的第一端通过所述增益光纤与所述波分解复用器连接；信号源发出的2μm信号光由外部进入激光器，与所述泵浦源发出的泵浦光一并入射至所述波分复用器；所述波分复用器耦合所述泵浦光和所述2μm信号光，再将耦合后的所述泵浦光和所述2μm信号光输入所述增益光纤，由所述增益光纤传输至所述波分解复用器，在传输过程中，所述增益光纤吸收所述泵浦光并放大所述2μm信号光；
所述波分解复用器输出剩余的泵浦光和放大后的2μm信号光。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (1)

1.一种制备增益光纤的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)按照摩尔百分比称取低掺杂部分材料，放入容器中进行研磨，混合均匀；
(2)按照摩尔百分比称取掺杂部分材料，放入容器中进行研磨，混合均匀；
(3)利用模具，通过气相沉积方法，间隔沉积掺杂部分及低掺杂部分，制备出沿纵向间隔设置有低掺杂段的光纤纤芯；
(4)使内包层粉体沉积在纤芯的表面，形成内包层；
(5)使外包层粉体沉积在内包层的表面，形成外包层，制成光纤预制棒；
(6)将该光纤预制棒进行拉丝处理。
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