CN112028468B - 一种有源无源交替光纤、其制备方法和光纤激光器 - Google Patents

一种有源无源交替光纤、其制备方法和光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种有源无源交替光纤、其制备方法和光纤激光器。所述制备方法包括如下步骤：(1)在芯棒沉积管的内壁上沉积出沿轴向相互交替的有源芯层和无源芯层；(2)对步骤(1)处理后的芯棒沉积管进行缩棒，形成纤芯预制棒；(3)将步骤(2)得到的纤芯预制棒加入内包层套柱中，缩棒，形成光纤预制棒；(4)将步骤(3)得到的光纤预制棒拉丝，形成所述有源无源交替光纤。本发明提供的有源无源交替光纤的有源段和无源段由同一根光纤预制棒制备得到，有源段和无源段的纤径、数值孔径参数高度一致，而且有源段和无源段交界处的元素浓度是渐变的，有利于降低高功率泵浦注入时的发热量，避免了现有有源无源光纤熔接点易烧毁的问题。

Description

一种有源无源交替光纤、其制备方法和光纤激光器
技术领域
本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种有源无源交替光纤、其制备方法和光纤激光器。
背景技术
在高功率光纤激光器中，尤其是全谐振腔结构高功率光纤激光器中，所用有源光纤(如掺镱、掺铒 、掺铥、掺钬等有源光纤)和无源光纤是不同材料，制备方法有很大差异，且在通常情况下有源光纤、无源光纤是两个独立的光纤。在使用过程中是将有源光纤两端通过熔接无源光纤的方式的连接到一起，这样在有源光纤两端会增加两个熔点，同时熔点处需要做相应的涂覆、散热等保护措施。而且，无源光纤和有源光纤的界面处是突变的，在高功率泵浦注入时，尤其是在976nm波长半导体激光器做泵浦时，由于吸收系数相对高，发热量大，有源光纤和无源光纤熔接点易烧毁，对整个光纤激光器系统稳定性不利。
随着光纤激光器技术的进步，对光纤激光器集成度要求越来越高，也相应的要求光纤激光器结构越来越简单。需要光纤激光器具备最少的熔点个数，最优的光纤使用长度，以降低成本和抑制非线性效应。最好是光纤激光器光学系统和光纤器件集成度也相应提高。但是目前国内和国际上在制备无源光纤和有源光纤是两个独立的过程，生产的无源光纤和有源光纤是两个独立产品，通常通过熔接的方式将两种光纤连接在一起传输激光。以目前的高功率掺镱光纤为例，使用最多的20/400μm规格的双包层光纤内包层截面为八边形结构，而与之匹配的无源光纤的内包层截面为圆形结构，需要两者通过熔接的方式连接到一起使用。通常该熔接点需要做涂覆保护，并且如果该熔接点有污染或纤芯熔接不匹配，会使熔接点容易烧毁，包层光含量增加，不利于高功率光纤激光器批量化一致性生产制作。
CN108254827A采用芯棒交替叠加方式制备了有源无源一体化的光纤，其采用芯棒柱叠加，制备的光纤有源段和无源段拉制的长度都很长。而在实际应用中，一般光纤激光器而言，有源光纤的长度在几米到几十米量级，无源光纤的长度为几米，需要差异化长度。而且，由于其采用块状芯棒填充包层玻璃管，在缩棒和拉丝过程中极有可能引入气泡，影响光纤质量。
因此，在本领域有待于研究一种性能更好的有源无源一体化光纤。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种有源无源交替光纤、其制备方法和光纤激光器。本发明提供的有源无源交替光纤的有源段和无源段由同一根光纤预制棒制备得到，有源段和无源段的纤径、数值孔径参数高度一致，而且有源段和无源段交界处的元素浓度是渐变的，有利于降低高功率泵浦注入时的发热量，避免了现有有源无源光纤熔接点易烧毁的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种有源无源交替光纤的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)在芯棒沉积管的内壁上沉积出沿轴向相互交替的有源芯层和无源芯层；
(2)对步骤(1)处理后的芯棒沉积管进行缩棒，形成纤芯预制棒；
(3)将步骤(2)得到的纤芯预制棒加入内包层套柱中，缩棒，形成光纤预制棒；
(4)将步骤(3)得到的光纤预制棒拉丝，形成有源无源交替光纤。
本发明通过在芯棒沉积管的内壁上沉积出沿轴向相互交替的有源芯层和无源芯层，这样制备的光纤的有源段和无源段是一体的，没有熔接点，交界处的元素浓度是渐变的，有利于降低高功率泵浦注入时的发热量；且该光纤是由同一根光纤预制棒形成的，因此有源段和无源段的纤径、数值孔径参数(NA)高度一致，不存在熔接不匹配的问题。
作为本发明的优选技术方案，步骤(1)中沉积所述有源芯层和无源芯层分别是在第一类掩膜板夹具和第二类掩膜板夹具存在下进行；
所述第一类掩膜板夹具包括多个相互间隔的第一环状掩膜，所述第一环状掩膜的轴线在同一条直线上，且所述第一环状掩膜通过骨架相互串联为一体；
所述第二类掩膜板夹具包括多个相互间隔的第二环状掩膜，所述第二环状掩膜的轴线在同一条直线上，且所述第二环状掩膜通过骨架相互串联为一体；
所述第一环状掩膜的轴向长度等于所述第二环状掩膜之间的间距，所述第二环状掩膜的轴向长度等于所述第一环状掩膜之间的间距；
步骤(1)中沉积所述有源芯层的方法为：将第一类掩膜板夹具伸入所述芯棒沉积管中，在所述第一环状掩膜之间的间隙沉积所述有源芯层；
步骤(1)中沉积所述无源芯层的方法为：将第二类掩膜板夹具伸入所述芯棒沉积管中，在所述第二环状掩膜之间的间隙沉积所述无源芯层；
沉积时，所述第一环状掩膜与所述无源芯层的区域相对，所述第二环状掩膜与所述有源芯层的区域相对。
本发明采用上述第一类掩膜板夹具和第二类掩膜板夹具实现了沿轴向交替沉积有源芯层和无源芯层。沉积时，有源芯层和无源芯层的交界面在轴向上的偏差需要尽可能小(例如≤2μm)。本发明制备的有源无源交替光纤中有源段和无源段长度可以通过调节第一环状掩膜的轴向长度、间距和第二环状掩膜的轴向长度、间距进行控制。
优选地，所述第一环状掩膜、第二环状掩膜的直径各自独立地比所述芯棒沉积管的内径小0.5-1mm；例如可以是0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9 mm或1mm等。
作为本发明的优选技术方案，步骤(1)中沉积有源芯层和无源芯层的方法为化学气相沉积法。
作为本发明的优选技术方案，所述有源芯层的材料为稀土氧化物。
优选地，所述稀土氧化物选自如下稀土元素的氧化物中的一种或至少两种的组合：镱、铒、钕、铥、钬、镝、铕、镨。
作为本发明的优选技术方案，所述无源芯层的材料选自如下元素的氧化物中的一种或至少两种的组合：锗、铝、铈、氟、磷。
作为本发明的优选技术方案，所述内包层套柱的横截面形状为六边形、八边形或圆形。
作为本发明的优选技术方案，所述芯棒沉积管和所述内包层套柱的基质材料各自独立地为石英、硅、硅酸盐、磷酸盐、碲酸盐、锗酸盐、铋酸盐、硼酸盐、硫化物或氟化物。
本发明中，芯棒沉积管和内包层套柱的基质材料是指二者的主体材料，芯棒沉积管的外径通常为20-50mm。经拉丝后，纤芯预制棒形成光纤的纤芯，内包层套柱形成光纤的内包层。为了调控光纤内包层的折射率，内包层套柱的基质材料中有时还需要掺入其他元素(如氟元素)。
优选地，所述芯棒沉积管和所述内包层套柱的基质材料相同。
作为本发明的优选技术方案，步骤(2)和步骤(3)中所述缩棒的方法为 RIC(Rodin Cylinder)法。RIC法是通过氢氧焰燃烧的方法进行缩棒。
作为本发明的优选技术方案，所述制备方法还包括：步骤(4)中所述拉丝的方法为：用电阻或感应高温炉使所述光纤预制棒熔融，并受重力作用自然竖直下落，由粗变细，同时保持预设尺寸比例；
优选地，所述制备方法还包括：在步骤(4)中所述拉丝后，在拉丝形成的裸纤表面涂覆外包层材料，或涂覆外包层材料和外涂层材料，并固化。
第二方面，本发明提供一种有源无源交替光纤，所述有源无源交替光纤由第一方面所述的制备方法制备得到。
本发明提供的有源无源交替光纤的结构从内向外依次为纤芯(由纤芯预制棒形成)、内包层(由内包层套柱形成)，内包层外还可以有外包层(由外包层材料固化后形成)，外包层外还可以有外涂层(由外涂层材料固化后形成)。
其中，本发明对有源无源交替光纤各层的尺寸没有特殊限定，一般地，纤芯直径为4-100μm，内包层外径(当内包层截面的形状不是圆形时，内包层外径是指其外接圆直径)为60-2500μm，外包层外径比内包层外径大10-100μm。
本发明对外包层的材料没有特殊限定，一般地，外包层材料为低折射率的聚合物材料，常见的有聚酰亚胺树脂、丙烯酸酯。外包层材料中需要加入紫外光引发剂，便于生产过程中材料在紫外光照射下快速固化。
第三方面，本发明提供一种光纤激光器，所述光纤激光器包括如第二方面所述的有源无源交替光纤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的有源无源交替光纤的有源段和无源段由同一根光纤预制棒制备得到，有源段和无源段的纤径、数值孔径参数(NA.)高度一致。
2、本发明提供的有源无源交替光纤的有源段和无源段的交界处的稀土元素浓度是渐变的，有利于降低高功率泵浦注入的发热量。
3、本发明采用第一类掩膜板夹具和第二类掩膜板夹具实现了有源芯层和无源芯层沿轴向交替的结构，光纤的有源段和无源段的长度可以通过调节第一类掩膜板夹具和第二类掩膜板夹具的尺寸进行控制，有源段和无源段长度可精确控制到米的量级。
4、本发明提供的有源无源交替光纤可用于高功率光纤激光器系统中，至少可减少两个熔点，提高光学系统集成度。可在本发明无源光纤上直接刻写光纤光栅，提高光纤器件集成度。同时还缩减光纤长度，在高功率光纤激光系统有利于抑制非线性效应。
附图说明
图1为本发明实施例提供的有源无源交替光纤的径向结构示意图；
图2为本发明实施例提供的有源无源交替光纤的轴向结构示意图；
图3为本发明实施例中采用的第一类掩膜板夹具的结构示意图；
图4为本发明实施例中采用的第二类掩膜板夹具的结构示意图；
图5为本发明实施例中沉积有源芯层的操作示意图；
图6为本发明实施例提供的集成光纤激光谐振腔示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述具体实施方式仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种有源无源交替光纤，如图1所示，在径向上，从内到外依次为纤芯、内包层、外包层和外涂层；
如图2所示，在轴向上，包括相互交替的有源段和无源段，其中有源段和无源段交界处的元素浓度是渐变的；
其中，纤芯为直径20μm的圆形结构，内包层为直径(外接圆直径)400μm 的正八边形结构，八边形结构是为了在高功率光纤激光器中应用，更好地吸收包层泵浦激光功率；
有源段长度为45m，无源段长度为5m，有源段和无源段交界处的过渡段长度约为1m，其满足千瓦级高功率光纤激光器应用要求。
上述有源无源交替光纤的制备方法如下：
(1)在芯棒沉积管的内壁上沉积出沿轴向相互交替的有源芯层和无源芯层，沉积方法如下：
采用第一类掩膜板夹具和第二类掩膜板夹具，其中，
第一类掩膜板夹具的结构如图3所示，包括多个相互间隔的第一环状掩膜，所述第一环状掩膜的轴线在同一条直线上，且所述第一环状掩膜通过骨架相互串联为一体；
第二类掩膜板夹具的结构如图4所示，包括多个相互间隔的第二环状掩膜，所述第二环状掩膜的轴线在同一条直线上，且所述第二环状掩膜通过骨架相互串联为一体；
第一环状掩膜的轴向长度等于第二环状掩膜之间的间距，均为L1；第二环状掩膜的轴向长度等于第一环状掩膜之间的间距，均为L2；
沉积时，如图5所示，将第一类掩膜板夹具伸入芯棒沉积管中，用化学气相沉积法在第一环状掩膜之间的间隙处的芯棒沉积管内壁上沉积有源芯层；然后将第一类掩膜板夹具取出，将第二类掩膜板夹具伸入芯棒沉积管中，控制第二环状掩膜与有源芯层的区域相对，用化学气相沉积法在第二环状掩膜之间的间隙沉积无源芯层；
其中，芯棒沉积管为石英管，外径为42mm，内径为17mm；有源层材料为氧化镱，无源层材料为锗、铝和磷的混合氧化物；L1为1mm，L2为8mm，第一环状掩膜和第二环状掩膜的外径均为16.5mm；
(2)用RIC法对步骤(1)处理后的芯棒沉积管进行缩棒，形成纤芯预制棒；
其中，纤芯预制棒的直径为21mm，经缩棒后有源层和无源层形成直径为 1.5mm的芯棒；
(3)将步骤(2)得到的纤芯预制棒加入内包层套柱中，用RIC法进行缩棒，经外部抛光形成正八边形结构，形成光纤预制棒；
其中，包层套柱为石英管，外径63mm，内径24mm，缩棒后外径60mm；
(4)将步骤(3)得到的光纤预制棒拉丝，拉丝方法为：用感应高温炉使所述光纤预制棒熔融，并受重力作用自然竖直下落，由粗变细，同时保持预设尺寸比例；拉丝塔下端收纤设备施加拉力牵引，并在形成的裸纤下拉的过程中通过精密模具在裸纤外部分步涂覆外包层材料、外涂层材料，再经过紫外灯固化；最终在收纤设备上缠绕形成有源无源交替光纤。
本实施例提供的有源无源交替光纤的有源段和无源段由同一根光纤预制棒制备得到，有源段和无源段的纤径、数值孔径参数(NA.)高度一致；且有源段和无源段的交界处的稀土元素浓度是渐变的，有利于降低高功率泵浦注入的发热量，避免了现有有源无源光纤熔接点易烧毁的问题。
实施例2
本实施例提供一种有源无源交替光纤，如图1所示，在径向上，从内到外依次为纤芯、内包层、外包层和外涂层；
如图2所示，在轴向上，包括相互交替的有源段和无源段，其中有源段和无源段交界处的元素浓度是渐变的；
其中，纤芯为直径20μm的圆形结构，内包层为直径(外接圆直径)250μm 的正八边形结构，八边形结构是为了在光纤激光器中应用，更好地吸收包层泵浦激光功率；外部涂层直径450μm。
有源段长度为30m，无源段长度为5m，有源段和无源段交界处的过渡段长度约为1m，其满足千瓦级高功率光纤激光器应用要求。
上述有源无源交替光纤的制备方法如下：
(1)在芯棒沉积管的内壁上沉积出沿轴向相互交替的有源芯层和无源芯层，沉积方法如下：
采用第一类掩膜板夹具和第二类掩膜板夹具，其中，
第一类掩膜板夹具的结构如图3所示，包括多个相互间隔的第一环状掩膜，所述第一环状掩膜的轴线在同一条直线上，且所述第一环状掩膜通过骨架相互串联为一体；
第二类掩膜板夹具的结构如图4所示，包括多个相互间隔的第二环状掩膜，所述第二环状掩膜的轴线在同一条直线上，且所述第二环状掩膜通过骨架相互串联为一体；
第一环状掩膜的轴向长度等于第二环状掩膜之间的间距，均为L1；第二环状掩膜的轴向长度等于第一环状掩膜之间的间距，均为L2；
沉积时，先将第二类掩膜板夹具伸入芯棒沉积管中，用化学气相沉积法在第二环状掩膜之间的间隙沉积无源芯层；然后将第二类掩膜板夹具取出，将第一类掩膜板夹具伸入芯棒沉积管中，控制第一环状掩膜与无源芯层的区域相对，用化学气相沉积法在第一环状掩膜之间的间隙处的芯棒沉积管内壁上沉积有源芯层；
其中，芯棒沉积管为石英管，外径为38mm，内径为15mm；有源层材料为氧化铥，无源层材料为锗、铝的混合氧化物；L1为1mm，L2为5.5mm，第一环状掩膜和第二环状掩膜的外径均为14.5mm；
(2)用RIC法对步骤(1)处理后的芯棒沉积管进行缩棒，形成纤芯预制棒；
其中，纤芯预制棒的直径为13mm，经缩棒后有源层和无源层形成直径为 1.5mm的芯棒；
(3)将步骤(2)得到的纤芯预制棒加入内包层套柱中，用RIC法进行缩棒，经外部抛光形成正八边形结构，形成光纤预制棒；
其中，包层套柱为石英管，外径20mm，内径14mm，缩棒后外径18.75mm；
(4)将步骤(3)得到的光纤预制棒拉丝，拉丝方法为：用感应高温炉使所述光纤预制棒熔融，并受重力作用自然竖直下落，由粗变细，同时保持预设尺寸比例；拉丝塔下端收纤设备施加拉力牵引，并在形成的裸纤下拉的过程中通过精密模具在裸纤外部分步骤涂覆外包层材料、外涂层材料，再经过紫外灯固化；最终在收纤设备上缠绕形成有源无源交替光纤。
本实施例提供的有源无源交替光纤的有源段和无源段由同一根光纤预制棒制备得到，有源段和无源段的纤径、数值孔径参数(NA.)高度一致，纤芯均为 0.09，包层均未0.46；且有源段和无源段的交界处的稀土元素浓度是渐变的，有利于降低高功率泵浦注入的发热量，避免了现有有源无源光纤熔接点易烧毁的问题。
实施例3
本实施例提供一种集成光纤激光谐振腔，是光纤激光器的核心光学部分，其结构如图6所示：包括本发明实施例提供的有源无源交替光纤，有源无源交替光纤的两端无源段刻有光纤光栅，有源无源交替光纤的无源段一端有一合束器。本实施例直接在一根有源无源交替光纤上制备光纤激光谐振腔，相对目前常规的光纤激光谐振腔，至少减少了3个熔点，提高了光纤激光器系统的集成度。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (15)

1.一种有源无源交替光纤的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)在芯棒沉积管的内壁上沉积出沿轴向相互交替的有源芯层和无源芯层；
(2)对步骤(1)处理后的芯棒沉积管进行缩棒，形成纤芯预制棒；
(3)将步骤(2)得到的纤芯预制棒加入内包层套柱中，缩棒，形成光纤预制棒；
(4)将步骤(3)得到的光纤预制棒拉丝，形成有源无源交替光纤。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中沉积所述有源芯层和无源芯层分别是在第一类掩膜板夹具和第二类掩膜板夹具存在下进行；
所述第一类掩膜板夹具包括多个相互间隔的第一环状掩膜，所述第一环状掩膜的轴线在同一条直线上，且所述第一环状掩膜通过骨架相互串联为一体；
所述第二类掩膜板夹具包括多个相互间隔的第二环状掩膜，所述第二环状掩膜的轴线在同一条直线上，且所述第二环状掩膜通过骨架相互串联为一体；
所述第一环状掩膜的轴向长度等于所述第二环状掩膜之间的间距，所述第二环状掩膜的轴向长度等于所述第一环状掩膜之间的间距；
步骤(1)中沉积所述有源芯层的方法为：将所述第一类掩膜板夹具伸入所述芯棒沉积管中，在所述第一环状掩膜之间的间隙沉积所述有源芯层；
步骤(1)中沉积所述无源芯层的方法为：将所述第二类掩膜板夹具伸入所述芯棒沉积管中，在所述第二环状掩膜之间的间隙沉积所述无源芯层；
沉积时，所述第一环状掩膜与所述无源芯层的区域相对，所述第二环状掩膜与所述有源芯层的区域相对。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一环状掩膜、第二环状掩膜的直径各自独立地比所述芯棒沉积管的内径小0.5-1mm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中沉积有源芯层和无源芯层的方法为化学气相沉积法。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有源芯层的材料为稀土氧化物。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述稀土氧化物选自如下稀土元素的氧化物中的一种或至少两种的组合：镱、铒、钕、铥、钬、镝、铕、镨。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无源芯层的材料选自如下元素的氧化物中的一种或至少两种的组合：锗、铝、铈、氟、磷。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述内包层套柱的横截面形状为正方形、六边形、八边形、梅花形、D形或圆形。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述芯棒沉积管和所述内包层套柱的基质材料各自独立地为石英、硅酸盐、磷酸盐、碲酸盐、锗酸盐、铋酸盐、硼酸盐、硫化物或氟化物。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述芯棒沉积管和所述内包层套柱的基质材料相同。
11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(3)中所述缩棒的方法为RIC法。
12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述拉丝的方法为：用电阻或感应高温炉使所述光纤预制棒熔融，并受重力作用自然竖直下落，由粗变细，同时保持预设尺寸比例。
13.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：在步骤(4)中所述拉丝后，在拉丝形成的裸纤表面涂覆外包层材料，或涂覆外包层材料和外涂层材料，并固化。
14.一种有源无源交替光纤，其特征在于，所述有源无源交替光纤由权利要求1-13任一项所述的制备方法制备得到。
15.一种光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器包括如权利要求14所述的有源无源交替光纤。
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