CN112114397B - 一种超大模场低数值孔径金属涂覆层增益光纤及制作方法 - Google Patents

一种超大模场低数值孔径金属涂覆层增益光纤及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超大模场低数值孔径金属涂覆层增益光纤，所述增益光纤由内到外依次包括纤芯、内包层、第三包层和涂覆层，所述内包层为石英包层，所述第三包层为掺氟石英包层，所述涂覆层为金属涂覆层。本发明在现有光纤激光器结构的设计框架下，对激光器中的关键器件高功率增益光纤开展改进的设计，优化了高功率增益光纤的纤芯半径、内包层半径、纤芯数值孔径、内包层吸收系数、光纤长度和使用中不弯曲盘绕的方式，改变了光纤涂覆层材料和涂覆方式，提升高功率窄线宽光纤激光器的受激布里渊阈值和模式不稳定阈值。

Description

一种超大模场低数值孔径金属涂覆层增益光纤及制作方法
技术领域
本发明属于光纤激光技术领域，用于提高高功率窄线宽光纤激光器中的受激布里渊阈值和模式不稳定阈值，提高激光器的光束质量，具体涉及一种超大模场低数值孔径金属涂覆层增益光纤及制作方法。
背景技术
随着光纤激光器不断向更高功率发展，非线性效应和模式不稳定效应成为限制激光输出功率提升的两个越来越重要的因素。为了降低光纤中的非线性效应，需要增大光纤的芯径，但光纤芯径变大会导致抑制光纤的模式不稳定效果差；反之，减小光纤纤芯可以抑制模式不稳定效应，但会增强非线性效应。因此，结合高功率光纤激光器发展的功率要求，在现有光纤激光器整体工业设计框架下，对增益光纤开展新的设计及制作方法的研究，为高功率光纤激光器进一步发展奠定基础。
针对超大模场低数值孔径的光纤而言，光纤的芯径尺寸较大，最大能够实现100μm，纤芯数值孔径较低，最低能够低至0.008，且光纤采用掺氟石英包层结构，常规光纤中使用的涂料折射率低，导致光纤的热承受温度不够高，由于光纤的芯径较大，光纤中的热量较大，难以有效散出，光纤的模式不稳定阈值不够高，会导致光纤烧毁，或者模式不稳定。
发明内容
为解决上述问题，采用导热效果好的金属涂覆层将光纤中的热量迅速的导出，避免光纤烧毁，保证光纤的模式不稳定阈值高。本发明提供了一种超大模场低数值孔径金属涂覆层增益光纤，其特征在于所述增益光纤由内到外依次包括纤芯、内包层、第三包层和涂覆层，所述内包层为石英包层，所述第三包层为掺氟石英包层，所述涂覆层为金属涂覆层。
进一步地，所述纤芯中掺杂稀土离子作为增益介质。
进一步地，所述纤芯直径取值为30-100μm，数值孔径NA取值为0.008-0.03；所述内包层横截面为正八边形或其他非圆形，直径取值为300-1000μm，吸收系数@915nm处为0.4-2dB/m；所述第三包层为圆形，厚度取值为20-100μm。
进一步地，所述涂覆层材料为金、银、铝、铜、锌低熔点合金材料中的一种，在光纤拉制过程中直接将合金材料融化涂覆在光纤表面上，涂覆层厚度取值为20-200μm。其中，铜铝合金中铜的含量4％铝的含量96％，银铝合金中银的含量95％铝的含量4％，铜锌合金中铜的含量65％锌的含量35％。
进一步地，所述增益光纤在搭建高功率窄线宽光纤激光器的使用中不弯曲，光纤长度取值为1-10m。
本发明提供了一种超大模场低数值孔径金属涂覆层增益光纤的制作方法，包括以下步骤：
S1、按常规工艺拉制出由内到外依次包括纤芯、内包层、第三包层的裸光纤；
S2、对裸光纤进行预先加热处理，根据合金材料融化温度确定裸光纤预先加热温度为700℃-1000℃，保证裸光纤与合金材料融化温度差在±15℃范围内；
S3、在光纤拉制过程中直接将合金材料融化涂覆在裸光纤表面。
进一步地，所述步骤S2中，选用的合金材料涂料其熔融温度为700-1000℃。
进一步地，所述步骤S3中，具体实现方法为：
对拉丝塔进行改造，在金属涂料装置上方增加一套外部加热装置，对裸光纤进行升温处理，温度可以在1min中内快速升到700℃-1000℃，使其与金属涂料的熔融温度相差±15℃范围内，同时为了提高拉丝效率，在不改变光纤的拉丝速度的条件下，改造拉丝塔的高度，从常规的10-12米提高到30-40米，以便有足够的时间对裸纤进行加热升温。
本发明的一种超大模场低数值孔径金属涂覆层增益光纤及制作方法，在现有光纤激光器结构的设计框架下，对激光器中的关键器件高功率增益光纤开展改进的设计，优化了高功率增益光纤的纤芯半径、内包层半径、纤芯数值孔径、内包层吸收系数、光纤长度和使用中不弯曲盘绕的方式，改变了光纤涂覆层材料和涂覆方式，提升高功率窄线宽光纤激光器的受激布里渊阈值和模式不稳定阈值。对于纤芯超大的光纤不易维持单模运转，输出功率低，光束质量差，但设法做到低数值孔径(低到0.03以下)后就易维持单模运转，输出功率高，光束质量高；但光纤短到10米以下，甚至2-4米，导致热不易散发，所以涂覆金属让其散热。总之，增大增益光纤的纤芯直径同时提高光纤的吸收系数，缩短光纤的长度，提高光纤的受激布里渊阈值，降低光纤的纤芯数值孔径，同时保证大芯径单模运转，有效改善光纤激光器的光束质量；由于光纤的长度减小到10米以内，通常2-4米，光纤的热量较大不易散发，采用本发明的方法，对裸光纤进行预先加热处理，根据合金材料融化温度确定裸光纤预先加热温度为700℃-1000℃，保证裸光纤与合金材料融化温度差在±15℃范围内，优选在±10℃范围内，可靠涂覆金属涂覆层增大光纤的导热效果，通过在高功率窄线宽光纤激光器中采用超大模场低数值孔径金属涂覆层增益光纤，有效提升激光器的受激布里渊阈值和模式不稳定阈值，提升输出激光功率，优化光束质量。
本发明具有结构设计简单，容易实现，稳定可靠等优点。与现有技术相比，在不需要改变现有光纤激光器其他器件的基础上，仅改变光纤参数，可抑制高功率窄线宽光纤放大器中的非线性效应与模式不稳定现象，提升输出激光功率，优化输出激光光束质量，稳定可靠，满足当前高功率光纤激光器的发展需要。
附图说明
图1描绘了高功率增益光纤截面的纤芯、内包层、第三包层和涂覆层。
图2描绘了利用高功率增益光纤搭建的光纤激光器示意图。
图1中：1-纤芯，2-内包层，3-第三包层，4-涂覆层；
图2中：10-待放大的窄线宽激光，20-泵浦源，30-泵浦耦合器，40-本发明的增益光纤，50-包层光滤除器，60-光纤斜角端面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于帮助理解本发明，并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种超大模场低数值孔径金属涂覆层增益光纤，其特征在于所述增益光纤由内到外依次包括纤芯、内包层、第三包层和涂覆层，所述内包层为石英包层，所述第三包层为掺氟石英包层，所述涂覆层为金属涂覆层。
所述纤芯中掺杂稀土离子作为增益介质。
所述纤芯直径取值为30-100μm，数值孔径NA取值为0.008-0.03；所述内包层横截面为正八边形或其他非圆形，直径取值为300-1000μm，吸收系数@915nm处为0.4-2dB/m；所述第三包层为圆形，厚度取值为20-100μm。
所述涂覆层材料为金、银、铝、铜低熔点合金材料中的一种，在光纤拉制过程中直接将合金材料融化涂覆在光纤表面上，涂覆层厚度取值为20-200μm。目前切割设备熔接设备的夹具都有一个大概值，如内包层400μm的光纤的低折射率涂覆层厚度约为40μm，高折射率涂覆层厚度约为35μm。本发明中掺氟石英包层厚度约为30μm，金属涂覆层厚度45μm，现有工艺水平能够很好的实现，同时与目前通用产品的配套夹具具有高度吻合度，光纤在切割熔接时不易被损伤。本实施例中为银铝合金，银的含量95％铝的含量4％。
所述增益光纤在搭建高功率窄线宽光纤激光器的使用中不弯曲，光纤长度取值为1-10m。
本发明提供了一种超大模场低数值孔径金属涂覆层增益光纤的制作方法，包括以下步骤：
S1、按常规工艺拉制出由内到外依次包括纤芯、内包层、第三包层的裸光纤；具体地，在MCVD制备稀土掺杂光纤预制棒，然后再车床上加工成正八边形，在八边形石英管外套上掺氟石英套管，然后在拉丝塔上拉制出光纤，拉丝温度控制在2000℃；
S2、对裸光纤进行预先加热处理，根据合金材料融化温度确定裸光纤预先加热温度为700℃-1000℃，保证裸光纤与合金材料融化温度差在±15℃范围内，最好在±10℃范围内；
经过大量次数的实验摸索，总结出：
本发明选用的金属涂料的熔融温度差不多在700-1000℃，一般涂覆时裸纤的温度与涂料的温度差在±10℃范围内，便于有效将涂料均匀涂抹在裸纤上，且不易脱落。
S3、在光纤拉制过程中直接将合金材料融化涂覆在裸光纤表面，
具体实现方法为：
对拉丝塔进行改造，在金属涂料装置上方增加一套外部加热装置，对裸光纤进行升温处理，温度可以在1min中内快速升到700℃-1000℃，使其与金属涂料的熔融温度相差±15℃范围内，同时为了提高拉丝效率，在不改变光纤的拉丝速度的条件下，改造拉丝塔的高度，从常规的10-12米提高到30-40米，以便有足够的时间对裸纤进行加热升温。
常规工艺中裸光纤在涂覆前需要冷却至室温，便于将树脂涂料涂覆在光纤上。但本发明中金属涂料的熔融温度较高，如果采用常规工艺涂料与裸纤间的温差过大，因此对拉丝塔进行改造。
以下给出几个本发明的增益光纤的具体参数的实施例。
实施例1
图1所示是超大模场低数值孔径单模金属涂覆层增益光纤截面图。增益光纤的纤芯1直径为40μm，包层2直径为400μm，第三包层3厚度为20μm，光纤在涂覆前预先加热保持到600℃，涂覆层4的材料采用铜铝合金，熔融温度为640℃，降低银铝合金与裸光纤之间的温度差为10℃，释放应力，有效的将银铝合金涂覆在裸光纤上，涂覆层厚度为65μm，纤芯数值孔径为0.02，包层吸收系数@915nm为1dB/m。采用所述增益光纤搭建如图2所示高功率窄线宽光纤激光器，其中所述增益光纤长度为4m，且所述增益光纤不弯曲。
实施例2
增益光纤的纤芯1直径为30μm，包层2直径为300μm，第三包层3厚度为60μm，光纤在涂覆前预先加热保持到800℃，涂覆层4的材料采用银铝合金，熔融温度为850℃，降低银铝合金与裸光纤之间的温度差为10℃，释放应力，有效的将银铝合金涂覆在裸光纤上，涂覆层厚度为20μm，纤芯数值孔径为0.008，包层吸收系数@915nm为0.4dB/m。采用所述增益光纤搭建如图2所示高功率窄线宽光纤激光器，其中所述增益光纤长度为2m，且所述增益光纤不弯曲。
实施例3
图1所示是超大模场低数值孔径单模金属涂覆层增益光纤截面图。增益光纤的纤芯1直径为100μm，包层2直径为1000μm，第三包层3厚度为100μm，光纤在涂覆前预先加热保持到1000℃，涂覆层4的材料采用铜锌合金，熔融温度为950℃，降低银铝合金与裸光纤之间的温度差为10℃，释放应力，有效的将银铝合金涂覆在裸光纤上，涂覆层厚度为200μm，纤芯数值孔径为0.03，包层吸收系数@915nm为2dB/m。采用所述增益光纤搭建如图2所示高功率窄线宽光纤激光器，其中所述增益光纤长度为9m，且所述增益光纤不弯曲。

Claims (7)

1.一种超大模场低数值孔径金属涂覆层增益光纤的制作方法，所述增益光纤由内到外依次包括纤芯、内包层、第三包层和涂覆层，所述内包层为石英包层，所述第三包层为掺氟石英包层，所述涂覆层为金属涂覆层；其特征在于
包括以下步骤：
S1、按常规工艺拉制出由内到外依次包括纤芯、内包层、第三包层的裸光纤；
S2、对裸光纤进行预先加热处理，根据合金材料融化温度确定裸光纤预先加热温度为700℃-1000℃，保证裸光纤与合金材料融化温度差在±15℃范围内；
S3、在光纤拉制过程中直接将合金材料融化涂覆在裸光纤表面。
2.根据权利要求1所述的超大模场低数值孔径金属涂覆层增益光纤的制作方法，其特征在于所述步骤S2中，选用的合金材料涂料其熔融温度为700-1000℃。
3.根据权利要求1或2所述的超大模场低数值孔径金属涂覆层增益光纤的制作方法，其特征在于所述步骤S3中，具体实现方法为：
对拉丝塔进行改造，在金属涂料装置上方增加一套外部加热装置，对裸光纤进行升温处理，温度可以在1min中内快速升到700℃-1000℃，使其与金属涂料的熔融温度相差±15℃范围内，同时为了提高拉丝效率，在不改变光纤的拉丝速度的条件下，改造拉丝塔的高度，从常规的10-12米提高到30-40米，以便有足够的时间对裸纤进行加热升温。
4.根据权利要求1所述的超大模场低数值孔径金属涂覆层增益光纤的制作方法，其特征在于所述纤芯中掺杂稀土离子作为增益介质。
5.根据权利要求4所述的超大模场低数值孔径金属涂覆层增益光纤的制作方法，其特征在于所述纤芯直径取值为30-100μm，数值孔径NA取值为0.008-0.03；所述内包层横截面为正八边形或其他非圆形，直径取值为300-1000μm，吸收系数@915nm处为0.4-2dB/m；所述第三包层为圆形，厚度取值为20-100μm。
6.根据权利要求5所述的超大模场低数值孔径金属涂覆层增益光纤的制作方法，其特征在于所述涂覆层材料为金、银、铝、铜低熔点合金材料中的一种，在光纤拉制过程中直接将合金材料融化涂覆在光纤表面上，涂覆层厚度取值为20-200μm。
7.根据权利要求6所述的超大模场低数值孔径金属涂覆层增益光纤的制作方法，其特征在于所述增益光纤在搭建高功率窄线宽光纤激光器的使用中不弯曲，光纤长度取值为1-10m。
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