CN112882151B - 一种无源保偏光纤及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无源保偏光纤,其包层由内而外包括匹配包层、以及内包层;所述匹配包层,为氟锗共掺的包层;所述内包层包括对称分布在匹配包层两侧的气孔区和对称分布在匹配包层两侧的应力区,其中气孔区两孔连线与应力区两孔连线垂直。本发明提供的无源保偏光纤中具有气孔区,既可以分散高功率激光器在包层传输中产生的局部集中的热量,限制热量集中在芯层和包层中,减少能量泄露到涂层中,延长了无源保偏光纤的使用寿命,提高了无源保偏光纤的可靠性,同时气孔区又可以缓冲纤芯受两侧应力区挤压造成的不圆。本发明提供的无源保偏光纤能应用于制作超快激光器系统的光纤光栅、和/或合束器。

Description

一种无源保偏光纤及其应用
技术领域
本发明属于特种光纤领域,更具体地,涉及一种无源保偏光纤及其应用。
背景技术
超快激光是指输出激光的脉冲宽度在皮秒或飞秒级别的脉冲激光,当把激光能量集中在如此短的时间内,会获得巨大的单脉冲能量和极高的峰值功率。相比于统治飞秒激光领域多年的掺钛蓝宝石激光器而言,超快光纤激光器体积小,造价低,更加耐用并且性能稳定。
在超快激光器系统中,需要传导这种线宽极窄的激光光谱,即通过光纤光栅和保偏光束分离器分离出快轴光和慢轴光,保证超窄脉宽以线偏振光通道传输,实现超快激光输出。保偏光纤具有线偏振光保持能力,但是针对超快激光这种脉冲式输出,瞬时能量极高,无法满足系统应用,因此需要同时具备线偏振光保持能力与耐受高功率激光传输能力,无源保偏光纤应运而生。无源保偏光纤应用在该系统中,一是刻制光纤光栅,达到滤波选频作用;二是制作合束器,同有源增益光纤相熔接,达到输出固定波长激光作用。
目前保偏光纤和无源双包层光纤在光纤激光器配套器件中都已经有了十分成熟的应用,但是无法应用在超快激光器系统中。前者主要集中于单模类保偏光纤的使用,纤芯小,不利于传输和匹配中高功率激光的输出;同时这种小纤芯加上应力棒对纤芯的非周向对称作用,导致的纤芯不圆会严重影响激光器系统的输出光斑圆度;后者又不具备线偏振态保持能力,在高功率、窄脉宽超快激光传输中,非线性效应严重,无法得到应用;另外传统的无源光纤,由于外包层是高数值孔径低折射率涂料紫外固化形成的聚合物,在高功率能量输出应用中,容易出现偶发因素造成的能量泄露,致使局部温度升高,热量聚集而烧坏光纤涂层。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种无源保偏光纤,其目的在于解决光纤能在超快激光器系统中使用的技术问题。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种无源保偏光纤,其包层由内而外包括匹配包层、以及内包层;
所述匹配包层,为氟锗共掺的包层;
所述内包层包括对称分布在匹配包层两侧的气孔区和对称分布在匹配包层两侧的应力区,其中气孔区两孔连线与应力区两孔连线垂直。
优选地,所述气孔区,其面积占应力区面积的比例范围为小于等于0.7,优选大于等于0.5。
优选地,所述匹配包层,与内包层的气孔区和应力区都不相交;优选其直径与纤芯芯径比值在2.0以内,相对折射率差为-0.1%~0。
优选地,所述应力区,为掺硼石英,掺硼相对折射率差为-0.55%~-0.30%;优选其径向截面为圆形。
优选地,所述无源保偏光纤包层还包括包覆于内包层外的掺氟石英外包层。
优选地,所述掺氟石英外包层,数值孔径为0.10~0.24,直径为80~400μm,与内包层的直径比值范围为1.05~1.2。
优选地,所述无源保偏光纤还包括外包于包层外的低折射率涂层,其数值孔径大于0.46,厚度为30~100μm。
优选地,所述无源保偏光纤包括掺锗石英纤芯,芯径为4~100μm,数值孔径为0.06~0.12。
优选地,所述无源保偏光纤为单模光纤、或少模光纤。
优选地,所述无源保偏光纤应用于制作超快激光器系统的光纤光栅、和/或合束器。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
(1)本发明提供的无源保偏光纤中具有气孔区,既可以分散高功率激光器在包层传输中产生的局部集中的热量,限制热量集中在石英芯层和包层中,减少能量泄露到涂层中,延长了无源保偏光纤的使用寿命,提高了无源保偏光纤的可靠性,同时气孔区又可以缓冲纤芯受两侧应力区挤压造成的不圆。
(2)本发明提供的无源保偏光纤中具有匹配包层,通过合适的氟锗浓度共掺,在纤芯外增加了粘度相对更小的匹配包层,不仅提高光纤弯曲不敏感性,而且在光纤拉制过程中,稀释了不对称应力对纤芯不圆度的影响。
(3)本发明在内包层和低折射率涂层之间增加了掺氟石英外包层,为光纤涂层提供更好的保护,进一步延长无源保偏光纤的使用寿命。
(4)本发明提供的无源保偏光纤能制作的光纤光栅、和/或合束器,能满足超快激光器系统的要求。
附图说明
图1是本发明的无源保偏光纤径向结构示意图;
图2是本发明的无源保偏光纤折射率剖面分布图。
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,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。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。
如图1所示,本发明提供一种无源保偏光纤,包括纤芯和包层;其纤芯,为掺锗石英纤芯,芯径D3为4~100μm,数值孔径为0.06~0.12;其包层由内而外包括匹配包层、内包层以及外包层;
所述匹配包层,为氟锗共掺的包层;其直径与纤芯芯径比值在2.0以内,相对折射率差为-0.1%~0;所述匹配包层,位置与气孔区和应力区都不相交;所述匹配包层,不仅提高光纤弯曲不敏感性,而且在光纤拉制过程中,应力区热膨胀作用力会通过匹配包层传导到纤芯,相当于给纤芯增加了一层更软材料的“保护罩”,稀释了不对称应力对纤芯不圆度的影响。所述匹配包层的氟锗共掺,是根据所述匹配包层粘度值低于纤芯的粘度值的原则,来选择氟锗掺杂的浓度;这是由于应力区是由具有相对较高的热膨胀系数材料组成,在光纤径向上应力区粘度最小,只有匹配包层的粘度比纤芯更低,才能保障在光纤冷却过程中,对纤芯的收缩作用力方向一致,不至于出现应力区和纤芯粘度小,中间匹配包层粘度大的“夹心层”;所述匹配包层粘度高不利于应力区双折射的施加,相反应力区和匹配包层对纤芯应力作用一致,从而在设计同样拍长下,适当降低应力区掺杂浓度,减少应力棒制棒工艺难度。
所述内包层包括对称分布在匹配包层两侧的气孔区和对称分布在匹配包层两侧的应力区,其中气孔区两孔连线与应力区两孔连线垂直。
所述气孔区,其打孔直径小于应力区打孔直径,所述打孔直径指制作该光纤的预制棒时形成气孔区或应力区而在预制棒上进行机械打孔时孔的直径;所述光纤横截面上,气孔区面积占应力区面积的比例范围为小于等于0.7;优选大于等于0.5。所述气孔区将高功率超快激光在包层传输中产生的局部热量集中在芯层和石英包层,减少热量径向泄露到低折射率涂层,使得热量轴向分布在芯层、匹配包层,然而气孔区在拉丝过程中自身空间塌陷来减少应力区对纤芯全部作用力,会降低双折射率,从而导致消光比下降;但同时可以缓冲芯层受两侧应力区挤压造成的不圆,而纤芯不圆会严重影响无源光纤输出光斑椭圆度分布参数。
所述应力区,包括两个应力区,对称分布在匹配包层两端,为掺硼石英,掺硼相对折射率差为-0.55%~-0.30%,径向截面为圆形。
所述外包层为包覆于内包层外的掺氟石英外包层;所述掺氟石英外包层,数值孔径为0.10~0.24,所述包层直径D1为80~400μm,与内包层直径D2比值范围为1.05~1.2;所述掺氟石英,耐温性好,折射率低,对高功率超快激光器的稳定传输增加了保障,且在制作合束器时保证对泵浦光耦合减少泄露。
所述光纤还包括外包于包层外的低折射率涂层,数值孔径大于0.46,厚度为30~100μm。
所述无源保偏光纤,是单模光纤、或少模光纤。
所述无源保偏光纤的应用,是应用于制作超快激光器系统的光纤光栅、和/或合束器。
在光纤传输主导的超快领域,通常必须匹配一些保偏的空间器件来得到理想的信号传输结果,但是这样的搭配或组合对于系统损耗以及环境的抗干扰能力比较弱,比如温度的改变以及光纤弯曲都会导致其偏振态的变化,因此如果在光纤上加入保偏的设计,更利于超快系统的集成化,可以提高稳定性。
在超快领域采用保偏光纤,其主要目的是保持信号不失真,具体来说就是保持脉冲的形状以及光谱的形状不变,即在传输过程中不因偏振态的改变而发生变化。对于脉冲而言,偏振消光比是一个重要的衡量参数,如果采用非保偏光纤,不同偏振态之间能量的串扰会对脉冲造成很多随机的、不可控制的不利影响。但是在超快领域应用保偏光纤是,由于传输距离相对于信号传输短很多,因此对于保偏的性能要求相对较低。同时超快激光必伴有高功率能量传导,一旦发生能量泄露到光纤涂层,会出现“烧纤/断纤”等破坏性影响,如果在光纤包层中增加气孔区限制热量在光纤玻璃材质的芯层和包层中,减小由于热传导直接快速作用到光纤涂层。
气孔区的存在,可以限制热量泄露到光纤涂层,改善纤芯不圆度,然而又会在一定程度上降低消光比,同时增加机械加工带来的瑕疵。经过实验证实,气孔区的打孔直径小于等于应力区的打孔直径时,拉丝成型过程中由较容易控制,纤芯质量较高。最终拉丝形成的光纤横截面上,气孔区面积占应力区面积的比例范围为小于等于0.7时具有较好的偏正光保持功能;优选大于等于0.5时,能够更好的限制能量在玻璃层,光纤使用寿命较长。
进一步的,为了降低热辐射导致的能量泄露到光纤涂层,增加了低折射率的掺氟石英层作为外包层,为光纤涂层提供更好的保护,延长无源保偏光纤的使用寿命。
然而这种设计对光纤的制造提出了更高要求,为了形成应力区和气孔区,需要对光纤预制棒进行机械打孔加工,这一过程中,增加了对芯层的机械冲击,导致芯层的瑕疵,从而影响信号的保真。为了避免信号失真,本发明增加了匹配包层,减少机械打孔加工对芯层的冲击;优选采用氟锗共掺的匹配包层,减小由于包层和芯层的粘度不匹配导致的拉丝过程中芯层和气孔区的形变,从而同时提高信号的传输性能和气孔区的热量限制。
以下为实施例:
如下表1所示,实施例1,2和3为三种不同芯径和不同包层直径的无源保偏光纤实施参数表。其中匹配包层,通过使得在2000℃时的粘度值比芯层的小,来调整氟锗共掺的浓度,确保了掺硼应力区对纤芯应力双折射作用不会骤变,避免了纤芯不圆度显著恶化。同时在应力区相垂直端设有气孔区,通过气孔区尺寸塌缩变化同样可以对纤芯起到应力牵引,抵消掺硼应力区对纤芯几何影响;所述气孔区在光纤端面所占面积小,通过调整熔缩放电时间等参数可以匹配气孔区的光纤熔接。外包层增加NA=0.22的掺氟石英,实验发现光纤在制合束器温升控制方面表现优良,都可以满足低于30℃要求。实验结果显示,这三个实施例的光纤拍长为mm级别,纤芯不圆度都在5%以内,满足超快激光器系统的传输。
所述匹配包层,通过使得在2000℃时的粘度值比芯层的小,来调整氟锗共掺的浓度,所述在温度T下氟锗共掺光纤粘度计算公式如下:
Logη(T)=K0+KFΔF+KGeΔGe
其中K0为温度T下二氧化硅石英粘度,为温度的线性值;KF和KGe为贡献系数,分别取1.5和-0.5,ΔF和ΔGe为掺杂引起的相对折射率差,具体为:
掺氟相对折射率差ΔF=(nF–1.4573)*100%/1.4573
掺锗相对折射率差ΔGe=(nGe–1.4573)*100%/1.4573
其中nF和nGe分别为633nm波段下测试的氟和锗的绝对折射率,1.4573则为纯硅在633nm下的绝对折射率。
对比例1为无源双包层GDF50/400-0.11光纤参数,尽管是双包层设计,外包层为NA=0.22掺氟石英,纤芯不圆度也非常好,不过由于没有应力区双折射的引入,这种普通结构的无源光纤双折射作用非常弱且受外界应力影响波动大,拍长达不到毫米级,实现不了稳定线偏振保持,就无法支持线偏振通道传输的超快激光。
对比例2为普通PM980/125-12光纤参数,从实验结果看出,即使增加了高NA低折涂料涂覆,但芯不圆度高达8%以上,满足不了激光系统输出光斑圆度在95%以上要求,无法应用在超快激光器系统中。
表1
Figure BDA0002913461890000071
Figure BDA0002913461890000081
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种无源保偏光纤,其特征在于,其包层由内而外包括匹配包层、以及内包层;
所述匹配包层,为氟锗共掺的包层;
所述内包层包括对称分布在匹配包层两侧的气孔区和对称分布在匹配包层两侧的应力区,其中气孔区两孔连线与应力区两孔连线垂直;
所述气孔区,其面积占应力区面积的比例范围小于等于0.7。
2.如权利要求1所述的无源保偏光纤,其特征在于,所述气孔区,其面积占应力区面积的比例范围大于等于0.5。
3.如权利要求1所述的无源保偏光纤,其特征在于,所述匹配包层,与内包层的气孔区和应力区都不相交。
4.如权利要求3所述的无源保偏光纤,其特征在于,其直径与纤芯芯径比值在2.0以内,相对折射率差为-0.1%~0。
5.如权利要求1所述的无源保偏光纤,其特征在于,所述应力区,为掺硼石英,掺硼相对折射率差为-0.55%~-0.30%。
6.如权利要求1所述的无源保偏光纤,其特征在于,所述应力区其径向截面为圆形。
7.如权利要求1所述的无源保偏光纤,其特征在于,光纤包层还包括包覆于内包层外的掺氟石英外包层。
8.如权利要求7所述的无源保偏光纤,其特征在于,所述掺氟石英外包层,数值孔径为0.10~0.24,直径为80~400μm,与内包层的直径比值范围为1.05~1.2。
9.如权利要求7所述的无源保偏光纤,其特征在于,所述光纤还包括外包于包层外的低折射率涂层,其数值孔径大于0.46,厚度为30~100μm。
10.如权利要求1所述的无源保偏光纤,其特征在于,所述光纤包括掺锗石英纤芯,芯径为4~100μm,数值孔径为0.06~0.12。
11.如权利要求1所述的无源保偏光纤,其特征在于,其为单模光纤、或少模光纤。
12.如权利要求1至11任意一项所述的无源保偏光纤的应用,其特征在于,应用于制作超快激光器系统的光纤光栅、和/或合束器。
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