CN113093328B - 轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤、套管及其制备方法 - Google Patents

轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤、套管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤、套管及其制备方法，其增益光纤包括：沿径向方向由内而外依次套设的纤芯、内包层、外包层和涂覆层；纤芯的折射率高于内包层的折射率，内包层的折射率高于外包层的折射率，外包层的折射率低于涂覆层的折射率；内包层的折射率沿其自身的轴线方向呈变化趋势，使增益光纤的纤芯数值孔径沿其自身的轴线方向对应变动。本发明增益光纤在轴向上的纤芯数值孔径变化随光纤的弯曲半径变化时，增益光纤的产生弯曲损耗变化一致，优化高功率光纤的光束质量，提升高功率光纤激光器的模式不稳定阈值，实现高功率激光输出。

Description

轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤、套管及其制备方法
技术领域
本发明增益光纤技术领域，更具体地，涉及轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤、套管及其制备方法。
背景技术
在光纤激光领域，目前使用的石英套管折射率在轴向上是均匀分布的且稳定不变，因此只要增益光纤的纤芯掺杂浓度一致，相应的增益光纤纤芯数值孔径在轴向上是均匀不变的，此种光纤结构简单，易于生产，在光纤激光器领域得到广泛应用。
在光纤激光器领域，为了保证泵浦光被增益光纤充分吸收，采用的增益光纤长度一般为10m到20m。增益光纤一般放置在水冷板上，但水冷板跑道直径不一样，因此光纤在水冷板上盘绕时彼此之间的弯曲半径并不一致。由于增益光纤的纤芯数值孔径沿轴向是均匀的，导致光纤的弯曲损耗不一样，很难保证光纤激光器在高功率激光输出时仍然获得优良的光束质量。当增益光纤的纤芯数值孔径较低，在光纤的盘绕半径过小时，在高功率输出时基模光都被泄露了，难以提升激光器输出功率；当增益光纤的纤芯数值孔径较高，在水冷板上增益光纤弯曲半径过大时，高阶模弯曲损耗较小，难以滤除，无法进一步通过弯曲提升激光器光束质量。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤、套管及其制备方法。
本发明公开了一种轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤，包括：
沿径向方向由内而外依次套设的纤芯、内包层、外包层和涂覆层；
所述纤芯的折射率高于所述内包层的折射率，所述内包层的折射率高于所述外包层的折射率，所述外包层的折射率低于所述涂覆层的折射率；
所述内包层的折射率沿其自身的轴线方向呈变化趋势，使所述增益光纤的纤芯数值孔径沿其自身的轴线方向对应变动。
可选地，所述纤芯掺杂稀土离子作为增益介质。
可选地，所述变化趋势为递增趋势、递减趋势、先增大后减小趋势、先减小后增大趋势中的一种以上趋势。
可选地，所述纤芯数值孔径为0.01-0.1；和/或，所述外包层的折射率不变，以使所述内包层的数值孔径不低于0.46。
可选地，所述内包层包括SiCl4、GeCl4和CF4；所述SiCl4和所述CF4混合制备形成第一子轴段；所述SiCl4制备形成第二子轴段；所述SiCl4和所述GeCl4混合制备形成第三子轴段；所述第一子轴段、所述第二子轴段和所述第三子轴段构成所述内包层，以使所述内包层的折射率呈变化趋势。
可选地，所述SiCl4和所述CF4混合时的流量分别为5-20L/min、0.5-2.5L/min；所述SiCl4的流量为2-10L/min；所述SiCl4和所述GeCl4混合时的流量分别为1.5-5L/min、20-200mL/min。
本发明还公开了一种轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤的制备方法，其适用于上述任意一项所述的轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤，包括步骤：
制备套管：在VAD提棒工艺中，将SiCl4和CF4混合物、SiCl4、SiCl4和GeCl4混合物按预设顺序喷出以形成套管，使得所述套管的折射率沿其自身的轴线方向改变；
制备光纤预制棒：将所述套管按芯棒尺寸钻孔，使所述套管形成空心套管，将所述芯棒套入所述空心套管以形成光纤预制棒；
制备光纤：拉制所述光纤预制棒以形成光纤，所述光纤的纤芯数值孔径沿其自身的轴线方向对应所述套管的折射率的改变而变动。
本发明还公开了一种轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤的套管，所述套管包括SiCl4、GeCl4和CF4；所述SiCl4和所述CF4混合制备形成第一子轴段；所述SiCl4制备形成第二子轴段；所述SiCl4和所述GeCl4混合制备形成第三子轴段；所述第一子轴段、所述第二子轴段和所述第三子轴段构成所述内包层，以使所述内包层的折射率呈变化趋势。
可选地，所述SiCl4和所述CF4混合时的流量分别为5-20L/min、0.5-2.5L/min；所述SiCl4的流量为2-10L/min；所述SiCl4和所述GeCl4混合时的流量分别为1.5-5L/min、20-200mL/min。
本发明还公开了轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤的套管的制备方法，其适用于上述任意一项所述的轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤的套管，包括步骤：
在VAD提棒工艺中，将SiCl4和CF4混合物、SiCl4、SiCl4和GeCl4混合物按预设顺序喷出以形成套管，使得所述套管的折射率沿其自身的轴线方向改变。
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：
在高功率光纤激光器中针对增益光纤在各个不同弯曲半径下的弯曲损耗不同，选取合适的纤芯数值孔径变化的增益光纤，使增益光纤在轴向上的纤芯数值孔径变化随光纤的弯曲半径变化时，增益光纤的产生弯曲损耗变化一致，优化高功率光纤的光束质量，提升高功率光纤激光器的模式不稳定阈值，实现高功率激光输出。
附图说明
图1为本发明的轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤的一种实施例结构示意图；
图2为本发明的轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤的另一种实施例结构示意图；
图3为本发明的轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤的制备方法的一种实施例流程图示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-纤芯、2-内包层、3-外包层、4-涂覆层、5-高纤芯数值孔径增益光纤端、6-低纤芯数值孔径增益光纤端。
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，以下结合附图及实施例，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。
在本发明的一种实施例中，如图1和2所示，一种轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤，包括：沿径向方向由内而外依次套设的纤芯1、内包层2、外包层3和涂覆层4；纤芯1的折射率高于内包层2的折射率，内包层2的折射率高于外包层3的折射率，外包层3的折射率低于涂覆层4的折射率；内包层2的折射率沿其自身的轴线方向呈变化趋势，使增益光纤的纤芯数值孔径沿其自身的轴线方向对应变动。
本实施例中，通过控制内包层2(即套管)轴向上的折射率变化，引起本增益光纤的纤芯数值孔径沿轴向变化，光纤盘绕在水冷板上时，高数值孔径端的本增益光纤从小弯曲半径进入，从水冷板上的大弯曲半径输出，使增益光纤在轴向上的纤芯数值孔径变化随光纤的弯曲半径变化时，增益光纤的产生弯曲损耗变化一致，优化高功率光纤激光器中激光光束质量，稳定可靠，可获得高功率、高光束质量激光输出。如图2所示，为本增益光纤在水冷板的一种盘绕实例，其中，高纤芯数值孔径增益光纤端5所在的增益光纤的弯曲直径为10cm，低纤芯数值孔径增益光纤端6所在的增益光纤的弯曲直径为20cm。该实施例表明，本发明具有结构简单，易于实现，成本低廉，可优化光纤激光器的输出功率，优化输出激光的光束质量。系统稳定可靠，可获得高功率窄线宽激光。很好解决了现有技术中纤芯数值孔径高低与其弯曲半径不适配而影响的不良问题，使得增益光纤的纤芯数值孔径较低时可实现其盘绕半径小，但不会造成其高功率输出时基模光都被泄露的现象，增益光纤的纤芯数值孔径较高时可实现其盘绕半径大，但不会造成高阶模弯曲损耗较小，难以滤除的现象，从而实现进一步通过弯曲提升激光器输出功率。
可选地，纤芯1掺杂稀土离子作为增益介质。
可选地，变化趋势为递增趋势、递减趋势、先增大后减小趋势、先减小后增大趋势中的一种以上趋势。值得说明的是，变化趋势以增益光纤的纤芯数值孔径的变动需求进行匹配，从而保证内包层2的折射率变化与纤芯数值孔径的变动相对应，满足本增益光纤的实际应用。在实际应用中，内包层2的折射率的变化趋势可根据增益光纤的盘绕方式以及其纤芯数值孔径的关系进行设定，从而确保激光器输出功率。因此，内包层2的折射率的变化趋势可为单调递增、单调递减等规律递变，也可为折线、曲线等增减不限。
可选地，纤芯数值孔径为0.01-0.1。可选地，纤芯数值孔径为0.045-0.065。
可选地，外包层3的折射率不变，以使内包层2的数值孔径不低于0.46。
可选地，内包层2包括SiCl4、GeCl4和CF4；SiCl4和CF4混合制备形成第一子轴段；SiCl4制备形成第二子轴段；SiCl4和GeCl4混合制备形成第三子轴段；第一子轴段、第二子轴段和第三子轴段构成内包层2，以使内包层2的折射率呈变化趋势。可选地，SiCl4和CF4混合时的流量分别为5-20L/min、0.5-2.5L/min；SiCl4的流量为2-10L/min；SiCl4和GeCl4混合时的流量分别为1.5-5L/min、20-200mL/min。值得说明的是，通过公式换算，可将上述流量换算成质量比、速度比等静态混合或动态混合均可，但应均属于本发明的保护范围。因此，内包层2制备时可上述组分可先混合再输送，也可为输送的过程中进行混合。混合过程中可根据上述流量换算成其他方式比重进行混合，这里不再赘述。值得说明的是，上述数值范围均包括端数，如SiCl4和CF4混合时的流量分别为5-20L/min、0.5-2.5L/min，即SiCl4在和CF4混合时，SiCl4可为5L/min、20L/min以及5L/min和20L/min之间的任意值。
在实际应用中，第一子轴段、第二子轴段和第三子轴段根据变化趋势进行排列组合并沿其轴线连接，且各个子轴段(第一子轴段、第二子轴段或第三子轴段)各自的长度以及含有相同组分的子轴段的长度、组分配比(流量、质量、速度等)等可相同或不同。
在本发明的另一实施例中，与上述实施例不同的是，SiCl4和CF4混合时的流量分别为8-16L/min、1-2L/min；SiCl4的流量为4-9L/min；SiCl4和GeCl4混合时的流量分别为1.5-5L/min、20-200mL/min。
在本发明的另一实施例中，与上述实施例不同的是，SiCl4和CF4混合时的流量分别为5-20L/min、0.5-2.5L/min；SiCl4的流量为2-10L/min；SiCl4和GeCl4混合时的流量分别为2-4L/min、50-160mL/min。
在本发明的另一实施例中，如图3所示，一种轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤的制备方法，其适用于上述任意一项所述的轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤，包括步骤：
S1，制备套管：在VAD提棒工艺中，将SiCl4和CF4混合物、SiCl4、SiCl4和GeCl4混合物按预设顺序喷出以形成套管，使得所述套管的折射率沿其自身的轴线方向改变；
S2，制备光纤预制棒：将所述套管按芯棒尺寸钻孔，使所述套管形成空心套管，将所述芯棒套入所述空心套管以形成光纤预制棒；
S3，制备光纤：拉制所述光纤预制棒以形成光纤，所述光纤的纤芯数值孔径沿其自身的轴线方向对应所述套管的折射率的改变而变动。
可选地，SiCl4和CF4混合时的流量分别为5-20L/min、0.5-2.5L/min；SiCl4的流量为2-10L/min；SiCl4和GeCl4混合时的流量分别为1.5-5L/min、20-200mL/min。即在VAD的提棒工艺中，控制喷灯喷出的SiCl4、CF4和GeCl4的含量，并通过控制其流量来实现。
在本发明的另一实施例中，与上述实施例不同的是，SiCl4和CF4混合时的流量分别为5-20L/min、1-2L/min；SiCl4的流量为3-10L/min；SiCl4和GeCl4混合时的流量分别为1.5-5L/min、50-150mL/min。
在本发明的另一实施例中，与上述实施例不同的是，SiCl4和CF4混合时的流量分别为6-16L/min、0.5-2L/min；SiCl4的流量为2-10L/min；SiCl4和GeCl4混合时的流量分别为1.5-5L/min、20-200mL/min。
示例性的，在VAD的提棒工艺中，控制喷灯喷出的SiCl4、GeCl4和CF4含量，刚开始喷出SiCl4和CF4，控制套管的最低折射率为1.448，将靶棒向上提升3cm后只喷出SiCl4，继续将靶棒向上提升3cm喷出SiCl4和GeCl4，控制套管的折射率为1.452，制备出沿轴向折射率变化的石英套管；然后将该石英套管钻孔，并将预先制备好的芯棒套入轴向折射率变化的石英套管中，做成光纤预制棒，最后在拉丝塔上拉制成光纤，此种光纤的纤芯数值孔径单调递减，增益光纤的纤芯数值孔径从0.065到0.045变化。
在本发明的另一实施例中，一种轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤的套管，套管包括SiCl4、GeCl4和CF4；SiCl4和CF4混合制备形成第一子轴段；SiCl4制备形成第二子轴段；SiCl4和GeCl4混合制备形成第三子轴段；第一子轴段、第二子轴段和第三子轴段构成内包层2，以使内包层2的折射率呈变化趋势。值得说明的是，在实际应用中，第一子轴段、第二子轴段和第三子轴段在制备过程中一体成型。
可选地，SiCl4和CF4混合时的流量分别为5-20L/min、0.5-2.5L/min；SiCl4的流量为2-10L/min；SiCl4和GeCl4混合时的流量分别为1.5-5L/min、20-200mL/min。
在本发明的另一实施例中，与上述实施例不同的是，SiCl4和CF4混合时的流量分别为8-15L/min、1-2L/min；SiCl4的流量为3-7L/min；SiCl4和GeCl4混合时的流量分别为1.8-4L/min、80-160mL/min。
本发明还公开了轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤的套管的制备方法，其适用于上述任意一项所述的轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤的套管，包括步骤：
在VAD提棒工艺中，将SiCl4和CF4混合物、SiCl4、SiCl4和GeCl4混合物按预设顺序喷出以形成套管，使得所述套管的折射率沿其自身的轴线方向改变。
可选地，SiCl4和CF4混合时的流量分别为5-20L/min、0.5-2.5L/min；SiCl4的流量为2-10L/min；SiCl4和GeCl4混合时的流量分别为1.5-5L/min、20-200mL/min。即在VAD的提棒工艺中，控制喷灯喷出的SiCl4、CF4和GeCl4的含量，并通过控制其流量来实现。
在本发明的另一实施例中，与上述实施例不同的是，SiCl4和CF4混合时的流量分别为7-16L/min、1-2.5L/min；SiCl4的流量为3-8L/min；SiCl4和GeCl4混合时的流量分别为2-5L/min、60-170mL/min。
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，并不用于限制本发明，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 (7)

1.一种轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤，其特征在于，包括：
沿径向方向由内而外依次套设的纤芯、内包层、外包层和涂覆层；
所述纤芯的折射率高于所述内包层的折射率，所述内包层的折射率高于所述外包层的折射率，所述外包层的折射率低于所述涂覆层的折射率；
所述内包层的折射率沿其自身的轴线方向呈变化趋势，使所述增益光纤的纤芯数值孔径沿其自身的轴线方向对应变动；其中：
所述轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤盘绕成型时，弯曲半径和纤芯数值孔径的变化趋势相同。
2.如权利要求1所述的轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤，其特征在于：
所述纤芯掺杂稀土离子作为增益介质。
3.如权利要求1所述的轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤，其特征在于:
所述变化趋势为递增趋势、递减趋势、先增大后减小趋势、先减小后增大趋势中的一种以上趋势。
4.如权利要求1所述的轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤，其特征在于：
所述纤芯数值孔径为0.01-0.1；和/或，
所述外包层的折射率不变，以使所述内包层的数值孔径不低于0.46。
5.如权利要求1-4任意一项所述的轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤，其特征在于：
所述内包层包括SiCl4、GeCl4和CF4 ；
所述SiCl4 和所述CF4 混合制备形成第一子轴段；
所述SiCl4 制备形成第二子轴段；
所述SiCl4 和所述GeCl4混合制备形成第三子轴段；
所述第一子轴段、所述第二子轴段和所述第三子轴段构成所述内包层，以使所述内包层的折射率呈变化趋势。
6.如权利要求5所述的轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤，其特征在于:
所述SiCl4 和所述CF4 混合时的流量分别为5-20L/min、0.5-2.5L/min；
所述SiCl4的流量为2-10L/min；
所述SiCl4和所述GeCl4混合时的流量分别为1.5-5L/min、20-200mL/min。
7.一种轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤的制备方法，用于制备如权利要求1-6任意一项所述的轴向纤芯数值孔径变化的增益光纤，其特征在于，包括步骤:
制备套管：在VAD提棒工艺中，将SiCl4 和CF4混合物、SiCl4、SiCl4和GeCl4 混合物按预设顺序喷出以形成套管，使得所述套管的折射率沿其自身的轴线方向改变；
制备光纤预制棒：将所述套管按芯棒尺寸钻孔，使所述套管形成空心套管，将所述芯棒套入所述空心套管以形成光纤预制棒；
制备光纤：拉制所述光纤预制棒以形成光纤，所述光纤的纤芯数值孔径沿其自身的轴线方向对应所述套管的折射率的改变而变动。
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