CN113176626A - 一种控制增益掺杂剂分布的大模场光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制增益掺杂剂分布的大模场光纤，将纤芯分为不掺杂增益离子的无源区和掺杂增益离子的有源区，且增益离子的浓度在有源区呈高斯型分布。纤芯有源区高斯型掺杂能更好地促进基模的增益，纤芯无源区不掺杂增益离子又能更好地避免和抑制高阶模，因此不仅能提高常规光纤的横向模式不稳定阈值，又能保证良好的光束质量输出，为解决大模场光纤输出功率和光束质量受限提供了一条可行的途径。

Description

一种控制增益掺杂剂分布的大模场光纤

技术领域

本发明属于光纤领域，更具体地，涉及一种控制增益掺杂剂分布的大模场光纤。

背景技术

掺镱(Yb3+)光纤激光器以其转换效率高、散热性能好、紧凑性高和光束质量好等优点而被广泛应用于工业加工、生物医疗、3D打印和军事国防等领域。但是，各种非线性效应，如受激拉曼散射等，不仅限制光纤激光器输出功率的提升，也会产生反向的斯托克斯光损坏系统器件。大模场光纤的应用，成功地解决或抑制了受激拉曼散射等非线性效应，使得光纤激光器的输出功率得到了前所未有的提高。然而，在大模场光纤中，更多的高阶模将被束缚在光纤纤芯中，进而出现一种新的不利现象—横向模式不稳定，它可能会导致光纤激光器输出功率难以进一步提升并且光束质量会恶化。自从横向模式不稳定现象发现以来，它已成为进一步限制掺镱光纤激光器输出功率提升同时保持优良光束质量的主要因素。

为了抑制光纤激光的横向模式不稳定效应，进而继续提高光纤激光器输出功率，同时保持优良的光束质量，优化大模场光纤应为最有效的方法。因此，从大模场掺镱光纤的设计角度来看，提高横向模式不稳定阈值的手段包括：减小纤芯的数值孔径、增大内包层直径、采用新型结构光纤以及控制增益掺杂剂分布等方法。对于前三种：低数值孔径光纤的归一化频率较小，因此它在理论上是可以保证严格单模，高阶模难以被束缚在纤芯中，高阶模的低含量使得其横向模式不稳定阈值更高、光束质量更优。增大内包层直径使得芯包比更小，可以降低整体光纤的包层吸收，以此来均衡光纤的热负载，弱化增益光纤的热致折射率光栅，进而提高横向模式不稳定阈值。设计新型结构光纤，如大截距光纤、分布模式滤除光纤、多芯光纤，它们的优点是均具有较大的模场面积，对于提高横向模式不稳定阈值效果也很显著。

然而，目前的大模场掺镱光纤制备工艺较难满足数值孔径为0.05及以下的低数值孔径掺镱光纤制备，且较低的数值孔径又很难与全光纤器件匹配，造成激光的泄露和器件的烧毁。增大内包层直径会降低吸收，进而需要增长光纤的使用长度，这又使得受激拉曼散射效应较早出现。新型结构光纤由于其结构的复杂性，使得他们与无源光纤的熔接难度较大，甚至带来较大的熔接损耗，

因此它们较多采用空间耦合的方法实现高功率光纤激光输出，这就违背了全光纤激光器结构紧凑的设计初衷。上述三种提高横向模式不稳定方法的劣势非常的明显，且难以用于数千瓦甚至万瓦级的光纤激光系统。因此，设计和制备一种工艺更简单的大模场光纤，并能够同时均衡各种非线性效应和横向模式不稳定效应，且能兼顾优良光束质量输出是目前高功率光纤激光器亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种控制增益掺杂剂分布的大模场光纤，由此解决常规同参数同尺寸的大模场光纤难以抑制横向模式不稳定和光束质量恶化的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种控制增益掺杂剂分布的大模场光纤，包括纤芯、围绕纤芯的内包层和围绕内包层的外包层；

纤芯包括掺杂增益离子的有源区和不掺杂增益离子的无源区，沿纤芯中心向外依次为有源区和无源区，有源区内增益离子浓度沿纤芯中心向外逐渐降低，呈高斯型分布；有源区和无源区的相对折射率差相等。

优选地，增益离子为镱，有源区内任意一点的镱离子浓度C(r)与该点至纤芯层中心的距离r满足以下关系：

C(r)＝C₀×exp(-r²/b²)；

其中，C₀为r＝0处的镱离子浓度，b为高斯宽度，0≤r≤a₁₁，a₁₁为有源区的半径，0≤b≤a₁₁。

优选地，有源区的掺杂离子还包括铝、铈和氟，无源区的掺杂离子包括铝和氟。

优选地，有源区沉积的化合物包括Yb₂O₃、Al₂O₃、Ce₂O₃和SiF₄，有源区的相对折射率差与各化合物的掺杂浓度满足以下关系：

Δn_有源×10⁴＝67×C_Yb2O3+23×C_Al2O3+67×C_Ce2O3-50×C_SiF4；

其中，Δn_有源为有源区的相对折射率差，C_Yb2O3、C_Al2O3、C_Ce2O3和C_SiF4分别表示有源区中Yb₂O₃、Al₂O₃、Ce₂O₃和SiF₄的掺杂浓度；

无源区沉积的化合物包括Yb₂O₃、Al₂O₃、Ce₂O₃和SiF₄，无源区的相对折射率差与各化合物的掺杂浓度满足以下关系：

Δn_无源×10⁴＝23×C_Al2O3`-50×C<sub>SiF4</sub>`；

其中，Δn_无源为无源区的相对折射率差，C_Al2O3`、C<sub>SiF4</sub>`分别表示无源区中Al₂O₃、SiF₄的掺杂浓度。

优选地，光纤的功率提升受限时的阈值P_th范围为100W～2000W。

优选地，光纤输出激光的光束质量M²因子范围为1.1～2。

优选地，纤芯直径的范围为10～100μm。

优选地，内包层为正八边形，其任意两个相对的边的距离范围为125～1000μm。

优选地，纤芯数值孔径的范围为0.05～0.08。

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，结合了增益离子限制掺杂和高斯型增益掺杂分布两种设计理念，能够取得下列有益效果：

1、增益掺杂离子呈高斯型分布的方式更加匹配基模增益场，使得基模在模式竞争中处于优势地位，能够更好地抑制高阶模增益，促进了横向模式不稳定阈值的提升，从而抑制和缓解横向模式不稳定效应，提升光束质量。

2、通过限制纤芯中增益掺杂剂的分布区域，使得纤芯边缘处无增益，而高阶模更容易在纤芯边缘处激发和产生，因此边缘处的无增益又使得高阶模难以产生，使得纤芯中的模式更加纯净，光束质量得到很好地保持。

3、增益离子限制掺杂和高斯型增益掺杂分布的结合，使得光纤的整体泵浦吸收会有所降低，而为了达到充分的泵浦吸收，需要增长一定的光纤使用长度，由此带来的优点为能够均衡光纤的整体热负载，在一定程度上缓和热致折射率光栅的强度，进而有利于提升横向模式不稳定阈值，保证良好的光束质量输出。

4、通过限制光纤纤芯中镱离子的分布区域和改变分布区域中镱离子的浓度，进而实现高功率、优光束质量光纤激光输出。

附图说明

图1(a)是本发明实施例提供的控制增益掺杂剂分布的大模场光纤的纤芯和内包层端面示意图；图1(b)是本发明实施例提供的控制增益掺杂剂分布的大模场光纤的纤芯和内包层的折射率分布示意图；

图2是本发明实施例提供的控制增益掺杂剂分布的大模场光纤的纤芯中镱离子区域限制分布及浓度分布示意图。

图3是用于测试本发明实施例提供的控制增益掺杂剂分布的大模场光纤的光纤激光放大器结构示意图；

图4是本发明实施例提供的控制增益掺杂剂分布的大模场光纤的激光性能测试结果示意图；

图5是比较例光纤的激光性能测试结果示意图。

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。

本发明实施例提供一种控制增益掺杂剂分布的大模场光纤，如图1所示，包括纤芯、围绕纤芯的内包层、围绕内包层的外包层；

纤芯包括掺杂增益离子的有源区和不掺杂增益离子的无源区，沿纤芯中心向外依次为有源区和无源区，有源区内增益离子浓度沿纤芯中心向外逐渐降低，呈高斯型分布；有源区和无源区的相对折射率差相等。

优选地，纤芯可以为圆形，椭圆形，正多边形等任意一种轴对称形状。

为方便介绍本发明内容，定义和解释相关术语如下：

纤芯：如图1(a)所示，光纤中的圆形区域1为纤芯，为光纤折射率最高的部分，为光纤中信号激光的传输层；纤芯的半径为a₁，单位为微米(μm)；

内包层：如图1(a)所示，围绕紧贴着纤芯的圆环形区域2，用于泵浦光的传输；优选地，其结构为正八边形，圆环区域的外径为a₂，内径为a₁。

纤芯和内包层之间的折射率关系如图1(b)所示，横坐标为折射率的值，纵坐标为相对纤芯中心的距离，单位为微米(μm)；

n₁：纤芯的折射率，其值一般最大；

n₂：内包层的折射率，略小于n₁；

a₁：纤芯的半径，单位为微米(μm)；

a₂：内包层的半径，单位为微米(μm)；

NA：纤芯的数值孔径，物理含义为纤芯所能容纳光的能力，定义式为

NA＝(n₁ ²-n₂ ²)^1/2；

TMI：横向模式不稳定，指输出光斑横截面上出现基模和高阶模之间能量不断耦合的现象；

P_th：输出功率提升受限时的功率值，这里针对由横向模式不稳定所导致的功率阈值；

M²：光束质量因子，其定义为：实际光束束腰宽度和远场发散角的乘积比上基模高斯光束的束腰宽度和远场发散角的乘积。

纤芯无源区：如图2所示，纤芯无源区为环形区域11，环形区域11的外径为a₁，内径为a₁₁。该环形区域不掺杂增益稀土离子。

纤芯有源区：如图2所示，纤芯有源区为虚线部分的圆形区域，该圆形区域的半径为a₁₁，也即区域12与13的总和，该圆形区域内掺杂增益稀土离子，优选地，增益稀土离子为Yb³⁺离子。

环形区域11的空间占比(a₁-a₁₁)/a₁的范围为1％～30％；优选范围为10％～20％；相应地，圆形区域空间占比a₁₁/a₁的范围为99％～70％，优选范围为90％～80％。

可以理解的是，纤芯有源区和纤芯无源区均属于纤芯内部区域，只是为了便于说明进行划分，纤芯有源区和纤芯无源区的数值孔径相等。

纤芯为圆形，以此匹配传能光纤的纤芯；纤芯的数值孔径NA的设计范围为0.05～0.08，优选为0.06～0.065；纤芯的尺寸设计范围为10～100μm，优选为30～50μm。内包层为石英基材料，不共掺其他元素；内包层优选为正八边形，以提高泵浦吸收；内包层数值孔径为0.46±0.02，优选为0.46；内包层尺寸设计范围为125～1000μm，优选为400～600μm。

优选地，纤芯还包括围绕内包层的低折射率外包层和围绕外包层的最外保护层。

本发明实施例提供的控制增益掺杂剂分布的大模场光纤，纤芯有源区高斯型掺杂能更好地促进基模的增益，纤芯无源区不掺杂增益离子又能更好地避免和抑制高阶模，因此不仅能提高常规光纤的横向模式不稳定阈值，又能保证良好的光束质量输出，为解决大模场光纤输出功率和光束质量受限提供了一条可行的途径。

优选地，增益离子为镱，有源区内任意一点的镱离子浓度C(r)与该点至纤芯层中心的距离r满足以下关系：

C(r)＝C₀×exp(-r²/b²)；

其中，C₀为r＝0处的镱离子浓度，b为高斯宽度，0≤r≤a₁₁，a₁₁为有源区的半径，0≤b≤a₁₁。

优选地，a₁₁/3≤b≤a₁₁。

优选地，有源区的掺杂离子还包括镱、铝、铈和氟，无源区的掺杂离子包括铝和氟。

具体地，纤芯为石英基材料。纤芯无源区的材料为石英基的铝和氟共掺材料；纤芯有源区的材料为石英基的镱、铝、铈和氟共掺材料，且纤芯有源区镱的浓度沿中心依次向外降低，呈现高斯型分布。

采用改进的化学气相沉积(MCVD)工艺结合溶液掺杂法(SDT)制备该种光纤预制棒，纤芯的制备分为两个部分：首先制备的是纤芯无源区，该部分的掺杂元素有Al³⁺和F^-，无增益的稀土离子；制备纤芯有源区时，需要共掺的元素有Yb³⁺、Al³⁺、Ce³⁺和F^-，并且通过调控每趟溶液中的Yb³⁺的浓度，即从纤芯有源区的最外层到最内层Yb³⁺的浓度逐渐升高。这样，制备出来的纤芯共由两个部分构成，分别为最外的环形区域—纤芯无源区和内部的圆形区域—纤芯有源区，且两个区域的数值孔径相等，以使得制备的光纤能形成阶跃型的折射率剖面。

本发明实施例提供的控制增益掺杂剂分布的大模场光纤，通过限制光纤纤芯中镱离子的分布区域和改变分布区域中镱离子的浓度，进而实现高功率、优光束质量光纤激光输出。

优选地，有源区沉积的化合物包括Yb₂O₃、Al₂O₃、Ce₂O₃和SiF₄，有源区的相对折射率差与这两种化合物的掺杂浓度满足以下关系：

Δn_有源×10⁴＝67×C_Yb2O3+23×C_Al2O3+67×C_Ce2O3-50×C_SiF4；

其中，Δn_有源为有源区的相对折射率差，C_Yb2O3、C_Al2O3、C_Ce2O3和C_SiF4分别表示有源区中Yb₂O₃、Al₂O₃、Ce₂O₃和SiF₄的掺杂浓度。

无源区沉积的化合物包括Yb₂O₃、Al₂O₃、Ce₂O₃和SiF₄，无源区的相对折射率差与这四种化合物的掺杂浓度满足以下关系：

Δn_无源×10⁴＝23×C_Al2O3`-50×C<sub>SiF4</sub>`；

其中，Δn_无源为无源区的相对折射率差，C_Al2O3`、C<sub>SiF4</sub>`分别表示无源区中Al₂O₃、SiF₄的掺杂浓度。

为了使制备的光纤能形成阶跃型的折射率剖面，最重要的就是确定每种掺杂化合物的浓度，才能保证纤芯有源区和纤芯无源区的相对折射率差Δn_纤芯＝Δn_无源＝Δn_有源。

根据纤芯数值孔径的范围0.05～0.08，以此确定纤芯的相对折射率差的范围为0.001～0.0016，优选为0.0012～0.0013；

通过调控纤芯无源区Al₂O₃和SiF₄的浓度，使得其对纤芯无源区的相对折射率差的贡献达到设计范围。

纤芯有源区中任一一点的增益掺杂离子—Yb³⁺的浓度，符合如下高斯函数分布：

C(r)＝C₀×exp(-r²/b²)

r为该点到纤芯中心的距离，0≤r≤a₁₁；b为高斯宽度，它决定了该高斯函数的面积，即也表征了该种分布下镱离子的总含量，其范围为0～a₁₁；C₀为r＝0处的Yb³⁺离子的浓度，C(r)为位置坐标r处的Yb³⁺离子的浓度。

如图2所示，由此式可知，在纤芯有源区，中心位置处的镱离子掺杂浓度最高，由内往外，呈高斯型的减小，当r＝a₁₁时，指数项的值为-1，此时镱离子掺杂浓度最低。

特别地，b即高斯宽度决定了纤芯中所含镱离子的总量，b越小，纤芯有源区边缘所含镱离子越少但镱离子总量越低；b越大，镱离子总量越高但纤芯有源区边缘所含镱离子越多，而对于实际运用，既要保证镱离子的总量不能过低，这样光纤的整体包层吸收不至于过低，又要使得纤芯有源区边缘处的镱离子不能过多，这样更加匹配基模增益场，因此需要权衡b的设计值，优选地，b的范围为a₁₁/3≤b≤a₁₁

具体地，纤芯有源区中的其他离子—Al³⁺、Ce³⁺和F^-，需通过适当地配比和调控溶液浓度，使得整体地满足上述相对折射率差与掺杂浓度公式即可。

优选地，光纤的功率提升受限时的阈值P_th范围为100W～2000W。

优选地，光纤输出激光的光束质量M²因子范围为1.1～2。

优选地，纤芯直径的范围为10～100μm。

优选地，内包层为正八边形，其任意两个相对的边的距离范围为125～1000μm。

优选地，纤芯数值孔径的范围为0.05～0.08。

为充分说明本发明实施例提供的控制增益掺杂剂分布的大模场光纤的优点，搭建如图3所示的光纤激光放大器，该光纤放大器的结构如图所示，该结构可测试激光的输出功率、测试光束质量和监测放大器的横向模式不稳定效应。采用如图3所示的光纤激光放大器对本发明实施例提供的光纤进行输出功率、光束质量以及时频域的测试。可以理解的是，采用放大器的目的是相较于光纤激光振荡器，其具备更高的输出功率能力以及更高的激光效率的优点。同时，也采用如图3所示的光纤激光放大器对相同尺寸、相同数值孔径的常规全掺杂大模场光纤进行输出功率、光束质量以及时频域的测试，作为比较例。

实施例。制备的实施例光纤满足本发明的特征要求，其参数为：光纤的纤芯和内包层直径分别为30μm和400μm；纤芯无源区的直径占比为20％，即6μm，纤芯有源区的直径占比为80％，即24μm，即两倍的a₁₁；纤芯的数值孔径为0.06；镱离子在纤芯有源区的分布为高斯型，高斯宽度b为2a₁₁/3，即为8μm，这样也保证了一定的镱离子含量和适当的泵浦吸收，也使得纤芯有源区边缘处镱离子含量不至于过多，更加匹配基模增益场。由此，光纤在976nm泵浦的吸收系数也确定为～1.2dB/m，为了保证18个dB的总泵浦吸收，需要的光纤长度为15m。实施例的实验结果如图4所示，包括输出功率曲线、时频域示意图和光束质量演变图，由图4可知，实施例光纤最高输出1600W，斜率效率为83.4％，且未出现功率滞涨现象；最高输出功率时的时域信号稳定、频域信号无扰动，预示着无横向模式不稳定效应的出现；种子的M²为1.44，1600W时的M2为1.45，一直保持着近单模的激光输出。

比较例。制备的比较例光纤属于常规大模场掺镱光纤，其参数为：光纤的纤芯和内包层直径分别为30μm和400μm；纤芯数值孔径为0.06；镱离子在纤芯全掺杂，且浓度恒为实施例的最大值。这样，光纤在976nm泵浦的吸收系数也确定为～2.4dB/m，为了保证18个dB的总泵浦吸收，需要的光纤长度为7.5m。比较例的实验结果如图5所示，包括输出功率曲线、时频域示意图和光束质量演变图，由图5可知，比较例光纤最高输出725W，斜率效率为85.5％，且出现了功率滞涨的现象；最高输出功率时的时域信号杂乱、频域信号有高频分量的出现，预示着出现了横向模式不稳定效应，这也使得激光器的输出功率难以进一步提升；光束质量随着输出功率的提升也是呈现了不断恶化的趋势，且在横向模式不稳定效应出现后，M²因子突增到1.85，光束质量急剧恶化。

对比实施例和比较例，可知：

①实施例光纤可以较好地提升比较例光纤的激光输出功率极限值；

②实施例光纤可以实现更好激光的光束质量，在较高的功率水平下，也能保持较好的光束质量输出；

③横向模式不稳定效应是限制光纤激光器功率提升同时保持优良光束质量输出的重要因素，但显然实施例可以很好地抑制和缓解横向模式不稳定效应。

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 (10)

1.一种控制增益掺杂剂分布的大模场光纤，其特征在于，包括纤芯、围绕纤芯的内包层和围绕内包层的外包层；

纤芯包括掺杂增益离子的有源区和不掺杂增益离子的无源区，沿纤芯中心向外依次为有源区和无源区，有源区内增益离子浓度沿纤芯中心向外逐渐降低，呈高斯型分布；有源区和无源区的相对折射率差相等。

2.如权利要求1所述的控制增益掺杂剂分布的大模场光纤，其特征在于，增益离子为镱，有源区内任意一点的镱离子浓度C(r)与该点至纤芯层中心的距离r满足以下关系：

C(r)＝C₀×exp(-r²/b²)；

其中，C₀为r＝0处的镱离子浓度，b为高斯宽度，0≤r≤a₁₁，a₁₁为有源区的半径，0≤b≤a₁₁。

3.如权利要求2所述的控制增益掺杂剂分布的大模场光纤，其特征在于，a₁₁/3≤b≤a₁₁。

4.如权利要求1-3中任一项所述的控制增益掺杂剂分布的大模场光纤，其特征在于，有源区的掺杂离子还包括铝、铈和氟，无源区的掺杂离子包括铝和氟。

5.如权利要求4所述的控制增益掺杂剂分布的大模场光纤，其特征在于，有源区沉积的化合物包括Yb₂O₃、Al₂O₃、Ce₂O₃和SiF₄，有源区的相对折射率差与各化合物的掺杂浓度满足以下关系：

Δn_有源×10⁴＝67×C_Yb2O3+23×C_Al2O3+67×C_Ce2O3-50×C_SiF4；

其中，Δn_有源为有源区的相对折射率差，C_Yb2O3、C_Al2O3、C_Ce2O3和C_SiF4分别表示有源区中Yb₂O₃、Al₂O₃、Ce₂O₃和SiF₄的掺杂浓度；

无源区沉积的化合物包括Yb₂O₃、Al₂O₃、Ce₂O₃和SiF₄，无源区的相对折射率差与各化合物的掺杂浓度满足以下关系：

Δn_无源×10⁴＝23×C_Al2O3`-50×C<sub>SiF4</sub>`；

其中，Δn_无源为无源区的相对折射率差，C_Al2O3`、C<sub>SiF4</sub>`分别表示无源区中Al₂O₃、SiF₄的掺杂浓度。

6.如权利要求1所述的控制增益掺杂剂分布的大模场光纤，其特征在于，光纤的功率提升受限时的阈值P_th范围为100W～2000W。

7.如权利要求1所述的控制增益掺杂剂分布的大模场光纤，其特征在于，光纤输出激光的光束质量M²因子范围为1.1～2。

8.如权利要求1所述的控制增益掺杂剂分布的大模场光纤，其特征在于，纤芯直径的范围为10～100μm。

9.如权利要求1所述的控制增益掺杂剂分布的大模场光纤，其特征在于，内包层为正八边形，其任意两个相对的边的距离范围为125～1000μm。

10.如权利要求1所述的控制增益掺杂剂分布的大模场光纤，其特征在于，纤芯数值孔径的范围为0.05～0.08。

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