CN113534330A - 一种增益泵浦一体化掺铥光纤及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种增益泵浦一体化掺铥光纤及其制作方法，包括增益单元纤以及沿所述增益单元纤外侧长度方向上平行设置的至少一根泵浦单元纤，所述增益单元纤包括增益单元纤纤芯以及套设在所述增益单元纤纤芯表面的增益单元纤内包层，还包括套设在所述增益单元纤和泵浦单元纤表面的外包层，以及套设在所述外包层表面的涂覆层，本发明能够实现泵浦光随着增益单元纤长度方向一边传输一边侧面沿线耦合进入增益单元纤纤芯，有效解决泵浦光在光纤端面耦合注入时的光纤注入端局部发热量较大，以及泵浦光不易被注入端附近纤芯有效吸收的问题，不仅能够提升泵浦光吸收的纵向均匀性，同时有效减少光纤端面热积聚，有利于2μm光纤激光器系统的热管理。
Description
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，具体提供一种增益泵浦一体化掺铥光纤及其制作方法，能够实现泵浦光沿增益单元纤长度方向侧面沿线耦合进入增益单元纤纤芯，能够提升泵浦光吸收的纵向均匀性，同时有效减少光纤端面热积聚，有利于2μm光纤激光器系统的热管理。
背景技术
掺铥(Tm)光纤可实现2μm波段激光输出，该波段处于人眼安全波段及大气窗口，可被应用于生物医学、大气遥感、聚合物非金属材料加工等；此外，由于掺铥光纤的石英基质材料，容易实现高功率脉冲输出，可作为中红外超连续谱光源、光参量振荡器、中红外拉曼光纤激光器、THz波产生的良好泵浦源。通过790nm附近波段泵浦掺铥离子增益波导，理论上量子效率可达200％，光能转换效率可达80％。
国内2μm波段掺铥光纤的输出功率目前处于百瓦级水平，各家研制的掺铥双包层光纤斜率效率一般在40％～60％不等，且都为传统双包层波导结构，其端面泵浦方式受793nm LD泵源的耦合约束角、端面热效应限制较大，不利于高功率掺铥光纤激光器提升出光功率、转换效率和热管理水平。
增益泵浦一体化光纤，是一种基于倏逝场耦合的光纤，将泵浦光从有源光纤(增益单元纤)侧面的无源光纤(泵浦单元纤)注入，泵浦光在传播过程中逐渐耦合到增益单元纤中去。与常规双包层有源光纤不同的是，增益单元光纤的内包层有一根或多根与之保持光学接触的通常采用纯石英材质的泵浦单元纤。泵浦光首先是被注入到泵浦单元纤中，因此在入射端附近耦合到增益单元纤中的泵浦光较少，所承受的热载荷也较小。
目前国内增益泵浦一体化光纤都是在增益单元纤的纤芯中掺杂稀土元素镱(Yb)，实现1μm波长激光输出，其研制的1μm增益泵浦一体化掺镱光纤可实现数千瓦高功率激光输出。
但国内在2μm光纤激光器领域仍然基于传统的双包层掺铥光纤作为增益介质，存在端面泵浦耦合时光纤端面局部发热量较高、纵向吸收不均匀等问题，将成为制约2μm光纤激光输出功率进一步提升的重要因素之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增益泵浦一体化掺铥光纤，能够实现泵浦光沿增益单元纤长度方向侧面沿线耦合进入增益单元纤纤芯，能够实现2μm波长激光输出，不仅能够提升泵浦光吸收的纵向均匀性，同时能够有效减少光纤端面热积聚，有利于2μm光纤激光器系统的热管理。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种增益泵浦一体化掺铥光纤，其特征在于，包括增益单元纤以及沿所述增益单元纤外侧长度方向上平行设置的至少一根泵浦单元纤5，所述增益单元纤包括增益单元纤纤芯1以及套设在所述增益单元纤纤芯1表面的增益单元纤内包层2，还包括套设在所述增益单元纤和泵浦单元纤5表面的外包层3，以及套设在所述外包层3表面的涂覆层4，用于保护光纤强度；所述增益单元纤纤芯1选自为掺杂石英玻璃材料，掺杂离子为铥；所述增益单元纤纤芯1折射率为n1，所述增益单元纤内包层2折射率为n2，所述外包层3折射率为n3，所述涂覆层4折射率为n4，其中所述增益单元纤纤芯1折射率n1大于所述增益单元纤内包层2折射率n2，所述泵浦单元纤5折射率与所述增益单元纤内包层2折射率n2相同，所述外包层3折射率n3小于所述增益单元纤内包层2折射率n2，所述涂覆层4折射率n4大于所述外包层3折射率n3；所述增益单元纤与至少一根泵浦单元纤5为物理相互紧密贴合而非熔融在一起的平行设置，使用时泵浦光从所述泵浦单元纤5端面注入并在沿着增益泵浦一体化掺铥光纤长度方向上传输的过程中逐步侧向耦合进入所述增益单元纤内包层2，最终被增益单元纤纤芯1吸收转换。
进一步的，所述增益单元纤纤芯1中还共掺杂铝、磷或铈中一种或多种离子。
优选的，所述增益单元纤纤芯1的所述掺杂铥离子的掺杂浓度为5000ppm～20000ppm。
优选的，所述增益单元纤纤芯1的所述掺杂铝离子的掺杂浓度为1000ppm～5000ppm。
优选的，所述增益单元纤纤芯1的所述掺杂磷离子的掺杂浓度为200ppm～1000ppm。
优选的，所述增益单元纤纤芯1的所述掺杂铈离子的掺杂浓度为500ppm～2000ppm。
为实现本发明的目的，本发明还提供一种增益泵浦一体化掺铥光纤的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：沉积增益单元纤纤芯棒；芯棒采用改进的化学气相沉积法，采用高纯合成石英管作为芯棒的沉积管，清洗后在MCVD车床上对上述石英管通过火焰喷灯进行高温抛光；利用高纯氧气为载气将四氯化硅通入上述抛光后的所述石英管沉积包层，并辅以氦气增强石英衬管内热均匀性；在沉积包层的基础上，通过高温气相沉积法沉积稀土元素铥；熔缩上述沉积包层和芯层的石英管并烧结，制成增益单元纤纤芯棒；
步骤二：增益单元纤纤芯棒套管；
根据增益单元纤纤芯和增益单元纤内包层的直径设计比例要求，选择合适壁厚的高纯石英管，在所述增益单元纤纤芯棒外进行套管，将增益单元纤纤芯棒和石英管融缩成一体，得到增益单元纤母棒；
步骤三：增益单元纤母棒冷加工；
将套管后的增益单元纤母棒侧面进行研磨抛光，形成截面几何形状为多边形的母棒；
步骤四：制作泵浦单元纤母棒；
采用折射率与增益单元纤内包层相同的石英棒，夹持在车床上加热均匀拉伸至设计直径，得到泵浦单元纤母棒；
步骤五：增益单元纤母棒与泵浦单元纤母棒接棒；
采用用于增益泵浦一体化光纤预制棒径向定位夹具，该夹具包括双芯V槽夹具和紧固装置，双芯V槽夹具包括夹持段、圆柱形光纤预制棒V槽、多边形光纤预制棒V槽，所述圆柱形光纤预制棒V槽、多边形光纤预制棒V槽分别与所述紧固装置配合夹持光纤预制棒，使所夹持光纤预制棒轴心相对于夹持段轴心对称，所述夹持段用于在制作过程中该夹具和机床主轴的夹持定位；接棒过程中，将夹具的夹持段尾端夹持于MCVD一边的三爪卡盘固定，将上述步骤二制得的增益单元纤母棒和步骤四制得的泵浦单元纤母棒作为被夹持件，分别穿入多边形光纤预制棒V槽、圆柱形光纤预制棒V槽的定位孔内使其平行排列并固定，选择一根直径与增益单元纤母棒和泵浦单元纤母棒接棒后直径之和相匹配的石英棒用作光纤拉丝的石英把手棒，将其一端夹持在MCVD另一边的三爪卡盘上；
移动MCVD三爪卡盘平台，将上述石英把手棒另一端向增益单元纤母棒和泵浦单元纤母棒靠拢，用氢氧焰加热待两根母棒与石英把手棒熔融后，微调MCVD三爪卡盘平台使两者粘接后，移走氢氧焰，冷却至常温，完成增益单元纤母棒和泵浦单元纤母棒接棒；
步骤六：制作增益泵浦一体化掺铥光纤；
将上述步骤五接好石英把手棒的增益单元纤母棒和泵浦单元纤母棒夹持于拉丝机的三爪卡盘上；将上述增益单元纤母棒和泵浦单元纤母棒同时伸入高温拉丝炉，在高温下两者同时熔融拉丝成纤，并穿过拉丝涂覆模具，在拉丝过程中依次涂覆低折射率树脂材料固化形成外包层3以及涂覆层材料固化形成涂覆层4，制成增益泵浦一体化掺铥光纤。
进一步的，所述步骤一中，还包括共掺杂铝、磷或铈中一种或多种离子的沉积步骤，制成增益单元纤纤芯棒。
优选的，所述步骤一的包层沉积步骤中，SiCl4流量为1000mL/min～1800mL/min，沉积温度为1500℃～2000℃，氦气流量为500mL/min～1500mL/min，沉积层数为5层～20层。
优选的，所述步骤一的铥离子沉积步骤中，沉积温度为1600℃～2050℃，沉积层数为1层～10层。
本发明通过在增益单元纤外侧长度方向上平行设置至少一根泵浦单元纤，能够实现泵浦光从增益单元纤长度方向的侧面耦合进入增益单元纤纤芯，使得泵浦光不被局限于传统双包层光纤端面耦合进入光纤，而是随着增益单元纤长度方向一边传输一边侧面沿线耦合进入增益单元纤纤芯，与现有技术相比，本发明的有益效果是：能够实现2μm波长激光输出，能够有效解决泵浦光在光纤端面耦合注入时的光纤注入端局部发热量较大，以及泵浦光不易被注入端附近纤芯有效吸收的问题，不仅能够提升泵浦光吸收的纵向均匀性，同时能够有效减少光纤端面热积聚，有利于2μm光纤激光器系统的热管理。
附图说明
图1是本发明优选实施例中掺铥光纤的横截面示意图；
图2是本发明优选实施例中掺铥光纤的制作方法流程图；
图3是实施例中掺铥光纤的横截面示意图；
图4是实施例中掺铥光纤的泵浦光注入端面的发热分布图；
图5是实施例中掺铥光纤的发热分布图；
图6是比较例中双包层掺铥光纤的泵浦光注入端面的发热分布图；
图7是比较例中双包层掺铥光纤的发热分布图；
附图标记说明：
1：增益单元纤纤芯；2：增益单元纤内包层；3：外包层；4：涂覆层；5：泵浦单元纤。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供的一种增益泵浦一体化掺铥光纤，包括增益单元纤以及沿所述增益单元纤外侧长度方向上平行设置的至少一根泵浦单元纤5，本实施例中为一根泵浦单元纤，所述增益单元纤包括增益单元纤纤芯1以及套设在所述增益单元纤纤芯1表面的增益单元纤内包层2，还包括套设在所述增益单元纤和泵浦单元纤5表面的外包层3，以及套设在所述外包层3表面的涂覆层4，用于保护光纤强度；所述增益单元纤纤芯1优选为位于所述增益单元纤内包层2中心处；
所述增益单元纤纤芯1折射率为n1，所述增益单元纤内包层2折射率为n2，所述外包层3折射率为n3，所述涂覆层4折射率为n4；其中所述增益单元纤纤芯1折射率n1大于所述增益单元纤内包层2折射率n2，所述泵浦单元纤5折射率与所述增益单元纤内包层2折射率n2相同，所述外包层3折射率n3小于所述增益单元纤内包层2折射率n2，从而形成光波导；所述涂覆层4折射率n4大于所述外包层3折射率n3；即，折射率对应关系为n1＞n2＞n3且n4＞n3，n4与n1、n2不限定直接对应关系；
所述增益单元纤内包层2沿径向的端面形状没有特别限定，例如可以为呈圆形、椭圆形、规则多边形、不规则多边形等；优选的，所述增益单元纤内包层2沿径向的端面形状为呈多边形，例如六边形、八边形等；更优选的，所述增益单元纤内包层2沿径向的端面形状为呈等边多边形，例如可以为正方形、等边五边形、等边六边形、等边八边形等，为了提高泵浦光穿过增益单元纤纤芯1，并被增益单元纤纤芯1内掺杂离子吸收转换，所述增益单元纤内包层2沿径向的端面形状更优选为呈等边八边形；对所述泵浦单元纤5沿径向的端面形状没有特别限定，优选为呈圆形、椭圆形、规则多边形、不规则多边形等；
所述增益单元纤纤芯1直径可根据实际需要进行调整，优选为8μm～35μm，纤芯数值孔径NA优选为0.08～0.20；所述增益单元纤纤芯1选自为掺杂石英玻璃材料，掺杂离子优选为铥Tm，起到吸收泵浦光并转换发射出2μm荧光的作用，所述铥Tm离子的掺杂浓度优选为5000ppm～20000ppm；通过在所述增益单元纤纤芯1中共掺杂铝Al、磷P或铈Ce等其他离子，起到调整增益单元纤纤芯1折射率n1的大小、提高铥Tm离子均匀掺杂浓度、降低暗化效应等作用；所述铝Al离子的掺杂浓度优选为1000ppm～5000ppm，用于调整增益单元纤纤芯1折射率n1的大小；所述磷P离子的掺杂浓度优选为200ppm～1000ppm，可提高铥Tm离子的掺杂浓度和掺杂均匀性，同时可降低暗化效应；所述铈Ce离子的掺杂浓度优选为500ppm～2000ppm，起到降低暗化效应的作用；所述增益单元纤内包层2可选自为非掺杂或掺杂石英玻璃材料；所述外包层3选自为折射率小于所述增益单元纤内包层2折射率的低折射率树脂材料，从而抑制增益单元纤内包层2和泵浦单元纤5中的光泄露到所述涂覆层4中，能够提高增益泵浦一体化掺铥光纤抗高功率激光损伤能力；
沿所述增益泵浦一体化掺铥光纤长度方向上，所述增益单元纤与至少一根泵浦单元纤5为物理相互紧密贴合而非熔融在一起的平行设置，起到传输耦合泵浦光的作用；所述泵浦单元纤5直径没有特别限定，可根据所述增益单元纤与所述泵浦单元纤的不同排列方式进行匹配，优选的，所述泵浦单元纤5直径与所述增益单元纤内包层2外径相当；
使用时泵浦光从所述泵浦单元纤5端面注入并在沿着增益泵浦一体化掺铥光纤长度方向上传输的过程中逐步侧向耦合进入所述增益单元纤内包层2，最终被增益单元纤纤芯1吸收转换；
本发明通过在增益单元纤外侧长度方向上平行设置至少一根泵浦单元纤，能够实现泵浦光从增益单元纤长度方向的侧面耦合进入增益单元纤纤芯，使得泵浦光不被局限于传统双包层光纤端面耦合进入光纤，而是随着增益单元纤长度方向一边传输一边侧面沿线耦合进入增益单元纤纤芯，能够有效解决泵浦光在光纤端面耦合注入时的光纤注入端局部发热量较大，以及泵浦光不易被注入端附近纤芯有效吸收的问题，不仅能够提升泵浦光吸收的纵向均匀性，同时能够有效减少光纤端面热积聚，有利于2μm光纤激光器系统的热管理。
本发明还提供一种增益泵浦一体化掺铥光纤的制作方法，如图2所示，包括如下步骤：
步骤一：沉积增益单元纤纤芯棒；芯棒采用MCVD(改进的化学气相沉积法)，采用高纯合成石英管作为芯棒的沉积管，用氢氟酸清洗，在MCVD车床上对上述石英管通过火焰喷灯进行高温抛光，抛光气体优选为六氟化硫SF6，抛光温度优选为1700℃～2100℃，可多次抛光；利用高纯氧气为载气将四氯化硅SiCl4通入上述抛光后的所述石英管沉积包层，并辅以氦气增强石英衬管内热均匀性，SiCl4流量优选为1000
mL/min～1800mL/min，沉积温度优选为1500℃～2000℃，氦气流量优选为500mL/min～1500mL/min，沉积层数优选为5层～20层；
在沉积包层的基础上，通过高温气相沉积法沉积稀土元素铥(Tm)，沉积原料可选为稀土元素的螯合物或高纯氯化物等；采用高纯螯合物时，原料的温度优选为150℃～300℃，采用氯化物时，原料的温度优选为800℃～1200℃；沉积温度优选为1600℃～2050℃，沉积层数优选为1层～10层；熔缩上述沉积包层和芯层的石英管并烧结，制成增益单元纤纤芯棒；
优选的，所述步骤一中，还包括共掺杂铝、磷或铈中一种或多种离子的沉积步骤，沉积原料可选为高纯氯化物、磷氧化物、铈螯合物等，例如氯化铝、三氯氧磷、氯化铈等，制成增益单元纤纤芯棒；
步骤二：增益单元纤纤芯棒套管；
根据增益单元纤纤芯和增益单元纤内包层的直径设计比例要求，选择合适壁厚的高纯石英管，采用车床或立式套管机在所述增益单元纤纤芯棒外进行套管，优选为全合成石英管，在2100℃～2300℃下将增益单元纤纤芯棒和石英管融缩成一体，得到增益单元纤母棒；
步骤三：增益单元纤母棒冷加工；
将套管后的增益单元纤母棒侧面进行研磨抛光，形成截面几何形状为多边形的母棒，对截面形状没有特别限定；
步骤四：制作泵浦单元纤母棒；
采用折射率与增益单元纤内包层相同的石英棒，夹持在车床上加热均匀拉伸至设计直径，加热温度优选为1900℃～2200℃，一般选择拉伸后的石英棒直径与增益单元纤母棒冷加工后的多边形对边尺寸相当，得到泵浦单元纤母棒；
步骤五：增益单元纤母棒与泵浦单元纤母棒接棒；
采用用于增益泵浦一体化光纤预制棒径向定位夹具，该夹具包括双芯V槽夹具和紧固装置，双芯V槽夹具包括夹持段、圆柱形光纤预制棒V槽、多边形光纤预制棒V槽，所述圆柱形光纤预制棒V槽、多边形光纤预制棒V槽分别与所述紧固装置配合夹持光纤预制棒，使所夹持光纤预制棒轴心相对于夹持段轴心对称，所述夹持段用于在制作过程中该夹具和机床主轴的夹持定位；接棒过程中，将夹具的夹持段尾端夹持于MCVD一边的三爪卡盘固定，将上述步骤二制得的增益单元纤母棒和步骤四制得的泵浦单元纤母棒作为被夹持件，分别穿入多边形光纤预制棒V槽、圆柱形光纤预制棒V槽的定位孔内使其平行排列并固定，选择一根直径与增益单元纤母棒和泵浦单元纤母棒接棒直径之和相匹配的石英棒用作光纤拉丝的石英把手棒，将其一端夹持在MCVD另一边的三爪卡盘上；
移动MCVD三爪卡盘平台，将上述石英把手棒另一端向增益单元纤母棒和泵浦单元纤母棒靠拢，用氢氧焰加热，加热温度优选为1900℃
～2300℃，待两根母棒与石英把手棒熔融后，微调MCVD三爪卡盘平台使两者粘接后，移走氢氧焰，冷却至常温，完成增益单元纤母棒和泵浦单元纤母棒接棒；
步骤六：制作增益泵浦一体化掺铥光纤；
将上述步骤五接好石英把手棒的增益单元纤母棒和泵浦单元纤母棒夹持于拉丝机的三爪卡盘上；将上述增益单元纤母棒和泵浦单元纤母棒同时伸入高温拉丝炉，在高温下两者同时熔融拉丝成纤，并穿过拉丝涂覆模具，在拉丝过程中依次涂覆低折射率树脂材料固化形成外包层3以及涂覆层材料固化形成涂覆层4，制成增益泵浦一体化掺铥光纤。
实施例
如图3所示，本实施例提供的增益泵浦一体化掺铥光纤包括一根增益单元纤和一根泵浦单元纤，所述增益单元纤纤芯1为Tm/Al/P共掺体系，其中铥Tm离子的掺杂浓度为18000ppm，铝Al离子的掺杂浓度为3500ppm，磷P离子的掺杂浓度为700ppm，标称芯径为25μm，标称纤芯数值孔径NA为0.1；所述增益单元纤内包层12沿径向的端面形状为呈六边形，材料为纯石英玻璃，其对边尺寸(内切圆直径)标称为250μm；所述泵浦单元纤5沿径向的端面形状为呈圆形，材料为纯石英玻璃，标称芯径为250μm；
步骤一：沉积增益单元纤纤芯棒；芯棒采用MCVD(改进的化学气相沉积)，采用高纯合成石英管作为芯棒的沉积管，壁厚为3mm，采用浓度为20％(wt％)氢氟酸进行清洗；在MCVD车床上对上述石英管通过火焰喷灯进行高温抛光，抛光气体为六氟化硫SF6，抛光温度为1950℃，1次抛光；利用高纯氧气为载气将四氯化硅SiCl4通入上述抛光后的所述石英管沉积包层，SiCl4流量为1200mL/min，沉积温度1900℃，氦气流量为800mL/min，沉积层数为5层；
在沉积包层的基础上，通过高温气相沉积工艺沉积稀土元素Tm的高纯氯化物氯化铥，原料温度为1000℃，沉积温度为1950℃，沉积层数为5层；还包括共掺杂氯化铝、三氯氧磷的沉积步骤，熔缩上述沉积包层和芯层的石英管并烧结，制成增益单元纤纤芯棒；
步骤二：增益单元纤纤芯棒套管；
根据增益单元纤纤芯和增益单元纤内包层的直径设计比例为1：1，选择壁厚为3mm的高纯石英管，采用车床在上述增益单元纤纤芯棒外进行套管，石英管材料为全合成石英管，在2200℃下将增益单元纤纤芯棒和石英管融缩成一体，得到增益单元纤母棒；
步骤三：增益单元纤母棒冷加工；
将套管后的母棒侧面进行研磨抛光，形成截面几何形状为六边形的母棒，所述母棒对边尺寸(内切圆直径)为14mm；
步骤四：制作泵浦单元纤母棒；
采用折射率与增益单元纤内包层相同的全合成高纯石英棒，夹持在车床上加热均匀拉伸至设计直径，加热温度为2150℃，拉伸至石英棒的直径为14mm；
步骤五：增益单元纤母棒与泵浦单元纤母棒接棒；
采用用于增益泵浦一体化光纤预制棒径向定位夹具，将夹具的夹持段尾端夹持于MCVD一边的三爪卡盘固定，将上述步骤二制得的增益单元纤母棒和步骤四制得的泵浦单元纤母棒作为被夹持件，分别穿入六边形光纤预制棒V槽、圆柱形光纤预制棒V槽的定位孔内使其平行排列并固定，选择一根直径为30mm的石英棒用作光纤拉丝的石英把手棒，将其一端夹持在MCVD另一边的三爪卡盘上；
移动MCVD三爪卡盘平台，将上述石英把手棒另一端与增益单元纤母棒和泵浦单元纤母棒靠拢，用氢氧焰加热，加热温度为2200℃，待两根母棒和把手棒熔融后，微调MCVD三爪卡盘平台使两者粘接后，移走氢氧焰，冷却至常温，完成增益单元纤母棒和泵浦单元纤母棒接棒；
步骤六：制作增益泵浦一体化掺铥光纤；
将上述步骤五接好把手棒的增益单元纤母棒和泵浦单元纤母棒夹持于拉丝机的三爪卡盘上；将上述增益单元纤母棒和泵浦单元纤母棒同时伸入高温拉丝炉，在2080℃下将两者同时熔融拉丝成纤，并穿过拉丝涂覆模具，在拉丝过程中依次涂覆低折射率树脂材料固化形成外包层3以及涂覆层材料固化形成涂覆层4，制成增益泵浦一体化掺铥光纤。
本实施例中制作的增益泵浦一体化掺铥光纤经测试，增益单元纤纤芯直径为24.96μm，纤芯数值孔径NA为0.11，增益单元纤内包层沿径向的端面形状为六边形，其内切圆直径为250.3μm，泵浦单元纤沿径向的端面形状为圆形，其直径为250.1μm，外包层直径为641.7μm，涂覆层直径为756.6μm，本实施例中掺铥光纤的发热分布如图4、图5所示，其中图4为本实施例中掺铥光纤的泵浦光注入端面的发热分布图，其泵浦光注入端面的增益单元纤纤芯温度为49.044℃，图5中自左向右沿光纤长度方向为泵浦光、激光的纵向传输方向。
比较例
采用如实施例所述步骤制成的增益单元纤母棒，制作常规双包层结构掺铥光纤，本比较例中制作的常规双包层掺铥光纤经测试，增益单元纤纤芯直径为24.91μm，纤芯数值孔径NA为0.11，内包层沿径向的端面形状为六边形，其内切圆直径为249.8μm，外包层直径为337.6μm，涂覆层直径为395.8μm，本比较例中掺铥光纤的发热分布图如图6、图7所示，其中图6为本比较例中掺铥光纤的泵浦光注入端面的发热分布图，其泵浦光注入端面的增益单元纤纤芯温度为67.731℃，图7中自左向右沿光纤长度方向为泵浦光、激光的传输方向。
对比图4与图6、图5与图7可以看出，比较例中掺铥光纤的泵浦光注入端面的增益单元纤纤芯温度67.731℃，显著高于实施例中掺铥光纤的泵浦光注入端面的增益单元纤的纤芯温度49.044℃，并且实施例中光纤纵向的温度分布梯度相较于比较例中明显平缓，说明实施例能够有效减少泵浦光在光纤端面耦合注入时光纤端面热积聚，采用实施例制作的掺铥光纤激光器将更有利于2μm光纤激光器系统的热管理。
本发明通过在增益单元纤外侧长度方向上平行设置至少一根泵浦单元纤，能够实现泵浦光从增益单元纤长度方向的侧面耦合进入增益单元纤纤芯，使得泵浦光不被局限于传统双包层光纤端面耦合进入光纤，而是随着增益单元纤长度方向一边传输一边侧面沿线耦合进入增益单元纤纤芯，能够有效解决泵浦光在光纤端面耦合注入时的光纤注入端局部发热量较大，以及泵浦光不易被注入端附近纤芯有效吸收的问题，不仅能够提升泵浦光吸收的纵向均匀性，同时能够有效减少光纤端面热积聚，有利于2μm光纤激光器系统的热管理。
Claims (10)
1.一种增益泵浦一体化掺铥光纤，其特征在于，包括增益单元纤以及沿所述增益单元纤外侧长度方向上平行设置的至少一根泵浦单元纤(5)，所述增益单元纤包括增益单元纤纤芯(1)以及套设在所述增益单元纤纤芯(1)表面的增益单元纤内包层(2)，还包括套设在所述增益单元纤和泵浦单元纤(5)表面的外包层(3)，以及套设在所述外包层(3)表面的涂覆层(4)，用于保护光纤强度；所述增益单元纤纤芯(1)选自为掺杂石英玻璃材料，掺杂离子为铥；所述增益单元纤纤芯(1)折射率为n1，所述增益单元纤内包层(2)折射率为n2，所述外包层(3)折射率为n3，所述涂覆层(4)折射率为n4，其中所述增益单元纤纤芯(1)折射率n1大于所述增益单元纤内包层(2)折射率n2，所述泵浦单元纤(5)折射率与所述增益单元纤内包层(2)折射率n2相同，所述外包层(3)折射率n3小于所述增益单元纤内包层(2)折射率n2，所述涂覆层(4)折射率n4大于所述外包层(3)折射率n3；所述增益单元纤与至少一根泵浦单元纤(5)为物理相互紧密贴合而非熔融在一起的平行设置，使用时泵浦光从所述泵浦单元纤(5)端面注入并在沿着增益泵浦一体化掺铥光纤长度方向上传输的过程中逐步侧向耦合进入所述增益单元纤内包层(2)，最终被增益单元纤纤芯(1)吸收转换。
2.根据权利要求1所述的一种增益泵浦一体化掺铥光纤，其特征在于，所述增益单元纤纤芯(1)中还共掺杂铝、磷或铈中一种或多种离子。
3.根据权利要求1或2所述的一种增益泵浦一体化掺铥光纤，其特征在于，所述增益单元纤纤芯(1)的所述掺杂铥离子的掺杂浓度为5000ppm～20000ppm。
4.根据权利要求2所述的一种增益泵浦一体化掺铥光纤，其特征在于，所述增益单元纤纤芯(1)的所述掺杂铝离子的掺杂浓度为1000ppm～5000ppm。
5.根据权利要求2所述的一种增益泵浦一体化掺铥光纤，其特征在于，所述增益单元纤纤芯(1)的所述掺杂磷离子的掺杂浓度为200ppm～1000ppm。
6.根据权利要求2所述的一种增益泵浦一体化掺铥光纤，其特征在于，所述增益单元纤纤芯(1)的所述掺杂铈离子的掺杂浓度为500ppm～2000ppm。
7.一种如权利要求1所述的增益泵浦一体化掺铥光纤的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：沉积增益单元纤纤芯棒；芯棒采用改进的化学气相沉积法，采用高纯合成石英管作为芯棒的沉积管，清洗后在MCVD车床上对上述石英管通过火焰喷灯进行高温抛光；利用高纯氧气为载气将四氯化硅通入上述抛光后的所述石英管沉积包层，并辅以氦气增强石英衬管内热均匀性；在沉积包层的基础上，通过高温气相沉积法沉积稀土元素铥；熔缩上述沉积包层和芯层的石英管并烧结，制成增益单元纤纤芯棒；
步骤二：增益单元纤纤芯棒套管；
根据增益单元纤纤芯和增益单元纤内包层的直径设计比例要求，选择合适壁厚的高纯石英管，在所述增益单元纤纤芯棒外进行套管，将增益单元纤纤芯棒和石英管融缩成一体，得到增益单元纤母棒；
步骤三：增益单元纤母棒冷加工；
将套管后的增益单元纤母棒侧面进行研磨抛光，形成截面几何形状为多边形的母棒；
步骤四：制作泵浦单元纤母棒；
采用折射率与增益单元纤内包层相同的石英棒，夹持在车床上加热均匀拉伸至设计直径，得到泵浦单元纤母棒；
步骤五：增益单元纤母棒与泵浦单元纤母棒接棒；
采用用于增益泵浦一体化光纤预制棒径向定位夹具，该夹具包括双芯V槽夹具和紧固装置，双芯V槽夹具包括夹持段、圆柱形光纤预制棒V槽、多边形光纤预制棒V槽，所述圆柱形光纤预制棒V槽、多边形光纤预制棒V槽分别与所述紧固装置配合夹持光纤预制棒，使所夹持光纤预制棒轴心相对于夹持段轴心对称，所述夹持段用于在制作过程中该夹具和机床主轴的夹持定位；接棒过程中，将夹具的夹持段尾端夹持于MCVD一边的三爪卡盘固定，将上述步骤二制得的增益单元纤母棒和步骤四制得的泵浦单元纤母棒作为被夹持件，分别穿入多边形光纤预制棒V槽、圆柱形光纤预制棒V槽的定位孔内使其平行排列并固定，选择一根直径与增益单元纤母棒和泵浦单元纤母棒接棒后直径之和相匹配的石英棒用作光纤拉丝的石英把手棒，将其一端夹持在MCVD另一边的三爪卡盘上；
移动MCVD三爪卡盘平台，将上述石英把手棒另一端向增益单元纤母棒和泵浦单元纤母棒靠拢，用氢氧焰加热待两根母棒与石英把手棒熔融后，微调MCVD三爪卡盘平台使两者粘接后，移走氢氧焰，冷却至常温，完成增益单元纤母棒和泵浦单元纤母棒接棒；
步骤六：制作增益泵浦一体化掺铥光纤；
将上述步骤五接好石英把手棒的增益单元纤母棒和泵浦单元纤母棒夹持于拉丝机的三爪卡盘上；将上述增益单元纤母棒和泵浦单元纤母棒同时伸入高温拉丝炉，在高温下两者同时熔融拉丝成纤，并穿过拉丝涂覆模具，在拉丝过程中依次涂覆低折射率树脂材料固化形成外包层(3)以及涂覆层材料固化形成涂覆层(4)，制成增益泵浦一体化掺铥光纤。
8.根据权利要求7所述的增益泵浦一体化掺铥光纤的制作方法，其特征在于，所述步骤一中，还包括共掺杂铝、磷或铈中一种或多种离子的沉积步骤，制成增益单元纤纤芯棒。
9.根据权利要求7或8所述的增益泵浦一体化掺铥光纤的制作方法，其特征在于，所述步骤一的包层沉积步骤中，SiCl4流量为1000mL/min～1800mL/min，沉积温度为1500℃～2000℃，氦气流量为500mL/min～1500mL/min，沉积层数为5层～20层。
10.根据权利要求7或8所述的增益泵浦一体化掺铥光纤的制作方法，其特征在于，所述步骤一的铥离子沉积步骤中，沉积温度为1600℃～2050℃，沉积层数为1层～10层。
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