CN114400492A - 一种有源光纤及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤光缆技术领域，具体为一种有源光纤及其制作方法，所述有源光纤的结构由内到外依次为纤芯、内包层、外包层、涂覆层，所述纤芯的结构由内到外依次为内芯子、外芯子，所述内芯子、外芯子的横截面形状为正多边形。本发明纤芯1掺杂稀土离子掺杂，成为增益介质，光纤采用正方形芯子和特殊折射率分布光纤，使得纤芯1中的激光能量分布平坦化，并且光纤具有较高的光束质量，正多面体的内包层2结构提高了泵浦光的吸收效率。本发明解决能量在纤芯1中均化，并且具有较高束质量等问题。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光缆技术领域，具体为一种有源光纤及其制作方法。
背景技术
光纤激光器产生的激光通常在光纤中传输时呈高斯分布模式，中心能量高，边缘能量低。这种模式容易造成纤芯局部损伤而降低了传输功率。用于部分激光加工时，为了提高加工质量需要输出能量均匀分布的光斑。光纤激光器的增益介质为掺杂稀土元素的有源光纤。为了实现这种激光能量分布，专利CN200410024873.2提出了一种光束整形光纤，光纤采用了多边形的芯子来实现光束整形从而达到平顶的模式分布，光纤的结构为双芯子结构，且内纤芯的折射率低于外纤芯，该专利提出的光纤的内包层为多边形，外包层为圆形。该专利中的光纤是不掺杂稀土离子的光纤。《激光技术》2009年第5期中报道了一种实现平顶单模的稀土离子掺杂光纤，采用了凹陷芯子的结构，纤芯直径为圆形，输出圆形光斑。专利CN201710776168.5提出了一种实现高斯光束整形为一维平顶光束的光纤。光纤的结构及整形后的光斑如图1所示。该发明中光纤纤芯形状为矩形、正方形、六角形、八角形，以使高斯光束充分激发产生高阶模，各高阶模叠加后形成平顶光，达到光束匀化整形目的。专利中多边形的对角线为20μm-800μm，包层直径为100μm-1700μm，光纤涂覆层直径为200μm-1700μm，光纤数值孔径为0.12或0.22或0.28。该发明的光纤为多模，输出激光的光束质量较差，能量密度降低，在相同的功率下降低了激光加工设备对材料的切割速度、切割厚度等加工性能。
发明内容
本发明针对上述背景技术的不足，提出一种新结构的稀土离子掺杂光纤及其制作方法，该光纤能够实现激光能量在纤芯中均化，输出方形光斑，并且具有较高束质量和较高的泵浦激光耦合效率。
本发明为提高其具体内容为：
一种有源光纤，所述有源光纤的结构由内到外依次为纤芯(1)、内包层(2)、外包层(3)、涂覆层(4)，所述纤芯(1)的结构由内到外依次为内芯子(11)、外芯子(12)，所述内芯子(11)、外芯子(12)的横截面形状为正多边形。
进一步地，所述内芯子(11)、外芯子(12)掺杂稀土元素为Yb、Tm、Er、Ho或几种稀土元素的组合。
进一步地，所述内芯子(11)、外芯子(12)的横截面形状为正方形。
一种有源光纤的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：制作光纤预制棒；
步骤2：将上述步骤制作的光纤预制棒通过磨削和抛光制作成正四面体或其他多面体的预制棒，经过表面清洗后进行热处理；
步骤3：将光纤预制棒放置在高温电阻炉中进行拉伸热处理；
步骤4：在车床上或立式套管机上，在预制棒上套高纯石英管；
步骤5：将套管后的预制棒进行冷加工，加工成正多边形的预制棒，形成外部为正多面体，纤芯为多面体的预制棒；
步骤6：将上述步骤制作的光纤预制棒接把手棒并进行火焰抛光；
步骤7：将预制棒在高温下熔融拉丝成纤，在拉丝过程中涂覆低折射率树脂形成外包层(4)，涂覆紫外固化的丙烯酸树脂形成涂覆层。
进一步地，步骤一还包括，预制棒的制作采用MCVD(改进的化学气相沉积)，并采用高纯合成石英管作为预制棒的沉积管，在MCVD车床上对衬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抛光后的所述衬管沉积包层，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，沉积原料为稀土螯合物或者是高纯氯化物，最终将沉积的石英管熔缩并烧结成光纤预制棒。
本发明的有益效果在于：
本发明纤芯1掺杂稀土离子掺杂，成为增益介质，光纤采用正方形芯子和特殊折射率分布光纤，使得纤芯1中的激光能量分布平坦化，并且光纤具有较高的光束质量，正多面体的内包层2结构提高了泵浦光的吸收效率。本发明解决能量在纤芯1中均化，并且具有较高束质量等问题。
附图说明
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。
图1为中国专利CN201710776168.5中提出的光纤结构；
图2为本发明的光纤结构示意图；
图3为本发明的折射率变化的示意图；
图4为本发明的光纤结构的实施效果图；
图5为本发明的光纤结构的实施效果图。
附图标记说明：
1、纤芯；11、内芯子；12、外芯子；13、内切圆；2、内包层；3、外包层；4、涂覆层。
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。
本发明的光纤结构见图2所示。在图2中，光纤结构从内到外依次为纤芯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，形成光波导，纤芯1分为内芯子11和外芯子12两部分，内芯子11和外芯子12的形状均为正多边形，如正方形、正五边形、正六边形、正八边形等，优选为正方形，通过正方芯子实现方形输出光斑，纤芯1中的内外芯均掺杂稀土离子，掺杂稀土元素为Yb、Tm、Er、Ho或几种稀土元素的组合。外芯子内包层形状为正多边形，提高泵浦吸收效率，如正方形、正五边形、正六边形、正八边形等，优选为正八边形。外包层3的折射率低于内包层2，抑制内包层2中的光泄露到涂覆层中，提高光纤抗高功率激光损伤能力。外包层3外有涂覆层4起到保护光纤强度的作用，为了提高光纤的耐高功率，涂覆层采用耐高温涂层材料。
在图3中，所述纤芯1的内芯子11和外芯子12折射率分别为n11和n12，内包层2的折射率为n2，外包层3的折射率为n3，涂覆层4的折射率为n4。对应关系为n4＞n12＞n11＞n2＞n3；n11和n12的差值为-0.0003～-0.0015，n11和n2的差值为0.0002～0.002，n2和n3的差值为0.005～0.082。纤芯的外芯子12的内切圆13的直径为10μm～60μm，内芯子的壁厚为1μm～5μm；内包层内切圆的直径为60μm～1000μm；外包层壁厚为5μm～100μm；涂覆层外径为120μm～1400μm。
本发明中光纤的制作方法包括以下步骤：
(1)预制棒制作
预制棒采用MCVD(改进的化学气相沉积)。
步骤1：采用高纯合成石英管作为预制棒的沉积管，壁厚为2mm～3mm，经过氢氟酸清洗；
步骤2：在MCVD车床上对所述衬管通过火焰喷灯进行高温抛光，抛光气体优选六氟化硫(SF6)，抛光温度1700℃～2100℃，抛光次数1次；
步骤3：利用高纯氧气为载气将四氯化硅通入步骤2抛光后的所述衬管沉积包层，SiCl4流量为1000～1800ml/min，沉积温度1500～2000℃，氦气流量为500～1500ml/min，沉积层数1～5层；
步骤4：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，沉积原料为稀土螯合物或者是高纯氯化物。采用高纯螯合物物时，原料的温度为150℃-300℃，采用氯化物时，原料的温度为800℃-1200℃。沉积温度1600～2050℃，沉积层数5～20层；
步骤5：将沉积了所述包层和芯层的石英管熔缩并烧结成光纤预制棒。
(2)预制棒加工
步骤6：将上述步骤制作的光纤预制棒通过磨削和抛光制作成正四面体或其他多面体的预制棒，经过表面清洗后进行热处理；
步骤7：将预制棒放置在高温电阻炉中进行拉伸热处理，由于外形为多边形，在高温过程中外部成为圆形，原来的纤芯由圆形边形为多边形，形成纤芯为多边形，内包层为圆形的结构形成外径为圆形，热处理温度为2030℃-2200℃。
(3)对预制棒套管和冷加工
步骤8：在车床上或立式套管机上，在上述的预制棒上套高纯石英管，优选全合成石英管；
步骤9：将套管后的预制棒进行冷加工，加工成正多边形的预制棒，形成外部为正多面体，纤芯为多面体的预制棒。
(4)光纤拉丝
步骤10：将上述步骤9的制作的光纤预制棒接把手棒并进行火焰抛光；
步骤11：将完成步骤10的预制棒在高温下熔融拉丝成纤，在拉丝过程中涂覆低折射率树脂形成外包层，涂覆紫外固化的丙烯酸树脂形成涂覆层。形成如图2所示的掺杂有源光纤。
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。
实施列一：
本实施例为本专利的最佳实施例：
光纤的纤芯外芯子和内芯子的形状设计均为正方形。纤芯外芯内切圆的直径为30μm，光纤内包层形状为正八面体，内包层2内切圆直径为400μm，芯子设计的数值孔径标称值为0.065。
(1)预制棒制作
预制棒采用MCVD工艺制作。
步骤1：采用高纯合成石英管作为预制棒的沉积管，壁厚为2.0mm，经过氢氟酸清洗；
步骤2：在MCVD车床上对所述衬管通过火焰喷灯进行高温抛光，抛光气体优选六氟化硫(SF6)，抛光温度1950℃，抛光次数1次；
步骤3：利用高纯氧气为载气将四氯化硅通入步骤2抛光后的所述衬管沉积外包层，SiCl4流量为1200ml/min，沉积温度1900℃，氦气流量为500～1500ml/min，沉积层数3层；
步骤4：采用镱螯合物作为稀土原材料，原料温度200℃-300℃，沉积温度1980℃，沉积层数6层；
步骤5：将沉积了所述包层和芯层的石英管熔缩并烧结成光纤预制棒；
(2)预制棒加工
步骤6：采用机械磨削工艺将预制棒加工成正四面体的预制棒，表面采用酸洗和去子水清洗。
步骤7：将预制棒放置在高温电阻炉中进行热处理，形成外部为圆形，纤芯为正方形的预制棒。热处理温度为2100℃。
(3)对预制棒套管和冷加工
步骤8：在水平车床上，利用氢氧焰作为热源在预制棒上套高纯石英管；
步骤9：将套管后的预制棒进行机械磨削冷加工，加工成正八边形的预制棒，形成外部为正八面体，纤芯为正四面体的预制棒。
(4)光纤拉丝
步骤10：将上述步骤9的制作的光纤预制棒接把手棒并进行火焰抛光；
步骤11，将完成步骤10的预制棒在高温下熔融拉丝成纤，拉丝温度为2000℃-2100℃，保持内包层的内包层的正八面体形状。在拉丝过程中涂覆低折射率树脂形成外包层，涂覆紫外固化的耐高温丙烯酸树脂形成涂覆层。
制作的光纤经测试，纤芯端面形状为正方形，数值孔径为0.066，外纤芯内切圆的直径30μm，内包层直径为399.2μm。该光纤接入1080nm种子光为300W的光纤放大器中，放大输出1500W的激光，泵浦光为975nm，光光效率83％，采用CCD测试光纤激光输出，光纤芯子中的能量分布平坦，光斑为方形，测试光纤的M2，为1.8。制作的光纤输出的激光光斑见图4、图5所示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种有源光纤，其特征在于：所述有源光纤的结构由内到外依次为纤芯(1)、内包层(2)、外包层(3)、涂覆层(4)，所述纤芯(1)的结构由内到外依次为内芯子(11)、外芯子(12)，所述内芯子(11)、外芯子(12)的横截面形状为正多边形。
2.根据权利要求1所述的一种有源光纤，其特征在于：所述内芯子(11)、外芯子(12)掺杂稀土元素为Yb、Tm、Er、Ho或几种稀土元素的组合。
3.根据权利要求1所述的一种有源光纤，其特征在于：所述内芯子(11)、外芯子(12)的横截面形状为正方形。
4.一种有源光纤的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：制作光纤预制棒；
步骤2：将上述步骤制作的光纤预制棒通过磨削和抛光制作成正四面体或其他多面体的预制棒，经过表面清洗后进行热处理；
步骤3：将光纤预制棒放置在高温电阻炉中进行拉伸热处理；
步骤4：在车床上或立式套管机上，在预制棒上套高纯石英管；
步骤5：将套管后的预制棒进行冷加工，加工成正多边形的预制棒，形成外部为正多面体，纤芯为多面体的预制棒；
步骤6：将上述步骤制作的光纤预制棒接把手棒并进行火焰抛光；
步骤7：将预制棒在高温下熔融拉丝成纤，在拉丝过程中涂覆低折射率树脂形成外包层(4)，涂覆紫外固化的丙烯酸树脂形成涂覆层。
5.根据权利要求4所述的一种有源光纤的制作方法，其特征在于：步骤一还包括，预制棒的制作采用MCVD(改进的化学气相沉积)，并采用高纯合成石英管作为预制棒的沉积管，在MCVD车床上对衬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抛光后的所述衬管沉积包层，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，沉积原料为稀土螯合物或者是高纯氯化物，最终将沉积的石英管熔缩并烧结成光纤预制棒。
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