CN115182035A - 一种基于电场离子加速的单模晶体增益光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电场离子加速的单模晶体增益光纤及其制备方法，主要涉及结构与功能纤维材料领域。包括通过离子加速将稀土离子注入至无掺杂半柱体晶体明胶中，通过控制扩散参数，在横截面为半圆形的半柱体明胶扩散区中，营造掺杂均匀的横截面为半圆形的柱状离子掺杂区，两区域的截面共轴。无缝连接两个半柱体，形成芯层掺杂，包层无掺杂的明胶柱体，使用短瑞利长度的激光与长瑞利长度的激光烧结光纤芯层与包层，最终制备得到单模单晶光纤。本发明的有益效果在于：解决了包层与纤芯分离制备过程中的材料结合、缺陷抑制等难题，从而提升光纤质量，降低光纤缺陷，实现高性能单晶光纤制备，满足高功率激光器应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及结构与功能纤维材料领域，具体是一种基于电场离子加速的单模晶体增益光纤及其制备方法。
背景技术
由于光纤具有较高的比表面积，与环境的热传递效率较高，基于光纤增益材料的激光器已成为高功率激光的重要技术手段之一，目前光纤连续激光可实现万瓦级的输出，光纤超快激光可实现千瓦级的输出。同时输出功率水平为目前光纤激光器的输出上限，进一步提升输出功率受限于光纤材料的低热导率。低热导率光纤无法及时有效的实现热传导，以易引起热透镜效应与热至横模不稳定效应。热透镜效应会引起光束的聚焦，进而导致材料的强电离过程，损耗整个光纤激光系统。热至横模不稳定，会导致光纤激光系统中的光能量在基膜与高阶模中演化，影响输出激光光束质量。同时，热效应可以通过加长增益光纤长度得到改善，但在高功率运转条件下，过长的光纤长度会进一步加剧受激拉曼散射和受激布里渊散射等非线性效应，从而在一定程度上限制了输出功率的进一步提高。
为进一步提高激光器输出功率，最行之有效的方式就是寻找新型高热导率材料，基于晶体的单晶光纤为光纤激光增益材料的重要方向，单晶光纤具有高热导率和高热交换率，同时具有更好热性能、更小布里渊散射系数、更高损伤阈值和受激拉曼散射阈值、受激布里渊散射阈值等优点，因此，制备基于晶体的高热导率单晶光纤，打破传统增益光纤限制，是实现更高功率激光输出的重要途径。
目前，单晶光纤的制备仍是限制单晶光纤发展的难题。然而，目前单晶光纤的制备主要通过制备掺杂的晶体长纤，在通过涂覆法、溶胶－凝胶法、磁控溅射法、液相外延（LPE）法等方法制备光纤包层。Shasta公司尝试用溶胶－凝胶法为单晶光纤制备YAG包层，并根据YAG凝胶的粘稠度控制单晶光纤通过凝胶的速度，使凝胶均匀附着在单晶光纤表面，但是所制备出的包层出现了断裂现象；Chien-Chih课题组等人利用溶液涂覆法在Ti:Al2O3单晶光纤表面制备晶态Al2O3包层，其成本较低，制备工艺简单，但是包层内部极易生成气孔等缺陷，致密性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电场离子加速的单模晶体增益光纤及其制备方法，它解决了包层与纤芯分离制备过程中的材料结合、缺陷抑制等难题，从而提升光纤质量，降低光纤缺陷，实现高性能单晶光纤制备，满足高功率激光器应用需求。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种基于电场离子加速的单模晶体增益光纤，通过以下步骤制得：
步骤1，空间构型
准备两个分别具有直径120±10μm半圆形型腔的夹具a和夹具b，以无气泡，且压力释放充分的明胶作为基底材料，分别注入夹具a和夹具b的型腔内，得到明胶晶体a和明胶晶体b；
步骤2，离子加速
将稀土通过均匀的高压电场进行加速
步骤3，离子注入
分别调整明胶晶体a和明胶晶体b的空间状态，使经过步骤2加速的离子束垂直入射至半圆形型腔的中心位置，注入端面的离子束分布在10μm范围内并呈现高斯分布，离子束注入深度为5±2μm，在半圆形明胶晶体中心得到直径约为5μm同轴半圆形掺杂区，并得到掺杂明胶a和掺杂明胶b；
步骤4，单模晶体光纤前驱体制备
将半圆形的掺杂明胶a和掺杂明胶b贴合，得到圆形的前驱体；
步骤5，单模晶体烧结
在前驱体晶体明胶引力牵引过程，首先使用短焦距透镜聚焦激光，获得瑞利长度为12μm的高能量激光光斑，直接烧结内部掺杂区域，其次使用长焦距透镜，获得瑞利长度为80微米的激光光场，烧结无掺杂区域，即得。
进一步的，所述步骤2中，将稀土通过均匀的高压电场进行加速包括：
电场构建，使用两块长条形平板电极，构造近均匀电场，施加电场电压为150±20kV；
离子加速，待注入稀土经过电离，筛选，经过狭缝以恒定矢量速度进入加速电场，在电场的作用下，最终以恒定矢量速度离开电场并获得动能。
进一步的，所述步骤3中，通过改变电场与狭缝参数，离子注入区为近圆形，将狭缝尺寸固定位2μm，并在正负50%范围内调节，使得到达注入端面的离子束分布在10μm范围内，并呈现高斯分布，通过在正负5%范围内调节电场电压差，使得注入深度为5±2μm。
进一步的，所述步骤5中，烧结过程中，引力以均匀速度前移，且烧结前驱体以均匀速度旋转。
上述的制备方法，同样作为本发明申请的另一个方面。
对比现有技术，本发明的有益效果在于：
1.本发明使用离子注入法，直接生成芯层包层前驱体，并同步烧结，有效避免了现有方法难以制备晶体包层的缺陷。
2. 本发明使用离子注入法，通过改变制备过程的参数，可直接制备单模光纤，多模光纤。
附图说明
图1是本发明的离子注入过程的原理图。
图2是本发明的激光烧结过程中的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。
实施例：一种基于电场离子加速的单模晶体增益光纤的制备方法
（1）注入基底的物质形态与空间构型
准备夹具，所使用的离子注入的夹具为两块，均具有直径为120±10μm的半圆形截面的型腔，为了便于描述分别定义为夹具a和夹具b；
准备基底材料，所述基底材料为处理好的无气泡、压力释放充分的明胶态无掺杂晶体。
空间构型，将晶体明胶的基底材料注入到夹具a和夹具b的型腔内，直至完全填充夹具a和夹具b的型腔，得到明胶晶体a和明胶晶体b。
（2）离子加速
离子加速过程采用高压电场方式加速离子，其加速方式为均匀电场加速。具体方法土下：
电场构建，使用两块长条形平板电极，构造近均匀电场，施加电场电压为150±20kV。
离子加速，待注入稀土经过电离，筛选，经过狭缝以恒定矢量速度进入加速电场，在电场的作用下，最终以恒定矢量速度离开电场并获得动能。
（3）离子注入
调整装有光学明胶基底材料的半圆形型腔空间状态，使得细条形离子束垂直入射至半圆形型腔的中心位置。
将狭缝尺寸固定位2μm，并在正负50%范围内调节，使得到达注入端面的离子束分布在10μm范围内，并呈现高斯分布，通过在正负5%范围内调节电场电压差，使得注入深度为5±2μm。最终在半圆形明胶中制备得到直径约为5μm同轴半圆形掺杂区。
对夹具a和夹具b分别进行上述操作后，将明胶晶体a和明胶晶体b的中央区域分别获得掺杂区，即结构相似的掺杂明胶a和掺杂明胶b。
（4）单模晶体光纤前驱体制备
将半圆形的掺杂明胶a和掺杂明胶b贴合，得到圆柱形的前驱体。
（5）单模晶体烧结
单模晶体烧结采用两步方法；
在前驱体晶体明胶引力牵引过程，首先使用短焦距透镜聚焦激光，获得瑞利长度为12μm的高能量激光光斑，直接烧结内部掺杂区域，其次使用长焦距透镜，获得瑞利长度为80微米的激光光场，烧结无掺杂区域。
烧结过程中，引力以均匀速度前移，且烧结前驱体以均匀速度旋转。
对比例1
对相同条件下，采用直接烧结方式制备的无掺杂单晶光纤与离子注入后的单晶光纤的传输损耗进行了测试，并形成了对比如表1所示。
表1：传输损耗测试
| 直接烧结光纤 | 离子注入光纤 | |
| 1 | 0.75dB/m | 0.8dB/m |
| 2 | 0.63dB/m | 0.66dB/m |
| 3 | 0.55dB/m | 0.62dB/m |
| 4 | 0.53dB/m | 0.62dB/m |
| 5 | 0.51dB/m | 0.58dB/m |
对比例2
对未进行离子注入的光纤与离子注入的光纤进行了传播模式测试，如表2所示。
表2：光纤传播模式测试
| 序号 | 直接烧结光纤 | 离子注入光纤 |
| 1 | 2 | 2 |
| 2 | 2 | 2 |
| 3 | 2 | 2 |
| 4 | 1 | 1 |
| 5 | 1 | 1 |
Claims (8)
1.一种基于电场离子加速的单模晶体增益光纤，其特征在于，通过以下步骤制得：
步骤1，空间构型
准备两个分别具有直径120±10μm半圆形型腔的夹具a和夹具b，以无气泡，且压力释放充分的明胶作为基底材料，分别注入夹具a和夹具b的型腔内，得到明胶晶体a和明胶晶体b；
步骤2，离子加速
将稀土通过均匀的高压电场进行加速
步骤3，离子注入
分别调整明胶晶体a和明胶晶体b的空间状态，使经过步骤2加速的离子束垂直入射至半圆形型腔的中心位置，注入端面的离子束分布在10μm范围内并呈现高斯分布，离子束注入深度为5±2μm，在半圆形明胶晶体中心得到直径约为5μm同轴半圆形掺杂区，并得到掺杂明胶a和掺杂明胶b；
步骤4，单模晶体光纤前驱体制备
将半圆形的掺杂明胶a和掺杂明胶b贴合，得到圆形的前驱体；
步骤5，单模晶体烧结
在前驱体晶体明胶引力牵引过程，首先使用短焦距透镜聚焦激光，获得瑞利长度为12μm的高能量激光光斑，直接烧结内部掺杂区域，其次使用长焦距透镜，获得瑞利长度为80微米的激光光场，烧结无掺杂区域，即得。
2.根据权利要求1所述一种基于电场离子加速的单模晶体增益光纤，其特征在于，所述步骤2中，将稀土通过均匀的高压电场进行加速包括：
电场构建，使用两块长条形平板电极，构造近均匀电场，施加电场电压为150±20kV；
离子加速，待注入稀土经过电离，筛选，经过狭缝以恒定矢量速度进入加速电场，在电场的作用下，最终以恒定矢量速度离开电场并获得动能。
3.根据权利要求1所述一种基于电场离子加速的单模晶体增益光纤，其特征在于，所述步骤3中，通过改变电场与狭缝参数，离子注入区为近圆形，将狭缝尺寸固定位2μm，并在正负50%范围内调节，使得到达注入端面的离子束分布在10μm范围内，并呈现高斯分布，通过在正负5%范围内调节电场电压差，使得注入深度为5±2μm。
4.根据权利要求1所述一种基于电场离子加速的单模晶体增益光纤，其特征在于，所述步骤5中，烧结过程中，引力以均匀速度前移，且烧结前驱体以均匀速度旋转。
5.一种基于电场离子加速的单模晶体增益光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，空间构型
准备两个分别具有直径120±10μm半圆形型腔的夹具a和夹具b，以无气泡，且压力释放充分的明胶作为基底材料，分别注入夹具a和夹具b的型腔内，得到明胶晶体a和明胶晶体b；
步骤2，离子加速
将稀土通过均匀的高压电场进行加速
步骤3，离子注入
分别调整明胶晶体a和明胶晶体b的空间状态，使经过步骤2加速的离子束垂直入射至半圆形型腔的中心位置，注入端面的离子束分布在10μm范围内并呈现高斯分布，离子束注入深度为5±2μm，在半圆形明胶晶体中心得到直径约为5μm同轴半圆形掺杂区，并得到掺杂明胶a和掺杂明胶b；
步骤4，单模晶体光纤前驱体制备
将半圆形的掺杂明胶a和掺杂明胶b贴合，得到圆形的前驱体；
步骤5，单模晶体烧结
在前驱体晶体明胶引力牵引过程，首先使用短焦距透镜聚焦激光，获得瑞利长度为12μm的高能量激光光斑，直接烧结内部掺杂区域，其次使用长焦距透镜，获得瑞利长度为80微米的激光光场，烧结无掺杂区域，即得。
6.根据权利要求5所述一种基于电场离子加速的单模晶体增益光纤的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，将稀土通过均匀的高压电场进行加速包括：
电场构建，使用两块长条形平板电极，构造近均匀电场，施加电场电压为150±20kV；
离子加速，待注入稀土经过电离，筛选，经过狭缝以恒定矢量速度进入加速电场，在电场的作用下，最终以恒定矢量速度离开电场并获得动能。
7.根据权利要求5所述一种基于电场离子加速的单模晶体增益光纤的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，通过改变电场与狭缝参数，离子注入区为近圆形，将狭缝尺寸固定位2μm，并在正负50%范围内调节，使得到达注入端面的离子束分布在10μm范围内，并呈现高斯分布，通过在正负5%范围内调节电场电压差，使得注入深度为5±2μm。
8.根据权利要求5所述一种基于电场离子加速的单模晶体增益光纤的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，烧结过程中，引力以均匀速度前移，且烧结前驱体以均匀速度旋转。
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