CN115611508B - 用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤及其制备方法，该光纤的纤芯包括中心区和外环区；中心区为低损耗、低热导率的稀土掺杂石英玻璃，外环区为高损耗、高热导率的钇铝硅酸盐玻璃；纤芯外环区的高损耗可抑制光纤中的高阶模，抑制基模与高阶模的耦合，进而起到抑制模式不稳定性效应的作用；同时高导热的外环区可将纤芯的热量导出，抑制了热效应引发的模式不稳定性效应，实现了模式不稳定效应阈值的提高。该制备方法无需改变光纤设备器件，通过优化光纤纤芯的结构和成分，调控光纤制备的各参数，抑制模式不稳定性效应，提高光纤的输出效率以及输出稳定性；该光纤具有良好的系统兼容性、易熔接、易制备，普适性高，实用性强。

Description

用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及特种光纤制备技术领域，尤其涉及一种用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤及其制备方法。
背景技术
光纤激光器问世以来，以其功率高、光束质量好、结构紧凑等诸多优势备受关注；高功率光纤激光器在近十几年来发展十分迅速，各项指标一再被刷新，在工业、国防、基础科研等多个领域发挥着重要作用。同时，随着技术的发展和进步，对更高功率、高稳定性、高光束质量的光纤激光输出需求增大；而对于热致模式不稳定性效应的抑制成为了提高光纤激光输出功率的关键因素之一。
研究表明，热致模式不稳定性效应(TMI)起源于热效应，当光纤激光的输出平均功率超过TMI的阈值时，光纤中不同横模之间便会能量转移，输出激光模式会从基模到高阶模式的动态相互耦合和跳变，并伴随着光束质量的急剧下降，严重影响系统的输出亮度；此外，模式不稳定发生后，激光的输出时域特性会出现明显的起伏。所以，模式不稳定现象会严重恶化光纤激光器的光束质量，限制光纤激光功率的进一步提升，大大地限制了光纤激光器的应用；也成为高功率光纤激光领域的研究热点。
目前，基于TMI效应产生的机理，已经有若干抑制热致模式不稳定的技术方案；普遍认为光纤废热、高阶模、光暗化等因素会导致模式不稳定效应或者造成模式不稳定阈值的降低。发明专利(公布号为CN 108512028 A)公开了一种抑制大功率光纤激光放大器中模式不稳定的系统，通过在大功率光纤激光放大器中引入偏振调控系统，减少沿大功率光纤激光放大器增益光纤纵向注入和传输的高阶模式比例，抑制大功率光纤激光放大器中的模式不稳定效应；但是引入空间调制器件的方式来抑制光纤中的模式不稳定现象，会使得光纤高功率激光系统兼容性差、制备困难、熔接不便，限制了光纤激光器的工程化应用。发明专利(公布号为CN 109716184 A)公开了一种用于抑制热模式不稳定性的LMA光纤，包括基本模式和至少一种较高阶模式，较高阶模式的物理模场面积全部具有大于基本模式的物理模场面积；该方法通过控制基本模式和高阶模式的物理模场面积来增加高功率光纤放大器中的TMI阈值，但是存在效果不稳定、实施困难、实用性低的问题，且并未公开制备用于抑制热模式不稳定性的LMA光纤的具体方法。另外，现有技术中的微结构石英光纤，是通过制备特定微结构、如气孔结构来实现高阶模的滤除，但微结构光纤对高阶模的滤除受到微结构的限制，且始终面临着制备工艺繁琐、熔接困难等问题，导致其普适性和实用性差。
有鉴于此，有必要设计一种改进的用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤及其制备方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤及其制备方法，通过对光纤纤芯设置低损耗、低热导率的中心区，高损耗、高热导率的外环区，以抑制光纤中的高阶模，一定程度上抑制基模与高阶模的相互耦合，从而实现对模式不稳定效应的抑制；外环区可将纤芯的废热快速导出，抑制热致光栅效应，进一步实现对模式不稳定效应的抑制，有利于实现光纤更高功率的输出。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤，包括光纤包层和光纤纤芯，所述光纤纤芯包括中心区和外环区；所述中心区的成分为稀土掺杂石英；所述外环区为钇铝硅酸盐玻璃，其热导率为所述中心区的1.5～3倍，损耗为所述中心区的20～100倍，以实现对光纤的模式不稳定效应的抑制。
作为本发明的进一步改进，所述外环区的钇铝硅酸盐玻璃为钇铝相掺杂硅相的晶型，所述钇铝相为纳米级圆球状结构，均匀分散于所述硅相中。
作为本发明的进一步改进，所述钇铝相的直径尺寸范围为10～30nm，优选为15～20nm。
作为本发明的进一步改进，所述中心区的热导率为0.2W/(m·K)，损耗为20～40dB/km；所述外环区的热导率为0.4W/(m·K)，损耗为400～4000dB/km。
作为本发明的进一步改进，所述光纤纤芯的中心区直径为25～40μm，所述外环区的宽度尺寸为4～8μm，所述稀土掺杂光纤的外径为360～420μm。
作为本发明的进一步改进，所述光纤包层为纯石英包层；所述稀土掺杂光纤还包括由内向外依次包覆于所述光纤包层外侧的掺氟石英包层、高分子涂覆层以及保护层。
一种用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤的制备方法，包括以下步骤：
S1、配制0.8～1.2M的钇铝石榴石(YAG)纳米粉末悬浮液；
S2、将SiO2疏松层沉积于套管内壁，取下后得到疏松结构的石英管；将所述石英管浸入步骤S1的悬浮液中，取出后依次进行烧结、玻璃化处理，得到内壁附着钇铝石榴石的复合石英管；
S3、将步骤S2所述的复合石英管内部沉积SiO2多孔疏松体，沉积完毕后，浸入含有YbCl3、AlCl3、H3PO4的溶液中；取出后依次进行烧结、玻璃化处理，再升温至2150±100℃实现缩棒，得到光纤预制棒；
S4、将步骤S3的所述光纤预制棒进行高温拉制，得到所述用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，疏松结构的石英管的孔隙率不低于60％～90％；在步骤S1中，所述钇铝石榴石纳米粉末悬浮液中钇铝石榴石纳米粉末的制备方法为：将2.5～3.5M的Y(NO3)3、Al(NO3)3溶液，加入1.0～2.0M的NH4HCO3溶液混合后产生沉淀，将所述沉淀进行洗涤、干燥、煅烧，得到所述钇铝石榴石纳米粉末。
作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，所述SiO2多孔疏松体的孔隙率不低于60％～90％；所述溶液中的YbCl3、AlCl3、H3PO4的质量比为1:(2.6～3.2):(2.6～3.2)，优选为1:3:3；所述YbCl3的浓度为0.5～1.0M。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2～S3中，所述烧结的温度为1300～1600℃，所述玻璃化的温度为1850±100℃；在步骤S4中，所述高温拉制的温度为2100±100℃。
作为本发明的进一步改进，在步骤S3中、所述光纤预制棒中稀土掺杂石英中心区直径为2.5～4.0mm，外环区尺寸为0.4～0.8mm。
本发明的有益效果是：
1、本发明的一种用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤，包括光纤包层和光纤纤芯，光纤纤芯包括中心区和外环区；中心区采用低损耗、低热导率的稀土掺杂石英玻璃，外环区为高损耗、高热导率的钇铝硅酸盐玻璃；外环区的热导率为中心区的1.5～3倍，损耗为中心区的20～100倍。本发明的光纤纤芯外环区极高的损耗可以有效抑制光纤中的高阶模，在一定程度上抑制了基模与高阶模的相互耦合，起到抑制光纤模式不稳定性效应的作用；同时由于外环区具有较高的热导率，可以有效地将纤芯中心区和纤芯外环区的热量导出，减少纤芯中废热的产生和积累，抑制了热效应引发的模式不稳定性效应，有效地实现了光纤模式不稳定效应阈值的提高。
2、本发明的用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤的制备方法中，采用具有疏松结构的石英管作为载体负载YAG粉末，可以提高YAG粉末在石英管中的分散性、负载量和牢固性；且纳米级圆球状的富钇铝相均匀的分布在富硅相中，因为两者的晶体结构和尺寸的差异性大，使得光纤中该区域的损耗较大，进一步提高外环区的损耗，有利于抑制光纤中的高阶模。在YAS玻璃内部再次沉积时同样选择SiO2多孔疏松体，一方面可以提高稀土的负载均匀度，另一方面可以提高SiO2多孔疏松体与YAS玻璃之间的结合，使得最终制备的光纤纤芯成为一体化结构，提高光纤的输出功率。
3、本发明无需改变现有的光纤设备器件，通过优化光纤纤芯的结构和成分，调控光纤制备的各参数，达到抑制模式不稳定性效应、提高光纤的输出效率以及输出稳定性的效果；该光纤为纯实心包层结构，内部无微结构，因此该光纤较传统的微结构光纤，具有良好的系统兼容性、易熔接、易制备、普适性高，可应该于大部分激光设备中，对当前高功率光纤激光器的发展具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例1的用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤的结构示意图。
图2为本发明实施例1用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤各区域对应的折射率曲线图。
附图标记
1-光纤包层；2-光纤纤芯；21-中心区；22-外环区。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
一种用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤，包括光纤包层1和光纤纤芯2，光纤纤芯2包括中心区21和外环区22；中心区21的成分为稀土掺杂石英；外环区22为钇铝硅酸盐玻璃(YAS)，外环区22的热导率为中心区21的1.5～3倍，损耗为中心区21的20～100倍，以实现对光纤的模式不稳定效应的抑制。本发明的光纤纤芯2外环区22极高的损耗可以有效抑制光纤中的高阶模，在一定程度上抑制了基模与高阶模的耦合，起到抑制光纤模式不稳定性效应的作用；同时由于外环区22具有较高的热导率，可以有效地将纤芯中心区21和纤芯外环区22的热量导出，减小光纤纤芯2中废热的产生和积累，抑制了热效应引发的模式不稳定性效应，有效地实现了光纤模式不稳定效应阈值的提高。
特别地，外环区22的钇铝硅酸盐玻璃为钇铝相掺杂硅相的晶型，钇铝相为纳米级圆球状结构，均匀分散于硅相中。钇铝相的直径尺寸为10～30nm，优选为15～20nm。选用纳米级圆球状的富钇铝相负载于富硅相中，因为两者的晶体结构和尺寸的差异性大，使得最终制备的光纤中该区域的损耗较大，起到抑制光纤中高阶模的作用。
具体地，中心区21的热导率为0.2W/(m·K)，损耗为20～40dB/km；外环区22的热导率为0.4W/(m·K)，损耗为400～4000dB/km。因为光在光纤传输过程中，基模光能量主要集中分布在纤芯中心区21，分布在纤芯外环区22的能量主要为高阶模；所以，光纤纤芯2的中心区21选用低损耗、低热导率的玻璃材料，外环区22选用高损耗、高热导率的玻璃材料；通过多层沉积-负载技术，制得光纤纤芯2为双层结构的光纤。由于纤芯外环区22具有良好的热导率，可以将光纤纤芯中的热量导出，从而一定程度上抑制了热致光栅效应，提高了光纤模式不稳定的阈值；使该光纤具有抑制模式不稳定效应、输出功率高的效果。
具体地，光纤纤芯2的中心区21的直径为25～40μm，外环区22的宽度尺寸为4～8μm，稀土掺杂光纤的外径为360～420μm。热致模式不稳定效益与稀土掺杂区域的大小也有关系，所以通过控制中心区21的直径和外环区22的宽度，来控制稀土掺杂区域的占比，控制外环区22高阶模的增益，达到提高模式不稳定阈值的效果。
在一些具体的实施例中，光纤包层1为纯石英包层；稀土掺杂光纤还包括由内向外依次包覆于光纤包层1外侧的掺氟石英包层、高分子涂覆层以及保护层。其中掺氟石英包层具体制备方式为：在制得稀土掺杂石英/YAS玻璃光纤预制棒后，再在其外表沉积一层掺氟(F)的石英玻璃，或直接将预制棒放入特定的氟管中进行拉制，最后进行涂覆层和保护层的加工；最终得到的光纤将由稀土掺杂纤芯中心区、YAS玻璃纤芯外环区、纯石英包层、掺F石英包层、高分子涂覆层、保护层六大部分组成。
本发明还提供了一种用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤的制备方法，包括以下步骤：
S1、配制0.8～1.2M的钇铝石榴石(YAG)纳米粉末悬浮液；将2.5～3.5M的Y(NO3)3、Al(NO3)3溶液，加入1.0～2.0M的NH4HCO3溶液(共沉淀剂)后产生沉淀，将所得沉淀进行洗涤、干燥、煅烧，得到YAG纳米粉末；将YAG纳米粉末放入乙醇或去离子水中，配制得到YAG悬浮液；
S2、采用MCVD工艺将SiO2疏松层沉积于石英套管内壁，然后将沉积好的疏松结构的石英管取下；再将石英管浸入步骤S1的悬浮液中，取出晾干；在1300～1600℃下完成烧结，在1750～1950℃下完成玻璃化，最终得到内壁附着有YAS玻璃的复合石英管；该复合石英管内部形成了富钇铝相和富硅相，其中富钇铝相形状近似圆球状，尺寸约为10～30nm纳米，均匀分布在富硅相中；
S3、将步骤S2的复合石英管内部再次沉积SiO2多孔疏松体，沉积完毕后，浸入含有YbCl3、AlCl3、H3PO4的水或乙醇溶液中；取出后在1300～1600℃下完成烧结，在1750～1950℃下完成玻璃化，再升温至2000～2200℃下实现缩棒，得到透明、致密的稀土掺杂石英/YAS玻璃光纤预制棒；
其中，该稀土掺杂石英/YAS玻璃光纤预制棒中心区的直径为2.5～4.0mm，外环区的尺寸为0.4～0.8mm；溶液中的YbCl3、AlCl3、H3PO4的质量比为1:(2.6～3.2):(2.6～3.2)，优选为1:3:3；YbCl3的浓度为0.5～1.0M；
S4、将步骤S3的光纤预制棒将放置于高温拉丝塔，温度为2050～2250℃，最终得到双包层稀土掺杂石英/YAS玻璃光纤，即用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤。
特别地，在步骤S1中，疏松结构的石英管的孔隙率不低于60％～90％；在步骤S3中，SiO2多孔疏松体的孔隙率不低于60％～90％。采用具有疏松结构的石英管作为载体负载YAG粉末，并控制其孔隙率，可以提高YAG粉末在石英管中的分散性、负载量和牢固性。在YAS玻璃内部再次沉积时同样选择SiO2多孔疏松体，一方面提高负载稀土的均匀度，另一方面可以提高SiO2多孔疏松体与YAS玻璃之间的结合，使得烧结、玻璃化后的光纤纤芯成为一体化结构，提高光纤的输出功率。
具体地，通过调控光纤制备过程中的各参数，例如中心区21和外环区22的成分、结构以及尺寸，来控制外环区22和中心区21损耗和热导率的差值，使得纤芯中心区21损耗低，纤芯外环区22损耗高，在光传输一定距离后，基模损耗低、高阶模损耗高，实现了光纤中高阶模的抑制，进而抑制了模式不稳定效应。
本发明用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤的制备方法，无需改变现有的光纤设备器件，通过优化光纤纤芯的结构和成分，调控光纤制备的各参数，达到抑制模式不稳定性效应、提高光纤的输出效率以及输出稳定性的效果；该光纤为纯实心包层结构，内部无微结构，因此该光纤较传统的微结构光纤，具有良好的系统兼容性、易熔接、易制备、普适性高，可应该于大部分激光设备中，对当前高功率光纤激光器的发展具有重要意义。
实施例1
请参阅图1所示，本实施例提供了一种用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤及其制备方法，包括光纤包层1和光纤纤芯2，光纤纤芯2包括中心区21和外环区22；中心区21的成分为稀土掺杂石英；外环区22为钇铝硅酸盐玻璃(YAS)。中心区21的热导率为0.2W/(m·K)，损耗为20dB/km；外环区22的热导率为0.4W/(m·K)，损耗为400dB/km。
该光纤的具体制备方法包括以下步骤：
S1、将3M的Y(NO3)3、Al(NO3)3溶液，加入1.5M的NH4HCO3溶液后产生沉淀，将所得沉淀进行洗涤、干燥、煅烧，得到YAG纳米粉末；将YAG纳米粉末放入乙醇或去离子水中，配制得到1M的YAG悬浮液；
S2、采用MCVD工艺将SiO2疏松层沉积于石英套管内壁，然后将沉积好的疏松结构的石英管取下；再将石英管浸入步骤S1的悬浮液中，取出晾干；在1500℃下完成烧结，在1850℃下完成玻璃化，最终得到内壁附着有YAS玻璃的复合石英管；
S3、将步骤S2的复合石英管内部再次沉积SiO2多孔疏松体，沉积完毕后，浸入含有0.5M的YbCl3、1.5M的AlCl3、1.5M的H3PO4的水或乙醇溶液中；取出后在1500℃下完成烧结，在1850℃下完成玻璃化，再升温至2150℃实现缩棒，得到透明、致密的稀土掺杂石英/YAS玻璃光纤预制棒；该稀土掺杂石英/YAS玻璃光纤预制棒中心区的直径为3mm，外环区的尺寸为0.5mm；
S4、将步骤S3的光纤预制棒将放置于高温拉丝塔，温度为2100℃，最终得到中心区21的直径为30μm、外环区22的宽度尺寸为5μm、外径为400μm的双包层稀土掺杂石英/YAS玻璃光纤，即用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤。
请参阅图2所示，将实施例1制备的用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤各区域进行折射率的测试，得到图2的曲线。从图中可以看出，采用该实施例的方法制得的稀土掺杂光纤折射率区域主要为光纤纤芯2的中心区21和外环区22，光纤包层1对光的折射率极低。
经测试，本实施例1制备的稀土掺杂光纤较其他同尺寸光纤相比，模式不稳定阈值提高了500W以上；其在实际中可以起到较好的抑制模式不稳定效应的效果。
实施例2
本实施例提供了一种用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤及其制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，该光纤的光纤包层1外侧还包括一层掺F石英包层，具体制备为在步骤S3中，将得到透明、致密的稀土掺杂石英/YAS玻璃光纤预制棒外表沉积一层掺氟的石英玻璃；其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
对比例1
对比例1提供了一种用于抑制模式不稳定效应的光纤，该光纤为传统的内部为气孔微结构的石英光纤。
对比例2提供了一种用于抑制模式不稳定效应的光纤，与实施例1相比，不同之处在于，通过调整光纤纤芯2中心区21和外环区22的尺寸，使中心区21和外环区22的损耗和热导率保持一致；其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
对比例3
对比例3提供了一种用于抑制模式不稳定效应的光纤，该光纤纤芯2的中心区21和外环区22均为实心结构的石英光纤，其制备方法同样采用如实施例1的沉积-煅烧-玻璃化方法。
对实施例1～2以及对比例1～3的光纤进行性能测试，得到的结果如下表所示。
表1实施例1～2和对比例1～3的性能测试结果
功率/W 模式不稳定阈值提高量/W
实施例1 2500～4500 500～1000
实施例2 2500～4500 500～1000
对比例1 2000～2500 100～500
对比例2 1500～2500 0～500
对比例3 1000～2000 0
由表1可知，实施例1和实施例2制备的稀土掺杂光纤的输出功率高，且模式不稳定阈值提高了500～1000W，较其他光纤模式不稳定阈值明显提高，说明本发明的技术方案在实际中可以起到较好的抑制模式不稳定效应的效果。而对比例1为传统的微结构石英光纤，其通过特定微结构来实现高阶模的滤除，但其特殊结构对于激光的输出功率有减弱作用，且模式不稳定阈值提高量也不如本发明制备的光纤。对比例2采用中心区和外环区的损耗和热导率一致的光纤，其无法实现实施例1和2中因外环区的高损耗抑制光纤中的高阶模，起到的抑制光纤模式不稳定性效应的作用。对比例3的光纤纤芯的中心区和外环区均为实心结构的石英光纤，其光纤输出功率最低，且无法起到抑制光纤中的模式不稳定效应的作用。
综上所述，本发明提供了一种用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤及其制备方法，该光纤的纤芯包括中心区和外环区；中心区采用低损耗、低热导率的稀土掺杂石英玻璃，外环区为高损耗、高热导率的钇铝硅酸盐玻璃；外环区的热导率为中心区的1.5～3倍，损耗为中心区的20～100倍。通过纤芯外环区极高的损耗可以有效抑制光纤中的高阶模，在一定程度上抑制了基模与高阶模的耦合，起到抑制光纤模式不稳定性效应的作用；同时由于外环区具有较高的热导率，可以有效地将纤芯中心区和纤芯外环区的热量导出，减少纤芯中废热的产生和积累，抑制了热效应引发的模式不稳定性效应，有效地实现了光纤模式不稳定效应阈值的提高。本发明的制备方法无需改变现有的光纤设备器件，通过优化光纤纤芯的结构和成分，调控光纤制备的各参数，达到抑制模式不稳定性效应、提高光纤的输出效率以及输出稳定性的效果；该光纤为纯实心包层结构，内部无微结构，因此该光纤较传统的微结构光纤，具有良好的系统兼容性、易熔接、易制备、普适性高，可应该于大部分激光设备中，对当前高功率光纤激光器的发展具有重要意义。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤，包括光纤包层和光纤纤芯，其特征在于，所述光纤纤芯包括中心区和外环区；所述中心区的成分为稀土掺杂石英；所述外环区为钇铝硅酸盐玻璃，其热导率为所述中心区的1.5～3倍，损耗为所述中心区的20～100倍，以实现对光纤的模式不稳定效应的抑制；所述外环区的钇铝硅酸盐玻璃为钇铝相掺杂硅相的晶型，所述钇铝相为纳米级圆球状结构，均匀分散于所述硅相中。
2.根据权利要求1所述的用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤，其特征在于，所述钇铝相的直径尺寸范围为10～30nm。
3.根据权利要求1所述的用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤，其特征在于，所述中心区的热导率为0.2W/(m·K)，损耗为20～40dB/km；所述外环区的热导率为0.4W/(m·K)，损耗为400～4000dB/km。
4.根据权利要求1所述的用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤，其特征在于，所述光纤纤芯的中心区直径为25～40μm，所述外环区的宽度尺寸为4～8μm，所述稀土掺杂光纤的外径为360～420μm。
5.根据权利要求1所述的用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤，其特征在于，所述光纤包层为纯石英包层；所述稀土掺杂光纤还包括由内向外依次包覆于所述光纤包层外侧的掺氟石英包层、高分子涂覆层以及保护层。
6.一种权利要求1～5中任一项所述的用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、配制0.8～1.2M的钇铝石榴石纳米粉末悬浮液；
S2、将SiO2疏松层沉积于套管内壁，取下后得到疏松结构的石英管；将所述石英管浸入步骤S1的悬浮液中，取出后依次进行烧结、玻璃化处理，得到内壁附着钇铝石榴石的复合石英管；
S3、将步骤S2所述的复合石英管内部沉积SiO2多孔疏松体，沉积完毕后，浸入含有YbCl3、AlCl3、H3PO4的溶液中；取出后依次进行烧结、玻璃化处理，再升温至2150±100℃实现缩棒，得到光纤预制棒；
S4、将步骤S3的所述光纤预制棒进行高温拉制，得到所述用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤。
7.根据权利要求6所述的用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述钇铝石榴石纳米粉末悬浮液中的钇铝石榴石纳米粉末的制备方法为：将2.5～3.5M的Y(NO3)3、Al(NO3)3溶液，加入1.0～2.0M的NH4HCO3溶液混合后产生沉淀，将所述沉淀进行洗涤、干燥、煅烧，得到所述钇铝石榴石纳米粉末；在步骤S2中，疏松结构的石英管的孔隙率不低于60％～90％。
8.根据权利要求6所述的用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述SiO2多孔疏松体的孔隙率不低于60％～90％；所述溶液中的YbCl3、AlCl3、H3PO4的质量比为1:(2.6～3.2):(2.6～3.2)；所述YbCl3的浓度为0.5～1.0M。
9.根据权利要求6所述的用于抑制模式不稳定效应的稀土掺杂光纤的制备方法，其特征在于，在步骤S2～S3中，所述烧结的温度为1300～1600℃，所述玻璃化的温度为1850±100℃；在步骤S4中，所述高温拉制的温度为2100±100℃。
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WO2007049705A1 (ja) * 2005-10-26 2007-05-03 Fujikura Ltd. 希土類添加コア光ファイバ及びその製造方法
CN101738682B (zh) * 2010-01-18 2012-01-11 烽火通信科技股份有限公司 大模场有源光纤及其制造方法
CN107065066B (zh) * 2017-05-19 2019-10-18 中国科学院上海光学精密机械研究所 一种多包层石英光纤的结构
CN108899752A (zh) * 2018-09-19 2018-11-27 山东大学 一种基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器及其工作方法
CN114114527B (zh) * 2022-01-25 2022-05-20 武汉长进激光技术有限公司 一种用于匀化基模光强分布的有源光纤及其制备方法

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