CN116444146A - 一种纵向变径增益光纤的制备方法及增益光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种纵向变径增益光纤的制备方法，包括以下步骤：S1，制备一段包层外径不变、纤芯直径渐变的长锥区锥形光纤；S2，在所述长锥区的两端分别熔接一段辅助光纤；S3，对所述长锥区两端的熔接区进行加热软化，同时反向移动两端的辅助光纤至预设距离，使长锥区两端的直径沿纵向渐缩，在长锥区两端分别形成一段短锥区；S4，切掉两端的辅助光纤，得到纵向变径的增益光纤。本发明通过在长锥区锥形光纤的两端分别制备一段短锥区，相较于传统的锥形光纤，中间的包层不变纤芯渐变长锥区可以增大光纤的非线性体积长度比从而抑制受激拉曼散射，两端的短锥区可以减少放大过程中激发的高阶模式数并将其泄露出纤芯，进而优化光束质量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤制备技术领域，尤其涉及一种纵向变径增益光纤的制备方法及增益光纤。
背景技术
作为第三代激光器，光纤激光器拥有高效率、高集成度等诸多优点，尤其是掺镱脉冲光纤激光器，小体积、低成本、高功率的特点使其在工业、医疗、军事、国防等领域得到了广泛应用。但光纤中高峰值功率引起的受激拉曼散射限制了脉冲光纤激光器的功率提升，尽管大模场面积光纤使受激拉曼散射得到了抑制，但增大的模场面积又会使光纤中高阶模数量增加，导致光束质量退化。
对于一根双包层光纤，其“非线性体积长度比”越大，非线性抑制能力越强，常规双包层大模场光纤的非线性体积长度比即等于它的有效模场面积，锥形光纤的非线性体积长度比计算公式为：R＝∫LAeffdl/Leff。相对于传统芯包层尺寸均匀的光纤，锥形光纤更大的非线性体积长度比提升了受激拉曼散射阈值，信号输入端较小的芯包尺寸减小激发的高阶模含量，信号输出端小的芯包尺寸有利于实现更高的光束质量。因此在高功率激光技术领域具有很大的应用价值。
一般情况下，锥形光纤由于制备工艺的限制，通常将拉锥比控制在2以下，目前常见的拉锥方法是通过对光纤预制棒进行加热拉锥，如果拉锥比过高不仅会大大增加拉丝难度，而且会有拉丝过程中预制棒断裂的危险；导致在高功率激光系统中对受激拉曼散射的抑制效果一般，尤其对光束质量退化的抑制效果不明显。
发明内容
本发明提出一种纵向变径增益光纤的制备方法及增益光纤，解决了现有技术中锥形光纤在高功率激光系统中对受激拉曼散射抑制效果有限，尤其对光束质量退化抑制效果不明显的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
根据本发明的一个方面，提供了一种纵向变径增益光纤的制备方法，包括以下步骤：
S1，制备一段包层外径不变、纤芯直径渐变的长锥区锥形光纤；
S2，在所述长锥区的两端分别熔接一段辅助光纤；
S3，对所述长锥区两端的熔接区进行加热软化，同时反向移动两端的辅助光纤至预设距离，使长锥区两端的直径沿纵向渐缩，在长锥区两端分别形成一段短锥区；
S4，切掉两端的辅助光纤，得到纵向变径的增益光纤。
本发明通过在长锥区锥形光纤的两端分别制备一段短锥区，通过长短锥结合的方式，进一步缩小了有源光纤输入端与输出端的尺寸，可以突破传统预制棒制备以及拉丝工艺对于锥形光纤拉锥比的限制，制得的光纤拉锥比可达到5，可应用于光纤放大器领域，相较于传统的锥形光纤，中间的包层不变纤芯渐变长锥区可以增大光纤的非线性体积长度比从而抑制受激拉曼散射，两端的短锥区可以减少放大过程中激发的高阶模式数并将其泄露出纤芯，进而优化光束质量。
作为本发明优选地方案，步骤S1中，制备长锥区锥形光纤的方法包括以下步骤：
S101，在预制棒两端分别熔接一段石英棒；
S102，将预制棒的拉锥区进行加热软化，反向移动两端的石英棒至预设距离，使软化后的拉锥区的直径沿纵向渐变；
S103，切掉两端的石英棒，并对拉锥后的预制棒进行打磨，使预制棒的包层外径沿纵向保持一致；
S104，将打磨后的预制棒进行拉丝、切割，得到包层外径不变、纤芯直径渐变的长锥区锥形光纤。
通过上述方法制得的长锥区锥形光纤的拉锥比在1～2范围内。
作为本发明优选地方案，步骤S102中，采用喷灯对预制棒的拉锥区进行加热软化，加热时，两端的的石英棒保持同步转动，带动预制棒轴向转动，使得预制棒的受热更加均匀，喷灯的火焰宽度决定加热软化区的宽度，从而决定最终长锥区的长度。
作为本发明优选地方案，步骤S2中，在熔接辅助光纤之前，先剥除长锥区两端对应短锥区长度的涂覆层；所述涂覆层的材料为酯类聚合物，剥除涂覆层一方面是为了后续方便切割光纤，另一方面是为了避免熔接光纤时未剥除的涂覆层软化燃烧，损毁光纤甚至损伤光纤熔接机。
作为本发明优选地方案，步骤S3中，采用激光加热的方式对熔接区进行加热软化；通过激光加热的方式来对熔接区进行加热软化，可以保证精度。
作为本发明优选地方案，步骤S3中，两端辅助光纤的移动速度为0.02mm/s～0.08mm/s，拉锥过程中辅助光纤的移动速度不宜过快，过快会引起光纤抖动导致误差。
作为本发明优选地方案，所述长锥区两端的短锥区分别作为增益光纤的输入端和输出端，输入端的纤芯直径小于输出端的纤芯直径；可以灵活调控光纤的输入端和输出端尺寸，输入端通过尺寸更小的短锥区可以减少激发的模式数目，输出端通过短锥区可以将高阶模泄露出去，进而实现光束质量更好的激光输出。
作为本发明优选地方案，所述短锥区的芯包比沿纵向保持恒定，进一步优化了输入端和输出端的尺寸。
根据本发明的另一个方面，提供了一种增益光纤，应用上述制备方法制得，包括包层外径不变、纤芯直径渐变的长锥区锥形光纤，所述长锥区的两端各设有一段短锥区锥形光纤。
本发明的增益光纤相较于一般锥形光纤，中间的包层不变纤芯渐变长锥区可以增大光纤的非线性体积长度比从而抑制受激拉曼散射，两端的短锥区可以减少放大过程中激发的高阶模式数并将其泄露出纤芯，进而优化光束质量。
作为本发明优选地方案，所述增益光纤的拉锥比在1～5范围内，通过上述方法制得的增益光纤的拉锥比可达到5，突破了传统预制棒制备以及拉丝工艺对于锥形光纤拉锥比的限制，极大地提升了光纤对于受激拉曼散射的抑制效果。
有益效果
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：本发明通过在长锥区锥形光纤的两端分别制备一段短锥区，通过长短锥结合的方式，进一步缩小了有源光纤输入端与输出端的尺寸，可以突破传统预制棒制备以及拉丝工艺对于锥形光纤拉锥比的限制，制得的光纤拉锥比可达到5，极大地提升了光纤对于受激拉曼散射的抑制效果；相较于传统的锥形光纤，输入端通过尺寸更小的短锥区可以减少激发的模式数目，输出端通过短锥区可以将高阶模泄露出去，进而实现光束质量更好的激光输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种纵向变径增益光纤的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例中在预制棒两端熔接石英棒的过程示意图；
图3为本发明实施例中预制棒加热拉锥的过程示意图；
图4为本发明实施例中打磨后的预制棒结构示意图；
图5为本发明实施例中切割后得到的长锥区锥形光纤的结构示意图；
图6为本发明实施例中长锥区两端熔接辅助光纤的过程示意图；
图7为本发明实施例中在长锥区两端拉制短锥区的过程示意图；
图8为本发明实施例中切割后得到的增益光纤的结构示意图；
图中：1、石英棒；2、预制棒；3、喷灯；4、拉锥区；5、长锥区；6、包层；7、纤芯；8、辅助光纤；9、激光器；10、输入端；11、输出端。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1所示，本实施例提供了一种纵向变径增益光纤的制备方法，包括以下步骤：
S1，制备一段包层6外径不变、纤芯7直径渐变的长锥区5锥形光纤，包括以下步骤：
S101，在预制棒2两端分别熔接一段石英棒1，如图2所示；
具体实施过程中，将外径20mm的预制棒2与尺寸相同的石英棒1固定在熔接车床两侧卡盘上，点燃喷灯3，设置卡盘使预制棒2与石英棒1匀速旋转，速度为30r/min，将喷灯3移动至预制棒2与石英棒1对接处加热，待两者软化之后进行熔接，熔接完成熄灭喷灯3使其冷却；
将预制棒2的另一端与尺寸相当的石英棒1固定在熔接车床两侧卡盘上，重复上述步骤使预制棒2两端均与石英棒1熔接；
S102，将预制棒2的拉锥区4进行加热软化，匀速反向移动两端的石英棒1至预设距离，使软化后的拉锥区4的直径沿纵向渐变(软化区直径呈抛物线分布)，如图3所示；
具体实施过程中，点燃喷灯3之后调节火焰宽度至10mm，将喷灯3移动至预制棒2的拉锥区4，保持喷灯3位置不动，待拉锥区4软化后，设置车床电机使两端石英棒1匀速反向运动，一定距离之后停止运动；所述石英棒1移动速度不可过慢或过快，以防预制棒2挥发或加热软化不充分；加热时，两端的的石英棒1保持同步转动，带动预制棒2轴向转动，使得预制棒2的受热更加均匀，喷灯3的火焰宽度决定加热软化区的宽度，从而决定最终长锥区5的长度。
S103，切掉两端的石英棒1，并对拉锥后的预制棒2进行打磨，将预制棒2外径打磨至与长锥区5最细处外径相同，使预制棒2的包层6外径沿纵向保持一致，如图4所示；如芯包比不满足预设条件，可对预制棒2作进一步打磨或套管处理；
S104，将打磨后的预制棒2进行拉丝、切割，得到包层6外径不变、纤芯7直径渐变的长锥区5锥形光纤，如图5所示；
具体实施过程中，将打磨好的预制棒2通过拉丝塔匀速拉丝，并将锥区对称切割，得到包层6不变纤芯7渐变长锥区5光纤；
通过上述方法制得的长锥区5锥形光纤的拉锥比在1～2范围内。
S2，在所述长锥区5的两端分别熔接一段辅助光纤8，两段辅助光纤8的包层6直径与长锥区5两端的包层6直径相同，如图6所示；
具体实施过程中，在熔接辅助光纤8之前，先剥除长锥区5两端对应短锥区长度(5-8cm)的涂覆层；所述涂覆层的材料为酯类聚合物，剥除涂覆层一方面是为了后续方便切割光纤，另一方面是为了避免熔接光纤时未剥除的涂覆层软化燃烧，损毁光纤甚至损伤光纤熔接机；
S3，将长锥区5与辅助光纤8熔接的区域固定在CO2激光器9位置处，随后利用夹具固定两侧光纤，通过CO2激光器9加热熔点使其软化，同时调整夹具使其向两侧匀速反向移动预设距离，长锥区5侧拉制5cm短锥区，熔点处预留5cm芯径不变区用于切割熔接，如图7所示；拉锥完成后关闭激光器9，等待短锥区冷却；
具体实施过程中，两端辅助光纤8的移动速度为0.02mm/s～0.08mm/s，拉锥过程中辅助光纤8的移动速度不宜过快，过快会引起光纤抖动导致误差。
S4，切掉两端的辅助光纤8，得到纵向变径的增益光纤，如图8所示。
本实施例通过在长锥区5锥形光纤的两端分别制备一段短锥区，通过长短锥结合的方式，进一步缩小了有源光纤输入端10与输出端11的尺寸，可以突破传统预制棒2制备以及拉丝工艺对于锥形光纤拉锥比的限制，制得的光纤拉锥比可达到5，可应用于光纤放大器领域，相较于传统的锥形光纤，中间的包层6不变纤芯7渐变长锥区5可以增大光纤的非线性体积长度比从而抑制受激拉曼散射，两端的短锥区可以减少放大过程中激发的高阶模式数并将其泄露出纤芯7，进而优化光束质量。
作为本实施例优选地方案，所述长锥区5两端的短锥区分别作为增益光纤的输入端10和输出端11，输入端10的纤芯7直径小于输出端11的纤芯7直径；可以灵活调控光纤的输入端10和输出端11尺寸，输入端10通过尺寸更小的短锥区可以减少激发的模式数目，输出端11通过短锥区可以将高阶模泄露出去，进而实现光束质量更好的激光输出。
作为本实施例优选地方案，所述短锥区的芯包比沿纵向保持恒定，进一步优化了输入端10和输出端11的尺寸。
本实施例还提供了一种增益光纤，应用上述制备方法制得，包括包层6外径不变、纤芯7直径渐变的长锥区5锥形光纤，所述长锥区5的两端各设有一段短锥区锥形光纤，两短锥区的长度均为5cm。
本实施例中，所述长锥区5的包层6外径为400～600μm；
当长锥区5的包层6外径为400μm时，长锥区5的长度为4.5～8.6m，小端纤芯7直径为50～75μm，大端纤芯7直径为75～100μm；两端的短锥区包层6外径为250μm；
当长锥区5的包层6外径为600μm时，长锥区5的长度为1.8～5m，小端纤芯7直径为50～100μm，大端纤芯7直径为75～150μm；两端的短锥区包层6外径为400μm；
所述两端的短锥区包层6直径应与商用光纤的包层6直径相同。
作为本发明优选地方案，所述增益光纤的拉锥比在1～5范围内，通过上述方法制得的增益光纤的拉锥比可达到5，突破了传统预制棒2制备以及拉丝工艺对于锥形光纤拉锥比的限制，极大地提升了光纤对于受激拉曼散射的抑制效果。
本实施例的增益光纤相较于一般锥形光纤，中间的包层6不变纤芯7渐变长锥区5可以增大光纤的非线性体积长度比从而抑制受激拉曼散射，两端的短锥区可以减少放大过程中激发的高阶模式数并将其泄露出纤芯7，进而优化光束质量。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种纵向变径增益光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，制备一段包层(6)外径不变、纤芯(7)直径渐变的长锥区(5)锥形光纤；
S2，在所述长锥区(5)的两端分别熔接一段辅助光纤(8)；
S3，对所述长锥区(5)两端的熔接区进行加热软化，同时反向移动两端的辅助光纤(8)至预设距离，使长锥区(5)两端的直径沿纵向渐缩，在长锥区(5)两端分别形成一段短锥区；
S4，切掉两端的辅助光纤(8)，得到纵向变径的增益光纤。
2.如权利要求1所述的一种纵向变径增益光纤的制备方法，其特征在于，步骤S1中，制备长锥区(5)锥形光纤的方法包括以下步骤：
S101，在预制棒(2)两端分别熔接一段石英棒(1)；
S102，将预制棒(2)的拉锥区(4)进行加热软化，反向移动两端的石英棒(1)至预设距离，使软化后的拉锥区(4)的直径沿纵向渐变；
S103，切掉两端的石英棒(1)，并对拉锥后的预制棒(2)进行打磨，使预制棒(2)的包层(6)外径沿纵向保持一致；
S104，将打磨后的预制棒(2)进行拉丝、切割，得到包层(6)外径不变、纤芯(7)直径渐变的长锥区(5)锥形光纤。
3.如权利要求2所述的一种纵向变径增益光纤的制备方法，其特征在于，步骤S102中，采用喷灯(3)对预制棒(2)的拉锥区(4)进行加热软化，加热时，两端的的石英棒(1)保持同步转动，带动预制棒(2)轴向转动。
4.如权利要求1所述的一种纵向变径增益光纤的制备方法，其特征在于，步骤S2中，在熔接辅助光纤(8)之前，先剥除长锥区(5)两端对应短锥区长度的涂覆层。
5.如权利要求1所述的一种纵向变径增益光纤的制备方法，其特征在于，步骤S3中，采用激光加热的方式对熔接区进行加热软化。
6.如权利要求1所述的一种纵向变径增益光纤的制备方法，其特征在于，步骤S3中，两端辅助光纤(8)的移动速度为0.02mm/s～0.08mm/s。
7.如权利要求1所述的一种纵向变径增益光纤的制备方法，其特征在于，所述长锥区(5)两端的短锥区分别作为增益光纤的输入端(10)和输出端(11)，输入端(10)的纤芯(7)直径小于输出端(11)的纤芯(7)直径。
8.如权利要求1所述的一种纵向变径增益光纤的制备方法，其特征在于，所述短锥区的芯包比沿纵向保持恒定。
9.一种增益光纤，应用如权利要求1至8中任一项所述的制备方法制得，其特征在于，包括包层(6)外径不变、纤芯(7)直径渐变的长锥区(5)锥形光纤，所述长锥区(5)的两端各设有一段短锥区锥形光纤。
10.如权利要求9所述的一种增益光纤，其特征在于，所述增益光纤的拉锥比在1～5范围内。
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