CN117293629A - 一种高亮度稀土掺杂大模场光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高亮度稀土掺杂大模场光纤。该光纤从中心到外围依次包括：纤芯，围绕纤芯的凹陷层，包围凹陷层的内包层，围绕内包层的外包层以及保护层。所述纤芯、所述凹陷层和所述内包层之间的相对折射率关系满足：所述纤芯>所述内包层>所述凹陷层。纤芯采用梯度折射率分布，中心高，边缘低。本发明还提供了一种稀土离子梯度掺杂方法制备所述大模场光纤的方法。本发明提供的稀土掺杂大模场光纤在不影响基模的前提下，大幅增加高阶模的损耗并减少其增益，有利于缓解大模场光纤的模式不稳定效应，提升其功率输出能力。

Description

一种高亮度稀土掺杂大模场光纤及其制备方法
技术领域
本发明属于光纤制备技术领域，更具体的，涉及一种高亮度的稀土掺杂大模场光纤及其制备方法。
背景技术
高功率光纤激光器具有光束质量好，转换效率高、热管理方便、体积小和稳定性高等优点而被广泛的应用于工业加工制造、科学研究和国防领域。随着光纤激光输出功率越来越高，为了降低高功率状态下的纤芯功率密度，抑制可能出现的非线性效应，如受激拉曼散射、受激布里渊散射和自相位调制等，通常采用大模场的稀土掺杂光纤。
大模场的稀土掺杂光纤，一般工作在少模区域，即光纤本征支持LP01模(基模)以及LP11模等少数高阶模传输。实际使用时，由于基模弯曲损耗基本可以忽略不计，而高阶模的弯曲损耗很大，大模场光纤的输出以基模为主，高阶模仅占极小的比例，激光的光束质量可以保持得非常好。
但是随着输出功率的提升达到某个阈值时，开始产生模式不稳定现象，表现为光纤中的能量开始在基模和高阶模之间来回耦合，高阶模成分变多，光斑形状不规则且随机抖动，激光输出功率出现滞涨，光束质量变差。
尽管产生模式不稳定的机理尚不明确，但一般认为通过光纤结构设计，减少基模和高阶模的耦合、增加高阶模的损耗及减少高阶模的增益可以提高稀土掺杂大模场光纤的模式不稳定阈值。有鉴于此，研究人员提出了系列方案以提高光纤的光束质量和模式不稳定阈值，如：极低纤芯数值孔径、纤芯区域掺杂、3C手性耦合光纤、长锥形光纤以及微结构光纤等。降低纤芯数值孔径可以有效的降低基模和高阶模模场的重叠，但极低数值孔径的光纤不仅弯曲直径要变大且弯曲时易引起基模泄露，造成激光器效率低下甚至毁伤，不利于光纤的生产制造和光纤激光器的规模化集成。纤芯区域掺杂也称增益滤模，即仅在基模所在的纤芯中心区域掺杂激活离子，而在高阶模所在纤芯边缘区域不掺杂激活离子，以减少高阶模的增益。但纤芯部分掺杂会降低光纤掺杂部分的“芯包比”，严重影响光纤的吸收系数，增加非线性效应的抑制难度。
3C手性耦合光纤、长锥形光纤和微结构光纤，则是通过各种光纤结构或设计，使得高阶模具有较高的损耗，以提高光纤的光束质量和模式不稳定阈值。但复杂的光纤结构一方面使得光纤的制作难度加大，另一方面也会给使用者带来困难，例如3C手性耦合光纤需要一边拉制，一边旋转光纤预制棒以形成所需的螺旋伴芯，且需严格控制螺旋周期；而长锥形光纤无论是对预制棒的制作还是拉丝都是一项严峻的挑战，任何纵向的细微波动都会严重的影响光纤的性能。至于微结构光纤，由于其复杂的结构，与无源光纤熔接难度大，易产生较大的熔接损耗，限制了其规模化应用。
可以看到，随着当前光纤激光技术的发展，尤其是光纤激光器的快速发展，不仅要求输出功率高，而且越来越重视输出亮度，目前提出的各种保证光纤输出光束质量和提高模式不稳定阈值的办法均有其局限性。因此，设计制备一种工艺简单且能与现有无源光纤激光器件匹配的具有高模式不稳定阈值的大模场光纤，同时实现高功率、高亮度输出和抑制非线性效应，是目前高功率光纤激光器领域面临的一个重要挑战。
发明内容
针对现有技术的不足或改进需求，本发明提供了一种稀土掺杂大模场光纤及其制备方法，该光纤在普通阶跃型双包层光纤的基础上，从减少基模和高阶模的耦合、增加高阶模的损耗及减少高阶模的增益角度出发，对光纤的结构、纤芯折射率分布及稀土离子掺杂等进行配置，抑制高阶模的产生，大幅提升稀土掺杂大模场光纤的模式不稳定阈值。
为此，本发明提供了一种稀土掺杂大模场光纤，所述稀土掺杂大模场光纤从中心到外依次包括：纤芯、围绕纤芯的凹陷层、包围所述凹陷层的内包层、围绕所述内包层的外包层以及保护层。
所述纤芯为至少包含有Yb镱、Er铒、Tm铥、Ho钬中的一种或几种元素的组合稀土掺杂石英玻璃，纤芯折射率呈梯度分布，中心折射率高，边缘折射率低。优选的，所述纤芯折射率分布曲线沿纤芯半径向外呈类抛物线型、类指数型、类梯形或类高斯型分布等任意一种梯度折射率分布。
所述纤芯的半径为r1，所述纤芯相对于所述内包层的折射率差为Δn1。
所述凹陷层为一种低折射率的石英玻璃，所述凹陷层的折射率不仅低于所述纤芯折射率，也低于所述内包层的折射率。所述纤芯、所述凹陷层和所述内包层之间的相对折射率关系满足：所述纤芯折射率>所述内包层折射率>所述凹陷层折射率。
所述凹陷层的外缘半径为r2，所述凹陷层相对于所述内包层的折射率差为Δn2。
其中r1为5μm-50μm，
r2-r1为3μm～20μm，
Δn2为-1.0×10-4～-100×10-4；
优选的，所述稀土掺杂大模场光纤的纤芯相对内包层的折射率差Δn1呈类梯形分布，纤芯中任意一点的折射率分布与该点至纤芯中心的距离之间的关系满足：
其中Δn11为纤芯折射率最大值，位于纤芯区域中心位置；
Δn10为纤芯折射率最小值，位于纤芯区域边缘位置；
Δn11>Δn10>0；
a为纤芯折射率分布最大区域的半径，r1/3<a＜2r1/3。
优选的，所述稀土掺杂大模场光纤，其所述纤芯相对于所述内包层的有效数值孔径范围为0.04-0.11；更优选的，其所述纤芯相对于所述内包层的有效数值孔径范围为0.05-0.08；
优选的，所述纤芯相对所述内包层在工作波长的光纤归一化频率常数(V值)≥3.0。
优选的，所述稀土掺杂大模场光纤，其所述纤芯中的稀土离子为镱离子，纤芯中还包括铝、磷、氟、铈等共掺元素；
优选的，所述稀土掺杂大模场光纤，其所述凹陷层为掺氟石英玻璃，掺氟量为0.1mol％～8mol％；
优选的，所述稀土掺杂大模场光纤，其所述外包层为纯石英玻璃，且为正八边形，其内切圆的半径范围62.5μm～400μm。
在选取中，所述内包层相对所述外包层的数值孔径的范围为0.20～0.50之间。
由于与以上所述相同的目的，本发明还提供了一种基于改进的化学气相沉积法结合溶液浸泡工艺用于制造上述稀土掺杂大模场光纤的方法，纤芯的折射率与稀土离子及共掺元素的浓度相关，在保证稀土离子局域环境和分散性的前提下，采用沿纤芯中心向外逐渐降低的稀土离子及共掺元素的办法，实现纤芯梯度折射率分布，具体包括以下步骤：
1.组分设计
根据光纤的结构设计，分别确定凹陷层和纤芯的掺杂元素和掺杂量。
凹陷层折射率率低于内包层纯石英，该部分的掺杂元素提供负折射率，优选的掺杂元素为F-元素；凹陷层的折射率由掺F-量决定。
纤芯的掺杂元素包括Yb3+，Al3+，P3+，F-，Ce3+等，优选的纤芯组分为：xYb2O3·(mx)Al2O3·(nx)P2O5·yF·[100-(1+m+n)x-y]SiO2(0.1<x<0.4)；
其中x和y分别为Yb3+和F-离子的掺杂量，
m，n为常数；mx和nx分别为Al和P的掺杂量，与Yb3+的含量成一定比例关系，提高Yb3 +的分散性；根据特定的需求可用部分Ce3+替代Yb3+。
掺杂元素对纤芯折射率的贡献：Δn1＝C1(m,n)·x-C2·y；
其中C1(m,n)是与m、n相关的参量，表示Yb/Al/P元素对纤芯折射率的贡献；
C2表示F-元素对纤芯折射率的贡献。
分层掺杂时可通过逐步增加Yb/Al/P掺杂量，或通过调节F-的掺杂量形成梯度折射率分布；优选的通过调节Yb/Al/P掺杂量形成梯度折射率分布。
2.制备工艺
首先是在沉积管内制备凹陷层，该部分的掺杂元素只有F-；根据上一步确定的组分和目标光纤尺寸参数确定F-的掺杂量和凹陷层的沉积厚度；
其次是纤芯的制备，纤芯的制备过程中，在确定Yb3+离子和Al、P共掺元素配比之后，根据纤芯目标折射率和纤芯直径，确定分步掺杂沉积的层数和每一层沉积时各气体流量和浸泡时溶液浓度，形成纤芯梯度折射率分布；
将沉积了凹陷层和纤芯的沉积管径向塌缩成圆形预制棒；
拉伸和套管调节所述圆形预制棒的纤芯和包层比例，使其可满足设计目标要求；
将调节后的圆形预制棒进行加工，获得所需的包层直径和包层形状；
将加工好的光纤预制棒拉丝，并涂覆所述外包层和保护层，制成稀土掺杂且带有凹陷包层的双包层光纤。
有益效果：总体而言，通过本发明构思的以上技术方案与现有的技术相比，结合包层凹陷结构和纤芯梯度折射率分布设计，能够取得以下有益效果：
(1)纤芯梯度折射率分布，纤芯中心区域折射率高，边缘位置折射率低，增大基模和高阶模之间的有效折射率的差，降低二者间耦合的几率，另一方面在大模场光纤中，基模位于纤芯的中心区域位置，而高阶模则位于相对靠纤芯边缘的位置，纤芯梯度折射率分布对光纤的基模影响有限，但大幅降低了高阶模的有效数值孔径，增加了其实际使用时的弯曲损耗，抑制了高阶模的产生，两方面均有利于稀土掺杂大模场光纤模式不稳定阈值的提升；
(2)纤芯梯度折射率分布由掺杂元素的量控制，中心区域折射率高，稀土离子掺杂量多，边缘区域折射率低，稀土离子掺杂量少。基模主要分布在纤芯的中心区域，而高阶模主要分布在纤芯的边缘区域，纤芯掺杂梯度分布，使得基模的增益较大，而使高阶模增益相对较小，有利于大模场光纤中基模占主导，促进稀土掺杂大模场光纤模式不稳定阈值的提升；
(3)凹陷包层由于靠近高阶模所在区域而远离基模，该设计可以在对基模几乎不产生影响的情况下进一步减小高阶模有效折射率，增加高阶模的弯曲损耗，抑制模式不稳定性现象；甚至在一定的条件下，可以使得光纤从支持高阶模传输变成不支持高阶模传输，完全消除模式不稳定性现象；
(4)所述的高亮度稀土掺杂大模场光纤的设计和制作基于普通阶跃型稀土掺杂光纤的基础稍加改进，光纤结构简单，光纤的使用与原有双包层光纤一致，适用于规模化生产和使用。
附图说明
附图1：本发明提供的高亮度稀土掺杂大模场光纤的结构示意图；
附图2：本发明实施例提供的一个高亮度稀土掺杂大模场光纤的纤芯和凹陷层折射率分布示意图；
附图3：本发明实施例提供的一个高亮度稀土掺杂大模场光纤的纤芯和凹陷层折射率分布的测试结果；
附图4：用于测试本发明实施例提供的高亮度稀土掺杂大模场光纤的光纤放大器结构示意图
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此次所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的范围。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
根据本发明的实施例，大模场光纤是指纤芯尺寸较大，理论上支持除基模之外的少量高阶模传输。但实际使用时，高阶模弯曲损耗很大而被抑制，大模场光纤的输出以基模为主，仍可以保持近单模输出。一般来说，这种大模场光纤的归一化频率常数一般大于3。
根据本发明的实施例，增大光纤的纤芯尺寸增大，需降低纤芯的有效数值孔径平衡光纤的归一化频率常数，使得光纤始终处于少模工作状态，以保证获得高亮度的激光输出。
特别的，纤芯有效数值孔径的减小，会引起光纤弯曲损耗的增大，根据本发明的特定实施例，纤芯的有效数值孔径以及凹陷层的宽度和深度需选择适当，具体实施例中，选择以下详述参数以保证光纤使用时的弯曲直径不大于20cm，更优的光纤弯曲直径控制在10cm～15cm之间。
本发明实施例提供一种高亮度稀土掺杂大模场光纤，如图1所示，该稀土掺杂大模场光纤从中心开始依次包括：纤芯1、围绕纤芯的凹陷层2、围绕凹陷层的内包层3、包围内包层的外包层4以及保护层5。
在选取中，所述内包层相对所述外包层的数值孔径的范围为0.20～0.50之间。
其中，纤芯为至少包含有Yb、Er、Tm、Ho中的一种或几种元素的组合稀土掺杂石英玻璃，纤芯折射率呈梯度分布，纤芯的中心折射率高，边缘折射率低。优选的，纤芯折射率分布曲线沿纤芯半径向外呈类抛物线型、类指数型、类梯形或类高斯型分布等任意一种梯度折射率分布。更优选的，纤芯折射率分布呈类指数型分布。
凹陷层为一种低折射率的石英玻璃，凹陷层的折射率不仅低于纤芯折射率，也低于内包层的折射率。纤芯、凹陷层和内包层之间的相对折射率关系满足纤芯>内包层>凹陷层。
为方便介绍本发明技术方案，对本发明中的相关术语进行定义和解释如下：
纤芯：半径为r1且纤芯相对于内包层的折射率差的分布为Δn1，如图2所示。
半径r1指从光纤中心到稀土离子掺杂区域边缘的径向距离；
纤芯相对于内包层的折射率差Δn1分布呈类梯形分布，纤芯中任意一点的折射率分布与该点至纤芯中心的距离之间的关系满足：
Δn11为纤芯折射率梯度分布的最大值，位于纤芯中心区域位置；
Δn10为纤芯折射率梯度分布的最小值，位于纤芯区域边缘r1位置；
Δn11>Δn10>0；
a为纤芯折射率分布最大区域的半径，a≤r1；
凹陷层：外缘半径为r2且凹陷层相对于内包层的折射率差为Δn2，如图2所示。
外缘半径r2指从光纤中心到凹陷层外边缘的径向距离；
凹陷层的折射率Δn2<0；
凹陷层的宽度为r2-r1；
纤芯有效数值孔径NA：表示纤芯对入射的光的接受能力，在材料基质确定的条件下，由纤芯和包层的折射率差决定。根据本发明的实施例，光纤包层基质材料为纯石英玻璃，在1μm附近的折射率为1.44～1.45，则
其中<Δn1>表示纤芯的有效折射率差；
根据本发明的实施例，稀土掺杂大模场光纤的纤芯其相对于所述内包层的有效数值孔径范围为0.04～0.11；相对应的<Δn1>的范围约6×10-4～45×10-4；优选的，纤芯折射率相对于所述内包层的有效数值孔径范围为0.05-0.08；相对应的<Δn1>的范围约为8×10-4～22×10-4；
根据本发明的实施例，通过给定的光纤数值孔径确定的<Δn1>值，Δn10和Δn11在<Δn1>附近选择，Δn11的范围约为<Δn1>≤Δn11<1.2×<Δn1>；Δn10的范围约为0.6×<Δn1><Δn10≤<Δn1>；
根据本发明的实施例，纤芯梯度折射率分布需选择适当，既可抑制高阶模但又几乎不对基模产生影响。在具体实施例中，边缘位置折射率与中心区域折射率比值Δn10/Δn11的范围为50％-90％，优选范围为60％-80％；纤芯梯度折射率分布的最大区域a的占比a/r1的范围为20％-70％，优选范围为30％-60％。
根据本发明的实施例，稀土掺杂大模场光纤纤芯半径r1范围5μm-50μm；
根据本发明的实施例，稀土掺杂大模场光纤纤芯中的稀土离子为镱离子，纤芯中还包括铝、磷、氟、铈等共掺元素；
根据本发明的实施例，凹陷层为掺氟石英玻璃；
根据本发明的实施例，凹陷层的宽度r2-r1范围为1-20μm，优选的为3-10μm；
根据本发明的实施例，凹陷层的折射率Δn2的范围为-1.0×10-4～-100×10-4，优选的为-10×10-4～-50×10-4
根据本发明的实施例，内包层为纯石英玻璃，且为正八边形，其内切圆的半径范围62.5μm～400μm，内包层相对所述外包层的数值孔径的范围为0.20～0.50之间。
根据本发明的实施例，稀土掺杂大模场光纤还包括围绕内包层的低折射率外包层和围绕外包层的保护层。
为充分说明本发明设计提供的稀土掺杂大模场光纤的优点，下面将按照本发明设计的稀土掺杂大模场光纤与常规的阶跃型双包层稀土掺杂光纤的模式传输特性进行比较，所涉及的光纤均为1μm波段的镱离子掺杂的光纤，包括14/250μm、20/400μm和25/400μm等，下面的表格中各参数定义如下：
纤芯半径r1；
纤芯中心区域最大折射率Δn11；
纤芯折射率分布最大区域的半径a；
纤芯边缘位置最低折射率Δn10；
凹陷层宽度r2-r1；
凹陷层折射率Δn2；
LP01：光纤基模；
LP11：光纤第一高阶模；
D：光纤的宏弯直径；
BL：在波长1080nm处光纤的弯曲损耗
实施例1～4：光纤尺寸14/250μm，纤芯数值孔径0.07大模场光纤，则<Δn1>≈16.9×10-4；
表1列出了该参数条件下常规阶跃光纤和按照本发明实施的4个光纤的模式传输特性；
表1常规阶跃光纤和实施例1～4中光纤的模式传输特性
表中“/”表示该项不存在，其中LP11模式下的“/”表示光纤理论上不支持高阶模传输。
对比比较例和实施例可知：
1.比较例和所有实施例中，在相近的光纤参数条件下，包括纤芯尺寸和数值孔径，在1080nm处，光纤基模LP01损耗较小，可以传输，而高阶模LP11的弯曲损耗较大会被抑制或者不存在；
2.相比于比较例，实施例采用凹陷包层可以使得高阶模式LP11在理论上不存在，实现绝对的单模传输，更有利于改善光束质量并使得光纤功率提升不再受限于模式不稳定现象；
3.实施例3在纤芯尺寸更大的情况下，高阶模虽再次出现，但仍具有与比较例相当的传输特性；在实施例3的基础上，实施4通过进一步降低凹陷层的折射率，再次使得光纤实现了绝对单模输出。表明采用本发明的实施方案不仅有利于实现14/250μm大模场光纤高光束质量、高功率激光输出，而且能降低对光纤参数偏差的要求，更有利于光纤批量制作并提升光纤批次间的一致性和可靠性。
实施例5～9：光纤尺寸20/400μm，纤芯数值孔径0.065大模场光纤，则<Δn1>≈14.5×10-4；表2列出了该参数条件下常规阶跃光纤和按照本发明实施的5个光纤的模式传输特性；
表2常规阶跃光纤和实施例5～9中光纤的模式传输特性
对比比较例和实施例可知：
1.比较例和所有实施例中，在相近的纤芯尺寸和数值孔径条件，在1080nm处，光纤基模LP01均具有可忽略的弯曲损耗，可以传输；
2.但高阶模式LP11，在相同的弯曲条件下，实施例弯曲损耗要比阶跃型的比较例高接近2个数量级，即在实施例中高阶模具有更低的有效折射率；
3.这表明在LP01模式特性相近的情况下，一方面的实施例对高阶模的抑制作用更明显；另一方面实施例中高阶模式的有效折射率更低，使得基模和高阶模之间的耦合几率也更低，两方面均有利于提升光纤激光输出的光束质量和模式不稳定阈值；
4.凹陷层的折射率和宽度变化会对光纤的高阶模损耗产生一定的影响，但相比比凹陷层结构设计带来的影响，凹陷层的折射率和宽度变化带来的影响有限。
实施例10～15：光纤尺寸25/400μm，纤芯数值孔径0.060大模场光纤，则<Δn1>≈12.4×10-4；
表3列出了该参数条件下常规阶跃光纤和按照本发明实施的6个光纤的模式传输特性；
表3常规阶跃光纤和实施例10～15中光纤的模式传输特性
对比比较例和实施例可知：
1.相比于普通阶跃型光纤，25/400μm光纤的凹陷层和纤芯梯度折射率分布设计带来的影响和20/400μm光纤基本一致。本发明提供的设计方案有利于大幅提升光纤激光输出的光束质量和模式不稳定阈值；
2.此外，值得一提的是，普通阶跃型25/400光纤理论上支持LP01、LP11、LP02和LP21四个模式传输，而采用本发明提供的25/400大模场光纤理论上只支持LP01和LP11模，光纤容纳的模式量减小显然有利于模式不稳定阈值提升。
光纤制作方法
由于与以上所述相同的目的，本发明还提供了一种基于改进的化学气相沉积法结合溶液浸泡工艺用于制造上述高亮度稀土掺杂大模场光纤的方法，具体包括以下步骤：
1.组分设计：
根据光纤的结构设计，分别确定凹陷层和纤芯的掺杂元素和掺杂量。
凹陷层折射率率低于内包层纯石英，该部分的掺杂元素提供负折射率，优选的掺杂元素为F-元素；凹陷层的折射率由掺F-量决定。
纤芯的掺杂元素包括Yb3+，Al3+，P5+，F-，Ce3+/4+等，其中P3+，F-通过汽相沉积的方式掺杂，Yb3+，Al3+，Ce3+/4+通过溶液浸泡的方式掺杂。优选的纤芯组分为：xYb2O3·(m*x)Al2O3·(n*x)P2O5·y F·[100-(1+m+n)x-y]SiO2(0.1<x<0.4)；其中x和y分别为Yb3+和F-离子的掺杂量，m*x和n*y分别为Al3+和P5+的掺杂量，与Yb3+的含量成一定比例关系，主要用来提高Yb3+的分散性，F-离子则用来调节纤芯折射率；根据特定的需求可用部分Ce3+/4+替代Yb3 +。结合各元素对纤芯折射率的贡献：Δn1＝C1(m,n)·x-C2·y；其中C1(m,n)是与m、n相关的参量，表示Yb3+/Al3+/P5+对纤芯折射率的贡献，C2表示F-离子对纤芯折射率的贡献。分层掺杂时可通过逐步增加Yb3+/Al3+/P5+掺杂量，或通过调节F-离子的掺杂量形成梯度折射率分布；优选的通过调节Yb3+/Al3+/P5+掺杂量形成梯度折射率分布。
2.制备工艺：
首先是在沉积管内制备凹陷层，该部分的掺杂元素只有F-；根据上一步确定的组分和目标光纤尺寸参数确定F-的掺杂量和凹陷层的沉积厚度；
其次是纤芯的制备，纤芯的制备过程中，在确定Yb3+离子和Al、P共掺元素配比的之后，分层掺杂时逐步增加掺杂元素的量，形成纤芯梯度折射率分布；根据纤芯目标折射率和纤芯直径，确定分步掺杂沉积的层数和每一层沉积时各气体流量和浸泡时溶液浓度。
将沉积了凹陷层和纤芯的沉积管径向塌缩成圆形预制棒；
拉伸和套管调节所述圆形预制棒的纤芯和包层比例，使其可满足设计目标要求；
将调节后的圆形预制棒进行加工，获得所需的包层直径和包层形状；
将加工好的光纤预制棒拉丝，并涂覆所述外包层和保护层，制成稀土掺杂且带有凹陷包层的双包层光纤。
下面为根据本发明制备高亮度Yb掺杂大模场光纤的具体工艺实施过程，光纤参数如下：光纤参数为：纤芯直径20μm，凹陷层宽度约5μm，内包层直径400μm，正八边形；纤芯有效数值孔径约0.06，其中纤芯中心区域位置最大折射率差Δn11约14×10-4，纤芯边缘位置折射率差Δn10约10×10-4，凹陷层的折射率差Δn2约-20×10-4。首先确定凹陷层的掺杂元素为F-，掺杂量约为0.06mol％可达到目标折射率要求，其次确定纤芯的组分为的xYb2O3·(10*x)Al2O3·(13*x)P2O5·y F·[100-24x-y]SiO2，其中m和n分布为10和13，可满足稀土离子分散性要求，此时纤芯折射率Δn1＝0.008x-0.033y。再根据纤芯梯度折射率分布的要求，分五层掺杂，固定F-元素的掺杂量y＝0.0152，通过控制五层掺杂工艺过程中的x调节五层折射率；根据目标光纤要求，从纤芯边缘往中心，光纤折射率逐渐增大，其中第四层和第五层折射率相等，为纤芯中心区域，五层的目标折射率差分别为第一层10×10-4，第二层11.3×10-4，第三层12.7×10-4，第四层14×10-4，第五层14×10-4；则第一层x＝0.1877；第二层x＝0.2039；第三层x＝0.2215；第四层x＝0.2377；第五层x＝0.2377，稀土离子的含量逐渐增大，纤芯基模区域增益大，而边缘高阶模区域增益相对较小。
确定凹陷层和纤芯掺杂量后，根据光纤制备工艺制作的Yb掺杂大模场光纤的纤芯折射率分布如图3所示，光纤的共掺元素中包含P3+，F-等挥发性共掺元素，当纤芯成分中包含上述元素时，在疏松体缩棒时易造成纤芯中心形成凹坑。一方面通过控制缩棒时的温度、气流、缩棒速度等参数尽可能减小中心凹坑，另一方面，实际测量表明挥发性元素导致的中心凹坑不影响纤芯稀土离子梯度分布，其对纤芯折射率分布的影响也几乎可忽略不计。
为充分说明本发明实施例提供的凹陷包层和纤芯梯度折射率分布的稀土掺杂大模场光纤的优点，搭建如图4所示的光纤放大器，该放大器采用稳定的全光纤化单模种子激光加一级放大的主控振荡器的功率放大器，种子为基于10/130μmYb掺杂光纤制作的光纤激光振荡器，中心波长1080nm，输出功率0-70W可调，光束质量因子M2<1.1。种子光经模场适配器，包层模滤除器，从正向合束器的信号端注入待测光纤，主放大器采用976nm双端泵浦，正反泵浦功率比例2:3，最大可提供约4.5kW泵浦功率。放大的信号光经反向合束器信号端、包层模滤除器之后，从尾端的端帽输出。该结构可测试激光输出功率、效率、光束质量及模式不稳定现象。当输出时域信号变换至频域时，出现随机的高频信号即可判断出现了模式不稳定现象。此时进一步增加泵浦功率，输出功率会出现滞涨。
采用图4所示的光纤放大器结构，在保持其他元器件结构完全不变的情况下，分别对本发明提供的高亮度稀土掺杂大模场光纤和同样规格的常规阶跃型稀土掺杂大模场光纤进行测试，两光纤具有相同的纤芯、包层直径和有效数值孔径，测试内容包括输出功率、效率、光束质量、模式不稳定现象等。
实施例：制备的大模场光纤满足本发明提出的特征要求，如表3所示。光纤参数为：纤芯直径20μm，凹陷层宽度约5μm，内包层直径400μm，正八边形；纤芯有效数值孔径约0.06，其中纤芯中心区域位置最大折射率差Δn11约14×10-4，纤芯边缘位置折射率差Δn10约10×10-4，凹陷层的折射率差Δn2约-23×10-4。包层吸收系数约0.36dB/m@915nm；约1.2dB/m@976nm，取光纤长度约13.6m，此时待测光纤对泵浦波长976nm的总吸收达16.3dB，可充分吸收泵浦光并转换为信号光。在种子功率约50W条件下，测试光纤的放大情况，光纤弯曲直径11.5cm，测试结果如表4所示。在最大泵浦约4.5kW时，输出功率3890W，光光效率85.3％，最大输出功率时光束质量因子M2≈1.2，整个放大的过程中并未监测到出现模式不稳定现象的信号，受限于可用的泵浦功率，光纤的最大输出功率可进一步增加。
比较例：比较例为制备的常规阶跃型掺镱大模场光纤，光纤参数为：纤芯直径20μm，内包层直径400μm，正八边形；纤芯数值孔径约0.06。包层吸收系数约0.40dB/m@915nm；约1.3dB/m@976nm，取光纤长度约12.6m，此时待测光纤对泵浦波长976nm的总吸收达16.4dB，可充分吸收泵浦光并转换为信号光。在种子功率约50W条件下，测试光纤的放大情况，光纤弯曲直径11.5cm，测试结果如表4所示。当光纤输出功率达到约1865W时，监测到模式不稳定现象，此后进一步增大泵浦功率，放大器光光效率降低，功率滞涨现象。在放大器输出功率约1700W时，测得输出激光的光束质量因子约M2≈1.35。
表4：实施例与比较例测试结果
最大输出功率/W 受限因素 光光效率 光束质量因子M2
实施例 3890 可用泵浦 85.3％ 1.3
比较例 1865 模式不稳定 84.4％ 1.6
对比可知：
1.实施例显著的提升了光纤的模式不稳定阈值，大幅的提升光纤的激光输出能力；
2.实施例在更高的输出功率水平条件下，具有更好的光束质量，说明实施例中输出激光的高阶模成分要低于比较例，即实施例具有更好的高阶模抑制能力，因而能改善光束质量并提高模式不稳定阈值。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种高亮度稀土掺杂大模场光纤，其特征在于：所述稀土掺杂大模场光纤从中心到外依次包括：纤芯(1)，围绕纤芯(1)的凹陷层(2)，包围所述凹陷层(2)的内包层(3)，围绕所述内包层的外包层(4)以及保护层(5)；
所述纤芯、所述凹陷层和所述内包层之间的相对折射率关系满足：
所述凹陷层(2)折射率<所述内包层(3)折射率<所述纤芯(1)边缘或中心折射率。
2.如权利要求1所述的一种高亮度稀土掺杂大模场光纤，其特征在于，所述纤芯(1)为至少包含有稀土元素镱、铒、铥、钬中的一种或几种的组合掺杂石英玻璃。
3.如权利要求1所述的一种高亮度稀土掺杂大模场光纤，其特征在于，所述纤芯(1)包含有镱离子，且纤芯(1)中还包括铝、磷、氟、铈共掺元素。
4.如权利要求1所述的一种高亮度稀土掺杂大模场光纤，其特征在于，所述凹陷层(2)材质为掺氟石英玻璃，其中掺氟量为0.1mol％～8mol％。
5.如权利要求1所述的一种高亮度稀土掺杂大模场光纤，其特征在于，所述外包层(4)为纯石英玻璃，边缘为正八边形，且其内切圆的半径范围为62.5μm～400μm。
6.如权利要求1所述的一种高亮度稀土掺杂大模场光纤，其特征在于，所述纤芯(1)折射率从中心至边缘呈梯度分布。
7.如权利要求6所述的一种高亮度稀土掺杂大模场光纤，其特征在于，纤芯(1)折射率分布从中心至边缘呈曲线类抛物线型，或类指数型，或类梯形，或类高斯型下降分布。
8.如权利要求7所述的一种高亮度稀土掺杂大模场光纤，其特征在于，所述纤芯(1)相对于所述内包层(3)的折射率差Δn1呈类梯形分布，纤芯(1)中任意一点的折射率分布与该点至纤芯(1)中心的距离之间的关系满足：
其中，
r1为所述纤芯(1)的半径；
Δn11为纤芯(1)折射率最大值，位于纤芯区域中心位置；
Δn10为纤芯(1)折射率最小值，位于纤芯区域边缘位置；
Δn11>Δn10>0；
a为纤芯折射率分布最大区域的半径，且r1/3<a＜2r1/3。
9.如权利要求1-8任一所述的一种高亮度稀土掺杂大模场光纤，其特征在于，所述纤芯(1)的半径r1为5μm-50μm；所述凹陷层(2)的外缘半径r2，满足r2-r1为3μm～20μm。
10.如权利要求1-8任一所述的一种高亮度稀土掺杂大模场光纤，其特征在于，所述纤芯(1)相对于所述内包层(3)的有效数值孔径范围为0.05～0.08；所述内包层(3)相对所述外包层(4)的数值孔径的范围为0.20～0.50。
11.如权利要求1-8任一所述的一种高亮度稀土掺杂大模场光纤，其特征在于，所述凹陷层(2)相对于所述内包层(3)的折射率差Δn2为-1.0×10-4～-100×10-4，所述纤芯(1)相对于所述内包层(3)的折射率差Δn1为8×10-4～22×10-4。
12.如权利要求1-8任一所述的一种高亮度稀土掺杂大模场光纤，其特征在于，所述纤芯(1)相对所述内包层(3)在工作波长的光纤归一化频率常数(V值)≥3.0。
13.一种高亮度稀土掺杂大模场光纤的制备方法，其特征在于，包括：
步骤S1.确定组分：
纤芯组分为：xYb2O3·(mx)Al2O3·(nx)P2O5·yF·[100-(1+m+n)x-y]SiO2(0.1<x<0.4)；其中x和y分别为Yb3+和F-离子的掺杂量，m，n为常数；mx和nx分别为Al和P的掺杂量，与Yb3+的含量成一定比例关系，提高Yb3+的分散性；根据特定的需求可用部分Ce3+替代Yb3+；
掺杂元素对纤芯折射率的贡献：Δn1＝C1(m,n)·x-C2·y；
其中C1(m,n)是与m、n相关的参量，表示Yb/Al/P元素对纤芯折射率的贡献；
C2表示F-元素对纤芯折射率的贡献；
分层掺杂时可通过逐步增加Yb/Al/P掺杂量，或通过调节F-的掺杂量形成梯度折射率分布；
步骤S2.制备过程：
在沉积管内制备凹陷层，掺杂元素F-；
根据S1确定的组分和目标光纤尺寸参数，确定F-的掺杂量和凹陷层的沉积厚度；
根据纤芯目标折射率和纤芯直径，确定分步掺杂沉积的层数和每一层沉积时各气体流量和浸泡时溶液浓度，形成纤芯梯度折射率分布；
将沉积了凹陷层和纤芯的沉积管径向塌缩成圆形预制棒；
拉伸和套管调节所述圆形预制棒的纤芯和包层比例，使其可满足设计目标要求；
将调节后的圆形预制棒进行加工，获得所需的包层直径和包层形状；
将加工好的光纤预制棒拉丝，并涂覆所述外包层和保护层，制成稀土掺杂且带有凹陷包层的双包层光纤。
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