CN118198838A - 一种全固态反谐振光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全固态反谐振光纤及其制备方法，该光纤能有效抑制Er/Yb共掺光纤中的Yb3+引起的1μm波段放大自发辐射(ASE)，并保持1.5μm波段大模场单模传输；所述的全固态反谐振光纤包括纤芯(1)、内包层(2)和高折圆环(3)，所述的高折圆环数量不少于五个；同时提出了一种打孔结合管棒技术路线来实现低成本且高效的全固态反谐振光纤拉制；该光纤在面向人眼安全的1.5μm波段高功率光纤激光器和放大器中，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于高功率光纤激光器及放大器领域，具体涉及一种全固态反谐振光纤及其制备方法，具有1μm波段传输抑制作用。
背景技术
1.5μm波段的高功率光纤激光器，广泛应用于自由空间通信、激光雷达、传感和国防等领域，主要依赖于Er3+离子的4I13/2到4I15/2电子能级跃迁。为了进一步提高输出功率，通常采用Yb3+离子作为敏化剂，提高泵浦吸收效率。然而，Yb3+离子在～1μm波段的ASE和寄生振荡，限制了功率的提升。在297W高功率放大实验中观察到了明显的Yb ASE现象。
目前抑制Yb ASE的方法主要有两种：一是增加EYDF中的NEr/NYb比例，提高Er3+离子对激发态Yb3+离子的能量接受率，使用空间光泵浦实现了单模302W的输出功率，然而该结构不是全光纤结构，激光器系统较为复杂。二是优化光纤激光器的结构配置，报告的最高输出功率为345W，通过引入30μm ASE，明显抑制了～1μm ASE。这需要引入额外的无源器件，使得激光系统复杂化，限制了其广泛应用。其他方案，如同带泵浦、偏峰泵浦、～1μm辅助种子、Yb-波段光纤布拉格光栅、全固态光子带隙光纤等，也存在激光器结构复杂化且功率指标未达到领先的问题，难以满足需求。因此，一种结构简单且具有1μm波段抑制效果的Er/Yb共掺光纤成为研究的热点。
全固态反谐振光纤兼具大模场单模传输及分布式滤波的特性。大的模场面积可减轻高功率激光应用中的非线性效应和功率密度，分布式滤波特性有望实现1μm波段的传输抑制。与空芯反谐振光纤不同，全固态反谐振光纤采用实心玻璃芯，便于与其他光纤熔接。此外，全固态反谐振光纤具有低损耗、宽透射窗口和高的高阶模抑制比等优点。近年来，有学者对全固态反谐振光纤的设计、制备和性能进行了一些理论研究，主要集中在实现大模场面积和单模传输的目标上。全固态反谐振光纤可实现纤芯直径为40～100μm的大模场单模传播。然而，上述模拟均缺乏实验数据且未涉及具体的制备工艺。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明涉及一种具有1μm波段传输抑制作用的全固态反谐振光纤及其制备方法，在Er/Yb共掺光纤中引入反谐振结构，来实现对Yb ASE的抑制。同时提出了一种打孔结合管棒技术路线来实现低成本且高效的全固态反谐振光纤拉制。该光纤能够有效地抑制EYDF中的Yb ASE和寄生振荡，同时保持大模场单模传输，适用于高功率光纤激光器和放大器领域。同时具有成本低、易制备大尺寸等优势，并提供相应的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种抑制Yb ASE的全固态反谐振光纤，其特点在于，自内向外包括纤芯(1)、内包层(2)、高折圆环(3)，其中所述的纤芯为Er/Yb共掺或纯石英玻璃，内包层为纯石英玻璃，高折圆环为掺Ge石英玻璃；纤芯、内包层和高折圆环折射率分别为ncore，nclad和nt；且nt＞nclad≈ncore，所述高折圆环的壁厚t，满足如下条件：
在本发明中，所述的纤芯(1)为高折圆环(3)的内切圆区域，纤芯为Er/Yb共掺或纯石英玻璃；纤芯直径的范围为20～100μm，纤芯玻璃与内包层玻璃的折射率差值的范围为0～2×10-4。
在本发明中，所述的高折圆环(3)的数量不少于五个，且均匀分布在纤芯周围的包层中，形成一个正多边形的结构；高折圆环与内包层玻璃的折射率差范围为0.02～0.2；
在本发明中，所述的高折圆环(3)内径与纤芯(1)直径比为0.6-0.75，最佳直径比为0.68；壁厚的范围为1～5μm。
在本发明中，所述的内包层(2)外径范围为125-400μm。
在本发明中，所述的纤芯(1)玻璃为Er/Yb共掺或纯石英玻璃；Er/Yb共掺玻璃其主要成分包含SiO2、0.02～0.2mol％Er2O3，0.2～2mol％Yb2O3，5～15mol％P2O5及额外引入0.2～2wt％的F元素；高浓度掺杂P元素可以有效提高Yb到Er的能量传递效率，F元素用于降低纤芯折射率，使纤芯折射率比内包层纯石英玻璃低0～2×10-4。
在本发明中，所述的高折圆环(3)玻璃主要成分为SiO2和0.2～3wt％GeO2，共掺杂Ge元素来实现高折圆环的折射率比内包层纯石英玻璃高0.02～0.2。
本发明提供一种Er/Yb共掺全固态反谐振光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)通过溶胶凝胶结合高温真空熔融工艺制备Er/Yb共掺石英纤芯玻璃，作为预制棒的芯棒；首先按照摩尔百分比称量原料并配制溶液，玻璃中的SiO2由硅醇盐引入、Er2O3由六水合氯化铒引入，Yb2O3由六水合氯化镱引入，P2O5由磷酸引入，F由六氟硅酸铵引入；将上述原料溶解在特定配比的水/有机溶剂中，经过2～10小时充分搅拌,获得Er/Yb共掺氧化硅透明溶胶液,再静置至其凝胶化；上述氧化硅凝胶经过除碳和脱羟基后，进一步进行球磨处理获得粒径100μm以下的氧化硅粉体；将上述粉体置于1650-2000℃的高温真空炉中进行熔融，制得均匀性良好的大尺寸纤芯玻璃；经过加工及抛光处理获得Er/Yb共掺玻璃芯棒，对应图1中的纤芯(1)。
(b)通过等离子体气相沉积(PCVD)工艺在纯石英玻璃毛细管内部沉积掺Ge石英玻璃，来获得高折圆环，对应图1中的高折圆环(3)；之后在其内部插入纯石英圆棒；经过拉丝塔高温缩棒，获得带有高折圆环的复合玻璃细棒复合玻璃细棒，并切割成多段。
(c)在纯石英玻璃棒的中心及外围至少五个位置进行打孔抛光处理，对应图1中的内包层(2)；
(d)将复合玻璃细棒插入内包层(2)的外围孔中，Er/Yb共掺玻璃棒插入内包层(2)的中心孔中，制成光纤预制棒；
(e)将光纤预制棒夹持在光纤拉丝塔的送料端，并将其下端下降至拉丝加热炉的高温位置；等待预制棒掉料后，将加热炉的温度降至2000℃的拉丝温度，并开启拉丝牵引轮，以10m/min的速度拉制光纤，等待光纤的外径符合要求后，开启涂敷装置和紫外固化炉，在光纤表面涂覆一层低折射率的涂覆层，将拉制的全固态反谐振光纤通过收丝机盘绕在光纤盘上。
本发明还提供一种无稀土掺杂全固态反谐振光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)通过等离子体气相沉积在纯石英玻璃毛细管内部沉积掺Ge石英玻璃，获得高折圆环，对应图1中的高折圆环(3)；在该高折圆环内部插入纯石英玻璃棒，经过拉丝塔高温缩棒获得带有高折圆环的复合玻璃细棒复合玻璃细棒，并切割成多段。
(b)在纯石英玻璃棒的中心及外围至少五个位置进行打孔抛光处理，对应图1中的内包层(2)；
(c)将复合玻璃细棒插入内包层(2)的外围孔中，制成光纤预制棒；
(d)将光纤预制棒夹持在光纤拉丝塔的送料端，并将其下端下降至拉丝加热炉的高温位置；等待预制棒掉料后，将加热炉的温度降至2000℃的拉丝温度，并开启拉丝牵引轮，以10m/min的速度拉制光纤，等待光纤的外径符合要求后，开启涂敷装置和紫外固化炉，在光纤表面涂覆一层低折射率的涂覆层，将拉制的全固态反谐振光纤通过收丝机盘绕在光纤盘上。
与现有技术相比，本发明的优点在于，
①设计和制备了一种新型的全固态反谐振光纤，高折圆环的壁厚满足 其可以有效抑制～1μm波段传输，同时保持1.5μm波段的大模场单模传输，进而减弱EYDF放大器中的Yb ASE和热负荷，提高其功率阈值。
②提出了一种先进、高效且低成本的全固态反谐振光纤制备方法；通过溶胶凝胶结合高温烧结技术制备纤芯玻璃，PCVD工艺制备高折圆环，最后结合打孔和管棒技术实现低成本和大规模生产，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明全固态反谐振光纤的结构示意图；
图2为本发明Er/Yb共掺全固态反谐振光纤的制备流程图；
图3为实施例无稀土掺杂的全固态反谐振光纤在0.3-2.0μm波长范围内的基模损耗谱；
图4是实施例无稀土掺杂的全固态反谐振光纤的电场分布图，其中(a)为LP01的电场分布图，(b)为LP11的电场分布图；
图5是实施例无稀土掺杂的全固态反谐振光纤的结构示意图；
图6是本发明的无稀土掺杂的全固态反谐振光纤的传输光谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
请参阅图1，图1为本发明全固态反谐振光纤的结构示意图，如图所示，一种全固态反谐振光纤，自内向外依次是纤芯(1)、内包层(2)、高折圆环(3)及涂覆层，所述纤芯(1)为Er/Yb共掺或无稀土掺杂石英玻璃，所述内包层(2)为纯石英玻璃，所述高折圆环(3)为掺锗(Ge)石英玻璃；所述纤芯、内包层和高折圆环玻璃的折射率分别为ncore，nclad和nt，且nt＞nclad≈ncore；所述高折圆环的壁厚t，满足如下条件：所述的纤芯(1)为高折圆环(3)的内切圆区域，纤芯(1)直径的范围为20～100μm，纤芯(1)与内包层玻璃(2)的折射率差值的范围为0～2×10-4。所述的高折圆环(3)的数量为六个，且均匀分布在纤芯(1)周围的包层中，形成一个正多边形的结构。
实施例1#：
本实例为一种Er/Yb共掺全固态反谐振光纤的制备方法如图2所示，详细步骤如下所述：
(a)按照组分SiO2-0.1Er2O3-1Yb2O3-10P2O5(mol％)称量原料并配置溶液，F引入的质量百分比为0.8wt％；将上述原料溶解在特定配比的水/有机溶剂中，经过5小时充分搅拌,再静置至其凝胶化；经过除碳和脱羟基后，进一步进行球磨处理获得粒径100微米以下的氧化硅粉体；将上述粉体置于1750℃的高温真空炉中进行熔融，制得大尺寸纤芯玻璃；经过加工及抛光处理获得外径4mm的Er/Yb共掺玻璃棒；最终实现纤芯玻璃折射率比纯石英玻璃折射率低2×10-5.
(b)通过等离子体气相沉积(PCVD)工艺在纯石英毛细管内部沉积掺Ge石英玻璃，来获得高折圆环，GeO2的质量分数为0.9wt％，其折射率比纯石英内包层大0.05；之后在内部插入纯石英圆棒，经过拉丝塔高温缩棒成外径4.1mm的复合玻璃细棒。
(c)在纯石英玻璃棒的中心及外围六个位置进行打孔抛光处理，得到内包层玻璃棒；中心孔直径为4mm，包层孔直径为4.1mm，孔间距为5mm。
(d)将Er/Yb共掺玻璃棒插入内包层的中心孔中，复合玻璃细棒插入包层孔中，得到光纤预制棒。
(e)将光纤预制棒夹持在光纤拉丝塔的送料端，并将其下端下降至拉丝加热炉的高温位置；等待预制棒掉料后，将加热炉的温度降至2000℃的拉丝温度，并开启拉丝牵引轮，以10m/min的速度拉制光纤，等待光纤的外径符合要求后，开启涂敷装置和紫外固化炉，在光纤表面涂覆一层低折射率的涂覆层，将拉制的全固态反谐振光纤通过收丝机盘绕在光纤盘上。
实施例2#：
本实例为一种无稀土掺杂全固态反谐振光纤的设计与制备方法，用于抑制EYDF放大器中Yb ASE。详细步骤如下所述：
(a)通过等离子体气相沉积(PCVD)工艺在纯石英毛细管内部沉积掺Ge石英玻璃，来获得高折圆环，GeO2的质量分数为0.9wt％，其折射率比纯石英内包层大0.05；之后在内部插入纯石英圆棒，经过拉丝塔高温缩棒成外径4.1mm的复合玻璃细棒，并切割成多段。
(b)在纯石英玻璃棒的中心外围的六个位置进行打孔抛光处理，得到内包层玻璃棒，包层孔的直径为4.1mm，孔间距为5mm。
(c)将复合玻璃细棒插入内包层的外围孔中，制成光纤预制棒；
(d)将光纤预制棒夹持在光纤拉丝塔的送料端，并将其下端下降至拉丝加热炉的高温位置；等待预制棒掉料后，将加热炉的温度降至2000℃的拉丝温度，并开启拉丝牵引轮，以10m/min的速度拉制光纤，等待光纤的外径符合要求后，开启涂敷装置和紫外固化炉，在光纤表面涂覆一层低折射率的涂覆层，将拉制的全固态反谐振光纤通过收丝机盘绕在光纤盘上。
图3是实施例无稀土掺杂的全固态反谐振光纤在0.3-2.0μm波长范围内计算的基模损耗谱。光纤结构参数：纤芯直径为40μm，高折圆环厚度为1.37μm及高折圆环内径与纤芯直径比为0.68。模拟结果表明，1030nm和1060nm处分别计算出439.9dB/m和547.1dB/m的泄漏损耗。对于EYDF的MOPA放大，该光纤在1-1.1μm波长范围内可以显著地抑制Yb ASE。此外，模拟表明在1550nm波长处实现了最宽的低损耗传输窗口及0.085dB/m的低损耗。
图4是实施例无稀土掺杂的全固态反谐振光纤的LP01和LP11的电场分布图。此时d/Dcore＝0.68，纤芯中的LP11模式会通过与包层模式的相位匹配耦合泄漏出来，HOM抑制比达到最大值31.1dB。
图5是实施例无稀土掺杂的全固态反谐振光纤的结构示意图。扫描电子显微镜下可以看出，该光纤结构完整，无明显缺陷或气泡。光纤外径为170μm，纤芯直径为43μm，高折圆环内径为23.1μm。
图6是本发明的无稀土掺杂的全固态反谐振光纤的传输光谱图。光纤长度为40cm。图5中插图为CCD摄像机记录的近场强度分布，光强分布为高斯型，符合图4中的模拟结果。纤芯中的能量最强，六个高折圆环中几乎没有能量。测量的透射光谱显示，1.5μm左右有一个较宽的透射窗口，1-1.1μm处有明显的泄漏损耗。1-1.1μm处的损耗比1.5μm处大40dB以上。
Claims (8)
1.一种全固态反谐振光纤，自内向外依次是纤芯(1)、内包层(2)、高折圆环(3)及涂覆层，其特征在于，所述纤芯(1)为Er/Yb共掺或无稀土掺杂石英玻璃，所述内包层(2)为纯石英玻璃，所述高折圆环(3)为掺锗(Ge)石英玻璃；所述纤芯、内包层和高折圆环玻璃的折射率分别为ncore，nclad和nt，且nt＞nclad≈ncore；所述高折圆环的壁厚t，满足如下条件：
2.根据权利要求1所述的全固态反谐振光纤，其特征在于，所述的纤芯(1)为高折圆环(3)的内切圆区域，纤芯(1)直径的范围为20～100μm，纤芯(1)与内包层玻璃(2)的折射率差值的范围为0～2×10-4。
3.根据权利要求1所述的全固态反谐振光纤，其特征在于，所述的高折圆环(3)的数量为大于或等于五个，且均匀分布在纤芯(1)周围的包层中，形成一个正多边形的结构。
4.根据权利要求1或3所述的全固态反谐振光纤，其特征在于，所述的高折圆环内径d与纤芯直径Dcore比值的范围为0.6～0.75。
5.根据权利要求4所述的全固态反谐振光纤，其特征在于，d：Dcore＝0.68。
6.根据权利要求1或4所述的全固态反谐振光纤，其特征在于，所述的高折圆环(3)的壁厚t范围为1～5μm，高折圆环(3)与内包层玻璃(2)的折射率差范围为0.02～0.1。
7.一种Er/Yb共掺全固态反谐振光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)通过溶胶凝胶结合高温真空熔制技术制备Er/Yb共掺石英玻璃，作为预制棒的芯棒，即纤芯(1)；
(b)通过等离子体气相沉积在纯石英玻璃毛细管内部沉积掺Ge石英玻璃，获得高折圆环(3)；在该高折圆环内部插入纯石英玻璃棒，经过拉丝塔高温缩棒，获得带有高折圆环的复合玻璃细棒复合玻璃细棒，并切割成多段；
(c)在纯石英玻璃棒的中心及外围至少五个位置进行打孔抛光处理，获得内包层(2)；
(d)将复合玻璃细棒插入内包层(2)的外围孔中，Er/Yb共掺石英玻璃插入内包层(2)的中心孔中，制成光纤预制棒；
(e)将所述光纤预制棒安放在拉丝塔上进行拉丝，其中控制拉丝的温度为1900～2300℃，选择合适的拉丝速度将其拉成一定尺寸的全固态反谐振光纤。
8.一种无稀土掺杂全固态反谐振光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)通过等离子体气相沉积在纯石英玻璃毛细管内部沉积掺Ge石英玻璃，获得高折圆环(3)；在该高折圆环内部插入纯石英玻璃棒，经过拉丝塔高温缩棒，获得带有高折圆环的复合玻璃细棒复合玻璃细棒，并切割成多段；
(b)在纯石英玻璃棒的中心及外围至少五个位置进行打孔抛光处理，得到内包层(2)；
(c)将复合玻璃细棒插入内包层(2)的外围孔中，制成光纤预制棒；
(d)将所述光纤预制棒安放在拉丝塔上进行拉丝，其中控制拉丝的温度为1900～2300℃，选择合适的拉丝速度将其拉成一定尺寸的全固态反谐振光纤。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202410158212.6A CN118198838A (zh) | 2024-02-04 | 2024-02-04 | 一种全固态反谐振光纤及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410158212.6A CN118198838A (zh) | 2024-02-04 | 2024-02-04 | 一种全固态反谐振光纤及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN118198838A true CN118198838A (zh) | 2024-06-14 |
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Family Applications (1)
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| CN202410158212.6A Pending CN118198838A (zh) | 2024-02-04 | 2024-02-04 | 一种全固态反谐振光纤及其制备方法 |
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-
2024
- 2024-02-04 CN CN202410158212.6A patent/CN118198838A/zh active Pending
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