專利名稱：一種大模場(chǎng)直徑負(fù)折射率單模玻璃光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及玻璃光纖，特別是一種大模場(chǎng)直徑負(fù)折射率單模玻璃光纖。
背景技術(shù)：
光纖激光以其優(yōu)異的模式在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)皿有廣泛的應(yīng)用前景，尤其在激 光切割、焊接等領(lǐng)域，高功率、大能量的激光顯得尤為重要。要提高光鄉(xiāng)輸出激光的功率或能量， 需要使用大模場(chǎng)直徑光纖。 一般對(duì)莫光纖的纖芯直徑僅有8 10um,很難實(shí)現(xiàn)較高功率的輸出。
目前常用的大模場(chǎng)直徑光纖多采用高階模泄漏方案，即通過(guò)彎曲光纖或X寸光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì) 使光纖中產(chǎn)生的高階模泄漏出光纖，如光子晶體光纖[Birks T A, Knight J C, Russell P St J. Endlessly single-mode photonic crystal fiber (無(wú)截止單模光子晶體光纖)，Opt. Lett" 1997,22:961-963]，基模具 有較小的模場(chǎng)直徑，而高階模具有較大的模場(chǎng)面積，通過(guò)纖芯周圍小 L將高階模泄漏出去，實(shí)現(xiàn) 光纖的單模運(yùn)轉(zhuǎn)。其它實(shí)現(xiàn)單模運(yùn)轉(zhuǎn)的大模場(chǎng)直徑光纖還有分M形光纖[Rastogi V， Chiang K S. Propagation characteristics of a segmented cladding fiber (分塊扇形包層光纖的傳輸特性).Opt. Lett.,2001,26:49"93]目前通過(guò)高階模泄漏方式帝,的大模場(chǎng)直徑光纖的纖芯直徑一般小于60Wn。
光纖導(dǎo)波結(jié)構(gòu)是通過(guò)纖芯和包層折射率差實(shí)現(xiàn)，即纖芯具有比包層高的折射率，通過(guò)全內(nèi)反 射將光束縛在纖芯內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)屬于折射率導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，目前使用的光纖都屬于折射率導(dǎo)波光纖。 另外，艦增益也可以形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，高功率激光的自聚焦艦很;^號(hào)上源于增益波導(dǎo)的形成。 因此可以利用增益波導(dǎo)帝,大模場(chǎng)直徑對(duì)莫光纖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是Jii共一種大模場(chǎng)直徑負(fù)折射率單模玻璃光纖，利用光纖材料的高摻雜和高增 益特性，通過(guò)控制增益波導(dǎo)和折射率波導(dǎo)共同作用實(shí)現(xiàn)光纖的單模運(yùn)轉(zhuǎn)。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)該目的 一種大模場(chǎng)直徑負(fù)折射率單模玻璃光纖由纖芯、內(nèi)包 層和外包層構(gòu)成，纖芯的折射率為N!，內(nèi)外包層的折射率分別為N2、 N3，且滿足關(guān)系N^N， N2〉N3，纖芯和內(nèi)包層間形成一種負(fù)折射率結(jié)構(gòu)(不同于目前光纖的折射率波導(dǎo)結(jié)構(gòu))。
所述纖芯和內(nèi)包層由單一組分,或多組分軟玻璃制成。
所述外包層由單一組分玻璃、多組分軟玻璃或高分子塑料制成。
所述內(nèi)、外包層的橫截面是圓形、矩形或D型。
纖芯摻雜濃度大于lxl019ons/cm3的發(fā)光離子(，發(fā)光離子為鑭系離子、過(guò)渡金屬離子中一種或幾種的組合體。
本發(fā)明的效果是纖芯和包層之間折射率差是負(fù)值，不能形成有效折射率導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，抑制纖 芯中高階模的產(chǎn)生，隨著泵浦激光功率的增大，纖芯中發(fā)光離子被激發(fā)，形成激光振蕩。纖芯中 的增益改變了折射率在纖芯中的分布。隨著增益的增大，由增益產(chǎn)生的折射率為(Aw2=」^g2， 其中義表示激光發(fā)射的峰值波長(zhǎng)，g表示線性增益系數(shù)(cm—'))。由增益折射率和波導(dǎo)折射率共同 作用，在纖芯和內(nèi)包層間形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使激光在纖芯中穩(wěn)定振蕩。在這種結(jié)構(gòu)中，纖芯內(nèi)的高 階模式無(wú)法形成振蕩，最終在光纖中實(shí)現(xiàn)大模場(chǎng)直徑單模激光輸出。


圖1為光纖橫截面折射率分布和稀土離子分布圖，實(shí)線表示折射率沿光纖截面的分布，虛線表示稀土離子摻雜濃度沿光纖半徑的變化。
圖2為光纖橫截面折射率分布和稀土離子分布圖，實(shí)線表示折射率沿光纖截面的分布，虛線 表示稀土離子摻雜濃度沿光纖雜的變化。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l:圖1為本發(fā)明大模場(chǎng)直徑雙包層單模光纖的橫截面折射率分布示意圖，光纖的纖芯折射率為Ni，內(nèi)外包層的折射率分布分別為N2和N3，且滿足關(guān)系N2N，N2>N3，在纖芯與內(nèi)包層以及內(nèi)包層與外包層的界面上折射率階躍變化。光纖纖芯成分為磷酸鹽玻璃，其組成為70P2O5-8Al2O3-15BaO4La2O3-3Nd2O3，其中，Nd"濃度為8.4x1019ions/cm3。稀土離子的摻雜濃度 隨纖芯半徑方向的變化如圖1中虛線所示。光纖的纖芯及內(nèi)外包層材料可以是磷酸鹽玻璃也可以 是其它種類的單一組分玻璃或多組分玻璃或軟玻璃制成，外包層還可以由高分子塑料制成。但需 滿;￡±面所述的折射率^#，以形成所設(shè)計(jì)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。另外還需要滿足與纖芯磷酸鹽玻璃在熱 膨脹系數(shù)、軟化溫度以及拉絲粘度等方面的匹配^[牛，以保證能成功拉制出玻璃光纖。在本實(shí)施 例1中，光纖的內(nèi)夕卜包層均采用磷^玻璃材料，其組成是在纖芯玻璃基礎(chǔ)上，M調(diào)節(jié)BaO和 A1:A的不同含量實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)折射率的目的。光纖的內(nèi)外包層橫截面形狀可以是圓形，也可以是其它 任意形狀，比如圓形、矩形、D型，主要由激光泵浦方案確定。在本實(shí)施例l，光纖的內(nèi)外包層橫 截面都為圓形結(jié)構(gòu)。 .
通過(guò)管棒法將纖芯玻璃和內(nèi)外包層玻璃制作成光纖預(yù)制棒，在光纖拉絲塔上進(jìn)行光纖拉制， 本實(shí)施例1中的光纖拉絲、鵬為69(TC。將拉制的光纖切成長(zhǎng)度為7cm的光纖段，方j(luò)(A V形槽中 固定，將其兩個(gè)端面進(jìn)行研磨拋光，在其中一端鍍1.053 ixm高反膜，反射率大于99%，另一端作 為激光輸出端，利用端面反射形成激光反饋。)(tff磨、鍍膜后的光纖置于帶有冷卻裝置的激光腔 中，通過(guò)氤燈對(duì)光纖進(jìn)行側(cè)面泵浦，隨著氤燈泵浦能量的提高，在光纖中逐漸形成激光振蕩。通對(duì)激光輸出模式的觀察，發(fā)現(xiàn)在纖芯直徑為100 u m時(shí)仍可實(shí)現(xiàn)um光輸出。
實(shí)施例2:圖2為本發(fā)明大模場(chǎng)直a^包層單模光纖的橫截面折射率分布示意圖，與實(shí)施例l
相近，并且滿足關(guān)系N么Ni和N^N3。摻雜離子的濃度沿判5方向呈逐漸變化，在纖芯中心處濃
度最高，如圖2中虛線所示。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于由于離子在纖芯和內(nèi)包層界面處的濃度低，
因此增益系數(shù)小，由增益引起的折射率變化小。在光纖中，高階模式一般分布在光纖纖芯和包層 的界面處，在此區(qū)域由于不能形成有效波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步抑制了高階模式的產(chǎn)生。在這種結(jié)構(gòu)中 能實(shí)現(xiàn)比實(shí)施例1更大模場(chǎng)直徑的單模激光輸出。
權(quán)利要求
1.一種大模場(chǎng)直徑負(fù)折射率單模玻璃光纖，由纖芯、內(nèi)包層和外包層構(gòu)成，其特征在于，所述纖芯的折射率為N1，所述內(nèi)包層的折射率為N2，所述外包層的折射率為N3，且滿足關(guān)系N2≥N1和N2≥N3。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃光纖，其特征在于，所述纖芯和內(nèi)包層由單一組分玻璃或多組分軟 玻璃制成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃光纖，其特征在于，皿外包層由單一組分玻璃、多組分軟玻璃或 高分子塑料制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃光纖，其特征在于，所述內(nèi)、外包層的橫截面是圓形、矩形或D型。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃光纖，其特征在于，所述纖芯摻雜發(fā)光離子的濃度大于 lxl019ions/cm3。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的玻璃光纖，其特征在于，戶;M發(fā)光離子為鑭系離子、過(guò)渡金屬離子中一 種或幾種的組合體。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種大模場(chǎng)直徑負(fù)折射率單模玻璃光纖，該玻璃光纖由纖芯、內(nèi)包層和外包層構(gòu)成，纖芯的折射率為N₁，內(nèi)外包層的折射率分別為N₂、N₃，且滿足關(guān)系N₂≥N₁和N₂＞N₃，纖芯摻雜發(fā)光離子，發(fā)光離子為鑭系離子、過(guò)渡金屬離子中一種或幾種的組合體，其摻雜濃度要＞1×10¹⁹ions/cm³。本發(fā)明的玻璃光纖，由增益折射率和波導(dǎo)折射率共同作用，在纖芯和內(nèi)包層間形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使激光在纖芯中穩(wěn)定振蕩。在光纖中實(shí)現(xiàn)大模場(chǎng)直徑單模激光輸出。
文檔編號(hào)G02B6/02GK101201429SQ20071003227
公開(kāi)日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者張勤遠(yuǎn), 徐善輝, 楊中民 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)