本發(fā)明涉及特種光纖制備，尤其涉及一種用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、模式不穩(wěn)定指高功率光纖激光隨著輸出功率提升發(fā)生的由穩(wěn)態(tài)基模輸出突然變?yōu)榉欠€(wěn)態(tài)高階模式輸出的模式突變，會(huì)導(dǎo)致光束質(zhì)量下降，限制著衍射極限光束質(zhì)量光纖激光輸出功率的提升。模式不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致激光光束質(zhì)量急劇退化，嚴(yán)重限制光纖激光的應(yīng)用，已經(jīng)成為衍射極限光束質(zhì)量大模場(chǎng)面積摻鐿光纖激光功率提升的最大限制因素之一，近年來(lái)引起了研究人員的廣泛關(guān)注。

2、普遍認(rèn)為光纖廢熱、高階模、光暗化等因素會(huì)導(dǎo)致模式不穩(wěn)定效應(yīng)或者造成模式不穩(wěn)定閾值的降低。公開(kāi)號(hào)為cn?115611508b的專(zhuān)利公開(kāi)了一種用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖及其制備方法。該光纖的纖芯包括中心區(qū)和外環(huán)區(qū)；中心區(qū)為低損耗、低熱導(dǎo)率的稀土摻雜石英玻璃，外環(huán)區(qū)為高損耗、高熱導(dǎo)率的釔鋁硅酸鹽玻璃。該光纖利用纖芯外環(huán)區(qū)的高損耗抑制光纖中的高階模，抑制基模與高階模的耦合，進(jìn)而起到抑制模式不穩(wěn)定性效應(yīng)的作用；同時(shí)高導(dǎo)熱的外環(huán)區(qū)可將纖芯的熱量導(dǎo)出，抑制了熱效應(yīng)引發(fā)的模式不穩(wěn)定性效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了模式不穩(wěn)定效應(yīng)閾值的提高。但是，該方案采取單一手段抑制mi效用，mi抑制效果不理想，mi效應(yīng)閾值相對(duì)較低，保證測(cè)試條件、制備條件等外部條件一致的情況下，本申請(qǐng)mi閾值可提升至3kw以上，專(zhuān)利cn?115611508b?mi閾值僅為2.5kw。

3、有鑒于此，有必要設(shè)計(jì)一種改進(jìn)的用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖及其制備方法，以解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖及其制備方法。該制備方法首先在石英管內(nèi)沉積低折射率的溝道區(qū)域，然后再依次制備摻雜組分不同的纖芯無(wú)源區(qū)和纖芯有源區(qū)，實(shí)現(xiàn)纖芯局部區(qū)域的熱光系數(shù)（dn/dt）不同；通過(guò)引入負(fù)熱光系數(shù)材料，減小光纖熱光系數(shù)，弱化非線(xiàn)性模間耦合作用，實(shí)現(xiàn)mi的有效抑制；同時(shí)采用稀土離子中心摻雜的方式，在大纖芯情況下，降低高階模增益，再通過(guò)模式競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理，抑制高階模產(chǎn)生，增加基模占比，抑制基模-高階模耦合作用，進(jìn)一步提高mi閾值、提高光束質(zhì)量。

2、為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖的制備方法，包括如下步驟：

3、s1，采用mcvd工藝，利用氣相沉積技術(shù)在石英管內(nèi)沉積低折射率的溝道區(qū)域，溝道的寬為1-3um，溝道的折射率深度為-0.0005~?-0.001；

4、s2，在石英管內(nèi)壁沉積sio2疏松層，然后將沉積好sio2疏松層的石英管取下，放入p、b、sr的混合摻雜溶液中，取出晾干；其中，混合摻雜溶液中，p、b、sr的離子濃度分別為0.5-1.5m、1-1.5m、0.2-0.6m；晾干后，將石英管放回mcvd車(chē)床上，利用氣相技術(shù)摻入f元素，然后依次進(jìn)行燒結(jié)、玻璃化處理，完成纖芯無(wú)源區(qū)的制備；

5、s3，在石英管內(nèi)壁沉積sio2疏松層，然后將沉積好sio2疏松層的石英管取下，放入al、p、sr、yb的混合摻雜溶液中，取出晾干；其中，混合摻雜溶液中，al、p、sr、yb的離子濃度分別為1.5-2m、1.5-2m、0.2-0.6m、0.5-1m；晾干后，將石英管放回mcvd車(chē)床上，利用氣相技術(shù)摻入f元素，然后依次進(jìn)行燒結(jié)、玻璃化處理，完成纖芯有源區(qū)的制備；

6、s4，在2000℃-2200℃完成塌陷，得到致密的實(shí)芯光纖預(yù)制棒；

7、s5，將所述實(shí)芯光纖預(yù)制棒放置于光纖拉絲塔上，進(jìn)行光纖拉制，即得到所述用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖。

8、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在步驟s2中，所述p、b、sr的混合摻雜溶液的制備方法是：將含有p、b、sr的化合物溶于水或乙醇溶液，通過(guò)震蕩超聲等分散方式，促進(jìn)化合物溶解，形成含有p、b、sr離子的混合摻雜溶液。

9、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在步驟s3中，所述al、p、sr、yb的混合摻雜溶液的制備方法是：將含有al、p、sr、yb的化合物溶于水或乙醇溶液，通過(guò)震蕩超聲等分散方式，促進(jìn)化合物溶解，形成含有al、p、sr、yb離子的混合摻雜溶液。

10、為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明還提供了一種采用前述方案制備的用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖，所述用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖包括由內(nèi)而外依次設(shè)置的纖芯有源區(qū)、纖芯無(wú)源區(qū)、溝道區(qū)以及包層。

11、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述纖芯有源區(qū)與所述纖芯無(wú)源區(qū)的摻雜組分不同。

12、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述纖芯有源區(qū)的摻雜組分為al、p、sr、yb、f，所述纖芯無(wú)源區(qū)的摻雜組分為p、b、sr、f。

13、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述纖芯有源區(qū)的熱光系數(shù)為（0.6-0.9）×10-5/k，所述纖芯無(wú)源區(qū)的熱光系數(shù)為（0.6-0.9）×10-5/k。

14、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述稀土摻雜光纖的數(shù)值孔徑為0.035-0.055。

15、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，纖芯/包層直徑為25um/400um的稀土摻雜光纖的mi閾值大于等于3kw，光束質(zhì)量因子m2為1.5；纖芯/包層直徑為30um/400um的稀土摻雜光纖的mi閾值大于等于2kw，光束質(zhì)量因子m2為2。

16、本發(fā)明的有益效果是：

17、本發(fā)明用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖的制備方法，首先在石英管內(nèi)沉積低折射率的溝道區(qū)域，使光纖具有較高的高階模損耗（大于30db/m），然后，再依次制備摻雜組分不同的纖芯無(wú)源區(qū)和纖芯有源區(qū)，實(shí)現(xiàn)纖芯局部區(qū)域的熱光系數(shù)（dn/dt）不同。具體的，纖芯無(wú)源區(qū)摻雜p、b、sr后摻入f元素，使纖芯無(wú)源區(qū)具有較低熱光系數(shù)的同時(shí)具有較低材料折射率；纖芯有源區(qū)摻雜al、p、sr、yb后摻入f元素，使纖芯有源區(qū)具有較低熱光系數(shù)的同時(shí)具有較低材料折射率。

18、通過(guò)引入負(fù)熱光系數(shù)材料（b、sr、p），減小光纖熱光系數(shù)，弱化非線(xiàn)性模間耦合作用，實(shí)現(xiàn)mi的有效抑制；同時(shí)采用稀土離子中心摻雜的方式，在大纖芯情況下，降低高階模增益，再通過(guò)模式競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理，抑制高階模產(chǎn)生，增加基模占比，抑制基模-高階模耦合作用，進(jìn)一步提高mi閾值、提高光束質(zhì)量；低數(shù)值孔徑、溝道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得光纖具有較高的高階模損耗，抑制模間耦合作用，從而更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)mi效應(yīng)的抑制，同時(shí)保證大芯徑光纖仍能實(shí)現(xiàn)較高占比的基模輸出，具有良好的光束質(zhì)量。

19、本發(fā)明集成多種優(yōu)勢(shì)特征，使用低熱光材料技術(shù)、部分摻雜技術(shù)、低數(shù)值孔徑彎曲濾模技術(shù)、高階模耦合損耗技術(shù)、高階模自損耗技術(shù)等多重mi效應(yīng)抑制技術(shù)，持續(xù)抑制mi效應(yīng)，大幅提升mi閾值，同時(shí)保證大芯徑光纖輸出激光的光束質(zhì)量。制得的纖芯/包層直徑為25um/400um的稀土摻雜光纖的mi閾值大于等于3kw，光束質(zhì)量因子m2為1.5；纖芯/包層直徑為30um/400um的稀土摻雜光纖的mi閾值大于等于2kw，光束質(zhì)量因子m2為2，性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)光纖。

技術(shù)特征：

1.一種用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖的制備方法，其特征在于，在步驟s2中，所述p、b、sr的混合摻雜溶液的制備方法是：將含有p、b、sr的化合物溶于水或乙醇溶液，通過(guò)震蕩超聲方式分散，促進(jìn)化合物溶解，形成含有p、b、sr離子的混合摻雜溶液。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖的制備方法，其特征在于，在步驟s3中，所述al、p、sr、yb的混合摻雜溶液的制備方法是：將含有al、p、sr、yb的化合物溶于水或乙醇溶液，通過(guò)震蕩超聲方式分散，促進(jìn)化合物溶解，形成含有al、p、sr、yb離子的混合摻雜溶液。

4.一種用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖，其特征在于，根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一權(quán)利要求所述的制備方法制得；所述用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖包括由內(nèi)而外依次設(shè)置的纖芯有源區(qū)、纖芯無(wú)源區(qū)、溝道區(qū)以及包層。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖，其特征在于，所述纖芯有源區(qū)與所述纖芯無(wú)源區(qū)的摻雜組分不同。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖，其特征在于，所述纖芯有源區(qū)的摻雜組分為al、p、sr、yb、f，所述纖芯無(wú)源區(qū)的摻雜組分為p、b、sr、f。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖，其特征在于，所述纖芯有源區(qū)的熱光系數(shù)為（0.6-0.9）×10-5?/k，所述纖芯無(wú)源區(qū)的熱光系數(shù)為（0.6-0.9）×10-5?/k。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖，其特征在于，所述稀土摻雜光纖的數(shù)值孔徑為0.035-0.055。

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖，其特征在于，纖芯/包層直徑為25um/400um的稀土摻雜光纖的mi閾值大于等于3kw，光束質(zhì)量因子m2為1.5；纖芯/包層直徑為30um/400um的稀土摻雜光纖的mi閾值大于等于2kw，光束質(zhì)量因子m2為2。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種用于抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)的稀土摻雜光纖及其制備方法，涉及特種光纖制備技術(shù)領(lǐng)域。該制備方法首先在石英管內(nèi)沉積低折射率的溝道區(qū)域，然后再依次制備摻雜組分不同的纖芯無(wú)源區(qū)和纖芯有源區(qū)，實(shí)現(xiàn)纖芯局部區(qū)域的熱光系數(shù)不同。本發(fā)明通過(guò)引入負(fù)熱光系數(shù)材料，減小光纖熱光系數(shù)，弱化非線(xiàn)性模間耦合作用，實(shí)現(xiàn)MI的有效抑制；同時(shí)采用稀土離子中心摻雜的方式，在大纖芯情況下，降低高階模增益，再通過(guò)模式競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理，抑制高階模產(chǎn)生，增加基模占比；低數(shù)值孔徑、溝道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得光纖具有較高的高階模損耗，抑制基模?高階模耦合作用，進(jìn)一步提高M(jìn)I閾值、提高光束質(zhì)量。

技術(shù)研發(fā)人員：武春風(fēng),鄭保羅,李強(qiáng),胡黎明,胡金萌,雷敏,劉厚康,陳詩(shī)靜,王亞洲
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)航天三江集團(tuán)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19