專利名稱：一種環(huán)形摻雜層光纖及包含該光纖的激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光纖激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及能達(dá)到高功率輸出的環(huán)形摻雜層光纖，以及包含該光纖的激光器。
背景技術(shù)：
光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級(jí)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路(構(gòu)成諧振腔)便可形成激光振蕩輸出。光纖激光器應(yīng)用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠(yuǎn)距通訊、工業(yè)造 船、汽車制造、激光雕刻激光打標(biāo)激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接(銅焊、淬水、包層以及深度焊接)、軍事國(guó)防安全、醫(yī)療器械儀器設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè)，作為其他激光器的泵浦源等。目前,相比于固體激光器和氣體激光器，光纖激光器是光束質(zhì)量最好的激光器形式。具有高功率的光纖激光器在工業(yè)和軍事應(yīng)用領(lǐng)域都將有非常重要的應(yīng)用前景，但這種激光器的增益介質(zhì)光纖的纖芯直徑太小是限制其高功率輸出的障礙。光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達(dá)成的光傳導(dǎo)工具。在多模光纖中，纖芯的直徑是15 y m 50 y m，大致與人的頭發(fā)的粗細(xì)相當(dāng)。而單模光纖芯的直徑為8 iim IOii m。單包層光纖纖芯外面包圍著一層折射率比纖芯低的玻璃封套包層，以使光線保持在纖芯內(nèi)。再外面的是一層薄的塑料外套保護(hù)層，用來保護(hù)封套。由于單包層單模光纖纖芯直徑十分細(xì)小，一般在IOym以下，要將更大的泵浦光注入到光纖纖芯在技術(shù)上遇到了困難。1988年ESnitzer首次提出了雙包層光纖，雙包層光纖是由同心的纖芯、內(nèi)包層、外包層以及保護(hù)層組成，雙包層的直徑遠(yuǎn)大于纖芯，它可以保持細(xì)小的纖芯尺度，而使泵浦光進(jìn)入數(shù)百微米量級(jí)的內(nèi)包層中。這一技術(shù)上的突破使光纖激光的輸出功率在十余年內(nèi)迅速上升，目前連續(xù)輸出的光纖激光功率已達(dá)千瓦以上。提高光纖激光器輸出功率的關(guān)鍵技術(shù)有諧振腔制備技術(shù)、包層泵浦技術(shù)和光纖耦合技術(shù)。對(duì)于包層泵浦技術(shù)，目前提出有效手段主要是采用矩形或D形等內(nèi)包層結(jié)構(gòu)的雙包層增益光纖。如果雙包層光纖的內(nèi)包層橫截面圓對(duì)稱，其內(nèi)部傳播的光線有嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以判斷，當(dāng)單模摻雜纖芯落在某一光線的兩焦散面區(qū)域時(shí)，此光線才能被纖芯吸收，當(dāng)纖芯處在某一光線的焦散面外時(shí)，光線不會(huì)被吸收，所以圓對(duì)稱雙包層光纖的吸收效率是很低的。為了提高光纖的吸收效率，出現(xiàn)了很多相對(duì)于圓對(duì)稱內(nèi)包層而言有缺陷的內(nèi)包層結(jié)構(gòu)，如矩形、六邊形、星形、梅花形和D形等。當(dāng)內(nèi)包層存在缺陷后，光線的兩個(gè)焦散面也就不存在了。光線在內(nèi)包層的行進(jìn)路線找不出任何規(guī)律，在傳輸足夠長(zhǎng)距離后，它將到達(dá)內(nèi)包層橫截面上的任何一點(diǎn)，最終所有光線因多次經(jīng)過纖芯后會(huì)被全部吸收，所以其吸收系數(shù)始終是100 %，但是光纖在單位長(zhǎng)度內(nèi)的吸收效率是有差異的。[0010]采用矩形或D形等內(nèi)包層結(jié)構(gòu)的雙包層摻雜光纖激光器雖然能提供接近衍射極限的光束輸出，但進(jìn)一步提高其輸出功率仍然受到光纖對(duì)高功率承受能力的限制。為了增大這種承受能力即降低光纖內(nèi)激光功率密度，可以通過保證可接受的光束質(zhì)量情況下增大纖芯直徑、設(shè)計(jì)超大模場(chǎng)(Large Mode Area, LMA)雙包層光纖和加大摻雜濃度等來實(shí)現(xiàn)。但是，增大纖芯將導(dǎo)致激光工作在多階模，會(huì)降低光束質(zhì)量，需要對(duì)模式進(jìn)行選擇，抑制高階模在腔內(nèi)的振蕩，獲得基橫模激光輸出。對(duì)于大模場(chǎng)雙包層光纖如光子晶體光纖，由于其具有較大的纖芯直徑和較小的纖芯數(shù)值孔徑，大的纖芯直徑會(huì)減少光纖內(nèi)功率密度，提高光纖非線性效應(yīng)的閾值，增大了纖芯承受功率的能力，同時(shí)，較小的數(shù)值孔徑使得光纖內(nèi)傳輸光線與纖軸夾角很小，這樣電磁場(chǎng)在包層中延伸很遠(yuǎn)，由于高階模損耗很大，因此只有低階模才能長(zhǎng)距離傳輸。但超大模場(chǎng)雙包層光纖的制備工藝還需要進(jìn)一步完善。對(duì)于加大摻雜濃度，由于加大摻雜濃度后，單位長(zhǎng)度的泵浦吸收系數(shù)會(huì)增加，相應(yīng)的增益增力口，但也降低石英的純度和均勻性，降低光纖端面的激光損傷閾值
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的之一是提供一種環(huán)形摻雜層光纖，將傳統(tǒng)的纖芯摻雜改變?yōu)榄h(huán)形摻雜層，使得激光振蕩實(shí)際上在一個(gè)環(huán)形波導(dǎo)中進(jìn)行，再合理設(shè)計(jì)該環(huán)形波導(dǎo)的厚度，就可以保持單模運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)摻雜層具有很大的橫截面積，適合大功率輸出，從而即可提高利用該光纖的光纖激光器的輸出功率。實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的這一目的所采用的具體技術(shù)方案為一種環(huán)形摻雜層光纖，作為增益介質(zhì)用于光纖激光器中，其由內(nèi)包層和由內(nèi)而外依次包覆在該內(nèi)包層上的環(huán)形摻雜層、中包層、外包層和保護(hù)層組成，其中所述內(nèi)包層為不摻雜的纖芯。作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述的環(huán)形摻雜層由摻稀土元素的基質(zhì)材料制成。作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述的基質(zhì)材料為石英玻璃或氟化物玻璃。作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述的內(nèi)包層和中包層的材料和折射率均相同。作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述的內(nèi)包層和中包層的材料的折射率比環(huán)形摻雜層小、橫向尺寸和數(shù)值孔徑比環(huán)形摻雜層大。本實(shí)用新型的目的之二在于提出一種光纖激光器，其增益介質(zhì)為上述環(huán)形摻雜層光纖。作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，該光纖激光器還包括LD陣列的泵浦源，和以全反鏡輸出耦合鏡或光纖光柵構(gòu)成的諧振腔。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比主要具以下優(yōu)點(diǎn)(I)高功率激光輸出，中包層直徑大，能承受高的泵浦功率，進(jìn)而得到高的激光功率；(2)大的摻雜層橫截面積，這樣其損傷閾值大，為進(jìn)一步提高激光輸出功率提供了基礎(chǔ)；(3)高的光束質(zhì)量，控制環(huán)形摻雜層厚度即可實(shí)現(xiàn)單模輸出；(4)制備技術(shù)成熟，可大批量生產(chǎn)。
圖I為本實(shí)用新型所涉 及的環(huán)形摻雜層光纖(以常規(guī)圓形中包層結(jié)構(gòu)為例)橫截面示意圖；圖2為環(huán)形摻雜層光纖(不包括保護(hù)層)折射率分布圖；圖3為光纖激光器中環(huán)形摻雜層光纖剖視圖中泵浦光和激光傳輸示意圖；圖4為環(huán)形摻雜層光纖制備工藝流程圖；圖5為Fabry-Perot腔環(huán)形摻雜層光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本實(shí)施例中的環(huán)形摻雜層光纖結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括內(nèi)包層(不摻雜纖芯)101、環(huán)形摻雜層102、中包層103、外包層104和保護(hù)層105。環(huán)形摻雜層102由摻稀土元素的基質(zhì)材料如石英玻璃或氟化物玻璃等制成；內(nèi)包層101和中包層103的材料和折射率相同，材料可以選由折射率比環(huán)形摻雜層小、橫向尺寸和數(shù)值孔徑比環(huán)形摻雜層大的基質(zhì)材料如石英玻璃或氟化物玻璃等制備，外包層104由折射率比內(nèi)包層101小的聚合物制成，最外層的保護(hù)層105由硬塑料等材料制備。環(huán)形摻雜層光纖激光器中泵浦光在該環(huán)形摻雜層光纖中是在中包層103內(nèi)傳輸，在中包層103中多次全反射穿過摻雜層102，被摻雜離子吸收，將摻雜離子泵浦到上能級(jí)，累積形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后躍遷產(chǎn)生激光。由于摻雜層102是環(huán)形，泵浦光可以很容易地均勻芽過慘雜層102。環(huán)形摻雜層102的厚度以單模光纖纖芯直徑為參考,一般為8iim 10 ii m。內(nèi)包層101直徑取值范圍廣泛，中包層103、外包層104和普通雙包層光纖內(nèi)包層、外包層厚度一致。如取環(huán)形的外直徑為200 Pm，厚度為10 y m，則其摻雜層的橫截面積相當(dāng)于直徑為87 ii m的雙包層光纖纖芯面積；如取環(huán)形的外直徑為300 V- m,厚度為10 u m,則其摻雜層的橫截面積相當(dāng)于直徑為107 的雙包層纖芯面積。以目前已成熟的光纖激光器技術(shù)，這樣的環(huán)形摻雜層光纖為構(gòu)造IOOkW單模激光輸出提供了可能。上述環(huán)形摻雜層光纖的制備方法如圖4所示，包括如下步驟(I)用化學(xué)氣相沉積法(MCVD)工藝制作光纖預(yù)制棒的阻擋層和疏松芯層。①首先將純石英棒插入石英反應(yīng)管內(nèi)，保持與反應(yīng)管同軸線后固定，由高純氧氣
(O2)攜帶四氯化娃(SiCl4)、氯氧化磷(POCl4)、氟氯化碳(CCl2F2)等原料進(jìn)入不斷旋轉(zhuǎn)的環(huán)形高純石英基質(zhì)反應(yīng)管中，下面用氫氧焰高溫加熱反應(yīng)管，使原料在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)而均勻地沉積在石英管內(nèi)，形成含SiO2-P2O5-F的光纖阻擋層。阻擋層的作用是阻止雜質(zhì)擴(kuò)散到芯部，所以阻擋層的沉積層數(shù)以使所做光纖損耗盡可能小為目的，優(yōu)選為20 40層。同時(shí)阻擋層也將和反應(yīng)管一起作為光纖的內(nèi)包層，所以要控制其折射率與反應(yīng)管相匹配。②然后降低火焰溫度至適宜范圍(1300-150(TC )，按照相同工藝由高純氧氣(O2)攜帶四氯化娃(SiCl4)、氯氧化磷(POCl4)、四氯化鍺(GeCl4)等原料進(jìn)入不斷旋轉(zhuǎn)的環(huán)形高純石英基質(zhì)反應(yīng)管中，下面用氫氧焰高溫加熱反應(yīng)管，使原料在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)而均勻地沉積在石英管內(nèi)，形成組分為SiO2-GeO2-P2O5沉積疏松芯層。疏松芯層的沉積溫度視試驗(yàn)情況而定，因?yàn)椴煌氖⒐芗捌渌恍┮蛩氐母淖兙鶗?huì)影響沉積溫度。疏松層的厚度及疏松程度以均勻及 不出現(xiàn)脫落為宜。(2)溶液摻雜。采用打孔注入法將稀土離子摻雜到預(yù)制棒中，在大流量保護(hù)氣體下，用氫氧焰槍在靠近尾氣端開個(gè)直徑5_的小孔，用注射器將事先已配制好的YbCl3和AlCl3溶液中注入環(huán)形反應(yīng)管，同時(shí)保證車床勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，相當(dāng)于對(duì)溶液進(jìn)行勻速攪拌。研究表明芯層中稀土離子濃度與溶液中Yb3+離子濃度、溶液溫度和浸泡時(shí)間有關(guān)系，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確定的合適浸泡時(shí)間為I. 5小時(shí)左右，使Yb3+均勻的吸附在疏松芯層上。(3)脫水縮棒套管。將溶液從反應(yīng)管抽出，在適宜的溫度下通入高純Cl2、O2的混合氣體對(duì)反應(yīng)管進(jìn)行干燥脫水處理，脫水時(shí)間四十分鐘左右。(4)預(yù)制棒加工處理。將經(jīng)過脫水干燥的反應(yīng)管在高溫下燒縮成透明的具有摻Y(jié)b3+芯層的預(yù)制棒。根據(jù)所做光纖預(yù)制棒芯的大小及拉制成光纖的芯徑比需對(duì)預(yù)制棒進(jìn)行套管至合適的尺寸。(5)拉絲工藝。對(duì)加工后的光纖預(yù)制棒的表面進(jìn)行酸處理，并清洗、烘干，然后將其夾持在拉絲塔送棒機(jī)構(gòu)上送入石墨電阻爐中，在2000°C的高溫下將棒加熱至熔融狀態(tài)，拉制成直徑符合要求的光纖。光纖的直徑由絲徑測(cè)控儀測(cè)量，通過對(duì)熔棒溫度、送棒速度和牽引速度的調(diào)整來保證絲徑的波動(dòng)不超過規(guī)定的偏差。在線涂覆低折射率的紫外光固化涂料作為光纖的外包層。如圖5所示，本實(shí)施例中的環(huán)形摻雜層光纖激光器，以環(huán)形摻雜層光纖504作為增益介質(zhì)、以LD陣列501作為泵浦源、以全反鏡503輸出耦合鏡505構(gòu)成諧振腔來搭建的環(huán)形摻雜層光纖激光器。LD陣列501發(fā)出的泵浦光通過準(zhǔn)直聚焦透鏡系統(tǒng)502進(jìn)入環(huán)形摻雜層光纖504對(duì)其進(jìn)行泵浦，兩雙色鏡503和505對(duì)激光高反、對(duì)泵浦光高透，共同構(gòu)成諧振腔，輸出激光經(jīng)過光學(xué)整形系統(tǒng)得到所期望的光束。
權(quán)利要求1.一種環(huán)形摻雜層光纖，作為增益介質(zhì)用于光纖激光器中，其特征在于，該光纖由內(nèi)包層(101)和由內(nèi)而外依次包覆在該內(nèi)包層(101)上的環(huán)形摻雜層(102)、中包層(103)、夕卜包層(104)和保護(hù)層(105)組成，其中所述內(nèi)包層(101)為不摻雜的纖芯。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的環(huán)形摻雜層光纖，其特征在于，所述的環(huán)形摻雜層(102)由摻稀土元素的基質(zhì)材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的環(huán)形摻雜層光纖，其特征在于，所述的基質(zhì)材料為石英玻璃或氟化物玻璃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的環(huán)形摻雜層光纖，其特征在于，所述的內(nèi)包層(101)和中包層(103)的材料和折射率均相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的環(huán)形摻雜層光纖，其特征在于，所述的內(nèi)包層(101)和中包層(103)的材料為折射率比環(huán)形摻雜層小、橫向尺寸和數(shù)值孔徑比環(huán)形摻雜層大的基質(zhì)材料。
6.一種光纖激光器，其特征在于，該光纖激光器的增益介質(zhì)為上述權(quán)利要求1-5之一所述的環(huán)形摻雜層光纖。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種環(huán)形摻雜層光纖，用于光纖激光器中，其由內(nèi)包層(101)和由內(nèi)而外依次包覆在該內(nèi)包層(101)上的環(huán)形摻雜層(102)、中包層(103)、外包層(104)和保護(hù)層(105)組成，其中所述內(nèi)包層(101)為不摻雜的纖芯。本實(shí)用新型還公開了一種上述環(huán)形摻雜層光纖的制備方法，以及一種以該環(huán)形摻雜層光纖為增益介質(zhì)的激光器。本實(shí)用新型將傳統(tǒng)的纖芯摻雜改變?yōu)榄h(huán)形摻雜層，使得激光振蕩實(shí)際上在一個(gè)環(huán)形波導(dǎo)中進(jìn)行，再合理設(shè)計(jì)該環(huán)形波導(dǎo)的厚度，就可以保持單模運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)摻雜層具有很大的橫截面積，適合大功率輸出，從而即可提高利用該光纖的光纖激光器的輸出功率。
文檔編號(hào)H01S3/067GK202486354SQ20122011140
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月22日
發(fā)明者王英, 肖慧, 陳培鋒 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)