一種用于輸出單模激光的大模場(chǎng)增益光纖的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光纖，尤其涉及一種用于輸出單模激光的大模場(chǎng)增益光纖。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，大功率單模光纖激光器因其具有光束質(zhì)量好、體積小、重量輕、免維護(hù)、運(yùn)行成本低等優(yōu)勢(shì)成為激光領(lǐng)域備受關(guān)注的熱點(diǎn)。到目前為止，成熟的商用大功率光纖激光器均是基于傳統(tǒng)的階躍折射率增益光纖，這是由于階躍折射率增益光纖容易拉制、切割、熔接以及封裝。高功率光纖激光器的功率提升主要受限于非線性效應(yīng)，最簡(jiǎn)單、有效的提升非線性效應(yīng)閾值的措施就是擴(kuò)大增益光纖的纖芯直徑以增加其模場(chǎng)面積。但是，目前傳統(tǒng)的光纖拉制工藝很難將光纖的數(shù)值孔徑做到小于0.06，因此，當(dāng)增益光纖的纖芯直徑超過25μm后，光纖激光器的輸出光束質(zhì)量將會(huì)因?yàn)橹С值母唠A模數(shù)量過多而變差，從而影響其實(shí)用性能。
[0003]為了進(jìn)一步地?cái)U(kuò)大模場(chǎng)同時(shí)得到單模輸出，科研人員提出了各種技術(shù)方案，大體上可以分為兩類。一類是完全摒棄階躍折射率分布，采用全新的導(dǎo)光機(jī)制，包括光子晶體光纖(photonic crystal fiber，PCF)，全固態(tài)光子帶隙光纖(all-solid photonic bandgapfiber，ASPBGF)，泄漏通道光纖(leakage channel fiber,LCF)，多溝塾光纖(mult1-trenchfiber，MTF)以及螺旋芯光纖(chirally-coupled-core fiber，CCCF)。由于引入了全新的導(dǎo)光機(jī)制，這些光纖都兼具很大的模場(chǎng)面積和良好的高階模抑制能力。但是，這些光纖的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拉制難度大，使得難以大量生產(chǎn)，影響了實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。例如，PCF、ASPBGF以及LCF需要采用堆疊方式拉制，CCCF的纖芯周圍纏繞著一根或者多根螺旋芯，而MTF、LCF和ASPBGF要求摻稀土纖芯的折射率要和石英包層的折射率一致。另一類還是基于階躍折射率光纖，通過改進(jìn)工藝進(jìn)一步降低纖芯數(shù)值孔徑或是對(duì)階躍折射率分布進(jìn)行一定修正來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大模場(chǎng)面積和抑制高階模。這類方案的好處是光纖的拉制可以采用成熟的MCVD工藝，并且可以直接替代現(xiàn)有的階躍折射率光纖。這類方案中比較有代表性的就是單溝壑光纖(Sing-trench f iber，STF)，這種光纖的結(jié)構(gòu)就是在纖芯周圍增加兩個(gè)環(huán)形區(qū)域，第一個(gè)環(huán)形區(qū)域的折射率和包層的折射率相同，而第二個(gè)環(huán)形區(qū)域的折射率和纖芯折射率相同。通過這樣的改變，光纖的模場(chǎng)會(huì)得到擴(kuò)大，同時(shí)高階模的損耗增加，但是，帶來(lái)的問題是基模在纖芯的重疊因子減小了，這可能導(dǎo)致光纖提取增益能力不足，需要采用更長(zhǎng)的光纖從而影響了非線性效應(yīng)的抑制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種可以采用成熟的MCVD工藝，并且能夠保證光纖具有較高的高階模抑制能力，基模在纖芯的重疊因子高的用于輸出單模激光的大模場(chǎng)增益光纖。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為:一種用于輸出單模激光的大模場(chǎng)增益光纖，包括纖芯、依次包覆在纖芯上的溝壑層、第一包層和第二包層;所述第二包層的折射率低于所述纖芯的折射率;所述溝壑層的折射率低于所述第二包層的折射率。
[0006]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一包層的折射率等于所述纖芯的折射率。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述纖芯的折射率與所述第二包層的折射率之差大于等于0.001。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第二包層的折射率與所述溝壑層的折射率之差大于等于0.0001。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述溝壑層不含稀土離子，所述第一包層不含稀土離子。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第二包層的折射率為1.44至1.46。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述纖芯的折射率與所述第二包層折射率之差為
0.0012；所述第二包層的折射率與所述溝壑層的折射率之差為0.0003至0.0006。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述纖芯的直徑為25微米至30微米。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述溝壑層的厚度為7微米至8微米;所述第一包層的厚度為4微米至5微米。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述溝壑層的厚度為5微米至7微米;所述第一包層的厚度為5微米至6微米。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
1、本發(fā)明具有高階模抑制能力高、基模重疊因子大優(yōu)點(diǎn)。
[0016]2、本發(fā)明的光纖折射率分布呈軸對(duì)稱，具有光纖加工工藝成熟，加工難度小等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明光纖橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明光纖沿軸線方向半剖面的各層折射率示意圖。
[0019]圖3為本發(fā)明測(cè)試一結(jié)果對(duì)比分析圖。
[0020]圖4為本發(fā)明測(cè)試二結(jié)果對(duì)比分析圖。
[0021]圖5為本發(fā)明測(cè)試三結(jié)果對(duì)比分析圖。
[0022]圖6為本發(fā)明測(cè)試四結(jié)果對(duì)比分析圖。
[0023]圖例說(shuō)明:1、纖芯;2、溝壑層;3、第一包層;4、第二包層。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合說(shuō)明書附圖和具體優(yōu)選的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0025]如圖1所示，本實(shí)施例一種用于輸出單模激光的大模場(chǎng)增益光纖，包括纖芯1、依次包覆在纖芯I上的溝壑層2、第一包層3和第二包層4;第二包層4的折射率低于纖芯I的折射率;溝壑層2的折射率低于第二包層4的折射率。第一包層3的折射率等于纖芯I的折射率。如圖2所示，纖芯I與第一包層3的折射率相同，溝壑層2與第二包層4的折射率均低于纖芯I的折射率，其中，溝壑層2的折射率低于第二包層4的折射率。
[0026]在本實(shí)施例中，纖芯I的折射率與第二包層4的折射率之差大于等于0.001。第二包層4的折射率與溝壑層2的折射率之差大于等于0.0001。圖2顯示了本發(fā)明實(shí)施例一種光纖的折射率，纖芯I與第一包層3的折射率均為1.4512,溝壑層2的折射率為1.4495，第二包層4的折射率為1.45。
[0027]在本實(shí)施例中，溝壑層2不含稀土離子，第一包層3不含稀土離子;纖芯I中包含有稀土離子，稀土離子為如Yb (鐿)、Nd (釹)、Tm(銩)和Er (鉺)等;纖芯I中也可包含有Ge (鍺)元素或者P(磷)元素，利用非線性效應(yīng)產(chǎn)生激光增益。
[0028]在本實(shí)施例中，第二包層4的折射率為1.44至1.46，優(yōu)選為1.45。纖芯I的折射率與第二包層4折射率之差為0.0012;第二包層4的折射率與溝壑層2的折射率之差為0.0003至
0.0006。在本實(shí)施例中，對(duì)本發(fā)明光纖的纖芯直徑以及各層的厚度提出了兩種優(yōu)選方案，優(yōu)選方案一:纖芯I的直徑為25微米至30微米，溝壑層2的厚度為7微米至8微米;第一包層3的厚度為4微米至5微米;優(yōu)選方案二:纖芯I的直徑為25微米至30微米，溝壑層2的厚度為5微米至7微米;第一包層3的厚度為5微米至6微米。當(dāng)然，光纖纖芯I的直徑，溝壑層2、第一包層
3、第二包層4的厚度，以及纖芯1、溝壑層2、第一包層3、第二包層4的折射率可根據(jù)光纖的應(yīng)用需要確定適當(dāng)?shù)臄?shù)值。
[0029]在本實(shí)施例中，對(duì)本發(fā)明的光纖與傳統(tǒng)STF光纖(單溝壑光纖)的性能進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。
[0030]測(cè)試一:纖芯I的直徑為25微米，第一包層3的厚度為4微米，纖芯I的折射率及第一包層3的折射率均為1.4512，第二包層4的折射率為1.45。光纖的彎曲半徑為7cm。纖芯I含有稀土離子Yb(鐿)，其它各層都不含有稀土離子。使用波長(zhǎng)為1.08μπι的激光對(duì)溝壑層2的折射率分別為1.4494、1.4497及1.45(溝壑層的折射率與第二包層的折射率相同，即為傳統(tǒng)STF光纖)的光纖進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖3所示，(a)圖為損耗最小的高階模損耗系數(shù)，(b)圖為基模模場(chǎng)面積，(c)圖為基模重疊因子，如圖3(a)所示，本發(fā)明的光纖損耗最小的高階模的損耗指標(biāo)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)STF光纖，溝壑層2的厚度為5微米時(shí)，三種光纖(溝壑層2折射率分別為1.4494、1.4497、1.45)的損耗最小的高階模損耗系數(shù)分別為2.82(^/111、1.793(^/111、
0.828dB/m。溝壑層2的厚度為6微米時(shí)，三種光纖(溝壑層2折射率分別為1.4494、1.4497、
1.45)的損耗最小的高階模損耗系數(shù)分別為3.869dB/m、3.175dB/m、1.504dB/m。溝壑層2的厚度為7微米時(shí)，三種光纖(溝壑層2折射率分別為1.4494、1.4497、1.45)的損耗最小的高階模損耗系數(shù)分別為5.591dB/m、4.968dB/m、3.057dB/m。溝壑層2的厚度為8微米時(shí)，三種光纖(溝壑層2折射率分別為1.4 4 9 4、1.4 4 9 7、1.4 5 )的損耗最小的高階模損耗系數(shù)分別為7.907dB/m、8.125dB/m、5.812dB