專利名稱：一種環形摻雜層光纖、其制備方法及包含該光纖的激光器的制作方法
技術領域：
本發明屬于光纖激光器技術領域，特別涉及能達到高功率輸出的環形摻雜層光纖，以及及其制備方法和包含該光纖的激光器。
背景技術：
光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的激光器，在泵浦光的作用下光纖內極易形成高功率密度，造成激光工作物質的激光能級“粒子數反轉”，當適當加入正反饋回路(構成諧振腔)便可形成激光振蕩輸出。光纖激光器應用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業造船、汽車制造、激光雕刻激光打標激光切割、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)、軍事國防安全、醫療器械儀器設備、大型基礎建設，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量最好的激光器形式。具有高功率的光纖激光器在工業和軍事應用領域都將有非常重要的應用前景，但這種激光器的增益介質光纖的纖芯直徑太小是限制其高功率輸出的障礙。光纖是光導纖維的簡寫，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成的光傳導工具。在多模光纖中，纖芯的直徑是15 μ m 50 μ m，大致與人的頭發的粗細相當。而單模光纖芯的直徑為8μπι ΙΟμπι。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。再外面的是一層薄的塑料外套保護層，用來保護封套。由于單包層單模光纖纖芯直徑十分細小，一般在10 μ m以下，要將更大的泵浦光注入到光纖纖芯在技術上遇到了困難。1988年E Snitzer首次提出了雙包層光纖，雙包層光纖是由同心的纖芯、內包層、外包層以及保護層組成，雙包層的直徑遠大于纖芯，它可以保持細小的纖芯尺度，而使泵浦光進入數百微米量級的內包層中。這一技術上的突破使光纖激光的輸出功率在十余年內迅速上升，目前連續輸出的光纖激光功率已達千瓦以上。提高光纖激光器輸出功率的關鍵技術有諧振腔制備技術、包層泵浦技術和光纖耦合技術。對于包層泵浦技術，目前提出有效手段主要是采用矩形或D形等內包層結構的雙包層增益光纖。如果雙包層光纖的內包層橫截面圓對稱，其內部傳播的光線有嚴格的運動軌跡，可以判斷，當單模摻雜纖芯落在某一光線的兩焦散面區域時，此光線才能被纖芯吸收，當纖芯處在某一光線的焦散面外時，光線不會被吸收，所以圓對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，出現了很多相對于圓對稱內包層而言有缺陷的內包層結構，如矩形、六邊形、星形、梅花形和D形等。當內包層存在缺陷后，光線的兩個焦散面也就不存在了。光線在內包層的行進路線找不出任何規律，在傳輸足夠長距離后，它將到達內包層橫截面上的任何一點，最終所有光線因多次經過纖芯后會被全部吸收，所以其吸收系數始終是100 %，但是光纖在單位長度內的吸收效率是有差異的。
采用矩形或D形等內包層結構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，但進一步提高其輸出功率仍然受到光纖對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激光功率密度，可以通過保證可接受的光束質量情況下增大纖芯直徑、設計超大模場(Large Mode Area, LMA)雙包層光纖和加大摻雜濃度等來實現。但是，增大纖芯將導致激光工作在多階模，會降低光束質量，需要對模式進行選擇，抑制高階模在腔內的振蕩，獲得基橫模激光輸出。對于大模場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值孔徑，大的纖芯直徑會減少光纖內功率密度，提高光纖非線性效應的閾值，增大了纖芯承受功率的能力，同時，較小的數值孔徑使得光纖內傳輸光線與纖軸夾角很小，這樣電磁場在包層中延伸很遠，由于高階模損耗很大，因此只有低階模才能長距離傳輸。但超大模場雙包層光纖的制備工藝還需要進一步完善。對于加大摻雜濃度，由于加大摻雜濃度后，單位長度的泵浦吸收系數會增加，相應的增益增力口，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。
發明內容
本發明的目的之一是提供一種環形摻雜層光纖，將傳統的纖芯摻雜改變為環形摻雜層，使得激光振蕩實際上在一個環形波導中進行，再合理設計該環形波導的厚度，就可以保持單模運轉，同時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。實現本發明的這一目的所采用的具體技術方案為一種環形摻雜層光纖，由內包層和由內而外依次包覆在該內包層上的環形摻雜層、中包層、外包層和保護層組成，其中所述內包層為不摻雜的纖芯。作為本發明的改進，所述的環形摻雜層由摻稀土元素的基質材料制成。作為本發明的改進，所述的基質材料為石英玻璃或氟化物玻璃。作為本發明的改進，所述的內包層和中包層的材料和折射率均相同。作為本發明的改進，所述的內包層和中包層的材料的折射率比環形摻雜層小、橫向尺寸和數值孔徑比環形摻雜層大。本發明的目的之二在于提出一種制備上述環形摻雜層光纖的方法，具體包括如下步驟(I)將純石英棒插入反應管內，在環形石英反應管內表面依次沉積阻擋層和疏松層；(2)溶液摻雜將YbC13和A1C13混合溶液中注入環形反應管，勻速轉動環形反應管，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管抽出，對反應管進行干燥脫水處理；(4)預制棒加工處理將經過脫水干燥的反應管在高溫下燒縮成透明的具有摻Yb3+芯層的預制棒；(5)對預制棒進行拉絲處理，即制得環形摻雜層光纖。作為本發明的改進，所述沉積阻擋層的具體過程為由高純氧氣(02)攜帶四氯化硅(SiC14)、氯氧化磷(P0C14)和氟氯化碳(CC12F2)進入不斷旋轉的環形反應管中，同時高溫加熱環形反應管，使阻擋層沉積原料在高溫下發生氧化反應而沉積在石英管內，即形成光纖阻擋層。作為本發明的改進，所述沉積疏松層的具體過程為由高純氧氣(02)攜帶四氯化硅(SiC14)、氯氧化磷(P0C14)和四氯化鍺(GeC14)進入不斷旋轉的環形反應管中，同時高溫加熱環形反應管，使疏松芯層沉積原料在高溫下發生氧化反應而沉積在石英管內，即形成疏松芯層。作為本發明的改進，該方法還包括在拉絲后的器件上涂覆紫外光固化涂料作為光纖外包層步驟。本發明的目的之三在于提出一種光纖激光器，其增益介質為上述環形摻雜層光纖。作為本發明的改進，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成的諧振腔。本發明與現有技術相比主要具以下優點(I)高功率激光輸出，中包層直徑大，能承受高的泵浦功率，進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，為進一步提高激光輸出功率提供了基礎；(3)高的光束質量，控制環形摻雜層厚度即可實現單模輸出；(4)制備技術成熟，可大批量生產。
圖I為本發明所涉及的環形摻雜層光纖(以常規圓形中包層結構為例)橫截面示意圖；圖2為環形摻雜層光纖(不包括保護層)折射率分布圖；圖3為光纖激光器中環形摻雜層光纖剖視圖中泵浦光和激光傳輸示意圖；圖4為環形摻雜層光纖制備工藝流程圖；圖5為Fabry-Perot腔環形摻雜層光纖激光器結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。本實施例中的環形摻雜層光纖結構如圖I所示，包括內包層(不摻雜纖芯)101、環、形摻雜層102、中包層103、外包層104和保護層105。環形摻雜層102由摻稀土元素的基質材料如石英玻璃或氟化物玻璃等制成；內包層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形摻雜層小、橫向尺寸和數值孔徑比環形摻雜層大的基質材料如石英玻璃或氟化物玻璃等制備，外包層104由折射率比內包層101小的聚合物制成，最外層的保護層105由硬塑料等材料制備。環形摻雜層光纖激光器中泵浦光在該環形摻雜層光纖中是在中包層103內傳輸，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，累積形成粒子數反轉后躍遷產生激光。由于摻雜層102是環形，泵浦光可以很容易地均勻芽過慘雜層102。環形摻雜層102的厚度以單模光纖纖芯直徑為參考,一般為8μηι 10 μ m。內包層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包層、外包層厚度一致。如取環形的外直徑為200 μ m，厚度為10 μ m，則其摻雜層的橫截面積相當于直徑為87 μ m的雙包層光纖纖芯面積；如取環形的外直徑為300 μ m,厚度為10 μ m,則其摻雜層的橫截面積相當于直徑為107 μ m的雙包層纖芯面積。以目前已成熟的光纖激光器技術，這樣的環形摻雜層光纖為構造IOOkW單模激光輸出提供了可能。本實施例中的環形摻雜層光纖的制備方法如圖4所示，包括如下步驟(I)用化學氣相沉積法(MCVD)工藝制作光纖預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管內，保持與反應管同軸線后固定，由高純氧氣
(O2)攜帶四氯化娃(SiCl4)、氯氧化磷(POCl4)、氟氯化碳(CCl2F2)等原料進入不斷旋轉的環形高純石英基質反應管中，下面用氫氧焰高溫加熱反應管，使原料在高溫下發生氧化反應而均勻地沉積在石英管內，形成含SiO2-P2O5-F的光纖阻擋層。阻擋層的作用是阻止雜質擴散到芯部，所以阻擋層的沉積層數以使所做光纖損耗盡可能小為目的，優選為20 40層。同時阻擋層也將和反應管一起作為光纖的內包層，所以要控制其折射率與反應管相匹配。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)等原料進入不斷旋轉的環形高純石英基質反應管中，下面用氫氧焰高溫加熱反應管，使原料在高溫下發生氧化反應而均勻地沉積在石英管內，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情況而定，因為不同的石英管及其它一些因素的改變均會影響沉積溫度。疏松層的厚度及疏松程度以均勻及不出現脫落為宜。(2)溶液摻雜。采用打孔注入法將稀土離子摻雜到預制棒中，在大流量保護氣體下，用氫氧焰槍在靠近尾氣端開個直徑5_的小孔，用注射器將事先已配制好的YbCl3和AlCl3溶液中注入環形反應管，同時保證車床勻速轉動，相當于對溶液進行勻速攪拌。研究表明芯層中稀土離子濃度與溶液中yb3+離子濃度、溶液溫度和浸泡時間有關系，經過實驗確定的合適浸泡時間為I. 5小時左右，使Yb3+均勻的吸附在疏松芯層上。(3)脫水縮棒套管。將溶液從反應管抽出，在適宜的溫度下通入高純Cl2、O2的混合氣體對反應管進行干燥脫水處理，脫水時間四十分鐘左右。(4)預制棒加工處理。將經過脫水干燥的反應管在高溫下燒縮成透明的具有摻Yb3+芯層的預制棒。根據所做光纖預制棒芯的大小及拉制成光纖的芯徑比需對預制棒進行套管至合適的尺寸。(5)拉絲工藝。對加工后的光纖預制棒的表面進行酸處理，并清洗、烘干，然后將其夾持在拉絲塔送棒機構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，拉制成直徑符合要求的光纖。光纖的直徑由絲徑測控儀測量，通過對熔棒溫度、送棒速度和牽引速度的調整來保證絲徑的波動不超過規定的偏差。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，本實施例中的環形摻雜層光纖激光器，以環形摻雜層光纖504作為增益介質、以LD陣列501作為泵浦源、以全反鏡503輸出耦合鏡505構成諧振腔來搭建的環形摻雜層光纖激光器。 LD陣列501發出的泵浦光通過準直聚焦透鏡系統502進入環形摻雜層光纖504對其進行泵浦，兩雙色鏡503和505對激光高反、對泵浦光高透，共同構成諧振腔，輸出激光經過光學整形系統得到所期望的光束。
權利要求
1.一種環形摻雜層光纖，作為增益介質用于光纖激光器中，其特征在于，該光纖由內包層(101)和由內而外依次包覆在該內包層(101)上的環形摻雜層(102)、中包層(103)、外包層(104)和保護層(105)組成，其中所述內包層(101)為不摻雜的纖芯。
2.根據權利要求I所述的環形摻雜層光纖，其特征在于，所述的環形摻雜層(102)由摻稀土元素的基質材料制成。
3.根據權利要求I或2所述的環形摻雜層光纖，其特征在于，所述的基質材料為石英玻璃或氟化物玻璃。
4.根據權利要求1-3之一所述的環形摻雜層光纖，其特征在于，所述的內包層(101)和中包層(103)的材料和折射率均相同。
5.根據權利要求1-4之一所述的環形摻雜層光纖，其特征在于，所述的內包層(101)和中包層(103)的材料為折射率比環形摻雜層小、橫向尺寸和數值孔徑比環形摻雜層大的基質材料。
6.一種權利要求1-5之一所述的環形摻雜層光纖的制備方法，具體包括如下步驟 (1)在環形石英反應管內表面依次沉積阻擋層和疏松芯層； (2)溶液摻雜將YbCl3和AlCl3混合溶液中注入環形石英反應管，勻速轉動所述環形石英反應管，使Yb3+均勻的吸附在所述疏松芯層上； (3)脫水縮棒套管將溶液從反應管抽出，對反應管進行脫水干燥處理； (4)預制棒加工處理將經過脫水干燥的反應管燒縮成透明的具有摻Yb3+芯層的預制棒; (5)對預制棒進行拉絲處理，即制得環形摻雜層光纖。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述沉積阻擋層的具體過程為由高純氧氣(O2)攜帶四氯化娃(SiCl4)、氯氧化磷(POCl4)和氟氯化碳(CCl2F2)進入不斷旋轉的環形反應管中，同時加熱環形反應管，使阻擋層沉積原料發生氧化反應而沉積在石英管內，即形成光纖阻擋層。
8.根據權利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述沉積疏松層的具體過程為由高純氧氣(O2)攜帶四氯化娃(SiCl4)、氯氧化磷(POCl4)和四氯化鍺(GeCl4)進入不斷旋轉的環形反應管中，同時加熱環形反應管，使疏松芯層沉積原料發生氧化反應而沉積在石英管內，即形成疏松芯層。
9.根據權利要求6-8之一所述的方法，其特征在于，該方法還包括在拉絲后的器件上涂覆紫外光固化涂料作為光纖外包層的步驟。
10.一種光纖激光器，其特征在于，該光纖激光器的增益介質為上述權利要求1-5之一所述的環形摻雜層光纖。
全文摘要
本發明公開了一種環形摻雜層光纖，用于光纖激光器中，其由內包層(101)和由內而外依次包覆在該內包層(101)上的環形摻雜層(102)、中包層(103)、外包層(104)和保護層(105)組成，其中所述內包層(101)為不摻雜的纖芯。本發明還公開了一種上述環形摻雜層光纖的制備方法，以及一種以該環形摻雜層光纖為增益介質的激光器。本發明將傳統的纖芯摻雜改變為環形摻雜層，使得激光振蕩實際上在一個環形波導中進行，再合理設計該環形波導的厚度，就可以保持單模運轉，同時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H01S3/067GK102621628SQ20121007818
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月22日 優先權日2012年3月22日
發明者王英, 肖慧, 陳培鋒 申請人:華中科技大學