專利名稱：近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)增益光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及ー種光纖，尤其涉及ー種用于高功率光纖激光器或放大器的近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖。
背景技術(shù)：
由于光纖激光器具有體積小、效率高、壽命長(zhǎng)、光束質(zhì)量好、免維護(hù)等特色，在先進(jìn)制造、國防安全、科學(xué)研究等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)這種新一代高功率激光的開發(fā)一直是國際激光界關(guān)注的焦點(diǎn)。在高能光纖激光器領(lǐng)域，國外公司不僅技術(shù)上遙遙領(lǐng)先，而且還牢牢占據(jù)市場(chǎng)壟斷地位。我國很多的光纖激光器研究小組也做了大量的工作，也取得了一些不錯(cuò)的科研成果，但是目前大多處于原理研制階段，尚存在很多面向產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)需要攻克。例如研制高功率光纖激光器用的高性能増益光纖和光纖器件均需從國外購買。 高功率光纖激光器輸出激光功率由摻有稀土離子的光纖纖芯輸出的，傳統(tǒng)光纖的纖芯折射率高于包層的折射率。根據(jù)光纖橫截面折射率的分布情況，傳統(tǒng)光纖分為階躍折射率分布和漸變折射率分布兩種，如圖I所示。階躍折射率分布類型的光纖能夠易于產(chǎn)生單模輸出，但模場(chǎng)面積有限，不能用于產(chǎn)生很高的功率；漸變折射率分布類型的光纖有較大的模場(chǎng)面積，但不易于產(chǎn)生單模輸出。漸變折射率光纖的折射率分布公式為
「 “ ~|1/2_)=卜卜2O Jr<a(I)
Wl(l-2A)1/2a￡r￡b其中a是折射率分布的冪指數(shù)，a和b分別是纖芯和內(nèi)包層的半徑，A為相對(duì)折
射率差。

實(shí)用新型內(nèi)容為了解決背景技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量的激光輸出、能夠獲得較大的模場(chǎng)面積以及有效提高光纖激光器的輸出功率水平的近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是本實(shí)用新型提供了一種近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)增益光纖，包括纖芯以及包裹于纖芯外部的包層，其特殊之處在于所述近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖還包括設(shè)置在增益纖芯和包層之間的環(huán)形增益區(qū)。上述環(huán)形增益區(qū)是一系列同心的環(huán)形增益介質(zhì)層。上述一系列同心的環(huán)形增益介質(zhì)層形成折射率準(zhǔn)漸變的非均勻布拉格結(jié)構(gòu)。上述纖芯和環(huán)形增益區(qū)均是摻雜稀土離子的石英介質(zhì)；所述摻雜稀土離子是鉺離子、鐿離子、銩離子、釹離子、鉺離子與鐿離子共摻或銩離子與欽離子共摻。上述纖芯是一根或多根。上述纖芯是奇數(shù)根；所述奇數(shù)根纖芯相互平行；所述纖芯之間的距離處于l-20um之間。上述近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖還包括設(shè)置在包層外部用于限制泵浦光在包層內(nèi)傳輸?shù)牡驼凵渎释繉印１緦?shí)用新型與之前的技術(shù)相比有著明顯的優(yōu)越性能，具體表現(xiàn)在首先，在大包層內(nèi)多個(gè)纖芯和環(huán)形增益區(qū)域平行排列，泵浦光在包層內(nèi)傳播時(shí)經(jīng)過多個(gè)摻雜區(qū)域有效的提高了泵浦光的吸收利用率。另外一系列環(huán)形摻雜高折射率區(qū)域和包層低折射率區(qū)域相互交替形成折射率準(zhǔn)漸變的非均勻布拉格結(jié)構(gòu)，使得泵浦光被收集在多摻雜區(qū)域，使得光纖的單位長(zhǎng)度上吸收效率更高，泵浦光利用率更好。其次，纖芯摻雜區(qū)和環(huán)形增益區(qū)尺寸被設(shè)計(jì)為單模截止條件，使得每ー層均為單模輸出。由于多個(gè)纖芯和環(huán)形增益區(qū)域平行排列，通過倏逝波相互耦合，每ー個(gè)摻雜區(qū)域單模輸出相互相干。遠(yuǎn)場(chǎng)觀察時(shí)，多個(gè)單模相互疊加混合為ー個(gè)單模光斑，這樣在姆個(gè)纖芯內(nèi)激光功率不超過材料的損傷閾值的情況下，本實(shí)用新型可以較大的提高目前大功率光纖激 光器激光輸出的功率水平。由于光纖內(nèi)存在多個(gè)纖芯和外層環(huán)狀摻雜區(qū)域,這樣可以有效的增加模場(chǎng)面積。整個(gè)光纖増益區(qū)采用準(zhǔn)漸變折射率的布拉格光纖結(jié)構(gòu)，在準(zhǔn)漸變折射率光纖的“自聚焦”效應(yīng)下，遠(yuǎn)場(chǎng)所有光束疊加成一束“合成單?！奔す猓瑴p小出射激光的發(fā)散角，因此合成激光仍具有很好的光束質(zhì)量、大模場(chǎng)面積的大功率單模激光輸出，同時(shí)也有利于提高泵浦光的吸收效率。

圖I是傳統(tǒng)光纖階躍和漸變折射率分布的示意圖；圖2是本實(shí)用新型第I實(shí)施例近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型所提供的近單模準(zhǔn)漸變折射率光纖的折射率分布示意圖；圖4是本實(shí)用新型第I實(shí)施例高功率包層泵浦近單模準(zhǔn)漸變折射率光纖的橫截面示意圖；圖5是本實(shí)用新型第2實(shí)施例高功率包層泵浦近單模準(zhǔn)漸變折射率光纖的橫截面示意圖；其中1-纖芯，2-環(huán)形增益區(qū)，3-石英包層，4-低折射率涂層。
具體實(shí)施方式
參見圖2、圖3、圖4以及圖5，本實(shí)用新型提供了一種近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖，包括纖芯I以及包裹于纖芯I外部的包層(石英包層3)，與傳統(tǒng)的増益光纖所不同的是本實(shí)用新型所提供的近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖還包括設(shè)置在纖芯I和石英包層3之間的環(huán)形増益區(qū)2。環(huán)形增益區(qū)2是ー系列同心的環(huán)形增益介質(zhì)層，這些一系列同心的環(huán)形增益介質(zhì)層形成折射率準(zhǔn)漸變的非均勻布拉格結(jié)構(gòu)。環(huán)形増益區(qū)是在高折射率環(huán)形層中均勻摻雜金屬離子的石英介質(zhì)環(huán)形増益區(qū)；摻雜稀土離子是鉺離子、鐿離子、銩離子、釹離子、鉺離子與鐿離子共摻或銩離子與欽離子共摻。纖芯可以是ー根或多根。比如如圖5所示的3根等奇數(shù)根；奇數(shù)根纖芯相互平行；纖芯之間的距離處于l-20um之間。上述近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖還包括設(shè)置在石英包層3外部用于限制泵浦光在石英包層3內(nèi)傳輸?shù)牡驼凵渎释繉?。一系列同心圓環(huán)摻雜區(qū)與纖芯一祥滿足單模傳輸條件，因此纖芯直徑和同心圓環(huán)摻雜區(qū)厚度均需滿足一定的條件。多個(gè)同心環(huán)狀摻雜區(qū)域形成折射率準(zhǔn)漸變的布拉格結(jié)構(gòu)，每ー環(huán)形增益層都具有均勻折射率，而由內(nèi)到外各環(huán)形增益層的折射率分布包絡(luò)呈現(xiàn)用冪函數(shù)表示的準(zhǔn)漸變分布形式，各環(huán)形包層的折射率不變；各環(huán)形增益層呈準(zhǔn)漸變分布的冪指數(shù)可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求取任意正數(shù)(見公式I)。為滿足單?；蚪鼏文］敵?，則由內(nèi)到外各環(huán)形增益層厚度逐漸減小。本實(shí)用新型所提供的近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖的制備方法是該方法包括以下步驟I)制備稀土摻雜光纖芯棒I. I)采用化學(xué)氣相沉積MCVD和溶液摻雜或稀土螯合物氣相沉積，將稀土化合物均勻摻入石英管內(nèi)沉積層形成大模場(chǎng)石英光纖芯層；I. 2)將步驟I. I)中所得到的大模場(chǎng)石英光纖芯層采用預(yù)拉伸エ藝?yán)瞥扇舾蓚€(gè)直徑統(tǒng)ー的小芯棒，整合小芯棒并組成小芯棒組，形成稀土摻雜光纖芯棒；2)制作非均勻布拉格包層套管2. I)采用化學(xué)氣相沉積MCVD，改變相鄰沉積層的化學(xué)組成以形成不同折射率和不同層厚的交替型包層結(jié)構(gòu)，并在高折射率環(huán)形層中摻雜稀土離子形成増益區(qū)；2. 2)將步驟2. I)所得到的交替型包層結(jié)構(gòu)燒結(jié)成管形成非均勻布拉格包層套管；3)將步驟I)所得到的稀土摻雜光纖芯棒置于步驟2)所得到的非均勻布拉格包層套管中形成近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖3. I)將步驟I. 2)所得到的稀土摻雜光纖芯棒置于步驟2. 2)所得到的非均勻布拉格包層套管中；3. 2)采用低真空高溫縮棒エ藝排出稀土摻雜光纖芯棒之間以及稀土摻雜光纖芯棒與非均勻布拉格包層套管之間的殘留氣體形成近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖預(yù)制棒；3. 3)將步驟3. 2)所得到的近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖預(yù)制棒采用普通拉絲エ藝?yán)瞥伤柚睆降穆愎饫w，形成近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖。4)在步驟3)已經(jīng)制備得到的近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖的外部采用低折射率涂覆料包裏。在步驟I)和步驟2)之間可以是先步驟I)后步驟2)，正如上所述；也可以是先步驟2)后步驟I)，二者的制備過程都是一致的，如果是后者，則本實(shí)用新型的方法是步驟ー采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)(MCVD)，改變相鄰沉積層的化學(xué)組成以形成不同折射率和不同層厚的交替型包層結(jié)構(gòu)，然后燒結(jié)成管，作為新的包層套管。這樣的套管具有若干個(gè)沉積層，而這些折射率交替的沉積層均具有不同的厚度和折射率。此エ藝用于制作折射率準(zhǔn)漸變的非均勻布拉格包層套管。[0044]步驟ニ采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)(MCVD)和溶液摻雜技術(shù)(或稀土螯合物氣相沉積技術(shù))，將大濃度的稀土化合物均勻摻入石英管內(nèi)沉積層形成大模場(chǎng)石英光纖芯層。芯層和包層的厚度比取決于設(shè)計(jì)方案，為此需要使用圓磨エ藝進(jìn)行拋光，根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸要求進(jìn)行氫氟酸蝕刻エ藝以優(yōu)化表面。此エ藝用于稀土摻雜光纖芯棒。步驟三將步驟ニ的芯棒采用預(yù)拉伸エ藝?yán)瞥扇舾蓚€(gè)直徑統(tǒng)ー的小芯棒，然后采用模具整合這些小芯棒，組成“小芯棒組”。將小芯棒組放置進(jìn)入步驟一中制備的布拉格包層套管中，采用低真空高溫縮棒エ藝排出“小芯棒組”之間、“小芯棒組”與布拉格包層套管間的殘留氣體，最終完成實(shí)芯預(yù)制棒的制備エ藝。此エ藝用于制作完整的準(zhǔn)漸變折射率光纖預(yù)制棒。步驟四將準(zhǔn)漸變折射率光纖預(yù)制棒采用普通拉絲エ藝?yán)瞥伤柚睆降穆愎饫w，采用低折射率涂覆料包裹光纖以增強(qiáng)其抗彎曲和抗損傷能力。在低折射率涂覆層外加保護(hù)涂層進(jìn)一步加強(qiáng)光纖的保護(hù)。近單模大模場(chǎng)準(zhǔn)漸變折射率増益光纖的特點(diǎn)是包層內(nèi)光纖中心位置存在單個(gè)或者多個(gè)平行的結(jié)構(gòu)一致的増益介質(zhì)纖芯，以及圍繞纖芯的一系列同心圓環(huán)狀増益區(qū)。中心増益纖芯以光纖軸為中心對(duì)稱分布，每ー個(gè)纖芯尺寸滿足單模傳輸條件，外部的環(huán)狀增益區(qū)采用折射率準(zhǔn)漸變布拉格結(jié)構(gòu)，每ー環(huán)狀增益層同樣滿足單模輸出條件。每ー個(gè)増益區(qū)域出射的激光均為單模或近單模，在準(zhǔn)漸變折射率光纖的“自聚焦”效應(yīng)下，所有増益區(qū)產(chǎn)生的激光疊加成一束“合成單?！奔す?。由于各個(gè)増益區(qū)傳輸光場(chǎng)倏逝波之間相互耦合，各増益區(qū)產(chǎn)生的激光具有一定的相干性。該光纖結(jié)構(gòu)在保證單模輸出的條件下極大地増加了有效模場(chǎng)面積，因此本實(shí)用新型可以較大的提高目前大功率光纖激光器激光輸出的功率水平。這里采用折射率準(zhǔn)漸變的非均勻布拉格結(jié)構(gòu)光纖，這種光纖不僅可實(shí)現(xiàn)“合成單模”輸出，用于實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量的激光輸出，而且可以獲得較大的模場(chǎng)面積，實(shí)現(xiàn)較高功率的激光輸出。這種光纖在制作エ藝上環(huán)形芯的厚度及半徑容許誤差大，降低了光纖制作難度，避免了光纖制備設(shè)備和過程的復(fù)雜性、特殊性、人為因素影響大的缺點(diǎn)，可以利用目前最為成熟的稀土摻雜光纖制作エ藝-MCVD法結(jié)合溶液摻雜技術(shù)。實(shí)例ー一種高功率包層泵浦近單模準(zhǔn)漸變折射率摻鐿光纖，包括一個(gè)摻鐿石英纖芯1，環(huán)形增益區(qū)域2、石英包層3和低折射率涂層4，其結(jié)構(gòu)特征是包層3內(nèi)有ー個(gè)滿足單模傳輸條件的纖芯。一系列環(huán)形增益區(qū)域2與光纖同心分布。實(shí)例ニ 一種高功率包層泵浦近單模準(zhǔn)漸變折射率三芯摻鐿光纖，包括三個(gè)摻鐿石英纖芯I，環(huán)形增益區(qū)域2、石英包層3和低折射率涂層4，其結(jié)構(gòu)特征是包層3內(nèi)三個(gè)結(jié)構(gòu)一致的摻鐿纖芯相互平行、按照沿纖心對(duì)稱排列，三個(gè)摻鐿纖芯I之間的距離為l_20um。一系列環(huán)形增益區(qū)域2與光纖同心分布。纖芯I和環(huán)形增益區(qū)域2均需滿足激光波長(zhǎng)的單模傳輸條件，根據(jù)光纖內(nèi)模式方程Helmholtz 方程[0056]
g + i!木V-グ _4]。= 0(2)
ar r dr [_r求解出滿足Helmholtz方程的光纖模式ey(r)
ナゴ子タ=0(3)給定環(huán)形増益區(qū)域的折射率差A(yù)n和內(nèi)圈半徑R1,即可求出外圈半徑R2。例如 An = O. 05, Rl = IOum則可以得到，R2 = 14um纖芯由K= ak{){n\ -Ti22)1'2 < 2.4083當(dāng)Ii1和n2給定時(shí)，就可以得到光纖的半徑a。設(shè)定纖芯數(shù)目為3個(gè)時(shí)，由上述公式計(jì)算得到相應(yīng)的尺寸，再按照上面提到的光纖制造技術(shù)完成光纖的拉制。
權(quán)利要求1.一種近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖，包括纖芯以及包裹于纖芯外部的包層，其特征在干所述近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖還包括設(shè)置在纖芯和包層之間的環(huán)形増益區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖，其特征在于所述環(huán)形増益區(qū)是ー系列同心的環(huán)形增益介質(zhì)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖，其特征在于所述ー系列同心的環(huán)形增益介質(zhì)層形成折射率準(zhǔn)漸變的非均勻布拉格結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利I或2或3所述的近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖，其特征在于所述纖芯和環(huán)形增益區(qū)均是摻雜稀土離子的石英介質(zhì)；所述摻雜稀土離子是鉺離子、鐿離子、銩離子、釹離子、鉺離子與鐿離子共摻或銩離子與欽離子共摻。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖，其特征在于所述纖芯是ー根或多根。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖，其特征在于所述纖芯是奇數(shù)根；所述奇數(shù)根纖芯相互平行；所述纖芯之間的距離處于l-20um之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖，其特征在于所述近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)増益光纖還包括設(shè)置在包層外部用于限制泵浦光在包層內(nèi)傳輸?shù)牡驼凵渎释繉印?br> 專利摘要本實(shí)用新型涉及一種近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)增益光纖，該增益光纖包括纖芯、包裹于纖芯外部的包層以及設(shè)置在增益纖芯和包層之間的環(huán)形增益區(qū)。本實(shí)用新型提供了一種實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量的激光輸出、能夠獲得較大的模場(chǎng)面積以及有效提高光纖激光器的輸出功率水平的近單模準(zhǔn)漸變折射率大模場(chǎng)增益光纖。
文檔編號(hào)G02B6/02GK202522729SQ201220157268
公開日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者朱永剛, 林傲祥, 段開椋, 趙衛(wèi) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所