一種三包層摻銩光纖及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及摻銩光纖領域，尤其涉及一種三包層摻銩光纖及其制備方法。
【背景技術】
[0002]光纖激光器以其效率高、光束質(zhì)量好、可靠性高、結(jié)構緊湊和散熱性好等優(yōu)點，廣泛應用于醫(yī)療、軍事、光通信和工業(yè)加工等領域。摻銩光纖激光作為一種新型的高功率激光，它利用摻銩石英光纖作為增益介質(zhì)，工作波長在2 μ m，處于人眼安全波長范圍。隨著光纖設計和制備工藝的改進以及半導體激光泵浦技術的發(fā)展，2 μ m波段摻銩光纖激光器得到了快速發(fā)展。摻銩光纖激光器由于可提供波長在2 μπι左右的長波激光振蕩，與水的吸收峰相接近，有極好的對人體組織切割和凝血效果，可以用普通光纖傳輸，是理想的手術激光光源。同時摻銩光纖激光器作為產(chǎn)生3?5 μπι中紅外激光的高效泵浦源也引起了人們的廣泛關注。
[0003]目前，摻銩光纖激光器的核心部件為雙包層摻銩光纖，雙包層摻銩光纖的結(jié)構一般包括摻銩元素的纖芯、數(shù)值孔徑和橫截面比纖芯大得多而折射率比纖芯低的二氧化硅基包層、比二氧化硅基包層折射率低的涂覆層以及高折射率的保護層?，F(xiàn)有技術中的摻銩光纖激光器的纖芯中包括氧化銩和氧化鋁，氧化鋁(Al2O3)可以增加銩離子的溶解度，提高銩離子的分散性，減小能量上轉(zhuǎn)換。然而該摻銩光纖激光器中纖芯層的折射率較大，使纖芯的數(shù)值孔徑大大增加，從而使輸出激光的光束質(zhì)量降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種三包層摻銩光纖及其制備方法，本發(fā)明提供的三包層摻銩光纖的纖芯數(shù)值孔徑較小，提高輸出激光的光束質(zhì)量。
[0005]本發(fā)明提供了一種三包層摻銩光纖，包括:
[0006]纖芯；
[0007]所述纖芯中包括二氧化娃、氧化鎊、氧化鋁和五氧化二磷，氧化鎊的摩爾含量為0.2?0.8%，五氧化二磷的摩爾含量為0.5?1.0%，氧化鋁與氧化銩的摩爾比彡8 ;所述纖芯的直徑dl為10?30 μπι ;
[0008]套設在所述纖芯表面的內(nèi)包層，所述內(nèi)包層中包括摻雜劑和二氧化硅；所述內(nèi)包層的直徑為d2，2.5dl彡d2彡4dl ；
[0009]套設在所述內(nèi)包層表面的外包層，所述外包層包括二氧化硅；
[0010]和套設在所述外包層表面的樹脂層。
[0011]優(yōu)選地，所述纖芯的氧化銩的摩爾含量0.4?0.7%。
[0012]優(yōu)選地，所述氧化鋁與氧化銩的摩爾比彡10。
[0013]優(yōu)選地，所述外包層橫截面的形狀為非圓形。
[0014]優(yōu)選地，所述非圓形為矩形、D型、六邊形或八邊形。
[0015]優(yōu)選地，所述內(nèi)包層中的摻雜劑包括氧化鍺或氧化鋁。
[0016]本發(fā)明提供了一種上述技術方案所述三包層摻銩光纖的制備方法，包括以下步驟:
[0017]I)將石英沉積管的內(nèi)表面依次沉積內(nèi)包層和疏松芯層；
[0018]2)將所述步驟I)得到的內(nèi)表面沉積有內(nèi)包層和疏松芯層的石英沉積管浸泡在含銩離子和鋁離子的溶液中；
[0019]3)將所述步驟2)浸泡后的石英沉積管依次進行干燥、燒結(jié)和熔縮，得到摻銩光纖預制棒，所述摻銩光纖預制棒包括纖芯以及依次套設于纖芯表面的內(nèi)包層和外包層；所述纖芯中包括二氧化娃、氧化鎊、氧化銷和五氧化二磷，氧化鎊的摩爾含量為0.2?0.8%，五氧化二磷的摩爾含量為0.5?1.0%，氧化鋁與氧化銩的摩爾比彡8 ;所述內(nèi)包層中包括摻雜劑和二氧化硅，所述內(nèi)包層中包括二氧化硅；
[0020]4)將所述步驟3)得到的摻銩光纖預制棒拉制，然后涂覆樹脂層，得到三包層摻銩光纖；所述三包層摻銩光纖的纖芯的直徑dl為10?30 μπι;所述內(nèi)包層的直徑為d2，2.5dl 彡 d2 彡 4dlo
[0021]優(yōu)選地，所述步驟I)具體為:
[0022]將摻雜劑原料和四氯化硅通入到石英沉積管內(nèi)表面沉積內(nèi)包層，然后通入三氯氧磷和四氯化硅沉積疏松芯層。
[0023]優(yōu)選地，所述步驟2)中浸泡的時間大于等于0.5小時。
[0024]優(yōu)選地，所述步驟3)中燒結(jié)的溫度為1800°C?2000°C。
[0025]本發(fā)明提供了一種三包層摻銩光纖，包括纖芯；所述纖芯中包括二氧化硅、氧化鎊、氧化鋁和五氧化二磷，氧化鎊的摩爾含量為0.2?0.8%，五氧化二磷的摩爾含量為
0.5?1.0%，氧化銷與氧化鎊的摩爾比彡8 ;所述纖芯的直徑dl為10?30 μπι ;套設在所述纖芯表面的內(nèi)包層，所述內(nèi)包層中包括二氧化硅和摻雜劑；所述內(nèi)包層的直徑為d2，2.5dl ^ d2 ^ 4dl ;套設在所述內(nèi)包層表面的外包層，所述外包層包括二氧化硅；和套設在所述外包層表面的樹脂層。本發(fā)明提供的三包層摻銩光纖通過控制內(nèi)包層的組分和纖芯中組分的含量、纖芯和內(nèi)包層的直徑，減小了纖芯的數(shù)值孔徑，提高輸出激光的斜率效率和光束質(zhì)量。實驗結(jié)果表明:纖芯數(shù)值孔徑< 0.15 ;三包層摻銩光纖的吸收系數(shù)多2dB/mi793nm ;激光斜率效率彡40%。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明實施例1制備的三包層摻銩光纖沿垂直于纖芯軸線的橫截面的結(jié)構示意圖；
[0027]圖2為圖1所示的三包層摻銩光纖所對應的折射率剖面圖；
[0028]圖3為本發(fā)明實施例2制備的三包層摻銩光纖沿垂直于纖芯軸線的橫截面的結(jié)構示意圖；
[0029]圖4為圖3所示的三包層摻銩光纖所對應的折射率剖面圖。
【具體實施方式】
[0030]本發(fā)明提供了一種三包層摻銩光纖，包括:
[0031]纖芯；
[0032]所述纖芯中包括二氧化硅、氧化銩、氧化鋁和五氧化二磷，氧化銩的摩爾含量為
0.2?0.8%，五氧化二磷的摩爾含量為0.5?1.0%，氧化鋁與氧化銩的摩爾比彡8 ;所述纖芯的直徑為10?30μπι ;
[0033]套設在所述纖芯表面的內(nèi)包層，所述內(nèi)包層中包括摻雜劑和二氧化硅；所述內(nèi)包層的直徑為d2，2.5dl彡d2彡4dl ；
[0034]套設在所述內(nèi)包層表面的外包層，所述外包層中包括二氧化硅；
[0035]和套設在所述外包層表面的樹脂層。
[0036]本發(fā)明提供的三包層摻銩光纖包括纖芯；所述纖芯中包括二氧化硅、氧化銩、氧化鋁和五氧化二磷。在本發(fā)明中，所述氧化銩為主摻雜劑；所述氧化鋁和五氧化二磷為共摻雜劑。石英光纖中摻入氧化鋁(Al2O3)可以增加銩離子的溶解度，提高銩離子的分散性，減小能量上轉(zhuǎn)換。在本發(fā)明中，為了提高相鄰銩離子間的交叉馳豫(3H4,3H6-3F4,3F4)，通常需要摻雜高濃度的氧化銩，當氧化銩的摩爾含量超過0.2%時，摻銩光纖可突破斯托克斯效率的限制。此外，增加Tm3+的濃度，達到一定增益所需的光纖長度可以縮短，減小了非線性效應，也減小了總的本底損耗尤其是激光工作波段的本底損耗。但當Tm3+的濃度過高時，其團簇的幾率大大增加，導致能量傳遞上轉(zhuǎn)換過程的發(fā)生，從而引起激光效率的下降。這個過程既浪費了泵浦能量，增加了閾值功率，同時也增加了熱管理的難度。為了避免團簇造成不需要的傳能過程的發(fā)生，可通過摻雜高濃度的氧化鋁來實現(xiàn)。當氧化鋁與氧化銩的摩爾比多8時，Tm3+可以實現(xiàn)較好的分散效果，從而抑制能量傳遞上轉(zhuǎn)換過程。在本發(fā)明中，所述氧化銩的摩爾含量為0.2?0.8%，氧化鋁與氧化銩的摩爾比多8。在本發(fā)明中，制備纖芯時摻雜適量的五氧化二磷，可提高纖芯的孔隙度和均勻性，從而增加纖芯對溶液中摻雜離子的吸附能力；此外由于五氧化二磷燒結(jié)溫度較低，預燒結(jié)過程可增加纖芯的強度，從而減小纖芯龜裂的幾率。但另一方面，五氧化二磷增加玻璃組分的聲子能，提高了非輻射躍迀的幾率，容易造成摻銩光纖的量子效率的減?。煌瑫r五氧化二磷的摻入使1.5?1.7 μπι的衰減增大(P-OH)。因此，五氧化二磷的摻雜濃度不可過高。在本發(fā)明中，纖芯中摻雜五氧化二磷的摩爾含量為0.5?1.0%。本發(fā)明在纖芯層中摻雜少量的五氧化二磷，能夠提高纖芯的孔隙度和均勻性，減小疏松纖芯層龜裂的幾率。
[0037]為了減小功率密度，需使用大模場直徑光纖。在本發(fā)明中，所述纖芯的直徑dl為10?30 μπι。在本發(fā)明中，纖芯中氧化鋁的高濃度摻雜容易引起纖芯層的折射率增大，從而使纖芯的數(shù)值孔徑(NA)大大增加，從而使輸出激光的光束質(zhì)量降低。因此，摻銩光纖需要采用增加高折射率內(nèi)包層的方法減小纖芯層的數(shù)值孔徑。
[0038]本發(fā)明提供的三包層摻銩光纖包括套設在所述纖芯表面的內(nèi)包層，所述內(nèi)包層中包括摻雜劑和二氧化硅；所述內(nèi)包層的直徑為d2，2.5dl4dl ;在本發(fā)明的具體實施例中，所述內(nèi)包層的直徑為30 μπι或80 μπι。本發(fā)明優(yōu)選在內(nèi)包層中摻雜氧化鋁或氧化鍺，更優(yōu)選為氧化鋁。為了提高內(nèi)包層的折射率，摻氧化鋁時內(nèi)包層達到與摻氧化鍺時同樣的折射率時，內(nèi)包層的熱膨脹系數(shù)最小。通常內(nèi)包層的直徑和折射率需要選取合適的值，直徑太小或者折射率太低，則無法有效減小纖芯的NA。而直徑太大，折射率太高，會增加光纖的彎曲損耗，也會導致內(nèi)包層應力較大，外包層研磨加工時易造成預制棒開裂。在本發(fā)明中，三包層摻銩光纖增加內(nèi)包層后，泵浦光容易限制在內(nèi)包層中，由于內(nèi)包層沿垂直于所述纖芯的軸線的橫截面為圓形，增加了螺旋光，導致吸收系數(shù)減小。
[0039]本發(fā)明提供的三