双包层全固态光子晶体增益光纤及其制备方法
【专利摘要】一种双包层全固态光子晶体增益光纤及其制备方法，该双包层全固态光子晶体增益光纤，包括纤芯、内包层和外包层，其特点在于纤芯的折射率比内包层的背底材料的折射率低。本发明光纤在保持全固态光子晶体光纤特性的同时，可实现光纤的单模(M2<1.1)大模场(模场直径>50μm)激光输出。
【专利说明】双包层全固态光子晶体增益光纤及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及双包层光子晶体光纤，特别是一种纤芯折射率比背底材料折射率低的双包层全固态光子晶体增益光纤及其制备方法。
【背景技术】
[0002]单模(M2〈l.1)运转的稀土掺杂的双包层阶跃光纤由于其在光通信、光传感、先进加工、生物医学、国防军事等领域的重要应用而受到广泛的研究，其研究的重点之一就是光纤输出功率的提高。目前提高光纤功率的主要限制因素在于非线性效应。而解决非线性效应的有效途径之一即为增大增益光纤的纤芯面积。然而，由于目前MCVD等技术的限制，在不利用其它滤模技术(如弯曲光纤，加扰模器等)的前提下，单模运转的阶跃光纤的纤芯直径最大只有15 y m左右,这极大限制了光纤功率的进一步提闻。为了进一步扩大纤芯直径同时克服空气孔包层的光子晶体光纤带来的弊端，2012年张光等提出了全固态的光子晶体光纤，在这种光子晶体光纤中，内包层和外包层的空气孔被玻璃所取代，从而形成全固态结构。与空气孔包层的光子晶体光纤相比，全固态结构的光子晶体光纤有易于与传统泵浦源熔接，易于保存，导热性能优异等特点。然而，目前的全固态光子晶体光纤依然没有实现大模场单模输出，其主要原因之一就是掺杂纤芯的折射率比背底材料的折射率高，这使得光子晶体内包层的存在会进一步提高掺杂纤芯的数值孔径，从而限制了单模全固态光子晶体光纤的实现及其单模纤芯的扩大。
【发明内容】
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[0003]本发明的目的是为了解决以上现有技术的不足，提出了一种双包层全固态光子晶体增益光纤及其制备方法，该双包层全固态光子晶体增益光纤的特点是纤芯折射率比背底折射率低，这种光纤可以在保持全固态光子晶体光纤特性的同时，实现光纤的单模(M2<1.1)大模场(模场直径>50 V- m)激光输出。
[0004]本发明的技术解决方案如下:
[0005]一种双包层全固态光子晶体增益光纤，包括纤芯、内包层和外包层，其特点在于纤芯的折射率比内包层的背底材料的折射率低。
[0006]上述的双包层全固态光子晶体光纤的制备方法，其特点在于包括以下步骤:
[0007]①制备外径均匀的玻璃棒:
[0008]利用拉丝塔制成第一玻璃棒、第二玻璃棒和第三玻璃棒，所述的第一玻璃棒为无掺杂玻璃的均匀细棒，第三玻璃棒是掺杂玻璃的均匀细棒，所述的第二玻璃棒由芯部玻璃和包层玻璃两部分组成，其芯部玻璃的折射率比包层玻璃的折射率低，并且该包层玻璃形成了光纤内包层的背底，所述的第一玻璃棒的折射率小于第二玻璃棒的包层玻璃的折射率，第三玻璃棒折射率小于第二玻璃棒包层玻璃的折射率，然后根据制备光纤预制棒的长度L的需要，将所述的第一玻璃棒、第二玻璃棒和第三玻璃棒截成相同长度L ；
[0009]②光纤预制棒的制备:[0010]在具有六角形内腔的套筒模具里，按密堆积方式排列第二玻璃棒共m层，然后用第一玻璃棒替换最外面n层的第二玻璃棒，再用第三玻璃棒替换其余的第二玻璃棒中心的k根玻璃棒；将已装入该六角形金属套筒模具里的而裸露的部分共m层玻璃杯套在另外2个结构相同的六角形套筒中；再将该六角形金属模具及其内玻璃棒在高温炉内进行烧结并退火，该光纤预制棒的烧结温度低于该玻璃软化点30~100度，从所述的六角形套筒模具脱模后获得光纤预制棒；
[0011]所述的无掺杂玻璃为石英玻璃、磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、碲酸盐玻璃或氟化物玻璃以及聚合物材料。
[0012]所述的m的取值为3~20层。
[0013]所述的n≥I。
[0014]所述的k≥I。
[0015]所述的第一玻璃棒、第二玻璃棒和第三玻璃棒的外径的取值范围为0.3~25mm。
[0016]所述的六角形金属套筒模具的长度为L/3，L为光纤预制棒的长度。
[0017]③制备光纤:
[0018]在较预制棒的烧结温度高的温度下制备光纤，玻璃表面张力的作用会使光纤成为外表面为圆形的双包层全固态光子晶体光纤，其中第三玻璃中的芯部玻璃形成光子晶体周期，第三玻璃中的包层玻璃成为内包层背底。
[0019]本发明与现有发明相比的优点在于:
[0020]光纤的纤芯折射率比内包层背底折射率低，使得光纤在保持全固态光子晶体光纤特性的同时，实现单模(M2〈l.1)大模场(模场直径>50iim)激光输出。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明光纤预制棒和内六角结构金属套筒模具的截面示意图
[0022]图2是本发明纤芯折射率比内包层背底材料折射率低的双包层全固态光子晶体光纤截面示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0024]请参见图1和图2，图1是本发明的光纤预制棒以及相应的六角形金属套筒模具截面示意图，图2是本发明的光子晶体光纤的截面示意图，由图可见，本发明的双包层光纤，包括外包层5，内包层6和纤芯7，其特征在于光纤外包层5为圆形，纤芯7的折射率比内包层6背底的折射率低。
[0025]上述的双包层全固态光子晶体光纤的制备方法，其特点在于包括以下步骤:
[0026]①制备外径均匀的玻璃棒:
[0027]利用拉丝塔制成第一玻璃棒1、第二玻璃棒2和第三玻璃棒3，所述的第一玻璃棒I为无掺杂玻璃的均匀细棒，第三玻璃棒3是掺杂玻璃的均匀细棒，所述的第二玻璃棒2由芯部玻璃和包层玻璃两部分组成，其芯部玻璃的折射率比包层玻璃的折射率低，并且该包层玻璃最终成为光纤内包层的背底，所述的第一玻璃棒I的折射率小于第二玻璃棒2的包层玻璃的折射率，第三玻璃棒3折射率小于第二玻璃棒2包层玻璃的折射率，然后根据制备光纤预制棒的长度L的需要，将所述的第一玻璃棒1、第二玻璃棒2和第三玻璃棒3截成相同长度L ；
[0028]②光纤预制棒的制备:
[0029]在具有六角形内腔的套筒模具里，按密堆积方式排列第二玻璃棒2共m层，然后用第一玻璃棒I替换最外面n层的第二玻璃棒2，再用第三玻璃棒3替换其余的第二玻璃棒2中的k根玻璃棒；将已装入该六角形金属套筒模具里的而裸露的部分共m层玻璃杯套在另外2个结构相同的六角形套筒中；再将该六角形金属模具及其内玻璃棒在高温炉内进行烧结并退火，该光纤预制棒的烧结温度低于该玻璃软化点30~100度从所述的六角形套筒模具脱模后获得光纤预制棒；
[0030]③制备光纤:
[0031]在较预制棒的烧结温度高的温度下制备光纤，玻璃表面张力的作用会使光纤成为外表面为圆形的双包层全固态光子晶体光纤，其中第三玻璃3中的芯部玻璃形成光子晶体周期，第三玻璃3中的包层玻璃成为内包层背底。
[0032]下面是本发明的实施例。
[0033]实施例1
[0034]用氟化物玻璃作为基质材料，堆积法制作双包层全固态光子晶体光纤(参见图2(a)) ?第一玻璃棒I和第二玻璃棒2分别为未掺杂的氟化物玻璃，第三玻璃棒3为掺Tm氟化物玻璃，掺杂浓度为3000ppm。第一玻璃棒I和第三玻璃棒3的折射率分别为(~1500nm处)1.49和1.505，玻璃转变温度分别为450°C和470°C，第二玻璃棒2的包层玻璃和芯部玻璃的折射率(~1500nm处)分别为1.51和1.49，玻璃转变温度为455°C和450°C，三种玻璃棒的外径为1mm (误差小于1%)，长为15cm。金属套筒内密堆积玻璃棒，其中预制棒层数m=7，最外层取代的层数n=2，纤芯处取代数k=7。530°C下烧结15min。560°C下拉丝，得到光纤。
[0035]利用中心波长为793nm，输出功率为50W的泵浦源，外径和归一化纤芯直径为340 ii m和65 ii m的增益光纤搭建激光器。获得的最高输出功率为500mW，M2=l.06 (Mx2=1.08，My2=l.04)。模场直径为65 u m。
[0036]实施例2
[0037]石英玻璃作为基质材料，堆积法制作双包层全固态光子晶体光纤(参见图2(b))。第一玻璃棒I为氟掺杂石英玻璃，折射率(1U m处)为1.447，第二玻璃棒2的包层玻璃为未掺杂的石英玻璃，芯部玻璃为掺氟的石英玻璃，折射率(I U m处)分别为1.45, 1.445。第三玻璃棒3为Yb掺杂石英玻璃，浓度为3000ppm，折射率为1.449。三种玻璃的外径均为
0.8mm(误差小于2%)，长为15cm。金属套筒内密堆积9层(m=9)第一玻璃棒1，用第二玻璃棒2替换最外面3层(n=3)第一玻璃棒1，用第三玻璃棒3替换中心的7根第一玻璃棒1，1800°C下烧结15min。2100°C下拉丝，得到光纤。
[0038]测试光纤的吸收系数和激光性能，增益光纤长度为120cm，纤芯直径70 U m，外径500 u m。谐振腔由双色镜和垂直切割的光纤端面形成的4%菲涅尔反射面组成，976nm的泵浦光最大功率200W，光纤最高输出功率80W，M2=L 07 (Mx2=My2=l.07)。模场直径为73 u m。
[0039]实施例3[0040]用碲酸盐玻璃作为基质玻璃，堆积法制作双包层全固态光子晶体光纤(参见图2(c))。第一玻璃棒I及第二玻璃棒2的包层玻璃和芯部玻璃为无掺杂的碲酸盐白玻璃，折射率(1200nm处)分别为1.9，2.0，1.95，软化点分别为410°C，420°C，412°C，第三玻璃棒3为Er掺杂的碲酸盐玻璃，浓度为lOOOppm，折射率(1200nm处)为1.995，软化点为415°C，三种玻璃棒的外径为1mm(误差小于1.5%),长度L为25cm,在六角形结构金属套筒中堆积成预制棒，预制棒共5层(m=5)，最外层有2层被取代(n=2)，光纤预制棒为I芯取代(k=l)，在490°C烧结20min，并在400°C退火15h，得到完整的外包层为六角形，内包层为三角形的预制棒。在510°C下拉丝，得到较理想的光纤。
[0041]对制得的光纤进行激光测试，光纤的纤芯直径和外径分别为55 ii m, 560 ii m。用波长为980nm的35W的泵浦源进行泵浦，所得的激光输出功率为1W。测得的光束质量因子M2=L 05 (M2x=L 06, M2y=L 04)。测得的波长半径为约 56 u m。
[0042]实施例4 [0043]用磷酸盐玻璃作为基质玻璃，堆积法制作双包层全固态光子晶体光纤(参见图2(d))。第一玻璃棒I，第二玻璃2的包层玻璃和芯部玻璃，以及第三玻璃棒3的折射率分别为(1053nm处)1.505，1.516和1.5，1.513，第一玻璃棒1，第二玻璃棒2的包层玻璃和芯部玻璃无稀土掺杂，第三玻璃棒3为Nd掺杂，浓度为3.5wt%，三种玻璃棒的外径为0.5mm(误差小于1%)，长度为25cm。制成的预制棒中，m=8，n=3，k=3(中心的三根第二玻璃棒2被取代)，第一玻璃棒1，第二玻璃棒2的包层玻璃和芯部玻璃以及第三玻璃棒3玻璃的软化点在480~490°C ;在六角形结构金属套筒中堆积成预制棒，在580°C烧结15min，并在440°C退火15h，得到完整的外包层为六角形，内包层为D形，外径为17.2mm的预制棒。在560°C下拉丝，得到较理想的光纤。
[0044]用光纤作为增益介质，50W输出功率中心波长为793nm的半导体激光器为泵浦源搭建激光器，光纤的归一化芯径和外径分别为60 ii m, 540 ii m。光纤输出功率为10W,M2=L 02 (Mx2=l.01，My2=L 03)。模场直径为 60 u m0
[0045]实施例5
[0046]用硅酸盐玻璃作为基质玻璃，堆积法制作双包层全固态光子晶体光纤(参见图2(e))。第一玻璃棒1、第二玻璃2的包层玻璃和芯部玻璃，及第三玻璃棒3的折射率分别为(1064nm处)1.48，1.512和1.48，及1.51，第一玻璃棒I和第二玻璃棒2无稀土掺杂，第三玻璃棒3为Nd掺杂，浓度为0.5wt%，三种玻璃棒的外径为0.6mm (误差小于0.5%)，长度为30cm。四种玻璃棒1，2的包层玻璃和芯部玻璃以及3的软化点在720~750°C ;在六角形结构金属套筒中堆积成预制棒，其中m=9, n=4, k=4。在700°C烧结20min,并在530°C退火15h，得到完整的预制棒。在840°C下拉丝，得到较理想的光纤。
[0047]用光纤作为增益介质，搭建激光器.其中泵浦源中心波长为793nm，输出功率50W。增益光纤长70cm,归一化纤芯直径和外径分别为50 ii m和440 u m。光纤输出的最高功率为9ff, M2=L 07 (Mx2=!.04，My2=!.1)。模场直径为 52 u m。
【权利要求】
1.一种双包层全固态光子晶体光纤，包括纤芯、内包层和外包层，其特征在于外包层(5)为圆形，纤芯(7)的折射率比内包层(6)的背底材料的折射率低。
2.权利要求1所述的双包层全固态光子晶体光纤的制备方法，其特点在于该方法包括以下步骤: ①制备外径均匀的玻璃棒: 利用拉丝塔制成第一玻璃棒(I)、第二玻璃棒(2)和第三玻璃棒(3)，所述的第一玻璃棒(I)为无掺杂玻璃的均匀细棒，第三玻璃棒(3)是掺杂玻璃的均匀细棒，所述的第二玻璃棒(2)由芯部玻璃和包层玻璃两部分组成，其芯部玻璃的折射率比包层玻璃的折射率低，并且包层玻璃形成了光纤内包层背底，所述的第一玻璃棒(I)的折射率小于第二玻璃棒(2)的包层玻璃的折射率，第三玻璃棒(3)折射率小于第二玻璃棒(2)包层玻璃的折射率，然后根据制备光纤预制棒的长度L的需要，将所述的第一玻璃棒(I )、第二玻璃棒(2)和第三玻璃棒(3)截成相同长度L ; ②光纤预制棒的制备: 在具有六角形内腔的套筒模具里，按密堆积方式排列第二玻璃棒(2)共m层，然后用第一玻璃棒(I)替换最外面n层的第二玻璃棒(2)，再用第三玻璃棒(3)替换其余的第二玻璃棒(2)中心的k根玻璃棒；将已装入该六角形金属套筒模具里的而裸露的部分共m层玻璃棒套在另外2个结构相同的六角形套筒中；再将该六角形金属模具及其内的玻璃棒在高温炉内进行烧结并退火，该光纤预制棒的烧结温度低于该玻璃软化点30?100°C，从所述的六角形套筒模具脱模后获得光纤预制棒； ③制备光纤: 在较预制棒的烧结温度高的温度下制备光纤，玻璃表面张力的作用会使光纤成为外表面为圆形的双包层全固态光子晶体光纤，其中第三玻璃(3)中的芯部玻璃形成光子晶体周期，第三玻璃(3)中的包层玻璃成为内包层背底。
3.根据权利要求2所述的双包层全固态光子晶体光纤的制备方法，其特点在于所述的无掺杂玻璃为石英玻璃、磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、碲酸盐玻璃或氟化物玻璃。
4.根据权利要求2所述的双包层全固态光子晶体光纤的制备方法，其特点在于所述的m的取值为3?20层。
5.根据权利要求2所述的双包层全固态光子晶体光纤的制备方法，其特点在于所述的n > I。
6.根据权利要求2所述的双包层全固态光子晶体光纤的制备方法，其特点在于所述的k > I。
7.根据权利要求2所述的纤芯折射率比内包层背底折射率低的双包层全固态光子晶体光纤的制备方法，其特点在于所述的第一玻璃棒(I)、第二玻璃棒(2)和第三玻璃棒(3)的外径的取值范围为0.3?25mm。
8.根据权利要求2至7任一项所述的双包层全固态光子晶体光纤的制备方法，其特点在于所述的六角形金属套筒模具的长度为L/3，L为光纤预制棒的长度。
【文档编号】C03B37/025GK103760633SQ201410014813
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月14日 优先权日:2014年1月14日
【发明者】王飞龙, 陈丹平, 李文涛, 胡丽丽 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所