一种双包层有源光纤及其制造方法与流程
本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种双包层有源光纤及其制造方法。
背景技术：
大功率光纤激光器的技术突破始于1988年snitzer等人提出的双包层泵浦概念，与普通通信光纤设计不同，除了围绕纤芯的内包层外，双包层光纤增加了采用低折射率涂层形成的外包层，使得纤芯相对于内包层、内包层相对于外包层都有较高的折射率，形成纤芯和包层的双重波导结构，稀土离子掺杂的纤芯可作为激光的增益介质，而包层波导可用于传输泵浦光源。由于端面发射的多模半导体激光在长轴方向的光斑尺寸一般在100μm以上，而光纤的直径可灵活地控制在几十到几百微米范围，因此，双包层光纤可有效地利用高功率低亮度半导体激光作为泵浦光源，使得全光纤结构的大功率固体激光器成为可能。显而易见，在包层中传输的泵浦光只有在通过纤芯时才会被稀土离子吸收，因此包层泵浦吸收系数一般大大低于纤芯泵浦吸收系数，两者的比例最终取决于纤芯与包层的截面积之比。除此之外，一部分包层泵浦光是以螺旋光的形式传输的，从不经过纤芯，因此为提高泵浦吸收效率，通常双包层有源光纤都做成非圆型的横截面，如八边形或“d”型等。目前八边形双包层有源光纤是制作大功率光纤激光器的主流光纤设计。
双包层有源光纤是光纤激光器的重要组成部分，双包层有源光纤比常规的光纤多了一个低折射率外包层，主要由纤芯、内包层、低折射率外包层和保护涂层(高折射率涂覆层)四个部分组成。
目前的双包层有源光纤，存在以下几个缺点：
(1)在光纤激光器使用中希望减少光纤使用长度，进而减小非线性效应，这就需要提高双包层有源光纤的包层泵浦吸收，一般的方法是通过增加纤芯掺杂浓度来提高包层泵浦吸收，但是该种方法会造成光纤光致暗化现象明显。因此，在保持纤芯掺杂浓度不变的前提下，如何提高包层泵浦吸收，已成为目前亟待解决的问题。
(2)在满足同样耦合功率要求的条件下通过提高包层的数值孔径可适当地降低包层截面积，进而提高掺镱光纤的泵浦吸收，但受限于材料的性质，现有的低折射率涂层难有较大的改变；采取空气孔包层虽然可以较大幅度地提高包层数值孔径，但是气孔的存在使得该种类型的光纤难以切割、熔接，与现有光器件匹配较难。
(3)常规的双包层有源光纤为了减少螺旋光，提高包层泵浦吸收，采用异型包层设计，这种设计使得有源光纤与无源光纤熔接较难，而且机械加工容易引入附加的偏心度，会增加熔接损耗，降低光束质量。此外，异形光纤在拉丝过程中的几何尺寸控制也较为困难。
技术实现要素：
本申请提供一种双包层有源光纤及其制造方法，解决了现有技术中的双包层有源光纤如何在保持相同纤芯掺杂浓度的前提下，提高泵浦吸收的技术问题。
一方面，本申请通过一实施例提供如下技术方案：
一种双包层有源光纤，由内向外依次包括：纤芯、内包层、外包层和保护涂层；其中，在所述内包层内设置有m个填充区域，m为正整数，所述填充区域由折射率小于所述内包层的折射率的填充物组成。
优选地，所述m个填充区域随机分布在所述内包层中，或者，所述m个填充区域呈中心对称分布。
优选地，所述m个填充区域的大小和形状是随意的，或者，所述m个填充区域的大小和形状均相同。
优选地，所述填充区域是掺杂的二氧化硅玻璃。
优选地，所述掺杂的二氧化硅玻璃中的掺杂元素包括f、b、p、ge、al的任意组合。
优选地，所述内包层是二氧化硅玻璃。
优选地，所述外包层是掺氟的二氧化硅玻璃或掺硼的二氧化硅玻璃或低折射率树脂。
优选地，所述双包层有源光纤的横截面的外形为圆形。
优选地，所述双包层有源光纤的横截面的外形为多边形。
另一方面，本申请通过一实施例，提供如下技术方案：
一种双包层有源光纤的制造方法，其特征在于，包括：
制备有源预制棒，所述有源预制棒包括芯层和内包层；
将有源芯棒与套管组合并进行熔融，获得第一光纤预制棒；
在所述第一光纤预制棒的横截面上钻m个填充区域，获得第二光纤预制棒，m为正整数；
在所述每个填充区域中均插入填充棒，获得第三光纤预制棒，所填充棒的折射率小于所述内包层的折射率；
将所述第三光纤预制棒在高温下拉丝，并在所述第三光纤预制棒表面依次涂覆外包层和保护涂层，获得双包层有源光纤。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在本发明实施例中，公开了一种提高双包层有源光纤包层泵浦吸收的光纤设计，由内向外依次包括：纤芯、内包层、外包层和保护涂层；其中，在所述内包层内设置有m个填充区域，m为正整数。由于在内包层内设置有m个填充区域，且填充物的折射率低于内包层的折射率，降低了包层的有效波导面积，同时，这些填充区域的存在，大大抑制了螺旋光的形成和传输，提高的包层光经过纤芯的速率，以上两者结合可以增大包层泵浦吸收，从而解决了现有技术中的双包层有源光纤，如何在保持纤芯掺杂浓度不变的前提下，提高泵浦吸收的技术问题。进一步地，由于螺旋光的抑制不再需要非圆的光纤外形，使得圆形有源光纤成为可能，大大提高了有源光纤与无源光纤的匹配性和相容性，以及有源光纤制备过程中的几何控制精度，从而降低熔接损耗，增加激光器的效率和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种双包层有源光纤的结构示意图；
图2为本发明实施例中一种双包层有源光纤的制造方法流程图；
图3为本发明实施例中有源芯棒的结构示意图；
图4为本发明实施例中套管的结构示意图；
图5为本发明实施例中第一光纤预制棒的结构示意图；
图6为本发明实施例中第二光纤预制棒的结构示意图；
图7为本发明实施例中的填充棒的结构示意图；
图8为本发明实施例中第三光纤预制棒的结构示意图。
附图标记：101—纤芯、102—有源芯棒、103—套管、104—第一光纤预制棒、105—第二光纤预制棒、106—填充棒、107—第三光纤预制棒、108—内包层、109—外包层、110—保护涂层、111—填充区域。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种提高双包层有源光纤包层泵浦吸收的光纤设计及其制造方法，解决了现有技术中的双包层有源光纤如何在保持相同纤芯掺杂浓度的前提下，提高泵浦吸收的技术问题。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一种双包层有源光纤，由内向外依次包括：纤芯、内包层、外包层和保护涂层；其中，在所述内包层内设置有m个填充区域，m为正整数，所述填充区域由折射率小于所述内包层的折射率的填充物组成。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例一
如图1所示，本实施例提供了一种双包层有源光纤，由内向外依次包括：纤芯101、内包层108、外包层109和保护涂层110；其中，在内包层108内设置有m个填充区域111，m为正整数。
进一步，所述双包层有源光纤的横截面可以为多边形(例如：正方形、或正六边形、或正八边形等等)。
优选地，所述双包层有源光纤的横截面为圆形，这样，避免了通常异型双包层有源光纤与无源光纤熔接较难，机械加工易引入附加的偏心度，熔接损耗增加，光束质量降低，拉丝过程中的几何尺寸控制较为困难等问题。
进一步，所述m个填充区域111随机分布在内包层108中，或者，所述m个填充区域111呈中心对称分布。所述m个填充区域111的大小和形状是随意的，或者，所述m个填充区域111的大小和形状均相同。
在具体实施过程中，填充区域111由折射率小于内包层108的折射率的填充棒物(例如：填充棒106)进行填充，填充棒106具体可以为掺杂的二氧化硅玻璃，其中的掺杂包括f(氟)、b(硼)、p(磷)、ge(锗)、al(铝)的任意组合。
举例来讲，可以在内包层108钻m个孔，在所述m个孔中的每个孔中插入填充棒106，形成预制棒和填充棒的组合件；且，所述m根填充棒106中心对称，m可以为4或8或16(m为4的整数倍)。以4根填充棒为例，可以将这4根填充棒上下左右对称布置。
在具体实施过程中，内包层108是固态的，内包层108可以是二氧化硅玻璃。
在具体实施过程中，外包层109可以是掺氟的二氧化硅玻璃或掺硼的二氧化硅玻璃或低折射率树脂。
在具体实施过程中，保护涂层110也称为保护层(或高折射率涂覆层)。
本实施例中提高双包层有源光纤包层泵浦吸收的原理如下：
在分析双包层有源光纤包层泵浦吸收系数时，采取一种近似的方法，泵浦光在双包层有源光纤内包层传播过程中被纤芯吸收，则考虑双包层有源光纤的包层泵浦吸收系数满足
本实施例中的双包层有源光纤相比于现有技术中的双包层有源光纤，包层泵浦吸收系数大幅提高，这是由于内包层108钻孔后，位置被填充区域取代，降低了内包层的有效波导面积，提高了包层泵浦吸收。
另外，在本申请实施例中，为降低保偏性能，填充棒106按照中心对称布置，抵消了保偏性能；并且，填充棒106为掺杂氟的石英棒，相对于掺硼的应力棒，保偏效果下降。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
1、在本申请实施例中，所述双包层有源光纤，在内包层区域填充折射率低于内包层的折射率的填充物(即：填充棒)，降低了内包层的有效波导面积，增大光纤泵浦吸收，所以实现了在保持纤芯掺杂浓度不变的前提下，提高双包层有源光纤包层泵浦吸收。
2、在本申请实施例中，所述双包层有源光纤为全固态设计，解决了具有空气包层的双包层有源光纤因为空气孔的存在导致的难以切割、熔接，与现有光器件较难匹配的问题。
3、在本申请实施例中，所述双包层有源光纤采用圆形设计，避免了通常异型双包层有源光纤与无源光纤熔接较难，机械加工易引入附加的偏心度，熔接损耗增加，光束质量降低，拉丝过程中的几何尺寸控制较为困难等问题。
实施例二
基于同一发明构思，本实施例提供了一种提高双包层有源光纤包层泵浦吸收的制造方法，如图2所示，包括：
步骤s201：制备有源芯棒102，有源芯棒102包括纤芯101和内包层108。
在具体实施过程中，如图3所示，可以采用mcvd(modifiedchemicalvapordeposition，改进的化学气相沉积法)工艺制备有源芯棒102。具体来讲，在石英基管上，依次经过刻蚀，内包层沉积，芯层沉积，稀土掺杂等，再进行缩棒，抛光等工序制得有源芯棒102。
在具体实施过程中，在步骤s201之后，应对有源芯棒102进行清洗。具体来讲，可以将有源芯棒102放入hf溶液中浸泡200min，以除去芯棒表面的杂质。
步骤s202：将有源芯棒102与套管103组合并进行熔融，获得第一光纤预制棒104。
在具体实施过程中，如图4所示，套管103是外径为圆形的石英套管。如图5所示，将有源芯棒102和套管103进行组合，套管103套在有源芯棒102外面，套管103的内径和有源芯棒102的直径匹配误差在0.5mm以内，在套管系统中将有源芯棒102和套管103进行熔融，得到一根实心的第一光纤预制棒104。
步骤s203：在第一光纤预制棒104的横截面上钻m个填充区域111，获得第二光纤预制棒105；其中，m为正整数。
在具体实施过程中，所述m个填充区域111中心对称。例如：如图6所示，可以将第一光纤预制棒104放置在钻孔设备中对称钻4个填充区域111，这4个填充区域111上下左右对称。
步骤s204：在每个填充区域111中均插入填充棒106，获得第三光纤预制棒107。
在具体实施过程中，填充区域111由如图7所示折射率小于内包层的折射率的填充棒106进行填充，具体可以为掺杂氟的石英棒。
在具体实施过程中，在步骤s204之前，还包括：对第二光纤预制棒105进行清洗；对填充棒进行打磨；对打磨后的填充棒106进行清洗。其中，在对第二光纤预制棒105清洗时，可以第二光纤预制棒105放置在碱性清洗剂中超声波清洗15min以上，再放置在有机清洗剂中超声波清洗15min以上，然后再放入hf溶液中浸泡15min以上，以除去第二光纤预制棒105表面的杂质。在对填充棒106进行打磨时，需要保证打磨后的填充棒106的直径小于填充区域111的直径，打磨后的填充棒106的直径与填充区域111的直径之差控制在预设值以内，该预设值的取值范围为0.3mm～0.5mm，例如：0.3mm、0.4mm、0.5mm。在对打磨后的填充棒106清洗时，可以填充棒106放置在碱性清洗剂中超声波清洗15min以上，再放置在有机清洗剂中超声波清洗15min以上，然后再放入hf溶液中浸泡15min以上，以除去填充棒106表面的杂质。
在具体实施过程中，将填充棒106插入到第二光纤预制棒105的每个填充区域111中，获得第三光纤预制棒107，如图8所示。
步骤s205：将第三光纤预制棒107在高温下拉丝，表面依次涂覆外包层109和保护涂层110，获得双包层有源光纤。
在具体实施过程中，将第三光纤预制棒107安置在光纤拉丝塔上，在熔融状态下将第三光纤预制棒107拉丝涂覆，在第三光纤预制棒表面形成外包层109和保护涂层110，最终获得图1所示的双包层有源光纤，所述双包层有源光纤的横截面为圆形。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
1、在本申请实施例中，所述双包层有源光纤，在内包层区域填充折射率低于内包层的折射率的填充物(即：填充棒)，降低了内包层的有效波导面积，增大光纤泵浦吸收，所以实现了在保持纤芯掺杂浓度不变的前提下，提高双包层有源光纤包层泵浦吸收。
2、在本申请实施例中，所述双包层有源光纤为全固态设计，解决了具有空气包层的双包层有源光纤因为空气孔的存在导致的难以切割、熔接，与现有光器件较难匹配的问题。
3、在本申请实施例中，所述双包层有源光纤采用圆形设计，避免了通常异型双包层有源光纤与无源光纤熔接较难，机械加工易引入附加的偏心度，熔接损耗增加，光束质量降低，拉丝过程中的几何尺寸控制较为困难等问题。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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