一种稀土掺杂光纤的制作方法

本发明属于光纤激光技术领域，更具体地，涉及一种激光器用稀土掺杂光纤。

背景技术：

光纤激光器是一种利用光纤作为激光增益介质的激光器，通过在光纤石英基质中掺杂不同的稀土离子，得到不同波段的激光输出。光纤激光器因具有光束质量高，比表面积大散热好，转换效率高，体积小、结构紧凑，易于维护，已经在工业加工，医疗，军事以及通信等多领域得到广泛应用。

早期使用的都是单包层稀土掺杂光纤，要求泵浦光直接注入到纤芯中，当泵浦功率逐渐增加的时候，通常只有几十μm的纤芯很难进一步提高泵浦光注入效率和功率，在传统的光纤纯石英包层的外面涂覆一定厚度的低折射率涂料，其折射率从1.3到1.4，可以注入更多的多模泵浦光，目前采用该设计方案的双包层光纤，尤其是掺镱双包层光纤，包层直径达400μm以上，更大的达到600μm甚至800μm，可以实现单纤激光输出数千瓦，甚至达万瓦级别。而其他稀土掺杂光纤，如掺铥，铒等双包层光纤也能达到数千瓦的激光输出。

同时这种双包层光纤，通过向包层注入多模泵浦光，在低na和小尺寸的掺稀土纤芯(通常纤芯大小10μm或者20μm)中转换为模式更好、功率更高的特定波长的激光。为了获得更高的激光转换效率，其石英包层往往采用非圆形的截面，从而破坏对称形，使得更多泵浦光注入纤芯，从而被纤芯吸收转换为需要的激光输出。双包层光线中，以纯石英玻璃为内包层，以掺氟丙烯酸树脂涂料为外包层。由于掺氟丙烯酸树脂涂料具有超低的折射率(折射率在1.3左右)，注入到内包层的泵浦光在内包层与外包层界面处发生全反射。但界面并不是完全的镜面，同时有部分的泵浦光会以倏逝波的形式在掺氟丙烯酸树脂中传播，当经过长时间的激光辐射时，过高的温度、激光辐射以及水汽的侵入都会使得低折射率涂料发生老化，尤其在高功率激光器中，该老化速度将加快。当低折射率涂层发生老化时，其绝对折射率会升高、与玻璃包层的附着力会降低，同时出现剥离脱落、产生微裂纹等情况，影响了光纤的增益性能，严重时会出现漏光，使光纤烧毁，甚至损坏掉光纤激光器的其他器件，包括合束器，泵浦元，隔离器等。

同时，将非对称的光纤预制棒拉制成符合要求的光纤难度较大，现有的技术条件下光纤的几何控制难以控制，尤其是丝径的控制和拉丝张力的测量都出现不稳定性，丝径的波动带来光纤熔接损耗，张力的波动会造成光纤的强度变差、损耗变大。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种激光用稀土掺杂光纤，其目的在于通过在石英包层和低折射率的有机涂料包层之间加入折射率较低的石英包层，由此解决目前激光用稀土掺杂光纤涂料容易老化导致激光器寿命较短的问题、同时解决非圆形预制棒拉丝丝径与张力波动导致光纤参数差异较大的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种稀土掺杂光纤，所述光纤由内至外包括掺杂纤芯、第一石英包层、第二石英包层、以及有机涂料包层；

所述第二石英包层相对于第一石英包层的数值孔径在0.1至0.24之间；

所述有机涂料包层相对于第一石英包层的数值孔径大于或等于0.35。

优选地，所述稀土掺杂光纤，其掺杂纤芯和所述第一石英包层的截面面积比在1:6-1600之间。

优选地，所述稀土掺杂光纤，其第一石英包层和所述第二石英包层的截面面积比在3-50:1之间。

优选地，所述稀土掺杂光纤，其第二石英包层为掺氟石英层。

优选地，所述稀土掺杂光纤，其第二石英包层截面外形呈圆形，且与所述掺杂纤芯呈几何同心。

优选地，所述稀土掺杂光纤，其第一石英包层为纯石英包层。

优选地，所述稀土掺杂光纤，其第一石英包层截面外形为非圆形。

优选地，所述稀土掺杂光纤，其第一石英包层截面外形呈4d、d型、八边形、六边形、梅花型、正方形、或长方形。

优选地，所述稀土掺杂光纤，其掺杂纤芯相对于第一石英包层的数值孔径在0.06至0.25之间，掺杂纤芯半径在2.5μm至200μm之间。

优选地，所述稀土掺杂光纤，其有机涂料包层厚度在20μm至40μm之间。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于，能够取得下列有益效果：

本发明提供激光用稀土掺杂光纤，通过在原有稀土掺杂光纤基础之上，在纯石英包层和有机涂料包层之间增加一层低折射率的石英包层，如掺氟石英层并摸索了折射率和几何尺寸参数，使得纤芯、第一石英层包层和第二石英包层形成折射率“陷阱”，从而保证注入更多的泵浦光，具备了目前双包层光纤的应用特点，可直接应用于现有的激光器；同时第一石英包层、第二适应包层和有机涂料包层折射率梯度下降，大幅降低了有机涂料包层的漏光，激光器大功率工作时，泵浦光被限制在光纤内部，有机涂层寿命得到大幅增加，同时能避免烧毁激光器其他元件，从而提高光纤的激光承受功率，提高长期工作的可靠性，延长使用寿命，避免意外损耗。

优选方案，本发明稀土掺杂光纤提供第二石英包层截面外形为圆形，能提高熔接的一致性。由于现有的光纤熔接机均为通信的圆形光纤设计的，尤其是搁置光纤的v槽，非圆对称光纤放置在v槽的角度不一样，光纤的纤芯和包层的角度就不同，纤芯放置后的高度和位置都不一致，难以保证每次熔接的一致性。本发明的三包层光纤玻璃外层为圆形，可以通用通信光纤的熔接机，显著提高熔接的一致性，降低对操作人员和熔接机的要求。

同时能提高光纤的端面切割成功率，尤其针对大直径的光纤，减少切割次数，提高效率。由于双包层光纤玻璃包层一般为非圆形，而现有的光纤切割刀均针对圆形光纤设计，非圆对称光纤的棱边和面在切割时受力不一样，切割棱边时形成崩边和缺口的概率更大；本发明的三包层光纤玻璃外层为圆形，切割时受力均匀，尤其针对大直径光纤对切割时优化崩边和缺口有显著优化。

本发明提供的光纤第二石英包层截面外形为圆形，易于拉制成形，能改善光纤的拉丝丝径波动，由于传统的双包层光纤玻璃部分的在拉丝前后都是非圆形，拉丝过程中光纤的扭转将会使丝径控制难度增加，本发明光纤的玻璃外层为圆形，圆形拉丝光纤的丝径控制相当于常规的通信光纤，更加容易控制，减小丝径波动，提高批次一致性。

附图说明

图1至3分别是本发明实施例1至3的稀土掺杂光纤结构和折射率剖面示意图；

图4为本发明第一石英包层外形为非圆对称形的稀土掺杂光纤结构示意图；图4a为4d第一石英包层；图4b为d型第一石英包层；图4c为正方形第一石英包层；图4d为长方形第一石英包层；图4e为梅花型第一石英包层；图4f为六角形第一石英包层，第二石英包层截面内侧形状呈与第一石英包层剖面外边界相配合。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的结构，其中：1为纤芯，2为第一石英包层，3为第二石英包层，4为有机涂料包层，5为外层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的激光器用稀土掺杂光纤，如图1所示，包括由内至外包括掺杂纤芯、第一石英包层、第二石英包层、有机涂料包层、以及外层；

所述掺杂纤芯，相对于第一石英包层的数值孔径在0.06至0.25之间。其截面优选为圆形，其半径在2.5μm至200μm之间。所述纤芯可掺锗，铝，磷，氟等掺杂剂；也可以掺杂稀土离子包括镱，铒，铥，钬，铈等一种或其多种的组合。

所述第一石英包层，优选为纯石英层，所述掺杂纤芯和所述第一石英包层的截面面积比在1:3-1600之间。其截面外形与芯层截面外形呈非同心圆，即当第一石英包层截面外形为圆形时，第一石英包层截面外形与芯层截面外形不同心，或者所述第一石英包层截面外形为非圆性。所述第一石英包层截面外形以非圆形为佳，包括对称形，如：4d形、八边形、六边形、梅花型、正方形、或长方形；非对称形，如d形。所述第一石英包层，采用非圆对称形，几何尺寸远大于所述掺杂纤芯，用于约束包层泵浦光，使泵浦光被芯层充分吸收。

所述第二石英包层相对于第一石英包层的数值孔径在0.1至0.24之间；第二石英包层为掺氟石英层。掺氟石英，能满足本发明对于第二石英包层数值孔径的要求，同时保证泵浦光的传输效率，更便于工业批量生产。所述第二石英包层截面内形呈与第一石英包层相配合的非圆对称形，例如4d、d型、八边形、六边形、梅花型、正方形、或长方形(如图4至图9所示)；其外形呈易于拉制加工的形状，例如，正方形、圆形。所述第一石英包层和所述第二石英包层的截面面积比在3-50:1之间。所述第二石英包层，用于防止泵浦光泄露至有机涂料包层，增加光纤的耐热性从而提高泵浦功率，综合考虑加工难度、吸收效果、传输性能及成本，选择以上数值孔径和几何尺寸。相对数值孔径较小则几何尺寸相应增加，则成本增加同时泵浦吸收效果、传输性能未见明显提高，几何尺寸过小相对数值孔径难以进一步提高，无法保证吸收效果、传输性能，同时加工难度急剧上升。

所述有机涂料包层相对于第一石英包层的数值孔径大于或等于0.35，其厚度在20μm至40μm之间。

所述外层为树脂涂层。

本发明提供的激光器用稀土掺杂光纤，制备方法如下：

(1)将掺杂纤芯用第一石英包层材料包裹，并将其截面加工成预定外形，获得预制棒半成品；可采用以下操作之一：

a、外气相沉积；

b、气相轴向沉积；

c、化学气相沉积；

d、等离子化学气相沉积；

e、熔缩管烧实包裹。

(2)将步骤(1)中获得的预制棒半成品，用第二石英包层材料包裹，并将其截面加工成预定外形，获得所述稀土掺杂光纤预制棒。亦采用以下操作之一：

a、外气相沉积；

b、气相轴向沉积；

c、化学气相沉积；

d、等离子化学气相沉积；

e、熔缩管烧实包裹。

优选采用熔缩管烧实包裹，具体为：

将待包裹的掺杂纤芯固定在第一石英包层材料的熔缩管内或将预制棒半成品固定在第二石英层材料的熔缩管内，进行熔缩烧实。

(3)将步骤(2)中获得的光纤预制棒拉制成型，即制得所述稀土掺杂光纤。

以下为实施例：

实施例1

一种激光器用稀土掺杂光纤，如图1所示，包括由内至外包括掺杂纤芯、第一石英包层、第二石英包层、有机涂料包层、以及外层；

所述掺杂纤芯，相对于第一石英包层的数值孔径为在0.06。其截面为圆形，其半径为25μm之间。所述纤芯掺杂组份为1.2％wtyb2o3，3.5％wtp2o5，3.0％wtal2o3。

所述第一石英包层，为纯石英层，截面外形为正八边形，半径为182.5μm，所述第一石英包层半径是指八边形两条平行对边距离的一半。

所述第二石英包层相对于第一石英包层的数值孔径为0.22；第二石英包层为掺氟石英层，掺氟质量百分数5％。所述第二石英包层截面内形呈与第一石英包层相配合；其外形呈圆形。所述第二石英包层半径为200μm。

所述有机涂料包层相对于第一石英包层的数值孔径为0.47，其厚度为35μm。

所述外层为丙烯酸树脂涂层，圆形，半径为275μm，相对纯石英数值孔径为0.25。

本实施例提供的激光器用稀土掺杂光纤，按照如下方法制备：

(1)将掺杂纤芯用第一石英包层材料包裹，并将其截面加工成正八边形，获得预制棒半成品；采用化学气相沉积制备；

(2)将步骤(1)中获得的预制棒半成品，用第二石英包层材料包裹，并将其截面加工成预定外形，获得所述稀土掺杂光纤预制棒，采用熔缩管烧实包裹制备。

(3)将步骤(2)中获得的稀土掺杂光纤预制棒拉制而成稀土掺杂光纤。

实施例2

一种激光器用稀土掺杂光纤，如图2所示，包括由内至外包括掺杂纤芯、第一石英包层、第二石英包层、有机涂料包层、以及外层；

所述掺杂纤芯，相对于第一石英包层的数值孔径为在0.2。其截面为圆形，其半径为5μm之间。所述纤芯掺杂组份为1.0％wtyb2o3，3.5％wtp2o5，6.2％wtal2o3。

所述第一石英包层，为纯石英层，截面外形为正六边形；半径为65μm，所述第一石英包层半径是指六边形两条平行对边距离的一半。

所述第二石英包层相对于第一石英包层的数值孔径为0.12；第二石英包层为掺氟石英层，掺氟质量百分数1.18％。所述第二石英包层截面内形呈与第一石英包层相配合；其外形呈圆形。所述第二石英包层半径为75μm。

所述有机涂料包层相对于第一石英包层的数值孔径为0.47，其厚度为35μm。

所述外层为丙烯酸树脂涂层，圆形。

本实施例提供的激光器用稀土掺杂光纤，按照如下方法制备：

(1)将掺杂纤芯用第一石英包层材料包裹，并将其截面加工成正八边形，获得预制棒半成品；采用化学气相沉积制备；

(2)将步骤(1)中获得的预制棒半成品，用第二石英包层材料包裹，并将其截面加工成预定外形，获得所述稀土掺杂光纤预制棒，采用熔缩管烧实包裹制备。

(3)将步骤(2)中获得的稀土掺杂光纤预制棒拉制而成稀土掺杂光纤。

实施例3

一种激光器用稀土掺杂光纤，如图3所示，包括由内至外包括掺杂纤芯、第一石英包层、第二石英包层、有机涂料包层、以及外层；

所述掺杂纤芯，相对于第一石英包层的数值孔径为在0.1。其截面为圆形，其半径为100μm之间。所述纤芯掺杂组份为1.0％wtyb2o3，3.5％wtp2o5，4.1％wtal2o3。

所述第一石英包层，为纯石英层，截面外形为正八边形；半径为200μm，所述第一石英包层半径是指八边形两条平行对边距离的一半。

所述第二石英包层相对于第一石英包层的数值孔径为0.20；第二石英包层为掺氟石英层，掺氟质量百分数3.96％。所述第二石英包层截面内形呈与第一石英包层相配合；其外形呈圆形。所述第二石英包层半径为1400μm。

所述有机涂料包层相对于第一石英包层的数值孔径为0.47，其厚度为35μm。

所述外层为丙烯酸树脂涂层，圆形。

本实施例提供的激光器用稀土掺杂光纤，按照如下方法制备：

(1)将掺杂纤芯用第一石英包层材料包裹，并将其截面加工成正八边形，获得预制棒半成品；采用化学气相沉积制备；

(2)将步骤(1)中获得的预制棒半成品，用第二石英包层材料包裹，并将其截面加工成预定外形，获得所述稀土掺杂光纤预制棒，采用熔缩管烧实包裹制备。

(3)将步骤(2)中获得的稀土掺杂光纤预制棒拉制而成稀土掺杂光纤。

本发明提供的掺杂光纤结构，适用于多种非圆对称形的第一石英包层，如图4所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。