本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种掺镱光纤。
背景技术：
光纤激光器由于具有体积小、效率高、可靠性高、结构紧凑和散热性好等等传统激光器难以比拟的优点，正逐步取代现有的工业激光器，广泛应用于打标、雕刻与切割、医疗等领域，在工业、国防、医疗、航天等行业中发挥着越来越重要的作用。随着半导体激光器抽运技术和光纤光栅技术的不断成熟，光纤激光器的功率也在不断提升，其单纤功率已可达千瓦以上。
掺镱光纤为在纤芯掺有镱元素的一种光纤，是当前主流光纤激光器的核心元件。随着光纤激光器功率的增加，对掺镱光纤的要求也越来越高。对于激光器而言，光束质量和出光功率是衡量其性能的两个核心指标。随着光纤激光器用途的广泛和出光功率的快速增加，对光束质量的要求也越来越高。由于掺镱光纤是光纤激光器的核心元件，其波导模式对激光器输出激光的光束质量影响非常大。
目前，提高光纤激光器输出激光的光束质量的办法并不多。由于受到诸多限制，具体到光纤上而言，当前提高光纤激光器输出激光的光束质量的主要解决手段是优化掺镱光纤纤芯的数值孔径。纤芯的数值孔径是光纤出光散射角的一个表达方式，通过将数值孔径降低，可提高光纤出来的光的准直度，从而为光纤激光器提高光束质量打下基础。对于光纤而言，降低光纤的数值孔径通常采取降低纤芯相对石英包层的折射率来实现。对于掺镱光纤而言，由于在制造过程中，需要配套掺入磷、锗等提高折射率的元素，另外镱离子本身也会对折射率的升高有贡献。因此，掺镱光纤的镱离子浓度和数值孔径的控制相互之间互有钳制。目前业内采取的做法是优化共掺剂的配比，通过这一手段在有效提高掺镱浓度的条件下，控制掺镱光纤的数值孔径，从而控制光纤激光器输出激光的光束质量。
然而，一般掺镱光纤的纤芯为一个整体，为单层结构，然后在纤芯外侧环绕一层石英包层。该种结构的掺镱光纤只能依靠控制纤芯的数值孔径来控制输出激光的光束质量。但是，上述控制光纤激光器输出激光的光束质量的方法随着光纤激光器功率的更高输出要求以及更多应用领域对激光器功率分布控制的高要求，已越来越难以适应。因此，需要进行新型掺镱光纤的设计研究，优化掺镱光纤内波导模式的控制方式，为高功率光纤激光器光束质量的良好控制奠定基础。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种掺镱光纤，此种光纤的结构设计具有优良的光波导控制能力，可以较好地控制激光输出的光束质量。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种掺镱光纤，包括纤芯，所述纤芯由内到外依次包括圆形的中心芯区、以及至少三个与所述中心芯区同心设置的环形掺杂芯区，且相邻两个所述环形掺杂芯区之间均设有一环形纤芯包层，位于最外侧的环形掺杂芯区的镱离子浓度小于所述中心芯区的镱离子浓度，其余所有的环形掺杂芯区的镱离子浓度由内到外依次增加，同时，位于最内侧的环形掺杂芯区的镱离子浓度大于所述中心芯区的镱离子浓度。
在上述技术方案的基础上，三个所述环形掺杂芯区由内到外依次为第一环形掺杂芯区、第二环形掺杂芯区和第三环形掺杂芯区，位于所述第一环形掺杂芯区和第二环形掺杂芯区之间的环形纤芯包层为第一环形纤芯包层，位于所述第二环形掺杂芯区和第三环形掺杂芯区之间的环形纤芯包层为第二环形纤芯包层。
在上述技术方案的基础上，所述中心芯区的镱离子浓度为p1，所述第一环形掺杂芯区的镱离子浓度p2＝*p1，其中m1取值范围为5.0％～10.0％，所述第二环形掺杂芯区的镱离子浓度p3＝*p1，其中m2取值范围为8.0％～16.0％，所述第三环形掺杂芯区的镱离子浓度p4＝*p1，其中m3取值范围为10.0％～15.0％。
在上述技术方案的基础上，所述中心芯区的直径为d1，所述第一环形掺杂芯区的厚度x1＝a1*d1，所述第二环形掺杂芯区的厚度x2＝a2*d1，所述第三环形掺杂芯区的厚度x3＝a3*d1，其中a1取值范围为46％～48％，a2取值范围为45％～47％，a3取值范围为44％～46％，所述第一环形纤芯包层的厚度h1＝b1*x1，所述第二环形纤芯包层的厚度h2＝b2*x2，其中b1取值范围为33％～36％，b2取值范围为22％～25％。
在上述技术方案的基础上，所述光纤还包括依次设于所述纤芯外的石英包层、内涂层和外涂层。
在上述技术方案的基础上，所述石英包层的折射率为n，所述中心芯区相对所述石英包层的折射率为△n1，所述第一环形掺杂芯区相对所述石英包层的折射率为△n2，所述第一环形纤芯包层相对所述石英包层的折射率为△n3，所述第二环形掺杂芯区相对所述石英包层的折射率为△n4，所述第二环形纤芯包层相对所述石英包层的折射率为△n5，所述第三环形掺杂芯区相对所述石英包层的折射率为△n6，其中△n2＝*△n1，△n3＝c1*△n2，△n4＝*△n1，△n5＝c2*△n4，△n6＝*△n1，n1的取值范围为5％-8％，n2的取值范围为6％-10％，n3的取值范围为8％-12％，c1的取值范围为45％-48％、c2的取值范围为44％-47％。
在上述技术方案的基础上，所述石英包层横截面为中心对称的十六边形，所述十六边形由八条长边和八条短边交替连接而成。
在上述技术方案的基础上，八条所述长边的延长线相互交叉后可围合成一正八边形，所述正八边形的边长长度为l0，所述十六边形的短边长度为l1，l1：l0＝1:6～1:8。
在上述技术方案的基础上，所述内涂层的折射率范围为1.360～1.379，所述外涂层的折射率范围为1.483～1.531。
在上述技术方案的基础上，所述纤芯的直径范围27.5um～32.5um，所述石英包层相对两长边的距离范围为245um～255um，所述外涂层的直径范围为380.0um～420.0um，所述纤芯和石英包层的同心度不大于3.0um，所述纤芯数值孔径范围为0.050～0.070，所述石英包层数值孔径大于等于0.46。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的掺镱光纤通过在中心芯区外环绕设有至少三个以上的环形掺杂芯区，并在相邻的两个环形掺杂芯区之间设计有环形纤芯包层，通过环形纤芯包层对环形掺杂芯区内的激光进行有效整形，优化掺镱光纤输出激光的光波导模式特性，从而解决单纯依靠数值控制控制激光输出光束质量的问题，使得此种光纤的结构设计具有优良的光波导控制能力，可以较好地控制激光输出的光束质量。
(2)本发明掺镱光纤的石英包层横截面为中心对称的十六边形，短边的设计可以减少突出尖锐结构设计，掺镱光纤在涂覆器中旋转时，八个短边首先来对接触的涂料起到良好的引导，从而可以避免掺镱光纤在涂覆器中旋转时，会因为其不对称结构或正方形及八边形的尖锐结构导致涂覆器中涂料的异常流动，从而使得本发明实施例中的掺镱光纤适应于大规模大长度的连续生产，而且更易被制造出涂层一致性更高的掺镱光纤。
附图说明
图1为本发明实施例中纤芯的结构示意图；
图2为本发明实施例中光纤的结构示意图；
图3为本发明实施例中包层的结构示意图；
图4为本发明实施例中包层长边延长线围合的图形示意图。
图中：1-纤芯，10-中心芯区，11-第一环形掺杂芯区，12-第一环形纤芯包层，13-第二环形掺杂芯区，14-第二环形纤芯包层，15-第三环形掺杂芯区，16-第三环形纤芯包层，17-第四环形掺杂芯区，2-石英包层，3-内涂层，4-外涂层。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1
本发明实施例提供一种掺镱光纤，包括纤芯1，所述纤芯1由内到外依次包括圆形的中心芯区10、以及至少三个与所述中心芯区10同心设置的环形掺杂芯区，且相邻两个所述环形掺杂芯区之间均设有一环形纤芯包层，位于最外侧的环形掺杂芯区的镱离子浓度小于所述中心芯区10的镱离子浓度，其余所有的环形掺杂芯区的镱离子浓度由内到外依次增加，同时，位于最内侧的环形掺杂芯区的镱离子浓度大于所述中心芯区10的镱离子浓度。
参见图1所述，在本实施例中，所述纤芯1包括三个环形掺杂芯区，三个所述环形掺杂芯区由内到外依次为第一环形掺杂芯区11、第二环形掺杂芯区13和第三环形掺杂芯区15，位于所述第一环形掺杂芯区11和第二环形掺杂芯区13之间的环形纤芯包层为第一环形纤芯包层12，位于所述第二环形掺杂芯区13和第三环形掺杂芯区15之间的环形纤芯包层为第二环形纤芯包层14。
与现有技术中的掺镱光纤相比，现有的掺镱光纤的纤芯为单层结构，而本发明实施例中的掺镱光纤通过在中心芯区10外环绕设有至少三个以上的环形掺杂芯区，并在相邻的两个环形掺杂芯区之间设计有环形纤芯包层，该种纤芯可视为多重纤芯结构，在多重纤芯内，环形纤芯包层可以通过掺锗、磷等元素提高其折射率，从而在多重纤芯内，在环形掺杂芯区掺杂浓度仍保持较高的情况下，构建了环形的多重微小数值孔径的波导结构，使其内输出激光的波导特性得以极大优化，然后再以多重纤芯作为一个整体，相对石英包层形成激光输出，获得良好的激光器应用。
因此，本发明实施例中，通过在中心芯区10外环绕设有至少三个以上的环形掺杂芯区，并在相邻的两个环形掺杂芯区之间设计有环形纤芯包层，通过环形纤芯包层对环形掺杂芯区内的激光进行有效整形，优化掺镱光纤输出激光的光波导模式特性，从而解决单纯依靠数值控制控制激光输出光束质量的问题，使得此种光纤的结构设计具有优良的光波导控制能力，可以较好地控制激光输出的光束质量。
进一步地，中心芯区10和环形掺杂芯区中掺杂的其他元素还包括锗、磷、铝等元素，且这些元素的浓度和每个区域内镱离子浓度相匹配。通过在光纤中掺杂多种元素，可以使光纤性能更加良好。
实施例2
作为一种较好的可选方式，本实施例与实施例1的区别在于：所述中心芯区10的镱离子浓度为p1，所述第一环形掺杂芯区11的镱离子浓度p2＝1+m1*p1，其中m1取值范围为5.0％～10.0％，所述第二环形掺杂芯区13的镱离子浓度p3＝1+m2*p1，其中m2取值范围为8.0％～16.0％，所述第三环形掺杂芯区15的镱离子浓度p4＝1-m3*p1，其中m3取值范围为10.0％～15.0％。经过多次试验测量，上述镱离子浓度分布情况下，光纤性能更加优良。
实施例3
作为一种较好的可选方式，本实施例与实施例1的区别在于：所述中心芯区10的直径为d1，所述第一环形掺杂芯区11的厚度x1＝a1*d1，所述第二环形掺杂芯区13的厚度x2＝a2*d1，所述第三环形掺杂芯区15的厚度x3＝a3*d1，其中a1取值范围为46％～48％，a2取值范围为45％～47％，a3取值范围为44％～46％，所述第一环形纤芯包层12的厚度h1＝b1*x1，所述第二环形纤芯包层14的厚度h2＝b2*x2，其中b1取值范围为33％～36％，b2取值范围为22％～25％。经过多次试验测量，上述镱离子浓度分布情况下，光纤性能更加优良。
实施例4
本发明实施例与实施例1的区别在于：所述光纤还包括依次设于所述纤芯1外的石英包层2、内涂层3和外涂层4。所述石英包层2为石英材料。
所述石英包层2的折射率为n，所述中心芯区10相对所述石英包层2的折射率为△n1，所述第一环形掺杂芯区11相对所述石英包层2的折射率为△n2，所述第一环形纤芯包层12相对所述石英包层2的折射率为△n3，所述第二环形掺杂芯区13相对所述石英包层2的折射率为△n4，所述第二环形纤芯包层14相对所述石英包层2的折射率为△n5，所述第三环形掺杂芯区15相对所述石英包层2的折射率为△n6，其中△n2＝1+n1*△n1，△n3＝c1*△n2，△n4＝1+n2*△n1，△n5＝c2*△n4，△n6＝1-n3*△n1，n1的取值范围为5％-8％，n2的取值范围为6％-10％，n3的取值范围为8％-12％，c1的取值范围为45％-48％、c2的取值范围为44％-47％。
实施例5
本发明实施例与实施例4的区别在于：所述石英包层2横截面为中心对称的十六边形，所述十六边形由八条长边和八条短边交替连接而成，且所述包层2边缘通过气相反应腐蚀和火焰抛光组合进行抛光处理。八条所述长边的延长线相互交叉后可围合成一正八边形，所述正八边形的边长长度为l0，所述十六边形的短边长度为l1，所述十六边形的长边长度为l2，l1：l0＝1:6～1:8。所述正八边形的每个顶角处超出所述十六边形的区域面积为s1，所述正八边形相邻两边围合而成的三角形面积为s2，s1：s2＝1:5，使得掺镱光纤在生产制造时，短边对接触的涂料起到更好的引导作用，可避免长边和短边形成的角过于尖锐而导致异常涂料流动。
本发明实施例的石英包层2横截面为中心对称的十六边形，短边的设计可以减少突出尖锐结构设计，掺镱光纤在涂覆器中旋转时，八个短边首先来对接触的涂料起到良好的引导，从而可以避免掺镱光纤在涂覆器中旋转时，会因为其不对称结构或正方形及八边形的尖锐结构导致涂覆器中涂料的异常流动，从而使得本发明实施例中的掺镱光纤适应于大规模大长度的连续生产，而且更易被制造出涂层一致性更高的掺镱光纤。同时，所述包层2边缘进行抛光处理，可以对多孔预制棒表面的硅氧键排列重组，一方面降低了光纤预制棒的表面粗糙度，解决光纤低损耗问题，另一方面，为实现高性能高一致性掺镱光纤的制造奠定良好的结构设计基础。
优选地，所述内涂层3的折射率范围为1.360～1.379，所述外涂层4的折射率范围为1.483～1.531。
优选地，所述纤芯1的直径范围27.5um～32.5um，所述石英包层2相对两长边的距离范围为245um～255um，所述外涂层4的直径范围为380.0um～420.0um。
优选地，所述纤芯1和石英包层2的同心度不大于3.0um，所述纤芯1数值孔径范围为0.050～0.070，所述石英包层2数值孔径大于等于0.46。
所述掺镱光纤在915nm波长的吸收系数为1.50db/m～2.30db/m，在975nm波长的吸收系数为5.20db/m～6.00db/m，在1200nm波长下所述石英包层2的损耗小于5db/km。
经多次试验测量，该种参数的掺镱光纤性能较好，可以保持良好的激光性能。
实施例6
本发明实施例6提供一种掺镱光纤，包括纤芯1，所述纤芯1由内到外依次包括圆形的中心芯区10、以及四个与所述中心芯区10同心设置的环形掺杂芯区，且相邻两个所述环形掺杂芯区之间均设有一环形纤芯包层，位于最外侧的环形掺杂芯区的镱离子浓度小于所述中心芯区10的镱离子浓度，其余所有的环形掺杂芯区的镱离子浓度由内到外依次增加，同时，位于最内侧的环形掺杂芯区的镱离子浓度大于所述中心芯区10的镱离子浓度。
四个所述环形掺杂芯区由内到外依次为第一环形掺杂芯区11、第二环形掺杂芯区13、第三环形掺杂芯区15和第四环形掺杂芯区17，位于所述第一环形掺杂芯区11和第二环形掺杂芯区13之间的环形纤芯包层为第一环形纤芯包层12，位于所述第二环形掺杂芯区13和第三环形掺杂芯区15之间的环形纤芯包层为第二环形纤芯包层14，位于所述第三环形掺杂芯区15和第四环形掺杂芯区17之间的环形纤芯包层为第三环形纤芯包层16。
所述中心芯区10的镱离子浓度为p1，所述第一环形掺杂芯区11的镱离子浓度p2＝1+m1*p1，其中m1取值范围为5.0％～10.0％，所述第二环形掺杂芯区13的镱离子浓度p3＝1+m2*p1，其中m2取值范围为8.0％～16.0％，所述第三环形掺杂芯区15的镱离子浓度p4＝1+m3*p1，其中m3取值范围为10.0％～15.0％，所述第四环形掺杂芯区17的镱离子浓度p5＝1-m4*p1，其中m4取值范围为10.0％～15.0％。
所述中心芯区10的直径为d1，所述第一环形掺杂芯区11的厚度x1＝a1*d1，所述第二环形掺杂芯区13的厚度x2＝a2*d1，所述第三环形掺杂芯区15的厚度x3＝a3*d1，第四环形掺杂芯区17的厚度x4＝a4*d1，其中a1取值范围为46％～48％，a2取值范围为45％～47％，a3取值范围为44％～46％，a4取值范围为43％～45％，所述第一环形纤芯包层12的厚度h1＝b1*x1，所述第二环形纤芯包层14的厚度h2＝b2*x2，所述第三环形纤芯包层16的厚度h3＝b3*x3，其中b1取值范围为33％～36％，b2取值范围为22％～25％，b3取值范围为18％～21％。
所述纤芯1外设有一石英包层2，所述石英包层2的折射率为n，所述中心芯区10相对所述石英包层2的折射率为△n1，所述第一环形掺杂芯区11相对所述石英包层2的折射率为△n2，所述第一环形纤芯包层12相对所述石英包层2的折射率为△n3，所述第二环形掺杂芯区13相对所述石英包层2的折射率为△n4，所述第二环形纤芯包层14相对所述石英包层2的折射率为△n5，所述第三环形掺杂芯区15相对所述石英包层2的折射率为△n6，所述第三环形纤芯包层16相对所述石英包层2的折射率为△n7，所述第四环形掺杂芯区17相对所述石英包层2的折射率为△n8，其中△n2＝1+n1*△n1，△n3＝c1*△n2，△n4＝1+n2*△n1，△n5＝c2*△n4，△n6＝1+n3*△n1，△n7＝c3*△n6，△n8＝1-n4*△n1，其中n1的取值范围为5％-8％，n2的取值范围为6％-10％，n3的取值范围为8％-12％，n4的取值范围为8％-12％，c1的取值范围为45％-48％、c2的取值范围为44％-47％，c3的取值范围为43％-46％。
实施例7
本发明实施例提供的掺镱光纤包括三个环形掺杂芯区，其参数示例如下表1所示：
表1：具有三个环形掺杂芯区的光纤结构参数表
在本实施例中经过优化后的掺镱光纤，其光束质量可控制在1.1以内。
实施例8
本发明实施例提供的掺镱光纤包括四个环形掺杂芯区和三个环形纤芯包层，其参数示例如下表2所示：
表2：具有四个环形掺杂芯区的光纤结构参数表
在本实施例中经过优化后的掺镱光纤，其光束质量可控制在1.1以内。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。