专利名称：对泵浦光高效率吸收的包层泵浦光纤的制作方法
技术领域：
本发明属于特种光纤制造领域，涉及一种用于高功率光纤激光器与光纤放大器 的、对泵浦光高效率吸收的双包层稀土掺杂光纤结构。
背景技术：
自稀土掺杂光纤激光器与光纤放大器诞生以来，由于其具有高效、简洁、稳定、兼 容性强等优点，已经被广泛应用于通信、医疗、传感以及军事等诸多领域。早期的稀土掺杂 光纤激光器与光纤放大器多采用单包层结构，泵浦光与激射激光共同在掺杂纤芯中传播， 即纤芯泵浦模式，该模式下，纤芯为单模类型，芯径很小(通常不超过10 μ m)，因此该类光 纤激光器具有较好的光束质量。但是，纤芯泵浦下，很难实现高功率泵浦光的注入，光纤激 光器的输出功率通常不大(几十毫瓦)，难于形成大功率的输出。1988年，Snitzer等人开 创性地提出了包层泵浦概念，为大功率光纤激光器与光纤放大器的诞生扫清了障碍。包层 泵浦技术的基石在于双包层掺杂光纤的使用，双包层光纤(DCF:double clad fiber)是在 原有单包层光纤的外部增加了一层低折射率材料，形成两级波导结构。工作时，内包层与外 包层构成一级波导机制，大尺寸的内包层部分用于接纳高功率的多模泵浦光，掺杂纤芯与 内包层形成二级波导机制，在与内包层泵浦光的不断接触与激励下输出大功率的激光。实现包层泵浦技术的最关键因素是提高泵浦吸收效率。包层泵浦下，由于掺杂纤 芯的面积与内包层面积相比相小很多，内包层面积一般是纤芯面积的数百倍甚至更大，因 此如何使具有大光斑半径的多模泵浦光被小尺寸的掺杂纤芯有效吸收是实现包层泵浦的 关键。一般情况下，传统的具有圆形内包层结构的双包层光纤，由于“螺旋光”效应，大量泵 浦光集中在纤芯以外的区域，泵浦吸收过程非常困难，通常导致很低的吸收效率。为解决 这一难题，人们相继设计了多种内包层结构，用以打破光纤内包层的圆对称性，减少诸如螺 旋光等不利因素造成的影响，常见的非圆对称内包层结构有D型、跑道型、梅花型、切角矩 形、正多边形等。上述这些具有非圆对称内包层结构的双包层光纤虽然在泵浦吸收上有了 显著的改善，但其非对称的内包层结构常引发较大的接续损耗，并且降低了光纤的柔韧度， 同时在一定程度上增加了光纤的制作难度，因此设计一种集高泵浦吸收特性与圆对称内包 层结构于一身的双包层稀土掺杂光纤，对制作大功率光纤激光器与光纤放大器来说是十分 必要的。
发明内容
本发明的目的在于克服了现有圆对称内包层结构双包层光纤在泵浦吸收上的困 难以及非圆对称内包层结构双包层光纤高接续损耗、低柔韧度等问题，提供一种既具有较 高的泵浦吸收效率，又具有良好的接续特性，同时工艺技术要求相对比较简单，便于制作高 功率光纤激光器和光纤放大器的稀土掺杂双包层光纤。本发明采取了如下技术方案。本发明由内向外依次包括纤芯、内包层和外包层，其 中内包层的折射率由纤芯到外包层方向逐渐降低，纤芯折射率大于内包层的最大折射率，外包层折射率小于内包层最小折射率。所述内包层截面为圆形。光纤内包层的折射率采用渐变式分布，内包层的折射率由纤芯到外包层方向按照 渐变函数关系递减变化。所述渐变函数可以为二次函数。一种对泵浦光高效率吸收的包层泵浦光纤的制备方法，该方法包括如下步骤利用MCVD工艺制作纤芯部分，在纤芯沉积时掺杂稀土元素；利用OVD工艺制作折射率阶梯变化的内包层，且内包层折射率按照由纤芯到外包 层方向逐渐降低，内包层的最大折射率小于纤芯折射率，完成光纤预制棒制作，折射率的梯 度变化通过控制掺氟量实现；对光纤预制棒进行拉丝，拉丝过程中在其外部涂覆折射率小于内包层最小折射率 的聚合物材料，构成外包层，使光纤形成双包层导光结构。相对于现有技术而言，本发明中渐变折射率内包层对输入光束具有极佳的汇聚作 用，可以在最大程度上实现内包层中泵浦光与稀土掺杂纤芯的接触，因而具有很好的泵浦 吸收特性，相同几何尺寸下，该光纤具有较普通阶跃折射率分布内包层结构(如图2)的类 型大得多的泵浦吸收系数，非常适合端面泵浦下高功率泵浦光的耦合。其次，由于该光纤 出色的泵浦吸收能力并不依赖内包层对称结构的打破，因而其内包层结构依然可以保持圆 形，这样便确保了该光纤与其他光纤良好的匹配特性，较大程度地降低了接续损耗，同时， 与诸如D型、切角矩形等非对称结构的类型相比较而言，圆形结构的双包层稀土掺杂光纤 具有更好的柔韧度，易于实用。另外，保持圆形结构也使得该双包层光纤在制作过程中省去 了因打破对称结构而引入的额外步骤，简化了工艺流程，使该光纤的制作更易实现。本发明 所提供的双包层稀土掺杂光纤，特别适合于制作高功率光纤激光器和光纤放大器。
图1为双包层光纤横截面示意图；图2为双包层光纤折射率分布2维示意图(内包层折射率均勻阶跃型)；图3为双包层光纤折射率分布2维示意图(内包层为渐变折射率分布渐变型)；图4为阶跃型与渐变型双包层光纤泵浦吸收系数对比图(该数据通过严格的数学 模型计算而得，计算时采用相同大小的入射泵浦光束、掺杂纤芯半径、纤芯吸收系数、内包 层面积)；图5为10层结构内包层折射率分布2维示意图；图6为20层结构内包层折射率分布2维示意图；图7为30层结构内包层折射率分布2维示意图；图中1、稀土掺杂纤芯，2、内包层，3、外包层。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明提供的具有高泵浦吸收效率与良好接续特性的双包层稀土掺杂光纤。其 结构如图1所示，由内向外依次为具有均勻折射率分布的稀土掺杂光纤芯1、具有渐变折射
4率分布的内包层2、和具有均勻折射率分布的外包层3。光纤芯1为稀土离子掺杂区，是吸 收泵浦光引发受激辐射产生激光(或对外来信号放大)的部分，内包层2为传导泵浦光的 部分，其中内包层的截面为圆形，内包层的折射率由纤芯到外包层方向逐渐降低，如图3所 示。内包层的外表面为泵浦光波导的界面。纤芯1折射率大于内包层2的最大折射率，外 包层3折射率小于内包层2最小折射率。光纤芯由稀土掺杂石英物质组成，内包层由石英与可控折射率分布掺杂元素构 成，外包层为具有低折射率分布的聚合物光学材料，用以束缚内包层中的泵浦光。本发明中的具有渐变折射率分布内包层结构的稀土掺杂双包层光纤，内包层为渐 变折射率分布，整体光纤由稀土掺杂光纤芯、内包层、外包层组成，内包层截面为圆形。双包 层稀土掺杂光纤内包层部分由具有渐变折射率分布的石英构成，内包层采用对泵浦光具有 良好汇聚作用的渐变折射率分布结构，具有高泵浦吸收特性，适于制作高性价比的高功率 泵浦耦合光纤激光器与光纤放大器。由于连续变化的折射率分布在实际工艺中是无法实现 的，本发明通过折射率阶梯变化的多阶跃层分布方式实现内包层折射率渐变分布，使内包 层保持了低接续损耗、高柔韧度的圆形结构。本发明双包层稀土掺杂光纤内包层折射率采用渐变式分布，内包层的折射率由纤 芯到外包层方向按照渐变函数(一般为二次函数)关系递减变化，其最大折射率小于纤芯 折射率，最小折射率大于外包层折射率。由于连续变化的折射率分布在实际工艺中是无法实现的，本发明采用多阶跃层分 布的方式实现内包层折射率渐变的效果，双包层光纤的制备方法为1)利用MCVD (改进的化学气相沉积法)工艺制作双包层稀土掺杂光纤预制棒的稀 土掺杂纤芯部分，在纤芯1沉积时可以按需要进行各种不同成分稀土元素的掺杂，掺杂纤 芯区域可通过共掺磷或锗来提高其折射率。2)利用OVD (棒外化学汽相沉积法)工艺制作折射率阶梯变化多层结构内包层2， 实现内包层折射率的渐变分布，完成光纤预制棒制作，各层之间折射率的梯度变化可通过 控制掺氟量实现。3)对光纤预制棒进行拉丝，在光纤外部涂覆折射率小于内包层最小折射率的聚合 物材料构成外包层3，使光纤形成双包层导光结构。实施例1 本发明的双包层稀土掺杂光纤包括纤芯1、内包层2和外包层3三部分，纤芯区域 的折射率为均勻分布，并且其折射率最大，外包层的折射率也为均勻分布，其折射率最小， 内包层由折射率从高到底变化的10层石英结构组成，如图5所示，通过多层结构实现内包 层折射率的渐变变化，内包层的折射率由纤芯到外包层方向逐渐降低，纤芯折射率大于内 包层的最大折射率，外包层折射率小于内包层最小折射率。实施例2 如图6所示，本实施例的结构与实施例1基本相同，不同之处仅在于内包层由折 射率从高到底变化的20层石英结构组成。实施例3 如图7所示，本实施例的结构与实施例1基本相同，不同之处仅在于内包层由折 射率从高到底变化的30层石英结构组成。
阶梯状分布内包层结构的层数越多，内包层折射率分布越接近连续，但制作难度 相对也会提升。图4为阶跃型与渐变型双包层光纤泵浦吸收系数对比图，该数据通过严格的数学 模型计算而得，计算时采用相同大小的入射泵浦光束、掺杂纤芯半径、纤芯吸收系数和内包 层面积。以上对本发明所提供的一种对泵浦光高效率吸收的包层泵浦光纤进行详细介绍， 本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是 用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明 的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解 为对本发明的限制。
权利要求
1.一种对泵浦光高效率吸收的包层泵浦光纤，其特征在于由内向外依次包括纤芯、 内包层和外包层，其中内包层的折射率由纤芯到外包层方向逐渐降低，纤芯折射率大于内 包层的最大折射率，外包层折射率小于内包层最小折射率。
2.根据权利要求1所述的一种对泵浦光高效率吸收的包层泵浦光纤，其特征在于所 述内包层截面为圆形。
3.根据权利要求1所述的一种对泵浦光高效率吸收的包层泵浦光纤，其特征在于，光 纤内包层的折射率采用渐变式分布，内包层的折射率由纤芯到外包层方向按照渐变函数关 系递减变化。
4.根据权利要求4所述的一种对泵浦光高效率吸收的包层泵浦光纤，其特征在于，所 述渐变函数为二次函数。
5.权利要求1中所述的一种对泵浦光高效率吸收的包层泵浦光纤的制备方法，其特征 在于该方法包括如下步骤利用MCVD工艺制作纤芯部分，在纤芯沉积时掺杂稀土元素；利用OVD工艺制作折射率阶梯变化的内包层，且内包层折射率按照由纤芯到外包层方 向逐渐降低，内包层的最大折射率小于纤芯折射率，完成光纤预制棒制作，折射率的梯度变 化通过控制掺氟量实现；对光纤预制棒进行拉丝，拉丝过程中在其外部涂覆折射率小于内包层最小折射率的聚 合物材料，构成外包层，使光纤形成双包层导光结构。
全文摘要
本发明公开了一种对泵浦光高效率吸收的包层泵浦光纤，属于特种光纤制造领域。该光纤由内向外依次包括纤芯、内包层和外包层，其中内包层的折射率由纤芯到外包层方向逐渐降低，纤芯折射率大于内包层的最大折射率，外包层折射率小于内包层最小折射率，内包层截面为圆形。本发明解决了阶跃折射率分布圆对称内包层结构双包层光纤在泵浦吸收上的困难以及非圆对称内包层结构双包层光纤高接续损耗、低柔韧度等问题。本发明稀土掺杂光纤兼具高泵浦吸收、低接续损耗、柔韧度好、易制作等特性，非常适合制作具有高性价比的大功率泵浦耦合的光纤激光器与光纤放大器。
文档编号G02B6/036GK102116897SQ201110053079
公开日2011年7月6日 申请日期2011年3月4日 优先权日2011年3月4日
发明者冯亭, 刘鹏, 延凤平, 彭万敬, 李琦, 陶沛琳 申请人:北京交通大学