专利名称：一种用于激光器件的双包层光纤的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光纤技术领域，尤其涉及一种用于激光器件的双包层光纤。
背景技术：
为了提高光纤激光器的输出功率，通常采用双包层结构的光纤，双包层光纤结构由纤芯、内包层和外包层组成，其中的内包层结构为圆形、偏心圆形、多边形等。圆形内包层的双包层光纤结构，只有把泵浦半导体激光器输出激光的光斑整形到所需要注入的双包层光纤的尺寸范围内，光才能够耦合进去，在双包层光纤尺寸范围外面的光，就无法耦合到光纤中。如图1所示，圆形为双包层光纤，矩形为光斑压缩后的形状，则圆形之外的光就进入不到光纤中，因此，需要加大对光斑的整形压缩，才能进一步提高耦合效率。如图4所示的偏心圆形内包层结构的双包层光纤，半导体激光器泵浦方式将在圆形内包层内形成一部分不通过圆心的螺旋光，无法被纤芯的掺杂激活离子吸收，因此，降低了泵浦激光的吸收效率。中国专利CN1154764A公开了一种内包层的剖面形状为非矩形的凸多边形双包层光纤，如图2所示，以形成一个基本上均匀的辐射场，其中构成泵浦激光能量的各种辐射模式各向同性地分布。但是，对于几何形状均匀的半导体激光器和耦合进光纤的泵浦半导体激光器，这种凸多边形结构的不对称性不利于泵浦光功率的耦合。中国专利CN1542474A公开了一种采用非对称边界内包层的双包层光纤，如图3所示，主要包括纤芯301、内包层302和外包层303，纤芯I置于内包层302的中心，内包层302的边界为非对称边界。这种双包层结构由于纤芯位于内包层中心，使得作为热源的纤芯与外界的制冷装置距离较远，散热效率较低，不利于光纤的散热和高功率激光输出时光纤的
热量管理。
发明内容鉴于上述现有技术存在的问题，本实用新型提供一种用于激光器件的双包层光纤，本双包层光纤结构设计有利于高功率激光输出时的热量管理，并使增益光纤具有较高的吸收效率。本实用新型采用的技术方案是:一种用于激光器件的双包层光纤，其特征在于:包括纤芯、内包层、外包层和保护层，所述的内包层的边界为椭圆形，纤芯位于椭圆形内包层的一个焦点上，纤芯被折射率低于纤芯的内包层所包围，内包层的外表面涂覆折射率低于内包层的外包层，在外包层上涂覆保护层。采用上述技术方案，本实用新型至少具有下列优点:(一)用于激光器件的双包层光纤的内包层为椭圆形结构，纤芯位于椭圆形内包层的一个焦点上，这种结构可以使泵浦光功率耦合注入到椭圆形内包层结构的另一个焦点上，利用椭圆对于光反射的结构特性，使增益光纤具有较高的吸收效率。在高功率光纤激光器件运行时，这种纤芯的分布可以使反馈注入到增益光纤的激光与注入的泵浦激光功率分别在椭圆形的两个焦点上，使光纤端面附近纤芯部分的光功率密度降低，而且在不影响光纤吸收效率的基础上，使纤芯更加靠近外包层，从而更加有利于高功率激光输出时的热量管理。(二)本实用新型中的内包层为椭圆形结构设计，使用半导体激光器作为泵浦光源时，由于半导体激光器芯片发出的光斑为椭圆形，当双包层光纤椭圆形内包层结构的长轴与半导体激光器发射光斑的长轴在一个方向时，再对光斑进行稍微的整形压缩或者甚至无需整形压缩，便可以提高耦合效率，从而减少泵浦激光器光斑整形压缩的成本。(三)虽然这种半导体激光器泵浦方式将在椭圆形内包层内形成一部分不通过焦点的螺旋光，无法被纤芯的掺杂激活离子吸收，但是由于高功率光纤激光器中为了抑制非线性效应等，通常使用大模场面积纤芯的双包层光纤，即纤芯的直径较大，将增加泵浦激光的耦合效率，由于本实用新型具有大模场面积纤芯的椭圆形内包层结构，可以在一定程度上抑制螺旋光的传输，从而获得较好的吸收效率。
图1是现有技术中圆形内包层结构的双包层光纤与泵浦激光耦合情况示意图；图2是现有技术中内包层形状为非矩形凸多边形的双包层光纤示意图；图3是现有技术中采用非对称边界内包层的双包层光纤示意图；图4是现有技术中采用偏心圆形内包层结构的双包层光纤示意图；图5是本实用新型结构示意图；图6是本实用新型的一个实施例结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。参照图5，一种用于激光器件的双包层光纤包括纤芯1、内包层2、外包层3和保护层4，内包层2的边界为椭圆形，纤芯I位于椭圆形内包层2的一个焦点上，纤芯I被折射率低于纤芯I的内包层2所包围，内包层2的外表面涂覆折射率低于内包层2的外包层3，在外包层3上涂覆保护层4。本实用新型中纤芯I的材料可以根据不同需要选择，主要材料为石英中掺入激活离子。激活离子为稀土离子，例如:镱、铒、钕、铥、钦、铽等。在纤芯I中掺入激活离子的目的是实现信号激光的增益。纤芯I的截面为圆形，直径一般为5 100微米。本实用新型的内包层2为泵浦激光的主要传输通道，内包层2的材料为石英或者掺有氟、硼、锗、磷、钡、铝的玻璃材料。内包层还可以采用微结构的光子晶体光纤结构的材料填充。内包层2的折射率低于纤芯I。为了有效地提高纤芯I对泵浦激光的吸收效率，内包层2的长、短半轴的长度比例在1.1:1到2:1之间。本实用新型的外包层3的边界为圆形，其半径比椭圆形内包层2的长半轴大30 100微米。外包层3选择比内包层折射率低的材料，比如采用聚合物光学材料，以使内包层2的数值孔径达到0.2以上。折射率和数值孔径的关系如下:[0025]
NA = -^n12-η 22其中，NA为数值孔径，nl为内包层的折射率，n2为外包层的折射率。保护层4可以选择起保护作用的光学胶材料，例如丙烯酸酯，以更加有效地保护双包层光纤。实施例:制备用于激光器件的双包层光纤，其中，纤芯I为纯石英掺杂激活离子——Yb3+离子，内包层2为纯石英材料，外包层3为低折射率的紫外光固化光纤涂料，保护层4为高折射率的紫外光固化光纤涂料。内包层的数值孔径为0.46。纤芯I位于椭圆形内包层2的一个焦点上，截面为圆形，直径为IOMm ;椭圆形内包层2的长轴长度为200Mm，短轴长度为160Mm，长、短轴长度比例为1.25:1 ;外包层3的边界为圆形，直径为280Mm，其半径比椭圆形内包层的长半轴大40Mm，整体的双包层光纤的直径为350Mm，如图6所示。本双包层光纤的制作过程为:先制作光纤预制件，具体过程为通过MCVD(改进的化学气相沉积)工艺，在纯石英管的内部进行化学气相沉积，形成掺杂稀土离子的芯层，然后通过高温加热将此石英管收实为棒，制成圆形的光纤预制件，此时，纤芯位于光纤预制件的圆心位置。根据设计尺寸通过研磨工艺将此预制件加工成椭圆形，使其纤芯位于椭圆的一个焦点上，即为本双包层光纤的预制件；通过拉丝工艺将光纤预制件加热拉丝成裸光纤，即为双包层光纤的纤芯和内包层部分；通过涂覆工艺在裸光纤表面涂上一层低折射率的光纤涂料，即为双包层光纤 的外包层，最后再涂上一层高折射率的光纤涂料，即为保护层。
权利要求1.一种用于激光器件的双包层光纤，其特征在于:包括纤芯(I)、内包层(2)、外包层(3)和保护层(4)，所述的内包层(2)的边界为椭圆形，纤芯(I)位于椭圆形内包层(2)的一个焦点上，纤芯(I)被折射率低于纤芯(I)的内包层(2)所包围，内包层(2)的外表面涂覆折射率低于内包层(2 )的外包层(3 )，在外包层(3 )上涂覆保护层(4 )。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光器件的双包层光纤，其特征在于，所述的椭圆形内包层(2)的长轴和短轴的长度比例在1.1:1到2:1之间。
3.根据权利要求1所述的一种用于激光器件的双包层光纤，其特征在于，所述的纤芯(I)的截面为圆形，直径为5 100微米。
4.根据权利要求1所述的一种用于激光器件的双包层光纤，其特征在于，所述的外包层(3)的边界为圆形，其半径比椭圆形内包层(2)的长半轴大30 100微米。
专利摘要本实用新型公开了一种用于激光器件的双包层光纤，双包层光纤包括纤芯、内包层、外包层和保护层，内包层的边界为椭圆形，纤芯位于椭圆形内包层的一个焦点上，纤芯被折射率低于纤芯的内包层所包围，内包层的外表面涂覆折射率低于内包层的外包层，在外包层上涂覆保护层。采用本实用新型的双包层光纤结构，有利于实现泵浦光功率的高效率耦合，从而使增益光纤具有较高的吸收效率。在高功率光纤激光器运行时，使光纤端面纤芯部分的光功率密度降低，而且在不影响光纤吸收效率的基础上，纤芯更加靠近外包层，从而更加有利于高功率激光输出时的热量管理。
文档编号G02B6/02GK202956500SQ20122050187
公开日2013年5月29日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者宁鼎, 张鹏 申请人:中国电子科技集团公司第四十六研究所