一种大模场双包层掺镱光纤的制作方法

本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种大模场双包层掺镱光纤。

背景技术

纤芯中若掺杂有稀土元素的光纤，在适当的泵浦光注入光纤时，稀土元素的外层电子会吸收光子的能量并跃迁至更高的能级。当处于激发态的粒子数量发生反转时，穿过纤芯的信号光将引发受激辐射并被放大。在光纤激光器中，谐振腔结构使受激辐射光形成高光束质量、高功率密度的激光振荡输出。不同的光纤材料体系结合不同的稀土元素掺杂，可在相应波长的光激发下辐射各种波长的光，并且能够覆盖紫外至红外的光谱范围。光纤激光器以其优异的光束质量而显著区别于传统的固体激光器，在材料精细加工、军事、探测等领域有明显的应用优势。

掺镱(yb)石英光纤作为一种掺稀土光纤，其能够吸收915nm或975nm附近的泵浦光来实现1064nm附近的激光输出。由于镱不易发生浓度淬灭，可实现较高的掺杂浓度，且其激发态寿命、量子效率较高，具有较高的能量转换效率，因此掺镱石英光纤常被用于制造高功率的光纤激光器。

为了提高泵浦效率，高功率光纤激光器采用的是包层泵浦技术，即采用双包层甚至三包层的掺镱光纤，将泵浦光耦合至内包层，并使用非圆形的内包层结构抑制包层螺旋光并增大光线穿过纤芯的几率，从而增大纤芯对泵浦光的吸收能力。在高功率工作时，掺镱光纤的纤芯有很高的能量密度，这将导致热损伤和非线性效应，严重影响光纤激光器的性能。为了降低纤芯能量密度、减小非线性效应，掺镱光纤会被设计为大芯径、大模场结构，而要保证光纤激光器的高光束质量、小发散角，必须保证光纤为单模或准单模输出，这样才能使远场上有足够高的能量密度，保障光纤激光器的应用效果。阶跃形或准阶跃形折射率设计的大模场大芯径掺镱双包层光纤都可容纳少模传输，基模模场强度一般是高斯分布，而高阶模强度分布靠近芯区边缘，且会扩大出光发散角并降低光束质量。因此较大的芯径和模场使得保持光纤的单模输出成为了一个难题，要抑制高阶模式的振荡，实现光纤的准单模运转，主要有以下三个方法：

1.最直接的办法是降低纤芯的数值孔径(na)，但是过低的数值孔径会显著增加弯曲损耗而不利于光纤的应用，并且目前掺镱光纤的数值孔径已可低至0.05，受材料体系的限制，在较高掺杂浓度的情况下很难再有降低na的空间。

2.将光纤弯曲或绕环，可增加高阶模的损耗，达到滤除高阶模的效果，但是对于大直径低数值孔径的高功率掺镱光纤来说，基模与高阶模之间的弯曲损耗差异较小，且大功率滤模时，泄漏的能量将损伤光纤涂层进而影响光纤的正常工作。

3.将光纤的某一段拉锥，可在光束经过光锥时泄漏高阶模以实现准单模运行，但是在高功率下拉锥处由于芯径变小、能量泄漏大而极易损伤。

4.手性耦合纤芯(ccc)光纤和光子晶体光纤理论上是较好的大模场面积掺镱光纤实施方案，ccc光纤通过围绕纤芯的螺旋侧芯来耗散高阶模式来实现纤芯的单模传输，光子晶体光纤则通过包层中气孔的特殊排列来限制光纤的传输模式，但是这两种光纤的制造工艺比较复杂，制造成本很高，目前主要见诸于实验室报道，而暂不适合大规模商业应用。

由此可见，目前的掺镱石英光纤难以在大芯径、大模场结构基础上实现光纤的准单模运转。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是目前的掺镱石英光纤存在难以在大芯径、大模场结构基础上实现光纤的准单模运转的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了一种大模场双包层掺镱光纤，包括纤芯、由内向外依次包绕在所述纤芯外周的石英内包层、低折射率外包层和外涂层，所述石英内包层靠近所述纤芯的内侧面设有折射率凹陷区域，所述石英内包层的截面形状为正八边形,所述纤芯内含有镱，沿所述纤芯的直径方向，镱的浓度由内向外呈类梯形或类抛物线形分布，镱掺杂区域的直径小于或等于纤芯直径，所述纤芯和所述石英内包层的折射率分布满足如下关系式：

其中a为纤芯半径，b为纤芯中具有稳定折射率n1的区域的半径，h为折射率凹陷区域外边缘的半径，j为石英内包层的相对两边的间距，且满足h＜1.4a，0.5a＜b＜a，0.5(n1+n4)＜n2＜n1，n4-0.5(n1-n4)＜n3＜n4。

变量r为相对于纤芯中心的距离，n1为纤芯在直径b以内区域的折射率，n2为纤芯的外边缘的折射率，n3为折射率凹陷区域的折射率，n4为石英内包层除去折射率凹陷区域之外的区域的折射率。

在另一个优选的实施例中，镱的浓度在纤芯直径方向上呈类梯形分布，且镱的浓度分布满足如下关系式：

其中p为纤芯的中心具有最高镱浓度cmax的区域的半径，q为镱掺杂区域的半径，a为纤芯半径，且满足q≤a，斜率s满足0≤s≤cmax/(q-p)，变量r为相对于纤芯中心的距离，cmax为纤芯中心的镱浓度。

在另一个优选的实施例中，镱的浓度在纤芯直径方向上呈类抛物线形浓度分布，且镱的浓度分布满足如下关系式：

其中cmax为纤芯中心最高的镱浓度，k为镱掺杂区域的半径，a为纤芯半径，且满足k≤a，系数t满足0≤t≤cmax/k²，变量r为相对于纤芯中心的距离。

在另一个优选的实施例中，所述纤芯的直径2a的取值范围是10微米～200微米。

在另一个优选的实施例中，j的取值范围是125微米～650微米。

在另一个优选的实施例中，所述石英内包层的的相对两边的间距与所述纤芯直径的比值j/a大于或等于3。

在另一个优选的实施例中，所述纤芯与所述石英内包层的数值孔径na14的范围是0.05～0.09，即

在另一个优选的实施例中，所述石英内包层与所述低折射率外包层的数值孔径na45大于或等于0.46，即其中n5为所述低折射率外包层的折射率。

在另一个优选的实施例中，所述纤芯采用石英基质的镱铝共掺材料、镱铝磷共掺材料或镱铝磷氟共掺材料，其中镱的最高浓度的范围是200ppm～4000ppm。

在另一个优选的实施例中，光束质量因子m²小于或等于1.5。

本发明，与现有的光纤相比,在于同样的纤芯折射率分布情况下，将镱更多的分布于纤芯中心，而随着半径方向距离的增大逐渐减少镱含量直至纤芯最外侧一定厚度内不掺镱，如此，镱的分布形状与基模中心部分的包络可以较好地重叠，镱在经过泵浦光激发后，会优先放大强度主要集中于纤芯中心的基模，而强度主要集中于纤芯外侧的高阶模式获得的增益较少,从光纤自身的纤芯设计方面入手，在不改变光纤机械性能、不增加光纤制造成本及难度的情况下，改进光纤的折射率分布和掺杂分布，二者共同作用可以在保持基模模场面积。在此基础上，结合三角形和阶跃形的纤芯复合折射率设计，通过改变复合形态来调节基模有效模场面积和基模提取效率之间的平衡，保障基模模场面积的同时，将光场能量向纤芯中心集中，因此可提高基模的提取效率，得到高光束质量的激光输出，改善了光束质量。

附图说明

图1为本发明的截面示意图及其折射率剖面示意图；

图2为本发明的纤芯的镱掺杂浓度的类梯形分布图；

图3为本发明的纤芯的镱掺杂浓度的类抛物线形分布图。

具体实施方式

本发明提供了一种大模场双包层掺镱光纤，从光纤自身的纤芯设计方面入手，在不改变光纤机械性能、不增加光纤制造成本及难度的情况下，改进光纤的折射率分布和掺杂分布，二者共同作用可以在保持基模模场面积。在此基础上，结合三角形和阶跃形的纤芯复合折射率设计，通过改变复合形态来调节基模有效模场面积和基模提取效率之间的平衡，保障基模模场面积的同时，将光场能量向纤芯中心集中，因此可提高基模的提取效率，得到高光束质量的激光输出，改善了光束质量。下面结合具体实施例和说明书附图对本发明予以详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种大模场双包层掺镱光纤，包括纤芯1、由内向外依次包绕在纤芯1外周的石英内包层2、低折射率外包层3和外涂层4，石英内包层2靠近纤芯1的内侧面设有折射率凹陷区域，石英内包层2的截面形状为正八边形,纤芯1内含有镱，沿纤芯1的直径方向，镱的浓度由内向外呈类梯形或类抛物线形分布，镱掺杂区域的直径小于或等于纤芯1直径，纤芯1和石英内包层2的折射率分布满足如下关系式：

其中a为纤芯1半径，b为纤芯1中具有稳定折射率n1的区域的半径，h为折射率凹陷区域外边缘的半径，j为石英内包层2的相对两边的间距，且满足h＜1.4a，0.5a＜b＜a，0.5(n1+n4)＜n2＜n1，n4-0.5(n1-n4)＜n3＜n4。

变量r为相对于纤芯1中心的距离，n1为纤芯1在直径b以内区域的折射率，n2为纤芯1的外边缘的折射率，n3为折射率凹陷区域的折射率，n4为石英内包层2除去折射率凹陷区域之外的区域的折射率。

其中镱的浓度可采用多种方式设置，本专利申请中采用如下两种方式：

一、类梯形分布

如图2所示，镱的浓度在纤芯1直径方向上呈类梯形分布，且镱的浓度分布满足如下关系式：

其中p为纤芯的中心具有最高镱浓度cmax的区域的半径，q为镱掺杂区域的半径，a为纤芯半径，且满足q≤a，斜率s满足0≤s≤cmax/(q-p)，变量r为相对于纤芯中心的距离，cmax为纤芯中心的镱浓度。

二、类抛物线形浓度分布

如图3所示，镱的浓度在纤芯1直径方向上呈类抛物线形浓度分布，且镱的浓度分布满足如下关系式：

其中cmax为纤芯中心最高的镱浓度，k为镱掺杂区域的半径，a为纤芯半径，且满足k≤a，系数t满足0≤t≤cmax/k²，变量r为相对于纤芯中心的距离。

优选的，纤芯1的直径2a的取值范围是10微米～200微米。

优选的，j的取值范围是125微米～650微米。

石英内包层2的相对两边的间距与纤芯1直径的比值(即包芯比)j/a大于或等于3。

纤芯1与石英内包层2的数值孔径na15的范围是0.05～0.09，即

石英内包层2与低折射率外包层3的数值孔径na45大于或等于0.46，即其中n5为低折射率外包层3的折射率。

纤芯1采用石英基质的镱铝共掺材料、镱铝磷共掺材料或镱铝磷氟共掺材料，其中镱的最高浓度的范围是200ppm～4000ppm。

下面为本专利申请的几个实施例和比较例，为了对比，比较例采用了未经特殊设计的常规方案。实施例和比较例都采用了相同的几何尺寸设计，纤芯1直径为30.0μm(a＝15.0μm)，石英内包层2的边对边距离2j为250μm，纤芯1的数值孔径na14均为0.06，且采用的低折射率外包层3和外涂层4均相同，而不同之处在于纤芯1的折射率分布设计和掺杂浓度分布设计。

测试光纤时均采用300w的915nm泵浦源泵入被测光纤，被测光纤长7.5m，盘绕直径25cm，经被测光纤两端的光栅振荡放大后，在其输出端测量并分析其光束质量。

实施例一

纤芯1的镱掺杂浓度为类梯形分布，镱的掺杂区域半径q为11.9μm，最高镱掺杂浓度区域的半径p为5.8μm，最高镱掺杂浓度cmax为1200ppm，掺杂区域最外侧的镱浓度为400ppm，因此纤芯1采用三角形和阶跃形的复合折射率设计，使用波长为632.8nm的激光测得的折射率为n1＝1.45891，n2＝1.45840，n3＝1.45719，n4＝1.45762,且折射率为n1的区域的半径b＝9.0μm，折射率凹陷区域外径h＝17.0μm，测得其输出模场直径为20.7μm，光束质量因子m²＝1.32。

实施例二

纤芯1镱掺杂浓度为类抛物线形分布，掺杂区域半径k为12.0μm，最高镱掺杂浓度cmax为1200ppm，掺杂区域最外侧的镱浓度为480ppm，系数t＝5ppm·μm^-2，纤芯1的折射率设计与实施例一相同，测得其输出模场直径为21.0μm，光束质量因子m²＝1.41。

比较例一

纤芯1均匀掺镱，浓度为1100ppm，纤芯1折射率设计与实施例1相同，测得其输出模场直径为20.8μm，光束质量因子m²＝1.83。

比较例二

纤芯1均匀掺镱，浓度为1100ppm，且折射率分布为简单阶跃形，即n1＝n2＝1.45891，n3＝n4＝1.45762，测得其输出模场直径为22.7μm，光束质量因子m²＝2.19。

由此可见，采用本发明的两个实施例光束质量因子低于两个比较例，m²＝2.19相比于比较例拥有更优的输出光束质量。本专利申请制得的光纤的光束质量因子m²小于或等于1.5。

本发明可采用改进的化学气相沉积(mcvd)方法制造其掺镱纤芯，为了实现如上的两种镱浓度分布，需要进行不同参数的多趟沉积，沉积层数至少为10层，推荐沉积层数大于30层。类抛物线形浓度分布只需逐层线性减少镱掺杂浓度，熔缩为实心棒后即可实现，因此在工艺上更易于实施。类梯形浓度分布则需要平方根曲线递增的掺杂工艺，实施较为复杂。

本发明，与现有的光纤相比,在于同样的纤芯折射率分布情况下，将镱更多的分布于纤芯中心，而随着半径方向距离的增大逐渐减少镱含量直至纤芯最外侧一定厚度内不掺镱，如此，镱的分布形状与基模中心部分的包络可以较好地重叠，镱在经过泵浦光激发后，会优先放大强度主要集中于纤芯中心的基模，而强度主要集中于纤芯外侧的高阶模式获得的增益较少,从光纤自身的纤芯设计方面入手，在不改变光纤机械性能、不增加光纤制造成本及难度的情况下，改进光纤的折射率分布和掺杂分布，二者共同作用可以在保持基模模场面积。在此基础上，结合三角形和阶跃形的纤芯复合折射率设计，通过改变复合形态来调节基模有效模场面积和基模提取效率之间的平衡，保障基模模场面积的同时，将光场能量向纤芯中心集中，因此可提高基模的提取效率，得到高光束质量的激光输出，改善了光束质量。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。