一种三包层掺铥光纤及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及掺铥光纤领域，尤其涉及一种三包层掺铥光纤及其制备方法。
【背景技术】
[0002]光纤激光器以其效率高、光束质量好、可靠性高、结构紧凑和散热性好等优点，广泛应用于医疗、军事、光通信和工业加工等领域。掺铥光纤激光作为一种新型的高功率激光，它利用掺铥石英光纤作为增益介质，工作波长在2 μ m，处于人眼安全波长范围。随着光纤设计和制备工艺的改进以及半导体激光泵浦技术的发展，2 μ m波段掺铥光纤激光器得到了快速发展。掺铥光纤激光器由于可提供波长在2 μπι左右的长波激光振荡，与水的吸收峰相接近，有极好的对人体组织切割和凝血效果，可以用普通光纤传输，是理想的手术激光光源。同时掺铥光纤激光器作为产生3?5 μπι中红外激光的高效泵浦源也引起了人们的广泛关注。
[0003]目前，掺铥光纤激光器的核心部件为双包层掺铥光纤，双包层掺铥光纤的结构一般包括掺铥元素的纤芯、数值孔径和横截面比纤芯大得多而折射率比纤芯低的二氧化硅基包层、比二氧化硅基包层折射率低的涂覆层以及高折射率的保护层。现有技术中的掺铥光纤激光器的纤芯中包括氧化铥和氧化铝，氧化铝(Al2O3)可以增加铥离子的溶解度，提高铥离子的分散性，减小能量上转换。然而该掺铥光纤激光器中纤芯层的折射率较大，使纤芯的数值孔径大大增加，从而使输出激光的光束质量降低。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三包层掺铥光纤及其制备方法，本发明提供的三包层掺铥光纤的纤芯数值孔径较小，提高输出激光的光束质量。
[0005]本发明提供了一种三包层掺铥光纤，包括:
[0006]纤芯；
[0007]所述纤芯中包括二氧化娃、氧化镑、氧化铝和五氧化二磷，氧化镑的摩尔含量为0.2?0.8%，五氧化二磷的摩尔含量为0.5?1.0%，氧化铝与氧化铥的摩尔比彡8 ;所述纤芯的直径dl为10?30 μπι ;
[0008]套设在所述纤芯表面的内包层，所述内包层中包括掺杂剂和二氧化硅；所述内包层的直径为d2，2.5dl彡d2彡4dl ；
[0009]套设在所述内包层表面的外包层，所述外包层包括二氧化硅；
[0010]和套设在所述外包层表面的树脂层。
[0011]优选地，所述纤芯的氧化铥的摩尔含量0.4?0.7%。
[0012]优选地，所述氧化铝与氧化铥的摩尔比彡10。
[0013]优选地，所述外包层横截面的形状为非圆形。
[0014]优选地，所述非圆形为矩形、D型、六边形或八边形。
[0015]优选地，所述内包层中的掺杂剂包括氧化锗或氧化铝。
[0016]本发明提供了一种上述技术方案所述三包层掺铥光纤的制备方法，包括以下步骤:
[0017]I)将石英沉积管的内表面依次沉积内包层和疏松芯层；
[0018]2)将所述步骤I)得到的内表面沉积有内包层和疏松芯层的石英沉积管浸泡在含铥离子和铝离子的溶液中；
[0019]3)将所述步骤2)浸泡后的石英沉积管依次进行干燥、烧结和熔缩，得到掺铥光纤预制棒，所述掺铥光纤预制棒包括纤芯以及依次套设于纤芯表面的内包层和外包层；所述纤芯中包括二氧化娃、氧化镑、氧化销和五氧化二磷，氧化镑的摩尔含量为0.2?0.8%，五氧化二磷的摩尔含量为0.5?1.0%，氧化铝与氧化铥的摩尔比彡8 ;所述内包层中包括掺杂剂和二氧化硅，所述内包层中包括二氧化硅；
[0020]4)将所述步骤3)得到的掺铥光纤预制棒拉制，然后涂覆树脂层，得到三包层掺铥光纤；所述三包层掺铥光纤的纤芯的直径dl为10?30 μπι;所述内包层的直径为d2，2.5dl 彡 d2 彡 4dlo
[0021]优选地，所述步骤I)具体为:
[0022]将掺杂剂原料和四氯化硅通入到石英沉积管内表面沉积内包层，然后通入三氯氧磷和四氯化硅沉积疏松芯层。
[0023]优选地，所述步骤2)中浸泡的时间大于等于0.5小时。
[0024]优选地，所述步骤3)中烧结的温度为1800°C?2000°C。
[0025]本发明提供了一种三包层掺铥光纤，包括纤芯；所述纤芯中包括二氧化硅、氧化镑、氧化铝和五氧化二磷，氧化镑的摩尔含量为0.2?0.8%，五氧化二磷的摩尔含量为
0.5?1.0%，氧化销与氧化镑的摩尔比彡8 ;所述纤芯的直径dl为10?30 μπι ;套设在所述纤芯表面的内包层，所述内包层中包括二氧化硅和掺杂剂；所述内包层的直径为d2，2.5dl ^ d2 ^ 4dl ;套设在所述内包层表面的外包层，所述外包层包括二氧化硅；和套设在所述外包层表面的树脂层。本发明提供的三包层掺铥光纤通过控制内包层的组分和纤芯中组分的含量、纤芯和内包层的直径，减小了纤芯的数值孔径，提高输出激光的斜率效率和光束质量。实验结果表明:纤芯数值孔径< 0.15 ;三包层掺铥光纤的吸收系数多2dB/mi793nm ;激光斜率效率彡40%。
【附图说明】
[0026]图1为本发明实施例1制备的三包层掺铥光纤沿垂直于纤芯轴线的横截面的结构示意图；
[0027]图2为图1所示的三包层掺铥光纤所对应的折射率剖面图；
[0028]图3为本发明实施例2制备的三包层掺铥光纤沿垂直于纤芯轴线的横截面的结构示意图；
[0029]图4为图3所示的三包层掺铥光纤所对应的折射率剖面图。
【具体实施方式】
[0030]本发明提供了一种三包层掺铥光纤，包括:
[0031]纤芯；
[0032]所述纤芯中包括二氧化硅、氧化铥、氧化铝和五氧化二磷，氧化铥的摩尔含量为
0.2?0.8%，五氧化二磷的摩尔含量为0.5?1.0%，氧化铝与氧化铥的摩尔比彡8 ;所述纤芯的直径为10?30μπι ;
[0033]套设在所述纤芯表面的内包层，所述内包层中包括掺杂剂和二氧化硅；所述内包层的直径为d2，2.5dl彡d2彡4dl ；
[0034]套设在所述内包层表面的外包层，所述外包层中包括二氧化硅；
[0035]和套设在所述外包层表面的树脂层。
[0036]本发明提供的三包层掺铥光纤包括纤芯；所述纤芯中包括二氧化硅、氧化铥、氧化铝和五氧化二磷。在本发明中，所述氧化铥为主掺杂剂；所述氧化铝和五氧化二磷为共掺杂剂。石英光纤中掺入氧化铝(Al2O3)可以增加铥离子的溶解度，提高铥离子的分散性，减小能量上转换。在本发明中，为了提高相邻铥离子间的交叉驰豫(3H4,3H6-3F4,3F4)，通常需要掺杂高浓度的氧化铥，当氧化铥的摩尔含量超过0.2%时，掺铥光纤可突破斯托克斯效率的限制。此外，增加Tm3+的浓度，达到一定增益所需的光纤长度可以缩短，减小了非线性效应，也减小了总的本底损耗尤其是激光工作波段的本底损耗。但当Tm3+的浓度过高时，其团簇的几率大大增加，导致能量传递上转换过程的发生，从而引起激光效率的下降。这个过程既浪费了泵浦能量，增加了阈值功率，同时也增加了热管理的难度。为了避免团簇造成不需要的传能过程的发生，可通过掺杂高浓度的氧化铝来实现。当氧化铝与氧化铥的摩尔比多8时，Tm3+可以实现较好的分散效果，从而抑制能量传递上转换过程。在本发明中，所述氧化铥的摩尔含量为0.2?0.8%，氧化铝与氧化铥的摩尔比多8。在本发明中，制备纤芯时掺杂适量的五氧化二磷，可提高纤芯的孔隙度和均匀性，从而增加纤芯对溶液中掺杂离子的吸附能力；此外由于五氧化二磷烧结温度较低，预烧结过程可增加纤芯的强度，从而减小纤芯龟裂的几率。但另一方面，五氧化二磷增加玻璃组分的声子能，提高了非辐射跃迀的几率，容易造成掺铥光纤的量子效率的减小；同时五氧化二磷的掺入使1.5?1.7 μπι的衰减增大(P-OH)。因此，五氧化二磷的掺杂浓度不可过高。在本发明中，纤芯中掺杂五氧化二磷的摩尔含量为0.5?1.0%。本发明在纤芯层中掺杂少量的五氧化二磷，能够提高纤芯的孔隙度和均匀性，减小疏松纤芯层龟裂的几率。
[0037]为了减小功率密度，需使用大模场直径光纤。在本发明中，所述纤芯的直径dl为10?30 μπι。在本发明中，纤芯中氧化铝的高浓度掺杂容易引起纤芯层的折射率增大，从而使纤芯的数值孔径(NA)大大增加，从而使输出激光的光束质量降低。因此，掺铥光纤需要采用增加高折射率内包层的方法减小纤芯层的数值孔径。
[0038]本发明提供的三包层掺铥光纤包括套设在所述纤芯表面的内包层，所述内包层中包括掺杂剂和二氧化硅；所述内包层的直径为d2，2.5dl4dl ;在本发明的具体实施例中，所述内包层的直径为30 μπι或80 μπι。本发明优选在内包层中掺杂氧化铝或氧化锗，更优选为氧化铝。为了提高内包层的折射率，掺氧化铝时内包层达到与掺氧化锗时同样的折射率时，内包层的热膨胀系数最小。通常内包层的直径和折射率需要选取合适的值，直径太小或者折射率太低，则无法有效减小纤芯的NA。而直径太大，折射率太高，会增加光纤的弯曲损耗，也会导致内包层应力较大，外包层研磨加工时易造成预制棒开裂。在本发明中，三包层掺铥光纤增加内包层后，泵浦光容易限制在内包层中，由于内包层沿垂直于所述纤芯的轴线的横截面为圆形，增加了螺旋光，导致吸收系数减小。
[0039]本发明提供的三