多芯光纤制备方法、多芯光纤及光纤振荡器

本发明属于光纤，尤其是一种多芯光纤制备方法、多芯光纤及光纤振荡器。

背景技术：

1、在过去二十几年的时间里，凭借着包层泵浦技术和泵浦亮度的提升，光纤激光器在衍射极限的光束质量下不断提升着固体激光器的平均输出功率。但光纤激光器的功率提升逐渐遭遇一些物理瓶颈，其中一部分的限制来自于功率密度过于集中而导致的非线性效应。此外，由于光纤材料的导热性大概不到常见固体激光器采用的晶体材料的十分之一，光纤激光器在高功率运转下热量积累诱发的一系列问题也是限制其功率增长的一大桎梏。对于有高稳定性高光束质量要求的光纤激光器来说，热诱导的模式畸变/不稳定(tmi)是亟待解决的一大难题。虽然非线性效应可以通过增大模场面积来得到缓解，但增大模场面积势必会使得高阶模式更容易被激发，从而导致更低的tmi阈值。因此这两大功率桎梏是针锋相对的。目前单芯光纤功率进一步提升潜力有限，输出最高功率停滞在万瓦量级。

2、并行多个芯组束的多芯光纤被认为有望能够进一步提高单纤输出的信号光传输功率。多芯光纤有较好的潜在应用价值能够助力功率提升。比如，借助多芯光纤，相干合成多路独立的放大器可以组束集中到共享公共泵浦的一根多芯光纤中，这样能够更大程度的解决原本相干合成方案空间分离，系统复杂的缺点，拓展相干合成方法的应用场景。但传统的耦合芯多芯光纤由于芯芯间隔较小，容易发生串扰和超模，从而会导致较低的tmi阈值。因此设计制备非耦合的多芯光纤能够较好的扩展单根光纤输出的功率上限。与单芯光纤类似，变纤芯面积技术有利于再多芯光纤中产生高功率和高脉冲能量的激光。锥形光纤的设计可以显著增加激光模场面积和可用掺杂体积，提升单位光纤长度可提取能量，在降低非线性效应的同时保持接近理想光束质量的输出。但仅仅将普通的锥形光纤拉制工艺套用到多芯光纤中，制备得到常见的锥形多芯光纤，由于其各个芯与光纤轴向存在锥角，会导致各个芯中的传输光之间存在夹角，从而引起各个芯光束的发散，如附图1所示为普通的锥形多芯光纤的剖面图。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种多芯光纤制备方法、多芯光纤及光纤振荡器。

2、为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种多芯光纤制备方法，包括以下步骤：

4、(1)准备内石英管并进行研磨加工；

5、设待加工多芯光纤中包含的纤芯数目n，n大于等于2；

6、准备n根内石英管，对各内石英管进行酸洗研磨，使得加工完成后的各内石英管的尺寸形状相同；

7、(2)对研磨加工后的内石英管进行芯层沉积，在芯层沉积形成的疏松层内掺杂稀土离子，并通过加热沉积芯层的内石英管以除去内石英管与芯层之间的缝隙，烧结缩棒得到单芯预制棒；

8、(3)准备外石英管，并将n根单芯预制棒由外石英管套管组束；

9、对外石英管进行酸洗研磨，使得外石英管内壁研磨加工为带圆角的正方形，将n根单芯预制棒平行置入外石英管内进行组束，其中n根单芯预制棒呈阵列排布在外石英管的内管腔中，位于外围单芯预制棒外壁与外石英管内壁紧贴，同时使用实心石英棒对单芯预制棒之间的空隙进行填充，并控制相邻单芯预制棒之间纤芯与纤芯之间的间隔d，从而得到多芯预制件；

10、(5)将多芯预制件置入拉丝塔进行拉丝和涂覆，得到多芯光纤。

11、进一步地，步骤(3)中，n根单芯预制棒呈方形、长方形或圆形阵列排布在外石英管的内管腔中。

12、进一步地，步骤(2)中，所述掺杂稀土离子为镱、铒、铈、铥、钬中的一种或多种。

13、进一步地，步骤(2)中，采用气相沉积法或等离子体化学气相沉积法或化学气相沉积法对研磨加工后的内石英管进行芯层沉积，沉积芯层疏松层。

14、进一步地，步骤(1)中，加工完成后的内石英管的外壁为圆形，内石英管内壁研磨加工为一端直径向另一端直径逐渐增大的圆台形；

15、进一步地，步骤(3)中，相邻单芯预制棒之间纤芯与纤芯之间的间隔d为1.5～2倍纤芯直径。

16、进一步地，步骤(4)中，利用拉丝塔中的加热装置对多芯预制件的下端部进行加热熔融，自多芯预制件的一端逐渐朝下拉出裸光纤，丝径测量装置对拉出的裸光纤进行丝径测量，并控制牵引盘的拉丝速度，涂覆固化装置将树脂材料涂布于裸光纤形成成品纤，滚绕装置将成品纤卷绕成光纤盘。

17、另一方面，本发明提供一种如上述多芯光纤制备方法制备得到的多芯光纤。

18、另一方面，本发明提供一种光纤振荡器，采用如上述多芯光纤制备方法制备得到的多芯光纤作为多芯增益光纤。

19、本发明提供一种多芯光纤制备方法，用以解决如图1所示的普通的锥形多芯光纤芯芯间光传输存在夹角的问题。

20、进一步地，本发明通过控制相邻单芯预制棒之间纤芯与纤芯之间的间隔，可以确保制备而成的多芯光纤中各个芯光信号的独立传输，有利于提高光纤整体的tmi阈值。

21、进一步的，本发明对内石英管进行加工，加工完成后的内石英管的外壁为圆形，内石英管内壁研磨加工为一端直径向另一端直径逐渐变化的圆台形或马鞍形或双锥形，如此确保制备而成的多芯光纤的芯包比设计为渐变，有利于平衡模式不稳定与非线性效应，通过纤芯大端增大模场面积抑制非线性效应，同时小端保持较好光束质量的激光注入，有利于tmi阈值的提升。

22、进一步地，由于加工完成后的内石英管的外壁为圆形，内石英管内壁研磨加工为一端直径向另一端直径逐渐增大的圆台形，使得单芯预制棒本身就进行了锥形芯设计，在步骤(4)中不需要再通过控制进料和拉丝速度来得到锥形光纤，在步骤(4)的拉制过程中可保持匀速拉丝，也能获得芯包比渐变的多芯光纤。

23、此外，与常规的芯包比不变的锥形/纺锤形多芯光纤相比，本发明设计的多芯光纤各个芯之间相互平行，能够实现各个芯输出激光的平行出射。

技术特征：

1.多芯光纤制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的多芯光纤制备方法，其特征在于，步骤(3)中，n根单芯预制棒呈方形、长方形或圆形阵列排布在外石英管的内管腔中。

3.根据权利要求1所述的多芯光纤制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述掺杂稀土离子为镱、铒、铈、铥、钬中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的多芯光纤制备方法，其特征在于，步骤(2)中，采用气相沉积法或等离子体化学气相沉积法或化学气相沉积法对研磨加工后的内石英管进行芯层沉积，沉积芯层疏松层。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的多芯光纤制备方法，其特征在于，步骤(1)中，加工完成后的内石英管的外壁为圆形，内石英管内壁研磨加工为一端直径向另一端直径逐渐增大的圆台形或马鞍形或双锥形。

6.根据权利要求5所述的多芯光纤制备方法，其特征在于，步骤(3)中，相邻单芯预制棒之间纤芯与纤芯之间的间隔d为1.5～2倍纤芯直径。

7.根据权利要求1或2或3或4或6所述的多芯光纤制备方法，其特征在于，步骤(4)中，利用拉丝塔中的加热装置对多芯预制件的下端部进行加热熔融，自多芯预制件的一端逐渐朝下拉出裸光纤，丝径测量装置对拉出的裸光纤进行丝径测量，并控制牵引盘的拉丝速度，涂覆固化装置将树脂材料涂布于裸光纤形成成品纤，滚绕装置将成品纤卷绕成光纤盘。

8.一种多芯光纤，其特征在于，采用如权利要求1所述的多芯光纤制备方法制备而成。

9.一种光纤振荡器，其特征在于，采用如权利要求1所述多芯光纤制备方法制备而成的多芯光纤作为多芯增益光纤。

10.根据权利要求9所述的光纤振荡器，其特征在于，泵浦源、泵浦功率合束器、多芯高反光栅阵列、多芯增益光纤和多芯低反光栅阵列；

技术总结
本发明提出一种多芯光纤制备方法、多芯光纤及光纤振荡器，包括：准备内石英管并进行研磨加工；对研磨加工后的内石英管进行芯层沉积，在芯层沉积形成的疏松层内掺杂稀土离子，并通过加热沉积芯层的内石英管以除去内石英管与芯层之间的缝隙，烧结缩棒得到单芯预制棒；准备外石英管，并将N根单芯预制棒平行置于外石英管进行套管组束，并使用实心石英棒对单芯预制棒之间的空隙进行填充，控制相邻单芯预制棒之间纤芯与纤芯之间的间隔，从而得到多芯预制件；将多芯预制件置入拉丝塔进行拉丝和涂覆，得到多芯光纤。本发明可以确保多芯光纤中各个芯光信号的独立传输，有利于提高光纤整体的TMI阈值。

技术研发人员：王泽锋,饶斌裕,黄震,王蒙,赵蓉,李智贤,陈子伦,陈金宝
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25