专利名称：外包层为泵浦光波导的双包层光纤及其涂制模具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光导纤维，尤其涉及一种构成高功率光纤激光器和光纤放大器的双包层光纤及其专用涂制模具。
背景技术：
高功率的光纤激光器和光纤放大器普遍采用双包层光纤，普通双包层光纤由掺有激光激活物质的光纤芯、内包层、外包层和保护层四部分组成。其中光纤芯的折射率最大，内包层的折射率大于外包层的折射率；外包层材料为聚合物光学材料，光纤外包层截面一般为圆形；光纤芯由石英、玻璃和晶体等无机光学材料掺杂激光激活物质构成，内包层是由与纤芯基体材料可匹配熔接的石英、玻璃和晶体等无机光学材料构成，其截面可以为圆形。由于内包层口径远大于纤芯口径，所以可汇聚较多的泵浦光进入内包层，并把泵浦光约束在内包层中传播，进而耦合到纤芯，完成激发过程。
虽然圆形内包层的双包层光纤有很多优点，主要是不需要对预制棒做额外的光学机械加工，而使工艺更简单，还有当泵浦源为带尾纤的LD时，圆形石英包层之间的尺寸匹配易于耦合连接等。但圆形内包层的双包层光纤存在以下缺点即完美的圆形对称性使内包层中的大量的泵浦光成为螺旋光，在传输的过程中永远也不会达到纤芯，因而不可能有高的光光转换效率。为了克服这个缺陷，人们将内包层截面结构设计成非圆形内包层的双包层光纤，如方形、矩形、D型等(见图4B、图4C和图4D)，参见[United States Patent 5,533,163]，以及非同轴心内包层的双包层光纤；还有非圆扭转形内包层的双包层光纤，参见[United States Patent6,157,763]。这些光纤虽然解决了端面泵浦方法有高的光光转换效率，由于这些双包层光纤的内包层的数值孔径比较小，所以以前的双包层光纤，对端面泵浦的耦合技术要求较高价格贵，并且很难获得高效的泵浦光侧面耦合。因此，以前的双包层光纤，不适合制作廉价的高功率双包层光纤激光器和光纤放大器。
已知的光纤的聚合物涂敷，可以采用使用喷嘴和涂敷模具的装置，参见在先技术[中国专利98107022.1]。但是，那些涂敷模具的模具孔都为圆形，无法涂制光纤的非圆形外包层。
发明内容本发明的目的是克服现有的双包层光纤在制作高功率光纤激光器和光纤放大器时存在的上述问题，提供一种既具有较高的光光转换效率，又具有较大的数值孔径，同时对泵浦光的耦合技术要求比较简单，且可制作低成本的光纤激光器和光纤放大器的外包层为泵浦光波导的双包层光纤，以及涂制光纤的专用模具。
本发明外包层为泵浦光波导的双包层光纤，只有光纤芯、内包层和外包层三部分，没有普通光纤的保护层，而由外包层兼做保护层的部分功能，同时外包层的外表面为泵浦光波导的界面。即所述的包层是指同为泵浦光通道、共同完成泵浦光的传输与向纤芯耦合的内包层和外包层，光纤芯外依次为内包层，和对内包层的玻璃等材料有保护裂纹产生作用的外包层。
外包层的截面为如下任何一种非圆形矩形、圆角矩形、方形、圆角方形、D形、中部为矩形或方形一端或两端为部分圆形的组合形、矩形销去一至四个角后的剩余形、圆形销去一或二个少半圆后的剩余形。
内包层为石英、玻璃和晶体等无机光学材料制成，其截面为圆形。光纤芯为石英、玻璃和晶体等无机光学材料掺杂激光激活物质制成。其中，外包层折射率最小，内包层的折射率等于或稍微大于外包层的折射率，光纤芯的折射率最大。
一种专门用于制作外包层为泵浦光波导的双包层光纤的涂制模具，该模具包括中间带有一个涂敷孔的模具基体，该涂敷孔为漏斗形，即上半部为倒锥形，下半部为等截面孔，其截面可以是如下任何一种非圆形矩形、圆角矩形、方形、圆角方形、D形、中部为矩形或方形一端或两端为部分圆形的组合形、矩形削去一至四个角后的剩余形、圆形削去一或二个少半圆后的剩余形。
本发明的优点和积极效果本发明双包层光纤不需要涂普通光纤都有的最外保护层，其外包层采用聚合物光学材料，外包层也是双包层光纤的最外层，对内包层玻璃等材料有保护裂纹产生的作用。使用时，其外包层和内包层同为泵浦光通道，外包层和其外面的低折射率介质(如空气、水等)构成泵浦光波导，因此其数值孔径极大，特别适用于高功率泵浦光的侧面耦合。其中双包层光纤的光纤芯由石英、玻璃和晶体等无机光学材料掺杂激光激活物质构成，内包层是由与纤芯基体材料可匹配熔接的无机光学材料构成，内包层截面为圆形。其中光纤芯的折射率最大，内包层的折射率等于或稍微大于外包层的折射率。当内包层的折射率稍大于外包层的折射率时，内包层还有会聚作用，使泵浦光更易到达光纤芯部，激发激活介质。产生的激发光被约束在光纤芯内传播。因此，用本发明的光纤，紧密排列时，采用高功率的LD阵列直接侧面泵浦，可以获得高的光光转换效率。所以，用本发明的光纤，特别适合于制作经济型结构的高功率侧面泵浦的光纤激光器和光纤放大器。
图1A至F、是本发明实施例1的系列双包层光纤横截面示意图，这个系列双包层光纤的内包层与纤芯为同心圆形状；图2A至C、本发明专用涂制模具截面示意图；图3、双包层光纤外包层涂制示意图。
具体实施方式
实施例1如图1A至F所示，本发明的双包层光纤包括光纤芯10、内包层12、外包层14。光纤芯10由玻璃等无机材料掺杂激光激活物质构成，其折射率最大，为圆形截面，直径为6-70微米。内包层12是由与纤芯基体材料可匹配熔接的无机材料构成，为圆形截面，直径为60-600微米，内包层的折射率等于或稍微大于外包层的折射率。外包层14截面可以是矩形(图1A)、圆角矩形(图1B)、八边形即由矩形削去四个角后的剩余形(图1C)、圆饼形即中部为矩形或方形两端为部分圆形的组合形(图1D)、D形(图1E)、圆形削去二个少半圆后的剩余形(图1F)等非圆形。外包层和内包层同为泵浦光通道，外包层采用聚合物光学材料，外包层也是双包层光纤的最外层，对内包层玻璃等材料有保护裂纹产生的作用。在使用时，外包层和其外面的低折射率介质(如气体、水等)构成泵浦光波导，因此其数值孔径极大，特别适用于高功率泵浦光的侧面耦合。
实施例2如图2A至C所示，一种专门用于制作外包层为泵浦光波导的双包层光纤的涂制模具，该模具包括中间带有一个涂敷孔的模具基体，该涂敷孔为漏斗形(见图3中的标号13)，即上半部为倒锥形，下半部为等截面孔，上、下两部分孔的截面可以是如下任何一种非圆形矩形、圆角矩形、方形、圆角方形、D形、中部为矩形或方形一端或两端为部分圆形的组合形、矩形削去一至四个角后的剩余形、圆形削去一或二个少半圆后的剩余形。本例只给出八边形即由矩形削去四个角后的剩余形(图2A、圆饼形即中部为矩形或方形两端为部分圆形的组合形(图2B)、圆角矩形(图2C)三种实施例图形，其余图形省略。
双包层光纤的涂制过程见图3，在普通拉丝机中，使用含有上述模具的新的涂敷聚合物组件，主要包括杯形部件16，喷嘴11，和涂敷模具13，在制造光纤时，将带包层的预制棒加热并拉丝，然后，裸纤由上向下通过本涂敷组件，涂敷组件中的聚合物15便通过涂敷模具13的非圆形孔涂敷到裸纤12上，形成外包层14。
权利要求
1.一种外包层为泵浦光波导的双包层光纤，包括光纤芯、包层组成，其特征是所述的包层指同为泵浦光通道、共同完成泵浦光的传输与向纤芯耦合的内包层和外包层，即光纤芯外依次为内包层，和对内包层的玻璃等材料有保护裂纹产生作用、兼做最外保护层的外包层，外包层的外表面为泵浦光波导的界面。
2.根据权利要求1所述的外包层为泵浦光波导的双包层光纤，其特征是外包层的截面为如下任何一种非圆形矩形、圆角矩形、方形、圆角方形、D形、中部为矩形或方形一端或两端为部分圆形的组合形、矩形削去一至四个角后的剩余形、圆形削去一或二个少半圆后的剩余形。
3.根据权利要求1或2所述的外包层为泵浦光波导的双包层光纤，其特征是外包层为适用于高功率泵浦光侧面耦合的、廉价高功率光纤激光器和光纤放大器的聚合物光学材料外包层。
4.根据权利要求1或2所述的外包层为泵浦光波导的双包层光纤，其特征是光纤芯为晶体或石英、玻璃材料掺杂激光激活物质制成的光纤芯。
5.根据权利要求1或2所述的外包层为泵浦光波导的双包层光纤，其特征是内包层由与纤芯基体材料可匹配熔接的晶体或石英、玻璃等无机光学材料构成的内包层，其截面为圆形。
6.根据权利要求1或2所述的外包层为泵浦光波导的双包层光纤，其特征是外包层折射率最小，内包层的折射率等于或稍微大于外包层的折射率，光纤芯的折射率最大。
7.一种专门用于制作权利要求1所述的外包层为泵浦光波导的双包层光纤的涂制模具，该模具包括中间带有一个涂敷孔的模具基体，其特征是该涂敷孔为漏斗形，即上半部为倒锥形，下半部为等截面孔，其截面可以是如下任何一种非圆形矩形、圆角矩形、方形、圆角方形、D形、中部为矩形或方形一端或两端为部分圆形的组合形、矩形削去一至四个角后的剩余形、圆形削去一或二个少半圆后的剩余形。
全文摘要
本发明涉及一种光导纤维及涂制模具。解决数值孔径小，对泵浦光的耦合技术要求高，成本大的问题。本发明外包层兼做光纤保护层的部分作用。内、外包层同为泵浦光通道、共同完成泵浦光的传输与向纤芯耦合。内包层由与纤芯基体材料可匹配熔接的无机材料构成，截面为圆形，内包层的折射率等于或稍微大于外包层的折射率。外包层采用聚合物光学材料，其截面可以是矩形、圆角矩形、八边形、圆饼形、D形等非圆形。其模具中间的涂敷孔为漏斗形，即上半部为倒锥形，下半部为与外包层形状相同的等截面孔。使用时，外包层的外侧环绕着低折射率介质如气体、水等，使其外表面变成泵浦光波导界面，该波导的数值孔径较大，适于高功率泵浦光侧边耦合的廉价高功率光纤激光器和光纤放大器。
文档编号B05C3/02GK1564032SQ20041001875
公开日2005年1月12日 申请日期2004年3月17日 优先权日2004年3月17日
发明者张帆, 姚建铨 申请人:天津大学