CN110850522A - 一种部分掺稀土光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种部分掺稀土光纤及其制备方法，一种部分掺稀土光纤，包括纤芯、八边形包层、低折射率内涂层、高折射率外涂层。纤芯以SiO2为基质，由掺稀土区域和非掺稀土区域组成，非掺稀土区域包覆在掺稀土区域***；在纤芯***依次为八边形包层、低折射率内涂层和高折射率外涂层；纤芯和八边形包层折射率分布为阶跃型，纤芯中掺稀土区域与非掺稀土区域折射率相等。有益效果是：本发明不仅结构设计合理，可有效的控制高功率下光纤的模式不稳定性，提高输出激光的光束质量，而且工艺控制方便，易于制备生产，便于国内推广。

Description

一种部分掺稀土光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种部分掺稀土光纤及其制备方法，属于光纤制造技术领域，用于制备高性能光纤。
背景技术
光纤激光器在近十几年发展迅猛，并广泛应用于工业加工、激光医疗、激光武器、前沿科学等领域。在工业应用方面，光纤激光器已占工业激光器半数份额，且仍保持快速发展。作为光纤激光器的增益介质，掺稀土光纤的性能直接决定了光纤激光器的功率水平与光束质量。
现有的常规双包层掺稀土光纤纤芯中支持少模传输，稀土离子均匀掺杂在整个纤芯，由于基模的光强分布接近高斯分布，以及基模占优引起的中心区域的增益饱和效应，使得高阶模在掺杂区域的边缘存在强度上的优势，导致高阶模放大。这会导致常规双包层掺稀土光纤用于高功率激光传输时，带来模式不稳定效应，劣化光束质量，降低光纤性能。因此需要研究其他光纤结构来改善这些问题。
针对以上问题，研究人员提出了部分掺稀土光纤的概念，即在大模场光纤的纤芯中仅中间一部分为掺稀土区域。M.Hotoleanu等人在“M.Hotoleanu, high order modessuppression in large mode area active fibers by controlling the radialdistribution of the rare earth dopant, SPIE, 6102:61021T, 2006”中报道了通过改变纤芯掺稀土区域的半径可以抑制高阶模的产生，优化光纤性能。Changgeng Ye等人在“Changgeng Ye, Joona Kopoen, Teemu Kokki, et al. Confined-doped ytterbiumfibers for beam quality improvement: fabrication and performance, SPIE, 8237:823737-1~823737-7, 2012” 中采用直接纳米颗粒沉积（Direct NanoparticleDeposition，DND）技术制备了部分掺稀土光纤，达到优化输出激光光束质量的效果。但是DND技术掌握在国外少数研究机构，难以在国内进行学习推广。
发明内容
针对国内现有技术的不足，本发明提供一种部分掺稀土光纤及其制备方法，该光纤能够有效降低高阶模增益，提高输出激光的光束质量，同时光纤工艺控制方便，易于制备生产，便于国内推广。
本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种部分掺稀土光纤，包括纤芯、八边形包层、低折射率内涂层、高折射率外涂层，其特征在于：所述纤芯以SiO2为基质，由掺稀土区域和非掺稀土区域组成，非掺稀土区域包覆在掺稀土区域***；在纤芯***依次为八边形包层、低折射率内涂层和高折射率外涂层；
所述掺稀土区域直径与纤芯直径之比为0.5~0.6；
所述掺稀土区域掺杂的稀土元素包括Yb、Er、Tm和Ho的一种或两种，共掺元素包括Al、P、Ce；
所述非掺稀土区域掺杂元素包括Ge、Al的一种或两种；
所述纤芯中掺稀土区域与非掺稀土区域的折射率相等；
所述纤芯和八边形包层折射率分布为阶跃型，纤芯和八边形包层折射率差Δn为0.0010~0.0015。
一种部分掺稀土光纤的制备方法，其特征在于，步骤如下：
采用改进的化学气相沉积工艺结合溶液掺杂法或采用改进的化学气相沉积工艺结合鳌合物气相掺杂法制备部分掺稀土光纤预制棒芯棒，通过多层沉积芯层，依次沉积纤芯中非掺稀土区域、掺稀土区域，沉积总层数＞30层，沉积完成后，在高温下进行缩棒，制备成部分掺稀土光纤预制棒芯棒；
采用酸洗并高温抛光预制棒芯棒，以去除预制棒芯棒中杂质和细小裂纹，提高光纤强度；
根据所制备纤芯和八边形包层的比例，对预制棒芯棒进行套管；
对套管后的预制棒进行磨抛处理，将预制棒包层加工成八边形形状；
将磨抛后的预制棒置入拉丝塔加热炉中，融缩成丝并进行双层涂覆，形成低折射率内涂层和高折射率外涂层，制备成双包层部分掺稀土光纤。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)常规的双包层掺稀土光纤，纤芯中支持少模传输，稀土离子均匀分布在整个纤芯，高阶模在掺杂区域的边缘存在强度上的优势，降低输出激光中基模增益，劣化光束质量。本发明提供的一种部分掺稀土光纤及制备方法，该方法通过控制纤芯中掺稀土区域的面积，突出基模的竞争优势，达到优化大模场掺稀土光纤光束质量的作用。
(2)传统的部分掺稀土光纤采用DND技术制备而成，但是DND技术掌握在国外少数研究机构，难以在国内进行学习推广。本发明采用常用的改进的化学气相沉积（ModifiedChemical Vapor Deposotion，MCVD）工艺，通过多层沉积芯层，可灵活精确的控制纤芯中掺稀土区域与非掺稀土区域直径的大小，为制备不同掺杂区域比例的光纤提供一种十分简便的方法，同时，工艺控制简单，适合规模化生产。
(3)国内目前大多采用MCVD工艺制备掺稀土光纤，本发明利用MCVD工艺制备部分掺稀土光纤，不仅结构设计合理，可有效控制高功率下激光光纤的模式不稳定性，提高输出激光的光束质量，更有利于在国内推广。
附图说明
图1为本发明部分掺稀土光纤的横截面图；
图2为本发明部分掺稀土光纤的折射率分布示意图。
图1中：1.纤芯，1-1.掺稀土区域，1-2.非掺稀土区域，2.八边形包层，3.低折射率内涂层，4.高折射率外涂层。
图2中： n1为八边形包层的折射率，n2为纤芯中非掺稀土区域的折射率，n3为纤芯中掺稀土区域的折射率，其中n2=n3，纤芯与八边形包层的折射率差（n2-n1）△n=0.0010~0.0015。
具体实施方式
为利于同行业技术人员的理解，下面结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征进行进一步说明。
如图1、图2所示，一种部分掺稀土光纤，包括纤芯1、八边形包层2、低折射率内涂层3、高折射率外涂层4；
纤芯1以SiO2为基质，由掺稀土区域1-1和非掺稀土区域1-2组成，非掺稀土区域1-2包覆在掺稀土区域1-1***；在纤芯1***依次为八边形包层2、低折射率内涂层3和高折射率外涂层4。
掺稀土区域1-1直径与纤芯1直径之比为0.5~0.6；
掺稀土区域1-1掺杂的稀土元素包括Yb、Er、Tm和Ho的一种或两种，共掺元素包括Al、P、Ce等；
非掺稀土区域1-2掺杂元素包括Ge、Al的一种或两种；
纤芯中掺稀土区域1-1与非掺稀土区域1-2的折射率相等；
纤芯1和八边形包层2折射率分布为阶跃型，纤芯1和八边形包层2折射率差Δn为0.0010~0.0015。
一种部分掺稀土光纤的制备方法，步骤如下：
采用改进的化学气相沉积工艺结合溶液掺杂法或采用改进的化学气相沉积工艺结合鳌合物气相掺杂法制备部分掺稀土光纤预制棒芯棒，通过多层沉积芯层，依次沉积纤芯中非掺稀土区域1-2、掺稀土区域1-1，沉积总层数＞30层，沉积完成后，在高温2000℃左右下进行缩棒，制备成部分掺稀土光纤预制棒芯棒；
采用酸洗并高温抛光预制棒芯棒，以去除预制棒芯棒中杂质和细小裂纹，提高光纤强度；
根据所制备纤芯和八边形包层的比例，对预制棒芯棒进行套管；
对套管后的预制棒进行磨抛处理，将预制棒包层加工成八边形形状；
将磨抛后的预制棒置入拉丝塔加热炉中，在高温2000℃左右融缩成丝并进行双层涂覆，形成低折射率内涂层3和高折射率外涂层4，制备成双包层部分掺稀土光纤。
实施例1：一种部分掺稀土光纤，包括，包括纤芯1、八边形包层2、低折射率内涂层3、高折射率外涂层4。
纤芯1以SiO2为基质，其中掺稀土区域1-1中掺入稀土元素Yb及共掺元素Al、P；非掺稀土区域1-2中掺入元素Ge、Al。
纤芯1中掺稀土区域1-1与纤芯1直径之比为0.5。
纤芯1中掺稀土区域1-1与非掺稀土区域1-2折射率相等n2=n3，为1.4536。八边形包层2折射率n1为1.4524，两者差值n2-n1为0.0012。
通过上述技术方案，本发明第一实施例提供的部分掺稀土光纤通过改变纤芯中掺稀土离子沿光纤截面径向的分布，改善光纤横模与增益粒子的相互作用机会，突出基模的竞争优势而达到优化光束质量的作用。
实施例2：
为了便于理解本发明实施例，本发明第二实施例提供一种部分掺稀土光纤的制备方法。
首先，利用MCVD工艺在石英管中多次沉积制备出芯层中非掺稀土区域1-2；其次，采用溶液掺杂法在非掺稀土层上继续多层沉积制备出掺稀土区域1-1；最后高温缩棒，制备成部分掺稀土光纤预制棒芯棒，其中，预制棒芯棒中芯区直径大小为2.4mm，掺稀土区域直径为1.2mm，预制棒芯棒外径为13.5mm。
对预制棒芯棒采用氢氟酸溶液酸洗和高温抛光，以去除预制棒芯棒的杂质及表面裂纹，提高光纤强度。
对预制棒芯棒进行套管，并进行形状为八边形的磨抛处理，预制棒芯棒加工后成为预制棒，其边-边直径为32mm。
将预制棒置入拉丝塔中，在高温2000℃下融缩拉丝，调整光纤八边形包层直径，并进行双层涂覆，形成低折射率内涂层3和高折射率外涂层4，制备出部分掺稀土光纤。其中，部分掺稀土光纤包层的八边形包层2的边-边直径为400μm，纤芯1直径为30μm，纤芯中掺稀土区域1-1直径为15μm。
综上所述，本发明提供了一种部分掺稀土光纤及其制备方法，但是本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种部分掺稀土光纤，包括纤芯（1）、八边形包层（2）、低折射率内涂层（3）、高折射率外涂层（4），其特征在于：所述纤芯（1）以SiO2为基质，由掺稀土区域（1-1）和非掺稀土区域（1-2）组成，非掺稀土区域（1-2）包覆在掺稀土区域（1-1）***；在纤芯（1）***依次为八边形包层（2）、低折射率内涂层（3）和高折射率外涂层（4）；
所述掺稀土区域（1-1）直径与纤芯（1）直径之比为0.5~0.6；
所述掺稀土区域（1-1）掺杂的稀土元素包括Yb、Er、Tm和Ho的一种或两种，共掺元素包括Al、P、Ce；
所述非掺稀土区域（1-2）掺杂元素包括Ge、Al的一种或两种；
所述纤芯中掺稀土区域（1-1）与非掺稀土区域（1-2）的折射率相等；
所述纤芯（1）和八边形包层（2）折射率分布为阶跃型，纤芯（1）和八边形包层（2）折射率差Δn为0.0010~0.0015。
2.一种采用权利要求1所述的部分掺稀土光纤的制备方法，其特征在于，步骤如下：
采用改进的化学气相沉积工艺结合溶液掺杂法或采用改进的化学气相沉积工艺结合鳌合物气相掺杂法制备部分掺稀土光纤预制棒芯棒，通过多层沉积芯层，依次沉积纤芯中非掺稀土区域（1-2）、掺稀土区域（1-1），沉积总层数＞30层，沉积完成后，在高温下进行缩棒，制备成部分掺稀土光纤预制棒芯棒；
采用酸洗并高温抛光预制棒芯棒，以去除预制棒芯棒中杂质和细小裂纹，提高光纤强度；
根据所制备纤芯和八边形包层的比例，对预制棒芯棒进行套管；
对套管后的预制棒进行磨抛处理，将预制棒包层加工成八边形形状；
将磨抛后的预制棒置入拉丝塔加热炉中，融缩成丝并进行双层涂覆，形成低折射率内涂层（3）和高折射率外涂层（4），制备成双包层部分掺稀土光纤。
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