CN112086851A - 一种内包层掺碱金属的三包层石英光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内包层掺碱金属的三包层石英光纤，由纤芯、内包层和外包层组成，所述内包层是由碱金属氧化物掺杂石英玻璃制成，所述内包层的折射率比纯石英的折射率高(0～50)×10‑3。本发明的内包层掺碱金属的三包层石英光纤，能够有效提高内包层折射率，同时掺杂难度和成本低。

Description

一种内包层掺碱金属的三包层石英光纤
技术领域
本发明涉及稀土掺杂光纤和激光技术领域，具体涉及一种内包层掺碱金属的三包层石英光纤。
背景技术
稀土离子掺杂光纤激光器由于其结构紧凑稳定、散热良好、光束质量优异等特点，被广泛应用于激光加工、军事等领域。
传统的稀土掺杂光纤结构包括稀土掺杂玻璃纤芯，玻璃内包层，低折射率有机树脂构成的第一外包层和高折射率有机树脂构成的第二外包层。稀土掺杂玻璃纤芯的主要作用是实现激光输出，玻璃内包层和第一外包层的主要作用之一是提高内包层的NA(NA～0.46)形成泵浦光的波导结构，从而利于吸收更多的泵浦功率，提高激光输出，而第二外包层的作用主要是增加光纤的强度，免受机械损伤。
目前各领域对光纤激光的输出功率需求越来越高，而提高稀土掺杂光纤输出功率的有效途径就是增加纤芯的稀土掺杂浓度，但是提高纤芯的稀土掺杂浓度会直接导致光纤纤芯折射率的提高，从而升高纤芯的NA，使其无法满足应用需求。为了降低纤芯折射率，一般采用纤芯磷铝等比例共掺(Proc.of SPIE，2008，第6890卷，689016-1)或掺F的方法(CN103864292B)。同时，为了满足3000W甚至5000W以上超高功率的应用需求，需要增强光纤的散热和导热能力，保证其稳定输出。目前普遍采用低折射率的掺氟石英管取代传统的低折射率有机树脂作为光纤的第一外包层，制成三包层光纤，但由于石英玻璃的掺氟能力有限，导致其折射率下降的幅度有限。目前三包层光纤的内包层可以实现的最大NA为～0.22，仅为传统三包层光纤(以低折射率有机树脂作为外包层)的内包层的二分之一，在一定程度上降低了泵浦源的耦合效率，造成了泵浦功率损失，从而影响光纤激光输出的斜率效率。
公开号为CN107065066B的中国专利提出了一种多包层石英光纤结构，该结构中利用掺氟、硼等的低折射率石英玻璃取代低折射率有机树脂，从而提高光纤的热稳定性，通过掺钇、镧、铝、锗等元素提高内包层折射率，从而提高内包层的NA，但是钇、镧和铝等元素的高浓度掺杂难度大，锗掺杂的成本高。
文献SPIE，2007，第6453卷，645308-1提出了一种以掺锗石英玻璃作为内包层，纯石英作为第一外包层的三包层结构，该结构受到掺锗石英玻璃折射率的限制，内包层NA小于0.15，无法满足高功率泵浦源对NA的要求，难以实现高功率输出。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够有效提高内包层折射率，同时掺杂难度和成本低的三包层石英光纤。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下所述的技术方案：
本发明提供了一种内包层掺碱金属的三包层石英光纤，由纤芯、内包层和外包层组成，所述内包层是由碱金属氧化物掺杂石英玻璃制成，所述内包层的折射率比纯石英的折射率高(0～50)×10-3(不包括0)。
本发明中，通过在内包层中掺入碱金属氧化物，包括锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)等的化合物，提高了内包层折射率，从而有利于提高内包层的NA值。
进一步地，所述内包层中，碱金属氧化物的掺杂量为0～30mol％(不包括0)。
优选地，所述内包层中，碱金属氧化物的掺杂量为0.01～10mol％。
优选地，所述碱金属氧化物为K2O。
本发明中，所述纤芯的材料包括但不限于下述材料中的任意一种：
Al、Yb共掺杂石英玻璃、Al、P、Yb共掺杂石英玻璃、Al、Yb、F共掺杂石英玻璃、Al、P、Yb、Ce共掺杂石英玻璃、Al、Yb、Ce共掺杂石英玻璃。
本发明中，所述外包层可由F掺杂石英玻璃制成。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的三包层石英光纤，采用碱金属氧化物掺杂石英玻璃作为内包层，有效地提高内包层的折射率，使得内包层的NA值达到了0.22以上。同时以碱金属氧化物掺杂代替现有技术中的掺钇、镧、铝、锗等元素，既降低了掺杂的难度，又降低了掺杂的成本。
附图说明
图1为典型的三包层石英光纤的折射率剖面图。
图2(a)为实施例1中的光纤折射率剖面图，图2(b)为实施例1中的元素分布图。
图3(a)为实施例2中的光纤折射率剖面图，图3(b)为实施例2中的元素分布图。
图4(a)为实施例3中的光纤折射率剖面图，图4(b)为实施例3中的元素分布图。
图5(a)为实施例4中的光纤折射率剖面图，图5(b)为实施例4中的元素分布图。
图6(a)为实施例5中的光纤折射率剖面图，图6(b)为实施例5中的元素分布图。
图7(a)为实施例6中的光纤折射率剖面图，图7(b)为实施例6中的元素分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
除特殊说明外，本发明中所提的组分(元素含量)均为摩尔百分比(mol％)。
实施例1
本实施例的三包层光纤，其芯层、内包层和外包层的半径分别是10μm、200μm和260μm。三包层光纤的芯层组分为1Al2O3+0.1Yb2O3，其余为石英(SiO2)，与纯石英的折射率差为+2.8×10-3；内包层组分为0.15K2O，其余为SiO2，与纯石英的折射率差为+1.56×10-3；外包层组分为14F，其余为SiO2，与纯石英的折射率差为-1.37×10-2。因此，芯层的数值孔径为0.06，内包层的数值孔径为0.22。
实施例2
本实施例的三包层光纤，其芯层、内包层和外包层的半径分别是10μm、200μm和260μm。三包层光纤的芯层组分为2Al2O3+2P2O5+0.2Yb2O3，其余为石英(SiO2)，与纯石英的折射率差为+1×10-3；内包层组分为0.025K2O，其余为SiO2，与纯石英的折射率差为+0.45×10-3；外包层组分为17F，其余为SiO2，与纯石英的折射率差为-1.67×10-2。因此，芯层的数值孔径为0.04，内包层的数值孔径为0.22。
实施例3
本实施例的三包层光纤，其芯层、内包层和外包层的半径分别是10μm、200μm和260μm。三包层光纤的芯层组分为2Al2O3+0.2Yb2O3+2.8F，其余为石英(SiO2)，与纯石英的折射率差为+2.8×10-3；内包层组分为0.084K2O，其余为SiO2，与纯石英的折射率差为+1.56×10-3；外包层组分为14.9F，其余为SiO2，与纯石英的折射率差为-1.51×10-2。因此，芯层的数值孔径为0.06，内包层的数值孔径为0.22。
实施例4
本实施例的三包层光纤，其芯层、内包层和外包层的半径分别是15μm、300μm和730μm。三包层光纤的芯层组分为1.5Al2O3+1P2O5+0.2Yb2O3+0.05Ce2O3，其余为石英(SiO2)，与纯石英的折射率差为+2.6×10-3；内包层组分为0.075K2O，其余为SiO2，与纯石英的折射率差为+1.36×10-3；外包层组分为15F，其余为Si O2，与纯石英的折射率差为-1.53×10-2。因此，芯层的数值孔径为0.06，内包层的数值孔径为0.22。
实施例5
本实施例的三包层光纤，其芯层、内包层和外包层的半径分别是15μm、300μm和730μm。三包层光纤的芯层组分为1.5Al2O3+0.2Yb2O3+0.05Ce2O3，其余为石英(SiO2)，与纯石英的折射率差为+6×10-3；内包层组分为0.26K2O，其余为SiO2，与纯石英的折射率差为+4.76×10-3；外包层组分为12F，其余为SiO2，与纯石英的折射率差为-1.2×10-2。因此，芯层的数值孔径为0.06，内包层的数值孔径为0.22。
实施例6
本实施例的三包层光纤，其芯层、内包层和外包层的半径分别是15μm、300μm和730μm。三包层光纤的芯层组分为1.5Al2O3+0.2Yb2O3+0.05Ce2O3，其余为石英(SiO2)，与纯石英的折射率差为+6×10-3；内包层组分为0.26K2O，其余为SiO2，与纯石英的折射率差为+4.76×10-3；外包层组分为17F，其余为SiO2，与纯石英的折射率差为-1.67×10-2。因此，芯层的数值孔径为0.06，内包层的数值孔径为0.25。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种内包层掺碱金属的三包层石英光纤，由纤芯、内包层和外包层组成，其特征在于，所述内包层是由碱金属氧化物掺杂石英玻璃制成，所述内包层的折射率比纯石英的折射率高(0～50)×10-3。
2.根据权利要求1所述的一种内包层掺碱金属的三包层石英光纤，其特征在于，所述内包层中，碱金属氧化物的掺杂量为0～30mol％。
3.根据权利要求2所述的一种内包层掺碱金属的三包层石英光纤，其特征在于，所述内包层中，碱金属氧化物的掺杂量为0.01～10mol％。
4.根据权利要求1所述的一种内包层掺碱金属的三包层石英光纤，其特征在于，所述碱金属氧化物为K2O。
5.根据权利要求1所述的一种内包层掺碱金属的三包层石英光纤，其特征在于，所述纤芯的材料包括下述材料中的任意一种：
Al、Yb共掺杂石英玻璃、Al、P、Yb共掺杂石英玻璃、Al、Yb、F共掺杂石英玻璃、Al、P、Yb、Ce共掺杂石英玻璃、Al、Yb、Ce共掺杂石英玻璃。
6.根据权利要求1所述的一种内包层掺碱金属的三包层石英光纤，其特征在于，所述外包层是由F掺杂石英玻璃制成。
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