CN112142319B - 一种轴向吸收渐变光纤及其制备方法、光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴向吸收渐变光纤及其制备方法、光纤激光器，所述制备方法包括步骤：于石英衬底管内径向由外而内沉积烧结形成两层以上依次套设的烧结层，以获得径向掺杂渐变的石英玻璃棒；沿所述石英玻璃棒的径向方向将所述石英玻璃棒切割成块状粗坯，将所述块状粗坯打磨成圆柱状玻璃棒；其中，所述圆柱状玻璃棒的轴线方向与所述石英玻璃棒的径向方向平行；沿所述圆柱状玻璃棒的轴线方向拉制所述圆柱状玻璃棒，以形成轴向吸收渐变的光纤。本发明解决了高功率光纤激光器中光纤热负载不均匀问题和模式不稳定现象，实现更高功率激光输出；且本发明具有结构简单，容易实现，稳定可靠等优点。

Description

一种轴向吸收渐变光纤及其制备方法、光纤激光器
技术领域
本发明光纤激光制备技术领域，更具体地，涉及一种轴向吸收渐变光纤及其制备方法、光纤激光器。
背景技术
在光纤激光领域，目前使用的增益光纤吸收在轴向上是均匀分布且稳定不变，对应的光纤数值孔径、掺杂浓度等参数是统一的，该种光纤结构简单，易于生产，在光纤激光器领域得到广泛应用。
在光纤激光器领域，泵浦方式无论是采用前向泵浦、反向泵浦还是双向泵浦，都很难将轴向吸收均匀的增益光纤中的粒子数反转程度平均化。由于靠近泵浦端的增益光纤泵浦程度高，其粒子数反转程度高，中间段增益光纤受泵浦程度低，对应粒子数反转程度低，因此沿着增益光纤长度方向粒子数反转程度必然存在差异，引起增益光纤在轴向上热分布不均匀，最终导致热致折射率光栅产生，出现模式不稳定现象。此外，由于增益光纤在长度方向上产热情况不一样，会存在局部过热现象，严重的话会导致激光器中增益光纤烧毁，限制高功率光纤激光器输出功率的进一步提升。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种轴向吸收渐变光纤及其制备方法、光纤激光器。解决了高功率光纤激光器中光纤热负载不均匀问题和模式不稳定现象，实现更高功率激光输出；且本发明具有结构简单，容易实现，稳定可靠等优点。
本发明公开了一种轴向吸收渐变光纤的制备方法，包括以下步骤：S1，于石英衬底管内径向由外而内沉积烧结形成两层以上依次套设的烧结层，以获得径向掺杂渐变的石英玻璃棒；其中，相邻设置的两个所述烧结层由外而内为第一烧结层和第二烧结层，所述第一烧结层和所述第二烧结层通过以下步骤S11和步骤S12制备；S11，于石英衬底管内沉积第一疏松层，以得到第一预制衬底管；封闭所述第一预制衬底管的底部，向所述第一预制衬底管注入预设离子浓度的离子溶液，并使整个所述第一疏松层浸没在该离子溶液至第一预设时间以达到平衡；后打开所述第一预制衬底管的底部，使该离子溶液流出所述第一预制衬底管，后烧结所述第一疏松层形成所述第一烧结层，以得到第一过渡预制衬管；S12，于所述第一过渡预制衬管内继续沉积第二疏松层，以得到第二预制衬底管；封闭所述第二预制衬底管的底部，向所述第二预制衬底管注入预设离子浓度的离子溶液，并使整个所述第二疏松层浸没在该离子溶液至第二预设时间以达到平衡；后打开所述第二预制衬底管的底部，使该离子溶液流出所述第二预制衬底管，后烧结所述第二疏松层形成所述第二烧结层，以得到第二过渡预制衬管；其中，至少两层所述烧结层所对应的离子溶液的预设离子浓度不同；S2，沿所述石英玻璃棒的径向方向将所述石英玻璃棒切割成块状粗坯，将所述块状粗坯打磨成圆柱状玻璃棒；其中，所述圆柱状玻璃棒的轴线方向与所述石英玻璃棒的径向方向平行；S3，沿所述圆柱状玻璃棒的轴线方向拉制所述圆柱状玻璃棒，以形成轴向吸收渐变的光纤。
可选地，所述第一烧结层对应的离子溶液的预设离子浓度大于所述第二烧结层对应的离子溶液的预设离子浓度，以使所述光纤沿其自身轴线方向的吸收先增大后减小。
可选地，所述第一烧结层对应的离子溶液的预设离子浓度小于所述第二烧结层对应的离子溶液的预设离子浓度，以使所述光纤沿其自身轴线方向的吸收先减小后增大。
可选地，所述两层以上依次套设的烧结层所对应的离子溶液的预设离子浓度为等差数列。
可选地，不同所述烧结层所对应的离子溶液的预设离子浓度的差值范围为0-0.03mol/L。
可选地，所述离子溶液的掺杂离子为稀土离子；和/或，至少两层所述烧结层所对应的疏松层沿径向方向的厚度尺寸不同。
可选地，步骤S2具体包括以下步骤：S21，沿所述石英玻璃棒的径向方向将所述石英玻璃棒切割成块状粗坯；S22，以过轴心的直径为中心对称线于最远离所述石英衬底管的相邻设置的两个烧结层的交界处沿轴向方向切割所述块状粗坯，以形成左切弧块、中切柱块和右切弧块；其中，所述中切柱块以所述中心对称线左右对称，所述左切弧块和所述右切弧块以所述中心对称线左右对称；S23，将所述中切柱块打磨成所述圆柱状玻璃棒。
可选地，步骤S3具体包括以下步骤：
S31，采用套管法将所述圆柱状玻璃棒制备成纤芯轴向渐变的光纤预制棒；S32，通过拉丝塔将所述光纤预制棒拉制成所述轴向吸收渐变的光纤。
本发明还公开了一种轴向吸收渐变光纤，其由上述任意一项所述的轴向吸收渐变光纤的制备方法制备而成。
本发明还公开了一种光纤激光器，所述光纤激光器的光纤由上述任意一项所述的轴向吸收渐变光纤的制备方法制备而成。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
本发明实现了在高功率光纤激光器中针对增益光纤各位置上泵浦功率存在差别，选取合适的增益光纤使光纤在轴向上的吸收与光纤中功率的趋势呈相反状态，使光纤中稀土离子受激发程度基本保持一致，使得光纤上各位置产生的热量相当，有效缓解光纤中局部过热现象以及热致光栅引发的模式不稳定效应，提高高功率光纤激光器的模式不稳定阈值，实现高功率激光输出。更优的，通过控制疏松层的厚度和掺杂溶液浓度实现轴向上增益光纤的吸收渐变，可提高高功率光纤激光器中增益光纤的散热能力，提升输出激光功率，优化输出激光光束质量，稳定可靠，可获得高功率、高光束质量激光输出。更优的，本发明具有结构简单，容易实现，稳定可靠、使用寿命长等优点。
附图说明
图1为本发明的轴向吸收渐变光纤的制备方法一种实施例流程图示意图。
图2为本发明的第二过渡预制衬管的一种实施例结构示意图。
图3为本发明的块状粗坯的一种实施例结构示意图。
图4为本发明的圆柱状玻璃棒的一种实施例结构示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-石英衬底管、2-第一烧结层、3-第二烧结层、4-块状粗坯、41-左切弧块、42-中切柱块、43-右切弧块、44-交界处、45-圆柱状玻璃棒、5-石英套管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明的一种实施例中，如图1所示，一种轴向吸收渐变光纤的制备方法，包括下述步骤。
S1，于石英衬底管内径向由外而内沉积烧结形成两层以上依次套设的烧结层，以获得径向掺杂渐变的石英玻璃棒；其中，相邻设置的两个所述烧结层由外而内为第一烧结层和第二烧结层，所述第一烧结层和所述第二烧结层通过以下步骤S11和步骤S12制备。
S11，于石英衬底管内沉积第一疏松层，以得到第一预制衬底管；封闭所述第一预制衬底管的底部，向所述第一预制衬底管注入预设离子浓度的离子溶液，并使整个所述第一疏松层浸没在该离子溶液至第一预设时间以达到平衡；后打开所述第一预制衬底管的底部，使该离子溶液流出所述第一预制衬底管，后烧结所述第一疏松层形成所述第一烧结层，以得到第一过渡预制衬管。
S12，于所述过渡预制衬管内继续沉积第二疏松层，以得到第二预制衬底管；封闭所述第二预制衬底管的底部，向所述第二预制衬底管注入预设离子浓度的离子溶液，并使整个所述第二疏松层浸没在该离子溶液至第二预设时间以达到平衡；后打开所述第二预制衬底管的底部，使该离子溶液流出所述第二预制衬底管，后烧结所述第二疏松层形成所述第二烧结层，以得到第二过渡预制衬管；其中，至少两层所述烧结层所对应的离子溶液的预设离子浓度不同。
S2，沿所述石英玻璃棒的径向方向将所述石英玻璃棒切割成块状粗坯，将所述块状粗坯打磨成圆柱状玻璃棒；其中，所述圆柱状玻璃棒的轴线方向与所述石英玻璃棒的径向方向平行。
S3，沿所述圆柱状玻璃棒的轴线方向拉制所述圆柱状玻璃棒，以形成轴向吸收渐变的光纤。
可理解的是，烧结层的厚度尺寸以及其所对应的离子溶液的预设离子浓度可基于实际需求进行设置。圆柱状玻璃棒沿其自身的轴线方向的离子浓度是变化的，因此，在拉制过程中可将其做成纤芯轴向渐变的光纤。在实际应用中，光纤中由石英衬底管构成的光纤段可根据其具体应用场景保留或切除。在实际应用中，不同烧结层对应的疏松层的浸没时间（第一预设时间、第二预设时间）可相同或不同；且不同疏松层即使厚度尺寸和/或离子溶液的预设离子浓度相同，但其浸没时间可相同或不同，厚度尺寸、预设离子浓度以及浸没时间具体可根据实际需求进行设置。通过控制疏松层（第一疏松层、第二疏松层）的厚度和/或离子溶液的预设离子浓度实现轴向上增益光纤的吸收渐变，以提高高功率光纤激光器中增益光纤的散热能力，提升输出激光功率，优化输出激光光束质量，稳定可靠，可获得高功率、高光束质量激光输出。
在本发明的另一实施例中，在上述实施例的基础上，所述第一烧结层对应的离子溶液的预设离子浓度大于所述第二烧结层对应的离子溶液的预设离子浓度，以使所述光纤沿其自身轴线方向的吸收先增大后减小。
可选地，不同所述烧结层所对应的离子溶液的预设离子浓度的差值范围为0-0.03mol/L。
可选地，所述离子溶液的掺杂离子为稀土离子。值得说明的是，上述预设离子浓度是针对掺杂离子而言，即不同所述烧结层所对应的稀土离子的预设离子浓度的差值范围为0-0.03mol/L。优选地，不同所述烧结层所对应的稀土离子的预设离子浓度的差值范围为0.01mol/L。
可选地，所述两层以上依次套设的烧结层所对应的离子溶液的预设离子浓度为等差数列。如相邻设置的所述烧结层所对应的稀土离子的预设离子浓度的差值范围为0-0.03mol/L，优选为0.005-0.02，进一步优选为0.01mol/L。
可选地，至少两层所述烧结层所对应的疏松层沿径向方向的厚度尺寸不同。
在本发明的另一实施例中，在上述任一实施例的基础上，步骤S2具体包括步骤：
S21，沿所述石英玻璃棒的径向方向将所述石英玻璃棒切割成块状粗坯。
S22，以过轴心的直径为中心对称线于最远离所述石英衬底管的相邻设置的两个烧结层的交界处沿轴向方向切割所述块状粗坯，以形成左切弧块、中切柱块和右切弧块；其中，所述中切柱块以所述中心对称线左右对称，所述左切弧块和所述右切弧块以所述中心对称线左右对称。
S23，将所述中切柱块打磨成所述圆柱状玻璃棒。
在实际应用中，可通过机床、机器人等实现石英玻璃棒的切割、块状粗坯的切割以及中切柱块的打磨。
可选地，步骤S3具体包括步骤。
S31，采用套管法将所述圆柱状玻璃棒制备成纤芯轴向渐变的光纤预制棒。
S32，通过拉丝塔将所述光纤预制棒拉制成所述轴向吸收渐变的光纤。
示例性的，如图2-4所示，石英玻璃棒由石英衬底管1以及两层烧结层（第一烧结层2和第二烧结层3）构成，其中，第一烧结层2为圆筒状结构，第二烧结层3为圆柱状结构；沿着石英玻璃棒自身的轴向将其切割成多个块状粗坯4，然后将块状粗坯4沿着石英玻璃棒自身的轴向于第一烧结层2和第二烧结层3的交界处44切割以形成左切弧块41、中切柱块42和右切弧块43，其中，左切弧块41和右切弧块43均包括部分的石英衬底管1和部分的第一烧结层2，中切柱块42包括部分的石英衬底管1、部分的第一烧结层2以及整个的第二烧结层3；然后打磨中切柱块42使其成为轴向与石英玻璃棒的径向平行的圆柱状玻璃棒45；然后在该圆柱状玻璃棒45的外侧套一层石英套管5，最后在拉丝塔上拉制出轴向渐变的增益光纤。
值得说明的是，当烧结层为三层以上时，则第一烧结层2和第二烧结层3所形成的交界处44将有两处以上，因此，在切割块状粗坯4以形成左切弧块41、中切柱块42和右切弧块43时，以位于最中间的一组第一烧结层2和第二烧结层3（即最远离石英衬底管1的一组第一烧结层2和第二烧结层3）所形成的交界处44为切割线。
在本发明的另一实施例中，与上述实施例不同的是，所述第一烧结层对应的离子溶液的预设离子浓度小于所述第二烧结层对应的离子溶液的预设离子浓度，以使所述光纤沿其自身轴线方向的吸收先减小后增大。可选地，所述两层以上依次套设的烧结层所对应的离子溶液的预设离子浓度为等差数列。
本发明还公开了一种轴向吸收渐变光纤，其由上述任意一项所述的轴向吸收渐变光纤的制备方法制备而成。
示例性的，如图2-4所示，一种轴向吸收渐变光纤具体由下述步骤制备而成。
1）如图2所示，通过MCVD设备在长度为500mm、外径为25mm、壁厚为3mm的石英衬底管1内沉积一层厚度为1mm的二氧化硅疏松层（即第一疏松层）；于MCVD设备取下该石英衬底管1。
2）将该石英衬底管1的底部封住，向该石英衬底管1内注入浓度为0.01mol/L的稀土离子溶液，使整个二氧化硅疏松层浸没在该0.01mol/L的稀土离子溶液中，并保持2小时以上达到平衡状态。
3）打开石英衬底管1的底部使该0.01mol/L的稀土离子溶液流出，通过MCVD设备将该1mm厚度的二氧化硅疏松层烧实，然后在烧实的二氧化硅疏松层（即第一疏松层）内沉积第二疏松层1，第二疏松层1的厚度也为1mm。
4）于MCVD设备取下该石英衬底管1并将其底部封住，向该石英衬底管1内注入浓度为0.03mol/L的稀土离子溶液，使整个第二疏松层浸没在该0.03mol/L的稀土离子溶液中，保持2小时以上达到平衡状态。
5）打开该石英衬底管1的底部使该0.03mol/L的稀土离子溶液流出，将该石英衬底管1放在MCVD设备上用氢氧焰将第二疏松层烧实，以形成石英玻璃棒。
6）如图3所示，将烧实后的掺杂的石英玻璃棒沿径向切开成块状粗坯4。
7）将块状粗坯4在车床上打磨成直径为1mm、长度为30mm的圆柱状玻璃棒45，作为预制棒的纤芯。
8）根据需求在圆柱状玻璃棒45外套一层石英套管5，如图4所示，最后在拉丝塔上拉制出轴向吸收先增大后减小的增益光纤。
本发明还公开了一种光纤激光器，所述光纤激光器的光纤由上述任意一项所述的轴向吸收渐变光纤的制备方法制备而成。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轴向吸收渐变光纤的制备方法，其特征在于，包括步骤：
S1，于石英衬底管内径向由外而内沉积烧结形成两层以上依次套设的烧结层，以获得径向掺杂渐变的石英玻璃棒；其中，相邻设置的两个所述烧结层由外而内为第一烧结层和第二烧结层，所述第一烧结层和所述第二烧结层通过以下步骤S11和步骤S12制备：
S11，于石英衬底管内沉积第一疏松层，以得到第一预制衬底管；封闭所述第一预制衬底管的底部，向所述第一预制衬底管注入预设离子浓度的离子溶液，并使整个所述第一疏松层浸没在该离子溶液至第一预设时间以达到平衡；后打开所述第一预制衬底管的底部，使该离子溶液流出所述第一预制衬底管，后烧结所述第一疏松层形成所述第一烧结层，以得到第一过渡预制衬管；
S12，于所述第一过渡预制衬管内继续沉积第二疏松层，以得到第二预制衬底管；封闭所述第二预制衬底管的底部，向所述第二预制衬底管注入预设离子浓度的离子溶液，并使整个所述第二疏松层浸没在该离子溶液至第二预设时间以达到平衡；后打开所述第二预制衬底管的底部，使该离子溶液流出所述第二预制衬底管，后烧结所述第二疏松层形成所述第二烧结层，以得到第二过渡预制衬管；其中，至少两层所述烧结层所对应的离子溶液的预设离子浓度不同；
S2，沿所述石英玻璃棒的径向方向将所述石英玻璃棒切割成块状粗坯，将所述块状粗坯打磨成圆柱状玻璃棒；其中，所述圆柱状玻璃棒的轴线方向与所述石英玻璃棒的径向方向平行；
S3，沿所述圆柱状玻璃棒的轴线方向拉制所述圆柱状玻璃棒，以形成轴向吸收渐变的光纤。
2.如权利要求1所述的轴向吸收渐变光纤的制备方法，其特征在于：
所述第一烧结层对应的离子溶液的预设离子浓度大于所述第二烧结层对应的离子溶液的预设离子浓度，以使所述光纤沿其自身轴线方向的吸收先增大后减小。
3.如权利要求1所述的轴向吸收渐变光纤的制备方法，其特征在于：
所述第一烧结层对应的离子溶液的预设离子浓度小于所述第二烧结层对应的离子溶液的预设离子浓度，以使所述光纤沿其自身轴线方向的吸收先减小后增大。
4.如权利要求2或3所述的轴向吸收渐变光纤的制备方法，其特征在于：
所述两层以上依次套设的烧结层所对应的离子溶液的预设离子浓度为等差数列。
5.如权利要求1所述的轴向吸收渐变光纤的制备方法，其特征在于：
不同所述烧结层所对应的离子溶液的预设离子浓度的差值范围为0-0.03mol/L。
6.如权利要求1所述的轴向吸收渐变光纤的制备方法，其特征在于：
所述离子溶液的掺杂离子为稀土离子；和/或，
至少两层所述烧结层所对应的疏松层沿径向方向的厚度尺寸不同。
7.如权利要求1-3或5或6任意一项所述的轴向吸收渐变光纤的制备方法，其特征在于：
S21，沿所述石英玻璃棒的径向方向将所述石英玻璃棒切割成块状粗坯；
S22，以过轴心的直径为中心对称线于最远离所述石英衬底管的相邻设置的两个烧结层的交界处沿轴向方向切割所述块状粗坯，以形成左切弧块、中切柱块和右切弧块；其中，所述中切柱块以所述中心对称线左右对称，所述左切弧块和所述右切弧块以所述中心对称线左右对称；
S23，将所述中切柱块打磨成所述圆柱状玻璃棒。
8.如权利要求7所述的轴向吸收渐变光纤的制备方法，其特征在于，步骤S3具体包括步骤：
S31，采用套管法将所述圆柱状玻璃棒制备成纤芯轴向渐变的光纤预制棒；
S32，通过拉丝塔将所述光纤预制棒拉制成所述轴向吸收渐变的光纤。
9.一种轴向吸收渐变光纤，其特征在于，其由上述权利要求1-8任意一项所述的轴向吸收渐变光纤的制备方法制备而成。
10.一种光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器的光纤由上述权利要求1-8任意一项所述的轴向吸收渐变光纤的制备方法制备而成。
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